Почему размер Вселенной больше её возраста?

Мы знаем, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет, но размер наблюдаемой Вселенной при этом – 46 миллиардов световых лет. Как это возможно?

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?

Яркость сверхновых типа Ia указывает их расстояние и, следовательно, как давно они взорвались. Их красное смещение указывает, насколько вселенная расширилась с тех пор. Их яркость и красное смещение указывают на историю расширения Вселенной. Исследователи ожидали обнаружить, что расширение замедляется (красные линии). Вместо этого они обнаружили, что оно ускоряется (синие линии); расширение, вероятно, продолжит ускорение в будущем. (Графика от Saul Perlmutter в «Physics Today»)

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.

Диаграммы темной материи и темной энергии

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!

Размер Вселенной в светлые годы по сравнению с количеством времени, которое прошло со времен Большого взрыва. Это представлено в логарифмической шкале, причем для ясности записано несколько важных событий. (Э. Зигель)

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!

How is the Universe bigger thanits age?