Horizonte cosmológico

El horizonte aparece a escala cosmológica

Un horizonte cosmológico es una medida de la distancia desde la cual se podría recuperar información. ^[1] Esta restricción observable se debe a varias propiedades de la relatividad general , el universo en expansión y la física de la cosmología del Big Bang . Los horizontes cosmológicos establecen el tamaño y la escala del universo observable . Este artículo explica varios de estos horizontes.

Horizonte de partículas

El horizonte de partículas, también llamado horizonte cosmológico, horizonte comóvil u horizonte de luz cósmica, es la distancia máxima desde la cual la luz de las partículas podría haber viajado hasta el observador en la edad del universo . Representa el límite entre las regiones observables y no observables del universo, por lo que su distancia en la época actual define el tamaño del universo observable. Debido a la expansión del universo, no es simplemente la edad del universo multiplicada por la velocidad de la luz, como en el horizonte de Hubble, sino más bien la velocidad de la luz multiplicada por el tiempo conforme. La existencia, las propiedades y el significado de un horizonte cosmológico dependen del modelo cosmológico particular.

En términos de distancia comóvil, el horizonte de partículas es igual al tiempo conforme que ha pasado desde el Big Bang, multiplicado por la velocidad de la luz. En general, el tiempo conforme en un momento determinado se da en términos del factor de escala por, o El horizonte de partículas es el límite entre dos regiones en un punto en un momento dado: una región definida por los eventos que ya han sido observados por un observador, y la otra por los eventos que no se pueden observar en ese momento . Representa la distancia más lejana desde la que podemos recuperar información del pasado, y por lo tanto define el universo observable. ^[1] ${\displaystyle a}$ $${\displaystyle \eta (t)=\int _{0}^{t}{\frac {dt'}{a(t')}}}$$ $${\displaystyle \eta (a)=\int _{0}^{a}{\frac {1}{a'H(a')}}{\frac {da'}{a'}}\,.}$$

Horizonte del Hubble

El radio de Hubble, la esfera de Hubble (que no debe confundirse con la burbuja de Hubble ), el volumen de Hubble o el horizonte de Hubble son horizontes conceptuales que definen el límite entre partículas que se mueven más lentas y más rápidas que la velocidad de la luz en relación con un observador en un momento dado. Tenga en cuenta que esto no significa que la partícula no sea observable; la luz del pasado está llegando y seguirá llegando al observador durante un tiempo. Además, lo que es más importante, en los modelos de expansión actuales, la luz emitida desde el radio de Hubble nos llegará en una cantidad finita de tiempo.

Es un error muy común pensar que la luz procedente del radio de Hubble nunca puede llegar hasta nosotros. En los modelos que suponen que la velocidad disminuye con el tiempo (algunos casos del universo de Friedmann ), mientras que las partículas situadas en el radio de Hubble se alejan de nosotros a la velocidad de la luz, el radio de Hubble se hace más grande con el tiempo, por lo que la luz emitida hacia nosotros por una partícula situada en el radio de Hubble estará dentro del radio de Hubble algún tiempo después. En tales modelos, solo la luz emitida desde el horizonte de sucesos cósmico o más allá nunca nos alcanzará en un tiempo finito. ${\displaystyle H}$

La velocidad de Hubble de un objeto está dada por la ley de Hubble , Reemplazando con la velocidad de la luz y resolviendo para la distancia adecuada obtenemos el radio de la esfera de Hubble como En un universo en constante aceleración, si dos partículas están separadas por una distancia mayor que el radio de Hubble, no pueden comunicarse entre sí de ahora en adelante (como lo están ahora, no como lo han estado en el pasado). Sin embargo, si están fuera del horizonte de partículas de la otra, nunca podrían haberse comunicado. ^[2] Dependiendo de la forma de expansión del universo, pueden ser capaces de intercambiar información en el futuro. Hoy, produciendo un horizonte de Hubble de unos 4,1 gigaparsecs. Este horizonte no es realmente un tamaño físico, pero a menudo se utiliza como una escala de longitud útil ya que la mayoría de los tamaños físicos en cosmología se pueden escribir en términos de esos factores. $${\displaystyle v=xH.}$$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle c}$ ${\textstyle x}$ $${\displaystyle r_{\text{HS}}(t)={\frac {c}{H(t)}}\,.}$$ $${\displaystyle r_{\text{HS}}(t_{0})={\frac {c}{H_{0}}}\,,}$$

También se puede definir un horizonte de Hubble comóvil simplemente dividiendo el radio de Hubble por el factor de escala. $${\displaystyle r_{{\text{HS}},\mathrm {comoving} }(t)={\frac {c}{a(t)H(t)}}\,.}$$

Horizonte de eventos

El horizonte de partículas se diferencia del horizonte de sucesos cósmicos en que el horizonte de partículas representa la mayor distancia de comorbilidad desde la que la luz podría haber llegado al observador en un tiempo específico, mientras que el horizonte de sucesos cósmicos es la mayor distancia de comorbilidad desde la que la luz emitida ahora puede llegar al observador en el futuro. ^[3] La distancia actual a nuestro horizonte de sucesos cósmicos es de unos cinco gigaparsecs (16 mil millones de años luz), muy dentro de nuestro rango observable dado por el horizonte de partículas. ^[4]

En general, la distancia adecuada al horizonte de eventos en el tiempo está dada por ^[5] donde es la coordenada temporal del final del universo, que sería infinita en el caso de un universo que se expande para siempre. ${\displaystyle t}$ $${\displaystyle d_{e}(t)=a(t)\int _{t}^{t_{\text{max}}}{\frac {cdt'}{a(t')}}}$$ ${\displaystyle t_{\text{max}}}$

Para nuestro caso, asumiendo que la energía oscura se debe a una constante cosmológica Λ , habrá un parámetro de Hubble mínimo H _e y un horizonte máximo d _e al que a menudo se hace referencia como el único horizonte de partículas: $${\displaystyle \max(d_{e})={\frac {c}{H_{e}}}=c{\sqrt {\frac {3}{\Lambda }}}={\frac {c}{{\sqrt {\Omega _{\Lambda }}}H_{0}}}=17.55\ {\textrm {Gly}}.}$$

El Universo alcanzable en función del tiempo y la distancia, en el contexto del Universo en expansión.

Horizonte futuro

En un universo en aceleración , hay eventos que no serán observables a medida que las señales de eventos futuros se desplazan hacia el rojo a longitudes de onda arbitrarias en el espacio de Sitter en expansión exponencial . Esto establece un límite a la distancia más lejana que posiblemente podamos ver, medida en unidades de distancia adecuada en la actualidad. O, más precisamente, hay eventos que están separados espacialmente para un cierto marco de referencia y que ocurren simultáneamente con el evento que está ocurriendo ahora mismo, para los cuales nunca nos llegará ninguna señal, aunque podamos observar eventos que ocurrieron en la misma ubicación en el espacio que ocurrieron en el pasado distante. ^[6] ${\displaystyle t\rightarrow \infty }$

Aunque sigamos recibiendo señales de este lugar en el espacio, incluso si esperamos una cantidad infinita de tiempo, una señal que partiera de ese lugar hoy nunca nos alcanzará. Las señales que provengan de ese lugar tendrán cada vez menos energía y serán cada vez menos frecuentes hasta que el lugar, a todos los efectos prácticos, se vuelva inobservable. En un universo dominado por la energía oscura que está experimentando una expansión exponencial del factor de escala , todos los objetos que no estén ligados gravitacionalmente con respecto a la Vía Láctea se volverán inobservables, en una versión futurista del universo de Kapteyn . ^[6]

Horizontes prácticos

Aunque técnicamente no son "horizontes" en el sentido de una imposibilidad de observaciones debido a la relatividad o a las soluciones cosmológicas, existen horizontes prácticos que incluyen el horizonte óptico, situado en la superficie de la última dispersión . Esta es la distancia más lejana a la que cualquier fotón puede fluir libremente. De manera similar, existe un "horizonte de neutrinos" establecido para la distancia más lejana a la que un neutrino puede fluir libremente y un horizonte de ondas gravitacionales a la distancia más lejana a la que las ondas gravitacionales pueden fluir libremente . Se predice que este último es una sonda directa del fin de la inflación cósmica .

Véase también

• Matar el horizonte

Referencias

1. Margalef-Bentabol, Berta; Margalef-Bentabol, Juan; Cepa, Jordi (8 de febrero de 2013). "Evolución de los horizontes cosmológicos en un universo con infinitas ecuaciones de estado numerables". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 015. 2013 (2): 015. arXiv : 1302.2186 . Bibcode :2013JCAP...02..015M. doi :10.1088/1475-7516/2013/02/015. ISSN  1475-7516. S2CID  119614479.
2. Dodelson, Scott (2003). Cosmología moderna . San Diego, California: Academic Press . Pág. 146. ISBN. 978-0-12-219141-1.
3. Bergström, L.; Goobar, Ariel (1999). Cosmología y astrofísica de partículas . Serie Wiley-Praxis en astronomía y astrofísica. Chichester; Nueva York: Chichester: Wiley; Praxis Pub. p. 65. ISBN 978-0-471-97041-5.
4. Lineweaver, Charles H.; Davis, Tamara M. (marzo de 2005). "Ideas erróneas sobre el Big Bang". Scientific American . 292 (3): 36–45. Bibcode :2005SciAm.292c..36L. doi :10.1038/scientificamerican0305-36. ISSN  0036-8733.
5. Giovannini, Massimo (2008). Introducción a la física del fondo cósmico de microondas . Singapur; Hackensack, NJ: World Scientific. p. 70. ISBN 978-981-279-142-9.OCLC 191658608  .
6. Krauss, Lawrence M.; Scherrer, Robert J.; Cepa, Jordi (2007). "El retorno de un universo estático y el fin de la cosmología". Relatividad general y gravitación . 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Código Bibliográfico :2007GReGr..39.1545K. doi :10.1007/s10714-007-0472-9. S2CID  123442313.

Enlaces externos

• Klauber, Robert D. (9 de octubre de 2018). "Horizontes en cosmología" (PDF) .