Горизонт частиц

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Горизонт частиц (также называемый космологическим горизонтом, сопутствующим горизонтом (в тексте Додельсона) или горизонтом космического света) — максимальное расстояние, с которого свет от частицы мог бы пройти до наблюдателя за время возраста Вселенной. Подобно концепции земного горизонта, он представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями Вселенной[1], поэтому расстояние до него в настоящую эпоху определяет размер наблюдаемой вселенной[2]. Из-за расширения Вселенной это не просто возраст Вселенной, умноженный на скорость света (приблизительно 13,8 миллиарда световых лет), а скорее скорость света, умноженная на конформное время. Существование, свойства и значение космологического горизонта зависят от конкретной космологической модели.

Конформное время и горизонт частиц[править | править код]

В терминах сопутствующего расстояния горизонт частицы равен конформному времени , прошедшему после Большого взрыва, умноженному на скорость света . В общем случае, конформное время в определённое время определяется выражением:

где:

 — масштабный коэффициент в метрике Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера.

Примем, что Большой взрыв произошёл в . Пусть нижний индекс 0 означает сегодня, тогда конформное время сегодня:

Конформное время — это не возраст вселенной, конформное время — это количество времени, которое потребуется фотону, чтобы пройти от того места, где мы находимся, до самого дальнего наблюдаемого расстояния при условии, что Вселенная прекратит расширяться. Таким образом, не является физически значимым временем (на самом деле это время ещё не наступило), хотя, как будет показано дальше, горизонт частиц, с которым он связан, является концептуально значимым расстоянием.

Горизонт частиц постоянно уменьшается с течением времени, а конформное время растёт. Таким образом, наблюдаемый размер Вселенной всегда увеличивается[1][3]. Поскольку правильное расстояние до горизонта частицы в данный момент времени — это просто сопутствующее расстояние, умноженное на масштабный коэффициент[4]сопутствующим расстоянием обычно определяется как равное надлежащему расстоянию в настоящее время, поэтому в настоящее время), то в момент времени оно даётся выражением[5]:

и на сегодня, то есть при :

Гпк миллиарда световых лет.

Эволюция горизонта частиц[править | править код]

В контексте космологической модели ФЛРУ[6] Вселенная может быть аппроксимирована как состоящая из невзаимодействующих компонентов, каждая из которых представляет собой идеальную жидкость с плотностью , парциальным давлением и уравнением состояния , так что они складываются в общую плотность и полное давление [7]. Определим следующие функции:

Далее любая функция с нулевым индексом обозначает функцию, вычисляемую в настоящее время (или что эквивалентно ). Последний член примем равным , включая уравнение состояния кривизны[8]. Можно доказать, что функция Хаббла задаётся формулой:

где:

Здесь добавление распространяется на все возможные частичные составляющие, и, в частности, их может быть счётно бесконечно много. В этих обозначениях имеем[8]:

Горизонт частиц существует тогда и только тогда, когда ,

где:

 — наибольшее (возможно, бесконечное).

Эволюция горизонта частиц для расширяющейся Вселенной ()[8]:

где:

 — скорость света и может быть принята равной (натуральная единица).

Здесь производная берётся по времени ФЛРУ[6] , в то время как функции оцениваются по красному смещению , которые связаны, как указано ранее. Существует аналогичный, но немного другой результат для горизонта событий.

Проблема горизонта[править | править код]

Концепция горизонта частиц может быть использована для иллюстрации известной проблемы горизонта, которая является нерешённой проблемой, связанной с моделью Большого взрыва. Экстраполируя назад ко времени рекомбинации, когда излучался космический микроволновый фон (КМФ), получим горизонт частиц примерно равным:

Мпк

что соответствует надлежащему размеру на тот момент:

Кпк

Поскольку наблюдаемое реликтовое излучение в основном излучается из современного горизонта частиц ( Мпк Гпк), вправе ожидать, что части космического микроволнового фона (реликтового излучения), которые на небе разделены долей большого круга примерно равной:

(угловой размер )[9] должны быть вне причинного контакта друг с другом. То, что всё реликтовое излучение находится в тепловом равновесии и хорошо аппроксимирует чёрное тело, не объясняется стандартными описаниями того, как происходит расширение Вселенной. Самым популярным решением этой проблемы является космическая инфляция.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 Эдвард Роберт Харрисон. Космология: наука о вселенной. — Издательство Кембриджского университета, 2000. — P. 447–. — ISBN 978-0-521-66148-5.
  2. Эндрю Р. Лиддл. Космологическая инфляция и крупномасштабная структура / Эндрю Р. Лиддл, Дэвид Хилари Лит. — Издательство Кембриджского университета, 13 апреля 2000. — P. 24–. — ISBN 978-0-521-57598-0.
  3. Майкл Пол Хобсон. Общая теория относительности: введение для физиков / Майкл Пол Хобсон, Джордж Эфстатиу, Энтони Н. Ласенби. — Издательство Кембриджского университета, 2006. — P. 419–. — ISBN 978-0-521-82951-9.
  4. Тамара М. Дэвис; Чарльз Х. Лайнуивер (2004). "Расширяющееся замешательство: распространённые заблуждения о космологических горизонтах и сверхсветовом расширении Вселенной". Публикации Астрономического общества Австралии. 21 (1): 97. arXiv:astro-ph/0310808. Bibcode:2004PASA...21...97D. doi:10.1071/AS03040.
  5. Массимо Джованнини. Букварь по физике космического микроволнового фона. — World Scientific, 2008. — P. 70–. — ISBN 978-981-279-142-9.
  6. 1 2 Сокращение от «Метрика Фридмана—Леметра—Робертсона—Уокера»
  7. Берта Маргалеф-Бентабол; Хуан Маргалеф-Бентабол; Хорди Сепа (21 декабря 2012). "Эволюция космологических горизонтов в согласованной вселенной". Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2012 (12): 035. arXiv:1302.1609. Bibcode:2012JCAP...12..035M. doi:10.1088/1475-7516/2012/12/035.
  8. 1 2 3 Берта Маргалеф-Бентабол; Хуан Маргалеф-Бентабол; Хорди Сепа (8 февраля 2013). "Эволюция космологических горизонтов во Вселенной со счётным бесконечным числом уравнений состояния". Журнал космологии и физики астрономических частиц. 015. 2013 (2): 015. arXiv:1302.2186. Bibcode:2013JCAP...02..015M. doi:10.1088/1475-7516/2013/02/015.
  9. Понимание космического микроволнового фонового температурного спектра мощности. Дата обращения: 5 ноября 2015. Архивировано 23 апреля 2021 года.