Радиус горизонта частиц во вселенной

Размеры и границы Вселенной

Вселенная — это все, что существует. Вселенная безгранична. Поэтому, рассуждая о размерах Вселенной мы можем говорить только о размерах ее наблюдаемой части — наблюдаемой Вселенной.

Наблюдаемая Вселенная — это шар с центром на Земле (месте наблюдателя), имеет два размера: 1. видимый размер — радиус Хаббла — 13,75 млрд. световых лет, 2. реальный размер — радиус горизонта частиц — 45,7 млрд. световых лет.

Современная модель Вселенной еще называется ?CDM-моделью. Буква «?» означает присутствие космологической постоянной, объясняющей ускоренное расширение Вселенной. «CDM» означает то, что Вселенная заполнена холодной тёмной материей. Последние исследования говорят о том, что постоянная Хаббла составляет около 71 (км/с)/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 13,75 млрд. лет. Зная возраст Вселенной, можно оценить размер её наблюдаемой области.

Согласно теории относительности информация о каком-либо объекте не может достигнуть наблюдателя со скоростью большей, чем скорость света (299792458 км/c). Получается, наблюдатель видит не просто объект, а его прошлое. Чем дальше находится от него объект, тем в более далёкое прошлое он смотрит. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой он была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. В стационарной модели Эйнштейна Вселенная не имеет ограничения по возрасту, а значит и её наблюдаемая область также ничем не ограничена. Наблюдатель, вооружаясь всё более совершенными астрономическими приборами, будет наблюдать всё более далёкие и древние объекты.

Размеры наблюдаемой Вселенной

Другую картину мы имеем с современной моделью Вселенной. Согласно нее Вселенная имеет возраст, а значит и предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,75 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 млрд световых лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.

Итак, размер наблюдаемой Вселенной делится на два типа. Видимый размер, называемый также радиусом Хаббла (13,75 млрд. световых лет). И реальный размер, называемый горизонтом частиц (45,7 млрд. световых лет).

Принципиально то, что оба эти горизонта совсем не характеризуют реальный размер Вселенной. Во-первых, они зависят от положения наблюдателя в пространстве. Во-вторых, они изменяются со временем. В случае ?CDM-модели горизонт частиц расширяется со скоростью большей, чем горизонт Хаббла. Вопрос на то, сменится ли такая тенденция в дальнейшем, современная наука ответа не даёт. Но если предположить, что Вселенная продолжит расширяться с ускорением, то все те объекты, которые мы видим сейчас рано или поздно исчезнут из нашего «поля зрения».

На данный момент самым далёким светом, наблюдаемым астрономами, является реликтовое излучение. Вглядываясь в него, учёные видят Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. В этот момент Вселенная остыла настолько, что смогла испускать свободные фотоны, которые и улавливают в наши дни с помощью радиотелескопов. В те времена во Вселенной не было ни звёзд, ни галактик, а лишь сплошное облако из водорода, гелия и ничтожного количества других элементов. Из неоднородностей, наблюдаемых в этом облаке, в последствие сформируются галактические скопления. Получается, именно те объекты, которые сформируются из неоднородностей реликтового излучения, расположены ближе всего к горизонту частиц.

Реальные размеры Вселенной

Итак, мы определились с размерами наблюдаемой Вселенной. А как быть с реальными размерами всей Вселенной? современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но большинство ученых сходится во мнении, что Вселенная безгранична.

Вывод

Наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли она сжатие, остаётся открытым.

Читать онлайн

книги о тайнах и загадках истории, а также о необъяснимых явлениях на нашем сайте

Источник

modcos.com

Форум посвященный проблемам современной космологии

• Список форумов‹Обсуждение задач‹Парадоксальные вопросы космологии
• Изменить размер шрифта
• Для печати

• FAQ
• Регистрация
• Вход

Как далеко можно видеть во Вселенной.

Как далеко можно видеть во Вселенной.

den » 05 янв 2011, 16:54

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

den » 05 янв 2011, 17:00

Горизонт частиц ограничивает причинно связанную область Вселенной, которую наблюдатель в принципе может видеть в данный момент

По определению, горизонт частиц
$$
L_

(t) = a(t)\int\limits_<0>^t\frac.
$$
где
$a(t) = A^<1/3>\sinh ^<2/3>\left( t/\right)$
и
$t_\Lambda \equiv \frac<2><3>\left(H_0 \right)^<-1>\left( \Omega _<\Lambda 0>\right)^< - 1/2>\simeq 10.768 \cdot 10^<9>$ лет.
$t_0 = t_\Lambda Arth\sqrt <\Omega _<\Lambda 0>>\simeq 13.7 $ Млрд. лет
$A \equiv \frac<\Omega_><\Omega _<\Lambda 0>> =
\frac<1 - \Omega _<\Lambda 0>><\Omega _<\Lambda 0>> = 0.37$
Подставляя все числа и интегрируя получим
$L_

(t_0) = 47.563\cdot 10^9$ световых лет.
Физически это связанно с тем, что за то время, которое свет шел к нам, Вселенная успела расширится. И, следовательно, мы можем видеть значительно дальше, чем возраст Вселенной $ct_U$.

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Timi » 10 май 2011, 12:57

Несколько уточню формулировку результирующего акцента.

И, следовательно, мы можем «видеть» значительно дальше, чем возраст Вселенной $ct_U$.

И даже в этом случае, даже если взять слово видеть в кавычки, то и это так же крайне не корректно.

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Alia » 10 май 2011, 14:22

Timi писал(а): И, следовательно, мы можем «видеть» значительно дальше, чем возраст Вселенной $ct_U$.

И даже в этом случае, даже если взять слово видеть в кавычки, то и это так же крайне не корректно.

Почему, даже если взять слово “видеть” в кавычки, то и это крайне не корректно?

Горизонт частицы в космологии — граница, отделяющая область пространства, к-рую в данный момент может видеть наблюдатель, от области, принципиально для него не наблюдаемой.

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Munin » 10 май 2011, 17:51

Это верно, если сделать акцент на «причнно-связанную». Но видеть вообще мы можем гораздо дальше, чем причинно-связанную область. (Всё это с точки зрения классической космологии, которой вы далее всюду пользуетесь. С этим связана и проблема горизонта классической космологии. Инфляционная космология решает эту проблему, но в ней, соответственно, совершенно иначе выглядит горизонт частиц.)

den писал(а): По определению, горизонт частиц
$$
L_

(t) = a(t)\int\limits_<0>^t\frac.
$$

А вот эта формула к горизонту частиц не подходит, зато совершенно корректно описывает видимую область Вселенной. Дальнейший расчёт, соответственно, тоже требует переименования (но в остальном верен).

Впрочем, есть и другой вариант прочтения ваших формулировок, требующий другой коррекции. Возможно, вы имели в виду именно его. А именно:
«Горизонт частиц, взятый в данный момент , ограничивает область Вселенной, причинно-связанную в данный момент . Наблюдатель может видеть объекты из этой области в прошлом ( когда они ещё не входили в горизонт частиц ). По случайному совпадению , именно эта область ( взятая в разные моменты времени ) есть область, принципально видимая наблюдателем. ( Во Вселенной нефридмановской формы этого совпадения бы не было, и с учётом флуктуаций это совпадение примерное. )»

Тогда формула верна (для горизонта частиц в данный момент).

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Munin » 10 май 2011, 18:00

Alia писал(а): Горизонт частицы в космологии — граница, отделяющая область пространства, к-рую в данный момент может видеть наблюдатель, от области, принципиально для него не наблюдаемой.

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Alia » 10 май 2011, 19:20

Помогите интерпретировать диаграмму.

Красная линия это линия объекта пустившего к нам свет в момент t=0 (мы находимся на левой вертикальной линии). Свет от него по жёлтой линии попал к нам сейчас

13 милли. лет от начала. На момент приёма света от этого объекта расстояние до него

46 миллиардов. свет. лет. Свет от других объектов (линии которых лежат ниже красной линии) мы ещё не видим. Потому что линия ГЧ ещё не пересекла линии этих объектов на момент

13 миллиардов лет.

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Munin » 11 май 2011, 00:44

Начнём с того, что эта диаграмма — самя неудобная для анализа. Самые удобные — остальные, в координатах Comoving Distance / Proper Time и Comoving Distance / Conformal Time. Только на них видна в достаточных подробностях область вокруг начальной точки. Это как переход к более удобной карте у южного полюса.

Итак, присмотримся:

Здесь линии уже не путаются. Горизонт частиц (пространственно-временной) обозрачен пунктиром. Мировая линия объекта, достигшего этого горизонта к настоящему моменту (точнее, горизонт его достиг), которая у вас красная — это правая сплошная вертикальная линия. Наконец, световой конус прошлого от наблюдателя в текущий момент, который у вас жёлтая линия — это тонкая сплошная наклонная линия слева сверху вправо вниз.

Итак. Вопрос в том, что объект — хозяин красной линии одновременно обладает двумя свойствами: он выходит из нижней точки пересечения светового конуса с сингулярностью (на этом рисунке видно всё ещё плохо), и он входит в верхнюю точку пересечения горизонта частиц с текущим моментом. Это совпадение . Почему так? Потому что если бы мы жили на самом деле на этом объекте — хозяине красной линии, картинка бы сдвинулась в симметричное положение. И световой конус, и горизонт частиц — 4-поверхности, распространяющиеся со скоростью света, поэтому бы они перешли одна в другую. (Точнее, линии переходят, на нашем рисунке, а поверхности — нет, из-за ещё двух пространственных измерений: световой конус сходится, а горизонт частиц расходится.) Таким образом, это совпадение из-за того, что Вселенная однородна . В космологии положение об однородности Вселенной вводится в самом начале, перед построением моделей Фридмана, и поэтому всем очень привычно — но на самом деле оно не абсолютно. Оно работает только до тех пор, пока его подтверждают наблюдательные данные. Недавно предлагались другие идеи относительно строения Вселенной в целом: как футбольный мяч (пространство Пуанкаре), как дудочка. Вроде бы, их всех зарезали более точные наблюдения CMB, но всё равно надо помнить, что на чём основано. Стоит Вселенной перекоситься, и совпадения не будет.

Ещё напоследок всё-таки Вселенная в координатах Comoving Distance / Conformal Time (совпадение легко проследить пальцем, хотя вертикальной линии и не нарисовано):

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

onight » 11 май 2011, 09:47

Можно Вас попросить подробнее пояснить проявление однородности Вселенной в данном случае? Что значит одновременно обладать свойствами выходить из нижней точки пересечения светового конуса с сингулярностью и входить в верхнюю точку пересечения горизонта частиц с текущим моментом? Разница во времени между этими событиями 13.75 Млрд. лет. В чем тогда совпадение ? Если бы я жил на объекте-хозяине красной линии, то свет испущенный от меня в направлении Вас был бы для меня горизонтом событий, а для Вас — световым конусом.

Re: Как далеко можно видеть во Вселенной.

Alia » 11 май 2011, 15:16

Кажется нет. Этот свет определял бы для Вас горизонт частиц (в модели однородной вселенной, если я Munin-а правильно поняла).

Пусть здесь линия 0 это Ваша линия.

Источник

Сфера Хаббла и горизонты Вселенной

Наш мир, родившийся в процессе Большого взрыва, и поныне расширяется, а объем разделяющего галактики пространства стремительно увеличивается. Скопления галактик, удаляясь друг от друга, тем не менее остаются устойчивыми образованиями с определенными размерами и стабильной структурой. Да и атомы вовсе не набухают в процессе расширения Вселенной, в отличие от свободно летающих фотонов, увеличивающих свою длину волны в процессе перемещения по расширяющемуся пространству. Куда же ушла энергия реликтовых фотонов? Почему мы можем видеть квазары, удаляющиеся от нас со сверхсветовой скоростью? Что такое темная энергия? Почему доступная нам часть Вселенной все время сокращается? Это лишь часть вопросов, над которыми думают сегодня космологи, стараясь согласовать общую теорию относительности с картиной Мира, наблюдаемой астрономами.

Сфера Хаббла

Согласно закону Хаббла, описывающего расширение Вселенной, радиальные скорости галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом Н₀, который сегодня называется постоянной Хаббла.

Значение Н₀ определяется по наблюдениям галактических объектов, расстояния до которых измерены, главным образом, по ярчайшим звёздам или цефеидам.

Большинство независимых оценок Н₀ дают для этого параметра в настоящее время значение приблизительно около 70 км/с на мегапарсек.

Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью примерно 7000 км/с.

В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.

Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, возраст Вселенной оценивается приблизительно в 13,8 млрд лет.

Относительно центра сферы Хаббла скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее – больше. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом – горизонтом фотонов.

Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае 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 увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.

В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая – в пространстве — времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах.

Горизонт частиц

Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых.

Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной. Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.

Для нерасширяющейся Вселенной размер горизонта частиц растет с возрастом, и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения. Но в расширяющейся Вселенной это не так. Более того, в зависимости от скорости расширения размер горизонта частиц может зависеть от времени, прошедшего с момента начала расширения, по более сложному закону, чем простая пропорциональность. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально ненаблюдаемые, есть процессы принципиально непознаваемые.

Кроме того, размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, две пространственные точки, разделенные расстоянием больше размера горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. В случае, когда размер горизонта частиц стремится к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно-несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо.

Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подтвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время, Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.

Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению – Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 -43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.

Горизонт событий

Горизонт событий – это поверхность в пространстве-времени. Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в замедляющейся Вселенной горизонта событий нет – любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая – модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант – расширение с ускорением.

Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий. Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно – свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий.

Прошлое и будущее

«Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем даже не по собственной инициативе, — рассказывает профессор Вольфганг Риндлер, который до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. — Тогда была в большой моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния — Steady State Cosmology. Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами этой теории и предложил мне разобраться в существе разногласий. Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в результате появилась моя работа о космологических горизонтах.

По словам профессора Риндлера, существует очень понятная интерпретация обоих горизонтов нашего мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, который в пределе сойдется на нашей Галактике, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Напротив, горизонт частиц соответствует световому фронту, испущенному в момент Большого взрыва. Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих нашей Галактики, а горизонт частиц — самым первым. Из такого определения становится понятным, что

горизонт частиц задает максимальное расстояние, с которого в нашу нынешнюю эпоху можно наблюдать произошедшее в прошлом. Горизонт событий, напротив, фиксирует максимальную дистанцию, откуда можно получить информацию о бесконечно отдаленном будущем.

Это действительно два разных горизонта, которые необходимы для полного описания эволюции мироздания».

Источник