Космологический горизонт

A космологический горизонт - это мера расстояния, с которого можно было бы получить информацию. Это наблюдаемое ограничение обусловлено различными свойствами общей теории относительности, расширяющейся Вселенной и физикой Большого взрыва космологии. Космологические горизонты задают размер и масштаб наблюдаемой вселенной. В этой статье рассказывается о некоторых из этих горизонтов.

• 1 Горизонт частиц
• 2 Горизонт Хаббла
• 3 Горизонт событий
• 4 Горизонт будущего
• 5 Практические горизонты
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Горизонт частиц (также называемый космологическим горизонтом, сопутствующим горизонтом или горизонтом космического света) - это максимальное расстояние, с которого свет от частиц мог пройти до наблюдателя в возрасте Вселенной.. Он представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями Вселенной, поэтому расстояние до него в нынешнюю эпоху определяет размер наблюдаемой Вселенной. Из-за расширения Вселенной это не просто возраст Вселенной, умноженный на скорость света, как в горизонте Хаббла, а скорее скорость света, умноженную на конформное время. Существование, свойства и значение космологического горизонта зависят от конкретной космологической модели.

С точки зрения сопутствующего расстояния горизонт частицы равен конформному времени, прошедшему с момента Большого взрыва, умноженному на скорость света. В общем, конформное время в определенное время дается в единицах масштабного коэффициента $a\; \{\backslash \; displaystyle\; a\}$by,

$\eta \; (t)\; =\; \int \; 0\; tdt\; \prime \; a\; (t\; \prime )\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; eta\; (t)\; =\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{t\}\; \{\backslash \; frac\; \{dt\; \text{'}\}\; \{a\; (t\text{'})\}\}\}$

или

$\eta \; (a)\; знак\; равно\; \int \; 0\; a\; 1\; a\; \prime \; H\; (a\; \prime )\; da\; \prime \; a\; \prime \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; eta\; (a)\; =\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{a\}\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{a\text{'}H\; (\; a\; \text{'})\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{da\text{'}\}\; \{a\; \text{'}\}\}\}$.

Горизонт частицы - это граница между двумя областями в точке в данный момент времени: одна область, определенная событиями, которые уже наблюдались наблюдателем, а другой - событиями, которые нельзя наблюдать в это время. Он представляет собой самое дальнее расстояние, с которого мы можем получить информацию из прошлого, и таким образом определяет наблюдаемую Вселенную.

радиус Хаббла, сфера Хаббла, объем Хаббла или горизонт Хаббла - это концептуальный горизонт, определяющий границу между частицами, которые движутся медленнее и быстрее скорости света относительно наблюдателя в данный момент времени. Обратите внимание, что это не означает, что частица ненаблюдаема, свет из прошлого достигает и будет продолжать достигать наблюдателя в течение некоторого времени. Кроме того, что более важно, в современных моделях расширения свет, излучаемый радиусом Хаббла, достигнет нас за конечное количество времени. Распространенное заблуждение, что свет из радиуса Хаббла никогда не достигнет нас. В моделях, предполагающих уменьшение H со временем (некоторые случаи вселенной Фридмана ), в то время как частицы на радиусе Хаббла удаляются от нас со скоростью света, радиус Хаббла со временем увеличивается, поэтому свет излучается к нам из через некоторое время частица в радиусе Хаббла окажется внутри радиуса Хаббла. В таких моделях только свет, излучаемый из космического горизонта событий или дальше, никогда не достигнет нас за конечное количество времени.

Хаббловская скорость объекта определяется законом Хаббла,

$v\; =\; x\; H\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; =\; xH\}$.

Замена $v\; \{\backslash \; displaystyle\; v\}$со скоростью света $c\; \{\backslash \; displaystyle\; c\}$и решая для правильного расстояния $x\; \{\backslash \; textstyle\; x\}$, мы получаем радиус сферы Хаббла как

$r\; HS\; (t)\; =\; c\; H\; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; r\; \_\; \{\backslash \; text\; \{HS\}\}\; (t)\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{H\; (t)\}\}\}$.

В вечном ускоряющаяся Вселенная, если две частицы разделены расстоянием, превышающим радиус Хаббла, они не могут с этого момента разговаривать друг с другом (как сейчас, а не как в прошлом), однако, если они находятся вне каждой горизонт частиц другого, они никогда не могли бы общаться. В зависимости от формы расширения Вселенной они могут обмениваться информацией в будущем. Сегодня

$r\; HS\; (t\; 0)\; =\; c\; H\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; r\; \_\; \{\backslash \; text\; \{HS\}\}\; (t\_\; \{0\})\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{H\_\; \{0\}\}\}\}$,

что дает горизонт Хаббла около 4,1 гигапарсека. Этот горизонт на самом деле не является физическим размером, но его часто используют как полезную шкалу длины, поскольку большинство физических размеров в космологии можно записать в терминах этих факторов.

Можно также определить сопутствующий горизонт Хаббла, просто разделив радиус Хаббла на масштабный коэффициент

$r\; HS,\; сопутствующий\; (t)\; =\; ca\; (t)\; H\; (t)\; \{\backslash \; displaystyle\; r\; \_\; \{\{\backslash \; text\; \{HS\}\},\; \backslash \; mathrm\; \{comoving\}\}\; (t)\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{a\; (t)\; H\; (t)\}\}\}$.

Горизонт частиц отличается от космический горизонт событий, в котором горизонт частиц представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние, с которого свет мог бы достичь наблюдателя к определенному времени, а горизонт событий - наибольшее сопутствующее расстояние от какой излучаемый сейчас свет может когда-либо достигнуть наблюдателя в будущем. Текущее расстояние до нашего космического горизонта событий составляет около пяти гигапарсек (16 миллиардов световых лет), что находится в пределах нашего наблюдаемого диапазона, определяемого горизонтом частиц.

В общем, правильное расстояние до горизонта событий в момент времени $t\; \{\backslash \; displaystyle\; t\}$определяется выражением

$de\; (t)\; =\; a\; (t)\; \int \; ttmaxcdt\; \prime \; a\; (t\; \prime )\; \{\backslash \; displaystyle\; d\_\; \{e\}\; (t)\; =\; a\; (\; t)\; \backslash \; int\; \_\; \{t\}\; ^\; \{t\_\; \{max\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{cdt\; \text{'}\}\; \{a\; (t\text{'})\}\}\}$

где $tmax\; \{\backslash \; displaystyle\; t\_\; \{max\}\}$- это временная координата конца вселенной, которая была бы бесконечной в случае вечно расширяющейся вселенной.

В нашем случае, если предположить, что темная энергия обусловлена ​​космологической постоянной, .

В ускоряющейся вселенной есть события, которые будут ненаблюдаемыми при $t\; \to \; \infty \; \{\backslash \; displaystyle\; t\; \backslash \; rightarrow\; \backslash \; infty\}$, когда сигналы от будущих событий станут красный смещенный в произвольно длинные длины волн в экспоненциально расширяющемся пространстве де Ситтера. Это устанавливает ограничение на самое дальнее расстояние, которое мы можем видеть, измеренное в единицах правильного расстояния сегодня. Или, точнее, есть события, которые пространственно разделены для определенной системы отсчета, происходящие одновременно с событием, происходящим прямо сейчас, о котором никакой сигнал никогда не достигнет нас, даже если мы может наблюдать события, которые произошли в том же месте в космосе, что и в далеком прошлом. Хотя мы будем продолжать получать сигналы из этого места в космосе, даже если мы будем ждать бесконечное количество времени, сигнал, который ушел из этого места сегодня, никогда не дойдет до нас. Кроме того, сигналы, поступающие из этого местоположения, будут иметь все меньше и меньше энергии и будут все реже и реже, пока местоположение для всех практических целей не станет ненаблюдаемым. Во вселенной, в которой преобладает темная энергия, которая подвергается экспоненциальному расширению с масштабным фактором, все объекты, гравитационно несвязанные по отношению к Млечному Пути станет ненаблюдаемым в футуристической версии вселенной Каптейна.

Хотя технически это не «горизонты» в смысле невозможности наблюдений из-за относительности или космологических решений, есть практические горизонты, которые включают оптический горизонт, установленный на поверхности последнего рассеяния. Это самое дальнее расстояние, на которое может свободно перемещаться любой фотон. Точно так же существует «нейтринный горизонт», установленный для самого дальнего расстояния, на которое нейтрино может свободно течь, и горизонт гравитационных волн на самом дальнем расстоянии, на которое гравитационные волны могут свободно течь. Предполагается, что последний станет прямым исследованием конца космической инфляции.

Для упрощенного обзора и обзора различных горизонтов космологии см. Различные горизонты в космологии