En astrofísica, un horitzó d'esdeveniments és un límit més enllà del qual els esdeveniments no poden afectar un observador. Wolfgang Rindler va encunyar el terme a la dècada del 1950.
L'horitzó d'esdeveniments és una frontera en l'espaitemps per a un observador determinat, més enllà de la qual cap informació, llum inclosa, pot arribar-hi. L'exemple més famós n'és el del forat negre, el qual, per a un observador distant i estacionari (com algú que es troba a la Terra), està envoltat per un horitzó d'esdeveniments. N'és una superfície esfèrica que es troba al radi de Schwarzschild (també anomenat radi gravitacional o radi d'un forat negre).
El 1784, John Michell va proposar que la gravetat pot ser prou forta a les proximitats d'objectes compactes massius que ni tan sols la llum no pot escapar. En aquella època dominaven la teoria newtoniana de la gravitació i l'anomenada teoria corpuscular de la llum. En aquestes teories, si la velocitat d'escapament de la influència gravitatòria d'un objecte massiu supera la velocitat de la llum, aleshores la llum que s'origina dins o des d'aquest pot escapar temporalment, però tornarà. L'any 1958, David Finkelstein va utilitzar la relativitat general per introduir una definició més estricta d'un horitzó d'esdeveniments de forat negre local com un límit més enllà del qual cap tipus d'esdeveniments no poden afectar un observador extern, donant lloc a paradoxes d'informació i tallafocs, fomentant el reexamen del concepte. dels horitzons d'esdeveniments locals i la noció de forats negres. Posteriorment es van desenvolupar diverses teories, algunes amb i altres sense horitzons d'esdeveniments. Un dels principals desenvolupadors de teories per descriure els forats negres, Stephen Hawking, va suggerir que s'hauria d'utilitzar un horitzó aparent en lloc d'un horitzó d'esdeveniments, dient: «El col·lapse gravitacional produeix horitzons aparents però no horitzons d'esdeveniments». Finalment, va concloure que «l'absència d'horitzons d'esdeveniments significa que no hi ha forats negres, en el sentit de règims dels quals la llum no pot escapar a l'infinit». Qualsevol objecte que s'apropi a l'horitzó des del costat de l'observador sembla que s'alentirà, sense creuar mai l'horitzó. A causa del desplaçament cap al vermell gravitacional, la seva imatge s'envermelleix amb el temps a mesura que l'objecte s'allunya de l'observador. La llum emesa des de dintre de l'horitzó d'esdeveniments mai arribarà a l'observador estacionari que està fora de l'horitzó, per això el nom de forat negre.
S'ha d'advertir la dependència de l'observador en el concepte d'horitzó d'esdeveniments. Per exemple, un observador en caiguda lliure cap a un forat negre no experimenta un horitzó d'esdeveniments. L'horitzó d'esdeveniments per a un observador que està a la part de fora realment actua com un horitzó, és a dir, veu com s'aproxima a l'horitzó un objecte que cau, però quan hauria d'arribar-hi, no ho fa. Segons les seues observacions, l'objecte va cada vegada més a poc a poc cap a l'horitzó, al mateix temps que es fa de color roig cada vegada més. A més, la intensitat de l'objecte que cau ràpidament es fa zero. En un temps finit, l'observador extern rebrà l'últim fotó de l'objecte que cau. Mai no tornarà a veure com l'objecte passa a través de l'horitzó d'esdeveniments.
En un Univers en expansió, la velocitat d'expansió arriba (i fins i tot supera) la velocitat de la llum, evitant que els senyals viatgin a algunes regions. Un horitzó d'esdeveniments còsmic és un horitzó d'esdeveniments real perquè afecta tot tipus de senyals, incloses les ones gravitatòries, que viatgen a la velocitat de la llum.
Els tipus d'horitzó més específics inclouen els horitzons absoluts i aparents relacionats però diferents que es troben al voltant d'un forat negre. Altres tipus diferents inclouen: Els horitzons de Cauchy i Killing. Les esferes de fotons i les ergosferes de la solució de Kerr. Horitzons de partícules i cosmològics rellevants per a la cosmologia. Horitzons aïllats i dinàmics, que són importants en la investigació actual dels forats negres.
Horitzó d'esdeveniments còsmic
miniatura|L'Univers observable en funció del temps i la distància, en el context de l'Univers en expansió En cosmologia, l'horitzó d'esdeveniments de l'Univers observable és la distància comòbil més gran des de la qual la llum emesa ara pot arribar a l'observador en el futur. Això difereix del concepte de l'horitzó de partícules, que representa la distància de moviment més gran des de la qual la llum emesa en el passat podia arribar a l'observador en un moment determinat. Per als esdeveniments que es produeixen més enllà d'aquesta distància, la llum no ha tingut prou temps per arribar a la nostra ubicació, encara que s'emetès en el moment en què va començar l'Univers. L'evolució de l'horitzó de partícules amb el temps depèn de la naturalesa de l'expansió de l'Univers. Si l'expansió té certes característiques, parts de l'Univers mai seran observables, per molt que l'observador esperi que arribi la llum d'aquestes regions. El límit més enllà del qual els esdeveniments no es poden observar mai és un horitzó d'esdeveniments, i representa l'extensió màxima de l'horitzó de partícules.
El criteri per determinar si existeix un horitzó de partícules per a l'Univers és el següent. Definim una distància de moviment dp com
En aquesta equació, a és el factor d'escala, c és la velocitat de la llum, i t0 és l'edat de l'Univers. Si (és a dir, apunta arbitràriament tan lluny com es pugui observar), aleshores no existeix un horitzó d'esdeveniments. Si , hi ha un horitzó.
Exemples de models cosmològics sense horitzó d'esdeveniments són universos dominats per la matèria o per la radiació. Un exemple de model cosmològic amb un horitzó d'esdeveniments és un univers dominat per la constant cosmològica (un Univers de De Sitter).
Un càlcul de les velocitats de l'esdeveniment cosmològic i dels horitzons de partícules es va donar en un article sobre el model cosmològic FLRW, aproximant l'Univers com a compost de components que no interactuen, cadascun un fluid perfecte.
Horitzó aparent d'una partícula accelerada miniatura|Diagrama espaitemps que mostra una partícula uniformement accelerada, P, i un esdeveniment E que es troba fora de l'horitzó aparent de la partícula. El con de llum cap endavant de l'esdeveniment mai talla la línia d'Univers de la partícula Si una partícula es mou a una velocitat constant en un Univers que no s'expandeix i lliure de camps gravitatoris, qualsevol esdeveniment que es produeixi en aquest Univers finalment serà observable per la partícula, perquè els cons de llum cap endavant d'aquests esdeveniments tallen la línia d'Univers de la partícula. D'altra banda, si la partícula s'està accelerant, en algunes situacions els cons de llum d'alguns esdeveniments mai tallen la línia de l'Univers de la partícula. En aquestes condicions, un horitzó aparent està present en el marc de referència (accelerant) de la partícula, que representa un límit més enllà del qual els esdeveniments són inobservables.
Per exemple, això passa amb una partícula uniformement accelerada. A la figura de la dreta es mostra un diagrama espaitemps d'aquesta situació. A mesura que la partícula s'accelera, s'acosta, però mai arriba, a la velocitat de la llum respecte al seu marc de referència original. Al diagrama espaitemps, el seu recorregut és una hipèrbola, que s'aproxima asimptòticament a una línia de 45 graus (la trajectòria d'un raig de llum). Un esdeveniment la vora del con de llum del qual és aquesta asímptota o està més lluny que aquesta asímptota mai pot ser observat per la partícula que s'accelera. En el marc de referència de la partícula, hi ha un límit darrere del qual no poden escapar cap senyal (un horitzó aparent). La distància a aquest límit ve donada per , on a és l'acceleració pròpia constant de la partícula.
Si bé les aproximacions d'aquest tipus de situacions es poden produir en el món real (en els acceleradors de partícules, per exemple), mai no hi ha un horitzó d'esdeveniments real, ja que això requereix que la partícula s'acceleri indefinidament (requereixen quantitats arbitràriament grans d'energia i un aparell arbitràriament gran).
Interaccionant amb un horitzó còsmic En el cas d'un horitzó percebut per un observador que s'accelera uniformement a l'espai buit, l'horitzó sembla romandre a una distància fixa de l'observador sense importar com es mogui el seu entorn. Variar l'acceleració de l'observador pot fer que l'horitzó sembli moure's al llarg del temps o pot impedir que existeixi un horitzó d'esdeveniments, depenent de la funció d'acceleració escollida. L'observador no toca mai l'horitzó i mai passa per un lloc on semblava estar.
En el cas d'un horitzó percebut per un ocupant d'un Univers de De Sitter, l'horitzó sempre sembla estar a una distància fixa per a un observador que no s'accelera. Mai és contactat, ni tan sols per un observador que s'accelera.
Horitzó d'esdeveniments d'un forat negre
Fitxer:BH-no-escape-1.svgLluny del forat negre, una partícula es pot moure en qualsevol direcció. Només està restringida per la velocitat de la llum. Fitxer:BH-no-escape-2.svgMés a prop del forat negre, l'espaitemps comença a deformar-se. En alguns sistemes de coordenades convenients, hi ha més camins cap al forat negre que camins que s'allunyen. Fitxer:BH-no-escape-3.svgDins de l'horitzó d'esdeveniments, tots els camins futurs del temps apropen la partícula al centre del forat negre. Ja no és possible que la partícula escapi, independentment de la direcció en què vagi la partícula. Un dels exemples més coneguts d'un horitzó d'esdeveniments deriva de la descripció de la relativitat general d'un forat negre, un objecte celeste tan dens que cap matèria propera o radiació pot escapar del seu camp gravitatori. Sovint, això es descriu com el límit dins del qual la velocitat d'escapament del forat negre és més gran que la velocitat de la llum. Tanmateix, una descripció més detallada és que dins d'aquest horitzó, tots els camins semblants a la llum (camíns que podria prendre la llum i, per tant, tots els camins dels cons de llum avançats de les partícules dins de l'horitzó) es deformen per caure més endins al forat. Un cop una partícula es troba dins de l'horitzó, moure's al forat és tan inevitable com avançar en el temps, independentment de la direcció en què viatgi la partícula, i es pot considerar que és equivalent a fer-ho, depenent del sistema de coordenades espaitemps utilitzat. La superfície del radi de Schwarzschild actua com un horitzó d'esdeveniments en un cos no giratori que s'adapta dins d'aquest radi (tot i que un forat negre en rotació funciona de manera lleugerament diferent). El radi de Schwarzschild d'un objecte és proporcional a la seva massa. Teòricament, qualsevol quantitat de matèria es convertirà en un forat negre si es comprimeix en un espai que encaixi dins del seu radi de Schwarzschild corresponent. Per a la massa del Sol, aquest radi és d'aproximadament 3 km; per a la Terra, és d'uns 9 mm. Però a la pràctica, ni la Terra ni el Sol tenen la massa necessària (i, per tant, la força gravitatòria necessària) per superar la pressió de degeneració d'electrons i neutrons. La massa mínima necessària perquè una estrella col·lapsi més enllà d'aquestes pressions és el límit de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, que és d'aproximadament tres masses solars.
Segons els models fonamentals de col·lapse gravitatori, es forma un horitzó d'esdeveniments abans de la singularitat d'un forat negre. Si totes les estrelles de la Via Làctia s'agregessin gradualment cap al centre galàctic mantenint les seves distàncies proporcionals entre si, totes cauran dins del seu radi conjunt de Schwarzschild molt abans que es vegin obligades a xocar. Fins al col·lapse en un futur llunyà, els observadors d'una galàxia envoltada per un horitzó d'esdeveniments continuarien amb les seves vides amb normalitat.