Kosmologický horizont je hranice určující maximální oblast vesmíru, která může být v daném okamžiku pozorována nebo s níž může existovat příčinná souvislost. Existence kosmologických horizontů je důsledkem konečného stáří vesmíru, konečné rychlosti šíření světla a rozpínání vesmíru.
V rámci standardního kosmologického modelu se rozlišuje několik typů horizontů, které mají odlišný fyzikální význam. Nejvýznamnější jsou částicový horizont, vymezující nejvzdálenější objekty, jejichž světlo mohlo od počátku vesmíru dosáhnout pozorovatele, a horizont událostí, určující hranici oblastí, z nichž může být informace někdy v budoucnu přijata. Často se rozlišuje také Hubbleův horizont, související s Hubbleovou vzdáleností a rychlostí rozpínání vesmíru.
Kosmologické horizonty hrají významnou roli při studiu velkého třesku, kosmické inflace, reliktního záření a vývoje pozorovatelného vesmíru. Jejich vlastnosti závisejí na dynamice rozpínání popsané Fridmanovou–Lemaîtrovou–Robertsonovou–Walkerovou metrikou a Fridmanovými rovnicemi.
Historie První úvahy o omezené pozorovatelné oblasti vesmíru se objevily ve 20. letech 20. století v souvislosti s rozvojem relativistické kosmologie a modelů rozpínajícího se vesmíru. Po formulaci obecné teorie relativity Albertem Einsteinem v roce 1915 a vzniku prvních kosmologických modelů bylo zřejmé, že konečná rychlost světla a dynamický vývoj vesmíru mohou omezovat oblasti, mezi nimiž je možná výměna informací.
Významným krokem byly práce Willema de Sittera, který v roce 1917 nalezl řešení Einsteinových rovnic obsahující horizont oddělující části časoprostoru, jež spolu nemohou být v příčinném kontaktu. Později byly obdobné vlastnosti identifikovány také v dalších kosmologických modelech.
Po objevu rozpínání vesmíru Edwinem Hubblem na konci 20. let se ukázalo, že pozorovatelná oblast vesmíru je omezena nejen konečnou rychlostí světla, ale také skutečností, že vesmír má konečné stáří. Z těchto úvah vznikl pojem částicového horizontu, který vymezuje nejvzdálenější oblasti, z nichž mohlo světlo od počátku rozpínání dosáhnout pozorovatele.
Ve druhé polovině 20. století se studium kosmologických horizontů stalo důležitou součástí fyzikální kosmologie. Zvláštní význam získalo po formulaci teorie kosmické inflace, která byla navržena mimo jiné jako vysvětlení tzv. problému horizontu – otázky, proč mají velmi vzdálené oblasti vesmíru téměř stejné fyzikální vlastnosti navzdory tomu, že podle jednoduchých modelů neměly být v příčinném kontaktu.
Současná kosmologie rozlišuje několik typů horizontů, jejichž existence a vývoj závisí na geometrii a obsahu vesmíru. Studium kosmologických horizontů je významné pro pochopení vývoje pozorovatelného vesmíru, vzniku struktur i dlouhodobé budoucnosti vesmíru.
Definice Kosmologické horizonty lze definovat jako hranice vymezující oblasti časoprostoru, které mohou být s pozorovatelem v příčinné souvislosti. Jejich existence je důsledkem konečné rychlosti světla a rozpínání vesmíru. V kosmologii se nejčastěji rozlišují částicový horizont, horizont událostí a Hubbleův horizont.
Částicový horizont Částicový horizont (též horizont částic) vymezuje nejvzdálenější oblast vesmíru, z níž mohlo světlo nebo jiný signál od počátku kosmologické expanze dosáhnout pozorovatele v daném okamžiku. Představuje tedy hranici pozorovatelného vesmíru v daném kosmologickém čase.
Souběžná vzdálenost částicového horizontu je dána vztahem
kde je škálový faktor a rychlost světla.
Velikost částicového horizontu se během vývoje vesmíru zvětšuje, protože světlo má stále více času k překonávání větších vzdáleností.
Horizont událostí Horizont událostí vymezuje hranici oblastí, z nichž může být signál vyslaný v daném okamžiku někdy v budoucnu přijat pozorovatelem. Události za tímto horizontem nemohou ovlivnit budoucí pozorování bez ohledu na to, jak dlouho bude vesmír existovat.
Souběžná vzdálenost horizontu událostí je definována vztahem
pokud tento integrál konverguje.
Horizont událostí existuje například v kosmologických modelech se zrychleným rozpínáním vesmíru, které jsou charakteristické přítomností temné energie.
Hubbleův horizont Hubbleův horizont je charakterizován vzdáleností
kde je Hubbleův parametr.
Tato vzdálenost odpovídá hranici, na níž podle Hubbleova zákona dosahuje rychlost kosmologického rozpínání hodnoty rovné rychlosti světla.
Na rozdíl od částicového horizontu a horizontu událostí není Hubbleův horizont obecně skutečným kauzálním horizontem. Objekty nacházející se za Hubbleovým horizontem mohou být za určitých okolností pozorovatelné a jejich světlo může v budoucnu dosáhnout pozorovatele.
Přesto Hubbleův horizont představuje důležitou charakteristickou škálu v kosmologii a hraje významnou roli při popisu vývoje vesmíru a kosmologických poruch.
Horizonty v rozpínajícím se vesmíru Velikost a existence kosmologických horizontů závisí na způsobu rozpínání vesmíru, který je určen hodnotami kosmologických parametrů a složením vesmíru. Vývoj horizontů lze popsat pomocí Fridmanových rovnic a Fridmanovy–Lemaîtrovy–Robertsonovy–Walkerovy metriky.
V raném vesmíru dominovalo záření a později hmota. Během těchto období částicový horizont neustále rostl a postupně zahrnoval stále větší oblasti vesmíru. To umožňovalo vznik příčinných vazeb mezi oblastmi, které byly dříve navzájem izolované.
Významnou roli sehrála fáze kosmické inflace, během níž docházelo k velmi rychlému exponenciálnímu rozpínání. Oblasti, které byly před inflací v příčinném kontaktu, se mohly vlivem prudkého rozpínání vzdálit za tehdejší horizont. Tento mechanismus poskytuje vysvětlení tzv. problému horizontu a pozorované homogenity reliktního záření.
Podle současného kosmologického modelu je rozpínání vesmíru urychlováno působením temné energie. V důsledku toho vzniká kosmologický horizont událostí, který omezuje oblasti schopné ovlivnit budoucí pozorování. Části vesmíru nacházející se za tímto horizontem zůstávají navždy mimo dosažitelný příčinný kontakt.
Vývoj částicového horizontu, horizontu událostí i Hubbleova horizontu se v různých kosmologických modelech liší. Jejich chování proto poskytuje důležité informace o geometrii vesmíru, jeho energetickém obsahu a dlouhodobém vývoji.
Význam v kosmologii Kosmologické horizonty patří k základním pojmům moderní kosmologie, protože určují meze pozorovatelného vesmíru a rozsah oblastí, které mohou být v příčinné souvislosti. Jejich existence ovlivňuje interpretaci astronomických pozorování i teoretické modely vývoje vesmíru.
Částicový horizont vymezuje velikost pozorovatelného vesmíru a určuje maximální vzdálenost objektů, jejichž záření mohlo od velkého třesku dosáhnout pozorovatele. Veškerá astronomická pozorování jsou proto omezena na oblast nacházející se uvnitř tohoto horizontu.
Kosmologické horizonty hrají významnou roli při studiu reliktního záření. Pozorovaná homogenita reliktního záření vedla k formulaci tzv. problému horizontu, protože vzdálené oblasti oblohy podle jednoduchých modelů neměly být v době vzniku reliktního záření navzájem v příčinném kontaktu. Jedním z vysvětlení tohoto jevu je teorie kosmické inflace.
Horizont událostí souvisí s dlouhodobou budoucností vesmíru. V modelech se zrychleným rozpínáním existují oblasti, jejichž světlo již nikdy nedosáhne budoucích pozorovatelů. Vzdálené galaxie se proto mohou postupně stát nepozorovatelnými, přestože jsou dnes ještě viditelné.
Studium kosmologických horizontů poskytuje důležité informace o geometrii vesmíru, jeho energetickém obsahu a dynamice rozpínání. Pozorování vzdálených galaxií, reliktního záření a dalších kosmologických jevů umožňují testovat modely předpovídající vývoj jednotlivých horizontů.
Současný stav poznání Současná pozorování jsou v dobré shodě se standardním kosmologickým modelem ΛCDM, podle něhož je vesmír tvořen převážně temnou energií a temnou hmotou, zatímco běžná látka představuje pouze menší část jeho celkového energetického obsahu.
V rámci tohoto modelu má vesmír konečný částicový horizont, který určuje velikost pozorovatelného vesmíru. Současně existence temné energie vede ke zrychlenému rozpínání vesmíru a ke vzniku kosmologického horizontu událostí. To znamená, že část oblastí vesmíru nebude možné pozorovat ani v libovolně vzdálené budoucnosti.
Měření reliktního záření družicí Planck, pozorování vzdálených supernov typu Ia a další kosmologická data poskytují silnou podporu modelům, které předpovídají existenci kosmologických horizontů a jejich vývoj v čase.
Přestože existence částicového horizontu je obecně přijímána ve všech realistických modelech vesmíru s konečným stářím, přesné vlastnosti horizontu událostí závisejí na budoucím vývoji kosmologické expanze. Jejich studium proto zůstává aktivní oblastí výzkumu současné teoretické i observační kosmologie.
Kosmologické horizonty jsou dnes považovány za přirozený důsledek obecné teorie relativity a rozpínání vesmíru. Představují důležitý nástroj pro popis kauzální struktury vesmíru a jeho pozorovatelných hranic.
Odkazy
Reference
Související články Rozpínání vesmíru Reliktní záření Model Lambda-CDM Vznik a vývoj vesmíru Zrychlování rozpínání vesmíru
Kategorie:Astrofyzika Kategorie:Kosmologie Kategorie:Obecná teorie relativity