Горизонт частиц - Particle horizon

В горизонт частиц (также называемый космологический горизонт, то приближающийся горизонт (в тексте Додельсона) или космический световой горизонт) - максимальное расстояние, с которого свет от частицы мог бы поехать в наблюдатель в возраст вселенной. Как и концепция земной горизонт, он представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями Вселенной,^[1] поэтому его расстояние в настоящую эпоху определяет размер наблюдаемая вселенная.^[2] Из-за расширения Вселенной это не просто возраст вселенной раз скорость света (примерно 13,8 миллиарда световых лет), а скорее скорость света, умноженная на конформное время. Существование, свойства и значение космологического горизонта зависят от конкретного космологическая модель.

Конформное время и горизонт частиц

С точки зрения сопутствующее расстояние горизонт частицы равен конформное время ${\displaystyle \eta }$ что прошло с Большой взрыв, раз скорость света ${\displaystyle c}$. В общем, конформное время в определенное время ${\displaystyle t}$ дан кем-то

${\displaystyle \eta =\int _{0}^{t}{\frac {dt'}{a(t')}},}$

куда ${\displaystyle a(t)}$ это масштаб из Метрика Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уолкера., и мы приняли Большой Взрыв за ${\displaystyle t=0}$. По соглашению нижний индекс 0 означает «сегодня», так что конформное время сегодня ${\displaystyle \eta (t_{0})=\eta _{0}=1.48\times 10^{18}{\text{ s}}}$. Обратите внимание, что конформное время - это не возраст вселенной. Скорее, конформное время - это количество времени, которое потребуется фотону, чтобы пройти от того места, где мы находимся, на самое дальнее наблюдаемое расстояние, при условии, что Вселенная прекратит расширяться. В качестве таких, ${\displaystyle \eta _{0}}$ не является физически значимым временем (это время на самом деле еще не прошло), хотя, как мы увидим, горизонт частиц, с которым он связан, является концептуально значимым расстоянием.

С течением времени горизонт частиц постоянно уменьшается, а конформное время растет. Таким образом, наблюдаемый размер Вселенной всегда увеличивается.^[1][3] Поскольку правильное расстояние в данный момент времени - это просто расстояние, умноженное на масштабный коэффициент^[4] (с сопутствующее расстояние обычно определяется как равное надлежащему расстоянию в настоящее время, поэтому ${\displaystyle a(t_{0})=1}$ в настоящее время), надлежащее расстояние до горизонта частицы в момент времени ${\displaystyle t}$ дан кем-то^[5]

${\displaystyle a(t)H_{p}(t)=a(t)\int _{0}^{t}{\frac {c\,dt'}{a(t')}}}$

и на сегодня ${\displaystyle t=t_{0}}$

${\displaystyle H_{p}(t_{0})=c\eta _{0}=14.4{\text{ Gpc}}=46.9{\text{ billion light years}}.}$

Эволюция горизонта частиц

В этом разделе мы рассмотрим FLRW космологическая модель. В этом контексте Вселенная может быть представлена ​​как состоящая из невзаимодействующих компонентов, каждая из которых представляет собой идеальную жидкость с плотностью ${\displaystyle \rho _{i}}$, частичное давление ${\displaystyle p_{i}}$ и уравнение состояния ${\displaystyle p_{i}=\omega _{i}\rho _{i}}$, так что они складываются в общую плотность ${\displaystyle \rho }$ и полное давление ${\displaystyle p}$.^[6] Теперь давайте определим следующие функции:

• Функция Хаббла ${\displaystyle H={\frac {\dot {a}}{a}}}$
• Критическая плотность ${\displaystyle \rho _{c}={\frac {3}{8\pi G}}H^{2}}$
• В я-я безразмерная плотность энергии ${\displaystyle \Omega _{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho _{c}}}}$
• Безразмерная плотность энергии ${\displaystyle \Omega ={\frac {\rho }{\rho _{c}}}=\sum \Omega _{i}}$
• Красное смещение ${\displaystyle z}$ задается формулой ${\displaystyle 1+z={\frac {a_{0}}{a(t)}}}$

Любая функция с нулевым индексом обозначает функцию, вычисляемую в настоящее время. ${\displaystyle t_{0}}$ (или эквивалентно ${\displaystyle z=0}$). Последний срок можно считать ${\displaystyle 1}$ включая уравнение состояния кривизны.^[7] Можно доказать, что функция Хаббла задается формулой

${\displaystyle H(z)=H_{0}{\sqrt {\sum \Omega _{i0}(1+z)^{n_{i}}}}}$

куда ${\displaystyle n_{i}=3(1+\omega _{i})}$. Обратите внимание, что добавление распространяется на все возможные частичные составляющие, и, в частности, их может быть счетно бесконечно много. В этих обозначениях мы имеем:^[7]

${\displaystyle {\text{The particle horizon }}H_{p}{\text{ exists if and only if }}N>2}$

куда ${\displaystyle N}$ самый большой ${\displaystyle n_{i}}$ (возможно бесконечно). Эволюция горизонта частиц для расширяющейся Вселенной (${\displaystyle {\dot {a}}>0}$) является:^[7]

${\displaystyle {\frac {dH_{p}}{dt}}=H_{p}(z)H(z)+c}$

куда ${\displaystyle c}$ это скорость света и может быть принята за ${\displaystyle 1}$ (натуральные единицы). Обратите внимание, что производная производится по времени FLRW. ${\displaystyle t}$, а функции вычисляются при красном смещении ${\displaystyle z}$ которые связаны, как указано ранее. У нас есть аналогичный, но немного другой результат для горизонт событий.

Проблема горизонта

Основная статья: Проблема горизонта

Концепция горизонта частиц может быть использована для иллюстрации известной проблемы горизонта, которая является нерешенной проблемой, связанной с Большой взрыв модель. Экстраполируя обратно во времена рекомбинация когда космический микроволновый фон (CMB), мы получаем горизонт частиц около

${\displaystyle H_{p}(t_{\text{CMB}})=c\eta _{\text{CMB}}=284{\text{ Mpc}}=8.9\times 10^{-3}H_{p}(t_{0})}$

что соответствует надлежащему размеру на тот момент:

${\displaystyle a_{\text{CMB}}H_{p}(t_{\text{CMB}})=261{\text{ kpc}}}$

Поскольку мы наблюдаем, что реликтовый фон испускается в основном из нашего горизонта частиц (${\displaystyle 284{\text{ Mpc}}\ll 14.4{\text{ Gpc}}}$), мы ожидаем, что части космический микроволновый фон (CMB), которые разделены примерно долей большой круг по небу

${\displaystyle f={\frac {H_{p}(t_{\text{CMB}})}{H_{p}(t_{0})}}}$

(ан угловой размер из ${\displaystyle \theta \sim 1.7^{\circ }}$)^[8] должен быть вне причинный контакт друг с другом. Что все реликтовое излучение находится в тепловое равновесие и приближается к черное тело так хорошо, поэтому не объясняется стандартными объяснениями того, как расширение вселенной продолжается. Самое популярное решение этой проблемы - космическая инфляция.

Смотрите также

• Список космологических горизонтов
• Наблюдаемая Вселенная

Рекомендации

1. Эдвард Роберт Харрисон (2000). Космология: наука о вселенной. Издательство Кембриджского университета. С. 447–. ISBN  978-0-521-66148-5. Получено 1 мая 2011.
2. Эндрю Р. Лиддл; Дэвид Хилари Лит (13 апреля 2000 г.). Космологическая инфляция и крупномасштабная структура. Издательство Кембриджского университета. стр. 24–. ISBN  978-0-521-57598-0. Получено 1 мая 2011.
3. Майкл Пол Хобсон; Джордж Эфстатиу; Энтони Н. Ласенби (2006). Общая теория относительности: введение для физиков. Издательство Кембриджского университета. С. 419–. ISBN  978-0-521-82951-9. Получено 1 мая 2011.
4. Дэвис, Тамара М .; Чарльз Х. Лайнуивер (2004). «Расширяющееся замешательство: распространенные заблуждения о космологических горизонтах и ​​сверхсветовом расширении Вселенной». Публикации Астрономического общества Австралии. 21 (1): 97. arXiv:Astro-ph / 0310808. Bibcode:2004PASA ... 21 ... 97D. Дои:10.1071 / AS03040. S2CID  13068122.
5. Массимо Джованнини (2008). Букварь по физике космического микроволнового фона. Всемирный научный. стр.70 –. ISBN  978-981-279-142-9. Получено 1 мая 2011.
6. Берта Маргалеф-Бентабол; Хуан Маргалеф-Бентабол; Хорди Сепа (21 декабря 2012 г.). «Эволюция космологических горизонтов в согласованной Вселенной». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2012 (12): 035. arXiv:1302.1609. Bibcode:2012JCAP ... 12..035M. Дои:10.1088/1475-7516/2012/12/035. S2CID  119704554.
7. Берта Маргалеф-Бентабол; Хуан Маргалеф-Бентабол; Хорди Сепа (8 февраля 2013 г.). «Эволюция космологических горизонтов во Вселенной со счетным бесконечным числом уравнений состояния». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 015. 2013 (2): 015. arXiv:1302.2186. Bibcode:2013JCAP ... 02..015M. Дои:10.1088/1475-7516/2013/02/015. S2CID  119614479.
8. «Понимание космического микроволнового фонового температурного спектра мощности» (PDF). Получено 5 ноября 2015.