По мере того, как проходит больше времени после Большого взрыва, в поле зрения попадает все больше Вселенной. Но сколько?
Несмотря на то, что с момента Большого взрыва прошли миллиарды лет, существует космический предел того, как далеко мы можем наблюдать за объектами, населяющими нашу Вселенную. Вселенная расширялась все это время, но скорость этого расширения конечна и хорошо измерена. Если бы мы подсчитали, какое расстояние фотон, испущенный в момент Большого Взрыва, мог пройти к сегодняшнему дню, мы получили бы верхний предел того, как далеко мы можем видеть в любом направлении: 46 миллиардов световых лет.
Это размер нашей наблюдаемой Вселенной, которая содержит около двух триллионов галактик, находящихся на разных стадиях эволюционного развития. Но помимо этого должно быть гораздо больше Вселенной за пределами того, что мы можем сейчас видеть: ненаблюдаемая Вселенная. Благодаря нашим лучшим измерениям той части, которую мы можем видеть, мы, наконец, выясняем, что находится за ее пределами, и какую часть этого мы когда-нибудь сможем воспринять и исследовать.
Большой взрыв говорит нам о том, что в какой-то момент в далеком прошлом Вселенная была горячее, плотнее и расширялась намного быстрее, чем сегодня. Звезды и галактики, которые мы видим во Вселенной во всех направлениях, существуют только потому, что Вселенная расширилась и остыла, позволив гравитации стянуть материю в комки. За миллиарды лет гравитационный рост подпитывал поколения звезд и формирование галактик, что привело к Вселенной, которую мы видим сегодня.
Куда бы мы ни посмотрели, во всех направлениях, мы видим Вселенную, рассказывающую нам одну и ту же космическую историю. Но частью этой истории является тот факт, что чем дальше мы смотрим, тем дальше мы оглядываемся назад во времени. Вселенная не существовала вечно, формируя звезды и растущие галактики. Согласно Большому взрыву и подтверждающим его наблюдениям, у Вселенной было начало.
На ранних стадиях после Большого взрыва Вселенная была наполнена множеством ингредиентов, и она начиналась с невероятно быстрой начальной скорости расширения. Эти два фактора начальная скорость расширения и гравитационное воздействие всего во Вселенной являются двумя ведущими игроками в окончательной космической гонке.
С одной стороны, расширение раздвигает все на части, растягивая ткань пространства и раздвигая галактики и крупномасштабную структуру Вселенной. Но, с другой стороны, гравитация притягивает все формы материи и энергии, работая над тем, чтобы вновь сплотить Вселенную. Обычная материя, темная материя, темная энергия, излучение, нейтрино, черные дыры, гравитационные волны и многое другое играют роль в расширяющейся Вселенной.
Скорость расширения в начале была большой, но она уменьшалась по мере расширения Вселенной. Этому есть простая причина: по мере расширения Вселенной ее объем увеличивается, и поэтому плотность энергии снижается. С уменьшением плотности уменьшается и скорость расширения. Свет, который когда-то был слишком далеко от нас, чтобы его можно было увидеть, теперь может догнать нас.
Этот факт имеет огромное значение для Вселенной: со временем галактики, которые когда-то были слишком далеки, чтобы мы могли их открыть, спонтанно появятся в поле зрения. Возможно, с момента Большого взрыва прошло 13,8 миллиардов лет, но с расширением Вселенной есть объекты, расположенные на расстоянии 46,1 миллиардов световых лет, чей свет только достигает нас.
В общем, если бы мы сложили все галактики, которые существуют в этом объеме пространства, мы бы обнаружили, что в нашей наблюдаемой Вселенной их целых два триллиона. Каким бы огромным ни было это число, оно все же конечно, и наши наблюдения не обнаруживают границ в пространстве, в каком бы направлении мы ни смотрели.
Количество времени, прошедшее после Большого взрыва, скорость света и состав нашей Вселенной определяют пределы того, что можно наблюдать. Дальше этого и даже что-то, движущееся со скоростью света с момента горячего Большого Взрыва, не успеет добраться до нас.
Но все это изменится со временем. По прошествии лет и эпох свет, который не мог достичь нас, наконец догонит наши глаза, открывая нам больше Вселенной, чем мы когда-либо видели.
Вы можете подумать, что если бы мы ждали сколь угодно долго, то смогли бы видеть сколь угодно далекое расстояние, и что не было бы предела тому, какая часть Вселенной станет виден.
Но во Вселенной с темной энергией это просто не так. По мере старения Вселенной скорость расширения не падает все ниже и ниже, приближаясь к нулю. Вместо этого остается конечное и важное количество энергии, присущей самой ткани пространства. С течением времени во Вселенной с темной энергией более отдаленные объекты будут удаляться от нас все быстрее и быстрее. Несмотря на то, что есть еще много Вселенной, которую можно открыть, есть предел тому, какая часть ее когда-либо станет доступной для наблюдения.
Основываясь на скорости расширения, количестве имеющейся у нас темной энергии и нынешних космологических параметрах Вселенной, мы можем рассчитать то, что мы называем будущим пределом видимости: максимальное расстояние, на котором мы когда-либо будем способен наблюдать. Прямо сейчас, во Вселенной возрастом 13,8 миллиардов лет, наш текущий предел видимости составляет 46 миллиардов световых лет. Наш будущий предел видимости примерно на 33% больше: 61 миллиард световых лет. Прямо сейчас есть галактики, свет которых находится на пути к нашим глазам, но еще не имел возможности достичь нас.
Если бы мы сложили все галактики в тех частях Вселенной, которые мы когда-нибудь увидим, но пока не можем получить к ним доступ сегодня, мы были бы потрясены, узнав, что есть и другие галактики, которые еще не созданы. -выявленных галактик, чем галактик в видимой Вселенной. Есть еще 2,7 триллиона галактик, ожидающих, чтобы показать нам свой свет, вдобавок к 2 триллионам, к которым мы уже можем получить доступ.
По сравнению с тем, что готовит нам будущее, в настоящее время мы видим только 43% галактик, которые когда-нибудь сможем наблюдать. За пределами нашей наблюдаемой Вселенной лежит ненаблюдаемая Вселенная, которая должна выглядеть точно так же, как та ее часть, которую мы видим. Мы знаем это благодаря наблюдениям космического микроволнового фона и крупномасштабной структуры Вселенной.
Если бы Вселенная была конечного размера, имела бы край или ее свойства начали бы меняться по мере того, как мы смотрим на большие расстояния, наши измерения этих явлений выявили бы это. Наблюдаемая пространственная плоскостность Вселенной говорит нам о том, что она не имеет ни положительного, ни отрицательного искривления с точностью до 99,6%, а это означает, что если она изгибается сама по себе, ненаблюдаемая Вселенная будет как минимум в 250 раз больше видимой в настоящее время части.
Мы никогда не сможем увидеть что-то близкое на таком необычайном расстоянии. Будущий предел видимости приведет нас к расстояниям, которые в настоящее время составляют 61 миллиард световых лет, но не дальше. Он покажет чуть более чем в два раза больший объем Вселенной, который мы можем наблюдать сегодня. С другой стороны, ненаблюдаемая Вселенная должна иметь диаметр не менее 23 триллионов световых лет и содержать объем пространства, который более чем в 15 миллионов раз превышает объем, который мы можем наблюдать.
В то же время, когда мы размышляем о Вселенной за пределами наших возможностей наблюдения, стоит помнить, как мало из этой Вселенной мы можем получить доступ или посетить. Все, что мы с нетерпением ждем, основано на свете, который уже излучался много миллиардов лет назад: по времени близко к Большому взрыву. В нынешнем виде, даже если бы мы улетели прямо сейчас со скоростью света, мы не смогли бы достичь почти всех галактик в космосе.
Темная энергия заставляет не только Вселенную расширяться, но и далекие галактики ускоряют свое кажущееся удаление от нас. Хотя существует в общей сложности 4,7 триллиона галактик, которые мы когда-нибудь сможем наблюдать на расстоянии 61 миллиарда световых лет, предел того, что мы можем достичь сегодня, намного скромнее.
Только те галактики в пределах примерно 15 миллиардов световых лет, или четверть радиуса в будущем пределе видимости, могут быть достигнуты сегодня, что соответствует только примерно 66 миллиардам галактик. Это всего 1,4% от общего числа галактик, которые когда-либо станут нам видны. Другими словами, в будущем у нас будет в общей сложности 4,7 триллиона галактик. Большинство из них когда-либо предстанут перед нами такими, какими они были в очень далеком прошлом, и большинство из них никогда не увидят нас такими, какие мы есть сегодня. Из всех тех галактик, которые мы когда-нибудь увидим, 4,634 триллиона уже навсегда недостижимы, даже со скоростью света.
Вы могли заметить интересное явление: будущий предел видимости точно равен достижимому пределу (15 миллиардов световых лет), добавленному к текущему пределу видимости (46 миллиардов световых лет). Это не случайно; свет, который в конечном итоге достигнет нас, находится прямо на этом достижимом пределе сегодня, после путешествия в 46 миллиардов световых лет с момента Большого взрыва. Когда-нибудь, в далеком будущем, оно предстанет перед нашими глазами. С каждым прошедшим мгновением мы приближаемся к нашей конечной космической точке зрения, поскольку свет от последних галактических противников продолжает свой неизбежный путь к нам в расширяющейся Вселенной.