П'ять питань про розширення Всесвіту, які ви соромилися задати

Коли ми дивимося на далеку Всесвіт, ми всюди бачимо галактики — у всіх напрямках, мільйони і навіть мільярди світлових років. Оскільки є два трильйони галактик, які ми могли б спостерігати, сума всього, що за ними, більше і крутіше найсміливіших наших уявлень. Один із самих цікавих фактів полягає в тому, що всі галактики, які ми коли-небудь спостерігали, підпорядковуються (в середньому) одним і тим же правилам: чим вони далі від нас, тим швидше вони від нас і видаляються. Це відкриття, зроблене Едвіном Хабблом та його колегами ще в 1920-х роках, призвело нас до картини розширюється Всесвіту. Але що з того, що вона розширюється? Наука знає, а тепер і ви дізнаєтеся.

Чим далі ми дивимося, тим далі назад в часі ми заглядаємо, бачачи ще не розвинену Всесвіт. Але — тільки якщо загальна теорія відносності застосовується до розширюється Всесвіту

У чому (куди) розширюється Всесвіт?

На перший погляд це питання може здатися здоровим. Тому що все, що розширюється, зазвичай складається з речовини і існує в просторі і часі Всесвіту. Але сама Всесвіт — простір і час, що містить матерію і енергію в собі. Коли ми говоримо, що «Всесвіт розширюється», ми маємо на увазі розширення самого простору, у результаті якого окремі галактики і скупчення галактик віддаляються один від одного. Простіше всього було б уявити кульку тесту з родзинками всередині, який випікається в печі, вважає Етан Зигель.

Модель розширюється «булочки» Всесвіту, в якій відносні відстані збільшуються по мірі розширення простору

Це тісто — тканина простору, а родзинки — пов'язані структури (зразок галактик або скупчень галактик). З точки зору будь-родзинки, все решта изюмы будуть від неї відходити, і чим вони далі — тим швидше. Тільки у разі Всесвіту печі і повітря за межами тесту не існує, є тільки тісто (простір) і родзинки (речовина).

Червоне зміщення створюють не просто віддалені галактики, а скоріше простір між нами

Звідки ми знаємо, що це простір розширюється, а не галактики віддаляються?

Якщо ви бачите, що на всіх напрямках від вас видаляються об'єкти, що є лише одна причина, здатна це пояснити: розширюється простір між вами і цими об'єктами. Також можна було б припустити, що ви знаходитесь біля центру вибуху, і багато об'єкти просто знаходяться далі і видаляються швидше, бо отримали більше енергії вибуху. Якщо б це було так, ми могли б довести це двома способами:

• На великих відстанях і високих швидкостях буде менше галактик, оскільки з часом вони сильно поширилися б в просторі
• Ставлення червоного зміщення і відстані буде приймати конкретну форму на великих відстанях, яка буде відрізнятися від форми, якщо б розширювалася тканину простору

Коли ми дивимося на великі відстані, ми знаходимо, що далі щільність у Всесвіті галактик вище, чим ближче до нас. Це узгоджується з картиною, в якій простір розширюється, тому що дивитися далі — те ж саме, що дивитися в минуле, де відбулося менше розширення. Ми також виявляємо, що віддалені галактики мають відношення червоного зміщення і відстані, відповідне розширення простору, і зовсім немає — якби галактики просто швидко віддалялися від нас. Наука може відповісти на це питання двома різними способами, і обидві відповіді підтримують розширення Всесвіту.

Завжди Всесвіт розширювалася з однією швидкістю?

Ми називаємо її постійної Хаббла, але вона є постійною тільки в просторі, а не в часі. Всесвіт зараз розширюється повільніше, ніж в минулому. Коли ми говоримо про швидкості розширення, ми говоримо про швидкості на одиницю відстані близько 70 км/с/Мпк сьогодні. (Мпк — це мегапарсек, приблизно 3 260 000 світлових років). Але швидкість розширення залежить від щільності всіх різних речей у Всесвіті, включаючи матерію і випромінювання. У міру розширення Всесвіту матерія і випромінювання в ній стають менш щільними, а разом з падінням щільності падає і швидкість розширення. Всесвіт розширювалася швидше в минулому і сповільнюється з часів Великого Вибуху. Постійна Хаббла — це неправильна назва, її варто було б назвати параметр Хаббла.

Далекі долі Всесвіту пропонують різні можливості, але якщо темна енергія дійсно постійна, як показують дані, ми будемо слідувати червоної кривий

чи Буде Всесвіт розширюватися вічно або коли-небудь зупиниться?

Кілька поколінь астрофізики і космологи ламали голову над цим питанням, і відповісти на нього можна, тільки визначивши швидкість розширення Всесвіту і всі типи (та кількості) енергії, присутні в ній. Ми вже успішно виміряли, скільки є звичайної матерії, випромінювання, нейтрино, темної матерії і темної енергії, а також швидкість розширення Всесвіту. Грунтуючись на законах фізики і події минулого, складається враження, що Всесвіт буде розширюватися вічно. Хоча ймовірність цього не 100%; якщо щось на зразок темної енергії буде вести себе інакше в майбутньому порівняно з минулим і сьогоденням, всі наші висновки доведеться переглянути.

Галактики рухаються швидше швидкості світла? Хіба це не заборонено?

З нашої точки зору, розширюється простір між нами і віддаленою точкою. Чим далі вона від нас, тим швидше, як нам здається, вона видаляється. Навіть якщо швидкістьрозширення була б крихітною, далекий об'єкт одного разу перетнув би поріг будь граничної швидкості, тому що швидкість розширення (швидкість на одиницю відстані) багаторазово збільшилась би при достатній відстані. У схвалює такий сценарій. Закон того, що ніщо не може рухатися швидше швидкості світла, застосовується тільки до руху об'єкта через простір, а не до розширення простору. В реальності самі галактики рухаються на швидкості всього в кілька тисяч кілометрів на секунду, що набагато нижче межі в 300 000 км/с, встановленого швидкістю світла. Саме розширення Всесвіту викликає рецесію і червоне зміщення, а не справжнє рух галактики.

В межах спостерігається Всесвіту (жовтий круг) знаходиться приблизно 2 трильйони галактик. Галактики, які знаходяться ближче, ніж на третину шляху до цієї межі, ми ніколи не зможемо наздогнати через розширення Всесвіту. Для освоєння силами людей відкрито всього 3% обсягу Всесвіту

Розширення Всесвіту є необхідним наслідком того, що матерія і енергія наповнюють простір-час, яке підпорядковується законам загальної теорії відносності. Поки є матерія, є і гравітаційне тяжіння, так що або гравітація переможе і все знову стиснеться, або гравітація програє і переможе розширення. Немає ніякого центру розширення і немає нічого поза простору, що розширюється; саме сама тканина Всесвіту, що розширюється. Що найцікавіше, навіть якщо б ми покинули Землю на швидкості світла, ми змогли б відвідати всього 3% галактик в спостережуваної Всесвіту; 97% з них вже поза межами нашої досяжності. Всесвіт складна.