Галактика JADEs-GS-z14-0 на вырезке из обзора JWST JADES кажется совершенно непримечательной, но тем не менее, она побила рекорд космических расстояний и наблюдений. Это первая галактика среди найденных галактик, существовавших уже в первые 300 миллионов лет жизни Вселенной, а это всего 2,1% от её нынешнего возраста. Со своей точки обзора в расширяющейся Вселенной эта галактика могла бы увидеть наш прото-Млечный Путь таким, каким он был примерно 13,52 миллиарда лет назад: когда нам было всего 2,1% от нашего нынешнего возраста.Мы уже как-то изучали вопрос размера всей Вселенной. Учёные не могут сказать, конечна ли Вселенная или бесконечна, а если она конечна — какой у неё общий диаметр. Всё, о чём мы можем рассуждать более-менее определённо — это размер видимой Вселенной.
В этом вопросе часто возникает недопонимание. Если возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет (почему — об этом чуть позже), а скорость света действительно является пределом нашей космической скорости (ни один эксперимент этого пока не опроверг), то как далеко мы сможем заглянуть с нашей маленькой Земли? Ответ кажется очевидным: на 13,8 миллиарда световых лет, поскольку световой год — это расстояние, которое свет может пройти за год, и ничто не может двигаться быстрее этого.
К сожалению, как и многие другие ответы, которые кажутся очевидными, когда вы включаете свой здравый смысл, на самом деле всё не так. В действительности, если мы посмотрим на самый далёкий объект из всех, что мы можем увидеть, окажется, что он расположен гораздо дальше: на расстоянии 46 миллиардов световых лет от нас. Это может показаться невозможным, но это не так. Просто нужно взглянуть на картинку под другим углом.
Для начала о возрасте Вселенной. Существует два разных способа измерения возраста Вселенной с момента горячего Большого взрыва:
- Мы можем найти самый древний объект, возраст которого мы можем подсчитать, и сделать вывод, что Вселенной должно быть как минимум столько лет.
- Мы можем использовать нашу лучшую теорию эволюции Вселенной, нашу любимую общую теорию относительности, а также наши знания о том, из чего состоит Вселенная
и с какой скоростью она расширяется сегодня, чтобы рассчитать, сколько времени прошло с момента горячего Большого взрыва.
На роль достаточно старых объектов, возраст которых можно оценить, прекрасно подходят шаровые скопления. Это группы звёзд, формирующих шарообразную структуру. Они примечательны тем, что звёзды в них часто образуются почти одновременно, а впоследствии звёздообразование практически прекращается. Чем больше звезда, тем быстрее она сжигает своё топливо, и тем меньше она живёт. Мелкие звёзды, наоборот, горят тускло, но долго. Изучая оставшиеся в скоплении наиболее холодные и тусклые звёзды (и подтверждая отсутствие в нём более горячих, голубых, ярких и массивных звёзд), мы можем с уверенностью утверждать, что возраст Вселенной должен составлять не менее ~12,5-13,0 миллиардов лет.
Если же говорить о теориях эволюции Вселенной, мы можем взять известные законы физики, такие как общая теория относительности, и применить их к расширяющейся Вселенной. В результате получится набор уравнений — уравнения Фридмана, — которые чётко описывают то, как расширялась Вселенная на протяжении своей истории, с тем, как быстро она расширяется сегодня, а также учитывают различные формы массы-энергии, которые присутствуют внутри неё. На основе лучшего набора наблюдательных данных, в который входят и данные о реликтовом излучении — послесвечении Большого взрыва — и все данные о крупномасштабной кластеризации материи, мы получаем определённый ответ, раскрывающий подробности нашей космической истории.
Выясняется, что Вселенная — это 68% тёмной энергии, 27% тёмной материи, 4,9% обычной материи, 0,1% нейтрино и 0,01% фотонов. И ничего больше.
С расширением Вселенной связан один хитрый момент, который трудно понять большинству людей. Расширение Вселенной не связано со скоростью движения объектов в пространстве. Вселенная не расширяется ни со скоростью света, ни со скоростью звука, ни с какой-либо другой скоростью. Если представить себе тесто с изюмом, которое растёт и расширяется в печке, то с точки зрения каждой изюминки все остальные изюминки удаляются от неё, причём чем дальше изюминка, тем быстрее она удаляется. При этом изюм вообще не двигается относительно окружающего его теста. Так и в случае со Вселенной — влияние расширения Вселенной на объект зависит от того, насколько далеко он находится от наблюдателя. Так что это не просто скорость, а скорость на единицу расстояния. Объекты не улетают от нас (не считая их собственной скорости относительно близлежащей материи) — расширяется сама ткань пространства.
В случае Вселенной выясняется, что она расширяется со скоростью около 67 км/с/Мпк. Эту цифру мы иногда называем постоянной Хаббла. Размерность её говорит нам о том, что на каждый мегапарсек (Мпк, или около 3,26 млн световых лет), на котором галактика удалена от любой другой галактики, она удаляется от неё со скоростью 70 км/с.
- Таким образом, если объект находится от нас на расстоянии 100 Мпк, то кажется, что он удаляется от нас со скоростью 7 000 км/с.
- Если объект находится на расстоянии 4 300 Мпк от нас, кажется, что он удаляется со скоростью около 300 000 км/с, или скоростью света.
- А если объект находится на расстоянии 14 100 Мпк от нас, то кажется, что он удаляется от нас со скоростью около 987 000 км/с, что уже кажется безумием.
Законы физики это не нарушает — теория Эйнштейна говорит о том, что массивные объекты не могут двигаться быстрее скорости света, имея в виду их непосредственное окружение. Расстояние до далёких галактик увеличивается из-за расширения пространства.
Если мы объединим всю эту информацию, мы получим возраст Вселенной в 13,8 миллиарда лет — если экстраполировать всю эту картину назад по времени, до момента Большого взрыва.
Тут стоит упомянуть хаббловскую напряжённость — тот факт, что разные методы измерения дают разные значения скорости расширения. Один даёт 67 км/с/Мпк, другой — 73-74 км/с/Мпк, что на целых 9% больше.
Если мы изучаем особенности строения ранней Вселенной, например, расстояние между различными максимальными «пиками» плотности в расширяющейся Вселенной, мы получаем значение 67 км/с/Мпк с учётом составляющих Вселенной, о которых говорилось выше. Но что, если этот метод неверен или не универсально верен, а вместо него верны поздние методы, которые мы используем, например, лестница космических расстояний, дающая 74 км/с/Мпк?
Тут, кстати, может возникнуть вопрос — а если верен второй метод, значит ли это, что Вселенная моложе? Более быстрое расширение означает, что потребуется меньше времени, чтобы провести экстраполяцию, в которой Вселенная возвращается к состоянию, когда вся материя и энергия сжались в одну точку.
Но оказывается, что между параметрами «из чего состоит Вселенная» и «как быстро она расширяется» существует прочная связь. Если скорость расширения на 9% больше, то нам придётся увеличить количество тёмной энергии на несколько процентов за счёт тёмной материи, которая уменьшается примерно на столько же. После этого оценка возраста Вселенной может немного измениться, возможно, до 13,6 миллиарда лет, но это не так уж и много. Параметр «возраст» в значительной степени оказывается инвариантен к этим изменениям.
На этой фотографии изображена Проксима Центавра — самая близкая к нашему Солнцу звезда в настоящее время. Хотя Проксима Центавра находится всего в 4,24 световых годах от нас, её никак нельзя увидеть невооружённым глазом, поскольку её собственная яркость почти в 1000 раз меньше, чем у Солнца.Сегодня в наши глаза и телескопы попадает свет от самых разных объектов, расположенных на самых разных расстояниях. Объекты, которые сейчас находятся от нас на расстоянии 13,8 миллиарда световых лет, в далёком прошлом были гораздо ближе. Когда они впервые испустили свет, который доходит до нас сегодня, это произошло уже миллиарды лет назад. Сейчас галактика может находиться на расстоянии 13,8 миллиарда световых лет, но свету не нужно было преодолевать 13,8 миллиарда лет, чтобы достичь нас; он прошёл меньшее расстояние и за более короткий промежуток времени.
Если мы хотим определить абсолютные пределы того, как далеко мы можем видеть, мы должны искать свет, который был испущен как можно ближе к точке 13,8 миллиарда лет назад на временной шкале и который только сегодня попадает в наши глаза. На основе света, который мы видим сейчас, мы рассчитаем:
- сколько времени свет путешествовал,
- как расширилась Вселенная с тех пор до наших дней,
- какими должны быть различные формы энергии, присутствующие во Вселенной, чтобы учесть это,
- и как далеко объект должен быть сегодня, учитывая всё, что мы знаем о расширяющейся Вселенной.
На данный момент мы сделали это не просто для горстки объектов, а буквально для миллионов из них. Причём расстояния эти варьируются от ближайших к нам звёзд до объектов, удалённых более чем на 30 миллиардов световых лет.
Но как объекты могут находиться на расстоянии более 30 миллиардов световых лет, если Вселенной всего 13,8 млрд лет?
Опять-таки, потому что пространство между любыми двумя точками — нами и наблюдаемым объектом — расширяется со временем. Свет от самого далёкого объекта, который мы когда-либо видели, двигался к нам 13,4 миллиарда лет; мы видим этот объект таким, каким он был всего через 407 миллионов лет после Большого взрыва, что составляет 3% от современного возраста Вселенной. Красное смещение наблюдаемого нами света составляет около 12, то есть длина волны наблюдаемого света на 1210% больше, чем в момент его излучения. И когда это путешествие, длившееся 13,4 миллиарда лет, закончилось, объект уже находился на расстоянии 32,1 миллиарда световых лет от нас — таковы последствия расширения Вселенной.
Исходя из скорости расширения, количества имеющейся тёмной энергии и нынешних космологических параметров Вселенной, мы можем рассчитать так называемый будущий предел видимости — максимальное расстояние, на котором мы сможем вести наблюдения. Сейчас, во Вселенной возрастом 13,8 миллиарда лет, наш текущий предел видимости составляет 46 миллиардов световых лет. Наш будущий предел видимости примерно на 33% больше: 61 миллиард световых лет. Там, прямо сейчас, есть галактики, свет которых находится на пути к нашим глазам, но ещё не успел дойти до нас.
Если просуммировать все галактики во всех закоулках Вселенной, которые мы когда-нибудь увидим, но пока не можем увидеть сегодня, получится удивительный результат: галактик, которые ещё не открыты, больше, чем галактик в уже видимой Вселенной. К 2 триллионам галактик, к которым мы уже имеем доступ, прибавится ещё 2,7 триллиона галактик, ожидающих момента, чтобы открыться нам.
По сравнению с тем, что ждёт нас в будущем, в настоящее время мы видим лишь 43% галактик, которые когда-нибудь сможем наблюдать. За пределами нашей наблюдаемой Вселенной находится ненаблюдаемая Вселенная, которая, по идее, должна выглядеть так же, как и та часть, которую мы можем видеть. Мы знаем это благодаря наблюдениям за реликтовым излучением и крупномасштабной структурой Вселенной.
Если бы Вселенная была конечной по размеру, имела края или её свойства начинали меняться по мере удаления от нас на большие расстояния, наши измерения показали бы это. Наблюдаемое нами пространство плоское. Вселенная не является ни положительно, ни отрицательно искривлённой с точностью до 99,6%, а это значит, что если она и закручивается где-то там сама на себя, то ненаблюдаемая Вселенная как минимум в 250 раз больше, чем видимая нами в настоящее время.
Тёмная энергия заставляет Вселенную не только расширяться, но и ускорять процесс удаления от нас далёких галактик. Хотя в общей сложности насчитывается 4,7 триллиона галактик, которые мы когда-нибудь сможем наблюдать на расстоянии 61 миллиарда световых лет, предел наших возможностей сегодня гораздо скромнее.
Сегодня мы можем наблюдать только те галактики, которые находятся в пределах примерно 15 миллиардов световых лет, или четверти радиуса будущего предела видимости, что составляет всего около 66 миллиардов галактик. Это всего лишь 1,4% от общего числа галактик, которые когда-либо станут видимыми для нас. Большинство из них покажутся нам такими, какими они были в очень далёком прошлом, и большинство из них никогда не увидят нас такими, какие мы есть сейчас. И даже если мы построим корабль, способный двигаться со скоростью света, из всех галактик, которые мы когда-нибудь увидим, 4,634 триллиона уже навсегда останутся недостижимыми для нас.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
Комментарии (24)
Konstantin-2
26.01.2025 15:15В действительности, если мы посмотрим на самый далёкий объект из всех, что мы можем увидеть, окажется, что он расположен гораздо дальше: на расстоянии 46 миллиардов световых лет от нас.
Подскажите, почему используется именно такая формулировка? В моем понимании, мы не видим объект на расстоянии 46 миллиардов световых лет от нас. Мы видим его в прошлом, когда он был на расстоянии 13,8 (или сколько там) миллиардов световых лет. И то, что он на расстоянии 46 миллиардов, это лишь наши догадки, обоснованные, но все же. Еще раз, почему не говорят: "мы видим объект, когда он был от нас на расстоянии 13,8 миллиардов световых лет, а сейчас, скорее всего, находится в 46 миллиардах световых лет от нас"? Думаю, такая формулировка избавила бы от путаницы.
larasage
26.01.2025 15:15Если скорость расширения на 9% больше, то нам придётся увеличить количество тёмной энергии на несколько процентов за счёт тёмной материи, которая уменьшается примерно на столько же.
А если учесть, что скорость расширения - не постоянная величина?
molybdenum
26.01.2025 15:15Это первая галактика среди найденных галактик, существовавших уже в первые 300 миллионов лет жизни Вселенной,
получается для формирования галактики нужно всего 300 миллионов лет? для формирования Земли понадобилось 4 миллиарда. а тут целая галактика - за 300 миллионов?
freylis
26.01.2025 15:15На сколько я понимаю, разница в количестве материи "тогда" и сейчас на единицу объёма космического пространства
vanxant
26.01.2025 15:15целая галактика - за 300 миллионов
Само по себе это удивления у физиков не вызывает. Вот формирование сверхмассивных ЧД в центрах древних галактик - да, вот это вопрос. Нам неизвестны механизмы, позволяющие ЧД вырасти до миллиарда солнечных масс за миллиард лет.
То, что Земле потребовалось 4 миллиарда лет, это как раз не проблема. Солнце относится к первому (если считать от большого взрыва, то к третьему) поколению звёзд. Т.е. примерно всё вещество, из которого мы с вами сделаны, ну кроме м.б. атомов водорода, уже дважды побывало внутри какой-то другой, давно умершей, звезды и было выброшено в космос.
Wizard_of_light
26.01.2025 15:15для формирования Земли понадобилось 4 миллиарда
Основная часть сформировалась тоже за время порядка нескольких сотен миллионов лет, а потом переплавка, бомбардировка, шлифовка, полировка...
vdudin
26.01.2025 15:15Простите, ни разу не знаток этой темы, по пути чтения возник вопрос, если планеты это изюминки, которые удаляются друг от друга - гравитация сопротивляется темной энергии или материи ? (Запутался что именно расширяет вселённую). Иными словами луна и солнце удаляются от нас ?
slyder
26.01.2025 15:15Ответ от такого же профана, поэтому если что жду - критики )
Как я понимаю изюминки - это галактики, и вот они расширяются вместе с тестом (вселенная). А вот уже внутри галактик расширения, вроде как такового нет (т.к. тут уже начинают работать силы гравитации??). То есть все элементы галактики - притягиваются черной дырой (которая вроде как есть в центре каждой галактики?) Ну а далее уже солнечные системы, где еще более сильные силы и расширения в данных системах соот-но не происходит.vanxant
26.01.2025 15:15Изюминки в вашей терминологии это скопления галактик. Внутри скопления (например, нашего) галактики всё ещё связаны гравитацией. И, в частности, галактика Андромеды как самая тяжелая из местных зохавает и Млечный Путь, и всякие там Магеллановы облака.
multsib
26.01.2025 15:15Расскажите мне дебилу такую вещь...
Если мы (учёные) знаем скорости всего подряд (от скорости света до скорости расширения вселенной), что всё вокруг отдаляется друг от друга с какой-то там стати, и что большой взрыв был из сингулярности (про которую толком ничего не понятно на нашем человечьем), то:
1) Почему мы на всех парах летим в Андромеду?
2) Где находится 'точка' сингулярности? Мы же должны её видеть, раз можем наблюдать вселенную с момента её рождения.
vanxant
26.01.2025 15:15А что вас смущает? Андромеда тяжёлая и достаточно близко к нам. Тут даже не Эйнштейн, тут обычный Ньютон
Пока известно только направление - туда почти точно смотрит наш Южный полюс. В первую очередь измерено относительно реликтового излучения, но есть и другие признаки, указывающие в ту же сторону (дефицит мюонов, ориентация осей вращения галактик, которые избегают этого направления и др). Хотя сейчас набегут специалисты и начнут рассказывать, что у надуваемого шарика нет центра.
net_racoon
26.01.2025 15:15А я тут задумывался. Вот мы все измеряем относительно Земли (возраст звезд, вселенной и т.д.). Но время же относительно. Т.е. у нас тут прошло столько то млн лет. Но там то может больше или меньше. Как тогда?
Moog_Prodigy
26.01.2025 15:15Там (локально) время течет ровно так как же и у нас, если не брать в расчет всякие жопы мира вроде сингулярности. А вот для нас "их" время сильно замедляется, но это лишь в том случае, если мы хотим обменяться информацией.
И, в принципе, если у "них там" тоже есть наука, то общей точкой отсчета времени что мы, что они можем выбрать как раз эти высчитанные 13,5 млрд лет от БВ, если конечно теория верна.
Proscrito
Вопрос автору. Возраст и размер Вселенной мы определяем, экстраполируя известные законы физики во времени и пространстве. Опустим пока для простоты серьезную разницу в оценке постоянной Хаббла разными методами. Но почему мы тогда не в силах ответить конечная ли Вселенная, или бесконечная? В пост-планковскую эпоху была конечная, к тому же довольно маленькая. Если тогда она имела размер, куда он делся сейчас? Расширялась она не с бесконечной скоростью, поэтому мы даже полный ее размер можем посчитать, экстраполируя в другую сторону: от сингулярности до наших дней. Если не можем, тогда придется признать, что мы не имеем права экстраполировать подобным образом.
TheOldGrouch
ограничение по скорости света.
мы можем посчитать (и в статье это кратко описано), но подтвердить расчёты наблюдениями - не можем, потому что ограничены горизонтом событий, т.е. видим только то, свет от чего до нас успел дойти (при этом, разумеется, сам далёкий объект мог уже за этот горизонт событий уйти, за счёт расширения Вселенной). Ну и конечно, от некоторых объектов свет до нас никогда не дойдёт в принципе.
Proscrito
То есть мы наблюдаем нечто, что интерпретируем как свет, испущенный 13.8 млрд лет назад, и это имеет смысл только если построенная теория верна, но мы при этом начисто отбрасываем другие следствия этой теории? Я перефразирую: если Вселенной 13.8 млрд лет и в своем начале она была конечна, то она обязана быть конечной и сейчас, иначе наша модель не имеет смысла.
Мы можем констатировать проблематичность экспериментальной проверки на сегодня, но меня смущает эта кажущаяся неопределенность. Как с блондинкой и динозавром: мы не можем быть уверены, 50/50. Но ведь на самом деле можем? Зная достаточно о блондинках и динозаврах. Однако все упорно повторяют 50/50, без всяких но и если.
Сегодня не модем проверить, завтра кротовые норы, или тахионы, или еще что-нибудь нам поможет. Или не поможет и это так и останется непроверяемым следствием. Но зачем само следствие так упорно игнорировать?
TheOldGrouch
Наука так не работает :) Вселенная может быть конечна (теоретически), но мы не можем этого подтвердить наблюдениями, поэтому не можем этого утверждать со стопроцентной вероятностью.
Нет, ибо анекдот именно про блондинку и её понимание теории вероятности. Однако теория таки сложнее.
Непроверяемые гипотезы, не имеющие экспериментального подтверждения, остаются гипотезами, даже если они выдвинуты в рамках вполне подтвержднной теории. Ровно до тех пор, пока мы не сможем их экспериментально подтвердить или опровергнуть.
Proscrito
Есть целые области теоретической физики, где все гипотетически и строится только на матмоделях. Например теория струн. И тогда так и говорят: вот есть следствия, вот есть гипотезы, вот есть проблема доказательности. А в случае с размером Вселенной всегда четко утверждают "невозможно узнать". Вот у меня и созрел вопрос: почему? Как работает наука, да и все что написано в статье, для меня давно известно. А этот вопрос мне нравится задавать популяризаторам.
Нил Деграсс Тайсон мне на этот же вопрос ответил намного терпимее и совершенно иначе.
Proscrito
Я, кстати, добавлю, что мы даже написанное в статье не можем проверить. Мы видим свет, испущенный 13.8 млрд лет назад и утверждаем, что объект, его испустивший, сейчас находится на расстоянии 46 млрд световых лет. И как мы можем это утверждение проверить? Никак. Оно верно, только если модель верна. А экспериментальная проверка здесь невозможна. Так что мы в принципе в данном контексте обсуждаем только следствия из теории.
MikeVentris
А кто сказал, что в своем начале она вселенная была конечно? Если она бесконечна сейчас, то была бесконечна и в начале. Большой взрыв - это не расширение из точки, а переход пространства из одного фазового состояния вакуума в другое. Конечного или бесконечного - не важно.
Собственно, инфляционная модель вселенной предполагает, что мы живем в одном из пузырей, где произошел этот самый фазовый переход, при этом предсказать его размер мы не можем (надеюсь, только пока), за исключением того, что он больше границ наблюдаемой вселенной.
Так же как и наличие границ пузыря ничего не говорит о конечности или бесконечности вселенной, в которой таких пузырей может быть больше 1, а возможно, новые появляются и сейчас.
stanislavskijvlad
Вот по поводу фазового состояния. Похоже, "Большой взрыв" стоит переименовать в "Великое зарождение пространства". И это самое зарождение началось буквально в каждой точке того, что было до этого. А оно в свою очередь было как бы монолитным и бесконечным. Лично мне представить нескончаемое множество галактик ничего не стоит. А кого-то это пугает.
Proscrito
Любопытно. А в учебниках обычно пишут как раз про линейные размеры Вселенной, а не фазовые переходы. Для краткости скопирую цитату из вики:
Предполагается, что в период времени с 10−42 сек до 10−36 сек Вселенная находилась в инфляционной стадии своего развития. Основной особенностью этой стадии является максимально сильное отрицательное давление вещества, приводящее к экспоненциальному увеличению кинетической энергии Вселенной и её размеров на много порядков[4]. За период инфляции линейные размеры Вселенной увеличились как минимум в 1026 раз, а её объём увеличился как минимум в 1078 раз.
Если мы можем посчитать, во сколько увеличились линейные размеры, значит они конечны. Я не поднимал проблему плоскости Вселенной, а конкретно ее размера.
InsaneLesha2
Вселенная - бесконечная.
Метавселенная - всегда ограничена. Не путайте терминологию.
vanxant
Да в общем-то ответили ещё в девяностых, просто а) ответ не всем нравится и б) вопросов там ещё хватает, надо бы уточнить и наблюдения, и теорию.
В геометрии существует теорема, что пространство (математики говорят псевдориманово многообразие) с почти всюду положительной, но при этом конечной кривизной должно быть замкнуто. Космологическая лямбда, которая, как выяснилось, имеет очень небольшое, но положительное значение, как раз и есть эта кривизна. Отсюда следует, что Вселенная замкнута, а значит имеет конечные размеры.
Этот факт не то что не вписывается в общепринятые космологические модели, вписывается, но он требует убедительного теоретического обоснования. Которых, разумеется, физики наизобретали в товарных количествах, но сколько-нибудь популярных среди них пока нет.