Что такое космический горизонт?

      Комментарии к записи Что такое космический горизонт? отключены

Что такое космический горизонт?

    Простые горизонты Замечаемая часть (горизонт частиц) стационарной вселенной, имеющей начало, всегда расширяется со скоростью света. Во вселенной без начала, но с «финишем света», где обрываются все мировые линии, горизонт событий отделяет события, каковые наблюдатель ни при каких обстоятельствах не сможет разглядеть

Привычный зрительный горизонт, обусловленный шарообразностью отечественной планеты, статичен и не зависит от времени наблюдения (к тому же на километровых расстояниях конечность скорости света не принимают в расчет). Но в применении ко Вселенной понятие горизонта теряет прежнюю простоту. Космическое пространство не двумерно, как земной рельеф, а трехмерно, к тому же Вселенная расширяется, причем с переменной скоростью.

Более того, применительно к космическим масштабам нужно не забывать о конечности скорости света.

Два горизонта

Понятие космологического горизонта ввели в науку сначала 1950-х годов в связи с созданием теории тёплой Вселенной. А во второй половине 50-ых годов двадцатого века большой эксперт по ОТО Вольфганг Риндлер из Корнеллского университета уточнил и расширил эту концепцию в статье «Visual horizons in world-models».

Риндлер внес предложение по-различному разглядывать космические объекты долгого существования, такие как галактики и звезды с их протяженными мировыми линиями (кривыми в пространстве-времени, обрисовывающими перемещение тела), и краткосрочные эффекты, такие, к примеру, как взрывы сверхновых, которым соответствуют маленькие фрагменты таких линий, а в пределе — легко точки. Корректно обрисовать наблюдаемость объектов обоих типов возможно только при помощи разных горизонтов.

Границу между замечаемыми и ненаблюдаемыми мировыми линиями Риндлер назвал горизонтом частиц, а подобную границу между точками этих линий — горизонтом событий.

В соответствии с стандартной космологической модели, мы живем в однородной изотропной Вселенной. Из этого следует, что горизонт частиц представляет собой сферическую поверхность, в центре которой находится наблюдатель. Внутренность сферы заполнена долгоживущими космическими объектами (скажем, галактиками), чей испущенный в прошлом свет приходит к наблюдателю.

С внешней стороны данной сферы находятся галактики, каковые наблюдатель не имеет возможности видеть ни на каких этапах их истории, предшествовавших моменту наблюдения. Так, горизонт частиц отсекает замечаемую территорию Вселенной от ненаблюдаемой, другими словами по собственной сути не через чур отличается от географического горизонта.

А вот горизонт событий не столь нагляден: он разделяет события, каковые наблюдатель может заметить в тот либо другой момент времени в своем будущем, от событий, заметить каковые ему ни при каких обстоятельствах не дано. В некоторых космологических моделях присутствуют оба горизонта, в некоторых — лишь один из них, а в некоторых горизонтов нет вовсе.

Статичный мир

Для простоты разглядим горизонты бесконечной статичной вселенной. В ньютоновском мире с нескончаемой скоростью света (и, как следствие, безотносительным временем), что не имеет ни начала, ни финиша во времени, другими словами существует всегда, наблюдатель, где бы он ни был, неизменно может видеть все светила без единого исключения. Исходя из этого в таком мире нет ни горизонта частиц, ни горизонта событий (фактически говоря, в том месте нет и самих событий!) — он два раза безгоризонтен.

Сейчас допустим, что в галактиках время от времени взрываются сверхновые. В случае если скорость света нескончаема, эти вспышки мгновенно достигают наблюдателя, так что двойная безгоризонтность так же, как и прежде имеет место. Но она сохраняется и при конечной скорости света!

В действительности, допустим, что какая-то галактика ненадолго увеличила блеск из-за взрыва сверхновой. В вечной и статичной вселенной свет данной вспышки непременно придет к любому наблюдателю. Из этого следует, что в нашем мире нет сигналов, каковые наблюдатель ни при каких обстоятельствах не сможет разглядеть, и, следовательно, нет горизонта событий (очевидно, в том месте так же, как и прежде нет и горизонта частиц).

Потом разглядим гипотетическую статичную вселенную с началом во времени. В таком мире горизонт частиц является сферой , расширяющуюся со скоростью света. В случае если через 5 млрд лет по окончании сотворения этого мира в какой-нибудь из галактик покажется наблюдатель, его горизонт частиц окажется сферой радиусом в 5 млрд световых лет.

Еще через миллиард лет радиус составит 6млрд световых лет, через 2 млрд — 7 млрд. Данный мир остается неизменным, но его замечаемая часть всегда расширяется.

И наконец, предположим, что отечественная мнимая статичная вселенная не имеет начала, но имеет финиш, где обрываются все мировые линии, среди них и линия наблюдателя. Он так же, как и прежде видит все галактики, так что горизонт частиц в нашем мире отсутствует. Но наблюдатель сейчас уже может подметить лишь часть трансформаций в свечении этих галактик. Он заметит вспышку сверхновой, взорвавшейся в галактике, отдаленной от него на 10 млн световых лет, в случае если взрыв произошёл за 11 млн лет до конца света.

Но в случае если сверхновая вспыхнула за 9 млн лет до этого печального финала, наблюдатель кроме того в последний момент собственного существования о ней не определит — просто не успеет. Следовательно, в таком мире имеется горизонт событий.

Как ни примитивна модель статичной вселенной, она разрешает уяснить главные черты обоих горизонтов. За пределами горизонта частиц лежат мировые линии, каковые сейчас не смогут наблюдаться ни в одном из собственных предшествующих фрагментов. А вне горизонта событий пребывают события, каковые наблюдатель не может узреть за все время собственного существования.

Ближе к действительности

Отечественная Вселенная, как мы знаем, отнюдь не статична — она расширяется, причем в течение последних пяти-шести миллиардов лет кроме того с ускорением (считается, что оно порождено ненулевой энергией физического вакуума, взявшей не особенно успешное, но эффектное наименование — чёрная энергия). Наряду с этим она владеет плоской геометрией, потому, что полная плотность ее энергии равна критическому значению, при котором кривизна космического пространства зануляется. Если бы это равенство имело место в отсутствие чёрной энергии, прошедшая, нынешняя и последующая динамика Вселенной (за исключением ее самого раннего этапа) соответствовали бы модели Эйнштейна — де Ситтера («ПМ» № 6’2012).

В соответствии с закону Хаббла, радиальные скорости далеких галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом, что именуется параметром Хаббла H (он зависит от возраста Вселенной и в настоящую эру обозначается H0). Исходя из этого на некоей дистанции, равной c/H, скорость галактического разбегания делается равной скорости света. Такое расстояние именуют расстоянием Хаббла (либо радиусом хаббловской сферы), и в отечественную эру оно примерно равняется 14 млрд световых лет.

Довольно центра сферы скорость расширения пространства в нее меньше световой, а вне ее — больше.

Крайне важно, что радиус сферы Хаббла в общем случае вовсе не равен радиусу замечаемой части мироздания, что, по определению, имеется радиус горизонта частиц. Это наглядно представлено в приведенном выше примере статичной вселенной с в один момент вспыхнувшими галактиками. Потому, что в том месте параметр Хаббла равен нулю, хаббловский радиус нескончаем.

А вот радиус горизонта частиц пропорционален возрасту Вселенной и при любых конечных сроках ее жизни также конечен.

Разглядим вспышки сверхновых, в один момент взорвавшихся в двух различных галактиках. Пускай одна из галактик расположена в сферы Хаббла наблюдателя, а вторая — вне ее. Наблюдатель заметит первую вспышку и не заметит второй, потому, что расширяющееся пространство «уносит» с собой ее фотоны со скоростью больше световой.

На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется в том месте со световой скоростью, и исходя из этого она делается еще одним горизонтом — горизонтом фотонов.

В случае если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, потому, что он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. При таких условиях по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель заметит галактики и внутригалактические события, каковые ранее пребывали вне его фотонного горизонта.

В случае если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, наоборот, уменьшается.

Конкретная скорость расширения сферы Хаббла зависит от подробностей эволюции вселенной. К примеру, в мире Эйнштейна — де Ситтера она равна полутора световым скоростям. Потому, что пространство на хаббловской сфере раздувается со световой скоростью, отличие между темпами расширения расширения пространства и фотонного горизонта равна половине скорости света.

Одновременно с этим горизонт частиц во вселенной Эйнштейна — де Ситтера расширяется в два раза стремительнее фотонного горизонта (следовательно, со скоростью, равной трем световым).

С глаз долой

Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более либо менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, каковые сейчас не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции.

Это указывает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной (она именуется ретроградным световым конусом). В горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с данной поверхностью. Эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе дешёвую наблюдению сейчас времени.

Ретроградный световой конус любого наблюдателя во Вселенной, расширяющейся по окончании Громадного взрыва, сходится на данной начальной сингулярности и охватывает конечный количество. Из этого еще раз направляться, что наблюдатель может видеть только конечную часть собственного мира.

Так, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Кое-какие теории ранней Вселенной утверждают, что весьма далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Данный тезис в полной мере научен, потому, что он вытекает из в полной мере разумных вычислений, но его запрещено ни опровергнуть, ни подтвердить посредством астрономических наблюдений, дешёвых в наши дни.

Более того, в случае если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его запрещено будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.

В статичной вселенной с фиксированным началом радиус горизонта частиц равен произведению ее возраста на скорость света. В отечественной Вселенной он значительно больше, потому, что расширяющееся пространство увлекает за собой световые кванты. Для определения этого радиуса требуется знание всей динамики Вселенной, в том числе и в фазе инфляции, которым наука пока не располагает.

По современным данным, масштабный фактор Вселенной на протяжении инфляции увеличился как минимум в 1027 раз, но эта оценка возможно очень сильно занижена (стандартная космологическая модель по большому счету не обрисовывает фазу инфляции и отсчитывает возраст Вселенной от ее завершения).

В мире Эйнштейна — де Ситтера радиус горизонта частиц равен удвоенному радиусу хаббловской сферы, что, со своей стороны, в полтора раза превышает произведение возраста скорости света и этого мира. Легко посчитать, что в соответствии с данной моделью сегодняшний радиус горизонта частиц (и, следовательно, радиус замечаемой с Почвы области космоса) образовывает около 41 млрд световых лет, либо 13 гигапарсек.

Потому, что Вселенная в эру доминирования чёрной энергии вышла на ускоренное расширение, радиус ее горизонта частиц обязан появляться больше. Но, учет чёрной энергии дает достаточно близкое значение — 14 гигаперсек.

Стоит напомнить, что отечественные телескопы не смогут посмотреть в эру, в то время, когда космическое пространство было заполнено плазмой и не содержало свободных фотонов. Она завершилась через 380 000 лет по окончании Громадного взрыва. Вселенная тогда эволюционировала фактически совершенно верно по модели Эйнштейна — де Ситтера и продолжала это делать еще не меньше 8 млрд лет.

Позднее чёрная энергия внесла собственные поправки, но пока что они увеличили горизонт событий не через чур очень сильно.

В случае если нынешняя плотность чёрной энергии в будущем не изменится, эволюция Вселенной неспешно начнет все больше соответствовать модели де Ситтера. При таких условиях радиус горизонта событий с течением времени будет стремиться к предельному постоянному значению. В весьма далеком будущем все источники света, расположенные вне гравитационно связанной Местной группы галактик (к у которых в собствености и отечественный Млечный Путь), окажутся за пределами этого горизонта и окончательно станут невидимыми.

Различные горизонты

Замкнутая нестатичная вселенная Фридмана с хорошей кривизной пространства появляется из точечной сингулярности с нескончаемой плотностью энергии, достигает в собственном расширении предельного размера, а после этого уменьшается и опять схлопывается в сингулярность. Такая вселенная владеет и горизонтом частиц, и горизонтом событий.

Во вселенной Эйнштейна — де Ситтера имеется горизонт частиц, но нет горизонта событий, потому, что скорость ее расширения с течением времени пытается к нулю, другими словами в вечно отдаленном будущем она станет статичной. Это справедливо и для любой открытой фридмановской вселенной, скорость расширения которой в нескончаемом будущем пытается к конечному ненулевому пределу. А вот для не имеющей ни начала, ни финиша «антигравитационной» вселенной де Ситтера справедливо обратное — в том месте отсутствует горизонт частиц, но имеется горизонт событий.

В отечественной Вселенной для диаграммы космологических горизонтов комфортно применять сопутствующие координаты, каковые увеличиваются в унисон с расширением Вселенной (они подобны координатной сетке на надувном глобусе: долгота и широта каждой точки не изменяются, а расстояние между любой парой точек возрастает с ростом радиуса в соответствии с масштабным причиной). А вдруг применять для шкалы времени конформное время (время фотона, испущенного космическим объектом и летящего на мировом конусе), то диаграмма получает несложной хороший вид с прямыми световым конусом и горизонтами.

будущее и Прошлое

«Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем кроме того не по собственной инициативе, — говорит «Популярной механике» доктор наук Вольфганг Риндлер, что до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. — Тогда была в громадной моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния — Steady State Cosmology («ПМ» № 5’2006). Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами данной теории и внес предложение мне разобраться в существе разногласий.

Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в следствии показалась моя работа о космологических горизонтах. Из нее, например, следовало, что в модели стабильного состояния имеется лишь горизонт событий, как и во вселенной де Ситтера».

По словам доктора наук Риндлера, существует весьма понятная интерпретация обоих горизонтов отечественного мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, что в пределе сойдется на отечественной Галактике, в то время, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Наоборот, горизонт частиц соответствует световому фронту, и спущенному в момент Громадного взрыва.

Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих отечественной Галактики, а горизонт частиц — самым первым. Из для того чтобы определения делается понятным, что горизонт частиц задает большое расстояние, с которого в отечественную нынешнюю эру возможно замечать случившееся в прошлом. Горизонт событий, наоборот, фиксирует большую расстояние, откуда возможно получить данные о вечно отдаленном будущем.

Это вправду два различных горизонта, каковые нужны для полного описания эволюции мироздания».

Статья «Посмотреть за горизонт» размещена в издании «Популярная механика» (№120, октябрь 2012).

Космические горизонты (1 серия из 6) / Cosmic Vistas / 2009


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: