Космічний горизонт: чому ми ніколи не побачимо більшу частину Всесвіту
- Ігор Сальниченко
- 17 серп.
- Читати 7 хв
Коли ми вдивляємося в глибини зоряного неба, здається, що можемо побачити безмежний Всесвіт. Насправді ж існує фундаментальна межа – видима область, за яку ми не здатні заглянути. Ця границя відома як космічний горизонт. Вона окреслює видимий Всесвіт – частину космосу, з якої світло встигло дійти до Землі за весь час існування Всесвіту. Все, що лежить за цим горизонтом, назавжди лишається поза нашим спостереженням. Чому ж більша частина Всесвіту недосяжна для наших телескопів? Розгляньмо наукові причини: обмеження швидкістю світла, розширення простору, космологічну сталу (темну енергію), теорію інфляції та явище червоного зміщення.
Видимий Всесвіт: межі наших спостережень
Вік Всесвіту оцінюється приблизно в 13,8 мільярда років, отже, можна очікувати, що максимальна відстань, на яку ми бачимо, дорівнює 13,8 млрд світлових років. Але через розширення простору реальний радіус видимого Всесвіту набагато більший – близько 46 мільярдів світлових років. Це означає, що діаметр області, яку ми можемо спостерігати, сягає ~93 млрд св. років. Як так сталося? Пояснення полягає в тому, що протягом тривалого шляху до нас світло від далеких галактик саме простір розтягнувся. Галактика могла випустити фотони, коли була у 13 млрд св. років від нас, але за час польоту світла Всесвіт розширився, і тепер ця галактика перебуває вже на відстані ~46 млрд св. років[3]. Таким чином, видимий Всесвіт – це ніби бульбашка радіусом ~46 млрд св. років навколо нас, всередині якої розташовані всі доступні для спостережень об’єкти.
Найвіддаленішим «сигналом» з раннього Всесвіту, який ми можемо бачити, є космічне мікрохвильове фонове випромінювання (КМФ). Це слабке післясвітіння Великого Вибуху, що прийшло з епохи близько 380 000 років після народження Всесвіту, коли простір охолов достатньо, щоб стали проникними для світла. Це випромінювання відповідає температурі ~3 K (близько -270 °C) і має червоне зміщення ~1000. Воно походить з часу, коли Всесвіт був заповнений гарячою плазмою (~3000 K), непрозорою для випромінювання[1]. Ця «стіна» плазми обмежує наш погляд у минуле – ми не можемо бачити нічого, що сталося раніше за момент рекомбінації, адже ще раніше Всесвіт був непрозорим. Таким чином, КМФ окреслює найдавнішу і найдальшу межу видимого Всесвіту.
Космічний горизонт і невидима частина Всесвіту
Космічний горизонт – це умовна межа, що відділяє видимий Всесвіт від решти космосу. Він існує через кінцеву швидкість світла і скінченний вік Всесвіту: світло від дуже далеких об’єктів просто не встигло до нас дійти. Все, що знаходиться за горизонтом, наразі невидиме, бо сигналам звідти потрібно більше часу, ніж минуло від Великого Вибуху, аби дістатися Землі. Ми не знаємо напевне, наскільки величезним є весь Всесвіт за межами спостережуваного – він може бути в рази більшим за видиму частку або навіть нескінченним[1]. В будь-якому разі, спостережуваний (відомий) Всесвіт є лише малою часткою реального Всесвіту.
Важливо розуміти, що космічний горизонт – не матеріальна «стіна» чи край Всесвіту, а саме межа наших можливостей бачити. За цим горизонтом існують галактики, але їхнє випромінювання ще в дорозі до нас або назавжди нас не досягне. Розширення простору може віддаляти далекі об’єкти від нас швидше, ніж йде їхнє світло. У рамках загальної теорії відносності це можливо, адже тут йдеться не про рух об’єктів крізь простір, а про розтягування самого простору. Тож немає порушення принципу Айнштайна – жоден матеріальний об’єкт локально не перевищує швидкість світла, але метрика простору збільшується, і відстань між далекими галактиками може зростати швидше c. У результаті ми відрізані від тих далеких регіонів: ні світло, ні жоден сигнал звідти не зможе потрапити до нас[1]. Ці області – не альтернативні всесвіти, а просто частини нашого Всесвіту, з якими ми ніколи не зможемо взаємодіяти або отримати інформацію.
Розширення Всесвіту та червоне зміщення
Фундаментальне відкриття, що дало змогу усвідомити велич Всесвіту, – це розширення простору. У 1920-х роках астрономи помітили, що галактики віддаляються від нас. Американський астроном Едвін Габбл (1889–1953) у 1929 році, спираючись на вимірювання червоних зміщень, зроблені його колегою Мілтоном Г’юмейсоном (1891–1972), встановив закономірність: що далі відстань до галактики, то вища швидкість її розбігання від нас[2]. Це співвідношення отримало назву закон Габбла–Леметра (або просто закон Габбла) і математично виражається формулою: v = H₀ · R, де v – швидкість розбігання, R – відстань, а H₀ – стала Габбла (коефіцієнт пропорційності)[1]. Відкриття Габбла підтвердило висновки, до яких раніше дійшли теоретики Олександр Фрідман (1888–1925) і Жорж Леметр (1894–1966): Всесвіт не статичний, а розширюється з часом[2].
Червоне зміщення – ключове явище, що вказує на розширення. Його відкрив американський астроном Весто Слайфер (1875–1969), ще у 1912 році помітивши, що спектри далеких галактик зміщені до червоного кінця. Червоне зміщення означає, що довжини хвиль випромінювання збільшуються: коли об’єкт віддаляється, світло «розтягується» і його спектр зміщується в бік червоного кольору (який відповідає найбільшим довжинам хвиль видимого світла)[2]. Отже, світло від галактик, що розбігаються, стає червонішим. За величиною цього зміщення астрономи визначають швидкість віддалення. Майже всі галактики за межами нашого локального скупчення демонструють червоні зміщення – доказ того, що простір між галактиками розширюється.
Космологічна стала і прискорене розбігання галактик
На початку XX століття панувала уява про стаціонарний Всесвіт. Альберт Айнштайн (1879–1955), створюючи в 1917 р. рівняння космології на основі загальної теорії відносності, навіть ввів особливий параметр – космологічну сталу (Λ) – щоб «урівноважити» гравітацію і досягти статичного рішення. Коли ж Габбл відкрив розширення, стало ясно, що Λ не потрібна, і Айнштайн пізніше назвав введення космологічної сталої «найбільшим промахом» у своєму житті. Втім, наприкінці століття ця ідея повернулася тріумфально: у 1998 році дві незалежні групи астрономів (під керівництвом Сола Перлматтера, Браяна Шмідта та Адама Ріса) досліджували далекі спалахи наднових зір (тип Ia) і виявили, що ті мають неочікувано низьку яскравість. Це означало, що наднові розташовані далі, ніж передбачалося, тобто Всесвіт розширюється швидше з часом. Відкриття прискореного розширення Всесвіту стало сенсацією: гравітація, яка мала б сповільнювати розбігання галактик, виявилася недостатньою, і натомість якийсь невідомий фактор прискорює метрику простору. За цю роботу Перлматтер, Ріс і Шмідт отримали Нобелівську премію з фізики у 2011 році[2].
Для пояснення прискорення була знову задіяна космологічна стала Λ, інтерпретована як енергія вакууму, або ж темна енергія – особлива форма енергії, рівномірно розподілена в просторі. За сучасними даними, близько 68% енергетичного балансу Всесвіту припадає саме на темну енергію[2]. Її дія проявляється у відштовхуванні на космологічних масштабах, через що розширення Всесвіту не сповільнюється, а прискорюється.
Наслідком прискореного розширення є існування космічного горизонту подій. Є певна границя (порядку 16–17 млрд св. років від нас), за межі якої галактики віддаляються так швидко, що випущене ними світло ніколи не зможе нас наздогнати. Інакше кажучи, є області Всесвіту, які ніколи не стануть видимими, навіть у далекому майбутньому. Ба більше, з часом горизонт подій звужуватиметься. Через мільярди років все менше далеких галактик залишатиметься в зоні досяжності спостережень. За оцінками, через ~100 млрд років космічний горизонт стиснеться настільки, що за його межею опиняться практично всі зоряні системи, окрім найближчих – Галактика Андромеди та кількох сусідніх галактик, які до того часу зіллються з нашою в одну гігантську еліптичну галактику[1]. Іншими словами, далеке майбутнє спостерігач побачить лише галактики локальної групи, а весь інший Всесвіт буде схований за непроникною завісою горизонту.
Інфляційна модель: Всесвіт за горизонтом
Ще одна причина вважати, що більшість космосу прихована від нас, дає теорія космічної інфляції. Це гіпотетичний етап надстрімкого розширення Всесвіту в перші частки секунди після Великого Вибуху. Теорію інфляції запропонував американський фізик Алан Гут (нар. 1947) у 1981 році, щоб розв’язати кілька загадок стандартної космології – зокрема, проблему горизонту та проблему «пласкості» Всесвіту. Згідно з цією моделлю, на самому початку (≈10⁻³⁵ с) простір розширився експоненціально, збільшившись більш ніж у 10²⁶ разів за надзвичайно короткий час[4]. Уявімо: ділянка простору розміром з протон розтягнулася до розмірів, більших за всю сучасну нашу галактику! Після завершення інфляційного спалаху Всесвіт продовжив розширюватися вже «звичайним» чином, однак той початковий різкий ривок має разючий наслідок: видимий Всесвіт являє собою лише крихітний фрагмент колосального космосу.
Інфляція пояснює, чому мікрохвильове фонове випромінювання так однорідне в усіх напрямках: до інфляційного роздування вся область, яку ми тепер бачимо, була надзвичайно малою і встигла прийти до термодинамічної рівноваги, тобто «обмінятися інформацією» між своїми частинами[4]. При цьому різні далекі регіони неба, які нині розділені десятками мільярдів світлових років, колись були в безпосередньому контакті. Але потім інфляція віддалила їх так далеко, що вони опинилися поза взаємним горизонтом. Всесвіт після інфляції можна порівняти з величезним кукурудзяним полем: куди не глянь – скрізь однаковий пейзаж, хоча за межами видимості поле триває далі[1]. За аналогією, якби наш «видимий Всесвіт» був тим, що видно на рівнині, то справжній Всесвіт простягається далеко за обрій. Наскільки далеко – сказати важко, адже цю частину не побачити. Деякі моделі припускають, що весь Всесвіт може бути в мільйони чи більше разів більшим за видиму область. А якщо простір замкнутий у собі (сферичний), інфляція гарантує, що кривизна настільки мала, що ми її не помічаємо – тобто наш «шматочок» настільки малий порівняно з цілим Всесвітом, що здається майже пласким.
Ба більше, інфляційна картина дозволяє існування так званої мультивсесвіту. Якщо інфляція носить нескінченний характер (в різних ділянках простору-часу), то наш Всесвіт є лише одним «пухирцем» серед безлічі інших, причинно не пов’язаних між собою. Хоч це припущення й виходить за межі прямих спостережень, сама можливість підкреслює: навіть у межах однієї нашої реальності більшість її обсягу ніколи не потрапить до поля зору земних спостерігачів.
Вічна недосяжність: більшість Всесвіту залишається невидимою
З наведених причин стає зрозуміло, чому ми ніколи не побачимо більшу частину Всесвіту. По-перше, світло має скінченну швидкість (300 000 км/с), і за 13,8 млрд років воно встигло донести до нас інформацію лише з певної області. По-друге, сам Всесвіт зростає – простір розширюється, віддаляючи далекі галактики. Навіть зараз багато з них відходять швидше, ніж світло, тому їхні фотони не можуть нас досягти. По-третє, прискорене розширення через темну енергію накладає ще суворіше обмеження: існує горизонт подій, що визначає межу «назавжди невидимого» – те, що нині лежить за цим рубежем, ніколи не стане доступним спостереженням. По-четверте, інфляційний ранній Всесвіт настільки розтягнув простір, що видима область – мізерна частина цілого[1]. Отож, з упевненістю можна сказати: більшість космічного простору назавжди лишиться за завісою горизонту.
Наша «космічна адреса» – лише один із незліченних острівців у безмежному океані. Людство, навіть озброєне найдосконалішими телескопами майбутнього, обмежене стінами видимого Всесвіту. Ми можемо спостерігати мільярди галактик, але вони – лише осяйні піщинки на березі нескінченності. Усвідомлення цього факту – одне з найглибших інтелектуальних досягнень сучасної науки, яке водночас навчає нас скромності перед обличчям величі космосу.
Список використаних джерел:
NASA Imagine the Universe! «Ask an Astrophysicist – Cosmology Q&A». NASA Goddard Space Flight Center. URL: https://imagine.gsfc.nasa.gov/ask_astro/cosmology.html.
NASA Science (Universe). «What is Dark Energy? Inside Our Accelerating, Expanding Universe». NASA, 2023. URL: https://science.nasa.gov/dark-energy/.
Encyclopædia Britannica. Observable universe // Encyclopedia Britannica. – URL: https://www.britannica.com/topic/observable-universe.
WMAP – Big Bang Cosmology: Inflation. NASA / Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Mission. Updated 21 Feb 2024. URL: https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html.
Коментарі