क्षितिज समस्या

क्षितिज समस्या (समरूपता समस्या के रूप में भी जानी जाती है) ब्रह्मांड के महा विस्फोट मॉडल के भीतर एक भौतिक ब्रह्मांड विज्ञान सूक्ष्म समस्वरण (भौतिकी) समस्या है। यह तंत्र की अनुपस्थिति में अंतरिक्ष के अलग-अलग क्षेत्रों (भौतिकी) की देखी गई एकरूपता की व्याख्या करने में कठिनाई के कारण उत्पन्न होते है जो प्रत्येक स्थान एक ही प्रारंभिक स्थिति निर्धारित करते है। यह पहली बार 1956 में वोल्फगैंग रिंडलर द्वारा बताया गया था। सबसे सामान्यतः स्वीकृत हल लौकिक मुद्रास्फीति है। विभिन्न हल चक्रीय मॉडल या प्रकाश की एक चर गति का प्रस्ताव करते हैं।

खगोलीय दूरी और कण क्षितिज
रात्रि के आकाश में प्रेक्षण योग्य वस्तुओं की दूरी पूर्व के समय के अनुरूप होती है। हम इन ब्रह्माण्ड संबंधी दूरियों का वर्णन करने के लिए प्रकाश वर्ष (जितनी दूरी प्रकाश एक पृथ्वी वर्ष के समय में निर्धारित कर सकते है) का उपयोग करते हैं। दस अरब प्रकाश-वर्ष मापी गई आकाशगंगा हमें वैसी ही दिखाई देती है जैसी वह दस अरब साल पहले थी, क्योंकि प्रकाश ने प्रेक्षक तक पहुँचने में इतना समय लिया है। यदि कोई आकाशगंगा को दस अरब प्रकाश वर्ष दूर एक दिशा में और दूसरी विपरीत दिशा में देखे, तो उनके बीच की कुल दूरी बीस अरब प्रकाश वर्ष है। इसका अर्थ यह है कि पहले से प्रकाश अभी तक दूसरे तक नहीं पहुंचा है क्योंकि ब्रह्मांड मात्र लगभग 13.8 अरब वर्ष प्राचीन है। अधिक सामान्य अर्थ में, ब्रह्मांड के ऐसे भाग हैं जो हमें दिखाई देते हैं, परन्तु एक दूसरे के लिए अदृश्य हैं, एक दूसरे के संबंधित कण क्षितिज के बाहर है।

कारण सूचना प्रसार
स्वीकृत सापेक्षवादी भौतिक सिद्धांतों में, कोई भी सूचना प्रकाश की गति से तीव्र यात्रा नहीं कर सकती है। इस संदर्भ में, सूचना का अर्थ है किसी भी प्रकार की भौतिक अन्योन्य क्रिया। उदाहरण के लिए, गर्मी स्वाभाविक रूप से गर्म क्षेत्र से ठंडे क्षेत्र में प्रवाहित होगी, और भौतिकी की दृष्टि से, यह सूचना के आदान-प्रदान का एक उदाहरण है। ऊपर दिए गए उदाहरण को देखते हुए, विचाराधीन दो आकाशगंगाओं ने किसी भी प्रकार की सूचना साझा नहीं की होगी; वे करणीय (भौतिकी) में नहीं हैं। सामान्य प्रारंभिक स्थितियों की अनुपस्थिति में, कोई यह अपेक्षा करेगा कि उनके भौतिक गुण भिन्न होंगे, और अधिक सामान्यतः, ब्रह्मांड के रूप में पूर्ण रूप से वियोजित किए गए क्षेत्रों में अलग-अलग गुण होंगे।

क्षितिज समस्या
इस अपेक्षा के विपरीत, ब्रह्मांडीय सूक्ष्मतरंग पृष्ठभूमि (सीएमबी) और आकाशगंगा सर्वेक्षणों की टिप्पणियों से पता चलता है कि देखने योग्य ब्रह्मांड लगभग समदैशिक है, जो कोपर्निकन सिद्धांत के माध्यम से समरूपता (भौतिकी) का अर्थ है। सीएमबी आकाश सर्वेक्षणों से पता चलता है कि सीएमबी का तापमान $$\Delta T/T \approx 10^{-5}$$ के स्तर पर समन्वित होते है, जहाँ $$\Delta T$$ आकाश के क्षेत्र में देखे गए तापमान और आकाश के औसत तापमान $$T$$ के बीच का अंतर है। इस समन्वय का अर्थ है कि संपूर्ण आकाश, और इस प्रकार संपूर्ण अवलोकन योग्य ब्रह्मांड, ब्रह्मांड के ऊष्मीय संतुलन में आने के लिए पर्याप्त रूप से लंबे समय से जुड़े हुए हैं।

बिग बैंग मॉडल के अनुसार, जैसे ही ब्रह्मांड के विस्तार का घनत्व गिरा, यह अंततः एक ऐसे तापमान पर पहुंच गया जहां फोटॉन पदार्थ के साथ ऊष्मीय संतुलन से बाहर हो गए; उन्होंने इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन प्लाज्मा (भौतिकी) से वियुग्मन (ब्रह्मांड विज्ञान) किया और पूर्ण ब्रह्मांड में मुक्त-प्रवाह प्रारम्भ किया। समय के इस क्षण को पुनर्संयोजन (ब्रह्मांड विज्ञान) के युग के रूप में संदर्भित किया जाता है, जब इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन विद्युत रूप से तटस्थ हाइड्रोजन बनाने के लिए बाध्य हो जाते हैं; फोटॉनों को प्रकीर्णन के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों के बिना, फोटॉनों ने फ्री-स्ट्रीमिंग प्रारम्भ कर दी। यह युग सीएमबी के माध्यम से मनाया जाता है। चूँकि हम सीएमबी को छोटे रेडशिफ्ट पर वस्तुओं की पृष्ठभूमि के रूप में देखते हैं, हम इस युग को अपारदर्शी से पारदर्शी तक ब्रह्मांड के संक्रमण के रूप में वर्णित करते हैं। सीएमबी भौतिक रूप से 'अंतिम प्रकीर्णन की सतह' का वर्णन करते है क्योंकि यह हमें सतह या पृष्ठभूमि के रूप में दिखाई देता है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।

ध्यान दें कि हम निम्नलिखित आरेखों में अनुरूप समय का उपयोग करते हैं। अनुरूप समय उस समय की मात्रा का वर्णन करता है जो एक फोटॉन को प्रेक्षक के स्थान से सबसे दूर तक देखने योग्य दूरी तक यात्रा करने में लगेगा (यदि ब्रह्मांड अभी विस्तार करना संवृत कर देता है)। माना जाता है कि वियुग्मन, या अंतिम प्रकीर्णन, बिग बैंग के लगभग 300,000 साल बाद या लगभग $$z_{rec} \approx 1100$$ के रेडशिफ्ट पर हुआ था। हम ब्रह्मांड के अनुमानित कोणीय व्यास और उस समय स्थित कण क्षितिज के भौतिक आकार दोनों को निर्धारित कर सकते हैं।

रेडशिफ्ट $$z$$ के संदर्भ में कोणीय व्यास की दूरी,$$d_{A}(z)=r(z) / (1+z)$$ द्वारा वर्णित है। यदि हम समतलता (ब्रह्मांड विज्ञान) ब्रह्माण्ड विज्ञान मानते हैं तो,
 * $$r(z) = \int_{t_{em}}^{t_0} \frac{dt}{a(t)}

= \int_{a_{em}}^{1} \frac{da}{a^2 H(a)} = \int_{0}^{z} \frac{dz}{H(z)}.$$ पुनर्संयोजन का युग ब्रह्मांड के पदार्थ प्रधान युग के दौरान हुआ था, इसलिए हम $$H(z)$$ को $$H^2(z) \approx \Omega_m H_0^2 (1+z)^3$$ के रूप में अनुमानित कर सकते हैं। इन्हें एक साथ रखने पर, हम देखते हैं कि कोणीय व्यास की दूरी, या रेडशिफ्ट $$z_{rec} \approx 1100$$ के लिए देखे जाने योग्य ब्रह्मांड का आकार


 * $$r(z)=\int_{0}^{z} \frac{dz}{H(z)} = \frac{1}{\sqrt{\Omega_m} H_0}

\int_{0}^{z} \frac{dz}{(1+z)^{3/2}} = \frac{2}{\sqrt{\Omega_m} H_0}\left(1-\frac{1}{\sqrt{1+z}}\right)$$ है। चूंकि $$z \gg 1$$, हम उपरोक्त समीकरण को


 * $$r(z) \approx \frac{2}{\sqrt{\Omega_m}H_0}$$ के रूप में अनुमानित कर सकते हैं।
 * इसे कोणीय व्यास दूरी की हमारी परिभाषा में प्रतिस्थापित करते हुए, हम


 * $$d_A(z) \approx \frac{2}{\sqrt{\Omega_m}H_0}\frac{1}{1+z}$$ प्राप्त करते हैं।

इस सूत्र से, हम ब्रह्मांडीय सूक्ष्मतरंग पृष्ठभूमि की कोणीय व्यास दूरी $$d_A(1100) \approx 14\ \mathrm{Mpc}$$ के रूप में प्राप्त करते हैं।

कण क्षितिज अधिकतम दूरी का वर्णन करता है कि प्रकाश कण ब्रह्मांड की आयु को देखते हुए पर्यवेक्षक तक यात्रा कर सकते थे। हम पूर्व,


 * $$d_\text{hor,rec}(z)=\int_{0}^{t(z)} \frac{dt}{a(t)}= \int_{z}^{\infin} \frac{dz}{H(z)}

\approx \frac{2}{\sqrt{\Omega_m}H_0}\left [ \frac{1}{\sqrt{1+z}} \right ]_z^\infin \approx \frac{2}{\sqrt{\Omega_m}H_0}\frac{1}{\sqrt{1+z}} $$
 * से $$r(z)$$ का उपयोग करके पुनर्संयोजन के समय ब्रह्मांड की आयु के लिए आने वाली दूरी निर्धारित कर सकते हैं

कण क्षितिज $$D$$,
 * $$D(z)=a(z)d_\text{hor,rec}= \frac{d_\text{hor,rec}(z)}{1+z}

$$
 * $$D(1100) \approx 0.03~\text{radians} \approx 2^\circ

$$
 * का भौतिक आकार प्राप्त करने के लिए

हम अपेक्षा करेंगे कि 2 डिग्री कोणीय पृथक्करण के भीतर सीएमबी का कोई भी क्षेत्र कारणात्मक संपर्क में रहे, परन्तु 2° से बड़े किसी भी पैमाने पर सूचनाओं का आदान-प्रदान नहीं होना चाहिए।

सीएमबी क्षेत्र जो 2° से अधिक से अलग होते हैं, एक दूसरे के कण क्षितिज के बाहर स्थित होते हैं और यथोचित रूप से अलग हो जाते हैं। क्षितिज समस्या इस तथ्य का वर्णन करती है कि ऊष्मीय संतुलन स्थापित करने के लिए पूर्ण आकाश के आकस्मिक संपर्क में नहीं होने के अतिरिक्त हम पूर्ण आकाश में सीएमबी तापमान में समदैशिकता देखते हैं। इस समस्या के वीक्षण के लिए दाईं ओर समय अंतराल आरेख देखें।

यदि ब्रह्मांड अलग-अलग स्थानों में थोड़े अलग तापमान के साथ प्रारम्भ हुआ, तो सीएमबी को समदैशिक नहीं होना चाहिए, जब तक कि कोई ऐसा तंत्र न हो जो वियुग्मन के समय तापमान को बराबर कर दे। वस्तुतः, सीएमबी का पूर्ण आकाश में समान तापमान होता है, 2.726 ± 0.001 K।

मुद्रास्फीति मॉडल
ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति के सिद्धांत ने अदिश क्षेत्र अन्योन्य क्रिया के कारण ब्रह्मांड के इतिहास के पहले सेकंड में 10$−32$-सेकंड की घातीय विस्तार की अवधि को प्रस्तुत करके समस्या का हल करने का प्रयास किया है। से अधिक के कारक से बढ़ा, छोटे और कारण से जुड़े क्षेत्र से निकट संतुलन में है। तब मुद्रास्फीति ने ब्रह्मांड का तीव्रता से विस्तार किया, अंतरिक्ष-समय के निकट के क्षेत्रों को अलग-थलग कर दिया, उन्हें कारण संपर्क की सीमा से परे बढ़ाकर, बड़ी दूरी पर एकरूपता में प्रभावी रूप से आलिंगन कर दिया। अनिवार्य रूप से, मुद्रास्फीति मॉडल से पता चलता है कि ब्रह्मांड बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड में पूर्ण रूप से कारण संपर्क में था। मुद्रास्फीति तब इस ब्रह्मांड को लगभग 60 ई- वलन (कारक $$e^{60}$$ द्वारा पैमाने का कारक बढ़ता है) द्वारा विस्तारित करती है।मुद्रास्फीति बहुत बड़े पैमाने पर होने के बाद हम सीएमबी का निरीक्षण करते हैं। मुद्रास्फीति से तीव्रता से विस्तार के कारण इसने इस बड़े आकार के तापीय संतुलन को बनाए रखा।

ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति का परिणाम यह है कि क्वांटम उच्चावचन के कारण बिग बैंग में अपररूपता कम हो जाती है परन्तु पूर्ण रूप से समाप्त नहीं होती है। ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि के तापमान में अंतर ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति द्वारा सुचारू किया जाता है, परन्तु वे अभी भी स्थित हैं। सिद्धांत सूक्ष्मतरंग पृष्ठभूमि में अपररूपता के लिए वर्णक्रम की भविष्यवाणी करते है जो अधिकतर डब्ल्यूएमएपी और लौकिक पृष्ठभूमि एक्सप्लोरर की टिप्पणियों के अनुरूप है।

यद्यपि, इस एकरूपता को समझाने के लिए अकेले गुरुत्वाकर्षण पर्याप्त हो सकते है।

परिवर्तनीय-गति-की-प्रकाश सिद्धांत
प्रकाश की परिवर्तनशील गति को नियोजित करने वाले कॉस्मोलॉजिकल मॉडल को क्षितिज की समस्या को हल करने और ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति का विकल्प प्रदान करने के लिए प्रस्तावित किया गया है। वीएसएल मॉडल में, मौलिक स्थिरांक c, निर्वात में प्रकाश की गति को दर्शाता है, प्रारंभिक ब्रह्मांड में इसके वर्तमान मान से अधिक है, प्रभावी रूप से सीएमबी के देखे गए समदैशिकता के लिए खाते में पर्याप्त रूप से विघटित होने के समय कण क्षितिज को प्रभावी रूप से बढ़ाते है।

यह भी देखें

 * सपाटता की समस्या
 * चुंबकीय एकध्रुवीय

बाहरी संबंध

 * Different Horizons in Cosmology