Откуда во Вселенной 45 млрд световых лет, если ей всего 13,8? Она расширяется быстрее света

Есть два числа, которые, на первый взгляд, противоречат друг другу. Возраст Вселенной составляет 13,77 миллиарда лет. Но радиус наблюдаемой нами части космоса — около 45 миллиардов световых лет.

Здесь возникает закономерный вопрос. Если ничто не может двигаться быстрее света, как Вселенная успела вырасти до таких размеров за столь короткий срок? Разве радиус не должен быть равен 13,77 миллиарда световых лет?

Ответ кроется в механике пространства. И да, Вселенная действительно расширяется быстрее скорости света.

Ловушка восприятия

Когда астрономы фиксируют свет от далекой галактики, они смотрят в прошлое. Этот свет путешествовал миллиарды лет, чтобы попасть в объектив телескопа. Но пока фотоны летели через пустоту, сама пустота менялась. Вселенная непрерывно расширяется, увеличивая среднее расстояние между объектами.

В итоге мы имеем дело с движущейся мишенью. Галактика испустила свет, когда была относительно близко. Пока свет летел, пространство растягивалось. К моменту, когда мы получили сигнал, источник этого сигнала улетел уже сильно далеко от исходной точки.

Чтобы понять, где объект находится сейчас, ученые используют стандартную космологическую модель — ΛCDM.

• Λ (Лямбда) обозначает темную энергию, отвечающую за ускорение расширения.
• CDM (Cold Dark Matter) — холодную темную материю, которая удерживает галактики вместе.

Именно эта модель позволяет рассчитать реальное расстояние и реальный масштаб Вселенной. То, что мы видим как край наблюдаемой Вселенной, сегодня находится от нас на расстоянии 45 миллиардов световых лет. Этот предел называют горизонтом частиц или сопутствующим горизонтом. Это и есть наш наблюдаемый пузырь пространства.

Разве Эйнштейн не запретил это?

45 миллиардов больше, чем 13,77. Получается, скорость расширения превышает скорость света. Нарушает ли это Специальную теорию относительности?

Нет.

Ограничение скорости света — фундаментальный закон физики, но он действует только локально. Никакой материальный объект не может пролететь сквозь пространство быстрее фотона. Мы никогда не построим ракету, обгоняющую собственный луч прожектора.

Однако Специальная теория относительности ничего не говорит о скорости расширения самого пространства. Галактики на краю Вселенной не двигаются сквозь пространство со сверхсветовой скоростью. Это само пространство между нами и ими создается так быстро, что суммарный эффект превышает скорость света.

Красное смещение и три горизонта

Мы измеряем эту скорость через красное смещение. Чем быстрее объект удаляется, тем сильнее его свет смещается в красную часть спектра. Поскольку пространство расширяется везде, чем дальше объект, тем больше пространства между нами, и тем быстрее он убегает.

Здесь важно различать три границы, которые часто путают:

• Расстояние Хаббла (13,77 млрд световых лет). Точка, где скорость убегания галактик от нас равна скорости света. Все, что находится дальше, прямо сейчас удаляется со сверхсветовой скоростью.
• Горизонт частиц (~45 млрд световых лет). Край наблюдаемой Вселенной. Мы видим эти объекты только потому, что их свет был испущен в далеком прошлом, когда они находились гораздо ближе к нам.
• Космологический горизонт событий (сейчас ~17 млрд, финальный предел ~60 млрд). Самая критичная граница. Всё, что пересекает её в данный момент, навсегда теряет возможность отправить нам сигнал о своем сегодня. Именно эта граница определяет сценарий финального одиночества.

Точка невозврата

Космологический горизонт событий работает как фильтр причинности.

Если галактика находится на расстоянии 18 миллиардов световых лет:

• Мы не увидим то, что происходит в ней сегодня (так как 18 > 17). Связь с ее настоящим потеряна навсегда.
• Но мы продолжим видеть эту галактику. Мы будем наблюдать ее далекое прошлое — свет, который она испустила миллиарды лет назад, когда была гораздо ближе к нам.

Со временем наш обзор (горизонт частиц) расширится до предела в 60 с лишним миллиардов световых лет. Но чем дальше объект, тем более древним он будет нам казаться.

Одинокое будущее

Перспектива, которую рисует модель ΛCDM, довольно мрачная. Свет от самых далеких объектов будет подвергаться все большему красному смещению. Волны растянутся настолько, что станут невидимыми для любых приборов.

Галактики будут пересекать горизонт событий и исчезать из нашего поля зрения. По расчетам, примерно через 100 миллиардов лет наблюдатель в нашей галактике (или том, что от нее останется) увидит абсолютно черное небо. Видимыми останутся только объекты Местной группы галактик, гравитационно связанные с нами. Все остальное исчезнет навсегда, стертое расширением пространства.