Что такое наблюдаемая вселенная
Насколько велика наблюдаемая Вселенная?
Знаете ли вы, друзья мои, что мы видим только очень небольшую часть Вселенной? Остальная ее часть нам, землянам, недоступна. И все то, что мы видим, называется наблюдаемая Вселенная. Эта та часть космоса, которую теоретически можно наблюдать с Земли.
Наблюдаемая Вселенная
Теоретически, а не на практике. Потому что на практике космические объекты, находящиеся за пределами Солнечной системы, можно наблюдать только анализируя испускаемое ими электромагнитное излучение. Поэтому те места космоса, где оно не излучается, или где оно слишком слабое для восприятия, никто не может увидеть. Даже если очень захотеть.
Если принять за аксиому, что космос имеет изотропную структуру, то наблюдаемая Вселенная будет иметь форму сферы центром которой будет являться наша планета.
Радиус этой сферы составляет приблизительно 46,5 миллиарда световых лет. Возраст же самой Вселенной оценивается в 13,75 миллиарда лет. Да, радиус сферы, в которой содержится вся наблюдаемая Вселенная больше, чем возраст самой Вселенной. Как же так, спросите вы? Как так свет смог преодолеть расстояние почти в 4 раза большее, чем он мог за это время? Он что, раньше мог двигаться быстрее? На эти вопросы у науки нет ответа. Наука, товарищи, не в курсе (шутка😁).
На самом деле так происходит потому, что наша Вселенная постоянно расширяется. Поэтому на Земле сейчас можно увидеть свет галактики, удаленной в настоящее время от нас на 46,5 миллиарда световых лет.
Когда этот свет излучался, эта галактика была намного ближе к нам. А теперь она находится гораздо дальше из-за расширения Вселенной. Именно поэтому этому свету потребовалось всего 13,75 миллиарда лет, чтобы добраться до нас. Хотя сейчас эта галактика намного дальше, чем 13,75 миллиарда световых лет.
Следовательно, наблюдаемая Вселенная имеет радиус, обычно определяемый как расстояние, на котором наиболее далекие наблюдаемые объекты находятся сейчас относительно нас. И мы видим эти объекты такими, какими они были, когда были намного ближе к нам.
Что мы сможем увидеть в будущем?
С течением времени наблюдаемая Вселенная становится все больше и больше. Потому что свет, исходящий откуда-то из ее далеких глубин, снова и снова достигает наших глаз.
Однако у подобного явления есть предел развития. Потому что наблюдаемая Вселенная имеет размер, который никогда не сможет превысить. Ведь фотоны, которые излучаются объектами, удаляющимися от нас быстрее скорости света из-за расширения Вселенной, никогда не достигнут Земли.
Расширение Вселенной, на самом деле, — это одна из самых интересных загадок космологии. Ведь результаты наблюдений показывают, пространство не просто постоянно расширяется, как, например, это делает надуваемый воздушный шар. А расширяется с ускорением!
Одним из следствий этого явления можно признать закон всеобщего разбегания галактик, или закон Хаббла. Он позволяет вычислить расстояния до далеких космических объектов, используя особенности излучаемых ими спектров электромагнитных волн. Все галактики, за исключением достаточно близких, для того, чтобы на них влияла гравитация Млечного Пути, например Галактика Андромеды, кажутся удаляющимися от нас. Потому что спектр их излучения смещен в красную сторону. Однако, на самом деле, эти галактики вовсе не летят сквозь пространство. Они как бы висят в нем более или менее неподвижно. «Движется» само пространство, в котором они расположены. Поставьте фломастером на упомянутом выше надуваемом воздушном шаре две точки. И продолжите его надувать. Видите? Эти точки начинают удаляться друг от друга. Просто потому что увеличивается площадь воздушного шара.
И теперь возникает интересный вопрос: получается, что и вокруг нас пространство расширяется? Почему же тогда расстояние от Москвы до Владивостока по железной дороге все так же равно 9288 километров, как и 20 лет назад? Дело тут, в общем, такое: гравитационно связанные объекты способны сохранять постоянное расстояние между собой из-за действия вышеупомянутой гравитации. Потому что постоянно притягиваются друг к другу. Фактически, два связанных объекта не висят неподвижно, как это может показаться. А на самом деле постоянно летят через непрерывно рождающиеся объемы пространства навстречу друг другу…
Видимая (Наблюдаемая) Вселенная – это сколько?
Космос
Крупномасштабная структура Вселенной
Размеры Вселенной очень трудно представить даже с помощью компьютерных моделей. Масштабы нашего дома – Солнечной системы кажутся невероятными. Так, аппарату «Новые горизонты» потребовалось 9 лет, чтобы добраться до Плутона и преодолеть расстояние в 5 млрд км (с 2006 по 2015 год)! Граница же Солнечной системы находится намного дальше – это примерно 2 световых года – там, где гравитация Солнца уже не ощутима и никак не может повлиять на другие космические тела. Можно сказать условно, что наш дом ограничивается двумя световыми годами. Если смотреть более широко, то домом можно назвать и нашу галактику – Млечный Путь, а его диаметр оценивается примерно в 100 000 световых лет. Но и это тоже всего лишь капля в безграничном океане: согласно современным данным, видимая Вселенная занимает 93 млрд световых лет! Но что же такое – видимая Вселенная?
Расширение Вселенной с момента Большого взрыва
Наблюдаемая Вселенная – это та часть Вселенной, которая является абсолютным прошлым относительно наблюдателя. Когда мы смотрим на какую-либо галактику, например, на галактику Боде (М 81), которая находится на расстоянии 12 млн световых лет от нас, мы видим, какой она была в прошлом миллионы лет назад, так как именно такое время понадобилось свету, чтобы добраться до нас. Видимая (Наблюдаемая) Вселенная – это область пространства, которую мы можем видеть с Земли. Если мы гипотетически возьмём Землю за центр Вселенной, то вся наблюдаемая её область будет огромной сферой. Если Вселенной 13, 8 млрд лет, то логично предположить, что независимо от того, в каком направлении мы смотрим, мы видим свет, который шёл к нам 13,8 млрд лет. Получается, что 13, 8 млрд световых лет – это радиус, тогда диаметр этой сферы должен быть около 27, 6 млрд лет. Откуда же взялась цифра в 93 млрд световых лет? Как уже было сказано выше, пространство Вселенной с течением времени расширяется. И те далекие объекты, которые испустили свет 13,8 млрд лет назад, за это время улетели еще дальше. Сегодня они уже более чем в 46,5 миллиардах световых лет от нас, согласно вычислениям, основанным на законе Хаббла. Удвоив это значение, получаем 93 миллиарда световых лет.
Таким образом, реальный диаметр наблюдаемой Вселенной составляет 93 млрд световых лет. Кажущееся сверхсветовое расширение горизонта частиц Вселенной не противоречит Теории относительности, так как эта скорость не может быть использована для сверхсветовой передачи информации и не является скоростью движения в инерциальной системе отсчёта какого-либо наблюдателя.
А вот и, кстати, один интересный факт, связанный со знаменитым вопросом: а где же центр Вселенной? Кто и что в нём? Наблюдаемая Вселенная имеет центр – это мы! Да-да, именно земляне и находятся в центре наблюдаемой Вселенной (но не всей!) – участка космоса, видимого нам с Земли. Чтобы это было проще понять, представьте себе такую картинку: вы забираетесь на высокую башню, и где-то далеко, независимо от вас, это делает другой человек на другом краю материка. Глядя «со своей колокольни», вы увидите круглую область, в центре которой будет ваша башня. Всё, что вы видите – это и есть ваша наблюдаемая Вселенная. Человек на другом конце материка будет уже в центре «своей вселенной», так что всё относительно! Каждый из нас является центром своей вселенной. Но не спешите зазнаваться и радоваться, ибо это не означает, что мы находимся в центре всей Вселенной, как и «своя колокольня» — отнюдь не центр всего мира, а лишь центр того крохотного кусочка мира, который с неё видно, и этот кусочек ограничен горизонтом.
То же самое и с наблюдаемой Вселенной.
Когда мы смотрим в небо, мы видим свет, который 13,8 млрд лет летел к нам из галактик, которые уже успели «убежать» на самом деле на 46,5 миллиардов световых лет от нас.
Мы не видим то, что за этим горизонтом.
Но это еще не значит, что там ничего уже нет, просто нам об этом пока ничего не известно.
Спросите Итана: как выглядит край Вселенной?
Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной демонстрирует сложные неповторяющиеся скопления. Но с нашей точки зрения мы можем видеть конечный объём Вселенной. Что лежит за его пределами?
13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:
Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?
Начнём с нашего текущего местоположения, и заглянем так далеко, как сумеем.
Видимые нами звёзды и галактики, расположенные поблизости, выглядят так же, как наши. Но чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое Вселенной заглядываем: там она менее структурирована, моложе, и не так сильно развита
В непосредственной близости от нас Вселенная полна звёзд. Если улететь за 100 000 световых лет, то можно оставить за собой Млечный Путь. За ним простирается море галактик — возможно, два триллиона внутри наблюдаемой Вселенной. Существует огромное количество их разновидностей, форм, размеров и масс. Но разглядывая более удалённые галактики, можно увидеть нечто необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее то, что она будет меньше по размеру и по массе, а её звёзды будут тяготеть к голубому цвету сильнее, чем у ближайших галактик.
Чем отличаются галактики в разное время истории Вселенной
Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, полученный проектом Хаббла eXtreme Deep Field — величайшее из выпущенных изображение далёкой Вселенной
Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.
За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа — когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — реликтового излучения — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.
Систематическая диаграмма истории Вселенной, описывающая реионизацию. До формирования звёзд и галактик Вселенная была наполнена нейтральными атомами, блокировавшими свет. И хотя большая часть Вселенной подверглась реионизации только спустя 550 млн лет, некоторые более удачливые участки практически реионизировались раньше этого срока.
С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого — только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния — это всё равно, что заглядывать в прошлое.
Представление художника в виде логарифмической концепции наблюдаемой Вселенной. За галактиками следует крупномасштабная структура и горячая, плотная плазма Большого взрыва на задворках. Край является границей только во времени.
Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в 46,1 млрд световых лет от нашего местоположения — это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?
Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во все стороны с нашей точки зрения, но наверняка есть и больше ненаблюдаемых частей Вселенной, возможно, даже бесконечное количество, похожих на ту, в которой находимся мы
Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей, космических войдов, простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.
Одно из самых удалённых наблюдений Вселенной демонстрирует расположенные неподалёку звёзды и галактики, но галактики из внешних участков просто выглядят моложе и менее развитыми. С их точки зрения им 13,8 млрд лет от роду, и они более развитые, а мы кажемся им такими, какими были миллиарды лет назад
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].
Как получилось, что размер Вселенной больше её возраста?
Природа требует, чтобы мы не превышали скорость света. Всё остальноё опционально.
— Роберт Бролт
Одно из самых удивительных открытий XX века произошло благодаря изучению огромных спиральных туманностей, рассыпанных по ночному небу.
Быстро выяснилось, что эти объекты – галактики, похожие на наш Млечный путь, находящиеся в тысячах световых лет от нас. Кроме того, большая их часть двигается по направлению от нас. Что ещё более интересно, так это то, что чем дальше от нас галактика, тем (в среднем) она быстрее удаляется. Всего через несколько лет были открыты и механизм и закон, управляющие этим явлением.
С законом сложностей не было: вы измеряете скорость движения галактики, исходя из спектрального сдвига и прикидываете расстояние до неё при помощи различных методов, включая стандартные свечи. В итоге – хотя у вас останутся погрешности – вы получите данные об удалении галактик и о скорости их убегания. Взаимосвязь между двумя этими параметрами известна, как закон Хаббла и он определяет, как удалённые галактики двигаются относительно нас.
Механизм происходящего явления оказался более интересным.
Существует сильное искушение предположить, что причина наблюдаемого явления – более удалённые объекты удаляются быстрее – находится в некоем взрыве, случившемся в прошлом. Если бы это было так, то галактики, получившие меньше «начальной энергии взрыва» были бы ближе друг к другу и разлетались бы друг от друга медленнее, а галактики, удалённые от нас, получили бы больше энергии, чтобы разлетаться с такой большой скоростью.
Если бы это было так, то мы бы находились очень близко от центра взрыва, и плотность галактик рядом с нами была бы гораздо выше, чем далеко от нас. В этом случае пространство было бы статичным – типа фиксированной трёхмерной решётки. Но это не единственная возможность.
Также возможно, что вместо того, чтобы статичная Вселенная брала начало от взрыва, она могла бы подчиняться более мощному решению ОТО: она может расширяться! Вместо того, чтобы начаться благодаря катастрофическому взрыву в статичной Вселенной, ткань космоса может расширяться со временем, пропорционально количеству содержащейся в ней энергии.
В этом случае количество галактик должно быть в среднем одинаковым в одинаковых объёмах пространства, скорость расширения должна увеличиваться по предсказуемой зависимости от расстояния, Вселенная должна была быть более горячей в прошлом и скопление галактик должно было сформировать паутинообразную структуру, в которой все регионы космоса выглядят примерно одинаково на больших масштабах.
В случае первого варианта, со взрывом и статическим пространством и в случае конечного возраста Вселенной мы могли бы заглядывать вдаль на расстояние, определяемое этим возрастом. В статичной Вселенной возрастом в 5 лет мы могли бы увидеть свет, пришедший от объектов, расположенных не далее 5 световых лет от нас. В статичной Вселенной возрастом в 13,8 миллиарда лет мы могли бы увидеть свет, пришедший от объектов, расположенных не далее 13,8 миллиарда световых лет от нас.
Но все наши наблюдения опровергают эту возможность и направляют нас к идее о расширяющемся пространстве, в котором содержание энергии во Вселенной определяет скорость расширения и, следовательно, как далеко объекты находятся от нас.
Что менее интуитивно, так это то, что в расширяющейся Вселенной мы можем видеть дальше, чем это определяет её простой возраст! Это просто обязательно. Подумайте над диаграммой выше, в которой несколько скоплений галактик удаляются друг от друга из-за расширения Вселенной. Представьте, что мы находимся в центральном скоплении и наблюдаем скопление в нижнем левом углу.
Когда свет покидает скопление в левом нижнем углу (слева), это скопление находится в 87 световых годах от нас. Свет начинает свой путь по направлению к нам, но Вселенная расширяется. То есть пространство между этим скоплением и нашим увеличивается, как выпекающийся кусок теста, будущий хлеб. Свет продолжает идти к нам, но с увеличением расстояния ему приходится пройти более 87 световых лет, чтобы достичь нас. Но когда свет доходит до места назначения (справа), это скопление уже находится в 173 световых годах от нас.
Ключевой вопрос: какое же расстояние прошёл свет на самом деле? Ответ – больше 87 световых лет, но меньше 173 световых лет!
Применим этот принцип ко всей Вселенной.
13,8 миллиарда лет назад Вселенная была нереально горячей и плотной и была наполнена огромным разнообразием источников энергии: излучением (фотоны), материей (протоны, нейтроны, электроны) и присущей пространству энергией (тёмная энергия). Если бы расширяющаяся Вселенная была наполнена только одним из этих трёх типов энергии, и вы задали бы вопрос, как далеко находится объект, свет от которого только сейчас дошёл до нас, вы получили бы три разных ответа. Почему?
Потому, что плотность энергии в любой момент истории определяет историю расширения Вселенной, и излучение, материя и присущая пространству энергия эволюционируют по-разному! И вот вам итоговый результат для Вселенной возрастом 13,8 миллиарда лет:
Если бы Вселенная была наполнена лишь излучением, объект, чей свет только сейчас дошёл бы до нас после путешествия длительностью в 13,8 млрд лет, находился бы на расстоянии 27,6 млрд световых лет от нас.
Если бы Вселенная была наполнена лишь материей, объект, чей свет только сейчас дошёл бы до нас после путешествия длительностью в 13,8 млрд лет, находился бы на расстоянии 41,4 млрд световых лет от нас.
Если бы Вселенная была наполнена лишь тёмной энергией, никакой свет до нас бы вообще не дошёл, поскольку расширение было бы экспоненциальным и по прошествии такого времени мы бы просто ничего не увидели.
Но ни один из этих примеров не соответствует реальной Вселенной, в которой перемешаны эти энергии и эта смесь меняется со временем.
На ранних стадиях Вселенной в первые несколько тысяч лет доминировало излучение, преимущественно в виде фотонов и нейтрино. Потом случился фазовый переход и материя (нормальная и тёмная) стала преобладающей компонентой на миллиарды лет. И совсем недавно, уже после формирования Солнечной системы и Земли, тёмная энергия стала доминантой. Поскольку тёмная энергия не была (и не будет) единственным источником энергии Вселенной, мы никогда не окажемся в ситуации, в которой свет до нас не дойдёт. Но её достаточно, чтобы раздвинуть границы Вселенной дальше, чем в варианте с одной только материей: до 46,1 миллиарда световых лет.
Это контринтуитивно, но нужно помнить: 13,8 миллиарда лет назад вся наблюдаемая Вселенная была меньше, чем наша сегодняшняя Солнечная система!
Расширение Вселенной началось очень быстро и со временем замедлялось. Оно продолжает замедляться, но оно асимптотически стремится не к нулю, а к конечной, хотя и большой, величине. Это означает, что свет от очень удалённого объекта, унесённого расширением Вселенной больше, чем на 40 млрд световых лет от нас, может дойти до нас сегодня, совершив по Вселенной путешествие, сравнимое со всей историей её существования.
И когда он дойдёт до нас, мы увидим свет, испущенный в то время, когда Вселенная была чрезвычайно молода.
Разница лишь в спектральном красном смещении, которое позволяет нам определить возраст и удалённость этого объекта.
Вот почему во Вселенной возрастом в 13,8 миллиарда лет наиболее удалённые из видимых объектов находятся на расстоянии в 46 миллиардов световых лет от нас!