Czas kosmiczny – współrzędna czasowa używana w modelach Wielkiego Wybuchu oraz w kosmologii opartej na metryce Friedmana-Lemaître’a-Robertsona-Walkera. W modelu jednorodnego i izotropowego Wszechświata odpowiada czasowi własnemu obserwatora współporuszającego się ze średnim rozkładem materii. Dzięki temu pozwala opisywać ewolucję Wszechświata za pomocą jednej wyróżnionej skali czasu, choć pojęcie to ma sens tylko w obrębie odpowiedniego modelu kosmologicznego.
Definicja W kosmologii relatywistycznej czas kosmiczny oznacza zwykle parametr , którym opisuje się rozwój modeli FLRW. Jest on mierzony przez zegary poruszające się zgodnie z ekspansją Wszechświata, czyli wraz ze średnim rozkładem materii, bez osobliwej prędkości względem tego tła, w współrzędnych współporuszających się. Dla danego czasu kosmicznego model przypisuje całemu Wszechświatowi ten sam parametr skali, tę samą średnią gęstość oraz ten sam stan ekspansji.
W takim ujęciu początek skali czasu bywa utożsamiany z początkiem ekspansji, a wiek Wszechświata w danej chwili można traktować jako czas kosmiczny, jaki upłynął od Wielkiego Wybuchu dla obserwatora współporuszającego się z materią kosmiczną.
Tło relatywistyczne W szczególnej teorii względności nie istnieje absolutna jednoczesność zdarzeń, a w ogólnej teorii względności nie ma na ogół jednej uniwersalnej skali czasu dla wszystkich obserwatorów. W kosmologii sytuację upraszcza jednak zasada kosmologiczna, zgodnie z którą w dużej skali Wszechświat można opisywać jako jednorodny i izotropowy. W takim modelu światlinie obserwatorów współporuszających się z ekspansją wyznaczają naturalny sposób foliacji czasoprzestrzeni na powierzchnie stałego czasu kosmicznego.
Czas kosmiczny nie jest więc powrotem do klasycznego czasu absolutnego, lecz szczególną współrzędną wyróżnioną przez przyjęty model kosmologiczny i przez średni ruch materii we Wszechświecie. W literaturze filozofii fizyki podkreśla się zarazem, że sensowność tego pojęcia zależy od idealizacji stosowanych w kosmologii relatywistycznej i od fizycznej możliwości wyróżnienia klasy obserwatorów współporuszających się.
Zastosowanie w kosmologii obserwacyjnej Czas kosmiczny jest używany przy opisie wieku Wszechświata, przesunięcia ku czerwieni oraz tzw. czasu spojrzenia wstecz, czyli różnicy między obecnym wiekiem Wszechświata a jego wiekiem w chwili emisji obserwowanego promieniowania. W praktyce obserwacje astronomiczne podaje się najczęściej przez przesunięcie ku czerwieni, a odpowiadający mu czas kosmiczny wyznacza się w ramach konkretnego modelu kosmologicznego. Współczesna kosmologia standardowa, oparta na modelu Λ-CDM, szeroko wykorzystuje czas kosmiczny jako podstawowy parametr opisu ewolucji Wszechświata.
Czas spojrzenia wstecz i wiek Wszechświata Wartość czasu kosmicznego dla odległego źródła można wyrazić albo względem chwili obecnej jako czas spojrzenia wstecz (ang. lookback time), albo względem Wielkiego Wybuchu jako wiek Wszechświata w chwili emisji obserwowanego fotonu. Jeżeli oznacza obecny wiek Wszechświata, a jego wiek w chwili emisji, to czas spojrzenia wstecz wynosi
gdzie czas Hubble’a dany jest wzorem
a dla modelu zawierającego materię, krzywiznę przestrzenną i stałą kosmologiczną, z pominięciem wkładu promieniowania, funkcja ekspansji może być zapisana jako
.
Jeśli zamiast czasu spojrzenia wstecz używa się wieku Wszechświata w epoce emisji, otrzymuje się
tak że dla każdego zachodzi zależność
.
Związek z przesunięciem ku czerwieni W modelach FLRW przesunięcie ku czerwieni wiąże się z parametrem skali zależnością
a zatem może pełnić rolę parametru zastępującego czas w opisie ewolucji kosmicznej. Równoważnie można pisać
co pokazuje, że przeliczenie przesunięcia ku czerwieni na czas kosmiczny zależy od przyjętego modelu kosmologicznego i jego parametrów. W epoce, w której w dynamice ekspansji dominuje materia, a wkład promieniowania, krzywizny i stałej kosmologicznej można pominąć, otrzymuje się przybliżenie
a dla często zapisuje się je w postaci proporcjonalnej do .
Ograniczenia Pojęcie czasu kosmicznego zakłada, że średni rozkład materii oraz ekspansję Wszechświata można opisać w sposób wystarczająco gładki i jednorodny. W skalach lokalnych rzeczywisty Wszechświat nie jest idealnie jednorodny, dlatego czas kosmiczny ma charakter modelowy, a nie bezpośrednio lokalny.
W kosmologii używa się też czasu konforemnego, który jest wygodny przy opisie propagacji światła i struktury przyczynowej czasoprzestrzeni, ale nie odpowiada bezpośrednio czasowi odmierzanemu przez zegary obserwatorów współporuszających się z materią. Z tego względu nie należy utożsamiać go z czasem kosmicznym, choć obie wielkości są definiowane w tych samych modelach FLRW.
Dodatkowo fizyczna interpretacja czasu kosmicznego staje się problematyczna dla bardzo wczesnych epok ewolucji Wszechświata, w których zwykłe pojęcia masy, zegara lub trajektorii współporuszającej się tracą prostą interpretację fizyczną.
Zobacz też Współrzędne współporuszające się Metryka Friedmana-Lemaître’a-Robertsona-Walkera Równania Friedmana
Przypisy
Kategoria:Czas Kategoria:Kosmologia fizyczna