Идея о том, что Вселенная расширяется со скоростями, превышающими скорость света, кажется нарушением абсолютного предела скорости. Но это не так. Однако это делает определение расстояния в пространстве гораздо более сложной задачей, чем просто измерение времени, за которое свет до нас дошел.
Пока фотоны находятся в пути, пространство продолжает расширяться. Галактика испускает луч света. Этот фотон мчится к нашему телескопу. Тем временем ткань пространства между ними растягивается. К тому времени, как свет попадает в объектив, исходная галактика находится гораздо дальше, чем была в начале его пути. Это не просто теория. Именно поэтому астрономы вынуждены полагаться на модели, чтобы определить, где объекты находятся сейчас.
Свет показывает нам прошлое. А не настоящее.
Чтобы картографировать текущее положение этих удаленных объектов, мы используем космологическую модель. В частности, модель Лямбда-CDM (ΛCDM). Она учитывает темную материю и темную энергию. Мы знаем, что темная материя играет определенную роль (см. отдельный эпизод). Мы знаем, что темная энергия управляет ускорением (см. другой эпизод). Существуют и альтернативные теории, но они редко меняют базовые механизмы космологического расширения настолько, чтобы это имело значение для конкретного вопроса.
Определение края наблюдаемой Вселенной
Давайте посмотрим на цифры. Возраст Вселенной составляет около 13,77 миллиарда лет. У света было ровно столько времени, чтобы путешествовать. Поэтому наивный расчет может подсказать, что край того, что мы можем увидеть, находится на расстоянии 13,77 миллиарда световых лет.
Вы окажетесь неправы.
Поскольку пространство расширялось все это время, пока шел свет, объект, испустивший самый древний свет, сейчас находится на расстоянии примерно 45 миллиардов световых лет. Эта граница называется частицевым горизонтом (horizon of particle). Иногда космологи называют ее компонующим горизонтом (comoving horizon). Иногда используют термин «космологический горизонт». Название меняется в зависимости от настроения астрофизика, а не от законов физики.
45 миллиардов. Гораздо больше, чем 13,77.
Значит ли это, что информация распространяется быстрее света? Нет. Это означает, что само пространство расширяется. А пространство не подчиняется тем же правилам, что и материя.
Скорость света — это локальный предел скорости. Она регулирует то, как быстро объекты могут двигаться через пространство. Она не ограничивает то, насколько быстро может расширяться само пространство. Вы никогда не увидите, как ракета пролетит мимо вашего окна быстрее c. Но если вы наблюдаете за двумя удаленными галактиками, они могут удаляться друг от друга с любой скоростью. Они не движутся через пространство в традиционном смысле. Просто расстояние между ними растет.
Почему красное смещение важнее скорости
Как мы узнаем, что это происходит? Мы измеряем красное смещение.
Когда галактика удаляется от нас, ее свет растягивается в более красную и длинноволновую часть электромагнитного спектра. Именно это явление использовал Эдвин Хаббл, чтобы открыть факт расширения Вселенной. Он заметил, что чем дальше галактика, тем выше ее красное смещение.
Большее красное смещение означает большую скорость удаления.
В расширяющейся Вселенной расстояние и скорость связаны. Чем дальше объект, тем больше пространства между вами и им. Больше пространства означает больше расширения. А большее расширение означает более высокую скорость.
Существует определенная критическая точка. Она называется расстоянием Хаббла. Оно находится примерно на расстоянии 13,77 миллиарда световых лет от Земли. Объекты на этом расстоянии удаляются от нас со скоростью света.
За этой границей? Они движутся быстрее света.
Обход правил? Нет. Так работает специальная теория относительности в космических масштабах. Локально ничто не обгоняет свет. Глобально? Пространство может делать все что захочет.
Скрытая граница: Горизонт событий
Итак, мы видим галактики, удаляющиеся быстрее скорости света. Это кажется парадоксом. Но есть нюанс.
Мы видим эти далекие галактики, удаляющиеся сверхсветовыми скоростями, только потому, что свет, который мы улавливаем сейчас, был испущен миллиарды лет назад. Тогда они были гораздо ближе. Они находились в пределах досягаемости наших телескопов.
Существует жесткий предел того, что мы можем увидеть. Это не частицевый горизонт (отметка в 45 миллиардов световых лет). Это нечто более близкое и окончательное.
Космологический горизонт событий.
Расположенный примерно на расстоянии 17 миллиардов световых лет, эта граница отделяет галактики, которые мы можем видеть сегодня, от тех, которые мы никогда не сможем увидеть, как бы долго мы ни ждали появления нового света. Свет, испущенный за этой чертой прямо сейчас, никогда не достигнет нас. Расширение происходит слишком быстро.
Темная энергия делает эту границу более агрессивной.
Ускоряющееся расширение, обусловленное темной энергией, гарантирует, что горизонт событий стабилизируется. Он немного вырастет, в конечном итоге выровнявшись примерно на отметке в 60 миллиардов световых лет. Но за ее пределами? Тьма.
Большинство удаленных галактик исчезнут из виду из-за красного смещения. Их свет растянется в такие длинные и тусклые волны, что станет невидимым.
Это не спекуляция. Это прогнозы, основанные на текущих данных. Примерно через 100 миллиардов лет, если человечество (или то, что придет ему на смену) все еще будет смотреть в небо, все галактики за пределами нашей Местной группы исчезнут. Вселенная будет казаться пустой. Лишь наш собственный «двор» посреди моря ничтожества.
Это одиночное будущее для астрономов. Но оно согласуется с известной нам физикой. Вселенная расширяется. Пространство растягивается. И некоторые вещи теряются во тьме не потому, что они умерли, а потому, что улетели слишком далеко и слишком быстро.
И таков порядок вещей.
