Сфера Хаббла и горизонт частиц — наблюдаемая Вселенная

В 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Он заметил, что свет, излучаемый далекими небесными объектами, был более красным, чем ожидалось, из-за сдвига частоты вниз по мере удаления их света от Земли.

И чем дальше были объекты, тем пропорционально больше их красное смещение. Поскольку объекты удалялись друг от друга все дальше, ученые пришли к выводу, что в прошлом должен был быть какой-то момент, когда вся Вселенная была сжата в одну точку.

Простая линейная экстраполяция подразумевала возраст Вселенной в 1-2 миллиарда лет, что меньше, чем даже возраст Земли. Одна из трудностей заключается в том, что через несколько миллиардов лет расширение сменилось с замедления на ускорение, и для объяснения этого требуются комплексные наблюдения за сверхновыми.

Астрономы в конечном итоге оценили возраст Вселенной примерно в 13,8 миллиарда лет. Это подразумевает три заманчивых определения наблюдаемой вселенной — той части всей вселенной, которую мы теоретически можем видеть, — и только одно из которых верно.

Простительно думать, что наблюдаемая Вселенная — это сфера радиусом 13,8 миллиардов световых лет с центром на Земле, поскольку именно за столько времени свет должен был достичь нас. Однако это предполагает, что Вселенная не расширяется и не сжимается.

Сфера (объем) Хаббла

Эдвин Хаббл обнаружил, что расстояние до определенной галактики пропорционально скорости ее удаления, с константой пропорциональности, которая теперь называется постоянной Хаббла (H). Это означает, что существует сфера, за пределами которой все движется от нас со скоростью, превышающей скорость света. Она известна как сфера Хаббла и имеет радиус около 14,4 миллиарда световых лет.

Можно подумать, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, нарушает теорию относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Однако теория относительности говорит о том, что материя в космосе не может двигаться быстрее света, но ничего о том, как быстро может двигаться само пространство.

Сфера Хаббла также не является наблюдаемой Вселенной. Радиус сферы Хаббла будет равен c/H, где c — скорость света. А постоянная Хаббла уменьшается: относительные скорости небесных объектов (в среднем) растут медленнее, чем расстояния между ними.

Если сфера Хаббла расширяется достаточно быстро, свет, исходящий от чрезвычайно удаленного объекта, может быть «захвачен» и падать из сверхсветовой области вне сферы в область медленнее скорости внутри сферы. Как только этот свет попадает в сферу Хаббла, он может добраться до Земли.

Если вычислить нынешнее расстояние удаленных объектов от нас, окажется, что все фотоны, полученные нами за первые пять миллиардов лет существования Вселенной, были пойманы сферой Хаббла. Объекты, которые испустили эти фотоны были, есть и всегда будут удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света.

Горизонт частиц — наблюдаемая Вселенная

Вся наблюдаемая Вселенная ограничена горизонтом частиц, который представляет собой область, из которой свет успел достичь нас с момента зарождения Вселенной, принимая во внимание ее расширение.

Горизонт частиц имеет радиус около 46,5 миллиардов световых лет, поэтому наблюдаемая Вселенная имеет диаметр 93 миллиарда световых лет.

Знаменитый космический микроволновый фон находится на горизонте частиц, и его свету потребовалось 13,8 миллиарда лет, чтобы добраться до нас (тот факт, что он состоит из микроволн, является экстремальной версией красного смещения).

Горизонт частиц ограничивает расстояние, на котором мы можем что-либо наблюдать, в то время как сфера Хаббла ограничивает то, насколько далеко назад во времени мы можем наблюдать.

Мы никогда не сможем увидеть объекты за пределами сферы Хаббла такими, какие они есть сейчас, сколько бы мы ни ждали. Более того, как свет может попасть в сферу Хаббла, так и расширение пространства может вытеснить свет из нее.

Поскольку расширение Вселенной ускоряется, все наблюдаемые в настоящее время объекты за пределами местного сверхскопления в конечном итоге застынут во времени, излучая все более красный и слабый свет. Например, объекты с текущим красным смещением от 5 до 10 останутся наблюдаемыми не более 4 – 6 миллиардов лет.

Кроме того, свет, излучаемый объектами, находящимися в настоящее время за пределами определенного сопутствующего расстояния (в настоящее время около 19 миллиардов парсеков), никогда не достигнет Земли.

По оценкам, каждую секунду примерно 20 000 звезд становятся недоступными для наблюдения с Земли. Через несколько миллиардов лет наблюдаемая Вселенная будет состоять только из нашей Местной группы из нескольких десятков галактик.

Поскольку мы не можем наблюдать пространство за пределами наблюдаемой Вселенной, неизвестно, является ли размер Вселенной в целом конечным или бесконечным. Оценки предполагают, что вся Вселенная, если она конечна (плоская), должна быть более чем в 250 раз больше сферы Хаббла. Некоторые спорные оценки общего размера Вселенной, если она конечна, достигают  мегапарсеков.

Будущий предел видимости

Основываясь на скорости расширения, количестве имеющейся темной энергии и нынешних космологических параметрах Вселенной, можно рассчитать то, что называется будущим пределом видимости: максимальное расстояние, которое мы когда-либо сможем наблюдать. Прямо сейчас, во Вселенной возрастом 13,8 миллиардов лет, наш текущий предел видимости составляет 46 миллиардов световых лет в каждую сторону.

Наш будущий предел видимости примерно на 33% больше — это 61 миллиард световых лет. Прямо сейчас есть галактики, свет которых находится на пути к нам, но еще не имел возможности достичь нас.

Если бы нам пришлось сложить все галактики в тех частях Вселенной, которые мы когда-нибудь увидим, но пока не можем получить к ним доступ сегодня, мы были бы потрясены, узнав, что галактик, которые еще предстоит открыть, больше, чем галактик в  видимой Вселенной. Есть около 2,7 триллиона галактик, ожидающих, чтобы показать нам свой свет, вдобавок к 2 триллионам, к которым мы уже можем получить доступ.

По сравнению с тем, что готовит нам будущее, в настоящее время мы видим только 43% галактик, которые когда-нибудь сможем наблюдать. За пределами нашей наблюдаемой Вселенной лежит ненаблюдаемая Вселенная, которая должна выглядеть точно так же, как та ее часть, которую мы видим.

Если бы Вселенная была конечного размера, имела бы край или ее свойства начали бы меняться по мере того, как мы смотрим на большие расстояния,  измерения этих явлений выявили бы это. Наблюдаемая пространственная «плоскостность» Вселенной говорит нам, что она не искривлена ​​ни положительно, ни отрицательно с точностью до 99,6%, а это означает, что если она искривляется сама по себе, ненаблюдаемая Вселенная будет по крайней мере в 250 раз больше видимой в настоящее время части.

Будущий предел видимости приведет нас к расстояниям, которые в настоящее время составляют 61 миллиард световых лет, но не дальше. Он покажет чуть более чем в два раза больший объем Вселенной, который мы можем наблюдать сегодня.

С другой стороны, ненаблюдаемая Вселенная должна иметь диаметр не менее 23 триллионов световых лет и содержать объем пространства, который более чем в 15 миллионов раз превышает объем, который мы можем наблюдать.

Однако в то же самое время, когда мы размышляем о Вселенной за пределами наших возможностей наблюдения, стоит помнить, как мало из этой Вселенной мы действительно можем  посетить. Все, что мы с нетерпением ждем, основано на свете, который уже излучался много миллиардов лет назад: по времени близко к Большому взрыву. В нынешнем виде, даже если бы мы улетели прямо сейчас со скоростью света, мы не смогли бы достичь многих галактик в космосе.

Темная энергия заставляет Вселенную не только расширяться, но и далекие галактики ускоряют свое видимое удаление от нас. Хотя существует в общей сложности 4,7 триллиона галактик, которые мы когда-нибудь сможем наблюдать на расстоянии 61 миллиарда световых лет, предел того, что мы можем достичь сегодня, гораздо скромнее.

Только те галактики в пределах примерно 15 миллиардов световых лет, или четверть радиуса в будущем пределе видимости, могут быть достигнуты сегодня, что соответствует только примерно 66 миллиардам галактик. Это всего 1,4% от общего числа галактик, которые когда-либо станут нам видны.

Другими словами, в будущем у нас будет в общей сложности 4,7 триллиона галактик. Большинство из них когда-либо предстанут перед нами такими, какими они были в очень далеком прошлом. Из всех тех галактик, которые мы когда-нибудь увидим, 4,634 триллиона уже навсегда недостижимы, даже на скорости света.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в декабре 2022 года.