Kwestia horyzontu

Kiedy patrzymy na CMB , pochodzi ono z odległości 46 miliardów lat świetlnych . Jednak kiedy światło zostało wyemitowane, wszechświat był znacznie młodszy (300 000 lat). W tym czasie światło docierałoby tylko do mniejszych kręgów. Dwa punkty zaznaczone na diagramie nie mogłyby się ze sobą stykać, ponieważ ich sfery przyczynowości nie zachodzą na siebie.

Problem horyzontu ( znany również jako problem jednorodności ) jest kosmologicznym problemem dostrajania w ramach modelu Wielkiego Wybuchu wszechświata . Wynika to z trudności w wyjaśnieniu obserwowanej jednorodności przyczynowo rozłączonych obszarów przestrzeni przy braku mechanizmu ustalającego wszędzie te same warunki początkowe. Po raz pierwszy zwrócił na to uwagę Wolfgang Rindler w 1956 roku.

Najczęściej akceptowanym rozwiązaniem jest kosmiczna inflacja . Różne rozwiązania proponują cykliczny wszechświat lub zmienną prędkość światła .

Tło

Odległości astronomiczne i horyzonty cząstek

Odległości obserwowalnych obiektów na nocnym niebie odpowiadają okresom w przeszłości. Do opisania tych kosmologicznych odległości używamy roku świetlnego (odległość, jaką światło może przebyć w ciągu jednego roku ziemskiego). Galaktyka mierząca dziesięć miliardów lat świetlnych wydaje się nam taki, jaki był dziesięć miliardów lat temu, ponieważ światło potrzebowało tyle czasu, aby dotrzeć do obserwatora. Gdyby spojrzeć na galaktykę oddaloną o dziesięć miliardów lat świetlnych w jednym kierunku, a drugą w przeciwnym, całkowita odległość między nimi wynosi dwadzieścia miliardów lat świetlnych. Oznacza to, że światło z pierwszego nie dotarło jeszcze do drugiego, ponieważ wszechświat ma zaledwie około 13,8 miliarda lat. W bardziej ogólnym sensie istnieją części wszechświata, które są dla nas widoczne, ale niewidoczne dla siebie nawzajem, poza swoimi horyzontami cząstek .

Propagacja informacji przyczynowej

W przyjętych relatywistycznych teoriach fizycznych żadna informacja nie może podróżować szybciej niż prędkość światła . W tym kontekście „informacja” oznacza „jakikolwiek rodzaj fizycznej interakcji”. Na przykład ciepło będzie naturalnie przepływać z cieplejszego obszaru do chłodniejszego, a pod względem fizycznym jest to jeden z przykładów wymiany informacji. Biorąc pod uwagę powyższy przykład, dwie omawiane galaktyki nie mogły dzielić się żadnymi informacjami; nie są w kontakcie przyczynowym . W przypadku braku wspólnych warunków początkowych można by zatem oczekiwać, że ich właściwości fizyczne byłyby różne, a bardziej ogólnie, że wszechświat jako całość miałby różne właściwości w regionach niepowiązanych przyczynowo.

Kwestia horyzontu

Wbrew tym oczekiwaniom obserwacje kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) i przeglądy galaktyk pokazują, że obserwowalny Wszechświat jest prawie izotropowy , co zgodnie z zasadą kopernikańską również implikuje jednorodność . Badania $delta T}$ poziomu gdzie $\ Delta T / T \ około 10 ^ {- 5},$ $Displaystyle$ } jest różnicą między obserwowaną temperaturą w obszarze nieba a średnią temperaturą nieba ${\ displaystyle T}$ . Ta koordynacja implikuje, że całe niebo, a tym samym cały obserwowalny wszechświat , musiało być przyczynowo połączone wystarczająco długo, aby wszechświat osiągnął równowagę termiczną.

Zgodnie z modelem Wielkiego Wybuchu, gdy gęstość rozszerzającego się Wszechświata spadała, ostatecznie osiągnął on temperaturę, w której fotony wypadły z równowagi termicznej z materią; oddzieliły się od plazmy elektronowo-protonowej i zaczęły swobodnie przepływać przez wszechświat. Ten moment w czasie jest określany jako epoka Rekombinacji , kiedy elektrony i protony zostały związane, tworząc elektrycznie obojętny wodór; bez wolnych elektronów rozpraszających fotony, fotony zaczęły swobodnie płynąć. Ta epoka jest obserwowana przez CMB. Ponieważ CMB obserwujemy jako tło dla obiektów z mniejszym przesunięciem ku czerwieni, opisujemy tę epokę jako przejście wszechświata z nieprzezroczystego do przezroczystego. CMB fizycznie opisuje „powierzchnię ostatniego rozproszenia”, tak jak jawi się nam jako powierzchnia lub tło, jak pokazano na poniższym rysunku.

na poniższych diagramach używamy czasu konforemnego . Czas konforemny opisuje czas, w jakim foton przemieściłby się z miejsca, w którym znajduje się obserwator, na najdalszą obserwowalną odległość (gdyby wszechświat przestał się teraz rozszerzać).

Niebieskie kółko to powierzchnia CMB, którą obserwujemy w czasie ostatniego rozpraszania. Żółte linie opisują, w jaki sposób fotony były rozpraszane przed epoką rekombinacji i swobodnie przepływały później. Obserwator siedzi w centrum w chwili obecnej. Dla odniesienia .

Uważa się, że oddzielenie lub ostatnie rozproszenie miało miejsce około 300 000 lat po Wielkim Wybuchu lub przy przesunięciu ku czerwieni około ${rec} \ około 1100$ . Możemy określić zarówno przybliżoną średnicę kątową Wszechświata, jak i fizyczny rozmiar horyzontu cząstek, który istniał w tym czasie.

Odległość średnicy kątowej pod względem przesunięcia ku czerwieni $jest$ przez ${\ Displaystyle d_ {A} (z) = r (z) /(1+z)}$ . Jeśli przyjmiemy płaską , to

{\ Displaystyle r (z) = \ int _ {t_ {em}} ^ {t_ {0}} {\ Frac {dt} {a (t)}} = \ int _ {a_ {em}} ^ {1 }{\frac {da}{a^{2}H(a)}}=\int _{0}^{z}{\frac {dz}{H(z)}}.}

$Displaystyle H^{2}(z)\około \Omega _{m}H_{0}^{2}(1+z)^{3}}$ ery wszechświata zdominowanej przez materię, więc możemy $H.$ 2 . Łącząc je razem, widzimy, że odległość średnicy kątowej lub rozmiar obserwowalnego wszechświata dla przesunięcia ku czerwieni ${\ displaystyle z_ {rec} \ około 1100}$ jest

{\ Displaystyle r (z) = \ int _ {0} ^ {z} {\ Frac {dz} {H (z)}} = {\ Frac {1} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}} }H_{0}}}\int _{0}^{z}{\frac {dz}{(1+z)^{3/2}}}={\frac {2}{{\sqrt {\ Omega _{m}}}H_{0}}}\left(1-{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}\right).}

Ponieważ możemy przybliżyć powyższe równanie jako ${\ Displaystyle Z \ gg 1}$

{\ Displaystyle r (z) \ około {\ Frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0}}}.}

Podstawiając to do naszej definicji odległości średnicy kątowej, otrzymujemy

{\ Displaystyle d_ {A} (z) \ około {\ Frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0}}} {\ Frac {1} {1 + z}}. }

Z tego wzoru otrzymujemy odległość średnicy kątowej kosmicznego mikrofalowego tła jako ${\ Displaystyle d_ {A} (1100) \ około 14 \ \ operatorname {Mpc}}$ .

Horyzont cząstek opisuje maksymalną odległość, jaką cząstki światła mogłyby przebyć do obserwatora, biorąc pod uwagę wiek wszechświata. Możemy określić współprzesuwającą się odległość dla wieku wszechświata w czasie rekombinacji, używając wcześniej, ${\ displaystyle r (z)}$

{\ Displaystyle d _ {\ tekst {hor, rec}} (z) = \ int _ {0} ^ {t (z)} {\ Frac {dt} {a (t)}} = \ int _ {z} ^{\infty}{\frac {dz}{H(z)}}\około {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\left[{\ frac {1}{\sqrt {1+z}}}\right]_{z}^{\infty}\około {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0 }}}{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}}

Ten diagram czasoprzestrzenny pokazuje, w jaki sposób stożki światła dla dwóch cząstek światła oddalonych od siebie w czasie ostatniego rozproszenia (ls) nie przecinają się (tj. są przyczynowo odłączone). Oś pozioma to współprzemieszczająca się odległość, oś pionowa to czas konforemny, a jednostki mają prędkość światła równą 1. Dla odniesienia .

Aby uzyskać fizyczny rozmiar horyzontu cząstek, re $\ displaystyle D}$

{\ Displaystyle D (z) = a (z) d _ {\ tekst {hor, rec}} = {\ frac {d _ {\ tekst {hor, rec}} (z) {1 + z}}}

{\ Displaystyle D (1100) \ około 0,03 ~ {\ tekst {radianów}} \około 2^{\circ}}

Oczekiwalibyśmy, że jakikolwiek region KMPT w obrębie 2 stopni kątowej separacji byłby w kontakcie przyczynowym, ale w dowolnej skali większej niż 2° nie powinno być żadnej wymiany informacji.

Regiony CMB, które są oddalone od siebie o więcej niż 2°, leżą poza swoimi horyzontami cząstek i są przyczynowo odłączone. Problem horyzontu opisuje fakt, że widzimy izotropię w temperaturze CMB na całym niebie, mimo że całe niebo nie jest w kontakcie przyczynowym w celu ustalenia równowagi termicznej. Wizualizacja tego problemu znajduje się na diagramie czasoprzestrzennym po prawej stronie.

Jeśli Wszechświat zaczął się z nawet nieznacznie różnymi temperaturami w różnych miejscach, CMB nie powinno być izotropowe, chyba że istnieje mechanizm, który wyrównuje temperaturę do czasu oddzielenia. W rzeczywistości CMB ma taką samą temperaturę na całym niebie, 2,726 ± 0,001 K.

Model inflacyjny

Ten diagram czasoprzestrzenny pokazuje, jak inflacja zmienia stożki światła dla dwóch cząstek światła oddalonych od siebie w pewnej odległości w czasie ostatniego rozpraszania (ls), aby umożliwić im przecięcie. W tym scenariuszu są w kontakcie przyczynowym i mogą wymieniać między sobą informacje. Oś pozioma to współprzemieszczająca się odległość, oś pionowa to czas konforemny, a jednostki mają prędkość światła równą 1. Dla odniesienia .

Teoria kosmicznej inflacji próbowała rozwiązać ten problem, zakładając 10-32 ^- sekundowy okres ekspansji wykładniczej w pierwszej sekundzie historii wszechświata z powodu oddziaływania pola skalarnego. Zgodnie z modelem inflacyjnym wszechświat powiększył się ponad 10-22- ^krotnie , z małego i przyczynowo połączonego regionu w stanie bliskim równowagi. Następnie inflacja szybko rozszerzyła wszechświat, izolując pobliskie regiony czasoprzestrzeni, powiększając je poza granice kontaktu przyczynowego, skutecznie „blokując” jednolitość na duże odległości. Zasadniczo model inflacyjny sugeruje, że wszechświat był całkowicie w kontakcie przyczynowym w bardzo wczesnym wszechświecie. Inflacja następnie rozszerza ten wszechświat o około 60 e-składań (współczynnik skali a wzrasta o współczynnik mi $\ displaystyle e ^ {60}}$ ). CMB obserwujemy po wystąpieniu inflacji na bardzo dużą skalę. Utrzymał równowagę termiczną do tak dużych rozmiarów z powodu szybkiej ekspansji spowodowanej inflacją.

Jedną z konsekwencji kosmicznej inflacji jest to, że anizotropie w Wielkim Wybuchu spowodowane fluktuacjami kwantowymi są zmniejszone, ale nie całkowicie wyeliminowane. Różnice w temperaturze kosmicznego tła są niwelowane przez kosmiczną inflację, ale nadal istnieją. Teoria przewiduje widmo dla anizotropii mikrofalowego tła, które jest w większości zgodne z obserwacjami z WMAP i COBE .

Jednak sama grawitacja może wystarczyć do wyjaśnienia tej jednorodności.

Teorie zmiennej prędkości światła

Zaproponowano modele kosmologiczne wykorzystujące zmienną prędkość światła, aby rozwiązać problem horyzontu i zapewnić alternatywę dla kosmicznej inflacji . W modelach VSL podstawowa stała c , oznaczająca prędkość światła w próżni, jest we wczesnym Wszechświecie większa niż jej obecna wartość, skutecznie zwiększając horyzont cząstek w momencie odsprzęgania na tyle, aby uwzględnić obserwowaną izotropię KMPT.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Różne horyzonty w kosmologii