Horizonte und kausale Struktur

Das endliche Alter und die Expansion des Universums begrenzen, wie weit Licht gereist sein kann, wodurch kosmologische Horizonte entstehen, die eingrenzen, welche Regionen einen Beobachter beeinflusst haben oder von ihm gesehen werden konnten.

Definition

Ein kosmologischer Horizont ist eine Grenze für den kausalen Kontakt in einem expandierenden Universum: Der Teilchenhorizont ist die maximale Entfernung, aus der Licht seit dem Beginn einen Beobachter erreichen konnte, während der Ereignishorizont die maximale Entfernung zu Ereignissen ist, deren Licht den Beobachter in Zukunft jemals erreichen wird.

Scope

Dieses Thema behandelt den Teilchenhorizont, die Grenze des beobachtbaren Universums, die durch die seit dem Beginn zurückgelegte Lichtstrecke bestimmt wird, den kosmischen Ereignishorizont, der begrenzt, welche Ereignisse wir in einem sich beschleunigenden Universum jemals beobachten können, den Hubble-Radius, die kausale Struktur expandierender Robertson-Walker-Raumzeiten und das Horizontproblem, das die kosmische Inflation motivierte.

Core questions

• Was bestimmt die Größe des beobachtbaren Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt?
• Wie unterscheiden sich Teilchen- und Ereignishorizonte?
• Warum stellt die Gleichmäßigkeit des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ein Horizontproblem dar?

Key concepts

• Teilchenhorizont
• Ereignishorizont
• Hubble-Radius
• Beobachtbares Universum
• Kausaler Kontakt
• Horizontproblem

Key theories

Teilchen- und Ereignishorizonte

Die Integration des Lichtwegs über die Expansionsgeschichte definiert den Teilchenhorizont, den Rand des aktuell beobachtbaren Universums, und, in einem sich beschleunigenden Universum, einen Ereignishorizont, jenseits dessen zukünftige Ereignisse niemals gesehen werden können, beide endlich aufgrund des endlichen Alters und der Expansion.

Horizontproblem

Himmelsregionen, die bei der Rekombination weiter als der Teilchenhorizont voneinander entfernt waren, konnten keine Signale austauschen, dennoch ist der kosmische Mikrowellenhintergrund über sie hinweg gleichmäßig, ein Rätsel, das die kosmische Inflation lösen sollte.

Clinical relevance

Horizonte definieren, was die Kosmologie jemals beobachten kann, und werfen tiefgreifende Rätsel auf: Der Teilchenhorizont begrenzt das beobachtbare Universum, das in allen kosmologischen Messungen verwendet wird, während das Horizontproblem und das damit verbundene Flachheitsproblem die Hauptmotivationen für das inflationäre Paradigma des sehr frühen Universums sind.

History

Rindler klärte und benannte die verschiedenen kosmologischen Horizonte 1956; das von ihnen aufgedeckte Horizontproblem, warum kausal getrennte Regionen die gleiche Temperatur aufweisen, wurde zu einer zentralen Motivation, als Guth 1981 die kosmische Inflation vorschlug, um diesen Regionen eine gemeinsame kausale Vergangenheit zu geben.

Key figures

• Wolfgang Rindler
• Alan Guth
• Georges Lemaitre

Seminal works

• rindler1956
• weinberg2008

Frequently asked questions

Ist das beobachtbare Universum dasselbe wie das gesamte Universum?

Nein. Das beobachtbare Universum wird durch den Teilchenhorizont begrenzt, die weiteste Entfernung, die Licht zu uns zurücklegen konnte; das Universum erstreckt sich mit ziemlicher Sicherheit weit darüber hinaus und mag unendlich sein, aber diese Regionen sind uns bisher kausal unzugänglich.

Was ist das Horizontproblem und wie löst die Inflation es?

Weit voneinander entfernte Teile des Himmels haben trotz fehlenden kausalen Kontakts unter Standardexpansion die gleiche Temperatur; die Inflation schlägt eine kurze frühe Epoche beschleunigter Expansion vor, die diese Regionen zuvor in kausalen Kontakt brachte und so ihre Gleichmäßigkeit erklärt.