Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной демонстрирует сложные неповторяющиеся скопления. Но с нашей точки зрения мы можем видеть конечный объём Вселенной. Что лежит за его пределами?
13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:
Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?
Начнём с нашего текущего местоположения, и заглянем так далеко, как сумеем.
Видимые нами звёзды и галактики, расположенные поблизости, выглядят так же, как наши. Но чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое Вселенной заглядываем: там она менее структурирована, моложе, и не так сильно развита
В непосредственной близости от нас Вселенная полна звёзд. Если улететь за 100 000 световых лет, то можно оставить за собой Млечный Путь. За ним простирается море галактик — возможно, два триллиона внутри наблюдаемой Вселенной. Существует огромное количество их разновидностей, форм, размеров и масс. Но разглядывая более удалённые галактики, можно увидеть нечто необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее то, что она будет меньше по размеру и по массе, а её звёзды будут тяготеть к голубому цвету сильнее, чем у ближайших галактик.
Чем отличаются галактики в разное время истории Вселенной
Это имеет смысл при условии наличия у Вселенной начала: дня рождения. Именно этим и был Большой взрыв, день, когда родилась известная нам Вселенная. Возраст галактики, находящейся относительно недалеко от нашей, совпадает с нашим возрастом. Но рассматривая галактику, находящуюся в миллиардах световых лет от нас, мы видим свет, которому пришлось идти миллиарды лет, прежде чем он достиг наших глаз. Возраст галактики, свету которой потребовалось 13 млрд лет на то, чтобы дойти до нас, должен быть менее миллиарда лет, и заглядывая всё дальше в пространство мы, по сути, заглядываем в прошлое.
Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, полученный проектом Хаббла eXtreme Deep Field — величайшее из выпущенных изображение далёкой Вселенной
Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.
За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа — когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — реликтового излучения — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.
Систематическая диаграмма истории Вселенной, описывающая реионизацию. До формирования звёзд и галактик Вселенная была наполнена нейтральными атомами, блокировавшими свет. И хотя большая часть Вселенной подверглась реионизации только спустя 550 млн лет, некоторые более удачливые участки практически реионизировались раньше этого срока.
С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого — только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния — это всё равно, что заглядывать в прошлое.
Представление художника в виде логарифмической концепции наблюдаемой Вселенной. За галактиками следует крупномасштабная структура и горячая, плотная плазма Большого взрыва на задворках. Край является границей только во времени.
Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в 46,1 млрд световых лет от нашего местоположения — это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?
Инфляция обеспечила горячий Большой взрыв и дала рост наблюдаемой Вселенной, к которой у нас есть доступ. Флуктуации инфляции заронили семена, выросшие в имеющуюся у неё сегодня структуру
Вы бы обнаружили состояние космической инфляции, в котором Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, и в котором доминировала энергия, присущая самому пространству. Пространство в это время экспоненциально расширялось, было растянуто до плоского состояния, приобрело одинаковые свойства во всех местах, существовавшие тогда частицы были разбросаны в разные стороны, а флуктуации, присущие квантовым полям, были растянуты по всей Вселенной. Когда инфляция закончилась в том месте, где находимся мы, горячий Большой взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, и породил ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. И вот, 13,8 млрд лет спустя, мы имеем то, что имеем.
Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во все стороны с нашей точки зрения, но наверняка есть и больше ненаблюдаемых частей Вселенной, возможно, даже бесконечное количество, похожих на ту, в которой находимся мы
Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей, космических войдов, простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.
Одно из самых удалённых наблюдений Вселенной демонстрирует расположенные неподалёку звёзды и галактики, но галактики из внешних участков просто выглядят моложе и менее развитыми. С их точки зрения им 13,8 млрд лет от роду, и они более развитые, а мы кажемся им такими, какими были миллиарды лет назад
Отдельные детали отличались бы, как отличаются детали нашей Солнечной системы, Галактики, местной группы и т.п. от деталей другого наблюдателя. Но Вселенная не ограничена в объёме — ограничена только её наблюдаемая нами часть. Причиной тому временная граница — Большой взрыв — отделяющая нас от остальной части. Мы можем приблизиться к ней только при помощи телескопов, заглядывающих в ранние дни Вселенной, и в теории. Пока мы не придумаем, как обхитрить текущее в одну сторону время, это будет нашим единственным подходом к пониманию «границы» Вселенной. Но в космосе никаких границ нет. Насколько мы знаем, некто на краю нашей наблюдаемой Вселенной просто увидел бы нас на краю своей наблюдаемой Вселенной!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
Комментарии (32)
tundrawolf_kiba
27.12.2017 16:23Как выглядит край вселенной?
1) Поговорим о Большом Взрыве
2) Еще поговорим о нем
3) И снова поговорим о нем
4) Подменим слова «край вселенной» на «край наблюдаемой вселенной»
5)…
6) PROFITapiksDen
27.12.2017 17:51Ну ответ все же есть — край вселенной выглядит точно также как и то что мы видим вокруг себя
tundrawolf_kiba
27.12.2017 17:57Край наблюдаемой вселенной. Мне все же кажется вопрос ставился изначально другой.
rkfg
28.12.2017 08:58В Большом Взрыве сформировалось само пространство и время, пространство начало расширяться. Вопрос был в том, что находится за краем этого растущего пузыря. Да, мы не можем до него долететь или «досмотреть» из-за того, что расширение происходит в целом быстрее скорости света, так что видимый объём постоянно сужается. Но если представить, что у нас есть двигатель Алькубьерре, и мы можем сжимать-разжимать пространство, «двигаясь» быстрее света и быстрее расширения пространства, что мы увидим, добравшись до самого края Вселенной? Я пока находил только ответ вида «мы не знаем», но так ли всё печально?
tundrawolf_kiba
28.12.2017 13:33Мне кажется там должны идти процессы, аналогичные первым мгновениям образования вселенной. Но правильный ответ «Мы не знаем» все же.
rkfg
28.12.2017 13:43Вот, не знаем. Но почему-то вместо этого простого ответа обычно начинаются словесные экзерсисы в виде объяснения:
- «бесконечности», но на самом деле, безграничности, Вселенной
- ограниченности наблюдаемой её части, но это просто связано со скоростью света и не имеет отношения к настоящим размерам и координатам
- отсутствия у неё центра, но ведь около физического «края» с одной стороны всё равно будет бо?льшая часть старой вселенной, а с другой вот эти самые «процессы, аналогичные первым мгновениям образования вселенной». Да, мы вряд ли дотуда когда-либо доберёмся из-за ограничений на скорость света, но ведь в теории так и есть, это даже на четвёртой с конца картинке отображено.
Просто людей обычно интересует не физическая достижимость краёв, а теоретическая и с допущениями, потому что понятие бесконечности пространства не укладывается в голове.
tundrawolf_kiba
28.12.2017 13:57Это Итан. Одна из его длинных статей была ответом на вопрос «Как мы можем быстро достичь скорости света». Краткий пересказ статьи: «Никак».
rkfg
28.12.2017 14:01Я бы не отказался почитать статьи, в которых максимально честно и без воды отвечают на такие вот сложные и неоднозначные вопросы. А то создаётся впечатление, будто физики стесняются этого своего незнания и начинают юлить, манипулировать понятиями и уводить тему в сторону, тогда как наверняка есть хоть какие-то теории, пусть и неполные.
tundrawolf_kiba
28.12.2017 14:04Ну в случае с такими вопросами — меня бы устроил ответ «Мы не знаем, но лично мне кажется, что мы можем получить вот такой вот результат, когда наконец сможем проверить». Но вот где в таком формате почитать — не знаю пока что.
Zenitchik
27.12.2017 20:20Не так. По природе, он может ничем и не отличается от того, что мы видим вокруг себя, но ВЫГЛЯДИТ он сильно краснее.
KodyWiremane
27.12.2017 23:43то что мы видим вокруг себя
«Утром запутался в одеяле, свалился с края вселенной, весь день ходил злой.»willmore
28.12.2017 00:35Очень знакомая фраза. Пожалуйста, помогите вспомнить, откуда она.
KodyWiremane
29.12.2017 20:32Я пас, фразу сгенерировал экспромтом. Описанная ситуация довольно типична, но, возможно, кто-то приведёт конкретную похожую цитату.
myldy
28.12.2017 09:37Как я понял, вселенная не бесконечна в объеме, но про край вселенной говорить смысла нет? Не понял как и почему, но я уже отчаялся найти объяснение «на пальцах» по этой теме.
Victor_koly
28.12.2017 21:27Края Вселенной мы достигнуть не можем. Вселенная расширялась, а последние 5 миллиардов лет (примерная оценка, применяемая в литературе) она расширяется с ускорением.
Из величин «46 миллиардов св. лет» и «13.8 миллиардов лет» становится понятно, что текущая «скорость отдаления краёв Вселенной» уже превышает скорость света (по логике 5 миллиардов лет назад была меньше световой). Значит достигнуть «противоположного» края мы точно не можем. Запустив фотон в точку, расположенную сейчас на дистанции «хаббловского радиуса» c/H мы тоже ничего не получим, так как до той точки фотон долететь не успеет по идее.
Kaylent
29.12.2017 16:52Никто не знает, бесконечна или конечна вселенная.
Касательно края — просто некоторые люди посмотрели в микроскоп, увидели красное смещение, еще всякие штуки, подумали, и сказали, что чем сильнее красно смещение — тем дальше этот объект. И максимальное красное смещения, которое они видели, соответствует расстоянию в 13 млрд свет лет.
Victor_koly
28.12.2017 21:13Когда говорят, что в ранних галактиках мы видим голубые звезды, это перемножение 2 факторов?
1. Красное смещение — при Z>9 мы будем видеть «голубой» свет звезд только на очень большой высоте (телескопы на геостационарной орбите).
2. Относительная доля голубых гигантов (беру оценку для зв. вел-ны -6) выше через 2 миллиона лет после пика их образования (позже они взрываются сверхновыми).
Правда я не уверен в том, что на Z>9 мы видим первичные голубые гиганты. На Z>7 мы будут неплохо видны и красные карлики (но как я понимаю, между возрастом галактик Z=9 и Z=7 голубой гигант успевает стать красным).
capslocky
29.12.2017 07:11Раньше люди задавались вопросом «Как выглядит край Земли?», теперь вопросом «Как выглядит край Вселенной?». Я считаю, в обоих случаях ответ один — никакого края нет, континуум замкнут. Просто, в отношении Земли мы уже смогли сделать кругосветное путешествие, а в отношении Вселенной пока еще не можем.
General_Failure
29.12.2017 08:15Края Земли нет на плоскости поверхности, но эта поверхность сама и является краем (если не считать атмосферу), а за краем тогда — космос со звёздами, планетами и кучей других объектов поменьше
А если Вселенная такая же, то и у неё тогда за краем что-то есть
Либо она действительно бескрайняя
Victor_koly
29.12.2017 10:17Кривизна пространства в глобальных масштабах около 0.
P.S. Если речь о скалярной кривизне, то интересно посчитать, какой вид бесконечно малого отклонения от метрики Минковского удовлетворяет этому условию (свертка тензора Ричи и метрического тензора). Тензор Ричи не может иметь диагональных компонентов?
Backuper
29.12.2017 16:51наверное правильнее поставить вопрос «когда выглядит край вселенной?», хоть и не звучит в нормальном понимании
TheCradle
Кажется, в переводах Итана можно уже обойтись без картинок. Мы их наизусть выучили :)
igruh
Только мне кажется, что текст не сильно добавляет к их пониманию?
dimkss
Это справедливо для почти каждой статьи «от Итана».
dwlttpr
Нет, мне тоже кажется, что он говорит всё время об одном и том же, сам ответ на вопрос содержится буквально в одном предложении.
AlAnSa
Текст тоже примерно одинаковый :)
LoadRunner
В переводах Итана можно обойтись и без перевода, достаточно одной картинки до ката и понятно, что речь опять о Большом Взрыве.