[Перевод] Спросите Итана: как далеко край Вселенной отстоит от самой далёкой галактики?
Изучение самых далёких галактик может показать нам объекты, расположенные в миллиардах световых лет от нас, но даже с идеальной технологией пространственный промежуток между самой далёкой галактикой и Большим взрывом будет оставаться огромным
Вглядываясь во Вселенную, мы видим свет везде, на всех расстояниях, на которые только способны заглянуть наши телескопы. Но в какой-то момент мы наткнёмся на ограничения. Одно из них накладывается космической структурой, формирующейся во Вселенной: мы можем видеть только звёзды, галактики и прочее, только если они излучают свет. Без этого наши телескопы ничего не способны разглядеть. Другое ограничение, при использовании видов астрономии, не ограничивающихся светом — это ограничение того, какая часть Вселенной доступна для нас с момента Большого взрыва. Две эти величины могут не быть связанными друг с другом, и именно по этой теме нам задаёт вопрос наш читатель:
Почему красное смещение реликтового излучения находится в пределах 1000, хотя самое большое красное смещение любой галактики из тех, что мы видели, равно 11?
Сначала мы должны разобраться с тем, что происходит в нашей Вселенной с момента Большого взрыва.
Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но наверняка есть и другие её участки, ненаблюдаемые нами, и, возможно, они даже бесконечны
Весь набор того, что мы знаем, видим, наблюдаем и с чем взаимодействуем, называют «наблюдаемой Вселенной». За пределами него, скорее всего, находится ещё больше участков Вселенной, и со временем у нас будет возможность видеть всё больше и больше этих участков, когда свет от удалённых объектов, наконец, достигнет нас после космического путешествия в миллиарды лет. Мы можем видеть то, что видим (и больше, а не меньше), благодаря комбинации из трёх факторов:
- Со времени Большого взрыва прошло конечное количество времени, 13,8 млрд лет.
- Скорость света, максимальная скорость для любого сигнала или частицы, передвигающегося по Вселенной, конечна и постоянна.
- Сама ткань пространства растягивается и расширяется с момента Большого взрыва.
Временная шкала истории наблюдаемой Вселенной
То, что нам видно сегодня, является результатом работы трёх этих факторов, совместно с изначальным распределением материи и энергии, работающих по законам физики на протяжении всей истории Вселенной. Если мы хотим узнать, какой была Вселенная в любой ранний момент времени, нам надо всего лишь пронаблюдать, какой она стала сегодня, измерить все связанные с этим параметры, и подсчитать, какой она была в прошлом. Для этого нам потребуется много наблюдений и измерений, но уравнения Эйнштейна, пусть и такие трудные, по крайней мере, недвусмысленны. Выводимые результаты выливаются в два уравнения, известные, как уравнения Фридмана, и с задачей их решения каждый студент, изучающий космологию, сталкивается напрямую. Но мы, честно говоря, сумели провести несколько удивительных измерений параметров Вселенной.
Глядя в направлении северного полюса Галактики Млечный Путь, мы можем заглядывать в глубины космоса. На этом изображении размечены сотни тысяч галактик, и каждый его пиксель — это отдельная галактика
Мы знаем, с какой скоростью она расширяется сегодня. Мы знаем, какова плотность материи в любом направлении, в котором мы смотрим. Мы знаем, сколько структур формируется на всех масштабах, от шаровых скоплений до карликовых галактик, от крупных галактик до их групп, скоплений и крупномасштабных нитевидных структур. Мы знаем, сколько во Вселенной нормальной материи, тёмной материи, тёмной энергии, а также более мелких составляющих, таких, как нейтрино, излучение, и даже чёрные дыры. И только исходя из этой информации, экстраполируя назад во времени, мы можем вычислить как размер Вселенной, так и скорость её расширения в любой момент её космической истории.
Логарифмический график зависимости размера наблюдаемой Вселенной от возраста [перевод мой / прим. перев.]
Сегодня наша обозримая Вселенная простирается на примерно 46,1 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения. На таком расстоянии находится точка старта воображаемой частицы, которая отправилась в путь в момент Большого взрыва, и, путешествуя со скоростью света, прибыла бы к нам сегодня, спустя 13,8 млрд лет. В принципе, на этом расстоянии были порождены все гравитационные волны, оставшиеся от космической инфляции — состояния, предшествовавшего Большому взрыву, настроившего Вселенную и обеспечившего все начальные условия.
Гравитационные волны, созданные космической инфляцией — это самый старый сигнал из всех, которые человечество в принципе могло бы засечь. Они родились в конце космической инфляции и в самом начале горячего Большого взрыва
Но во Вселенной остались и другие сигналы. Когда ей было 380 000 лет, остаточное излучение от Большого взрыва прекратило рассеиваться со свободных заряженных частиц, поскольку те образовали нейтральные атомы. И эти фотоны, после образования атомов, продолжают испытывать красное смещение вместе с расширением Вселенной, и их можно увидеть сегодня при помощи микроволновой или радиоантенны/телескопа. Но из-за большой скорости расширения Вселенной на ранних этапах, «поверхность», которая «светится» для нас этим остаточным светом — космический микроволновой фон — находится всего в 45,2 млрд световых лет от нас. Расстояние от начала Вселенной до того места, где Вселенная находилась через 380 000 лет, получается равным 900 млн световых лет!
Холодные флуктуации (синие) в реликтовом излучении не холоднее сами по себе, а просто представляют участки с усиленным гравитационным притяжением из-за увеличенной плотности материи. Горячие (красные) участки горячее, потому что излучение в этих регионах живёт в менее глубоком гравитационном колодце. Со временем более плотные регионы с большей вероятностью вырастут в звёзды, галактики и скопления, а менее плотные сделают это с меньшей вероятностью.
Пройдёт ещё немало времени, прежде чем мы найдём самую удалённую из всех открытых нами галактик Вселенной. Хотя симуляции и расчёты показывают, что самые первые звёзды могли сформироваться через 50–100 млн лет с начала Вселенной, а первые галактики — через 200 млн лет, так далеко назад мы ещё не заглядывали (хотя, есть надежда, что после запуска в следующем году космического телескопа им. Джеймса Уэбба мы сможем это сделать!). На сегодня космическим рекордом владеет галактика, показанная ниже, существовавшая, когда Вселенной было 400 млн лет — это всего 3% от текущего возраста. Однако эта галактика, GN-z11, расположена всего в 32 млрд световых лет от нас: это порядка 14 млрд световых лет от «края» наблюдаемой Вселенной.
Самая удалённая из всех обнаруженных галактик: GN-z11, фото с наблюдения GOODS-N, проведённого телескопом Хаббл.
Причина этого состоит в том, что вначале скорость расширения со временем очень быстро падала. Ко времени, когда галактика Gz-11 существовала в наблюдаемом нами виде, Вселенная расширялась в 20 раз быстрее, чем сегодня. Когда было испущено реликтовое излучение, Вселенная расширялась в 20 000 раз быстрее, чем сегодня. На момент Большого взрыва, насколько мы знаем, Вселенная расширялась в 1036 раз быстрее, или в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз быстрее, чем сегодня. Со временем скорость расширения Вселенной сильно уменьшилась.
И для нас это очень хорошо! Баланс между первичной скоростью расширения и общим количеством энергии во Вселенной во всех её формах идеально соблюдается, вплоть до погрешности наших наблюдений. Если бы во Вселенной было хоть немного больше материи или излучения на ранних этапах, она бы схлопнулась обратно миллиарды лет назад, и нас бы не было. Если бы во Вселенной было слишком мало материи или излучения на ранних этапах, она бы расширилась так быстро, что частицы не смогли бы встретиться друг с другом, чтобы даже сформировать атомы, не говоря уже о более сложных структурах типа галактик, звёзд, планет и людей. Космическая история, которую рассказывает нам Вселенная, это история чрезвычайной сбалансированности, благодаря которой мы и существуем.
Замысловатый баланс между скоростью расширения и общей плотностью Вселенной настолько хрупок, что даже отклонение в 0,00000000001% в любую сторону сделало бы Вселенную совершенно необитаемой для любой жизни, звёзд или даже планет в любой момент времени
Если верны лучшие из наших современных теорий, то первые настоящие галактики должны были сформироваться в возрасте от 120 до 210 млн лет. Это соответствует расстоянию от нас до них в 35–37 млрд световых лет, и расстоянию от самой дальней галактики до края наблюдаемой Вселенной в 9–11 млрд световых лет на сегодня. Это чрезвычайно далеко, и говорит об одном удивительном факте: Вселенная чрезвычайно быстро расширялась на ранних этапах, а сегодня расширяется гораздо медленнее. 1% возраста Вселенной отвечает за 20% её общего расширения!
История Вселенной полна фантастических событий, но с тех пор, как закончилась инфляция и произошёл Большой взрыв, скорость расширения стремительно падала, и замедляется, пока плотность продолжает уменьшаться
Расширение Вселенной растягивает длину волны света (и отвечает за видимое нами красное смещение), и за большое расстояние между микроволновым фоном и самой далёкой галактикой отвечает большая скорость этого расширения. Но размер Вселенной сегодня свидетельствует ещё кое о чём удивительном: об невероятных эффектах, происходивших с течением времени. Со временем Вселенная продолжит расширяться всё больше и больше, и к тому времени, когда её возраст будет в десять раз превышать сегодняшний, расстояния увеличатся так сильно, что нам уже не будут видны никакие галактики за исключением членов нашей местной группы, даже с телескопом, эквивалентным Хабблу. Наслаждайтесь всем тем, что видно сегодня, великим разнообразием того, что присутствует на всех космических масштабах. Оно не будет существовать вечно!
Итан Сигель — астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
