Спросите Итана: как выглядит край Вселенной?
13,8 миллиарда лет назад Вселенная, какой мы ее знаем, началась с горячего Большого взрыва. За это время само пространство расширилось, материя подверглась гравитационному притяжению, и в результате появилась Вселенная, которую мы видим сегодня. Но как бы все это ни было огромно, есть предел тому, что мы можем видеть. На определенном расстоянии галактики исчезают, звезды мерцают, и никаких сигналов из далекой Вселенной не видно. Что лежит за этим? Это вопрос этой недели от Дэна Ньюмана, который спрашивает:
Если объем Вселенной конечен, то есть ли граница? Это доступно? И каким может быть вид в этом направлении?
Давайте начнем с того, что начнем с нашего нынешнего местоположения и посмотрим как можно дальше вдаль.
На нашем заднем дворе Вселенная полна звезд. Но если уйти дальше, чем на 100 000 световых лет, Млечный Путь останется позади. Помимо этого, есть море галактик: всего, возможно, два триллиона содержится в нашей наблюдаемой Вселенной. Они бывают самых разных типов, форм, размеров и масс.Но когда вы оглядываетесь на более далекие галактики, вы начинаете замечать нечто необычное: чем дальше находится галактика, тем больше вероятность того, что она меньше по размеру, имеет меньшую массу, а ее звезды имеют более голубой цвет, чем галактика. близлежащие.
Это имеет смысл в контексте Вселенной, у которой было начало: день рождения. Именно таким был Большой Взрыв, день, когда родилась Вселенная, какой мы ее знаем. Для галактики, которая относительно близко, это примерно тот же возраст, что и мы. Но когда мы смотрим на галактику, которая находится в миллиардах световых лет от нас, этому свету нужно путешествовать миллиарды лет, чтобы достичь наших глаз. Галактике, свет которой доходит до нас за 13 миллиардов лет, должно быть меньше одного миллиарда лет, и поэтому чем дальше мы смотрим, тем больше мы оглядываемся назад во времени.
Вышеприведенное изображение — это снимок Хаббла eXtreme Deep Field (XDF), самый глубокий снимок далекой Вселенной из когда-либо сделанных. На этом изображении тысячи галактик, находящихся на самых разных расстояниях от нас и друг от друга. Чего вы не можете увидеть в простом цвете, так это того, что каждая галактика имеет связанный с ней спектр, где облака газа поглощают свет с очень определенными длинами волн, основанными на простой физике атома. По мере расширения Вселенной эта длина волны увеличивается, поэтому более далекие галактики появляться краснее, чем они были бы в противном случае. Эта физика позволяет нам определить их расстояние, и, о чудо, когда мы присваиваем им расстояния, самые далекие галактики оказываются самыми молодыми и маленькими из всех.
Мы ожидаем, что за пределами галактик появятся первые звезды, а затем ничего, кроме нейтрального газа, когда у Вселенной еще не было достаточно времени, чтобы привести материю в состояние, достаточно плотное для формирования звезды. Если вернуться еще на миллионы лет назад, излучение во Вселенной было настолько горячим, что нейтральные атомы не могли образоваться, а это означало, что фотоны непрерывно отражались от заряженных частиц.Когда нейтральные атомы действительно образовались, этот свет должен был просто течь по прямой линии вечно, не подвергаясь влиянию чего-либо, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — космического микроволнового фона — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.
Таким образом, с того места, где мы находимся сегодня, мы можем смотреть в любом направлении, которое нам нравится, и видеть, как разворачивается одна и та же космическая история. Сегодня, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, у нас есть звезды и галактики, которые мы знаем сегодня. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и менее развиты. До этого были первые звезды, а до этого просто нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, затем еще раньше были свободные протоны и нейтроны, самопроизвольное рождение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы в Стандартной модели и, наконец, момент Большого взрыва. Взрыв самого себя. Взгляд во все большие и большие расстояния эквивалентен взгляду в прошлое.
Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, расположенной в 46,1 миллиардах световых лет от нашего текущего положения — это не реальная граница в космосе. Вместо этого это просто граница во время; есть предел тому, что мы можем видеть, потому что скорость света позволяет информации перемещаться только за 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние превышает 13,8 миллиарда световых лет, потому что ткань Вселенной расширилась (и продолжает расширяться), но все еще ограничена. Но что было до Большого Взрыва? Что бы вы увидели, если бы каким-то образом переместились во время всего на крошечную долю секунды раньше, чем когда Вселенная была в своих самых высоких энергиях, горячая и плотная, и полная материи, антиматерии и излучения?
Вы обнаружите, что существовало состояние, называемое космической инфляцией: Вселенная расширялась сверхбыстро, и в ней доминировала энергия, присущая самому пространству.Пространство экспоненциально расширялось в течение этого времени, где оно было растянуто, где ему повсюду были приданы одни и те же свойства, где все ранее существовавшие частицы были отброшены, и где флуктуации квантовых полей, присущих пространству, были растянуты по всей Вселенной. Когда инфляция закончилась там, где мы находимся, горячий Большой Взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, породив ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. 13,8 миллиарда лет спустя мы здесь.
Дело в том, что в нашем расположении нет ничего особенного ни в пространстве, ни во времени. Тот факт, что мы можем видеть на расстоянии 46 миллиардов световых лет, не делает эту границу или это место чем-то особенным; это просто отмечает предел того, что мы можем видеть. Если бы мы могли каким-то образом сделать «моментальный снимок» всей Вселенной, выходящей далеко за пределы наблюдаемой части, какой она существует повсюду через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, все это выглядело бы так, как наша близлежащая Вселенная сегодня. Это была бы огромная космическая паутина галактик, скоплений, нитей и космических пустот, простирающаяся далеко за пределы сравнительно небольшой области, которую мы можем видеть. Любой наблюдатель в любом месте увидит Вселенную, очень похожую на ту, которую мы видим с нашей точки зрения.
Отдельные детали будут другими, точно так же, как детали нашей собственной солнечной системы, галактики, местной группы и т. д. отличаются с точки зрения любого другого наблюдателя. Но сама Вселенная не имеет конечного объема; конечна только наблюдаемая часть. Причина этого в том, что существует граница во времени — Большой Взрыв — которая отделяет нас от остальных. Мы можем приблизиться к этой границе только с помощью телескопов (которые смотрят на более ранние времена во Вселенной) и с помощью теории. Пока мы не придумаем, как обойти прямое течение времени, это будет нашим единственным подходом к лучшему пониманию «края» Вселенной. Но в космосе? Крайнего нет вообще.Насколько мы можем судить, кто-то на краю того, что мы видим, вместо этого просто увидит нас как край!
Итан Сигел — автор книг Beyond the Galaxy и Treknology. Вы можете предварительно заказать его третью книгу, которая сейчас находится в разработке: Encyclopaedia Cosmologica.
