Pomysł, że wszechświat rozszerza się szybciej niż prędkość światła, wydaje się naruszać bezwzględne ograniczenie prędkości. Ale to nieprawda. Jednak to sprawia, że określenie odległości w przestrzeni jest znacznie bardziej złożone niż zwykłe mierzenie czasu potrzebnego światłu, aby do nas dotrzeć.
Podczas gdy fotony są w drodze, przestrzeń nadal się rozszerza. Galaktyka emituje wiązkę światła. Ten foton pędzi w stronę naszego teleskopu. W międzyczasie tkanina przestrzeni między nimi jest rozciągnięta. Zanim światło dotrze do obiektywu, pierwotna galaktyka jest znacznie dalej niż była na początku. To nie jest tylko teoria. Dlatego astronomowie muszą polegać na modelach, aby określić, gdzie obiekty znajdują się teraz.
Światło pokazuje nam przeszłość. Nie to, co prawdziwe.
Aby odwzorować aktualne położenie tych odległych obiektów, używamy modelu kosmologicznego. W szczególności model Lambda-CDM (ΛCDM). Uwzględnia ciemną materię i ciemną energię. Wiemy, że ciemna materia odgrywa rolę (patrz osobny odcinek). Wiemy, że ciemna energia napędza przyspieszenie (zobacz inny odcinek). Istnieją teorie alternatywne, ale rzadko zmieniają one podstawowe mechanizmy ekspansji kosmologicznej na tyle, aby mieć wpływ na konkretną kwestię.
Definiowanie krawędzi obserwowalnego Wszechświata
Spójrzmy na liczby. Wiek Wszechświata wynosi około 13,77 miliardów lat. Światło miało wystarczająco dużo czasu na podróż. Zatem naiwne obliczenia mogą sugerować, że krawędź tego, co widzimy, znajduje się w odległości 13,77 miliardów lat świetlnych.
Zostaniesz udowodniony, że się mylisz.
Ponieważ przestrzeń rozszerzała się przez cały czas podróży światła, obiekt, który wyemitował najstarsze światło, znajduje się obecnie w odległości około 45 miliardów lat świetlnych. Granica ta nazywana jest horyzontem cząstek (horyzontem cząstki). Czasami kosmolodzy nazywają to nadchodzącym horyzontem. Czasami używa się terminu „horyzont kosmologiczny”. Nazwa zmienia się w zależności od nastroju astrofizyka, a nie od praw fizyki.
45 miliardów. Znacznie więcej niż 13,77.
Czy to oznacza, że informacja przemieszcza się szybciej niż światło? Nie. Oznacza to, że sama przestrzeń się rozszerza. A przestrzeń nie podlega tym samym prawom co materia.
Prędkość światła to lokalne ograniczenie prędkości. Reguluje prędkość, z jaką obiekty mogą poruszać się w przestrzeni. Nie ogranicza szybkości rozszerzania się samej przestrzeni. Nigdy nie zobaczysz rakiety przelatującej obok Twojego okna szybciej niż c. Ale jeśli obserwujesz dwie odległe galaktyki, mogą one oddalać się od siebie z dowolną prędkością. Nie poruszają się w przestrzeni w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Dystans między nimi po prostu rośnie.
Dlaczego przesunięcie ku czerwieni jest ważniejsze niż prędkość
Skąd wiemy, że tak się dzieje? Mierzymy przesunięcie ku czerwieni.
Gdy galaktyka oddala się od nas, jej światło rozciąga się w kierunku bardziej czerwonych, dłuższych fal widma elektromagnetycznego. To właśnie to zjawisko wykorzystał Edwin Hubble do odkrycia ekspansji Wszechświata. Zauważył, że im dalej galaktyka, tym większe jest jej przesunięcie ku czerwieni.
Większe przesunięcie ku czerwieni oznacza większą szybkość usuwania.
W rozszerzającym się wszechświecie odległość i prędkość są ze sobą powiązane. Im dalej znajduje się obiekt, tym większa jest przestrzeń między tobą a nim. Większa przestrzeń oznacza większą rozbudowę. A większa ekspansja oznacza większą prędkość.
Jest pewien punkt krytyczny. Nazywa się to odległością Hubble’a. Znajduje się około 13,77 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Obiekty znajdujące się w tej odległości oddalają się od nas z prędkością światła.
Za tą granicą? Poruszają się szybciej niż światło.
Obejście przepisów? Nie. Tak właśnie działa szczególna teoria względności w skali kosmicznej. Lokalnie nic nie przebije światła. Globalnie? Kosmos może robić co chce.
Ukryta granica: horyzont zdarzeń
Widzimy więc galaktyki oddalające się z prędkością większą niż prędkość światła. Wydaje się to paradoksem. Ale jest niuans.
Widzimy, że te odległe galaktyki oddalają się z prędkością większą od światła tylko dlatego, że światło, które obecnie wyłapujemy, zostało wyemitowane miliardy lat temu. Byli wtedy znacznie bliżej. Były w zasięgu naszych teleskopów.
Istnieje sztywna granica tego, co możemy zobaczyć. To nie jest horyzont cząstek (45 miliardów lat świetlnych). To coś bliższego i bardziej ostatecznego.
Horyzont zdarzeń kosmologicznych.
Położona w odległości około 17 miliardów lat świetlnych granica oddziela galaktyki, które widzimy dzisiaj, od tych, których nigdy nie będziemy w stanie zobaczyć, niezależnie od tego, jak długo będziemy czekać na pojawienie się nowego światła. Światło emitowane obecnie poza tą linią nigdy do nas nie dotrze. Ekspansja następuje zbyt szybko.
Ciemna energia czyni tę granicę bardziej agresywną.
Przyspieszająca ekspansja napędzana ciemną energią zapewnia stabilizację horyzontu zdarzeń. Wzrośnie nieznacznie, ostatecznie ustabilizując się na poziomie około 60 miliardów lat świetlnych. Ale poza nim? Ciemność.
Większość odległych galaktyk zniknie z pola widzenia z powodu przesunięcia ku czerwieni. Ich światło rozciągnie się w tak długie i słabe fale, że stanie się niewidoczne.
To nie jest spekulacja. Są to prognozy oparte na bieżących danych. Jeśli za około 100 miliardów lat ludzkość (lub cokolwiek ją zastąpi) będzie nadal patrzeć w niebo, wszystkie galaktyki poza naszą Grupą Lokalną znikną. Wszechświat będzie wydawał się pusty. Tylko nasze własne „podwórko” pośrodku morza nicości.
To samotna przyszłość dla astronomów. Ale jest to zgodne ze znaną nam fizyką. Wszechświat się rozszerza. Przestrzeń się rozciąga. A niektóre rzeczy giną w ciemności nie dlatego, że umarły, ale dlatego, że odleciały za daleko i za szybko.
I taki jest porządek rzeczy.
