Горизонт частиц: ГОРИЗОНТ ЧАСТИЦЫ • Большая российская энциклопедия

Горизонт частиц — frwiki.wiki

Для одноименных статей см. Horizon .

В специальной теории относительности и общей теории относительности , то горизонт частиц для O наблюдателя в момент времени Т, является пределом во Вселенной между множеством частиц , которые были наблюдаемы в то время , до т, и те , которые не делают. Не было . Этот горизонт — предел наблюдаемой Вселенной .

Горизонт частиц является аналогом горизонта событий, который определяет возможный предел области, на которую в будущем может повлиять наблюдатель, находящийся в данном месте в данное время.

Рекомендации

1. ↑ стр. 171 « Изначальной космологии » Жан-Филиппа Узана, Патрика Питера, опубликовано Humensis.
2. ↑ [1]

Статьи по Теме

• Наблюдаемая Вселенная
• Горизонт (физический)

<img src=»//fr. wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной [

Мы живем в расширяющейся Вселенной, а это значит, когда-то расстояния между всеми объектами были меньше. Продолжая эту экстраполяцию, можно прийти к тому, что какое-то время назад все наблюдаемые нами объекты были сжаты в очень маленьком объеме, т. е. расширение имело начало. Сейчас мы знаем этот момент с достаточной точностью: 13,7–13,8 млрд лет назад. Это результат многочисленных исследований, использовавших самые разные данные. С другой стороны, нет никаких наблюдаемых фактов, которые не вписывались бы в эту картину.

Вселенная имеет конечный возраст, примерно равный 13,7 млрд лет.

С помощью радиоактивных элементов мы достаточно хорошо знаем возраст Солнечной системы – он составляет чуть менее 5 млрд лет. Модели звездной эволюции позволяют оценить максимальный возраст известных звезд, в пределах допустимых погрешностей он не превосходит 13–14 млрд лет. Модели химической эволюции Вселенной также согласуются с этой оценкой. Наконец, исследование динамики Вселенной и формирования структур в ней также указывает на возраст чуть менее 14 млрд лет. Поэтому конечный возраст «мира, как мы его знаем» можно считать твердо установленным фактом.

Темнота ночного неба объясняется конечным возрастом Вселенной и конечностью скорости света.

Конечный возраст Вселенной позволяет решить несколько парадоксов. Одним из самых известных среди них является парадокс Ольберса, названный в честь немецкого врача и астронома Вильгельма Ольберса (Wilhelm Olbers), первооткрывателя астероидов Паллада и Веста. Парадокс Ольберса заключается в следующем: если Вселенная однородна и изотропна и везде заполнена звездами, то на линии любого нашего луча зрения всегда находилась бы какая-то (пусть и очень далекая) звезда – но тем не менее ночное небо темное! Обсуждать этот парадокс начали за сотни лет до рождения самого Ольберса, но объяснение было найдено лишь в рамках современной космологической модели.

Возраст Вселенной конечен, как и скорость света, и за время жизни Вселенной свет не мог пройти бесконечное расстояние. Глядя на далекие галактики, мы смотрим в прошлое, однако 14 млрд лет назад никаких галактик еще не существовало. Поэтому для наблюдений нам доступна лишь конечная область пространства, и потенциально мы можем видеть лишь конечное число звезд (и галактик). Это и есть объяснение парадокса Ольберса (свой вклад также вносит и космологическое красное смещение, уменьшающее энергию принимаемых фотонов и, соответственно, поверхностную яркость далеких галактик). Мы не знаем, бесконечна Вселенная или нет, но мы знаем, что она больше области, доступной нам для наблюдений.

Горизонт частиц соответствует расстоянию до самого далекого из потенциально наблюдаемых сейчас объектов.

Из-за конечности скорости света и постоянного расширения Вселенной в космологии возникает несколько понятий расстояния, которые нужны для понимания размеров наблюдаемой области. Когда-то давно вся наблюдаемая нами сейчас область была сжата в крохотном объеме и все потенциально наблюдаемые объекты находились близко от «нас». Но Вселенная очень быстро расширялась, и если бы частица, находившаяся спустя три года после начала расширения на расстоянии 100 000 световых лет от нас, послала в нашу сторону со скоростью света сигнал (который бы не поглощался по мере распространения), то мы бы все еще не могли его видеть, поскольку источник сигнала находится за горизонтом – так называемым горизонтом частиц.

Горизонт событий соответствует расстоянию до самого далекого объекта, до которого может дойти посланный сейчас световой сигнал.

Если бы мы могли видеть источники, излучавшие спустя короткое время после Большого взрыва, то свет от них шел бы к нам 13,7 млрд лет, т. е. прошел бы путь 13,7 млрд световых лет. Но все это время Вселенная расширяется, поэтому сейчас такой источник находится на расстоянии около 46 млрд световых лет от нас. Это соответствует нашему горизонту частиц, и более далекие объекты мы видеть не можем. Однако первые десятки миллионов лет не было ни звезд, ни галактик, и самый далекий источник электромагнитных волн – это так называемая поверхность последнего рассеяния, с которой связано реликтовое излучение. Электроны, рассеивавшие принимаемое нами реликтовое излучение, находятся теперь на расстоянии более 45 млрд световых лет от нас. Самые первые звезды, которые мы сможем увидеть (точнее, то, что от них осталось), сейчас находятся на расстоянии чуть менее 40 млрд световых лет. Самые далекие галактики, которые мы наблюдаем, сейчас удалены на 30 с лишним миллиардов световых лет.

В эти далекие галактики мы не можем уже послать никакого сообщения – они находятся за нашим горизонтом событий. Вселенная сейчас расширяется с ускорением, и галактики, находящиеся в настоящий момент в 16–17 млрд световых лет от нас, удаляются достаточно быстро (они находятся за сферой Хаббла), чтобы сигнал не смог до них дойти. Обратное тоже верно: мы не сможем увидеть события, происходящие сейчас в этих галактиках (отсюда и название – горизонт событий).

Cosmic Horizons – объяснение науки

Обновление от 5 сентября 2022 г. ——————————————————

Исходное сообщение ниже

Хотя Вселенная может быть бесконечна в размерах, в общепринятой космологии Большого Взрыва мы можем увидеть только небольшую часть Это. Это известно как наблюдаемая Вселенная.

Поле далеких галактик – Изображение предоставлено НАСА

 Существуют три широко используемых определения космологических горизонтов, которые представляют собой ограничения, накладываемые космологией на то, как далеко мы можем видеть. Цель этого поста — попытаться объяснить нетехническим способом эти различные определения. надеюсь у меня получится!

Горизонт частиц (граница наблюдаемой Вселенной)

Как обсуждалось в предыдущем посте, когда мы смотрим на далекую галактику, ее свету потребуются миллионы (или даже миллиарды) лет, чтобы достичь нас. если бы мы могли построить линейку космологических размеров между галактикой и Землей, мы бы измерили величину, известную как правильное расстояние до галактики . Это расстояние между Землей и галактикой в ​​данный момент времени. Поскольку Вселенная расширяется, правильное расстояние между двумя удаленными объектами (которые не удерживаются вместе гравитацией) со временем увеличивается. В приведенном ниже примере свет излучается галактикой, которая 300 миллионов лет назад находилась на правильном расстоянии 294 миллиона световых лет от Земли. Однако Земля удаляется от испускаемых световых фотонов все время, пока они движутся к нам. Таким образом, эти фотоны на самом деле проходят 300 миллионов световых лет, чтобы достичь Земли. Когда они достигнут нас, правильное расстояние галактики будет 306 миллионов световых лет.

горизонт частиц — это теоретическое максимальное правильное расстояние, которое мы можем видеть в настоящее время. Это сферическая оболочка радиусом около 46,5 миллиардов световых лет вокруг Земли. Когда мы смотрим на удаленные объекты, мы оглядываемся назад во времени, и свет от объекта на горизонте частиц будет излучаться в начале Вселенной и будет двигаться к нам на протяжении всей эпохи Вселенной.

Все объекты, которые мы сегодня наблюдаем, лежат внутри горизонта частиц, который образует границу наблюдаемой Вселенной. Если объект находится за горизонтом частицы, то Вселенная недостаточно стара, чтобы ее свет успел дойти до нас.

Точно в момент Большого взрыва горизонт частиц был бы равен нулю, а по мере старения Вселенной горизонт частиц увеличивается. Это по двум причинам.

(1) По мере увеличения возраста Вселенной свет может пройти большее расстояние, прежде чем достигнет нас.

(2) Поскольку горизонт частиц является правильным расстоянием до самого дальнего объекта, который мы можем видеть, из-за расширения Вселенной по мере старения Вселенной правильное расстояние между двумя удаленными объектами увеличивается.

Ось времени показывает время, прошедшее после Большого Взрыва, фиолетовая пунктирная линия отмечает текущий горизонт частиц.

На самом деле мы не можем видеть весь горизонт частиц. Читатели моего предыдущего поста знают, что ранняя Вселенная была слишком горячей для существования атомов. Он содержал плазму из положительно заряженных ионов водорода и гелия и отрицательно заряженных электронов. Электромагнитное излучение, примером которого является свет, не может проходить через плазму. Самое старое излучение, которое мы можем обнаружить, — это космический микроволновый фон (CMB), который был испущен, когда Вселенной было всего 400 000 лет, когда она достаточно остыла для существования отдельных атомов. Реликтовое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, движется к нам с этого времени и исходит из сферической оболочки точек, которые находятся на правильном расстоянии примерно 46 миллиардов световых лет от Земли.

Горизонт событий и сфера Хаббла

Как уже было сказано, Вселенная расширяется. Чем дальше объект, тем быстрее он удаляется от нас.

Существует четкая зависимость между скоростью удаления и расстоянием до галактики. Это соотношение известно как закон Хаббла и записывается как

v = H _o D

, где

• v — скорость, с которой объект удаляется от нас

.

• D — расстояние до объекта
• H _o — постоянная, известная как постоянная Хаббла. Если v измеряется в километрах в секунду, а D — в мегапарсеках (Мпк) (1 Мпк = 3,26 миллиона световых лет), тогда H _o составляет примерно 70 км/с на Мпк. Постоянная Хаббла измеряет скорость расширения Вселенной . На самом деле постоянная Хаббла изменяется со временем (обычно считается, что она уменьшается), и поэтому ее правильнее называть параметром Хаббла H(t). Постоянная Хаббла — это значение параметра Хаббла сегодня. Однако текущая скорость изменения постоянной Хаббла очень мала. Потребуются сотни миллионов лет, чтобы упасть на 1% от его нынешнего значения.

Если предположить, что закон Хаббла действителен на всех расстояниях (т.е. во все времена в прошлом) , то на расстоянии от нас более 4300 Мпк (или 14 миллиардов световых лет) галактика будет удаляться  со скоростью большей, чем 300 000 км/с, это скорость света. В этом случае любой свет, который он излучал сегодня, никогда не смог бы достичь нас. Сфера Хаббла — воображаемая сфера с центром на Земле радиусом 4300 Мпк. Если бы параметр Хаббла не менялся со временем, мы могли бы видеть только объекты, излучающие свет сегодня находится внутри сферы Хаббла.

Однако параметр Хаббла со временем меняется, поэтому нам нужно рассмотреть еще один тип горизонта — горизонт событий . Это наибольшее собственное расстояние от нас, с которого свет, излучаемый сейчас , достигнет нас через какое-то время в далеком будущем.

• Если объект находится ближе горизонта событий, то его свет дойдет до нас.
• Если объект находится дальше горизонта событий, то он так далеко, что испускаемый сейчас свет никогда не достигнет нас.

Если бы параметр Хаббла не менялся со временем, то горизонт событий был бы равен радиусу сферы Хаббла (14 миллиардов световых лет). В большинстве космологических моделей, хотя Вселенная расширяется, значение постоянной Хаббла со временем падает. Конечным результатом этого является то, что горизонт событий больше радиуса сферы Хаббла, а разница между горизонтом событий и сферой Хаббла со временем меняется.

На приведенном ниже графике показано, как горизонт событий меняется с течением времени. В текущей модели Вселенной горизонт событий будет постепенно увеличиваться со временем, но все медленнее и медленнее, достигая максимального значения около 18 миллиардов световых лет.

Подробнее о горизонте событий см. https://explainingscience.org/event-horizon-more-details/

Технические примечания

Поскольку закон Хаббла v= H(t)D предсказывает сверхсветовую рецессию на больших расстояниях (т. е. расстояния больше, чем c/H (t) ) иногда ошибочно утверждают, что требуется какая-то «специальная релятивистская коррекция» , чтобы предотвратить удаление галактики от нас со скоростью, превышающей скорость света.

На самом деле, нет никакого противоречия со специальной теорией относительности, если движение быстрее скорости света происходит за пределами инерциальной системы отсчета наблюдателя , и в любом случае для описания Вселенной в целом требуется общая, а не специальная теория относительности.

Далекие галактики удаляются от нас со сверхсветовой скоростью. Это означает, что мы никогда не сможем увидеть их свет, излучаемый в настоящее время. Однако локально они покоятся, и движений в их собственных локальных инерциальных системах отсчета хорошо описываются специальной теорией относительности. Подробнее см. Davis and Lineweaver (2003).

Ссылка

Дэвис, Т.А. и Лайнуивер, Ч.Х. (2003)  Расширяющаяся путаница: распространенные заблуждения о космологических горизонтах и ​​сверхсветовом расширении Вселенной,  Доступно по адресу:  https://arxiv. org/abs/ astro-ph/0310808  (по состоянию на 30 апреля 2021 г.).

На канале «Объяснение науки» на YouTube есть короткое видео об истории Вселенной после того, как ей исполнилась одна секунда.