Со временем каждая галактика за пределами нашей локальной группы будет удаляться от нас все быстрее и быстрее. И тем не менее, будет появляться больше.
Чем дальше от нас находится галактика в этой расширяющейся Вселенной, тем быстрее она удаляется от нас. С течением времени каждая из этих отдельных галактик будет постепенно удаляться и, по-видимому, будет двигаться с постоянно увеличивающейся скоростью. Проще говоря, Вселенная не просто расширяется, расширение со временем ускоряется. За последние два десятилетия стало совершенно ясно, что новая форма энергии - темная энергия - не только является движущей силой этого ускоренного расширения, но и является доминирующей формой энергии в нашей Вселенной.
И все же, несмотря на все это, сегодня, через 13,8 миллиарда лет после горячего Большого взрыва, мы можем наблюдать больше галактик, чем когда-либо ранее в нашей космической истории. Еще больше озадачивает: с течением времени количество потенциально наблюдаемых галактик будет увеличиваться более чем вдвое по мере того, как космологические часы продолжают тикать. Даже если они удаляются все быстрее и быстрее, ни одна галактика никогда не исчезнет из нашего поля зрения полностью. Вот загадочная наука о том, как это происходит.
Вселенная, начиная с первых моментов горячего Большого Взрыва, была вовлечена в огромную космическую гонку. С одной стороны, у вас есть начальная скорость расширения: быстрое разнесение любых двух отдельных точек в пространстве с течением времени. С другой стороны, это невероятная сила гравитации, притягивающая все формы материи и энергии друг к другу и конкурирующая с первоначальным расширением. Вы можете представить, основываясь на этой установке, три возможных исхода.
- Первоначальное расширение слишком велико для имеющейся у нас материи и энергии, и Вселенная продолжает расширяться вечно.
- Слишком много материи и энергии для начальной скорости расширения, и Вселенная расширяется до максимального размера, а затем сжимается, в конечном итоге разрушаясь в Большом Сжатии.
- Или Вселенная существует прямо на границе между этими двумя сценариями, где скорость расширения асимптотируется до нуля, но никогда полностью не коллапсирует.
На протяжении многих поколений мы пытались измерить, какая из этих возможностей соответствует нашей Вселенной. Когда наконец поступили наблюдения, они всех нас потрясли.
Но вместо любого из этих трех сценариев Вселенная делает что-то другое. В течение первых нескольких миллиардов лет кажется, что скорость расширения и плотность материи и энергии почти идеально уравновешиваются, поскольку скорость расширения падает и падает, а плотность также падает, приближаясь к тому состоянию, где скорость расширения асимптотизируется до нуля..
Дальние галактики удаляются от нас все медленнее и медленнее, даже когда они удаляются все дальше и дальше. И по мере того, как скорость расширения падает, сверхдальние галактики - галактики, чей свет течет к нам в течение миллиардов лет - , начинают догонять нас, в конечном итоге открывая нам свое существование.
А затем, около 6 миллиардов лет назад, эти сверхдалёкие галактики вдруг начали удаляться от нас с большей скоростью. Внезапно обнаруживается присутствие темной энергии.
Причина достаточно проста. По мере расширения Вселенной ее объем увеличивается, но количество частиц в ней остается прежним. С течением времени плотность материи падает пропорционально кубическому масштабу Вселенной: разделяющему расстоянию между любыми двумя точками в третьей степени. Излучение падает еще сильнее (в четвертой степени), поскольку количество частиц не только разбавляется, но и расширяющаяся Вселенная также увеличивает длину волны этого излучения.
Но если есть ненулевое количество энергии, присущей самому пространству, то плотность энергии не падает, даже когда Вселенная расширяется. Вместо этого плотность темной энергии остается постоянной, а это означает, что по мере того, как плотность материи и излучения падает достаточно сильно, темная энергия становится более важной. К настоящему времени, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, она стала доминирующей формой энергии во Вселенной.
Что это означает для расширения Вселенной?
Ряд важных вещей, которые не всегда интуитивно понятны, но оказываются верными, когда вы применяете математику расширяющейся Вселенной к физическому космосу, который мы наблюдаем. Вот некоторые основные моменты.
- Сегодня Вселенная простирается на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях, а это означает, что свет, испущенный в момент Большого взрыва, достигнет нас сегодня, и его точка происхождения сейчас в 46,1 миллиардах световых лет от нас в расширяющейся Вселенной.
- Любой объект, находящийся на определенном расстоянии, удаляется от нас с такой скоростью, что даже если бы мы сегодня отправились на воображаемом корабле, летящем со скоростью света, мы бы не смогли его достичь.
- Это расстояние, если подсчитать, как расширяется Вселенная, означает, что около 94% всех галактик, содержащихся в наблюдаемой Вселенной, уже недостижимы, что бы мы ни делали.
Похоже, что Вселенная исчезает, не так ли? С течением времени отдельные галактики, связанные вместе в скопления и группы - подобно тому, как мы связаны с Андромедой, Треугольником и примерно 60 другими, меньшими галактиками - , останутся связанными в этих отдельных скоплениях, но эти отдельные, независимые скопления все исчезнут. удаляются друг от друга все быстрее и быстрее по мере эволюции Вселенной. Примерно через 100 миллиардов лет мы вообще не сможем достичь ни одной галактики за пределами нашей Местной группы.
И тем не менее, количество галактик, которые мы можем наблюдать сегодня, является самым большим из когда-либо существовавших, и это число будет только увеличиваться с течением времени. Причина этого противоречит здравому смыслу, если только вы долгое время не работали с общей теорией относительности в контексте расширяющейся Вселенной. По мере того, как свет распространяется во Вселенной, даже когда Вселенная расширяется со временем, свет, излучаемый все дальше и дальше, в конечном итоге догоняет.
Сегодня свет, прибывающий после 13,8 миллиардов лет пути, обладает следующими свойствами.
- Когда давным-давно излучался этот свет, Вселенная была намного меньше, а тот далекий объект, который излучал этот свет, был намного ближе к нам, чем даже 13,8 миллиардов световых лет.
- Поскольку Вселенная расширялась за свою историю, свет распространялся через расширяющуюся Вселенную, преодолевая в общей сложности 13,8 миллиардов световых лет, если он двигался со скоростью света в течение 13,8 миллиардов лет.
- И сегодня, если мы нанесем воображаемую точку на координату, из которой исходил этот свет, она окажется на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет.
Представьте, что мы задались бы вопросом: сколько галактик в настоящее время мы видим, если бы у нас был сколь угодно большой, мощный, проникающий сквозь пыль телескоп? Впервые мы можем ответить на этот вопрос с помощью комбинации наблюдений и космологической теории структурообразования: в нашей наблюдаемой Вселенной содержится 2 триллиона галактик.
И все же, что произойдет с количеством галактик, которые мы потенциально можем наблюдать, с течением времени? Увидим ли мы больше галактик? Меньше галактик? Или столько же галактик?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно понять, как свет проходит через расширяющуюся Вселенную. Несмотря на то, что расширение Вселенной ускоряется и кажется, что отдаленные галактики удаляются от нас все быстрее и быстрее с течением времени, космический горизонт всегда увеличивается в размерах. С тех пор, как произошел первый Большой взрыв, свет с все больших и больших расстояний достиг любой точки Вселенной. Сегодня мы можем видеть свет, который путешествует по Вселенной 13,8 миллиарда лет (или меньше), приводя нас к космическому горизонту, который находится на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас.
Но со временем мы сможем увидеть свет, для которого требуются более длительные периоды времени: 13,9 миллиардов, 15 миллиардов или даже 100 миллиардов лет. Со временем галактики, невидимые для нас сегодня, когда-нибудь появятся.
Поскольку мы понимаем, как темная энергия управляет расширением Вселенной - мы знаем, из чего состоит Вселенная и как история расширения будет развиваться со временем мы можем рассчитать насколько Вселенная когда-либо станет наблюдаемые для нас. Сегодня это соответствует любому объекту в пределах 61,3 миллиарда световых лет от нас: примерно на 33% дальше, чем мы можем видеть в настоящее время. По мере того, как история Вселенной продолжает разворачиваться, и мы позволяем времени двигаться бесконечно далеко в будущее, все галактики, находящиеся в настоящее время за пределами нашего видимого горизонта, в конце концов откроются нам.
С точки зрения объема это соответствует дополнительным 135% Вселенной сверх того, что мы можем сейчас наблюдать. Если сегодня мы видим в общей сложности 2 триллиона галактик, то в далеком будущем, если мы будем достаточно хороши в сборе света от этих ультрадалеких, ультраслабых объектов, у нас будет в общей сложности 4,7 триллиона галактик. галактик для изучения: более чем в два раза больше, чем у нас есть сегодня.
Сегодня, в настоящее время, в пределах нашей наблюдаемой Вселенной содержится приблизительно 2 триллиона галактик. Только около 6% из них доступны для нас, а это означает, что остальные 94% всегда будут отображаться такими, какими они были в прошлом; мы никогда их не увидим, поскольку они существуют через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, поскольку этот свет никогда не достигнет нас. Но со временем будет обнаружено еще больше галактик, даже если мы когда-либо увидим их только в их космическом младенчестве, в результате чего общее количество наблюдаемых галактик приблизится к 4.7 триллионов: более чем вдвое больше, чем сегодня.
Все эти галактики когда-то были очень близко к нам, и их свет в конечном итоге достигнет наших глаз, даже когда Вселенная будет расширяться во веки веков. Есть предел тому, что мы когда-нибудь сможем увидеть, но мы еще не достигли его. Более того, ничто действительно не исчезнет; фотоны просто будут прибывать реже и с меньшей энергией. Если мы будем знать, что ищем, то Вселенная далекого будущего не только останется доступной для наблюдения, но мы сможем увидеть ее больше, чем когда-либо прежде.