Zdá se, že myšlenka, že se vesmír rozpíná rychleji, než je rychlost světla, porušuje absolutní rychlostní limit. Ale to není pravda. To však činí určování vzdálenosti ve vesmíru mnohem složitějším než pouhé měření času, za který světlo dorazí k nám.
Zatímco jsou fotony na cestě, prostor se stále rozšiřuje. Galaxie vysílá paprsek světla. Tento foton se řítí směrem k našemu dalekohledu. Mezitím se natáhne tkanina prostoru mezi nimi. V době, kdy světlo dopadne na čočku, je původní galaxie mnohem dále, než byla, když začala. To není jen teorie. To je důvod, proč se astronomové musí spoléhat na modely, aby určili, kde se objekty nyní nacházejí.
Světlo nám ukazuje minulost. Ne to pravé.
Pro mapování aktuální polohy těchto vzdálených objektů používáme kosmologický model. Konkrétně model Lambda-CDM (ΛCDM). Bere v úvahu temnou hmotu a temnou energii. Víme, že temná hmota hraje roli (viz samostatná epizoda). Víme, že temná energie pohání zrychlení (viz další epizoda). Existují alternativní teorie, ale ty jen zřídka změní základní mechanismy kosmologické expanze natolik, aby mohly změnit konkrétní otázku.
Definování okraje pozorovatelného vesmíru
Podívejme se na čísla. Stáří vesmíru je asi 13,77 miliardy let. Světlo mělo tak akorát čas na cestu. Naivní výpočet by tedy mohl naznačovat, že okraj toho, co můžeme vidět, je vzdálen 13,77 miliardy světelných let.
Bude prokázáno, že se mýlíte.
Protože se vesmír rozšiřoval tak dlouho, dokud se světlo pohybovalo, objekt, který vyzařoval nejstarší světlo, je nyní vzdálen přibližně 45 miliard světelných let. Tato hranice se nazývá horizont částic (horizont částic). Někdy tomu kosmologové říkají comoving horizon. Někdy se používá termín „kosmologický horizont“. Název se mění v závislosti na náladě astrofyzika, nikoli na fyzikálních zákonech.
45 miliard. Mnohem více než 13,77.
Znamená to, že informace se šíří rychleji než světlo? Ne. To znamená, že samotný prostor se rozšiřuje. A prostor nepodléhá stejným pravidlům jako hmota.
Rychlost světla je místní rychlostní limit. Reguluje, jak rychle se mohou objekty pohybovat prostorem. Neomezuje, jak rychle se může samotný prostor rozšiřovat. Nikdy neuvidíte, že kolem vašeho okna proletí raketa rychleji než c. Ale pokud pozorujete dvě vzdálené galaxie, mohou se od sebe vzdalovat libovolnou rychlostí. Nepohybují se prostorem v tradičním smyslu. Vzdálenost mezi nimi se prostě zvětšuje.
Proč je červený posuv důležitější než rychlost
Jak víme, že se to děje? Měříme červený posuv.
Jak se galaxie od nás vzdaluje, její světlo je nataženo do červenějších, delších vlnových délek elektromagnetického spektra. Právě tento jev využil Edwin Hubble k objevu expanze vesmíru. Všiml si, že čím dále je galaxie, tím vyšší je její rudý posuv.
Vyšší červený posuv znamená vyšší rychlost odstraňování.
V rozpínajícím se vesmíru spolu vzdálenost a rychlost souvisejí. Čím dále je předmět, tím více prostoru je mezi vámi a ním. Více prostoru znamená větší expanzi. A větší rozšíření znamená vyšší rychlost.
Existuje určitý kritický bod. Říká se tomu Hubbleova vzdálenost. Nachází se přibližně 13,77 miliardy světelných let od Země. Objekty v této vzdálenosti se od nás vzdalují rychlostí světla.
Za touto hranicí? Pohybují se rychleji než světlo.
Obcházení pravidel? Ne. Takto funguje speciální teorie relativity v kosmickém měřítku. Lokálně nic nepřekoná světlo. Globálně? Vesmír si může dělat, co chce.
Skrytá hranice: Horizont událostí
Vidíme tedy, že se galaxie vzdalují rychleji, než je rychlost světla. Vypadá to jako paradox. Ale je tu nuance.
Tyto vzdálené galaxie vidíme vzdalovat se rychlostí vyšší než světlo jen proto, že světlo, které nyní zachycujeme, bylo vyzařováno před miliardami let. Byli tehdy mnohem blíž. Byli v dosahu našich dalekohledů.
Existuje tvrdá hranice toho, co můžeme vidět. Toto není horizont částic (45 miliard světelných let). To je něco bližšího a konečnějšího.
Horizont kosmologických událostí.
Tato hranice se nachází přibližně 17 miliard světelných let daleko a odděluje galaxie, které můžeme vidět dnes, od těch, které nikdy neuvidíme, bez ohledu na to, jak dlouho čekáme, až se objeví nové světlo. Světlo vyzařované za touto hranicí k nám nikdy nedosáhne. Expanze probíhá příliš rychle.
Temná energie činí tuto hranici agresivnější.
Zrychlující se expanze poháněná temnou energií zajišťuje stabilizaci horizontu událostí. Bude mírně stoupat a nakonec se vyrovná na asi 60 miliard světelných let. Ale mimo něj? Tma.
Většina vzdálených galaxií zmizí z dohledu kvůli rudému posuvu. Jejich světlo se roztáhne do tak dlouhých a tlumených vln, že se stane neviditelným.
To není spekulace. Jedná se o prognózy založené na aktuálních datech. Za zhruba 100 miliard let, pokud se lidstvo (nebo cokoli, co to nahradí) stále dívá k obloze, všechny galaxie mimo naši Místní skupinu zmizí. Vesmír se bude zdát prázdný. Jen náš vlastní „dvor“ uprostřed moře bezvýznamnosti.
Toto je pro astronomy osamělá budoucnost. Ale souhlasí s fyzikou, kterou známe. Vesmír se rozpíná. Prostor se protahuje. A některé věci jsou ztraceny ve tmě, ne proto, že zemřely, ale proto, že letěly příliš daleko a příliš rychle.
A toto je řád věcí.
