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 💻
