مسألة الأفق
نظرة عامة > مسألة الأفق

على عكس هذا التوقع، يُظهر رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (سي إم بي) ومسوحات المجرات أن الكون المرصود موحد الخواص تقريبًا، ما يعني أيضًا، وفقًا لمبدأ كوبرنيكوس، أن الكون متجانس. تُظهر مسوحات السماء أن درجات حرارة سي إم بي متسقة حتى مستوى ΔT/T = 10−5 تقريبًا، حيث ΔT هو الفرق بين درجة الحرارة المرصودة في منطقة من السماء ومتوسط درجة حرارة سماء T. يشير هذا الاتساق إلى أن السماء بأكملها، وبالتالي الكون المرصود بأكمله، يجب أن تكون قد ارتبطت لفترة طويلة بما يكفي ليصل الكون إلى التوازن الحراري.
وفقًا لنموذج الانفجار العظيم، فمع انخفاض كثافة الكون المتوسع، خرجت الفوتونات في النهاية من الاتزان الحراري مع المادة؛ وانفصلت عن بلازما الإلكترونات والبروتونات وبدأت بالتدفق بحرية عبر الكون. يُشار إلى هذه الفترة من الزمن باسم عصر إعادة الاندماج، عندما اندمجت الإلكترونات والبروتونات لتشكيل الهيدروجين المتعادل كهربائيًا؛ وبدون وجود إلكترونات حرة لتشتت الفوتونات، بدأت الفوتونات بالتدفق بحرية. تُرصد هذه الفوتونات الآن على شكل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (سي إم بي). نظرًا لأننا نرصد سي إم بي كخلفية لأجسام ذات انزياح أحمر أقل، فإننا نصف هذه الفترة بأنها حقبة تحول الكون خلالها من معتم إلى شفاف. يصف سي إم بي فعليًا «سطح التشتت الأخير» لأنه يبدو لنا كسطح أو خلفية، كما هو موضح في الشكل أدناه.
لاحظ أننا نستخدم الزمن المطابق في الرسوم البيانية التالية. يصف الزمن المطابق مقدار الوقت اللازم لانتقال الفوتونات من موقع الراصد إلى أبعد مسافة قابلة للرصد (إذا توقف الكون عن التوسع الآن).
يُعتقد أن الانفصال، أو التشتت الأخير، قد حدث بعد نحو 300000 سنة من الانفجار العظيم، أو عندما كان الانزياح الأحمر يساوي zrec = 1100 تقريبًا. يمكننا تحديد القطر الزاوي التقريبي للكون والحجم الفيزيائي لأفق الجسيمات الذي كان موجودًا في تلك الفترة.
تُوصف مسافة القطر الزاوي، كدالة للانزياح الأحمر z، بالعلاقة dA(z) = r(z)/(1+z). إذا أن الكون مسطح، فإن:
r(z)=\int \limits _{t_{em}}^{t_{0}}dt/a(t)=\int \limits _{a_{em}}^{1}da/a^{2}H(a)=\int \limits _{0}^{z}dz/H(z).
حدثت فترة إعادة الاندماج خلال عصر من الكون هيمنت عليه المادة، لذلك يمكننا تقريب H (z) كما يلي  H(z)\approx \Omega _{m}H_{0}^{2}(1+z)^{3}. بجمعها معًا، يُعبر عن مسافة القطر الزاوي، أو حجم الكون المرصود، بالنسبة لانزياح أحمر يساوي 1100 تقريبًا، بالعلاقة التالية:
r(z)=\int \limits _{0}^{z}dz/H(z)={\frac {1}{\sqrt {\Omega _{m}H_{0}}}}\int \limits _{0}^{z}dz/(1+z)^{3/2}={\frac {2}{\sqrt {\Omega _{m}H_{0}}}}(1-{\frac {1}{\sqrt {1+z}}})
بما أن z>>1، يمكننا تقريب  r(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}
d_{A}(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}/(1+z)
d_{A}(1100)\approx 14\ Mpc
يصف أفق الجسيمات الحد الأقصى للمسافة التي يمكن أن تسافرها الفوتونات نحو الراصد خلال عمر الكون. يمكننا تحديد مسافة المسايرة لعمر الكون خلال فترة إعادة الاندماج باستخدام علاقة r (z) السابقة،
d_{hor,rec}(z)=\int \limits _{0}^{t(z)}dt/a(t)=\int \limits _{z}^{\infty }dz/H(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\left[{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}\right]_{z}^{\infty }\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}
لحساب الحجم الفيزيائي لأفق الجسيمات D، نستخدم العلاقة التالية:
D(z)=a(z)d_{hor,rec}=d_{hor,rec}(z)/(1+z)
D(1100)\approx 0.03\approx 2\ degrees
يُتوقع أن تكون أي منطقة من مناطق سي إم بي، في حدود درجتين من الانفصال الزاوي، في حالة الاتصال السببي، ولكن يجب ألا يكون هناك أي تبادل للمعلومات على أي نطاق أكبر من درجتين.
تقع مناطق سي إم بي المفصولة بأكثر من درجتين خارج آفاق جسيمات المناطق الأخرى وتكون مفصولةً سببيًا. تصف مسألة الأفق حقيقة أننا نرى توحدًا في خواص درجة حرارة سي إم بي عبر السماء بأكملها، على الرغم من أن السماء بأكملها ليست على اتصال سببي لتحقيق التوازن الحراري.
إذا بدأ الكون بدرجات حرارة مختلفة قليلًا في أماكن مختلفة، فينبغي ألا يكون سي إم بي موحد الخواص إلا إذا كانت هناك آلية توحد درجة الحرارة عند وقت الانفصال. في الواقع، تتمتع خلفية سي إم بي بنفس درجة الحرارة في السماء بأكملها، التي تعادل 0.001± 2.726 كلفن.