Ідея про те, що Всесвіт розширюється зі швидкостями, що перевищують швидкість світла, видається порушенням абсолютної межі швидкості. Але це негаразд. Однак це робить визначення відстані в просторі набагато складнішим завданням, ніж просто вимір часу, за який світло до нас дійшло.
Поки фотони в дорозі, простір продовжує розширюватися. Галактика випромінює промінь світла. Цей фотон мчить до телескопа. Тим часом тканина простору між ними розтягується. На той час, як світло потрапляє в об’єктив, вихідна галактика знаходиться набагато далі, ніж була на початку його шляху. Це не просто теорія. Саме тому астрономи змушені покладатися на моделі, щоб визначити, де об’єкти знаходяться зараз.
Світло показує нам минуле. А не справжнє.
Для картографування поточного положення цих віддалених об’єктів ми використовуємо космологічну модель. Зокрема модель Лямбда-CDM (ΛCDM). Вона враховує темну матерію та темну енергію. Ми знаємо, що темна матерія відіграє певну роль (див. окремий епізод). Ми знаємо, що темна енергія керує прискоренням (див. інший епізод). Існують і альтернативні теорії, але вони рідко змінюють базові механізми космологічного розширення настільки, щоб це мало значення для конкретного питання.
Визначення краю Всесвіту, що спостерігається
Погляньмо на цифри. Вік Всесвіту становить близько 13,77 мільярда років. У світла було рівно стільки часу, щоб мандрувати. Тому наївний розрахунок може підказати, що край того, що ми можемо побачити, на відстані 13,77 мільярда світлових років.
Ви опинитеся неправі.
Оскільки простір розширювався весь цей час, поки йшло світло, об’єкт, що випустив найдавніше світло, зараз знаходиться на відстані приблизно 45 мільярдів світлових років. Ця межа називається частинним горизонтом (horizon of particle). Іноді космологи називають її компонуючим обрієм (comoving horizon). Іноді використовують термін «космологічний обрій». Назва змінюється залежно від настрою астрофізика, а чи не від законів фізики.
45 мільярдів. Набагато більше ніж 13,77.
Чи означає це, що інформація поширюється швидше за світло? Ні. Це означає, що простір розширюється. А простір не підпорядковується тим самим правилам, як і матерія.
Швидкість світла – це локальна межа швидкості. Вона регулює те, як швидко об’єкти можуть рухатися через простір. Вона не обмежує те, як швидко може розширюватися сам простір. Ви ніколи не побачите, як ракета пролетить повз ваше вікно швидше c. Але якщо ви спостерігаєте за двома віддаленими галактиками, вони можуть віддалятися один від одного з швидкістю. Вони не рухаються через простір у традиційному значенні. Просто відстань між ними зростає.
Чому червоне зміщення важливіше за швидкість
Як ми дізнаємось, що це відбувається? Ми вимірюємо червоне усунення.
Коли галактика віддаляється від нас, її світло розтягується у більш червону та довгохвильову частину електромагнітного спектру. Саме це явище використав Едвін Хаббл, щоб відкрити факт розширення Всесвіту. Він помітив, що що далі галактика, то вище її червоне усунення.
Більше червоне усунення означає велику швидкість видалення.
У Всесвіті, що розширюється, відстань і швидкість пов’язані. Чим далі об’єкт, тим більше простору між вами та ним. Більше простору означає більше розширення. А більше розширення означає більш високу швидкість.
Існує певна критична точка. Вона називається відстанню Хаббла. Воно знаходиться приблизно на відстані 13,77 мільярдів світлових років від Землі. Об’єкти на цій відстані віддаляються від нас зі швидкістю світла.
За цим кордоном? Вони рухаються швидше за світло.
Обхід правил? Ні. Так працює спеціальна теорія відносності у космічних масштабах. Локально нічого не обганяє світло. Глобально? Простір може робити все, що захоче.
Прихований кордон: Горизонт подій
Отже, ми бачимо галактики, що віддаляються швидше за швидкість світла. Це здається парадоксом. Але є нюанс.
Ми бачимо ці далекі галактики, що видаляються надсвітловими швидкостями, тільки тому, що світло, яке ми вловлюємо зараз, було випущено мільярди років тому. Тоді вони були набагато ближчими. Вони перебували у межах досяжності наших телескопів.
Існує тверда межа того, що ми можемо побачити. Це не частковий горизонт (позначка 45 мільярдів світлових років). Це щось ближче та остаточне.
Космологічний обрій подій.
Розташований приблизно на відстані 17 мільярдів світлових років, цей кордон відокремлює галактики, які ми можемо бачити сьогодні, від тих, які ми ніколи не зможемо побачити, як би довго ми не чекали появи нового світла. Світло, випущене за цією межею прямо зараз, ніколи не досягне нас. Розширення відбувається надто швидко.
Темна енергія робить цей кордон більш агресивним.
Розширення, що прискорюється, обумовлене темною енергією, гарантує, що горизонт подій стабілізується. Він трохи зросте, зрештою вирівнявшись приблизно на позначці 60 мільярдів світлових років. Але за її межами? Темрява.
Більшість віддалених галактик зникнуть на увазі через червоне зміщення. Їхнє світло розтягнеться в такі довгі і тьмяні хвилі, що стане невидимим.
Це не спекуляція. Це прогнози, що базуються на поточних даних. Приблизно через 100 мільярдів років, якщо людство (або те, що прийде йому на зміну), все ще дивитися в небо, всі галактики за межами нашої Місцевої групи зникнуть. Всесвіт здаватиметься порожнім. Лише наш власний «двір» серед моря нікчеми.
Це поодиноке майбутнє для астрономів. Але воно узгоджується із відомою нам фізикою. Всесвіт розширюється. Простір розтягується. І деякі речі губляться у пітьмі не тому, що вони померли, а тому, що полетіли надто далеко і надто швидко.
І такий порядок речей.
