Спросите Итана: как мы можем заглядывать так далеко, находясь в такой молодой Вселенной?

Изображение чрезвычайно удалённой части Вселенной, многие галактики находятся в десятках миллиардов световых лет от нас

Со Вселенной связано несколько фундаментальных фактов – её происхождение, её история, её текущее состояние – которые очень сложно уложить в сознании. Один из них – Большой взрыв, идея о том, что Вселенная началась определённое количество лет назад, а именно, 13,8 млрд. Тогда случился первый момент, начиная с которого мы можем описывать Вселенную такой, какой знаем её сегодня: заполненной материей и излучением, и ингредиентами, которые в итоге выросли в звёзды, галактики, планеты и людей. Насколько же далеко мы можем заглянуть? Вы можете думать, что поскольку всё во Вселенной ограничено скоростью света, это будет период в 13,8 млрд лет. Но это не так, и один из читателей хочет узнать:

Как мы можем изучать участок космоса размером в 92 млрд миль [видимо, имелось в виду световых лет – прим. перев.], когда свет с краёв шёл к нам только 13,7 млрд лет? Даже если предположить, что эти точки отодвинулись от нас дальше за время путешествия света, и мы рассчитываем, где они должны быть, а не где мы их видим, и учитывая, что пространство на таких расстояниях расширяется быстрее с, всё равно кажется, что это слишком большие числа.

К этой задачке можно подойти с трёх сторон, но лишь одна будет верной.

Логарифмическое изображение обозримой Вселенной в представлении художника

1) Вещество есть везде, а свет двигается со скоростью света. По умолчанию у людей складывается именно такая картина. Можно представить себе Вселенную, заполненную звёздами и галактиками везде, где ни посмотри, и то, что эти звёзды и галактики начали формироваться почти сразу после начала всего. Поэтому, чем дольше мы ждём, тем дальше можем видеть, так как свет двигается по прямой со скоростью света. Поэтому через 13,8 млрд лет можно ожидать, что мы сумеем заглянуть назад почти на 13,8 млрд лет, вычтя только время, потребовавшееся на формирование звёзд и галактик после Большого взрыва.

2) Вещество есть везде, свет двигается со скоростью с, и всё может передвигаться в пространстве. У проблемы появляется ещё один уровень – существует не только куча испускающего свет вещества, но эти объекты ещё и двигаются друг относительно друга. Поскольку они могут двигаться в том числе и почти со скоростью света по правилам СТО, а свет двигается в вашу сторону со скоростью света, то можно ожидать, что мы сумеем заглянуть на расстояние почти в два раза большее, чем в первом пункте. Возможно, объекты могут находиться сейчас на расстоянии в 27,6 млрд световых лет от нас, если испускаемый ими свет только сейчас дошёл до нас, а сами они двигаются от нас почти со скоростью света.

2) Вещество есть везде, свет двигается со скоростью с, всё может передвигаться в пространстве, а Вселенная расширяется. Этот последний уровень – самый неинтуитивный, и вызывает больше всего проблем. Да, пространство заполнено материей, которая быстро скапливается в звёзды, галактики и структуры большего размера. Да, свет, излучаемый ею, двигается со скоростью с, скоростью света в вакууме. Вся эта материя может двигаться в пространстве, чаще всего из-за обоюдного гравитационного притяжения различных участков с увеличенной и уменьшенной плотностью. Всё это так, как было и в варианте 2.

Добавляется то, что само пространство тоже расширяется. Когда вы смотрите на удалённую галактику и видите, что она краснее нормального, то принято считать, что она краснее из-за движения, направленного в сторону от нас, в результате чего свет и сдвигается в красную часть волнового спектра. Точно так же звук сирены, двигающейся от вас, сдвигается к более длинным волнам и кажется ниже. Но это всё относится и ко второму варианту. ОТО добавляет ещё один момент, расширение пространства. И с расширением Вселенной ткань пространства растягивается, и у отдельных световых волн в пространстве длины также увелиичваются!

Вы можете решить, что эти два эффекта невозможно различить. Если всё, что можно измерить – это длину волны света, доходящего до вашего глаза, как можно быть уверенным, растянулась ли она за счёт движения или за счёт ткани пространства? Оказывается, существует взаимоотношение между красным смещением (а следовательно, и длиной волны) и наблюдаемой яркостью галактики, зависящей от расстояния. В нерасширяющейся Вселенной, как мы описали ранее, максимальное расстояние, на которое можно заглянуть, составит два возраста Вселенной в световых годах: 27,6 млрд световых лет. Но в нашей сегодняшней Вселенной мы уже увидели более отдалённые галактики!

Обзор GOODS-North, на фото одни из самых удалённых галактик из всех, что мы видели. Большая часть находится за пределами 30 млрд световых лет.

Так насколько далеко мы можем заглянуть? Если бы во Вселенной не было тёмной энергии, то самые дальние объекты – звёзды, галактики, остаточное свечение от Большого взрыва, и т.п. – были бы ограничены 41,4 млрд световых лет. Но во Вселенной с тёмной энергией эта величина ещё больше, и составляет порядка 46 млрд световых лет для наблюдаемой тёмной энергии.

blogs-images.forbes.com/startswithabang/files/2016/08/1-U1TKSOmpfiu_JRkSDzPquA.jpg ^[1]
Пунктирная линия – предсказания СТО, сплошная – ОТО, для расстояний в расширяющейся Вселенной. Наблюдения совпадают с предсказаниями ОТО.

Сложив всё это вместе, получим, что расстояние, на котором мы наблюдаем Вселенную, от одного конца до другого составляет 92 млрд световых лет. Не забывайте, что она постоянно расширяется. Если бы мы сегодня отправились в путь со скоростью света, мы смогли пройти бы только треть её размера в поперечнике, примерно 3% от объёма.

Поэтому, хотя 92 млрд световых лет кажутся большой величиной для Вселенной возрастом в 13,8 млрд лет, но это правильная величина для Вселенной, заполненной материей, тёмной энергией, и подчиняющейся законам ОТО. Причиной такого огромного размера служит то, что космос расширяется, и что новое пространство постоянно создаётся в промежутках между связанными галактиками, группами и скоплениями. Если учесть всё то, что в ней есть, что управляет ею и как появилось, получается, что по-другому и быть не могло.

Автор: SLY_G

Источник ^[2]