क्षितिज समस्या

क्षितिज समस्या (समरूपता समस्या के रूप में भी जानी जाती है) ब्रह्मांड के महा विस्फोट मॉडल के भीतर एक भौतिक ब्रह्मांड विज्ञान फाइन-ट्यूनिंग (भौतिकी)भौतिकी) | फ़ाइन-ट्यूनिंग समस्या है। यह एक तंत्र की अनुपस्थिति में अंतरिक्ष के अलग-अलग क्षेत्रों (भौतिकी) की देखी गई एकरूपता की व्याख्या करने में कठिनाई के कारण उत्पन्न होता है जो हर जगह एक ही प्रारंभिक स्थिति निर्धारित करता है। यह पहली बार 1956 में वोल्फगैंग रिंडलर द्वारा बताया गया था। सबसे आम तौर पर स्वीकृत समाधान लौकिक मुद्रास्फीति है। विभिन्न समाधान एक 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 अतीत 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 तय कर सकता है) का उपयोग करते हैं। दस अरब प्रकाश-वर्ष मापी गई एक 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 मतलब यह है कि पहले से प्रकाश अभी तक दूसरे तक नहीं पहुंचा है क्योंकि ब्रह्मांड केवल लगभग 13.8 अरब वर्ष पुराना है। एक अधिक सामान्य अर्थ में, ब्रह्मांड के ऐसे हिस्से हैं जो हमें दिखाई देते हैं, लेकिन एक दूसरे के लिए अदृश्य हैं, एक दूसरे के संबंधित कण क्षितिज के बाहर।

कारण सूचना प्रसार
स्वीकृत सापेक्षवादी भौतिक सिद्धांतों में, कोई भी सूचना प्रकाश की गति से तेज यात्रा नहीं कर सकती है। इस संदर्भ में, सूचना का अर्थ है किसी भी प्रकार की भौतिक बातचीत। उदाहरण के लिए, गर्मी स्वाभाविक रूप से एक 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 जानकारी साझा नहीं की होगी; वे करणीय (भौतिकी) में नहीं हैं। सामान्य प्रारंभिक स्थितियों की अनुपस्थिति में, कोई यह उम्मीद करेगा कि उनके भौतिक गुण भिन्न होंगे, और अधिक आम तौर पर, ब्रह्मांड के रूप में पूरी तरह से डिस्कनेक्ट किए गए क्षेत्रों में अलग-अलग गुण होंगे।

क्षितिज समस्या
इस अपेक्षा के विपरीत, ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि (सीएमबी) और आकाशगंगा सर्वेक्षणों की टिप्पणियों से पता चलता है कि देखने योग्य ब्रह्मांड लगभग आइसोट्रॉपी #ब्रह्माण्ड विज्ञान है, जो कोपर्निकन सिद्धांत के माध्यम से समरूपता (भौतिकी) का भी अर्थ है। CMB आकाश सर्वेक्षणों से पता चलता है कि CMB के तापमान एक स्तर तक समन्वित होते हैं $$\Delta T/T \approx 10^{-5},$$ कहाँ $$\Delta T$$ आकाश के एक क्षेत्र में देखे गए तापमान और आकाश के औसत तापमान के बीच का अंतर है $$T$$. इस समन्वय का अर्थ है कि संपूर्ण आकाश, और इस प्रकार संपूर्ण अवलोकन योग्य ब्रह्मांड, ब्रह्मांड के थर्मल 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 थर्मल संतुलन से बाहर हो गए; उन्होंने इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन प्लाज्मा (भौतिकी) से डिकूप्लिंग (ब्रह्मांड विज्ञान) किया और पूरे ब्रह्मांड में मुक्त-प्रवाह शुरू 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 बिखेरने के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों के बिना, फोटॉनों ने फ्री-स्ट्रीमिंग शुरू कर दी। यह युग CMB के माध्यम से मनाया जाता है। चूँकि हम CMB को एक 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। CMB भौतिक रूप से 'अंतिम प्रकीर्णन की सतह' का वर्णन करता 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 कण क्षितिज#अनुरूप समय और कण क्षितिज 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 बंद कर देता है)। माना जाता है कि डिकूप्लिंग, या अंतिम बिखराव, बिग बैंग के लगभग 300,000 साल बाद या लगभग एक रेडशिफ्ट पर हुआ था। $$z_{rec} \approx 1100$$. हम ब्रह्मांड के अनुमानित कोणीय व्यास और उस समय मौजूद कण क्षितिज के भौतिक आकार दोनों को निर्धारित कर सकते हैं।

रेडशिफ्ट के संदर्भ में कोणीय व्यास की दूरी $$z$$, द्वारा वर्णित है $$d_{A}(z)=r(z) / (1+z)$$. यदि हम एक 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)}.$$ पुनर्संयोजन का युग ब्रह्मांड के पदार्थ प्रधान युग के दौरान हुआ था, इसलिए हम अनुमान लगा सकते हैं $$H(z)$$ जैसा $$H^2(z) \approx \Omega_m H_0^2 (1+z)^3$$. इन्हें एक साथ रखकर, हम देखते हैं कि कोणीय व्यास की दूरी, या रेडशिफ्ट के लिए देखने योग्य ब्रह्मांड का आकार $$z_{rec} \approx 1100$$ है


 * $$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).$$ तब से $$z \gg 1$$, हम उपरोक्त समीकरण को अनुमानित कर सकते हैं


 * $$r(z) \approx \frac{2}{\sqrt{\Omega_m}H_0}.$$ इसे कोणीय व्यास दूरी की हमारी परिभाषा में प्रतिस्थापित करते हुए, हम प्राप्त करते हैं


 * $$d_A(z) \approx \frac{2}{\sqrt{\Omega_m}H_0}\frac{1}{1+z}.$$

इस सूत्र से, हम ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि के कोणीय व्यास की दूरी को प्राप्त करते हैं $$d_A(1100) \approx 14\ \mathrm{Mpc}$$.

कण क्षितिज अधिकतम दूरी का वर्णन करता है कि प्रकाश कण ब्रह्मांड की आयु को देखते हुए पर्यवेक्षक तक यात्रा कर सकते थे। हम पुनर्संयोजन के समय ब्रह्मांड की आयु के लिए कमिंग दूरी का उपयोग करके निर्धारित कर सकते हैं $$r(z)$$ पहले से,


 * $$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}} $$ कण क्षितिज का भौतिक आकार प्राप्त करने के लिए $$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

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

CMB 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 थर्मल संतुलन स्थापित करने के लिए पूरे आकाश के आकस्मिक संपर्क में नहीं होने के बावजूद हम पूरे आकाश में सीएमबी तापमान में आइसोट्रॉपी देखते हैं। इस समस्या के विज़ुअलाइज़ेशन के लिए दाईं ओर टाइमस्पेस आरेख देखें।

यदि ब्रह्मांड अलग-अलग स्थानों में थोड़े अलग तापमान के साथ शुरू हुआ, तो CMB को आइसोट्रोपिक नहीं होना चाहिए, जब तक कि कोई ऐसा तंत्र न हो जो डिकूप्लिंग के समय तापमान को बराबर कर दे। वास्तव में, CMB का तापमान पूरे आकाश में समान होता है, 2.726 ± 0.001 K.

मुद्रास्फीति मॉडल
ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति के सिद्धांत ने 10 को प्रस्तुत करके समस्या का समाधान करने का प्रयास किया है$−32$-एक स्केलर फील्ड इंटरेक्शन के कारण ब्रह्मांड के इतिहास के पहले सेकंड में घातीय विस्तार की दूसरी अवधि। मुद्रास्फीति मॉडल के अनुसार, ब्रह्मांड आकार में 10 से अधिक के कारक से बढ़ा$22$, निकट संतुलन में एक छोटे और यथोचित रूप से जुड़े क्षेत्र से। तब मुद्रास्फीति ने ब्रह्मांड का तेजी से विस्तार किया, अंतरिक्ष-समय के आस-पास के क्षेत्रों को अलग-थलग कर दिया, उन्हें कारण संपर्क की सीमा से परे बढ़ाकर, बड़ी दूरी पर एकरूपता में प्रभावी रूप से लॉक कर दिया। अनिवार्य रूप से, मुद्रास्फीति मॉडल से पता चलता है कि ब्रह्मांड बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड में पूरी तरह से कारण संपर्क में था। मुद्रास्फीति तब इस ब्रह्मांड को लगभग 60 ई-फोल्डिंग (पैमाने कारक एक कारक से बढ़ जाती है) द्वारा विस्तारित करती है $$e^{60}$$). मुद्रास्फीति बहुत बड़े पैमाने पर होने के बाद हम सीएमबी का निरीक्षण करते हैं। मुद्रास्फीति से तेजी से विस्तार के कारण इसने इस बड़े आकार के तापीय संतुलन को बनाए रखा।

ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति का एक परिणाम यह है कि क्वांटम उतार-चढ़ाव के कारण बिग बैंग में एनिसोट्रॉपिक कम हो जाती है लेकिन पूरी तरह से समाप्त नहीं होती है। ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि के तापमान में अंतर ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति द्वारा सुचारू किया जाता है, लेकिन वे अभी भी मौजूद हैं। सिद्धांत माइक्रोवेव पृष्ठभूमि में अनिसोट्रॉपी के लिए एक स्पेक्ट्रम की भविष्यवाणी करता है जो ज्यादातर WMAP और लौकिक पृष्ठभूमि एक्सप्लोरर  की टिप्पणियों के अनुरूप है। हालाँकि, इस एकरूपता को समझाने के लिए अकेले गुरुत्वाकर्षण पर्याप्त हो सकता 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। VSL मॉडल में, मौलिक स्थिरांक c, निर्वात में प्रकाश की गति को दर्शाता है, प्रारंभिक ब्रह्मांड में इसके वर्तमान मूल्य से अधिक है, प्रभावी रूप से CMB के देखे गए आइसोट्रॉपी के लिए खाते में पर्याप्त रूप से विघटित होने के समय कण क्षितिज को प्रभावी ढंग से बढ़ाता है।

यह भी देखें

 * सपाटता की समस्या
 * चुंबकीय मोनोपोल

बाहरी संबंध

 * Different Horizons in Cosmology