Horizontproblem - Horizon problem

Als wir im Blick CMB kommt es von 46 Milliarden comoving Lichtjahre entfernt. Als das Licht emittiert wurde, war das Universum jedoch viel jünger (300.000 Jahre alt). In dieser Zeit hätte das Licht nur bis zu den kleineren Kreisen gereicht. Die beiden im Diagramm angegebenen Punkte hätten sich nicht berühren können, da sich ihre Kausalitätsbereiche nicht überlappen.

Das Horizontproblem (auch als Homogenitätsproblem bekannt ) ist ein kosmologisches Feinabstimmungsproblem innerhalb des Urknallmodells des Universums . Dies ergibt sich aus der Schwierigkeit, die beobachtete Homogenität von kausal getrennten Regionen des Raums zu erklären, wenn kein Mechanismus vorhanden ist, der überall die gleichen Anfangsbedingungen festlegt. Es wurde erstmals 1956 von Wolfgang Rindler darauf hingewiesen .

Die am häufigsten akzeptierte Lösung ist die kosmische Inflation . Eine Erklärung hinsichtlich der variablen Lichtgeschwindigkeit wurde ebenfalls vorgeschlagen.

Hintergrund

Astronomische Entfernungen und Teilchenhorizonte

Die Entfernungen beobachtbarer Objekte am Nachthimmel entsprechen den Zeiten in der Vergangenheit. Wir verwenden das Lichtjahr (die Entfernung, die das Licht in der Zeit eines Erdjahres zurücklegen kann), um diese kosmologischen Entfernungen zu beschreiben. Eine mit zehn Milliarden Lichtjahren gemessene Galaxie erscheint uns wie vor zehn Milliarden Jahren, weil das Licht so lange gebraucht hat, um zum Betrachter zu gelangen. Wenn man eine zehn Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie in eine Richtung und eine andere in die entgegengesetzte Richtung betrachtet, beträgt der Gesamtabstand zwischen ihnen zwanzig Milliarden Lichtjahre. Dies bedeutet, dass das Licht des ersten noch nicht das zweite erreicht hat, da das Universum nur etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist. Im Allgemeinen gibt es Teile des Universums, die für uns sichtbar, aber für einander unsichtbar sind, außerhalb der jeweiligen Teilchenhorizonte des jeweils anderen .

Kausale Informationsverbreitung

In anerkannten relativistischen physikalischen Theorien kann sich keine Information schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen . In diesem Zusammenhang bedeutet "Information" "jede Art von physischer Interaktion". Beispielsweise fließt Wärme auf natürliche Weise von einem heißeren zu einem kühleren Bereich, und physikalisch gesehen ist dies ein Beispiel für den Informationsaustausch. In dem obigen Beispiel können die beiden fraglichen Galaxien keinerlei Informationen ausgetauscht haben. Sie stehen nicht in kausalem Kontakt . Ohne gemeinsame Anfangsbedingungen würde man dann erwarten, dass ihre physikalischen Eigenschaften unterschiedlich sind und allgemeiner, dass das Universum als Ganzes unterschiedliche Eigenschaften in kausal getrennten Regionen haben würde.

Horizontproblem

Entgegen dieser Erwartung zeigen die Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) und der Galaxienuntersuchungen , dass das beobachtbare Universum nahezu isotrop ist , was nach dem kopernikanischen Prinzip auch Homogenität impliziert . CMB-Himmelsuntersuchungen zeigen, dass die Temperaturen des CMB auf ein Niveau koordiniert sind, bei dem die Differenz zwischen der beobachteten Temperatur in einer Region des Himmels und der Durchschnittstemperatur des Himmels liegt . Diese Koordination impliziert, dass der gesamte Himmel und damit das gesamte beobachtbare Universum lange genug kausal miteinander verbunden sein muss , damit das Universum in ein thermisches Gleichgewicht kommt. ${\ displaystyle \ Delta T / T \ ca. 10 ^ {- 5},}$${\ displaystyle \ Delta T}$${\ displaystyle T}$

Nach dem Urknallmodell erreichte die Dichte des expandierenden Universums schließlich eine Temperatur, bei der Photonen aus dem thermischen Gleichgewicht mit Materie fielen . Sie entkoppelten sich vom Elektronen-Protonen- Plasma und strömten frei durch das Universum. Dieser Zeitpunkt wird als die Epoche der Rekombination bezeichnet , in der Elektronen und Protonen unter Bildung von elektrisch neutralem Wasserstoff gebunden wurden. Ohne freie Elektronen, um die Photonen zu streuen, begannen die Photonen frei zu strömen. Sie werden jetzt als CMB beobachtet. Diese Epoche wird durch die CMB beobachtet. Da wir den CMB als Hintergrund für Objekte mit einer geringeren Rotverschiebung betrachten, beschreiben wir diese Epoche als den Übergang des Universums von undurchsichtig zu transparent. Der CMB beschreibt physikalisch die 'Oberfläche der letzten Streuung', wie sie uns als Oberfläche oder Hintergrund erscheint, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Beachten Sie, dass wir in den folgenden Diagrammen die konforme Zeit verwenden . Die konforme Zeit beschreibt die Zeit, die ein Photon benötigt, um vom Ort des Beobachters zur weitesten beobachtbaren Entfernung zu gelangen (wenn sich das Universum jetzt nicht mehr ausdehnt).

Der blaue Kreis ist die CMB-Oberfläche, die wir zum Zeitpunkt der letzten Streuung beobachten. Die gelben Linien beschreiben, wie Photonen vor der Rekombinationsepoche gestreut wurden und danach frei strömten. Der Beobachter sitzt derzeit in der Mitte. Als Referenz .

Es wird angenommen, dass die Entkopplung oder die letzte Streuung etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall oder bei einer Rotverschiebung von etwa 300.000 stattgefunden hat . Wir können sowohl den ungefähren Winkeldurchmesser des Universums als auch die physikalische Größe des zu diesem Zeitpunkt existierenden Teilchenhorizonts bestimmen. ${\ displaystyle z_ {rec} \ ca. 1100}$

Der Winkeldurchmesserabstand in Bezug auf die Rotverschiebung z wird durch beschrieben . Wenn wir dann eine flache Kosmologie annehmen , ${\ displaystyle d_ {A} (z) = r (z) / (1 + z)}$

${\ displaystyle r (z) = \ int \ Grenzen _ {t_ {em}} ^ {t_ {0}} dt / a (t) = \ int \ Grenzen _ {a_ {em}} ^ {1} da / a ^ {2} H (a) = \ int \ begrenzt _ {0} ^ {z} dz / H (z).}$

Die Epoche der Rekombination ereignete sich während einer von Materie dominierten Ära des Universums, so dass wir H (z) als Zusammensetzen approximieren können. Wir sehen, dass der Winkeldurchmesserabstand oder die Größe des beobachtbaren Universums für eine Rotverschiebung beträgt: ${\ displaystyle H ^ {2} (z) \ approx \ Omega _ {m} H_ {0} ^ {2} (1 + z) ^ {3}.}$${\ displaystyle z_ {rec} \ ca. 1100}$

${\ displaystyle r (z) = \ int \ begrenzt _ {0} ^ {z} dz / H (z) = {\ frac {1} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0} }} \ int \ limitiert _ {0} ^ {z} dz / (1 + z) ^ {3/2} = {\ frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0 }}} (1 - {\ frac {1} {\ sqrt {1 + z}}})}$ .

Da können wir uns annähern , ${\ displaystyle z \ gg 1}$${\ displaystyle r (z) \ approx {\ frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0}}}}$

${\ displaystyle d_ {A} (z) \ approx {\ frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0}}} / (1 + z)}$

${\ displaystyle d_ {A} (1100) \ ca. 14 \ Mpc}$

Der Teilchenhorizont beschreibt die maximale Entfernung, die Lichtteilchen angesichts des Alters des Universums zum Betrachter zurückgelegt haben könnten. Wir können die kommende Entfernung für das Alter des Universums zum Zeitpunkt der Rekombination unter Verwendung von r (z) von früher bestimmen,

${\ Anzeigestil d_ {hor, rec} (z) = \ int \ Grenzen _ {0} ^ {t (z)} dt / a (t) = \ int \ Grenzen _ {z} ^ {\ infty} dz / H (z) \ ungefähr {\ frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0}}} \ left [{\ frac {1} {\ sqrt {1 + z}}} \ right] _ {z} ^ {\ infty} \ approx {\ frac {2} {{\ sqrt {\ Omega _ {m}}} H_ {0}}} {\ frac {1} {\ sqrt {1 + z}}}}$

Dieses Raumzeitdiagramm zeigt, wie sich die Lichtkegel für zwei Lichtteilchen, die zum Zeitpunkt der letzten Streuung (ls) in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet waren, nicht schneiden (dh sie sind kausal getrennt). Die horizontale Achse ist die Entfernung, die vertikale Achse ist die konforme Zeit und die Einheiten haben die Lichtgeschwindigkeit als 1. Als Referenz .

Um die physikalische Größe des Partikelhorizonts zu erhalten , ${\ displaystyle D}$

${\ Anzeigestil D (z) = a (z) d_ {hor, rec} = d_ {hor, rec} (z) / (1 + z)}$

${\ displaystyle D (1100) \ ca. 0,03 \ ca. 2 \ Grad}$

Wir würden erwarten, dass jeder Bereich des CMB innerhalb von 2 Grad Winkelabstand in kausalem Kontakt war, aber in jedem Maßstab größer als 2 ° sollte kein Informationsaustausch stattgefunden haben.

CMB-Regionen, die um mehr als 2 ° voneinander getrennt sind, liegen außerhalb des Partikelhorizonts des anderen und sind kausal voneinander getrennt. Das Horizontproblem beschreibt die Tatsache, dass wir eine Isotropie der CMB-Temperatur über den gesamten Himmel sehen, obwohl der gesamte Himmel nicht in kausalem Kontakt steht, um ein thermisches Gleichgewicht herzustellen. Eine Visualisierung dieses Problems finden Sie im Zeitdiagramm rechts.

Wenn das Universum mit sogar geringfügig unterschiedlichen Temperaturen an verschiedenen Orten begann, sollte der CMB nicht isotrop sein, es sei denn, es gibt einen Mechanismus, der die Temperatur zum Zeitpunkt der Entkopplung ausgleicht. In Wirklichkeit hat die CMB die gleiche Temperatur im gesamten Himmel, 2,726 ± 0,001 K .

Inflationsmodell

Dieses Raumzeitdiagramm zeigt, wie das Aufblasen die Lichtkegel für zwei Lichtteilchen verändert, die zum Zeitpunkt der letzten Streuung (ls) einen gewissen Abstand voneinander haben, damit sie sich schneiden können. In diesem Szenario stehen sie in kausalem Kontakt und können Informationen miteinander austauschen. Die horizontale Achse ist die Entfernung, die vertikale Achse ist die konforme Zeit und die Einheiten haben die Lichtgeschwindigkeit als 1. Als Referenz .

Die Theorie der kosmischen Inflation hat versucht, das Problem zu lösen, indem sie eine exponentielle Expansionsperiode von 10 bis ³² Sekunden in der ersten Sekunde der Geschichte des Universums aufgrund einer Skalarfeldwechselwirkung postulierte. Nach dem Inflationsmodell vergrößerte sich das Universum um einen Faktor von mehr als 10 ²² aus einer kleinen und kausal verbundenen Region im nahezu Gleichgewicht. Die Inflation erweiterte dann das Universum schnell und isolierte nahe gelegene Regionen der Raumzeit, indem sie über die Grenzen des kausalen Kontakts hinaus wuchs und die Gleichmäßigkeit in großen Entfernungen effektiv "einschließt". Im Wesentlichen legt das Inflationsmodell nahe, dass das Universum im sehr frühen Universum vollständig in kausalem Kontakt stand. Die Inflation erweitert dieses Universum dann um ungefähr 60 E-Faltungen (der Skalierungsfaktor a erhöht sich um e60). Wir beobachten die CMB, nachdem die Inflation in sehr großem Umfang stattgefunden hat. Aufgrund der raschen Expansion durch Inflation blieb das thermische Gleichgewicht auf dieser Größe erhalten.

Eine Folge der kosmischen Inflation ist, dass die Anistropien im Urknall aufgrund von Quantenfluktuationen reduziert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Temperaturunterschiede des kosmischen Hintergrunds werden durch kosmische Inflation ausgeglichen, existieren aber immer noch. Die Theorie sagt ein Spektrum für die Anisotropien im Mikrowellenhintergrund voraus, das größtenteils mit Beobachtungen von WMAP und COBE übereinstimmt .

Die Schwerkraft allein kann jedoch ausreichen, um diese Homogenität zu erklären.

Theorien zur variablen Lichtgeschwindigkeit

Kosmologische Modelle mit variabler Lichtgeschwindigkeit wurden vorgeschlagen, um das Horizontproblem der kosmischen Inflation zu lösen und eine Alternative zur kosmischen Inflation bereitzustellen . In den VSL-Modellen ist die Grundkonstante c , die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bezeichnet, im frühen Universum größer als ihr gegenwärtiger Wert, wodurch der Partikelhorizont zum Zeitpunkt der Entkopplung effektiv ausreichend vergrößert wird , um die beobachtete Isotropie des CMB zu berücksichtigen.

Siehe auch

• Ebenheitsproblem
• Magnetischer Monopol

Verweise

Externe Links

• Verschiedene Horizonte in der Kosmologie