[Перевод] Спросите Итана №41: Свидание с удалённой частью Вселенной
Читатель спрашивает:
Я как-то присутствовал при разговоре о сверхновой возрастом 12 миллиардов лет, и отвечая на вопрос «откуда известен её возраст?», сказал, что это связано со скоростью света и со временем, которое требуется ему для того, чтобы пройти определённое расстояние. Но что, если бы мы находились в другой части Вселенной? Как бы мы тогда узнали возраст этой сверхновой? И не был бы он тогда другим?
Разумеется, скорость света конечна, и это обстоятельство может многое рассказать нам о некоторых удалённых объектах Вселенной.
Перед вами ярчайшая звезда ночного неба: Сириус. Она находится на расстоянии 8,6 световых лет от нас — то есть, свет, приходящий от неё к нам в настоящее время, был испущен ею 8,6 лет назад. Это также значит, что если бы кто-либо в районе Сириуса мог видеть нас — он видел бы Землю такой, какой она была 8,6 лет назад.
Достаточно просто определить возраст света от звезды, который мы видим. Мы измеряем расстояние до звезды, и, зная скорость света, можем подсчитать время. Это верно для двух любых точек во Вселенной, которые за время прохождения света между ними остаются примерно на одном и том же расстоянии друг от друга.
Также можно рассчитать расстояния до разных объектов, зная, как они устроены и работают. К примеру, некоторые типы звёзд со временем изменяют интенсивность свечения, и существует тесная взаимосвязь между периодами изменения яркости и их наблюдаемой яркостью.
Если можно измерить, сколько времени занимает цикл изменения светимости звезды от яркой до тусклой и обратно, и можно определить класс и тип данной звезды — то можно сказать, на каком расстоянии от нас она находится.
Этот метод пригоден для измерения расстояний од звёздных кластеров и не очень далёких галактик. После этого другие подробности взаимоотношений разных свойств галактик (вращение, флуктуации поверхностной яркости, разброс скоростей) позволяют нам вычислять расстояния до ещё более удалённых объектов Вселенной.
Кроме прочего, мы можем использовать сверхновые (в частности, хорошо известные сверхновые типа Ia, имеющие стандартную яркость), для очень точного измерения расстояний до самых удалённых частей Вселенной. Даже если они взорвались миллиарды лет назад.
Но есть проблема с простым измерением расстояния до объектов и попыткой рассчитать прошедшее время тем же методом, которым мы пользовались, например, в случае Сириуса. Проблема в следующем: большая часть Вселенной не остаётся на одном и том же расстоянии от Земли, даже приблизительно. Вселенная расширяется!
Расширяется само пространство — объекты, которые не связаны друг с другом гравитацией, со временем отдаляются друг от друга. Это, конечно, усложняет задачу, и на протяжении почти всего 20-го века чинило серьёзные препятствия к определению того, как далеко мы заглядываем в прошлое. Ведь мы не могли просто взять удалённую галактику, измерить расстояние до неё, и сразу же узнать:
- как далеко она была от нас в тот момент, когда испустила свет
- как далеко она от нас сейчас, когда этот свет дошёл до нас
- сколько времени свету понадобилось на то, чтобы преодолеть это расстояние
Для этого необходимо получить больше информации, чем простое текущее расстояние до объекта.
Точнее, два факта. Во-первых, нужно знать полную историю расширения Вселенной, то есть, скорость расширения в тот момент, когда свет покинул удалённый объект, скорость расширения в данный момент, когда мы принимаем этот свет, и скорость расширения между двумя этими событиями.
Звучит сложно? На самом деле, всё проще. Общая теория относительности Эйнштейна, говорящая о гравитации, просто не оставляет нам много вариантов. Если мы можем измерить текущую скорость расширения (что мы умеем делать с 1920-х годов), и можем посчитать текущее энергетическое наполнение Вселенной, мы сможем рассчитать всю историю расширения Вселенной от самого Большого взрыва.
А второй факт? Нам нужно измерить степень красного смещения света, пришедшего к нам от объекта. Поскольку структура Вселенной расширяется, длины волн света также растягиваются, и свет становится краснее. Но поскольку известно, что весь свет претерпевает красное смещение, и мы знаем, как ведут себя атомы, звёзды и свет, то нам остаётся только провести соответствующие измерения и узнать, каким образом происходит красное смещение света от удалённого объекта.
И всё. Расстояние до объекта можно измерить разными методами. Расстояние до сверхновой вычисляется через её световую кривую, а также через красное смещение (для сверхновой — через спектральный анализ).
Берём два этих факта, добавляем известную историю расширения Вселенной, и получаем количество времени, прошедшего между испусканием начального фотона и прибытием его в наш глаз.
Именно так мы узнаём, как давно случилось то или иное событие во Вселенной. Поскольку мы знаем, что с момента Большого взрыва прошло 13,82 миллиарда лет, можно подсчитать возраст Вселенной в тот момент, когда свет был испущен любым из интересующих нас объектом.
