Сфера хаббла: Что такое сфера Хаббла и как изменяется расстояние до неё?

Характеристики, онлайн-трансляция в реальном времени, сколько галактик во вселенной, созвездие Ориона на карте звёздного неба

Подробное открытие и длина волны

1 июля на портале космического телескопа «Хаббл» (NASA / ESA Hubble Space Telescope) была опубликована новая фотография звёздного неба. На ней обсерватория запечатлела CGCG 396-2 — структуру, которая образовалась в результате слияния двух многоруких галактик. Объект расположен в созвездии Ориона. Расстояние составляет около 520 млн световых лет от Земли. Такие объекты ранее из-за большого количества космической пыли и газа были недоступны телескопам. Но потом появился «Хаббл».

Телескоп «Хаббл» был запущен на орбиту Земли в апреле 1990 года. Он находится на высоте 545 км и работает в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне с небольшим заходом в инфракрасный (король этого диапазона — новый телескоп Джеймса Уэбба), длина волны — от 0,1 до 2,5 микрона. Разрешение «Хаббла» десятикратно превышает возможности земного телескопа. Оно равно 0,1 угловой секунды на длине волны 63,28 микрона. Фокусное расстояние «Хаббла» — 57,6 м, площадь сбора света — 4,52 кв. м. Его ближняя сфера изучения — планеты Солнечной системы, спутники и астероиды, но возможности простираются вплоть до дальних объектов Вселенной.

Фото © NASA via Getty Images

Этот телескоп уже несколько раз переписал учебники астрономии и не перестаёт удивлять учёных своими открытиями. У него есть некоторые преимущества перед многими телескопами, даже самыми современными.

Он позволяет получать более точные данные, чем дают наземные телескопы такой же мощности. Это настоящий ветеран астрофизики — стоит в одном ряду с исследовательскими зондами «Вояджер» за счёт колоссальной переработки: изначально считалось, что «Хаббл» проработает несколько лет, но вот уже 32 года и два месяца исправно поставляет на Землю уникальные данные. Если до «Хаббла» галактики казались смутными пятнами, больше напоминающими полотна экспрессионистов, то после 1990 года стало ясно, что это уникальные структуры, вглядываться в которые можно так же бесконечно, как микробиологи вглядываются в бактерии.

Наконец, «Хаббл» популяризировал астрофизику настолько, что сегодня есть не только профессионалы-астрофизики и фанаты, время от времени поглядывающие на небосклон и сводки новостей NASA, но и гражданские инициативы, действующие по сетевому признаку. Десятки тысяч непрофессионалов, энтузиастов-любителей из Galaxy Zoo, объединённых общей идеей, анализируют снимки «Хаббла» и выполняют объёмы работы, которые не снились Эдвину Хабблу, в честь которого назван этот чудо-телескоп. Если серьёзно, Хаббл, подобно тому как Алан Тьюринг, по сути, изобрёл компьютер, первым серьёзно подошёл к структуре космоса, начал вести классификацию галактик.

Уже трудно поверить, что ещё не так давно учёные считали, что наша галактика — единственная в своём роде. «Морфологическая система классификации галактик», или «Последовательность Хаббла», — это основной метод, который сегодня работает на всю катушку благодаря генерации огромных массивов данных с помощью роботизированных телескопов и сотням тысяч добровольцев со всей планеты, помогающих эти данные анализировать.

Чёрная дыра в центре Галактики: Новые снимки с телескопа горизонта событий не на шутку встревожили учёных

Космический зоопарк и звёздные животные

По состоянию на 2021 год науке известно несколько сотен миллиардов галактик (а в 2016 году считалось, что их не менее двух триллионов, но список сократили). Нельзя сказать, что это окончательное число. Галактики во Вселенной распределены крайне неоднородно: в одной области их целая гроздь, а в другой — на большом протяжении сплошные войды, или области между галактическими нитями, где отсутствуют или почти отсутствуют галактики и прочие скопления.

Фото © Heritage Space / Heritage Images / Getty Images

Структура CGCG 396-2, которую запечатлел недавно «Хаббл», представляет собой слияние двух многоруких галактик. Это жемчужина проекта Galaxy Zoo, или «Галактический зоопарк». В 2019 году его волонтёры проанализировали 300 тысяч галактик, сделав большой вклад в науку. Даже сами названия экзотичных галактик поражают воображение: Космическая медуза, Галактика-зомби, Галактика-каннибал, Головастик в космическом пространстве, Галактика-вампир, обречённый «Маленький детёныш», Галактика со взрывным нравом, Космические паразиты, Око Саурона. Все они изучаются в данный момент. Но главным событием первой половины лета стала динамичная быстрорастущая структура CGCG 396-2.

Чёрная дыра в центре Галактики: Новые снимки с телескопа горизонта событий не на шутку встревожили учёных

Таинственные песни космоса

Полгода назад волонтёры программы «Галактического зоопарка» получили задание проанализировать снимок структуры CGCG 396-2. Подобно выпускникам, проходящим ЕГЭ, они отвечали на серию вопросов, в которых нужно было из четырёх выбрать один правильный. Вопросы следующего характера: «Структура эллиптическая или спиральная?», «Видите ли вы признаки перемычки?», «Есть ли на снимке признаки спиральных рукавов?», «Насколько велик балдж (сфероидальное уплотнение из звёзд в центре галактики. — Прим. Лайфа) по сравнению со всей галактикой?» Ответы были просеяны, проанализированы ведущими астрофизиками, были учтены статистические погрешности, человеческий фактор. Удалось выяснить, что CGCG 396-2 — шаровое (ничего общего с шаровыми молниями — происходит от слова globulus, или «малая сфера». — Прим. Лайфа) скопление звёзд. При этом наблюдалась и другая аномалия: исходя из колебаний и сигналов, испускаемых из этого района, учёные предположили, что пространство вокруг этого формирования извивается и обладает более высокой плотностью, чем обычно. Оно как бы «гудит» или «поёт», исходя из чего CGCG 396-2 дали прозвище «поющей галактики».

CGCG 396-2. Фото © ESA / Hubble & NASA, W. Keel

Это скопление, у которого наибольшая концентрация звёзд тяготеет к центру структуры. Вместе с неподтверждёнными кандидатами их всего около двухсот (по состоянию на 2011 год было открыто 157 плюс кандидаты). Ещё некоторое время назад галактические рукава считались структурным элементом, играющим статическую роль. Согласно последним исследованиям, в том числе благодаря проекту Galaxy Zoo, в молодых спиральных галактиках изначально могут образовываться спиральные рукава разной формы и закрученности. Рукава эволюционируют, плотнее «наматываются» на галактику под воздействием массы её центральной части, и чем балдж — уплотнение галактики — массивнее, тем интенсивнее этот процесс.

О чём это говорит? О том, что звёздные структуры эволюционируют на глазах, а сами рукава сливаются, образуя что-то принципиально новое. Также учёные выдвинули предположение, что шаровые скопления и карликовые сфероидальные галактики, которые раньше разграничивали, на самом деле могут быть объектами одного порядка. Чем точнее исследования, тем больше доводов в эту пользу. В 2019 году с помощью «Хаббла» в созвездии Большой Медведицы была открыта LEDA 28316, имеющая яркое ядро, из которого исходит большое количество плотно намотанных спиральных рукавов. Уже тогда астрофизики предположили, что это карликовая галактика.

Таким образом, во Вселенной может быть бесчисленное множество постоянно развивающихся структур, которые всё время растут и могут в перспективе вызвать изменения вселенского масштаба. Что такое CGCG 396-2? Может, сверхгалактика? Сейчас учёные отмечают, что собранной на данный момент информации недостаточно для того, чтобы делать далеко идущие выводы. Пока они изучают цвет, структуру и другие характеристики, позволяющие сделать выводы об эволюции структуры. А после открытия структуры NGC 6569 было получено представление о плотности шаровых скоплений, и теперь эти данные нужно лишь расширять и углублять. Неизвестно только, окажутся ли грядущие открытия ещё более тревожными или успокоят учёных.

Это уже не первый случай, когда происходящее в созвездии Ориона заставляло астрофизиков лезть за валокордином. Известно, что там же находится звезда Бетельгейзе — красный сверхгигант, который в тысячу раз превышает радиус Солнца. В 2020 году он резко потускнел и изменил видимую форму. Тогда учёные решили, что топливо внутри Бетельгейзе закончилось и за этим может последовать взрыв, который обернётся катастрофой. Но ничего экстраординарного не случилось. Точно так же дело обстоит и с CGCG 396-2. Она растёт, образуются новые структурные элементы, сливаются рукава галактик, но пока всё протекает в штатном режиме. Однако известно, что в Galaxy Zoo совместно с ведущими астрофизиками готовят новое масштабное исследование. Может быть, тогда и будет получен исчерпывающий ответ, что такое CGCG 396-2.

Переполох в стиле «Вояджера»: Телескоп ALMA взбудоражил учёных неожиданными данными

Фото © NASA / Getty Images

Какое открытие «Хаббла» самое важное?

Столкновение Юпитера с кометой

Внесолнечные планеты

Перерождение туманности Андромеды

Свой вариант в комментарии

Евгений Жуков

• Статьи
• телескопы
• наблюдения
• нейтронныезвезды
• Вселенная
• Наука и Технологии

Комментариев: 2

Для комментирования авторизуйтесь!

Как сфера Хаббла ограничивает наше представление о Вселенной?★ | Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма

.
Журнальная статья

Герайнт Ф. Льюис,

Герайнт Ф. Льюис

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

ОБЪЯВЛЕНИЯ

Пим ван Ойршот

Пим ван Ойршот

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

ОБЪЯВЛЕНИЯ

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма , том 423, выпуск 1, июнь 2012 г., страницы L26–L29, https://doi.org/10.1111/j.1745-3933.2012.01249.x

Опубликовано :

01 июня 2012 г.

История статьи

Получены:

19 января 2012 г.

Полученная ревизия:

21 февраля 2012 г.

Принято:

29 февраля 2012

Опубликовано:

01 июня 2012 г.

Фильтр поиска панели навигации

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письмаНастоящий выпускЖурналы РАНАстрономия и астрофизикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письмаНастоящий выпускЖурналы РАНАстрономия и астрофизикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

РЕФЕРАТ

Недавно было заявлено, что сфера Хаббла представляет собой ранее неизвестный предел нашего взгляда на Вселенную, а свет, который мы обнаруживаем сегодня, исходит с надлежащего расстояния, меньшего, чем этот «космический горизонт» в настоящее время. время. Рассматривая пути световых лучей в нескольких космологиях, мы показываем, что это утверждение в общем случае неверно. В частности, в космологиях, где преобладает фантомная энергия (с уравнением состояния ω < −1), собственное расстояние до сферы Хаббла уменьшается, и лучи света могут пересекать ее более одного раза в обоих направлениях; такое поведение еще больше снижает утверждение о том, что сфера Хаббла является фундаментальным, но непризнанным горизонтом во Вселенной.

космология: теория

1 ВВЕДЕНИЕ

Существование нескольких космологических горизонтов четко разделяет пространство-время Вселенной, причем горизонт частиц содержит все события, на которые конкретный наблюдатель когда-либо мог оказать причинное влияние, и горизонт событий , содержащий все события, которые когда-либо могли причинно повлиять на этого наблюдателя (Rindler 1956). Наличие и протяженность этих космологических горизонтов зависит от эволюции универсального расширения и, следовательно, в конечном счете от массы и энергии вселенной (например, см. Харрисон 19).93).

В последнее время появились заявления о существовании другого, ранее неизвестного горизонта, получившего название «космический горизонт», и что это коренным образом ограничивает наше представление о Вселенной (Мелия, 2007, 2009; Мелиа и Абделькадер, 2009; Мелиа и Шевчук, 2012). . В пространственно плоской Вселенной этот «космический горизонт» точно такой же, как хорошо изученная сфера Хаббла, расстояние, на котором в результате вселенского расширения объекты движутся относительно нас со скоростью света (Харрисон 19).91). Для ясности в дальнейшем мы будем предполагать, что Вселенная пространственно плоская, и будем называть «космический горизонт» сферой Хаббла на протяжении всего этого вклада.

В предыдущей статье мы показали, что утверждение о том, что сфера Хаббла устанавливает предел тому, что мы можем наблюдать во Вселенной ² , является неверным (van Oirschot, Kwan & Lewis 2010). Однако Биква, Мелиа и Шевчук (2012) повторили эти предыдущие утверждения, рассматривая пути фотонов в расширяющейся Вселенной и заявляя, что фотоны, которые мы получаем сейчас, всегда исходят из собственное расстояние , которое меньше нынешнего размера сферы Хаббла. В этом Письме мы рассматриваем это утверждение и показываем, что оно в общем случае неверно. На самом деле можно показать, что фотон может пересекать сферу Хаббла более одного раза в обоих направлениях, что еще раз покажет, что его возвышенный статус ранее непризнанного «космического горизонта» по-прежнему неверен.

В разделе 2 мы обсудим ключевые аспекты эволюции сферы Хаббла и покажем, что ее размер в настоящее время не обязательно является пределом того, что мы можем видеть. Мы представляем выводы в разделе 3. На протяжении всего письма мы будем рассматривать вселенные, описываемые метрикой Фридмана–Робертсона–Уокера.

2 ЭВОЛЮЦИЯ СФЕРЫ ХАББЛА

2.1 Сфера Хаббла

Следствием закона Хаббла является то, что объекты, находящиеся на достаточно большом правильном расстоянии, должны удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света. Граница между досветовой и сверхсветовой скоростями удаления представляет собой сферическую поверхность вокруг нас, известную как сфера Хаббла, и, приравняв скорость удаления к скорости света, c по закону Хаббла, сегодня она находится на надлежащем расстоянии

, где H ₀ — текущее значение постоянной Хаббла.

В эволюционирующей Вселенной постоянная Хаббла будет функцией времени, и, следовательно, R _ч также является функцией времени. В пространственно плоской Вселенной с одним компонентом космической жидкости с уравнением состояния ω легко показать, что сфера Хаббла эволюционирует как

, где производная относится к космическому времени (Мелия, 2009). В такой вселенной R _h явно эволюционирует с постоянной скоростью.

2.2 Расширяющиеся сферы Хаббла

Пример Вселенной, описываемой уравнением (2), представлен на рис. 1, показывающем эволюцию R _h (синяя линия) за космическое время для Вселенной Эйнштейна-де Ситтера. (пространственно плоский, содержащий только материю, поэтому ω = 0). Горизонтальная пунктирная линия соответствует современному возрасту Вселенной (при условии, что H ₀ = 70 км с ⁻¹ Мпк ^-1 ).

Рис. 1.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Эволюция сферы Хаббла (синяя линия) во Вселенной Эйнштейна–де Ситтера. Красные линии соответствуют траекториям фотонов (нулевые геодезические), а черная пунктирная линия — нынешнему возрасту Вселенной (при условии, что H ₀ = 70 км с ⁻¹ Мпк ⁻¹ ).

Красные линии на рис. 1 соответствуют пути фотонов от Большого Взрыва (в начале координат) до нас в различные эпохи космического времени; поэтому обратите внимание, что эти цифры в основном такие же, как у Bikwa et al. (2012), но переориентированный и показывающий как множественные световые пути, так и эволюцию Р _ч . Утверждение этих авторов состоит в том, что R _h сегодня (где пересекаются синие и черные пунктирные линии, ∼14 GLyr) больше, чем максимальное собственное расстояние, достигнутое фотоном, достигающим нас сегодня (примерно половина этого расстояния). Глядя на постоянно увеличивающееся значение R _h в будущем и пути фотонов, полученных в будущем, это кажется правдой.

Однако важно понимать, что на самом деле говорит нам рис. 1. С точки зрения правильного расстояния, фотоны удаляются от нас во время Большого взрыва на максимальное расстояние, прежде чем развернуться и вернуться к началу координат. Точка, в которой фотон разворачивается на своем пути, находится именно там, где он пересекает R _ч ; это имеет интуитивно понятный смысл, поскольку можно предположить, что из-за универсального расширения это точка, в которой фотон эффективно покоится по отношению к нам (это строго показано в разделе 8 работы Эллиса и Ротмана, 1993).

Популярная в настоящее время космологическая модель ограничена многочисленными наблюдениями и содержит смесь космических флюидов, состоящую примерно на 30 % из материи и на 70 % из темной энергии с уравнением состояния ω∼−1 (например, Spergel et al. др. 2003). Эволюция R _h в такой Вселенной не просто описывается уравнением (2), но в ранние эпохи, когда во Вселенной преобладала материя (с ω = 0), мы ожидаем эволюцию, аналогичную вселенной Эйнштейна-де Ситтера, тогда как в более поздние времена во Вселенной преобладает темная энергия. Если уравнение состояния темной энергии ω=-1 (космологическая постоянная), уравнение (2) показывает, что R _h находится на фиксированном правильном расстоянии от нас.

На рис. 2 представлена ​​эволюция R _h в этой вселенной, обладая ожидаемыми формами в ранние и поздние времена, с переходным периодом (в котором мы сейчас находимся). ³ Поведение световых лучей в этой космологии не слишком отличается от того, что представлено на рис. 1, где световые лучи движутся наружу от Большого взрыва, прежде чем повернуть назад, пересекая R _h . Ключевое отличие, однако, заключается в более поздних временах, когда R _h асимптотирует к фиксированному расстоянию от нас, так что световые лучи будут проводить все больше и больше времени, меняя направление и возвращаясь к наблюдателю; именно в эти более поздние времена сфера Хаббла совпадает с горизонтом событий, что действительно ограничивает то, что мы можем видеть.

Рис. 2.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

То же, что и на рис. 1, но для согласованной космологической модели с , Ω _ω = 0,7 и уравнением состояния темной энергии ω=−1 (т.е. космологическая постоянная Эйнштейна).

Опять же, аргумент, выдвинутый Bikwa et al. (2012), по-видимому, верно, поскольку фотоны, прибывающие сегодня, не вышли за пределы современной сферы Хаббла. Для будущих наблюдателей это остается верным, поскольку все фотоны путешествуют от Большого взрыва до R _h перед возвращением в исходную точку.

2.3 Схлопывающиеся сферы Хаббла

В примерах, представленных в разделе 2.2, R _h непрерывно расширяется до бесконечности на рис. 1 и асимптотируется до конечного значения на рис. расширять? Изучение уравнения (2) показывает, что если уравнение состояния ω < −1, то оно может быть отрицательным; с таким уравнением состояния такая космическая жидкость известна как фантомная энергия . Присутствие фантомной энергии оказывает драматическое влияние на расширение Вселенной, потенциально приводя к космическому концу света, когда галактики, планеты и, в конечном итоге, атомы разрываются на части ускоряющимся расширением (например, Caldwell, Kamionkowski & Weinberg 2003).

На рис. 3 представлена ​​эволюция R _h во Вселенной с современной плотностью материи и плотностью темной энергии Ω _ω = 0,7 и уравнением состояния темной энергии ω=−1,1 . На более ранней стадии развития Вселенной, где преобладала материя, поведение было похоже на то, что показано на рис. 2, но по мере того, как во Вселенной преобладала темная энергия, R _h достигает максимальной степени и затем начинает уменьшаться.

Рис. 3.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

То же, что и на рис. 2, но с использованием уравнения состояния темной энергии ω=−1,1 (т. е. фантомной энергии).

Изучение траекторий фотонов на рис. 3 показывает поведение, аналогичное предыдущим рисункам, с фотонами, выходящими из Большого взрыва, прежде чем вернуться к началу координат, с точкой поворота, когда фотоны пересекают Р _ч . Опять же, фотоны, которые мы получаем сегодня, вращаются на расстоянии меньшем, чем R _h сегодня, как это было предложено Bikwa et al. (2012). Однако ясно, что наблюдатели в отдаленном будущем принимают фотоны, развернувшиеся в своем путешествии на надлежащем расстоянии, значительно большем, чем R _h в момент приема фотона; это прямо противоречит идеям, предложенным Bikwa et al. (2012).

Наконец, на рис. 4 мы дополнительно исследуем эту космологию фантомной энергии, представляя пути фотонов, которые не обязательно возвращаются к наблюдателю в пространственном начале. Как и на предыдущих рисунках, световые дорожки выходят из зоны большого взрыва и поворачивают обратно к наблюдателю, проходя через Р _ч . В то время как одна из фотонных траекторий достигает наблюдателя, коллапсирующая сфера Хаббла влияет на остальные фотонные траектории, причем каждая из них во второй раз сталкивается с R _h (и снова фотон можно рассматривать как покоящийся относительно к нам), прежде чем отправиться на большее надлежащее расстояние. Тот факт, что такой путь фотона может проходить через сферу Хаббла несколько раз в разных направлениях, является еще одним гвоздем в концепции о том, что сфера Хаббла является «космическим горизонтом».

Рис. 4.

Открыть в новой вкладке Загрузить слайд

То же, что и на рис. 3, но с учетом путей фотонов, которые не обязательно достигают начала координат.

3 ВЫВОДЫ

В этом письме мы рассмотрели эволюцию сферы Хаббла, R _h , за космическое время, показав, что ее нынешний размер не обязательно является пределом максимального собственного расстояния, от которого мы находимся. принимающих фотоны в настоящее время, вопреки утверждениям, недавно сделанным в литературе (Биква и др., 2012).

Следует помнить, что сфера Хаббла не является сложной концепцией и, как показано здесь (и в Ellis & Rothman, 1993), а также является границей между досветовым и сверхсветовым расширением во Вселенной, представляет собой точки перегиба на путь фотона между Большим взрывом и наблюдателем (если рассматривать с точки зрения правильного расстояния и космического времени).

Эволюция R _h в конечном счете зависит от массы и энергии вселенной. Во вселенных, подобных нашей, в которых до сих пор преобладала материя на протяжении большей части их истории, R _h изначально эволюционирует подобно вселенной Эйнштейна-де Ситтера, и поскольку R _h продолжает расти, тривиально сказать, что правильное расстояние до точки поворота фотона, равное R _h в момент поворота меньше, чем сфера Хаббла сейчас. Для вселенных с другим составом космических флюидов или тех, в которых компоненты эволюционируют, такое утверждение не обязательно может быть сделано.

Наконец, мы повторяем, что фотоны могут многократно пересекать сферу Хаббла, и можно представить вселенную с развивающимся компонентом темной энергии, который колеблется между материей и фантомной энергией. С такой вселенной сфера Хаббла также могла бы колебаться внутрь и наружу, при этом путь фотонов от Большого взрыва пересекал сферу Хаббла несколько раз, прежде чем достичь наблюдателя. Если бы наша инфляционная эпоха была вызвана фантомной энергией (например, Capozziello, Nojiri & Odintsov 2006), то, возможно, это уже произошло. Следовательно, сфера Хаббла не является «космическим горизонтом».

Ничто из этого не должно вызывать удивления, поскольку эволюция частиц и горизонтов событий, а также сферы Хаббла были в центре внимания нескольких классических статей (например, Риндлер, 1956; Харрисон, 1991; Эллис и Ротман, 1993). Недавние публикации мало что добавили к нашему пониманию.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Мы хотели бы поблагодарить рецензента, Мартина Хендри, за положительные комментарии, которые улучшили Письмо. GFL выражает благодарность проекту ARC Discovery Project DP0665574. PvO благодарит Сиднейский университет за то, что он принял его во время этого магистерского исследования.

REFERENCES

Bikwa

O.

,

Melia

F.

,

Shevchuk

A.

2012

,

MNRAS

,

421

,

3356

Caldwell

R. R.

,

Kamionkowski

M.

,

Weinberg

N. N.

2003

,

Phys. Преподобный Летт.

,

91

,

071301

Capozziello

S.

,

Nojiri

S.

,

Odintsov

S. D.

2006

,

Phys. лат. B

,

632

,

597

Davis

T. M.

,

Lineweaver

C.

2004

,

PASA

2004

,

PASA

,

PASA

2004

,

.0004,

21

,

97

Ellis

G. F. R.

,

Rothman

T.

1993

,

AM. Дж. Физ.

,

61

,

883

Harrison

E.

1991

,

ApJ

,

383

,

60

Harrison

E.

1993

,

APJ

,

406

,

383

Lemaître

G.

1925

,

J. Math. физ.

,

4

,

188

Melia

F.

2007

,

MNRAS

,

382

,

1917

Melia

F.

2009

,

Междунар. J. Современная физ. Д

,

18

,

1113

Melia

F.

,

Abdelqader

M.

2009

,

Int. J. Современная физ. D

,

18

,

1889

Melia

F.

,

Shevchuk

A. S. H.

2012

,

MNRAS

,

419

,

2579

Rindler

W.

1956

,

MNRAS

,

116

,

662

Spergel

D. N.

et.

2003

,

ApJS

,

148

,

175

van Oirschot

P.

,

Kwan

J.

,

Lewis

G. F.

2010

,

MNRAS

,

404

,

1633

Сноски

*

Исследования, проведенные в рамках космологии Commonwealth (CCI: при поддержке Австралийского исследовательского совета.

1

Точно так же, как Леметр (1925) понял, что кажущийся горизонт в метрике де Ситтера в статической форме возникает из-за неправильного выбора координат, мы показали, что кажущийся «космический горизонт» возникает из-за повторного введения этих статических координат.

2

Заметим, что такая фигура не нова, и заинтересованному читателю предлагается изучить прекрасное изображение этой космологии на рис. 1 Дэвиса и Лайнуивера (2004), представляющего ключевые особенности Вселенной в нескольких системах координат.

© Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, 2012 г. © RAS, 2012 г.

© RAS, 2012 г.0003

Скачать все слайды

Реклама

Цитаты

Альтметрика

Дополнительная информация о метриках

Оповещения по электронной почте

Оповещение об активности статьи

Предварительные уведомления о статьях

Оповещение о новой проблеме

Оповещение о текущей проблеме

Получайте эксклюзивные предложения и обновления от Oxford Academic

Система астрофизических данных

Резюме объявлений

Ссылки на статьи по номеру

• Последний
  

• Самые читаемые
  

• Самые цитируемые
  

Открытие двойных последовательностей BSS в старом галактическом рассеянном скоплении Berkeley 17

Ограничение сверхновых типа Ia их расстоянием от спиральных рукавов

Орбитальная стабильность предлагаемых экзопланет NY virginis

Открытие LOFAR редких крупных струй FR I в радиогалактике низкой светимости NGC 5322

Инверсии крутящего момента и вариации ветра рентгеновского пульсара Vela X-1

Реклама

Как сфера Хаббла ограничивает наше представление о Вселенной?★ | Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма

.
Журнальная статья

Герайнт Ф. Льюис,

Герайнт Ф. Льюис

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

ОБЪЯВЛЕНИЯ

Пим ван Ойршот

Пим ван Ойршот

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

ОБЪЯВЛЕНИЯ

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма , том 423, выпуск 1, июнь 2012 г., страницы L26–L29, https://doi.org/10.1111/j.1745-3933.2012.01249.x

Опубликовано:

01 июня 2012 г.

История статьи

Получены:

19 января 2012 г.

Полученная ревизия:

21 февраля 2012 г.

Принято:

29 февраля 2012

Опубликовано:

01 июня 2012 г.

Фильтр поиска панели навигации

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письмаНастоящий выпускЖурналы РАНАстрономия и астрофизикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письмаНастоящий выпускЖурналы РАНАстрономия и астрофизикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

РЕЗЮМЕ

Недавно было заявлено, что сфера Хаббла представляет собой ранее неизвестный предел нашего взгляда на вселенную, а свет, который мы обнаруживаем сегодня, исходит с надлежащего расстояния, меньшего, чем этот «космический горизонт» в настоящее время. время. Рассматривая пути световых лучей в нескольких космологиях, мы показываем, что это утверждение в общем случае неверно. В частности, в космологиях, где преобладает фантомная энергия (с уравнением состояния ω < −1), собственное расстояние до сферы Хаббла уменьшается, и лучи света могут пересекать ее более одного раза в обоих направлениях; такое поведение еще больше снижает утверждение о том, что сфера Хаббла является фундаментальным, но непризнанным горизонтом во Вселенной.

космология: теория

1 ВВЕДЕНИЕ

Существование нескольких космологических горизонтов четко разделяет пространство-время Вселенной, причем горизонт частиц содержит все события, на которые конкретный наблюдатель когда-либо мог оказать причинное влияние, и горизонт событий , содержащий все события, которые когда-либо могли причинно повлиять на этого наблюдателя (Rindler 1956). Наличие и протяженность этих космологических горизонтов зависит от эволюции универсального расширения и, следовательно, в конечном счете от массы и энергии вселенной (например, см. Харрисон 19).93).

В последнее время появились заявления о существовании другого, ранее неизвестного горизонта, получившего название «космический горизонт», и что это коренным образом ограничивает наше представление о Вселенной (Мелия, 2007, 2009; Мелиа и Абделькадер, 2009; Мелиа и Шевчук, 2012). . В пространственно плоской Вселенной этот «космический горизонт» точно такой же, как хорошо изученная сфера Хаббла, расстояние, на котором в результате вселенского расширения объекты движутся относительно нас со скоростью света (Харрисон 19).91). Для ясности в дальнейшем мы будем предполагать, что Вселенная пространственно плоская, и будем называть «космический горизонт» сферой Хаббла на протяжении всего этого вклада.

В предыдущей статье мы показали, что утверждение о том, что сфера Хаббла устанавливает предел тому, что мы можем наблюдать во Вселенной ² , является неверным (van Oirschot, Kwan & Lewis 2010). Однако Биква, Мелиа и Шевчук (2012) повторили эти предыдущие утверждения, рассматривая пути фотонов в расширяющейся Вселенной и заявляя, что фотоны, которые мы получаем сейчас, всегда исходят из собственное расстояние , которое меньше нынешнего размера сферы Хаббла. В этом Письме мы рассматриваем это утверждение и показываем, что оно в общем случае неверно. На самом деле можно показать, что фотон может пересекать сферу Хаббла более одного раза в обоих направлениях, что еще раз покажет, что его возвышенный статус ранее непризнанного «космического горизонта» по-прежнему неверен.

В разделе 2 мы обсудим ключевые аспекты эволюции сферы Хаббла и покажем, что ее размер в настоящее время не обязательно является пределом того, что мы можем видеть. Мы представляем выводы в разделе 3. На протяжении всего письма мы будем рассматривать вселенные, описываемые метрикой Фридмана–Робертсона–Уокера.

2 ЭВОЛЮЦИЯ СФЕРЫ ХАББЛА

2.1 Сфера Хаббла

Следствием закона Хаббла является то, что объекты, находящиеся на достаточно большом правильном расстоянии, должны удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света. Граница между досветовой и сверхсветовой скоростями удаления представляет собой сферическую поверхность вокруг нас, известную как сфера Хаббла, и, приравняв скорость удаления к скорости света, c по закону Хаббла, сегодня она находится на надлежащем расстоянии

, где H ₀ — текущее значение постоянной Хаббла.

В эволюционирующей Вселенной постоянная Хаббла будет функцией времени, и, следовательно, R _ч также является функцией времени. В пространственно плоской Вселенной с одним компонентом космической жидкости с уравнением состояния ω легко показать, что сфера Хаббла эволюционирует как

, где производная относится к космическому времени (Мелия, 2009). В такой вселенной R _h явно эволюционирует с постоянной скоростью.

2.2 Расширяющиеся сферы Хаббла

Пример Вселенной, описываемой уравнением (2), представлен на рис. 1, показывающем эволюцию R _h (синяя линия) за космическое время для Вселенной Эйнштейна-де Ситтера. (пространственно плоский, содержащий только материю, поэтому ω = 0). Горизонтальная пунктирная линия соответствует современному возрасту Вселенной (при условии, что H ₀ = 70 км с ⁻¹ Мпк ^-1 ).

Рис. 1.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Эволюция сферы Хаббла (синяя линия) во Вселенной Эйнштейна–де Ситтера. Красные линии соответствуют траекториям фотонов (нулевые геодезические), а черная пунктирная линия — нынешнему возрасту Вселенной (при условии, что H ₀ = 70 км с ⁻¹ Мпк ⁻¹ ).

Красные линии на рис. 1 соответствуют пути фотонов от Большого Взрыва (в начале координат) до нас в различные эпохи космического времени; поэтому обратите внимание, что эти цифры в основном такие же, как у Bikwa et al. (2012), но переориентированный и показывающий как множественные световые пути, так и эволюцию Р _ч . Утверждение этих авторов состоит в том, что R _h сегодня (где пересекаются синие и черные пунктирные линии, ∼14 GLyr) больше, чем максимальное собственное расстояние, достигнутое фотоном, достигающим нас сегодня (примерно половина этого расстояния). Глядя на постоянно увеличивающееся значение R _h в будущем и пути фотонов, полученных в будущем, это кажется правдой.

Однако важно понимать, что на самом деле говорит нам рис. 1. С точки зрения правильного расстояния, фотоны удаляются от нас во время Большого взрыва на максимальное расстояние, прежде чем развернуться и вернуться к началу координат. Точка, в которой фотон разворачивается на своем пути, находится именно там, где он пересекает R _ч ; это имеет интуитивно понятный смысл, поскольку можно предположить, что из-за универсального расширения это точка, в которой фотон эффективно покоится по отношению к нам (это строго показано в разделе 8 работы Эллиса и Ротмана, 1993).

Популярная в настоящее время космологическая модель ограничена многочисленными наблюдениями и содержит смесь космических флюидов, состоящую примерно на 30 % из материи и на 70 % из темной энергии с уравнением состояния ω∼−1 (например, Spergel et al. др. 2003). Эволюция R _h в такой Вселенной не просто описывается уравнением (2), но в ранние эпохи, когда во Вселенной преобладала материя (с ω = 0), мы ожидаем эволюцию, аналогичную вселенной Эйнштейна-де Ситтера, тогда как в более поздние времена во Вселенной преобладает темная энергия. Если уравнение состояния темной энергии ω=-1 (космологическая постоянная), уравнение (2) показывает, что R _h находится на фиксированном правильном расстоянии от нас.

На рис. 2 представлена ​​эволюция R _h в этой вселенной, обладая ожидаемыми формами в ранние и поздние времена, с переходным периодом (в котором мы сейчас находимся). ³ Поведение световых лучей в этой космологии не слишком отличается от того, что представлено на рис. 1, где световые лучи движутся наружу от Большого взрыва, прежде чем повернуть назад, пересекая R _h . Ключевое отличие, однако, заключается в более поздних временах, когда R _h асимптотирует к фиксированному расстоянию от нас, так что световые лучи будут проводить все больше и больше времени, меняя направление и возвращаясь к наблюдателю; именно в эти более поздние времена сфера Хаббла совпадает с горизонтом событий, что действительно ограничивает то, что мы можем видеть.

Рис. 2.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

То же, что и на рис. 1, но для согласованной космологической модели с , Ω _ω = 0,7 и уравнением состояния темной энергии ω=−1 (т.е. космологическая постоянная Эйнштейна).

Опять же, аргумент, выдвинутый Bikwa et al. (2012), по-видимому, верно, поскольку фотоны, прибывающие сегодня, не вышли за пределы современной сферы Хаббла. Для будущих наблюдателей это остается верным, поскольку все фотоны путешествуют от Большого взрыва до R _h перед возвращением в исходную точку.

2.3 Схлопывающиеся сферы Хаббла

В примерах, представленных в разделе 2.2, R _h непрерывно расширяется до бесконечности на рис. 1 и асимптотируется до конечного значения на рис. расширять? Изучение уравнения (2) показывает, что если уравнение состояния ω < −1, то оно может быть отрицательным; с таким уравнением состояния такая космическая жидкость известна как фантомная энергия . Присутствие фантомной энергии оказывает драматическое влияние на расширение Вселенной, потенциально приводя к космическому концу света, когда галактики, планеты и, в конечном итоге, атомы разрываются на части ускоряющимся расширением (например, Caldwell, Kamionkowski & Weinberg 2003).

На рис. 3 представлена ​​эволюция R _h во Вселенной с современной плотностью материи и плотностью темной энергии Ω _ω = 0,7 и уравнением состояния темной энергии ω=−1,1 . На более ранней стадии развития Вселенной, где преобладала материя, поведение было похоже на то, что показано на рис. 2, но по мере того, как во Вселенной преобладала темная энергия, R _h достигает максимальной степени и затем начинает уменьшаться.

Рис. 3.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

То же, что и на рис. 2, но с использованием уравнения состояния темной энергии ω=−1,1 (т. е. фантомной энергии).

Изучение траекторий фотонов на рис. 3 показывает поведение, аналогичное предыдущим рисункам, с фотонами, выходящими из Большого взрыва, прежде чем вернуться к началу координат, с точкой поворота, когда фотоны пересекают Р _ч . Опять же, фотоны, которые мы получаем сегодня, вращаются на расстоянии меньшем, чем R _h сегодня, как это было предложено Bikwa et al. (2012). Однако ясно, что наблюдатели в отдаленном будущем принимают фотоны, развернувшиеся в своем путешествии на надлежащем расстоянии, значительно большем, чем R _h в момент приема фотона; это прямо противоречит идеям, предложенным Bikwa et al. (2012).

Наконец, на рис. 4 мы дополнительно исследуем эту космологию фантомной энергии, представляя пути фотонов, которые не обязательно возвращаются к наблюдателю в пространственном начале. Как и на предыдущих рисунках, световые дорожки выходят из зоны большого взрыва и поворачивают обратно к наблюдателю, проходя через Р _ч . В то время как одна из фотонных траекторий достигает наблюдателя, коллапсирующая сфера Хаббла влияет на остальные фотонные траектории, причем каждая из них во второй раз сталкивается с R _h (и снова фотон можно рассматривать как покоящийся относительно к нам), прежде чем отправиться на большее надлежащее расстояние. Тот факт, что такой путь фотона может проходить через сферу Хаббла несколько раз в разных направлениях, является еще одним гвоздем в концепции о том, что сфера Хаббла является «космическим горизонтом».

Рис. 4.

Открыть в новой вкладке Загрузить слайд

То же, что и на рис. 3, но с учетом путей фотонов, которые не обязательно достигают начала координат.

3 ВЫВОДЫ

В этом письме мы рассмотрели эволюцию сферы Хаббла, R _h , за космическое время, показав, что ее нынешний размер не обязательно является пределом максимального собственного расстояния, от которого мы находимся. принимающих фотоны в настоящее время, вопреки утверждениям, недавно сделанным в литературе (Биква и др., 2012).

Следует помнить, что сфера Хаббла не является сложной концепцией и, как показано здесь (и в Ellis & Rothman, 1993), а также является границей между досветовым и сверхсветовым расширением во Вселенной, представляет собой точки перегиба на путь фотона между Большим взрывом и наблюдателем (если рассматривать с точки зрения правильного расстояния и космического времени).

Эволюция R _h в конечном счете зависит от массы и энергии вселенной. Во вселенных, подобных нашей, в которых до сих пор преобладала материя на протяжении большей части их истории, R _h изначально эволюционирует подобно вселенной Эйнштейна-де Ситтера, и поскольку R _h продолжает расти, тривиально сказать, что правильное расстояние до точки поворота фотона, равное R _h в момент поворота меньше, чем сфера Хаббла сейчас. Для вселенных с другим составом космических флюидов или тех, в которых компоненты эволюционируют, такое утверждение не обязательно может быть сделано.

Наконец, мы повторяем, что фотоны могут многократно пересекать сферу Хаббла, и можно представить вселенную с развивающимся компонентом темной энергии, который колеблется между материей и фантомной энергией. С такой вселенной сфера Хаббла также могла бы колебаться внутрь и наружу, при этом путь фотонов от Большого взрыва пересекал сферу Хаббла несколько раз, прежде чем достичь наблюдателя. Если бы наша инфляционная эпоха была вызвана фантомной энергией (например, Capozziello, Nojiri & Odintsov 2006), то, возможно, это уже произошло. Следовательно, сфера Хаббла не является «космическим горизонтом».

Ничто из этого не должно вызывать удивления, поскольку эволюция частиц и горизонтов событий, а также сферы Хаббла были в центре внимания нескольких классических статей (например, Риндлер, 1956; Харрисон, 1991; Эллис и Ротман, 1993). Недавние публикации мало что добавили к нашему пониманию.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Мы хотели бы поблагодарить рецензента, Мартина Хендри, за положительные комментарии, которые улучшили Письмо. GFL выражает благодарность проекту ARC Discovery Project DP0665574. PvO благодарит Сиднейский университет за то, что он принял его во время этого магистерского исследования.

REFERENCES

Bikwa

O.

,

Melia

F.

,

Shevchuk

A.

2012

,

MNRAS

,

421

,

3356

Caldwell

R. R.

,

Kamionkowski

M.

,

Weinberg

N. N.

2003

,

Phys. Преподобный Летт.

,

91

,

071301

Capozziello

S.

,

Nojiri

S.

,

Odintsov

S. D.

2006

,

Phys. лат. B

,

632

,

597

Davis

T. M.

,

Lineweaver

C.

2004

,

PASA

2004

,

PASA

,

PASA

2004

,

.0004,

21

,

97

Ellis

G. F. R.

,

Rothman

T.

1993

,

AM. Дж. Физ.

,

61

,

883

Harrison

E.

1991

,

ApJ

,

383

,

60

Harrison

E.

1993

,

APJ

,

406

,

383

Lemaître

G.

1925

,

J. Math. физ.

,

4

,

188

Melia

F.

2007

,

MNRAS

,

382

,

1917

Melia

F.

2009

,

Междунар. J. Современная физ. Д

,

18

,

1113

Melia

F.

,

Abdelqader

M.

2009

,

Int. J. Современная физ. D

,

18

,

1889

Melia

F.

,

Shevchuk

A. S. H.

2012

,

MNRAS

,

419

,

2579

Rindler

W.

1956

,

MNRAS

,

116

,

662

Spergel

D. N.

et.

2003

,

ApJS

,

148

,

175

van Oirschot

P.

,

Kwan

J.

,

Lewis

G. F.

2010

,

MNRAS

,

404

,

1633

Сноски

*

Исследования, проведенные в рамках космологии Commonwealth (CCI: при поддержке Австралийского исследовательского совета.

1

Точно так же, как Леметр (1925) понял, что кажущийся горизонт в метрике де Ситтера в статической форме возникает из-за неправильного выбора координат, мы показали, что кажущийся «космический горизонт» возникает из-за повторного введения этих статических координат.

2

Заметим, что такая фигура не нова, и заинтересованному читателю предлагается изучить прекрасное изображение этой космологии на рис. 1 Дэвиса и Лайнуивера (2004), представляющего ключевые особенности Вселенной в нескольких системах координат.

© Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, 2012 г. © RAS, 2012 г.

© RAS, 2012 г.0003

Скачать все слайды

Реклама

Цитаты

Альтметрика

Дополнительная информация о метриках

Оповещения по электронной почте

Оповещение об активности статьи

Предварительные уведомления о статьях

Оповещение о новой проблеме

Оповещение о текущей проблеме

Получайте эксклюзивные предложения и обновления от Oxford Academic

Система астрофизических данных

Резюме объявлений

Ссылки на статьи по номеру

• Последний
  

• Самые читаемые
  

• Самые цитируемые
  

Открытие двойных последовательностей BSS в старом галактическом рассеянном скоплении Berkeley 17

Ограничение сверхновых типа Ia их расстоянием от спиральных рукавов

Орбитальная стабильность предлагаемых экзопланет NY virginis

Открытие LOFAR редких крупных струй FR I в радиогалактике низкой светимости NGC 5322

Инверсии крутящего момента и вариации ветра рентгеновского пульсара Vela X-1

Реклама

Как сфера Хаббла ограничивает наше представление о Вселенной?★ | Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма

.
Журнальная статья

Герайнт Ф. Льюис,

Герайнт Ф. Льюис

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

ОБЪЯВЛЕНИЯ

Пим ван Ойршот

Пим ван Ойршот

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

ОБЪЯВЛЕНИЯ

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма , том 423, выпуск 1, июнь 2012 г., страницы L26–L29, https://doi.org/10.1111/j.1745-3933.2012.01249.x

Опубликовано:

01 июня 2012 г.

История статьи

Получены:

19 января 2012 г.

Полученная ревизия:

21 февраля 2012 г.

Принято:

29 февраля 2012

Опубликовано:

01 июня 2012 г.

Фильтр поиска панели навигации

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письмаНастоящий выпускЖурналы РАНАстрономия и астрофизикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации

Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письмаНастоящий выпускЖурналы РАНАстрономия и астрофизикаКнигиЖурналыOxford Academic
Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

РЕЗЮМЕ

Недавно было заявлено, что сфера Хаббла представляет собой ранее неизвестный предел нашего взгляда на вселенную, а свет, который мы обнаруживаем сегодня, исходит с надлежащего расстояния, меньшего, чем этот «космический горизонт» в настоящее время. время. Рассматривая пути световых лучей в нескольких космологиях, мы показываем, что это утверждение в общем случае неверно. В частности, в космологиях, где преобладает фантомная энергия (с уравнением состояния ω < −1), собственное расстояние до сферы Хаббла уменьшается, и лучи света могут пересекать ее более одного раза в обоих направлениях; такое поведение еще больше снижает утверждение о том, что сфера Хаббла является фундаментальным, но непризнанным горизонтом во Вселенной.

космология: теория

1 ВВЕДЕНИЕ

Существование нескольких космологических горизонтов четко разделяет пространство-время Вселенной, причем горизонт частиц содержит все события, на которые конкретный наблюдатель когда-либо мог оказать причинное влияние, и горизонт событий , содержащий все события, которые когда-либо могли причинно повлиять на этого наблюдателя (Rindler 1956). Наличие и протяженность этих космологических горизонтов зависит от эволюции универсального расширения и, следовательно, в конечном счете от массы и энергии вселенной (например, см. Харрисон 19).93).

В последнее время появились заявления о существовании другого, ранее неизвестного горизонта, получившего название «космический горизонт», и что это коренным образом ограничивает наше представление о Вселенной (Мелия, 2007, 2009; Мелиа и Абделькадер, 2009; Мелиа и Шевчук, 2012). . В пространственно плоской Вселенной этот «космический горизонт» точно такой же, как хорошо изученная сфера Хаббла, расстояние, на котором в результате вселенского расширения объекты движутся относительно нас со скоростью света (Харрисон 19).91). Для ясности в дальнейшем мы будем предполагать, что Вселенная пространственно плоская, и будем называть «космический горизонт» сферой Хаббла на протяжении всего этого вклада.

В предыдущей статье мы показали, что утверждение о том, что сфера Хаббла устанавливает предел тому, что мы можем наблюдать во Вселенной ² , является неверным (van Oirschot, Kwan & Lewis 2010). Однако Биква, Мелиа и Шевчук (2012) повторили эти предыдущие утверждения, рассматривая пути фотонов в расширяющейся Вселенной и заявляя, что фотоны, которые мы получаем сейчас, всегда исходят из собственное расстояние , которое меньше нынешнего размера сферы Хаббла. В этом Письме мы рассматриваем это утверждение и показываем, что оно в общем случае неверно. На самом деле можно показать, что фотон может пересекать сферу Хаббла более одного раза в обоих направлениях, что еще раз покажет, что его возвышенный статус ранее непризнанного «космического горизонта» по-прежнему неверен.

В разделе 2 мы обсудим ключевые аспекты эволюции сферы Хаббла и покажем, что ее размер в настоящее время не обязательно является пределом того, что мы можем видеть. Мы представляем выводы в разделе 3. На протяжении всего письма мы будем рассматривать вселенные, описываемые метрикой Фридмана–Робертсона–Уокера.

2 ЭВОЛЮЦИЯ СФЕРЫ ХАББЛА

2.1 Сфера Хаббла

Следствием закона Хаббла является то, что объекты, находящиеся на достаточно большом правильном расстоянии, должны удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света. Граница между досветовой и сверхсветовой скоростями удаления представляет собой сферическую поверхность вокруг нас, известную как сфера Хаббла, и, приравняв скорость удаления к скорости света, c по закону Хаббла, сегодня она находится на надлежащем расстоянии

, где H ₀ — текущее значение постоянной Хаббла.

В эволюционирующей Вселенной постоянная Хаббла будет функцией времени, и, следовательно, R _ч также является функцией времени. В пространственно плоской Вселенной с одним компонентом космической жидкости с уравнением состояния ω легко показать, что сфера Хаббла эволюционирует как

, где производная относится к космическому времени (Мелия, 2009). В такой вселенной R _h явно эволюционирует с постоянной скоростью.

2.2 Расширяющиеся сферы Хаббла

Пример Вселенной, описываемой уравнением (2), представлен на рис. 1, показывающем эволюцию R _h (синяя линия) за космическое время для Вселенной Эйнштейна-де Ситтера. (пространственно плоский, содержащий только материю, поэтому ω = 0). Горизонтальная пунктирная линия соответствует современному возрасту Вселенной (при условии, что H ₀ = 70 км с ⁻¹ Мпк ^-1 ).

Рис. 1.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Эволюция сферы Хаббла (синяя линия) во Вселенной Эйнштейна–де Ситтера. Красные линии соответствуют траекториям фотонов (нулевые геодезические), а черная пунктирная линия — нынешнему возрасту Вселенной (при условии, что H ₀ = 70 км с ⁻¹ Мпк ⁻¹ ).

Красные линии на рис. 1 соответствуют пути фотонов от Большого Взрыва (в начале координат) до нас в различные эпохи космического времени; поэтому обратите внимание, что эти цифры в основном такие же, как у Bikwa et al. (2012), но переориентированный и показывающий как множественные световые пути, так и эволюцию Р _ч . Утверждение этих авторов состоит в том, что R _h сегодня (где пересекаются синие и черные пунктирные линии, ∼14 GLyr) больше, чем максимальное собственное расстояние, достигнутое фотоном, достигающим нас сегодня (примерно половина этого расстояния). Глядя на постоянно увеличивающееся значение R _h в будущем и пути фотонов, полученных в будущем, это кажется правдой.

Однако важно понимать, что на самом деле говорит нам рис. 1. С точки зрения правильного расстояния, фотоны удаляются от нас во время Большого взрыва на максимальное расстояние, прежде чем развернуться и вернуться к началу координат. Точка, в которой фотон разворачивается на своем пути, находится именно там, где он пересекает R _ч ; это имеет интуитивно понятный смысл, поскольку можно предположить, что из-за универсального расширения это точка, в которой фотон эффективно покоится по отношению к нам (это строго показано в разделе 8 работы Эллиса и Ротмана, 1993).

Популярная в настоящее время космологическая модель ограничена многочисленными наблюдениями и содержит смесь космических флюидов, состоящую примерно на 30 % из материи и на 70 % из темной энергии с уравнением состояния ω∼−1 (например, Spergel et al. др. 2003). Эволюция R _h в такой Вселенной не просто описывается уравнением (2), но в ранние эпохи, когда во Вселенной преобладала материя (с ω = 0), мы ожидаем эволюцию, аналогичную вселенной Эйнштейна-де Ситтера, тогда как в более поздние времена во Вселенной преобладает темная энергия. Если уравнение состояния темной энергии ω=-1 (космологическая постоянная), уравнение (2) показывает, что R _h находится на фиксированном правильном расстоянии от нас.

На рис. 2 представлена ​​эволюция R _h в этой вселенной, обладая ожидаемыми формами в ранние и поздние времена, с переходным периодом (в котором мы сейчас находимся). ³ Поведение световых лучей в этой космологии не слишком отличается от того, что представлено на рис. 1, где световые лучи движутся наружу от Большого взрыва, прежде чем повернуть назад, пересекая R _h . Ключевое отличие, однако, заключается в более поздних временах, когда R _h асимптотирует к фиксированному расстоянию от нас, так что световые лучи будут проводить все больше и больше времени, меняя направление и возвращаясь к наблюдателю; именно в эти более поздние времена сфера Хаббла совпадает с горизонтом событий, что действительно ограничивает то, что мы можем видеть.

Рис. 2.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

То же, что и на рис. 1, но для согласованной космологической модели с , Ω _ω = 0,7 и уравнением состояния темной энергии ω=−1 (т.е. космологическая постоянная Эйнштейна).

Опять же, аргумент, выдвинутый Bikwa et al. (2012), по-видимому, верно, поскольку фотоны, прибывающие сегодня, не вышли за пределы современной сферы Хаббла. Для будущих наблюдателей это остается верным, поскольку все фотоны путешествуют от Большого взрыва до R _h перед возвращением в исходную точку.

2.3 Схлопывающиеся сферы Хаббла

В примерах, представленных в разделе 2.2, R _h непрерывно расширяется до бесконечности на рис. 1 и асимптотируется до конечного значения на рис. расширять? Изучение уравнения (2) показывает, что если уравнение состояния ω < −1, то оно может быть отрицательным; с таким уравнением состояния такая космическая жидкость известна как фантомная энергия . Присутствие фантомной энергии оказывает драматическое влияние на расширение Вселенной, потенциально приводя к космическому концу света, когда галактики, планеты и, в конечном итоге, атомы разрываются на части ускоряющимся расширением (например, Caldwell, Kamionkowski & Weinberg 2003).

На рис. 3 представлена ​​эволюция R _h во Вселенной с современной плотностью материи и плотностью темной энергии Ω _ω = 0,7 и уравнением состояния темной энергии ω=−1,1 . На более ранней стадии развития Вселенной, где преобладала материя, поведение было похоже на то, что показано на рис. 2, но по мере того, как во Вселенной преобладала темная энергия, R _h достигает максимальной степени и затем начинает уменьшаться.

Рис. 3.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

То же, что и на рис. 2, но с использованием уравнения состояния темной энергии ω=−1,1 (т. е. фантомной энергии).

Изучение траекторий фотонов на рис. 3 показывает поведение, аналогичное предыдущим рисункам, с фотонами, выходящими из Большого взрыва, прежде чем вернуться к началу координат, с точкой поворота, когда фотоны пересекают Р _ч . Опять же, фотоны, которые мы получаем сегодня, вращаются на расстоянии меньшем, чем R _h сегодня, как это было предложено Bikwa et al. (2012). Однако ясно, что наблюдатели в отдаленном будущем принимают фотоны, развернувшиеся в своем путешествии на надлежащем расстоянии, значительно большем, чем R _h в момент приема фотона; это прямо противоречит идеям, предложенным Bikwa et al. (2012).

Наконец, на рис. 4 мы дополнительно исследуем эту космологию фантомной энергии, представляя пути фотонов, которые не обязательно возвращаются к наблюдателю в пространственном начале. Как и на предыдущих рисунках, световые дорожки выходят из зоны большого взрыва и поворачивают обратно к наблюдателю, проходя через Р _ч . В то время как одна из фотонных траекторий достигает наблюдателя, коллапсирующая сфера Хаббла влияет на остальные фотонные траектории, причем каждая из них во второй раз сталкивается с R _h (и снова фотон можно рассматривать как покоящийся относительно к нам), прежде чем отправиться на большее надлежащее расстояние. Тот факт, что такой путь фотона может проходить через сферу Хаббла несколько раз в разных направлениях, является еще одним гвоздем в концепции о том, что сфера Хаббла является «космическим горизонтом».

Рис. 4.

Открыть в новой вкладке Загрузить слайд

То же, что и на рис. 3, но с учетом путей фотонов, которые не обязательно достигают начала координат.

3 ВЫВОДЫ

В этом письме мы рассмотрели эволюцию сферы Хаббла, R _h , за космическое время, показав, что ее нынешний размер не обязательно является пределом максимального собственного расстояния, от которого мы находимся. принимающих фотоны в настоящее время, вопреки утверждениям, недавно сделанным в литературе (Биква и др., 2012).

Следует помнить, что сфера Хаббла не является сложной концепцией и, как показано здесь (и в Ellis & Rothman, 1993), а также является границей между досветовым и сверхсветовым расширением во Вселенной, представляет собой точки перегиба на путь фотона между Большим взрывом и наблюдателем (если рассматривать с точки зрения правильного расстояния и космического времени).

Эволюция R _h в конечном счете зависит от массы и энергии вселенной. Во вселенных, подобных нашей, в которых до сих пор преобладала материя на протяжении большей части их истории, R _h изначально эволюционирует подобно вселенной Эйнштейна-де Ситтера, и поскольку R _h продолжает расти, тривиально сказать, что правильное расстояние до точки поворота фотона, равное R _h в момент поворота меньше, чем сфера Хаббла сейчас. Для вселенных с другим составом космических флюидов или тех, в которых компоненты эволюционируют, такое утверждение не обязательно может быть сделано.

Наконец, мы повторяем, что фотоны могут многократно пересекать сферу Хаббла, и можно представить вселенную с развивающимся компонентом темной энергии, который колеблется между материей и фантомной энергией. С такой вселенной сфера Хаббла также могла бы колебаться внутрь и наружу, при этом путь фотонов от Большого взрыва пересекал сферу Хаббла несколько раз, прежде чем достичь наблюдателя. Если бы наша инфляционная эпоха была вызвана фантомной энергией (например, Capozziello, Nojiri & Odintsov 2006), то, возможно, это уже произошло. Следовательно, сфера Хаббла не является «космическим горизонтом».

Ничто из этого не должно вызывать удивления, поскольку эволюция частиц и горизонтов событий, а также сферы Хаббла были в центре внимания нескольких классических статей (например, Риндлер, 1956; Харрисон, 1991; Эллис и Ротман, 1993). Недавние публикации мало что добавили к нашему пониманию.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Мы хотели бы поблагодарить рецензента, Мартина Хендри, за положительные комментарии, которые улучшили Письмо. GFL выражает благодарность проекту ARC Discovery Project DP0665574. PvO благодарит Сиднейский университет за то, что он принял его во время этого магистерского исследования.

REFERENCES

Bikwa

O.

,

Melia

F.

,

Shevchuk

A.

2012

,

MNRAS

,

421

,

3356

Caldwell

R. R.

,

Kamionkowski

M.

,

Weinberg

N. N.

2003

,

Phys. Преподобный Летт.

,

91

,

071301

Capozziello

S.

,

Nojiri

S.

,

Odintsov

S. D.

2006

,

Phys. лат. B

,

632

,

597

Davis

T. M.

,

Lineweaver

C.

2004

,

PASA

2004

,

PASA

,

PASA

2004

,

.0004,

21

,

97

Ellis

G. F. R.

,

Rothman

T.

1993

,

AM. Дж. Физ.

,

61

,

883

Harrison

E.

1991

,

ApJ

,

383

,

60

Harrison

E.

1993

,

APJ

,

406

,

383

Lemaître

G.

1925

,

J. Math. физ.

,

4

,

188

Melia

F.

2007

,

MNRAS

,

382

,

1917

Melia

F.

2009

,

Междунар. J. Современная физ. Д

,

18

,

1113

Melia

F.

,

Abdelqader

M.

2009

,

Int. J. Современная физ. D

,

18

,

1889

Melia

F.

,

Shevchuk

A. S. H.

2012

,

MNRAS

,

419

,

2579

Rindler

W.

1956

,

MNRAS

,

116

,

662

Spergel

D. N.

et.

2003

,

ApJS

,

148

,

175

van Oirschot

P.

,

Kwan

J.

,

Lewis

G. F.

2010

,

MNRAS

,

404

,

1633

Сноски

*

Исследования, проведенные в рамках космологии Commonwealth (CCI: при поддержке Австралийского исследовательского совета.

1

Точно так же, как Леметр (1925) понял, что кажущийся горизонт в метрике де Ситтера в статической форме возникает из-за неправильного выбора координат, мы показали, что кажущийся «космический горизонт» возникает из-за повторного введения этих статических координат.