Что находится за границами вселенной. Каковы размеры нашей вселенной

Шкала расстояний Вселенной

Поскольку Вселенная расширяется, на вопрос о расстояниях до очень далеких галактик трудно ответить. Все зависит от вашей точки зрения.

Туманность Омега

Туманность Орел

Скопление Антлия

Вот в чём заключается проблема определения расстояний в расширяющейся Вселенной: две галактики находятся рядом друг с другом, когда возраст Вселенной - всего 1 миллиард лет. Первая галактика излучает световой импульс. Вторая галактика не воспринимает данный импульс до тех пор, пока Вселенной не исполнится 14 миллиардов лет.

К этому моменту данные галактики разделяет порядка 26 миллиардов световых лет; световой импульс находится в пути в течение 13 миллиардов лет; и картинка, которую получают люди во второй галактике - это образ первой галактики на момент, когда её возраст составлял всего лишь один миллиард лет и когда она находилась на удалении всего 2 миллиарда световых лет.

В космологии общепринятыми являются четыре различные шкалы расстояний:

(1) Фотометрическое расстояние - DL

В расширяющейся Вселенной удалённые галактики намного более трудноразличимы, чем можно было ожидать, поскольку фотоны света растягиваются и развёртываются на обширную зону. Вот почему для того, чтобы разглядеть очень удалённые галактики, требуются огромные телескопы. Наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", настолько слабо различимы, что создаётся впечатление, как будто они находятся на удалении порядка 350 миллиардов световых лет, хотя они и находятся намного ближе.

Фотометрическая шкала не отображает реального расстояния, но она применяется для определения того, насколько тусклыми видятся нам очень удалённые галактики.

(2) Расстояние углового диаметра - DA

В расширяющейся Вселенной мы видим галактики у границы видимой Вселенной в тот момент, когда они были очень молодыми, порядка 14 миллиардов лет назад, поскольку свету, чтобы добраться до нас, потребовалось около 14 миллиардов лет.

Однако галактики в то время не только были молодыми, но и располагались намного ближе к нам.

Наиболее слабо различимые галактики, видимые посредством космического телескопа "Хаббл", в момент излучения света находились от нас на удалении всего несколько миллиардов световых лет.

Это означает, что очень удалённые галактики выглядят гораздо более крупными, чем можно было ожидать, как будто они находятся от нас на расстоянии порядка 2 либо 3 миллиардов световых лет (Хотя они тоже выглядят очень-очень тусклыми - см. "Фотометрическое расстояние").

Расстояние углового диаметра - хороший индикатор (особенно в такой плоской галактике, как наша) того, насколько близко к нам находилась определённая галактика, когда излучала свет, который мы видим в данный момент.

(3) Сопутствующее расстояние - DC

Шкала сопутствующего расстояния расширяется вместе со Вселенной. Она даёт нам представление о том, где в настоящее время находятся галактики, несмотря на то, что наблюдаем мы удалённую галактику в том виде, какой она имела, когда была намного младше и меньше. По данной шкале самый дальний край видимой Вселенной в настоящее время находится от нас на удалении 47 миллиардов световых лет, хотя наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", находились бы от нас на расстоянии порядка 32 миллиардов световых лет.

Сопутствующее расстояние противоположно расстоянию углового диаметра.

Это расстояние показывает, где галактики находятся в данный момент, а не где они находились, когда излучали свет, который мы видим сейчас.

(4) Аберрационное расстояние - DT

Аберрационное расстояние означает промежуток времени, за который нас достигает свет от удалённых галактик. Именно это и имеется в виду, когда говорят, что видимая Вселенная имеет радиус 14 миллиардов световых лет.

Смысл данного утверждения: возраст Вселенной составляет порядка 14 миллиардов лет, свету же от более удалённых галактик не хватило времени добраться до нас.

Аберрационное расстояние - это в равной степени мера времени и мера расстояния. Основная польза от этой шкалы - она даёт нам представление о возрасте того образа данной галактики, который мы видим в настоящее время.

Для малых расстояний (порядка 2 миллиардов световых лет и меньше) все четыре шкалы расстояний совмещаются и повторяют одна другую, так что определять расстояния до галактик в окружающей нас локальной Вселенной гораздо проще.

Ниже приведены все четыре шкалы расстояний, наложенные на красное смещение. Красное смещение - это мера растягивания света, вызванного расширением Вселенной: галактика с высоким уровнем красного смещения расположена дальше, чем галактика с малым уровнем красного смещения. Наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", имеют величину красного смещения 10, в то время как наиболее удалённые протогалактики во Вселенной, вероятно имеют величину красного смещения порядка 15. Граница видимой Вселенной имеет красное смещение на уровне бесконечности. Для сравнения: типичный переносной телескоп не позволяет рассмотреть объекты с красным смещением, значительно превышающим 0.1 (около 1,3 миллиарда световых лет).

Фотометрическое расстояние (DL ) демонстрирует, почему так сложно рассмотреть удалённые галактики: очень молодая и далёкая галактика с уровнем красного смещения 15 кажется удалённой от нас на 560 миллиардов световых лет, хотя расстояние углового диаметра (DA ) показывает, что на момент излучения этой галактикой света, который мы видим сейчас, ей фактически было порядка 2,2 миллиардов световых лет. Аберрационное расстояние (DT ) показывает, что свет от данной галактики путешествовал 13,6 миллиардов лет с момента его излучения до настоящего момента. Сопутствующее расстояние (DC ) показывает, что та же самая галактика сегодня, если бы мы могли видеть её, находилась бы от нас на удалении 35 миллиардов световых лет.

Обычно, когда говорят о размерах Вселенной, подразумевают локальный фрагмент Вселенной (Мироздания) , который доступен нашему наблюдению.

Это так называемая наблюдаемая Вселенная – область пространства, видимая для нас с Земли.

А так как возраст Вселенной около 13 800 000 000 лет, то независимо от того в каком мы направлении смотрим, мы видим свет, который достиг нас за 13,8 миллиарда лет.

Так что, исходя из этого, логично думать, что наблюдаемая Вселенная должна быть 13,8 х 2 = 27 600 000 000 световых лет в поперечнике.

Но это не так! Потому что с течением времени космос расширяется. И те далекие объекты, которые испустили свет 13,8 млрд. лет назад, за это время улетели еще дальше. Сегодня они уже более чем в 46,5 миллиардах световых лет от нас. Удвоив это, получаем 93 миллиарда световых лет.

Таким образом, реальный диаметр наблюдаемой вселенной составляет 93 млрд. св. лет.

Визуальное (в виде сферы) представление трёхмерной структуры наблюдаемой Вселенной, видимой с нашей позиции (центр круга).

Белыми линиями обозначены границы наблюдаемой Вселенной.
Пятнышки света - это скопления скоплений галактик – суперкластеры (supercluster) – самые большие известные структуры в космосе.
Масштабная линейка: одно деление сверху - 1 миллиард световых лет, снизу – 1 миллиард парсек.
Наш дом (в центре) здесь обозначен как Сверхскопление Девы (Virgo Supercluster) – это система, включающая десятки тысяч галактик, в том числе нашу собственную – Млечный Путь (Milky Way).

Более наглядное представление о масштабах обозримой Вселенной даёт следующее изображение:

Схема расположения Земли в наблюдаемой Вселенной – серия из восьми карт

слева направо верхний ряд: Земля – Солнечная система – Ближайшие звезды – Галактика Млечный Путь, нижний ряд: Местная группа галактик – Скопление Девы – Местное Сверхскопление – Обозримая (наблюдаемая) Вселенная.

Чтобы лучше прочувствовать и осознать, о каких колоссальных, не сопоставимых с нашими земными представлениями, масштабах идет речь, стоит посмотреть увеличенное изображение этой схемы в медиа просмотрщике .

А что можно сказать о всей Вселенной? Размер всей Вселенной (Мироздания, Метавселенной), надо полагать, гораздо больше!

Но, вот какая она эта вся Вселенная и как устроена, это пока остается для нас загадкой…

А как насчет центра Вселенной? Наблюдаемая Вселенная имеет центр - это мы! Мы находимся в центре наблюдаемой Вселенной, потому что наблюдаемая Вселенная - это просто участок космоса, видимый нам с Земли.

И подобно тому, как с высокой башни мы видим круглую область с центром в самой башне, также мы видим область космоса с центром от наблюдателя. На самом деле, если говорить точнее, каждый из нас - центр своей собственной наблюдаемой Вселенной.

Но это не значит, что мы находимся в центре всей Вселенной, как и башня - отнюдь не центр мира, а только центр того кусочка мира, который с нее видно - до горизонта.

То же и с наблюдаемой Вселенной.

Когда мы смотрим в небо, мы видим свет, который 13,8 миллиарда лет летел к нам из мест, которые уже в 46,5 миллиардах световых лет от нас.

Мы не видим то, что за этим горизонтом.

На заре космологии – науки, изучающей Вселенную, – было принято считать, что ученые часто ошибаются в мелочах, но никогда не сомневаются глобально. В наше время ошибки в расчетах удалось свести к минимуму, а вот сомнения разрослись до размеров изучаемого объекта. Десятилетиями космологи строили новые телескопы, придумывали хитроумные детекторы, задействовали суперкомпьютеры и в результате с уверенностью могут утверждать, что Вселенная зародилась 13820 миллионов лет назад из крошечного пузырька в пространстве, по размеру сравнимого с атомом. Впервые ученые с точностью до десятой доли процента создали карту космического микроволнового фона – реликтового излучения, возникшего через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

До сих пор неизвестно, что такое темная материя. Темная энергия – еще б?льшая загадка.

Космологи также пришли к выводу, что видимые нам звезды и галактики составляют всего 5% от состава наблюдаемой Вселенной. Большая часть приходится на невидимые темную материю (27%) и темную энергию (68%). По предположению ученых, темная материя формирует структуру Вселенной, связывая воедино разбросанные по разным ее уголкам сгустки материи, хотя до сих пор неизвестно, что такое эта самая темная материя. Темная энергия – еще б?льшая загадка, этим термином принято обозначать неведомую силу, ответственную за постоянно ускоряющееся расширение Вселенной. Первым намеком на существование всепроникающей темной материи стали исследования швейцарского астронома Фрица Цвикки. В 1930-е годы в обсерватории Маунт-Вилсон на юге Калифорнии Цвикки измерял скорости галактик в скоплении Волосы Вероники, вращающихся относительно центра скопления. Он пришел к выводу, что галактики должны были давно разлететься в космическом пространстве, если бы их не удерживала какая-то невидимая человеческому глазу материя. Скопление Волосы Вероники существует как единое целое уже миллиарды лет, из чего Цвикки заключил, что неведомая «темная материя заполняет Вселенную с плотностью, в разы превосходящей ее видимого собрата». Дальнейшие исследования показали, что гравитационное поле темной материи сыграло решающую роль в образовании галактик на первых этапах существования Вселенной – именно сила притяжения собрала воедино облака «строительного материала», жизненно необходимого для рождения первых звезд. Темная материя – не просто замаскировавшаяся обыкновенная барионная (состоящая из протонов и нейтронов) материя: в космическом пространстве ее попросту слишком мало. Безусловно, есть множество небесных тел, ничего не излучающих: черные дыры, тусклые карликовые звезды, холодные скопления газа и планеты-сироты, по какой-то причине вытолкнутые за пределы родных звездных систем. Однако их суммарная масса никак не может более чем пятикратно превышать массу обычной видимой материи. Это дает ученым основание полагать, что темная материя состоит из каких-то более экзотических частиц, пока не наблюдавшихся в экспериментах. Ученые, занимающиеся построением суперсимметричной квантовой теории, предположили существование различных частиц, которые вполне могут подходить на роль заветной темной материи. Подтверждение того, как слабо темная материя взаимодействует не только с барионной, но и с самой собой, космологи обнаружили в трех миллиардах световых лет от Земли в скоплении Пуля, на самом деле являющемся двумя сталкивающимися друг с другом галактическими скоплениями. Астрономы выявили массивные облака горячего газа в центре скопления, которые обычно образуются при столкновении облаков барионной материи. Для дальнейшего изучения исследователи создали карту гравитационного поля скопления Пуля и идентифицировали две области с высокой концентрацией массы поодаль от зоны столкновения – по одной в каждом из сталкивающихся галактических кластеров. Наблюдения показали: в отличие от барионной материи, бурно реагирующей в момент непосредственного контакта, их более тяжелые грузы из темной материи невозмутимо минуют место катастрофы в целости и сохранности, никак не взаимодействуя с царящим в округе хаосом. Конструируемые учеными детекторы для поиска темной материи невероятно изящны с инженерной точки зрения – тут они чем-то напоминают яйца Фаберже, от одного взгляда на которые даже у мастеров-ювелиров захватывает дух. Один из таких детекторов – магнитный альфа-спектрометр стоимостью два миллиарда долларов, установленный на Международной космической станции, ведет сбор данных о возможных столкновениях частиц темной материи друг с другом. Большинство же детекторов нацелены на поиск следов взаимодействия между частицами темной и барионной материи, и попытки зафиксировать их предпринимаются уже на Земле, а точнее, под землей: для минимизации помех, вносимых прилетающими из космического пространства высокоэнергетическими частицами космических лучей, размещать исследовательские комплексы приходится глубоко под земной поверхностью. Детекторы представляют собой массивы кристаллов, охлажденных до сверхнизких температур, другие выглядят как огромные емкости, заполненные жидким ксеноном или аргоном, окруженные датчиками и упакованные в многослойную «луковицу» – обертку из самых разных (от полиэтилена до свинца и меди) экранирующих материалов. Интересный факт: недавно выплавленный свинец обладает небольшой радиоактивностью, что недопустимо при строительстве высокочувствительных детекторов. В экспериментах используется переплавленный свинцовый балласт, который подняли с затонувших кораблей времен Римской империи. За два тысячелетия, которые металл пролежал на дне моря, его радиоактивность заметно снизилась. Вам кажется, что по поводу темной материи полно вопросов? Сущие пустяки по сравнению с нашими представлениями о загадочной темной энергии! Лауреат Нобелевской премии по физике 1979 года Стивен Вайнберг считает ее «центральной проблемой современной физики». Астрофизик Майкл Тёрнер ввел в обиход термин «темная энергия», после того как две группы астрономов в 1998 году объявили об открытии ускоряющегося расширения Вселенной. Они пришли к такому выводу в процессе изучения сверхновых звезд типа Ia, обладающих одинаковой максимальной светимостью, благодаря чему их можно использовать для измерения расстояний до удаленных галактик. Гравитационное взаимодействие между галактиками в их скоплениях должно ограничивать расширение Вселенной, и астрономы ожидали увидеть замедление скорости изменения расстояний между звездными кластерами. Представьте их удивление, когда они выяснили, что все как раз наоборот: Вселенная расширяется, и скорость расширения со временем возрастает. А начался этот процесс, как предполагают ученые, пять-шесть миллиардов лет назад. В последние годы астрономы заняты тщательным картированием Вселенной с беспрецедентно высокой точностью. Это поможет получить больше информации о точном моменте возникновения темной энергии и определить, остается ли она постоянной или изменяется со временем. Но возможности телескопов и цифровых детекторов небезграничны, а значит, чтобы вывести более точную космологическую теорию, необходимо разработать и построить новые инструменты – принцип остается неизменным с момента зарождения астрономии. Для построения такой карты запущено несколько проектов вроде «Спектроскопического обзора барионных осцилляций» (BOSS, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), в рамках которого при помощи 2,5-метрового телескопа в американской обсерватории Апачи-Пойнт ведется измерение расстояний в космосе со сверхвысокой (до процента) точностью. Проект «Обзор темной энергии» (DES, Dark Energy Survey) занимается сбором и изучением информации о 300 миллионах (!) галактик, наблюдения ведутся на 4-метровом телескопе имени Виктора Бланко, расположенном в чилийских Андах. Европейское космическое агентство ESA на 2020 год планирует запуск орбитального телескопа «Евклид», который позволит заглянуть в прошлое и понять, как менялась динамика расширения Вселенной на протяжении нескольких миллиардов лет. А с запуском Большого обзорного телескопа (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), строящегося в нескольких километрах от телескопа Бланко, у космологов появятся огромные массивы уникальных данных. Относительно небольшой (диаметр зеркала – 8,4 метра), но достаточно быстрый при съемке, LSST будет оснащен сверхсовременной цифровой камерой в 3,2 гигапикселя, позволяющей разом охватить изрядную часть неба. С помощью такого арсенала технически сложных инструментов ученые надеются измерить скорость расширения Вселенной, выяснить, изменилась ли она с момента возникновения темной энергии, и понять, каково место последней в устройстве мироздания. Это позволит сделать выводы ни много, ни мало о том, что ждет Вселенную в будущем и о том, как нам продолжить ее изучение. Если она будет расширяться со все возрастающей скоростью, всецело находясь во власти темной энергии, большинство галактик окажутся отброшенными из поля зрения друг друга, не оставив астрономам будущего ни одного объекта для наблюдения, кроме ближайших соседей и зияющей космической бездны. Для того чтобы понять природу темной энергии , нам придется переосмыслить фундаментальные представления о самом пространстве. Долгое время космические просторы между звездами и планетами считались абсолютно пустыми, хотя еще Исаак Ньютон говорил, что ему чрезвычайно сложно представить, как гравитация может удерживать Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, если между ними нет ничего, кроме вакуума. В XX веке квантовая теория поля показала, что на самом деле пространство не является пустым, а, напротив, повсюду пронизано квантовыми полями. Основные «строительные кирпичики», из которых состоит материя – протоны, электроны и другие частицы, – по сути, являются лишь возмущениями квантовых полей. Когда энергия поля находится на минимальном уровне, пространство выглядит пустым. Но если поле возмущено, все вокруг оживает, заполняясь видимой материей и энергией. Математик Лучано Бой сравнивает пространство с поверхностью воды в альпийском пруду: она становится заметной, когда налетает легкий бриз, покрывая пруд дрожащей рябью. «Пустое пространство на самом деле не пусто, – сказал американский физик Джон Арчибальд Уиллер, – в нем таится настоящая физика, полная сюрпризов и неожиданностей». Темная энергия вполне может подтвердить глубокую пророческую силу слов Уиллера. Стремясь понять механизмы, ответственные за непрекращающееся «раздувание» Вселенной – которое, как оказалось, еще и продолжает ускоряться, – ученые полагаются на эйнштейновскую общую теорию относительности, появившуюся сотню лет назад. Она отлично работает на объектах большого масштаба, но спотыкается на микроуровне, где балом правит квантовая теория и где таится разгадка постоянно ускоряющегося расширения космического пространства. Для объяснения темной энергии может понадобиться нечто принципиально новое – что-то вроде квантовой теории пространства и гравитации. Современная наука бьется над, казалось бы, простой задачей: сколько энергии – темной или какой-либо другой – содержится в заданной ограниченной области пространства? Если в расчетах положиться на квантовую теорию, получается невообразимо большое значение. А если привлечь к проблеме астрономов, их оценка, основанная на наблюдениях за темной энергией, окажется несоизмеримо мала. Разница между двумя числами ошеломляет: 10 в 121-й степени! Это единица со 121 нулем – больше, чем количество звезд в наблюдаемой Вселенной и всех песчинок на нашей планете. Это самый существенный перекос в истории науки, вызванный несогласованностью теории и фактических наблюдений. Очевидно, мы упускаем какое-то фундаментально важное свойство пространства, а значит, и всего, что нас окружает и является его частью, – галактик, звезд, планет и нас самих. Ученым только предстоит выяснить, насколько велик пробел в наших знаниях.

Наш мир, родившийся в процессе Большого взрыва, и поныне расширяется, а объем разделяющего галактики пространства стремительно увеличивается. Скопления галактик, удаляясь друг от друга, тем не менее остаются устойчивыми образованиями с определенными размерами и стабильной структурой. Да и атомы вовсе не набухают в процессе расширения Вселенной, в отличие от свободно летающих фотонов, увеличивающих свою длину волны в процессе перемещения по расширяющемуся пространству. Куда же ушла энергия реликтовых фотонов? Почему мы можем видеть квазары, удаляющиеся от нас со сверхсветовой скоростью? Что такое темная энергия? Почему доступная нам часть Вселенной все время сокращается? Это лишь часть вопросов, над которыми думают сегодня космологи, стараясь согласовать общую теорию относительности с картиной Мира, наблюдаемой астрономами.

Сфера Хаббла

Согласно закону Хаббла, описывающего расширение Вселенной, радиальные скорости галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом Н 0 , который сегодня называется постоянной Хаббла .

Значение Н 0 определяется по наблюдениям галактических объектов, расстояния до которых измерены, главным образом, по ярчайшим звёздам или цефеидам.

Большинство независимых оценок Н 0 дают для этого параметра в настоящее время значение приблизительно около 70 км/с на мегапарсек.

Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью примерно 7000 км/с.

В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.

Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, возраст Вселенной оценивается приблизительно в 13,8 млрд лет.

Относительно центра сферы Хаббла скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее – больше. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом – горизонтом фотонов .

Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.

В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая – в пространстве - времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах.

Горизонт частиц

Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых.

Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной. Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.

Для нерасширяющейся Вселенной размер горизонта частиц растет с возрастом, и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения. Но в расширяющейся Вселенной это не так. Более того, в зависимости от скорости расширения размер горизонта частиц может зависеть от времени, прошедшего с момента начала расширения, по более сложному закону, чем простая пропорциональность. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально ненаблюдаемые, есть процессы принципиально непознаваемые.

Кроме того, размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, две пространственные точки, разделенные расстоянием больше размера горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. В случае, когда размер горизонта частиц стремится к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно-несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо.

Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подтвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время, Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.

Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению – Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 -43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.

Горизонт событий

Горизонт событий – это поверхность в пространстве-времени . Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в замедляющейся Вселенной горизонта событий нет – любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая – модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант – расширение с ускорением.

Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий . Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно – свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий.

Прошлое и будущее

«Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем даже не по собственной инициативе, - рассказывает профессор Вольфганг Риндлер, который до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. - Тогда была в большой моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния - Steady State Cosmology. Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами этой теории и предложил мне разобраться в существе разногласий. Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в результате появилась моя работа о космологических горизонтах.

По словам профессора Риндлера, существует очень понятная интерпретация обоих горизонтов нашего мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, который в пределе сойдется на нашей Галактике, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Напротив, горизонт частиц соответствует световому фронту, испущенному в момент Большого взрыва. Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих нашей Галактики, а горизонт частиц - самым первым. Из такого определения становится понятным, что

горизонт частиц задает максимальное расстояние, с которого в нашу нынешнюю эпоху можно наблюдать произошедшее в прошлом. Горизонт событий, напротив, фиксирует максимальную дистанцию, откуда можно получить информацию о бесконечно отдаленном будущем.

Это действительно два разных горизонта, которые необходимы для полного описания эволюции мироздания».

Каждый из нас хотя бы раз задумывался, в каком огромном мире мы живем. Наша планета — это безумное количество городов, сел, дорог, лесов, рек. Большинство за свою жизнь не успевает увидеть и половины. Представить грандиозные масштабы планеты сложно, но есть задача еще тяжелее. Размеры Вселенной — вот что, пожалуй, не под силу вообразить даже самому развитому уму. Попробуем разобраться, что думает на этот счет современная наука.

Основное понятие

Вселенная — это все, что нас окружает, о чем мы знаем и догадываемся, что было, есть и будет. Если снизить накал романтизма, то этим понятием определяется в науке все, существующее физически, с учетом временного аспекта и законов, регулирующих функционирование, взаимосвязь всех элементов и так далее.

Естественно, представить себе реальные размеры Вселенной достаточно трудно. В науке этот вопрос является широко обсуждаемым и единого мнения пока нет. В своих предположениях астрономы опираются на существующие теории формирования мира, каким мы его знаем, а также на полученные в результате наблюдения данные.

Метагалактика

Различные гипотезы определяют Вселенную как безразмерное или невыразимо огромное пространство, о большей части которого мы мало что знаем. Для внесения ясности и возможности обсуждения области, доступной для изучения, было введено понятие Метагалактика. Этот термин обозначает часть Вселенной, доступной для наблюдения астрономическими методами. Благодаря совершенствованию техники и знаний она постоянно увеличивается. Метагалактика является частью так называемой наблюдаемой Вселенной — пространства, в котором материя за период своего существования успела достигнуть современного положения. Когда речь заходит о понимании того, каковы размеры Вселенной, в большинстве случаев говорят о Метагалактике. Современный уровень развития техники позволяет наблюдать объекты, расположенные на расстоянии до 15 млрд световых лет от Земли. Время в определении этого параметра играет, как видно, не меньшую роль, чем пространство.

Возраст и размеры

Согласно некоторым моделям Вселенной, она никогда не появлялась, а существует вечно. Однако главенствующая сегодня теория Большого взрыва задает нашему миру «отправную точку». По представлениям астрономов, возраст Вселенной — примерно 13,7 млрд лет. Если переместиться назад во времени, то можно вернуться к Большому взрыву. Независимо от того, бесконечны ли размеры Вселенной, наблюдаемая ее часть имеет границы, поскольку конечна скорость света. В нее входят все те местоположения, которые могут оказывать воздействие на земного наблюдателя со времени Большого взрыва. Размеры наблюдаемой Вселенной увеличиваются благодаря ее постоянному расширению. По последним оценкам, она занимает пространство в 93 миллиарда световых лет.

Множество

Посмотрим, что представляет собой Вселенная. Размеры космического пространства, выраженные в сухих цифрах, конечно, поражают, но трудны для понимания. Для многих будет проще осознать масштабы окружающего мира, если они узнают, сколько систем, подобных Солнечной, умещается в нем.

Наша звезда и окружающие ее планеты лишь крохотная часть Млечного пути. По данным астрономов, Галактика насчитывает примерно 100 миллиардов звезд. У некоторых из них уже обнаружены экзопланеты. Поражают не только размеры Вселенной — уже пространство, занимаемое ее ничтожной частью, Млечным Путем, внушает уважение. Свету для того чтобы пройти нашу галактику, требуется сто тысяч лет!

Местная группа

Внегалактическая астрономия, которая начала развиваться после открытий Эдвина Хаббла, описывает множество структур, схожих с Млечным путем. Ближайшие его соседи — это Туманность Андромеды и Большое и Малое Магеллановы Облака. Вместе с еще несколькими «спутниками» они составляют местную группу галактик. От соседнего аналогичного формирования ее отделяет приблизительно 3 млн световых лет. Даже страшно представить, сколько потребовалось бы современному самолету времени, чтобы преодолеть такое расстояние!

Наблюдаемые

Все местные группы разделены обширным пространством. Метагалактика включает несколько миллиардов структур, аналогичных Млечному пути. Размеры Вселенной действительно поражают. Световому лучу для преодоления расстояния от Млечного пути до Туманности Андромеды требуется 2 млн лет.

Чем дальше от нас расположен участок космоса, тем меньше мы знаем о его современном состоянии. Из-за конечности скорости света ученые могут получить информацию только о прошлом таких объектов. По тем же причинам, как уже было сказано, область Вселенной, доступной для астрономических изысканий, ограничена.

Другие миры

Однако это еще не все поражающее воображения сведения, которыми характеризуется Вселенная. Размеры космического пространства, по-видимому, значительно превосходят Метагалактику и наблюдаемую часть. Теория инфляции вводит такое понятие, как Мультивселенная. Она состоит из множества миров, вероятно, образовавшихся одновременно, не пересекающихся друг с другом и развивающихся независимо. Современный уровень развития техники не дает надежды на познание подобных соседних Вселенных. Одна из причин — все та же конечность скорости света.

Быстрое развитие науки о космосе меняет наше представление о том, каких размеров Вселенная. Современное состояние астрономии, составляющие ее теории и выкладки ученых трудны для понимания непосвященного человека. Однако даже поверхностное изучение вопроса показывает, насколько огромен мир, частью которого мы являемся, и как мало о нем мы еще знаем.