Неизбежное расширение Вселенной: за гранью возможного

На протяжении почти всего 20-го века самый большой вопрос о расширяющейся Вселенной был связан с пониманием ее судьбы. Вселенная, если она расширяется, должна была представлять собой соревнование между двумя, казалось бы, непреодолимыми факторами:

• начальной скоростью расширения, которая раздвигала все, что существовало в ткани пространства
• и силой гравитации, которая борется с расширением и пытается снова собрать все воедино.

Начиная с 1930-х годов, когда расширяющаяся Вселенная стала хорошо известна как теоретически, так и наблюдательно, основной задачей космологии было измерение нынешней скорости расширения, а также того, как она менялась с течением времени. Эти две части информации вместе позволили бы сделать вывод об окончательной судьбе Вселенной.

Даже после того, как Большой Взрыв стал началом Вселенной, ученые работали над улучшением этих измерений, пытаясь выяснить, повернет ли космическое расширение в конечном итоге вспять и Вселенная снова схлопнется, будет ли оно двигаться по инерции и продолжать расширяться вечно, или же оно будет нечто средним между этими двумя случаями. Критические наблюдения, наконец, появились в 1990-х годах и определили, что ответом не является ни один из этих вариантов. Вместо этого расширение Вселенной ускоряется, а это означает, что новая форма энергии — темная энергия — стала доминировать в расширении.

Это также означает, что Вселенная, которую мы можем наблюдать, исчезает из нашей досягаемости, и большая ее часть уже исчезла. Вот научные выводы о том, что это означает для неизбежных пределов нашей досягаемости.

После Большого Взрыва Вселенная быстро расширялась и охлаждалась, а отдельные сгустки внутри нее также гравитационно взаимодействовали. Со временем скорость расширения замедлилась, а температура упала, что привело к образованию стабильных связанных структур. Примерно через микросекунду образовались протоны и нейтроны. Еще через несколько минут были созданы первые стабильные атомные ядра. Сотни тысяч лет спустя появились нейтральные атомы. И через десятки-сотни миллионов лет появились первые звезды и галактики, а скорость расширения все также падала и падала.

В течение первых нескольких миллиардов лет космической истории именно это и происходило: Вселенная начала расширяться, но гравитационные эффекты стягивали все вместе, замедляя скорость расширения. Объекты, которые находились все дальше и дальше, казалось, с течением времени удалялись все медленнее и медленнее, и свет, излучаемый некогда невидимыми объектами — далеко за космическим горизонтом — наконец, догнал нас, наблюдателей. Все больше и больше Вселенной появлялось в поле зрения. А затем, около шести миллиардов лет назад, плотность материи упала на такую ​​значительную величину, что эффекты темной энергии начали становиться важными, и все изменилось.

До этого момента можно было увидеть, что любая далекая галактика удаляется от нас с течением времени все дальше и дальше. Однако, если бы вы измерили скорость ее удаления от нас — то есть насколько ее свет сместился в красную сторону из-за расширения пространства между этой галактикой и нами — вы бы заметили, что она уменьшается с космическим временем. Даже по мере того, как она удалялась от нас, скорость расширения Вселенной падала на более значительную величину, гарантируя, что, хотя казалось, что она все еще отдаляется, она удалялась медленнее, чем раньше. Это позволило свету, излучаемому объектами на еще больших расстояниях, со временем «догонять» нас, делая объекты видимыми.

Однако около 6 миллиардов лет назад, все изменилось. Объекты на всех расстояниях, превышающих 5 миллионов световых лет, — то есть все, что находится за пределами Местной группы и гравитационно связано с нашей галактикой, — начали удаляться от нас быстрее, чем раньше. Теперь в поле зрения попадало все меньше и меньше новых объектов, поскольку они начали ускоряться при удалении от нас.

Объекты, находящиеся за пределами определенного критического расстояния, останутся видимыми, но мы сможем видеть только тот свет, который они излучали в прошлом, а не тот свет, который они излучают сегодня. Кроме того, мы не сможем добраться до них ни на космическом корабле, ни с помощью светового сигнала, даже если отправим его прямо сейчас. Только самые близкие объекты останутся видимыми и доступными, создавая четыре различных региона нашей наблюдаемой Вселенной.

Основываясь на их нынешнем расстоянии от нас, сегодня, через 13,8 миллиардов лет после Большого взрыва в эпоху доминирования темной энергии, мы можем классифицировать четыре региона, которые описывают объекты в нашей Вселенной.

• Наблюдаемый и достижимый: если объект в настоящее время находится ближе, чем примерно в 18 миллиардах световых лет, мы можем как увидеть его, так и достичь его. Если бы мы отправили сигнал в галактику, находящуюся на таком расстоянии, даже сегодня, он смог бы достичь этой галактики, а если бы мы отправились в путешествие, чтобы достичь этого объекта, мы могли бы достичь его даже на субсветовых скоростях.
• Наблюдаемый, но недостижимый: если объект находится на расстоянии более 18 миллиардов световых лет, но ближе 46 миллиардов световых лет, он по-прежнему доступен для наблюдения, но мы видим его только таким, каким он был в прошлом. Он может видеть нас такими, какими мы были в прошлом, но добраться до него мы не можем никак: ни космическим кораблем, ни световым сигналом. Мы связаны с этими объектами только в прошлом.
• Наблюдаемый, но только в будущем: если объект находится на расстоянии более 46 миллиардов световых лет, его свет еще не достиг нас в пределах расширяющейся Вселенной. Однако если этот объект также находится на расстоянии менее 61 миллиарда световых лет, свет, излучаемый им давным-давно, уже в пути и достигнет нас в какой-то момент в будущем. Хотя мы можем видеть его только таким, каким он был в далеком прошлом, в какой-то момент он станет для нас видимым.
• Навсегда ненаблюдаемый: за пределами расстояния в 61 миллиард световых лет ни один объект никогда не будет видимым для нас или достижимым для нас.

Это очень важно. Несмотря на то, что 18 миллиардов световых лет — это 39% пути до края наблюдаемой Вселенной, кажущаяся впечатляющей и существенной цифра, мы живем в трех пространственных измерениях. 39% пути к «краю» наблюдаемой Вселенной в одном измерении представляют собой лишь 6% объема наблюдаемой в настоящее время Вселенной. Другими словами, хотя в наблюдаемой Вселенной может находиться от 6 до 20 триллионов галактик, только около 6% из них — ближайшие 6% — в настоящее время доступны нам. Остальные 94% можно увидеть только такими, какими они были в прошлом.

Почти наверняка существуют галактики за пределами нашей ныне наблюдаемой Вселенной, поскольку у нас есть все признаки того, что за этой границей просто находится другая часть Вселенной, какой мы ее знаем, но ее свет еще не достиг нас. Хотя 61 миллиард световых лет не намного больше, чем 46 миллиардов световых лет, они включают в себя дополнительные 133% объема, который в настоящее время содержится в той части, которую мы можем видеть прямо сейчас.

Существует более чем в два раза больше галактик, которые никогда не наблюдались и которые когда-нибудь станут видимыми для наших инструментов, чем в сегодняшней наблюдаемой Вселенной. Несмотря на то, что Вселенная продолжает расширяться, в конечном итоге этот свет — хотя и с сильным красным смещением — догонит нас.

Моделирование, иллюстрирующее красное смещение света из-за космологического расширения. По мере расширения Вселенной длина волны света растягивается по мере его прохождения через расширяющееся пространство-время Вселенной.

Также обратите внимание, что расстояние, которое проходит свет, не равно ни расстоянию между галактиками в момент испускания фотона, ни расстоянию между галактиками во время прибытия фотона.

Однако важно помнить, что эта картина представляет собой лишь снимок нашего существования в настоящее время. В действительности:

• плотность вещества и излучения продолжают падать,
• плотность темной энергии остается постоянной,
• а скорость расширения, измеряемая в км/с/Мпк, не падает до нуля, а асимптотически стремится к положительному, конечному значению.

Именно эта последняя часть чрезвычайно важна. В любой расширяющейся Вселенной в контексте общей теории относительности существует взаимосвязь между скоростью расширения (также называемой постоянной Хаббла) в любой момент времени и квадратным корнем из общей плотности энергии всех форм: включая материю, излучение, и темную энергию.

Сейчас скорость расширения составляет — в зависимости от того, какой набор измерений вы считаете более правильным — либо 67 км/с/Мпк, либо 74 км/с/Мпк. Это означает, что на каждый мегапарсек (Мпк, или около 3,26 миллиона световых лет), на который объект удален от нас, мы видим, что он удаляется от нас либо на 67 км/с, либо на 74 км/с, что означает, что объекты, находящиеся на расстоянии 10 Мпк, удаляются в десять раз быстрее, объекты, которые находятся на расстоянии 100 Мпк, удаляются со скоростью в 100 раз быстрее, и так далее.

Однако, поскольку скорость расширения снижается, но только примерно до 82% от ее текущего значения, это означает, что в будущем скорость расширения будет асимптотически составлять либо 55 км/с/Мпк, либо 60 км/с/Мпк, или где-то посередине.

Постоянное присутствие темной энергии означает не только то, что 94% галактик в наблюдаемой Вселенной уже исчезли и стали недоступными для нас. Это означает, что Вселенная находится в процессе исчезновения за пределами нашей досягаемости, и хотя 94% из них уже пересекли этот рубеж, остальные 6% из них — включая каждую галактику, не входящую в нашу Местную группу — уже находятся в процессе исчезновения.

В наблюдаемой Вселенной содержится около 2 секстиллионов звезд, сгруппированных в триллионы галактик, но только 6% из них, или около 120 квинтиллионов, в настоящее время доступны. С каждым прошедшим новым годом сотни миллионов дополнительных звезд пересекают этот порог: от достижимых до недостижимых, что соответствует не горстке маленьких галактик, а, возможно, сотням галактик: как больших, так и малых.

Однако в чрезвычайно длительных космических масштабах эти изменения могут быть огромными. По прошествии еще одного миллиарда лет, или всего лишь ~7% нынешнего возраста Вселенной, процент наблюдаемой Вселенной, которая все еще будет достижима, упадет еще на один огромный шаг: с 6% до 5%.

Это означает, что всего через миллиард лет — после того, как на Земле произойдет последнее полное солнечное затмение, но, возможно, даже до того, как Солнце нагреется настолько, что наши океаны выкипят, — мы сможем достичь только:

• 100 квинтиллионов звезд, потеряв еще 20 квинтиллионов,
• от 300 миллиардов до 1 триллиона галактик, потеряв к тому времени 95% всех галактик во Вселенной,
• и галактики, которые в настоящее время расположены на расстоянии примерно 16,7 миллиардов световых лет от нас, потеряв все объекты, находящиеся в настоящее время на расстоянии от 16,7 до 18,0 миллиардов световых лет.

Мы можем пойти немного дальше, если осмелимся: еще на 5,2 миллиарда лет вперед, после этого миллиарда лет. В этот момент галактики Млечный Путь и Андромеда начнут сливаться, а Солнце должно превратиться в красного гиганта, и оно поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, также Землю. И в этот момент мы сможем достичь менее 2% (около 1,75%) звезд и галактик в нашей наблюдаемой в настоящее время Вселенной: это соответствует «всего» 35 квинтиллионам звезд и 105–350 миллиардам галактик. Тем временем то, что мы сейчас называем Ланиакеа — наше местное сверхскопление — уже начнет заметно распадаться на составляющие его группы и скопления, разгоняемые темной энергией.

Не только самые отдаленные галактики удаляются от нас, уносимые на все большие расстояния темной энергией; это каждая галактика, которая не связана гравитацией с той же группой или скоплением, что и наша. По прошествии примерно 63 миллиардов лет все ~100 000 галактик, составляющих то, что сегодня известно как Ланиакея, станут единственными галактиками, до которых сможет добраться кто-то из Местной группы. Внутри этих галактик будет около 100 квадриллионов звезд, но произойдет множество слияний, в результате чего количество галактик будет гораздо меньшим, чем сегодня в Ланиакее.

В течение следующих нескольких миллиардов лет крупные скопления на Ланиакее, такие как Насос, Центавр, Гидра и Печь, выйдут за пределы досягаемости. Огромное скопление галактик в Деве, находящееся в настоящее время всего в 55 миллионах световых лет от нас и состоящее из более чем 1000 галактик-членов, станет недостижимым незадолго до того, как мы достигнем рубежа в 100 миллиардов лет после Большого взрыва. И те, которые в настоящее время являются ближайшими группами галактик за пределами Местной группы — такие объекты, как группа M81 — станут последними, которые станут недостижимыми: это произойдет не раньше, чем через 110 миллиардов лет, когда Вселенная почти в десять раз увеличится в размерах.

Почти 100 лет назад мы начали собирать первые доказательства расширяющейся Вселенной, а вместе с ними и первые доказательства нашего космического происхождения: первоначальное представление о Большом взрыве. Как только мы начали смотреть очень далеко в космическую историю – не просто на миллионы или сотни миллионов лет назад во времени, а на несколько миллиардов лет – мы начали исследовать не только наше космическое происхождение, но и нашу космическую судьбу.

И то, что мы обнаружили, к удивлению многих, заключалось в том, что наша Вселенная не могла состоять только из материи и излучения или даже в основном из материи и излучения, а в ней доминировала таинственная форма энергии, которая разъединяла все гравитационно несвязанные структуры: темная энергия.

Темная энергия не только определяет судьбу Вселенной, она также определяет расстояние и масштабы времени, на которых галактики, группы галактик и скопления галактик будут разлетаться друг от друга.

Сегодня, спустя 13,8 миллиардов лет после Большого взрыва, мы можем видеть на расстоянии до 46 миллиардов световых лет, но нам доступно лишь 6% объёма нашей наблюдаемой Вселенной. Поскольку время продолжает идти вперед, объем видимой Вселенной будет продолжать увеличиваться, но количество галактик в достижимой части Вселенной будет продолжать уменьшаться, поскольку все они удаляются все дальше и дальше друг от друга.

Наконец, по прошествии еще 112 миллиардов лет, последние галактики за пределами нашей Местной группы, представляющие собой ближайшие галактики к нашей собственной Местной группе на сегодняшний день, удалятся за предел достижимости, улетая слишком быстро, что даже свет не сможет их догнать. По прошествии всего этого времени только наша Местная группа галактик, вероятно, слившаяся в единого центрального гиганта, останется последним, что будет в пределах нашей космической досягаемости.