В новом выпуске научно-популярного канала «Фермилаб» подробно разбирается один из самых интригующих парадоксов современной космологии. Если возраст нашей Вселенной составляет всего 13,7 миллиарда лет, то как её видимая часть может простираться на 92 миллиарда световых лет в ширину? Ответ кроется в динамической природе самого пространства и фундаментальных законах физики, которые управляют масштабными структурами космоса.
☕ Взгляд в прошлое за утренним кофе 0:04
Когда мы смотрим вглубь космоса, мы видим не просто далекие объекты, а их далекое прошлое. Автор видео приводит простой и понятный бытовой пример: Солнце находится на расстоянии около 93 миллионов миль от Земли, и свет преодолевает этот путь примерно за восемь минут. Это означает, что когда мы завтракаем, едим утренний тост и пьем кофе, мы видим Солнце не таким, какое оно прямо сейчас, а таким, каким оно было в момент, когда хлеб только опустили в тостер.
Пространство и время неразрывно переплетены между собой. Для измерения огромных расстояний ученые используют единицу под названием «световой год» — расстояние, которое свет проходит за один год. В более привычных нам величинах один световой год составляет:
- Примерно 9,5 триллиона километров.
- Чуть меньше 6 триллионов миль.
Использование этой единицы крайне удобно для астрономов, поскольку, согласно законам физики, ни один объект во Вселенной не может двигаться быстрее света.
🌌 Парадокс космической сферы 1:10
На сегодняшний день астрономы с высокой точностью определили возраст Вселенной — он составляет 13,7 миллиарда лет. Задавшись вопросом о размерах видимой Вселенной, можно прийти к очевидному на первый взгляд умозаключению. Мы физически не можем увидеть Вселенную до её зарождения.
В момент Большого взрыва космос заполнился светом, который начал свое путешествие через пространство. Если этот свет шел до Земли с момента сотворения мира 13,7 миллиарда лет назад, логично предположить, что он преодолел расстояние в 13,7 миллиарда световых лет.
Ученые действительно фиксируют это древнейшее излучение, оставшееся со времен ранней Вселенной. Оно называется космическим микроволновым фоновым излучением (реликтовым излучением). Этот «снимок новорожденной Вселенной» бомбардирует Землю со всех сторон.
Исходя из этого, кажется разумным утверждать, что видимая Вселенная представляет собой сферу с центром на Земле и радиусом ровно 13,7 миллиарда световых лет. Однако, как заявляет ведущий «Фермилаб», этот логичный вывод абсолютно ошибочен. Наука часто обманчива, если делать поспешные выводы и не давать себе времени поразмыслить над деталями.
🎈 Как расширение раздувает миллионы в миллиарды 3:26
Главная ошибка «статичного» вывода заключается в предположении, что расстояния между объектами в космосе остаются неизменными. Но Вселенная расширяется со времен Большого взрыва, причем раньше этот процесс шел гораздо быстрее, чем сейчас. Суть Большого взрыва сводится к тому, что когда-то Вселенная была намного меньше и горячее, и с тех пор она непрерывно расширяется.
Чтобы понять истинный масштаб, автор видео предлагает мысленно перенестись в момент испускания реликтового излучения. В то время космос повсюду был одинаково раскаленным. Существовала определенная сфера, свет из которой устремился к точке, где сегодня находится Земля. Свет двигался со скоростью света и добирался до нас 13,7 миллиарда лет.
В момент испускания этих микроволн радиус указанной сферы составлял всего около 42 миллионов световых лет. На первый взгляд кажется, что свет должен был долететь за 42 миллиона лет, но реальный путь занял почти 14 миллиардов лет. Причина такой колоссальной задержки кроется в том, что само пространство между той сферой и Землей стремительно расширялось.
Пока фотоны летели к нам, расширялся и сам источник излучения. По простейшим математическим расчетам, учитывающим только базовое расширение пространства, эта сфера сегодня должна находиться на расстоянии около 41 миллиарда световых лет от нас.
👻 Вмешательство космического «ускорителя» — тёмной энергии 5:27
Однако даже этот расчет оказывается не до конца точным. Примерно 5 миллиардов лет назад в эволюции космоса произошло важнейшее событие: ключевую роль начало играть энергетическое поле, известное как тёмная энергия. Тёмная энергия действует как своего рода расталкивающая, антигравитационная сила. Это привело к тому, что расширение Вселенной перестало замедляться и начало ускоряться.
Хронология изменения динамики расширения пространства выглядит следующим образом:
- Первые 9 миллиардов лет после Большого взрыва расширение пространства постепенно замедлялось.
- В последние 5 миллиардов лет под воздействием тёмной энергии процесс, напротив, ускоряется.
Если скорректировать формулы с учетом влияния тёмной энергии, выяснится, что современный радиус сферы, из которой к нам пришло реликтовое излучение, увеличился с первоначальных 42 миллионов световых лет до колоссальных 46 миллиардов световых лет.
Таким образом, общая ширина (диаметр) наблюдаемой Вселенной составляет удвоенный радиус — примерно 92 миллиарда световых лет. Тот регион, откуда был испущен древний свет, сейчас находится примерно в 1100 раз дальше, чем в момент испускания.
⏳ Космическое исчезновение: мы теряем по 20 000 звёзд в секунду 6:34
Мы видим древний свет таким, каким он был миллиарды лет назад, а не в его текущем состоянии. В месте испускания реликтового излучения условия когда-то были такими же, как на ранней Земле, но за прошедшее время там тоже успели сформироваться звезды и галактики. Если бы мы могли мгновенно заглянуть на расстояние в 46 миллиардов световых лет, мы бы увидели развитые космические системы. Однако мы их не видим, ведь свет от этих современных объектов еще просто не успел до нас дойти.
Более того, по мнению ведущего «Фермилаб», мы никогда их не увидим. Из-за непрерывного и ускоряющегося расширения пространства эти галактики удаляются от нас с огромной скоростью.
В космологии существует жесткая граница видимости:
- В настоящий момент вокруг Земли очерчена сфера горизонта частиц радиусом около 15 миллиардов световых лет.
- Объекты, которые сейчас находятся за пределами этой 15-миллиардной зоны, человечество никогда не сможет увидеть в их текущем состоянии, сколько бы времени ни прошло.
Все, что находится в пределах 15 миллиардов световых лет, мы теоретически сможем увидеть в будущем, хотя лететь до нас этот свет будет невероятно долго. Из-за постоянного расширения космоса мы безвозвратно теряем звезды. Согласно расчетам, приводимым в видео, каждую секунду из зоны нашей будущей видимости навсегда исчезает около 20 000 звёзд. Фотоны, выпущенные ими мгновение назад, мы еще поймаем, но свет, излученный ими чуть позже, уже никогда не достигнет земных телескопов.
В далеком будущем расширение Вселенной приведет к тому, что практически все галактики, которые мы сегодня наблюдаем в телескопы, полностью скроются из виду. По прогнозам ученых, ночное небо станет пустым, и астрономы будущего смогут созерцать лишь объекты Местной группы галактик, куда входят наш Млечный Путь, Андромеда и несколько десятков мелких близлежащих галактик.
Подводя итог, автор видео резюмирует: радиус видимой Вселенной составляет 46 миллиардов световых лет, несмотря на её возраст в 13,7 миллиарда лет. И если человечество когда-нибудь планирует всерьез заняться исследованием других далеких галактик, авторы советуют «начинать шевелиться» уже сейчас.
