El horizonte de partículas (también llamado horizonte cosmológico , horizonte comovivo (en el texto de Dodelson) o horizonte de luz cósmica ) es la distancia máxima desde la cual la luz de las partículas podría haber viajado al observador en la era del universo . Al igual que el concepto de horizonte terrestre , representa el límite entre las regiones observables y no observables del universo, [1] por lo que su distancia en la época actual define el tamaño del universo observable . [2] Debido a la expansión del universo, no es simplemente elLa edad del universo multiplicada por la velocidad de la luz (aproximadamente 13,8 mil millones de años luz), sino más bien la velocidad de la luz multiplicada por el tiempo conforme. La existencia, propiedades y significado de un horizonte cosmológico dependen del modelo cosmológico particular .
El tiempo conformal y el horizonte de partículas
En términos de distancia comoviente , 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 es dado por
dónde es el factor de escala de la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , y hemos considerado que el Big Bang está en. Por convención, un subíndice 0 indica "hoy", de modo que el tiempo conforme hoy. Tenga en cuenta que el tiempo conforme no es la edad del universo , que se estima alrededor de. Más bien, el tiempo conforme es la cantidad de tiempo que le tomaría a un fotón viajar desde donde estamos ubicados hasta la distancia observable más lejana, siempre que el universo dejara de expandirse. Como tal,no es un momento físicamente significativo (este tiempo aún no ha pasado); aunque, como veremos, el horizonte de partículas con el que está asociado es una distancia conceptualmente significativa.
El horizonte de partículas retrocede constantemente a medida que pasa el tiempo y crece el tiempo conforme. Como tal, el tamaño observado del universo siempre aumenta. [1] [3] Dado que la distancia adecuada en un momento dado es simplemente la distancia comanditaria multiplicada por el factor de escala [4] (con la distancia comanditaria normalmente definida como igual a la distancia adecuada en el momento actual, entonces en la actualidad), la distancia adecuada al horizonte de partículas en el momento viene dado por [5]
y por hoy
Evolución del horizonte de partículas
En esta sección consideramos el modelo cosmológico FLRW . En ese contexto, el universo se puede aproximar como compuesto por componentes que no interactúan, siendo cada uno un fluido perfecto con densidad., presión parcial y ecuación de estado , de modo que se sumen a la densidad total y presión total . [6] Definamos ahora las siguientes funciones:
- Función de Hubble
- La densidad crítica
- La i -ésima densidad de energía adimensional
- La densidad de energía adimensional
- El corrimiento al rojo dado por la fórmula
Cualquier función con un subíndice cero denota la función evaluada en el momento actual (o equivalente ). El último término puede tomarse comoincluyendo la ecuación del estado de curvatura. [7] Se puede probar que la función de Hubble está dada por
dónde . Nótese que la suma abarca todos los constituyentes parciales posibles y, en particular, puede haber infinitos numerables. Con esta notación tenemos: [7]
dónde es el mas grande (posiblemente infinito). La evolución del horizonte de partículas para un universo en expansión () es: [7]
dónde es la velocidad de la luz y puede tomarse como (unidades naturales). Observe que la derivada se realiza con respecto al tiempo FLRW, mientras que las funciones se evalúan en el corrimiento al rojo que están relacionados como se indicó anteriormente. Tenemos un resultado análogo pero ligeramente diferente para el horizonte de eventos .
Problema del horizonte
El concepto de horizonte de partículas se puede utilizar para ilustrar el famoso problema del horizonte, que es un tema sin resolver asociado con el modelo del Big Bang . Extrapolando al momento de la recombinación cuando se emitió el fondo cósmico de microondas (CMB), obtenemos un horizonte de partículas de aproximadamente
que corresponde a un tamaño adecuado en ese momento de:
Dado que observamos que el CMB se emite esencialmente desde nuestro horizonte de partículas (), nuestra expectativa es que partes del fondo cósmico de microondas (CMB) que están separadas por una fracción de un gran círculo en el cielo de
(un tamaño angular de) [8] deben estar fuera de contacto causal entre sí. Que todo el CMB esté en equilibrio térmico y se aproxime tan bien a un cuerpo negro, por lo tanto, no se explica por las explicaciones estándar sobre la forma en que procede la expansión del universo . La solución más popular a este problema es la inflación cósmica .
Ver también
Referencias
- ↑ a b Edward Robert Harrison (2000). Cosmología: la ciencia del universo . Prensa de la Universidad de Cambridge . págs. 447–. ISBN 978-0-521-66148-5. Consultado el 1 de mayo de 2011 .
- ^ Andrew R. Liddle; David Hilary Lyth (13 de abril de 2000). Inflación cosmológica y estructura a gran escala . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 24–. ISBN 978-0-521-57598-0. Consultado el 1 de mayo de 2011 .
- ^ Michael Paul Hobson; George Efstathiou; Anthony N. Lasenby (2006). Relatividad general: una introducción para físicos . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 419–. ISBN 978-0-521-82951-9. Consultado el 1 de mayo de 2011 .
- ^ Davis, Tamara M .; Charles H. Lineweaver (2004). "Expansión de la confusión: conceptos erróneos comunes de los horizontes cosmológicos y la expansión superluminal del universo". Publicaciones de la Sociedad Astronómica de Australia . 21 (1): 97. arXiv : astro-ph / 0310808 . Código bibliográfico : 2004PASA ... 21 ... 97D . doi : 10.1071 / AS03040 . S2CID 13068122 .
- ^ Massimo Giovannini (2008). Una introducción a la física del fondo cósmico de microondas . World Scientific . págs. 70 -. ISBN 978-981-279-142-9. Consultado el 1 de mayo de 2011 .
- ^ Berta Margalef-Bentabol; Juan Margalef-Bentabol; Jordi Cepa (21 de diciembre de 2012). "Evolución de los horizontes cosmológicos en un universo de concordancia". Revista de cosmología y física de astropartículas . 2012 (12): 035. arXiv : 1302.1609 . Código bibliográfico : 2012JCAP ... 12..035M . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2012/12/035 . S2CID 119704554 .
- ^ a b c Berta Margalef-Bentabol; Juan Margalef-Bentabol; Jordi Cepa (8 de febrero de 2013). "Evolución de los horizontes cosmológicos en un universo con un número infinito de ecuaciones de estado". Revista de cosmología y física de astropartículas . 015. 2013 (2): 015. arXiv : 1302.2186 . Código bibliográfico : 2013JCAP ... 02..015M . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2013/02/015 . S2CID 119614479 .
- ^ "Comprensión del espectro de potencia de temperatura de fondo de microondas cósmico" (PDF) . Consultado el 5 de noviembre de 2015 .