Космологи в душі мандрівники в часі. Озираючись назад на мільярди років, ці вчені здатні простежити еволюцію нашого Всесвіту в дивовижних деталях. 13,8 мільярда років тому стався Великий Вибух. Через частки секунди експоненціально розширилася Всесвіт - за короткий період часу під назвою інфляція. Протягом наступних епох космос виріс до величезних розмірів, ми навіть не бачимо його країв.
Але як це може бути можливо? Якщо швидкість світла знаменує космічне обмеження швидкості, як можуть існувати регіони простору-часу, фотони яких знаходяться поза нашої досяжності? А якщо вони й існують, як нам дізнатися про їхнє існування? На це питання відповіла Ванесса Янек з UniverseToday.
розширюється Всесвіт
Як і все інше в фізиці, наш Всесвіт прагне існувати в нижчому енергетичному стані з можливих. Але через 10 ^ -36 секунд після Великого Вибуху, як вважають інфляційні космологи, космос перебував в енергії помилкового вакууму - нижчій точці, яка насправді не була нижчою. У пошуках справжнього надира енергії вакууму, через частку секунди, Всесвіт роздулася з коефіцієнтом 1050.
З тих пір Всесвіт продовжує розширюватися, але з меншою швидкістю. Ми бачимо свідоцтва цього розширення в світлі далеких об'єктів. У міру того як фотони, випущені зіркою або галактикою, поширюються по Всесвіту, розтягнення простору змушує їх втрачати енергію. Коли фотони досягають нас, їх довжини хвиль демонструють червоне зміщення відповідно до дистанцією, яку вони пройшли.
Ось чому космологи говорять про червоному зсуві як про функції відстані в просторі і часі. Світло від віддалених об'єктів подорожує так довго, що коли ми, нарешті, бачимо його, ми спостерігаємо об'єкти такими, якими вони були мільярди років тому.
обсяг Хаббла
Червоне зміщення світла дозволяє нам бачити об'єкти на кшталт галактик такими, якими вони існували в далекому минулому, але ми не можемо спостерігати всі події, які відбувалися в нашому Всесвіті протягом її історії. Оскільки наш космос розширюється, світло деяких об'єктів виявляється просто занадто далекий від нас, щоб його помітити.
Фізика цього кордону спирається, зокрема, на шматок навколишнього нас простору-часу під назвою обсяг Хаббла. Тут, на Землі, ми визначаємо обсяг Хаббла шляхом вимірювання так званого параметра Хаббла (H0), величини, яка пов'язує швидкість розбігання далеких об'єктів з їх червоним зміщенням. Вперше її обчислив Едвін Хаббл в 1929 році, виявивши, що далекі галактики віддаляються від нас зі швидкістю, пропорційної червоному зсуву їх світла.
Два джерела червоного зсуву: Доплер і космологічне розширення. Знизу: детектори вловлюють світло, випущений центральної зіркою. Це світло розтягнутий, або зміщений, разом з розширенням простору
Розділивши швидкість світла на H0, ми отримаємо обсяг Хаббла. Цей сферичний бульбашка охоплює область, в якій всі об'єкти віддаляються від центрального спостерігача зі швидкістю, меншою швидкості світла. Відповідно, всі об'єкти за межами обсягу Хаббла віддаляються від центру швидше за швидкість світла.
Так, «швидше за швидкість світла». Як це можливо?
магія відносності
Відповідь на це питання пов'язана з різницею між спеціальною теорією відносності і загальної теорії відносності. Спеціальна теорія відносності вимагає так званої «системи відліку», або, якщо простіше, фону. Відповідно до цієї теорії, швидкість світла однакова у всіх інерціальних системах. Якщо спостерігач сидить на лаві в парку планети Земля або злітає з Нептуна із запаморочливою швидкістю, для нього швидкість світла завжди буде однаковою. Фотон завжди віддаляється від спостерігача зі швидкістю 300 000 000 метрів в секунду.
Загальна теорія відносності, однак, описує тканину самого простору-часу. У цій теорії інерційних систем відліку немає. Простір не розширюється щодо чого-небудь за його межами, тому межа швидкості світла відносно спостерігача не працює. Так, галактики за межами сфери Хаббла віддаляються від нас швидше за швидкість світла. Але галактики самі по собі не долають космічні обмеження. Для спостерігача в одній з таких галактик ніщо не порушує спеціальну теорію відносності. Це простір між нами і ці галактики прискорюються і розтягуються експоненціально.
Видимий Всесвіт
Можливо, наступне вас трохи здивує: обсяг Хаббла - це не те ж саме, що і спостерігається Всесвіт.
Щоб зрозуміти це, розглянемо, що коли Всесвіт стає старше, віддаленого світла потрібно більше часу, щоб досягти наших детекторів тут, на Землі. Ми можемо бачити об'єкти, які прискорилися за межі нашого нинішнього обсягу Хаббла, тому що світло, який ми бачимо сьогодні, був випущений ними, коли вони були всередині сфери.
Строго кажучи, наша спостерігається Всесвіт збігається з чимось під назвою горизонт частинок. Горизонт частинок зазначає відстань до найдальшого світла, який ми можемо спостерігати в цей момент часу - у фотонів було достатньо часу, щоб або залишитися в межах, або наздогнати м'яко розширюється сферу Хаббла.
Видимий Всесвіт. Технічно відома як горизонт частинок
Що з відстанню? Трохи більше 46 мільярдів світлових років в будь-якому напрямку - і наша спостерігається Всесвіт в діаметрі становить приблизно 93 мільярди світлових років, або понад 500 мільярдів трильйонів кілометрів.
(Невелика замітка: горизонт частинок - це не те ж саме, що космологічний горизонт подій. Горизонт частинок охоплює всі події в минулому, які ми можемо бачити в даний час. Космологічний горизонт подій, з іншого боку, визначає відстань, на якому майбутній спостерігач зможе побачити на той момент древній світ, який випромінюється нашим невеликим куточком простору-часу сьогодні.
Іншими словами, горизонт частинок має справу з відстанню до об'єктів в минулому, древній світ яких ми можемо спостерігати сьогодні; а космологічний горизонт подій має справу з відстанню, яке зможе пройти наш сучасний світ, у міру того як далекі куточки Всесвіту будуть прискорюватися від нас).
темна енергія
Завдяки розширенню Всесвіту, є регіони космосу, які ми ніколи не побачимо, навіть якщо будемо чекати нескінченне час, поки їх світло не досягне нас. Але як щодо тих зон, які лежать відразу за межами нашого сучасного обсягу Хаббла? Якщо ця сфера теж розширюється, чи зможемо ми побачити ці прикордонні об'єкти?
Це залежить від того, який регіон розширюється швидше - обсяг Хаббла або частини Всесвіту в безпосередній близькості від нього зовні. І відповідь на це питання залежить від двох речей: 1) збільшується або зменшується H0; 2) прискорюється або сповільнюється Всесвіт. Ці два темпу тісно пов'язані між собою, але не є одним і тим же.
По суті, космологи вважають, що ми живемо в час, коли H0 зменшується; але через темної енергії швидкість розширення Всесвіту зростає.
Може здатися нелогічним, але поки H0 зменшується більш повільними темпами, ніж зростає швидкість розширення Всесвіту, загальний рух галактик від нас як і раніше відбувається з прискоренням. І в цей момент часу, як вважають космологи, розширення Всесвіту буде випереджати більш скромне зростання обсягу Хаббла.
Тому навіть при тому, що обсяг Хаббла розширюється, вплив темної енергії встановлює жорсткий ліміт на розростання спостережуваному Всесвіті.