Спросите Итана: как мы можем заглядывать так далеко, находясь в такой молодой Вселенной?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/08/06/ask-ethan-how-can-we-see-so-far-away-in-such-a-young-universe/#48f0b4351ddc
  • Перевод
image
Изображение чрезвычайно удалённой части Вселенной, многие галактики находятся в десятках миллиардов световых лет от нас

Со Вселенной связано несколько фундаментальных фактов – её происхождение, её история, её текущее состояние – которые очень сложно уложить в сознании. Один из них – Большой взрыв, идея о том, что Вселенная началась определённое количество лет назад, а именно, 13,8 млрд. Тогда случился первый момент, начиная с которого мы можем описывать Вселенную такой, какой знаем её сегодня: заполненной материей и излучением, и ингредиентами, которые в итоге выросли в звёзды, галактики, планеты и людей. Насколько же далеко мы можем заглянуть? Вы можете думать, что поскольку всё во Вселенной ограничено скоростью света, это будет период в 13,8 млрд лет. Но это не так, и один из читателей хочет узнать:

Как мы можем изучать участок космоса размером в 92 млрд миль [видимо, имелось в виду световых лет – прим. перев.], когда свет с краёв шёл к нам только 13,7 млрд лет? Даже если предположить, что эти точки отодвинулись от нас дальше за время путешествия света, и мы рассчитываем, где они должны быть, а не где мы их видим, и учитывая, что пространство на таких расстояниях расширяется быстрее с, всё равно кажется, что это слишком большие числа.

К этой задачке можно подойти с трёх сторон, но лишь одна будет верной.


Логарифмическое изображение обозримой Вселенной в представлении художника

1) Вещество есть везде, а свет двигается со скоростью света. По умолчанию у людей складывается именно такая картина. Можно представить себе Вселенную, заполненную звёздами и галактиками везде, где ни посмотри, и то, что эти звёзды и галактики начали формироваться почти сразу после начала всего. Поэтому, чем дольше мы ждём, тем дальше можем видеть, так как свет двигается по прямой со скоростью света. Поэтому через 13,8 млрд лет можно ожидать, что мы сумеем заглянуть назад почти на 13,8 млрд лет, вычтя только время, потребовавшееся на формирование звёзд и галактик после Большого взрыва.



2) Вещество есть везде, свет двигается со скоростью с, и всё может передвигаться в пространстве. У проблемы появляется ещё один уровень – существует не только куча испускающего свет вещества, но эти объекты ещё и двигаются друг относительно друга. Поскольку они могут двигаться в том числе и почти со скоростью света по правилам СТО, а свет двигается в вашу сторону со скоростью света, то можно ожидать, что мы сумеем заглянуть на расстояние почти в два раза большее, чем в первом пункте. Возможно, объекты могут находиться сейчас на расстоянии в 27,6 млрд световых лет от нас, если испускаемый ими свет только сейчас дошёл до нас, а сами они двигаются от нас почти со скоростью света.



3) Вещество есть везде, свет двигается со скоростью с, всё может передвигаться в пространстве, а Вселенная расширяется. Этот последний уровень – самый неинтуитивный, и вызывает больше всего проблем. Да, пространство заполнено материей, которая быстро скапливается в звёзды, галактики и структуры большего размера. Да, свет, излучаемый ею, двигается со скоростью с, скоростью света в вакууме. Вся эта материя может двигаться в пространстве, чаще всего из-за обоюдного гравитационного притяжения различных участков с увеличенной и уменьшенной плотностью. Всё это так, как было и в варианте 2.



Добавляется то, что само пространство тоже расширяется. Когда вы смотрите на удалённую галактику и видите, что она краснее нормального, то принято считать, что она краснее из-за движения, направленного в сторону от нас, в результате чего свет и сдвигается в красную часть волнового спектра. Точно так же звук сирены, двигающейся от вас, сдвигается к более длинным волнам и кажется ниже. Но это всё относится и ко второму варианту. ОТО добавляет ещё один момент, расширение пространства. И с расширением Вселенной ткань пространства растягивается, и у отдельных световых волн в пространстве длины также увелиичваются!



Вы можете решить, что эти два эффекта невозможно различить. Если всё, что можно измерить – это длину волны света, доходящего до вашего глаза, как можно быть уверенным, растянулась ли она за счёт движения или за счёт ткани пространства? Оказывается, существует взаимоотношение между красным смещением (а следовательно, и длиной волны) и наблюдаемой яркостью галактики, зависящей от расстояния. В нерасширяющейся Вселенной, как мы описали ранее, максимальное расстояние, на которое можно заглянуть, составит два возраста Вселенной в световых годах: 27,6 млрд световых лет. Но в нашей сегодняшней Вселенной мы уже увидели более отдалённые галактики!


Обзор GOODS-North, на фото одни из самых удалённых галактик из всех, что мы видели. Большая часть находится за пределами 30 млрд световых лет.

Так насколько далеко мы можем заглянуть? Если бы во Вселенной не было тёмной энергии, то самые дальние объекты – звёзды, галактики, остаточное свечение от Большого взрыва, и т.п. – были бы ограничены 41,4 млрд световых лет. Но во Вселенной с тёмной энергией эта величина ещё больше, и составляет порядка 46 млрд световых лет для наблюдаемой тёмной энергии.

blogs-images.forbes.com/startswithabang/files/2016/08/1-U1TKSOmpfiu_JRkSDzPquA.jpg
Пунктирная линия – предсказания СТО, сплошная – ОТО, для расстояний в расширяющейся Вселенной. Наблюдения совпадают с предсказаниями ОТО.

Сложив всё это вместе, получим, что расстояние, на котором мы наблюдаем Вселенную, от одного конца до другого составляет 92 млрд световых лет. Не забывайте, что она постоянно расширяется. Если бы мы сегодня отправились в путь со скоростью света, мы смогли пройти бы только треть её размера в поперечнике, примерно 3% от объёма.



Поэтому, хотя 92 млрд световых лет кажутся большой величиной для Вселенной возрастом в 13,8 млрд лет, но это правильная величина для Вселенной, заполненной материей, тёмной энергией, и подчиняющейся законам ОТО. Причиной такого огромного размера служит то, что космос расширяется, и что новое пространство постоянно создаётся в промежутках между связанными галактиками, группами и скоплениями. Если учесть всё то, что в ней есть, что управляет ею и как появилось, получается, что по-другому и быть не могло.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 12
  • 0
    То есть побывать нам в одной далекой-далекой галактике шансов все меньше и меньше.
    • 0
      Наоборот! Достаточно добраться до соседней, а потом подождать, пока она станет далёкой-далёкой. Вот вернуться уже проблема…
      • 0
        Однако, любая соседняя галактика со временем станет частью Андромеды(М31), а если взять галактику подальше — частью галактики M87 в Деве или ещё не открытой галактики в центре Великого Аттрактора. Чтобы галактика со временем стала далёкой-далёкой она, насколько я понимаю, должна находиться за пределами Ланиакеи.
        • 0

          За пределами Ланикеи есть другие группы и скопления, с вашей логикой ни одна галактика не подойдет ;)

          • 0
            Объединятся или нет галактики какой-либо группы — это, насколько я понимаю, зависит от того, ускоряется или замедляется их отдаление (если они вообще не приближаются как Андромеда) в цепочке гравитационно-связанных галактик группы. И насколько я понял Ланикея — это наиболее крупное скопление из тех, в которые входит наша Галактика, в котором разбегание замедляется.
            • 0
              По данным доступным на сегодняшний день, гравитационно связана только наша группа. Ланикея должна разлететься в далеком будущем.
      • 0
        конкретно у вас, да с каждым днем все меньше, а вот у наших потомков надеюсь будет возможность своими глазами заглянуть за пределы нашей галактики
      • 0
        Вот это я не понял
        новое пространство постоянно создаётся в промежутках между связанными галактиками


        Чем и откуда создается новое пространство? до этого говорилось что растягивается…
        • 0

          Более того, для такого утверждения нужно определить, что такое пространство, критерии его (не)существования, и отличия "нового" пространства от старого.
          Думаю, огреха перевода

          • 0
            Более того, для такого утверждения нужно определить, что такое пространство, критерии его (не)существования, и отличия «нового» пространства от старого.
            Думаю, огреха перевода
            Нет. Никакой огрехи. Это возникновение пространства (и энергии, конечно) из ничего и есть главная фишка современной космологии.

            Понять это нельзя. Объяснить чтобы понятно было тоже нельзя. Но из тензоров ОТО всё так и выходит как оно есть.

            По крайней мере в статьях типа «Спросите Итана» об этой занимательной фишке постоянно упоминается.

            Понимаете — если у вас в теории есть математика в которой есть тензора — то фишек таких трудно-объяснимых (или вообще нереально-объяснимых) полно.

            • +1
              Справедливости ради, ничего такого страшного в данных конкретных тензорах нет. В ОТО это просто матрицы 4х4 с рядом дополнительных свойств. Если вы умеете в матрицы и в частные производные, а в этой стране это матан первого курса на большинстве специальностей, включая гуманитарные, то в принципе можете осилить и уравнения ОТО.
        • 0
          Из п.2
          Возможно, объекты могут находиться сейчас на расстоянии в 27,6 млрд световых лет от нас, если испускаемый ими свет только сейчас дошёл до нас, а сами они двигаются от нас почти со скоростью света.

          Они-то могут находиться при условии мгновенного распространения света, но из принципа относительности одновременности мы должны считать расстояние между нами и объектом, который наблюдаем.
          Если я правильно понял, то расстояния считаются не по пройденному светом пути, а по сумме путей — пройденный светом и пути, который наблюдаемый объект прошёл за время, которое понадобилось свету дойти от объекта до нас. Иными словами, если бы нас соединяла бы линейка, то в изображении мы бы видели объект у риски Х км, но за время путешествия изображения к нам объект улетел бы до риски Х+У км и мы считаем, что смотри на расстояние Х+У км. Но так считать у нас права нет, т.к. сейчас (для нас) объект всё ещё находится у риски Х.

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

          Самое читаемое