Почему наблюдаемая Вселенная слишком велика для своего возраста и каковы её реальные размеры

Какова продолжительность существования Вселенной

Согласно модели горячего Большого взрыва, у Вселенной было конкретное начало, не имеющее «предшествующего» состояния. Воспринять это без обращения к философским или религиозным размышлениям непросто. Кроме того, многие учёные полагают, что горячий Большой взрыв стал лишь следствием более ранней фазы – космической инфляции.

Тем не менее, большинство космологов называют возраст Вселенной примерно 13,8 млрд лет. Откуда взялась эта цифра и с какой точки времени начинается отсчёт?

Существует два основных метода оценки возраста Вселенной:

1. Эмпирический: определить возраст самых древних объектов и считать, что Вселенная не моложе них.
2. Теоретический: применить уравнения общей теории относительности, данные о составе и скорости расширения Вселенной для вычисления времени, прошедшего с момента горячего Большого взрыва.

Первый подход задаёт только нижнюю границу – Вселенная не может быть моложе своих старейших звёзд. Исследуя шаровые скопления, астрономы оценивают их возраст по остаточным звёздам, преимущественно холодным и бледным. Эти измерения указывают на минимум 12,5–13 млрд лет для Вселенной.

Второй метод опирается на уравнения Фридмана, связывающие скорость расширения с плотностью и составом космоса. Концентрацию компонентов Вселенной определяют при помощи данных реликтового микроволнового излучения и наблюдений за крупномасштабной структурой галактик.

Реликтовое излучение – это равномерное микроволновое фоновое свечение, не связанное ни с одним объектом, заполняющее весь наблюдаемый космос. Оно несёт важнейшие сведения о плотности и температуре ранней Вселенной, а его общая энергетическая плотность превосходит вклад всех фотонов, испущенных звёздами за всю историю.

Первые пики в спектре флуктуаций температуры реликтового излучения дают оценку кривизны пространства, плотности барионной и тёмной материи. Современные измерения указывают на приблизительный состав:

• 68 % – тёмная энергия,
• 27 % – тёмная материя,
• 4,9 % – обычное вещество,
• 0,1 % – нейтрино,
• 0,01 % – фотоны.

Скорость расширения около 67 км/с/Мпк приводит к оценке возраста Вселенной в 13,8 млрд лет. Различие между этой величиной и более высокими оценками (до 74 км/с/Мпк) изменяет возраст лишь на сотни миллионов лет, что несущественно на фоне 13,8 млрд лет.

Хаббловская напряжённость

Используемые сегодня методы измерения постоянной Хаббла дают два основных результата: ≈67 и ≈74 км/с/Мпк. При пересчёте это приводит к возрасту Вселенной в пределах 13,6–13,8 млрд лет, что остаётся в пределах неточной погрешности.

Отсчёт от реликтового излучения или раньше?

Хотя фотоны, отделившиеся от плазмы на этапе рекомбинации через ≈380 000 лет после взрыва, – наше самое раннее прямое свидетельство, существуют и другие индикаторы: соотношения лёгких ядер, сформировавшихся через несколько минут, и космический фон нейтрино, появившийся через секунду после начала горячей фазы.

Космическая инфляция

Горячий Большой взрыв рассматривается не как абсолютное начало, а как переход от сверхбыстрого роста – инфляции, продолжавшейся не менее 10^–32 с. Именно инфляция объясняет плоскую геометрию пространства, однородность температуры и отсутствие следов сверхвысокоэнергетической сингулярности.

Что было до инфляции – наука пока не знает: возможно, у неё был запуск в рамках более широкой теории, но детали остаются за гранью экспериментальной проверки.

Размер статической видимой Вселенной

Если бы космос не расширялся, максимальное расстояние, на которое мог бы дойти свет за 13,8 млрд лет, – ровно 13,8 млрд световых лет. В такой «статичной» модели видимая Вселенная – сфера радиусом почти 14 млрд световых лет вокруг наблюдателя.

Реальный размер наблюдаемой Вселенной

В расширяющемся пространстве объекты удаляются друг от друга, а сами лучи света растягиваются из-за красного смещения. За 13,8 млрд лет фотон преодолевает больше расстояния, чем возраст Вселенной в световых годах.

При разных составах космоса максимальные расстояния до объектов, свет от которых достиг нас сейчас, составили бы:

• 27,6 млрд св. л. – если бы Вселенная состояла только из излучения;
• 41,4 млрд св. л. – при содержании лишь материи;
• никакого света – в гипотезе единственной тёмной энергии.

В действительности наша Вселенная – смесь излучения, материи и тёмной энергии, и расстояние до самых удалённых наблюдаемых объектов равно ≈46 млрд световых лет.

Таким образом, сегодня мы видим свет, посланный космическим объектом, когда Вселенная ещё была юной, но растянувшийся в длину волны настолько, что позволяет оценить возраст и удалённость источника.

Размер наблюдаемой Вселенной в диаметре превосходит 46 млрд св. л. более чем в 10²⁷ раз по сравнению с габаритами человека.

Весь масштаб Вселенной

Геометрия пространства может быть плоской или слегка изогнутой. Если бы оно имело положительную кривизну, то при свободном движении на сверхдальних расстояниях можно было бы вернуться в исходную точку.

Наблюдения указывают на почти плоскую структуру, но даже при малейшей кривизне радиус «экватора Вселенной» в ≥500 раз превышает радиус наблюдаемой Вселенной. По объёму это даёт минимум в 125 млн раз больше видимой части.

Окончательный ответ на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной пока отсутствует: мы ограничены лишь тем, что доступно внутри нашей наблюдаемой сферы радиусом 46 млрд св. л.