Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Мы живем в расширяющейся Вселенной, а это значит, когда-то расстояния между всеми объектами были меньше. Продолжая эту экстраполяцию, можно прийти к тому, что какое-то время назад все наблюдаемые нами объекты были сжаты в очень маленьком объеме, т. е. расширение имело начало. Сейчас мы знаем этот момент с достаточной точностью: 13,7–13,8 млрд лет назад. Это результат многочисленных исследований, использовавших самые разные данные. С другой стороны, нет никаких наблюдаемых фактов, которые не вписывались бы в эту картину.

Вселенная имеет конечный возраст, примерно равный 13,7 млрд лет.

С помощью радиоактивных элементов мы достаточно хорошо знаем возраст Солнечной системы – он составляет чуть менее 5 млрд лет. Модели звездной эволюции позволяют оценить максимальный возраст известных звезд, в пределах допустимых погрешностей он не превосходит 13–14 млрд лет. Модели химической эволюции Вселенной также согласуются с этой оценкой. Наконец, исследование динамики Вселенной и формирования структур в ней также указывает на возраст чуть менее 14 млрд лет. Поэтому конечный возраст «мира, как мы его знаем» можно считать твердо установленным фактом.

Темнота ночного неба объясняется конечным возрастом Вселенной и конечностью скорости света.

Конечный возраст Вселенной позволяет решить несколько парадоксов. Одним из самых известных среди них является парадокс Ольберса, названный в честь немецкого врача и астронома Вильгельма Ольберса (Wilhelm Olbers), первооткрывателя астероидов Паллада и Веста. Парадокс Ольберса заключается в следующем: если Вселенная однородна и изотропна и везде заполнена звездами, то на линии любого нашего луча зрения всегда находилась бы какая-то (пусть и очень далекая) звезда – но тем не менее ночное небо темное! Обсуждать этот парадокс начали за сотни лет до рождения самого Ольберса, но объяснение было найдено лишь в рамках современной космологической модели.

Возраст Вселенной конечен, как и скорость света, и за время жизни Вселенной свет не мог пройти бесконечное расстояние. Глядя на далекие галактики, мы смотрим в прошлое, однако 14 млрд лет назад никаких галактик еще не существовало. Поэтому для наблюдений нам доступна лишь конечная область пространства, и потенциально мы можем видеть лишь конечное число звезд (и галактик). Это и есть объяснение парадокса Ольберса (свой вклад также вносит и космологическое красное смещение, уменьшающее энергию принимаемых фотонов и, соответственно, поверхностную яркость далеких галактик). Мы не знаем, бесконечна Вселенная или нет, но мы знаем, что она больше области, доступной нам для наблюдений.

Горизонт частиц соответствует расстоянию до самого далекого из потенциально наблюдаемых сейчас объектов.

Из-за конечности скорости света и постоянного расширения Вселенной в космологии возникает несколько понятий расстояния, которые нужны для понимания размеров наблюдаемой области. Когда-то давно вся наблюдаемая нами сейчас область была сжата в крохотном объеме и все потенциально наблюдаемые объекты находились близко от «нас». Но Вселенная очень быстро расширялась, и если бы частица, находившаяся спустя три года после начала расширения на расстоянии 100 000 световых лет от нас, послала в нашу сторону со скоростью света сигнал (который бы не поглощался по мере распространения), то мы бы все еще не могли его видеть, поскольку источник сигнала находится за горизонтом – так называемым горизонтом частиц.

Горизонт событий соответствует расстоянию до самого далекого объекта, до которого может дойти посланный сейчас световой сигнал.

Если бы мы могли видеть источники, излучавшие спустя короткое время после Большого взрыва, то свет от них шел бы к нам 13,7 млрд лет, т. е. прошел бы путь 13,7 млрд световых лет. Но все это время Вселенная расширяется, поэтому сейчас такой источник находится на расстоянии около 46 млрд световых лет от нас. Это соответствует нашему горизонту частиц, и более далекие объекты мы видеть не можем. Однако первые десятки миллионов лет не было ни звезд, ни галактик, и самый далекий источник электромагнитных волн – это так называемая поверхность последнего рассеяния, с которой связано реликтовое излучение. Электроны, рассеивавшие принимаемое нами реликтовое излучение, находятся теперь на расстоянии более 45 млрд световых лет от нас. Самые первые звезды, которые мы сможем увидеть (точнее, то, что от них осталось), сейчас находятся на расстоянии чуть менее 40 млрд световых лет. Самые далекие галактики, которые мы наблюдаем, сейчас удалены на 30 с лишним миллиардов световых лет.

В эти далекие галактики мы не можем уже послать никакого сообщения – они находятся за нашим горизонтом событий. Вселенная сейчас расширяется с ускорением, и галактики, находящиеся в настоящий момент в 16–17 млрд световых лет от нас, удаляются достаточно быстро (они находятся за сферой Хаббла), чтобы сигнал не смог до них дойти. Обратное тоже верно: мы не сможем увидеть события, происходящие сейчас в этих галактиках (отсюда и название – горизонт событий).

Одним из ключевых понятий в современной космологии является красное смещение. Технически эта величина показывает, насколько сдвинуты спектральные детали (линии и т. п.) и сам спектр в целом. Существует несколько причин такого сдвига, но космологическая стоит особняком.

Спектры далеких галактик смещены в красную сторону из-за расширения Вселенной.

Известно, что гудок приближающегося поезда имеет более высокий тон, чем удаляющегося. Этот эффект называют эффектом Доплера: если источник волнового сигнала приближается к нам, то мы регистрируем более короткую длину волны, чем испускает источник, а если удаляется – более длинную. Он верен не только для звуковых, но и для электромагнитных волн, включая свет (и вообще для любого периодического процесса).

Кроме того, существует гравитационное красное смещение сигнала, который идет из области с более сильной гравитацией в область с более слабой. Его природа состоит в том, что часы идут по-разному в разном гравитационном поле (в более сильном время течет медленнее). Соответственно, фотон, пришедший к нам из области сильного поля, кажется нам «покрасневшим».

Однако космологическое красное смещение нельзя простым способом свести ни к доплеровскому, ни к гравитационному сдвигу. Оно связано именно с расширением Вселенной. Величина космологического смещения зависит от изменения масштабного фактора во время распространения сигнала.