[Перевод] Спросите Итана №12: расстояния во Вселенной
Этот кусочек неба — созвездие Кита. Здесь мы наблюдаем набор галактик, который использовался при наблюдениях за пищевыми пристрастиями молодых галактик, в то время как они растут. Каждая из небольших точек — это галактика, какой она была от трёх до пяти миллиардов лет после Большого взрыва. Их изучали при помощи инструментов VLT и SINFONI. Цветовые карты показывают движение газа в галактиках. Синий — газ движется к нам относительно галактики как целого, красный — газ удаляется. эти цвета позволяют астрономам разобраться в том, вращаются ли галактики как диски, или же двигаются иным способом.
Свет считает, что он движется быстрее всего остального, но он ошибается. Как бы быстро ни двигался свет, он всегда обнаруживает, что тьма появилась там раньше, и ждёт его.
— Терри Пратчет
Читатель спрашивает:
Когда про объект говорят, что он находится на расстоянии 13,8 миллиардов световых лет, имеется ли в виду текущее расстояние до объекта, то, как далеко он находился, когда свет от объекта отправился в нашу сторону, или же расстояние, пройденное светом?
Ведь из-за расширения вселенной эти три варианта должны сильно различаться.
Хотел бы я, чтобы все придерживались одного определения. К сожалению, эти три расстояния действительно отличаются, и не все используют одно и то же расстояние, описывая дистанцию до объекта. Возьмём простую аналогию.
Представьте два лестничных пролёта рядом. На одном стоите вы, на другом — ваш друг. Он стоит ниже, и у него в руках мяч. Ваш друг кидает вам мяч с определённой скоростью, на путешествие к вам у мяча уходит определённое время, и если вам известны две эти величины, вы можете посчитать расстояние до друга. Допустим, мяч летел со скоростью 10 метров в секунду, летел 1 секунду, и вы находитесь в 10 метрах от вашего друга. (Допустим, для простоты, что на мяч не действует сила тяжести). [прим. перев.: и сопротивление воздуха;, а лучше представим, что вы стоите на траволаторах, и тогда сила тяжести не будет вам мешать].
Теперь усложним задачу и поместим вас с другом на эскалаторы, двигающиеся в противоположных направлениях — вы едете вверх, а друг — вниз. Допустим, скорость каждого составит 2,5 м/с.
И всё становится не так просто.
Если ваш друг швырнёт мяч со скоростью 10 м/с, и вы стартуете с расстояния в 10 метров, то на путь у мяча уйдёт не 1 секунда, а по его прибытию вы будете не в 10 метрах друг от друга. У мяча это займёт 1,3 с, а вы к тому времени будете на расстоянии в 17 метров.
Если же вы будете на расстоянии 10 метров друг от друга в тот момент, когда к вам прилетел мяч, это значит, что вы начинали с расстояния в 6 метров, а на путь у мяча ушло 0,8 с.
А если же на путь у мяча ушла ровно 1 секунда, это значит, что при броске вы находились на расстоянии в 8 метров, а теперь находитесь на расстоянии в 13 метров.
Для простоты я округлил все значения.
Смысл в том, что если вы находитесь на каком-то расстоянии и двигаетесь друг относительно друга, то расстояния определять становится не так легко — у них появляются три разных значения:
- Расстояние, на котором два объекта находились, когда излучающий объект отправил сигнал, который получил наблюдатель
- Расстояние, на котором два объекта находятся, когда наблюдатель получил сигнал, испущенный отправителем.
- Расстояние, которое пришлось преодолеть сигналу от отправителя до получателя.
Для неподвижных объектов все три значения равны, а для движущихся — различны. А Вселенная как раз движется.
Объекты, связанные гравитацией, как планеты в солнечной системе, звёзды в галактике, и галактики в кластере, могут рассматриваться как неподвижные друг относительно друга, большинство галактик удаляются друг от друга. Когда мы заглядываем в дальние края Вселенной, мы заглядываем в прошлое, и видим свет из того времени, когда объекты были ближе друг к другу, когда Вселенная расширялась быстрее, из древних времён. А в отличие от примера с эскалаторами, скорость расширения Вселенной ещё и меняется во времени.
Сегодня нашей Вселенной 13,8 миллиардов плюс/минус несколько десятков миллионов лет. Что это значит для удалённых объектов?
Рассмотрим текущего рекордсмена, самую удалённую из известных галактик, UDFj-39546284. Когда мы говорим, что она находится на расстоянии 13,42 миллиарда световых лет, что мы имеем в виду?
Расстояние, которое преодолел идущий от неё свет. Для меня, по крайней мере, это разумный способ обозначения расстояния. В расширяющейся Вселенной раньше расстояния между объектами были меньше. Пока свет движется от излучающего объекта к нашим глазам, Вселенная продолжает расширяться.
Что это означает для нашего рекордсмена?
- Эта галактика была на расстоянии 1,1 миллиарда световых лет от нас, когда испустила свет, доходящий до нас сегодня.
- Свет, который доходит до нас сегодня, был испущен, когда Вселенной было всего 380 миллионов лет, то есть 2,7% от текущего возраста.
- Свет шёл 13,4 миллиарда лет, и по определению, прошёл 13,4 миллиарда световых лет.
- А теперь эта галактика находится на расстоянии 33 миллиарда световых лет от нас.
И, хотя никогда не знаешь, о каких расстояниях пишет журналист или писатель, я перечислил все возможные варианты.
Обычно используется два последних варианта — либо расстояние, пройденное светом, либо текущее расстояние. Можно считать, что если расстояние в световых годах меньше, чем возраст вселенной, то они говорят о времени, которое путешествовал свет, а если больше — то о текущем фактическом расстоянии.
Для объектов поближе, и для объектов, связанных гравитацией, разница между этими вариантами получается сильно меньше, но мне бы всё равно хотелось, чтобы люди аккуратнее обращались со словами. Если бы каждый обозначал, какое расстояние он имеет в виду — то, которое было при испускании света, путь света, или текущее расстояние до объекта, то путаницы было бы гораздо меньше.
Вот так в расширяющейся Вселенной работают расстояния.
