宇宙の地平線

宇宙の地平線は、3次元空間における2つの境界、粒子の地平線または事象の地平線のいずれかです。粒子の地平線は、光が観測できないほど遠い点から観測者に向かって進む光が到達する点に空間を分割します。粒子の地平線は観測可能な宇宙の境界です。事象の地平線には、すべての将来の観測可能性が含まれます。事象の地平線の外側の点は決して観測できません。事象の地平線は、すべての将来の観測可能な宇宙の境界です。^{[1]これらの境界は、}一般相対性理論、膨張宇宙、 そしてビッグバン 宇宙論の物理学の結果です

粒子の地平線

粒子地平線は、共動粒子地平線とも呼ばれ、^[2]宇宙の年齢において、粒子からの光が観測者まで到達できた最大距離です。これは宇宙の観測可能な領域と観測不可能な領域の境界を表しており、現時点におけるその距離が観測可能な宇宙の大きさを定義します。宇宙学者が「地平線」と言うとき、ほとんどの場合、粒子地平線を意味します。^[3]

空で均質かつ等方的な宇宙では、時刻tにおける地平線までの適切な距離は、 Rが長さの次元を持つ宇宙論的スケール係数 である。^{[4] : 36}$${\displaystyle d_{H}(t)=R(t)\int _{0}^{t}{\frac {dt'}{R(t')}}}$$

共動距離の観点から見ると、粒子の地平線はビッグバンから経過した共形時間に光速を掛けたものに等しい。一般に、ある時点における共形時間は、正規化された^{[3] : 75} スケール係数で与えられる。 ${\displaystyle a=R(t)/R(t=0)}$ $${\displaystyle \eta(t)=\int_{0}^{t}{\frac{dt'}{a(t')}}}$$

粒子地平とは、ある時点におけるある点における二つの領域の境界である。一方の領域は観測者によって既に観測された事象によって定義され、もう一方の領域は、その時点では観測できない事象によって定義される。これは、私たちが過去から情報を取得できる最遠距離を表し、観測可能な宇宙を定義する。^[1]

事象の地平線

宇宙の進化と、共動距離におけるその地平線。X軸は距離（数十億光年）、Y軸は時間（ビッグバンからの数十億年）です。この宇宙モデルには、ある時点以降に加速膨張を引き起こすダークエネルギーが含まれており、その結果、私たちがその先を見ることのできない事象の地平線が生まれます。

粒子の地平線は宇宙の事象の地平線とは異なり、粒子の地平線は特定の時間までに光が観測者に到達できる最大の共動距離を表すのに対し、宇宙の事象の地平線は現在放射された光が将来観測者に到達する可能性のある最大の共動距離です。^[5]現在、宇宙の事象の地平線までの距離は約5ギガパーセク（160億光年）で、粒子の地平線によって示される観測可能範囲内にあります。^[6]

一般に、ある時点における事象の地平線までの適切な距離は^[7]で与えられ、 ここでは宇宙の終わりの時間座標であり、永遠に膨張する宇宙の場合には無限大となる。 ${\displaystyle t}$ $${\displaystyle d_{e}(t)=a(t)\int _{t}^{t_{\text{max}}}{\frac {cdt'}{a(t')}}}$$ ${\displaystyle t_{\text{max}}}$

私たちの場合、暗黒エネルギーが宇宙定数 Λによるものであると仮定すると、最小のハッブルパラメータH _eと、唯一の粒子地平線と呼ばれる 最大の地平線d _{e が存在することになります。}$${\displaystyle \max(d_{e})={\frac {c}{H_{e}}}=c{\sqrt {\frac {3}{\Lambda }}}={\frac {c}{{\sqrt {\Omega _{\Lambda }}}H_{0}}}=17.55\ {\textrm {Gly}}.}$$

未来の地平線

現在の宇宙論におけるコンコーダンスモデル、あるいはラムダCDMモデルは、加速膨張宇宙に基づいています。このモデルを遠い未来に外挿すると、私たちの天の川銀河のみからなる宇宙が予測されます。遠方の銀河からの光は赤方偏移が大きく、見えなくなります。したがって、粒子地平線を含む宇宙論の観測的証拠は検証不可能となります。^[8]

その他の地平線

相対性理論や宇宙論的解によって観測が不可能という意味での「地平線」ではありませんが、最終散乱面に設定される光学地平線を含む実用的な地平線が存在します。これは、光子が自由に流れることができる最遠距離です。^[2]ハッブル球は「光子地平線」とも呼ばれます。^{[  9]同様に、}ニュートリノが自由に流れることができる最遠距離に設定される「ニュートリノ地平線」と、重力波が自由に流れることができる最遠距離に設定される重力波地平線があります。 後者は、宇宙インフレーションの終焉を直接示すものになると予測されています

歴史

宇宙の地平線の性質は、 1956年にヴォルフガング・リンドラーによって明らかにされました。彼は、超新星のような瞬間的な出来事と世界線、光のような一連の出来事と銀河のような永続的な物体を区別しました。世界線の振る舞いは、観測可能な宇宙と観測不可能な宇宙を区別する基礎となりました。^{[9] : 438}

参照

• キリング・ホライズン

参考文献

1. Margalef-Bentabol, Berta; Margalef-Bentabol, Juan; Cepa, Jordi (2013年2月8日). 「可算無限個状態方程式を持つ宇宙における宇宙論的地平線の進化」. 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. Re Fiorentin, Michele; Re Fiorentin, Stefano (2023年8月1日). 「宇宙の地平線」. American Journal of Physics . 91 (8): 644– 652. arXiv : 2507.09322 . doi :10.1119/5.0127840. ISSN  0002-9505.
3. ピーコック, JA (1998-12-28). 宇宙物理学（第1版）. ケンブリッジ大学出版局. doi :10.1017/cbo9780511804533. ISBN 978-0-521-41072-4。
4. コルブ、エドワード、ターナー、マイケル・S. (2018). 『初期宇宙』ボルダー：チャップマン・アンド・ホール/CRC. ISBN 978-0-201-62674-2。
5. ベルグストローム、L.; グーバー、アリエル (1999).宇宙論と粒子天体物理学. Wiley-Praxisシリーズ天文学と天体物理学. チチェスター; ニューヨーク: チチェスター: Wiley; Praxis Pub. p. 65. ISBN 978-0-471-97041-5。
6. ラインウィーバー、チャールズ・H.；デイビス、タマラ・M.（2005年3月）「ビッグバンに関する誤解」サイエンティフィック・アメリカン292 ( 3): 36–45 .書誌コード:2005SciAm.292c..36L. doi :10.1038/scientificamerican0305-36. ISSN  0036-8733
7. ジョヴァンニーニ、マッシモ (2008). 『宇宙マイクロ波背景放射の物理学入門』シンガポール; ハッケンサック、ニュージャージー州: ワールドサイエンティフィック. p. 70. ISBN 978-981-279-142-9 OCLC  191658608
8. Krauss, Lawrence M.; Scherrer, Robert J.; Cepa, Jordi (2007). 「静的宇宙の回帰と宇宙論の終焉」.一般相対性理論と重力. 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Bibcode :2007GReGr..39.1545K. doi :10.1007/s10714-007-0472-9. S2CID  123442313.
9. ハリソン, エドワード (2000-03-16). 『宇宙論：宇宙の科学』（第2版）. ケンブリッジ大学出版局. doi :10.1017/cbo9780511804540. ISBN 978-0-521-66148-5。