Как е възможно Вселената да е голяма 45 милиарда светлинни години, ако е на възраст само 13,8? Нима се разширява по-бързо от скоростта на светлината?

Има две числа, които на пръв поглед си противоречат. Вселената е на 13,77 милиарда години. Но радиусът на наблюдаваната от нас част от космоса е около 45 милиарда светлинни години.

Това поражда основателен въпрос. Ако нищо не може да се движи по-бързо от светлината, как Вселената е нараснала до такива размери за толкова кратко време? Не би ли трябвало радиусът да е 13,77 милиарда светлинни години?

Отговорът се крие в механиката на пространството. И да, според ново изследване Вселената наистина се разширява по-бързо от скоростта на светлината.

Капанът на възприятието

Когато астрономите улавят светлината от някоя далечна галактика, те гледат назад във времето. Тази светлина е изминала милиарди години, за да достигне до обектива на телескопа. Но докато фотоните са пътували през пустотата, самата пустота се е променила. Вселената непрекъснато се разширява, като увеличава средното разстояние между обектите.

Така че в този случай имаме работа с движеща се мишена. Галактиката е излъчила тази светлина, когато въпросната галактика е била сравнително близо. Докато светлината е пътувала, пространството се е разтягало. Докато получим сигнала, източникът на този сигнал е изминал дълъг път от началната си точка.

За да разберат къде се намира обектът сега, учените използват стандартния космологичен модел, ΛCDM.

• Λ (Ламбда) се отнася до тъмната енергия, която е отговорна за ускоряването на разширяването.
• CDM (Cold Dark Matter) се отнася до студената тъмна материя, която държи галактиките заедно.

Именно този модел ни дава възможност да изчислим реалното разстояние и реалния мащаб на Вселената. Това, което днес виждаме като край на наблюдаемата Вселена, е на 45 милиарда светлинни години от нас. Тази граница се нарича хоризонт на частиците или асоцииран хоризонт. Това е нашият наблюдаем балон на пространството.

Нима Айнщайн го е забранил?

45 милиарда повече от 13,77. Така че скоростта на разширяване превишава скоростта на светлината. Това не нарушава ли Специалната теория на относителността?

Не.

Ограничението на скоростта на светлината е фундаментален закон на физиката, но той се прилага само локално. Нито един материален обект не може да се движи в пространството по-бързо от фотона. Никога няма да построим ракета, която да изпреварва собствения си лъч на прожектора.

Но Специалната теория на относителността не казва нищо за скоростта на разширяване на самото пространство. Галактиките в края на Вселената не се движат в пространството със свръхсветлинна скорост. Именно самото пространство между нас и тях се създава толкова бързо, че кумулативният ефект надхвърля скоростта на светлината.

Червеното отместване и трите хоризонта

Измерваме тази скорост чрез червеното отместване. Колкото по-бързо се отдалечава даден обект, толкова повече светлината му се измества към червената част на спектъра. Тъй като пространството се разширява навсякъде, колкото по-далеч е даден обект, толкова повече пространство има между нас и толкова по-бързо той се отдалечава.

Тук е важно да се прави разлика между трите граници, които често се бъркат:

• Разстоянието на Хъбъл (13,77 милиарда светлинни години). Точката, в която скоростта на отдалечаващите се от нас галактики е равна на скоростта на светлината. Всичко, което е по-далеч, се отдалечава със свръхсветлинна скорост в момента.
• Хоризонтът на частиците (~45 милиарда светлинни години). Границата на наблюдаемата Вселена. Виждаме тези обекти само защото светлината им е била излъчена в далечното минало, когато са били много по-близо до нас.
• Хоризонтът на космологичните събития (сега ~17 милиарда, крайна граница ~60 милиарда). Най-критичната граница. Всичко, което я пресече в този момент, завинаги губи възможността да ни изпрати сигнал за днешното си състояние. Именно тази граница определя сценария на окончателната самота.

Точката, от която няма връщане

Космологичният хоризонт на събитията действа като филтър на причинно-следствената връзка.

Ако една галактика се намира на 18 милиарда светлинни години от нас:

• Ние няма да видим какво се случва в нея днес (тъй като 18 > 17). Връзката с нейното настояще е загубена завинаги.
• Но ние ще продължим да виждаме тази галактика. Ще наблюдаваме нейното далечно минало – светлината, която е излъчвала преди милиарди години, когато е била много по-близо до нас.
• С течение на времето нашият поглед (хоризонтът на частиците) ще се разшири до границата от над 60 милиарда светлинни години. Но колкото по-далеч е един обект, толкова по-древен ще ни изглежда той.

Самотното бъдеще

Перспективата, която рисува моделът ΛCDM, е доста мрачна. Светлината от най-отдалечените обекти ще претърпи нарастващо червено отместване. Дължините на вълните ще се разтеглят толкова далеч, че ще станат невидими за всички измервателни уреди.

Галактиките ще пресекат хоризонта на събитията и ще изчезнат от нашето зрително поле. Изчислено е, че след около 100 милиарда години наблюдател на нашата галактика (или на това, което е останало от нея) ще вижда напълно черно небе. Ще останат видими само обектите от Местната група галактики, гравитационно свързани с нас. Всичко останало ще изчезне завинаги, заличено от разширяването на пространството.