Popular science
Astronomy
July 2018 19

Спросите Итана: насколько велика вся ненаблюдаемая Вселенная целиком?

Original author: Ethan Siegel
Translation

Изображение, полученное с телескопа Хаббл, демонстрирует массивное скопление галактик PLCK_G308.3-20.2, ярко светящихся в темноте. Именно так выглядят огромные участки удалённой Вселенной. Но как далеко простирается известная нам Вселенная, включая и ту часть, что мы не можем наблюдать?

13,8 млрд лет назад произошёл Большой взрыв. Вселенная заполнилась материей, антиматерией, излучением, и существовала в сверхгорячем и сверхплотном, но расширяющемся и охлаждающемся состоянии. К сегодняшнему дню её объём, включающий наблюдаемую нами Вселенную, расширился до того, что его радиус составляет 46 млрд световых лет, и свет, сегодня впервые приходящий в наши глаза, соответствует пределам того, что мы способны измерить. А что же находится дальше? Что насчёт ненаблюдаемой части Вселенной? Именно это хочет знать наш читатель:
Мы знаем размер наблюдаемой Вселенной, поскольку нам известен её возраст (по меньшей мере, с момента фазового перехода) и мы знаем, как распространяется свет. Мой вопрос в том, почему математика, описывающая реликтовое излучение и другие предсказания, не может сообщить нам размер Вселенной? Мы знаем, насколько горячей она была, и насколько холодная она сейчас. Разве масштаб не влияет на эти расчёты?
Ох, если бы всё было так просто.


История Вселенной, определена настолько хорошо, насколько далеко в прошлое мы способны заглянуть при помощи различных инструментов и телескопов. Но можно сказать, прибегая к тавтологии, что наши наблюдения могут дать нам информацию только о наблюдаемых её частях. Обо всём остальном приходится догадываться, и эти догадки хороши лишь настолько, насколько хороши лежащие в их основе предположения.

Сегодня Вселенная холодная и комковатая, а ещё она расширяется и оказывает гравитационное воздействие. Заглядывая далеко в космос, мы не только смотрим на далёкие расстояния, но и видим далёкое прошлое, из-за конечной скорости света. Удалённые части Вселенной менее комковатые и более однородные, у них было меньше времени на формирование более крупных и сложных структур под воздействием гравитации.

Ранняя, удалённая от нас Вселенная, также была и горячее. Расширяющаяся Вселенная приводит к увеличению длины волны распространяющегося по ней света. С её растяжением свет теряет энергию, охлаждается. Это означает, что в далёком прошлом Вселенная была горячее – и этот факт мы подтвердили, наблюдая за свойствами удалённых частей Вселенной.


Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие из имеющихся на сегодня свидетельств того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства пришедшего издалека света подтверждают тот факт, что мы живём в расширяющемся пространстве.

Мы можем измерить температуру сегодняшней Вселенной, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, изучая излучение, оставшееся от того горячего, плотного раннего состояния. Сегодня оно проявляет себя в микроволновой части спектра и известно, как реликтовое излучение. Оно укладывается в спектр излучения абсолютно чёрного тела и имеет температуру 2,725 К, и довольно легко показать, что эти наблюдения с удивительной точностью совпадают с предсказаниями модели Большого взрыва для нашей Вселенной.


Реальный свет Солнца (слева, жёлтая кривая) и абсолютно чёрного тела (серая). Благодаря толщине фотосферы Солнца оно больше относится к чёрным телам. Справа – реальное реликтовое излучение, совпадающее с излучением чёрного тела, по измерениям спутника COBE. Заметьте, что разброс ошибок на графике справа удивительно мал (в районе 400 сигм). Совпадение теории с практикой историческое.

Более того, нам известно, как меняется энергия этого излучения с расширением Вселенной. Энергия фотона обратно пропорциональна длине волны. Когда Вселенная была в два раза меньше, у фотонов, оставшихся от Большого взрыва, энергия была в два раза больше; когда размер Вселенной составлял 10% от её текущего, энергия этих фотонов была в 10 раз большей. Если мы захотим вернуться назад, к моменту, когда размер Вселенной составлял 0,092% от её текущего, мы обнаружим, что Вселенная была в 1089 раз горячее, чем сегодня: порядка 3000 К. При таких температурах Вселенная способна ионизировать все содержащиеся в ней атомы. Вместо твёрдых, жидких или газообразных веществ, вся материя во всей Вселенной пребывала в виде ионизированной плазмы.


Вселенная, в которой свободные электроны и протоны сталкиваются с фотонами, превращается в нейтральную, прозрачную для фотонов, по мере остывания и расширения. Слева – ионизированная плазма до испускания реликтового излучения, справа – нейтральная Вселенная, прозрачная для фотонов.

К размеру сегодняшней Вселенной мы подходим, разбираясь в трёх связанных между собой вопросах:

  1. Как быстро Вселенная расширяется сегодня – это мы можем измерить несколькими способами.
  2. Насколько горячая Вселенная сегодня – это мы можем узнать, изучая реликтовое излучение.
  3. Из чего состоит Вселенная – включая материю, излучение, нейтрино, антиматерию, тёмную материю, тёмную энергию, и т.д.

Используя сегодняшнее состояние Вселенной, мы можем провести экстраполяцию назад, к ранним этапам горячего Большого взрыва, и прийти к значениям для возраста и размера Вселенной.


Логарифмический график зависимости размера наблюдаемой Вселенной, в световых годах, от количества времени, прошедшего с момента Большого взрыва. Всё это применимо лишь к наблюдаемой Вселенной.

Из всего набора доступных наблюдений, включающих реликтовое излучение, данные по сверхновым, наблюдения крупномасштабных структур и акустических барионных осцилляций, мы получаем картину, описывающую нашу Вселенную. Спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва её радиус составляет 46,1 млрд световых лет. Это граница наблюдаемого. Всему, что находится дальше, даже движущемуся со скоростью света с момента горячего Большого взрыва, не хватит времени на то, чтобы добраться до нас. С течением времени увеличиваются возраст и размер Вселенной, и всегда будет существовать граница того, что мы можем увидеть.


Художественное представление наблюдаемой Вселенной на логарифмической шкале. Отметьте, что мы ограничены в том, как далеко можем заглянуть в прошлое, количеством времени, прошедшим с горячего Большого взрыва. Это 13,8 млрд лет, или (учитывая расширение Вселенной) 46 млрд световых лет. Все, живущие в нашей Вселенной, в любой её точке, увидят почти такую же картину.

Что мы можем сказать по поводу той части Вселенной, что находится за пределами наших наблюдений? Мы можем лишь предполагать на основании законов физики и того, что мы можем измерить в нашей, наблюдаемой части. К примеру, мы видим, что Вселенная на крупных масштабах пространственно плоская: она не искривлена ни положительно, ни отрицательно, с точностью в 0,25%. Если мы предположим, что наши законы физики сформулированы верно, мы можем оценить, насколько большой может быть Вселенная до тех пор, пока она не замкнётся на себя.


Величины горячих и холодных участков и их масштабы говорят о кривизне Вселенной. Насколько точно мы способны измерить, она выглядит идеально плоской. Акустические барионные осцилляции дают ещё один метод наложения ограничений на кривизну, и приводят к сходным результатам.

Слоановский цифровой небесный обзор и спутник Планк дают нам наилучшие данные на сегодня. Они говорят о том, что если Вселенная и искривляется, замыкаясь на себя, то та её часть, что мы можем видеть, настолько неотличима от плоской, что её радиус должен не менее чем в 250 раз превышать радиус наблюдаемой части.

Это значит, что ненаблюдаемая Вселенная, если в ней нет никаких топологических странностей, должна иметь диаметр не менее 23 триллионов световых лет, а её объём должен быть, по крайней мере, в 15 млн раз больше, чем наблюдаемый нами. Но если позволить себе рассуждать теоретически, мы можем вполне убедительно доказать, что размеры ненаблюдаемой Вселенной должны значительно превышать даже эти оценки.


Наблюдаемая Вселенная может иметь размер в 46 млрд световых лет во всех направлениях от нашего местоположения, но за этими пределами определённо существует и большая её часть, ненаблюдаемая, возможно, даже бесконечная, похожая на ту, что видим мы. Со временем мы сможем увидеть немного больше, но не всю её.

Горячий Большой взрыв может отмечать появление известной нам наблюдаемой Вселенной, но он не отмечает зарождение самого пространства и времени. До Большого взрыва Вселенная проходила период космической инфляции. Она была заполнена не материей и излучением, и не была горячей, а:

  • была заполнена энергией, присущей самому пространству,
  • расширялась с постоянной, экспоненциальной скоростью,
  • и создавала новое пространство так быстро, что самая малая из возможных длин, <a
планковская длина [1,6 × 10-35 м], растягивалась до размеров наблюдаемой сегодня Вселенной каждые 10-32 секунды.


Инфляция заставляет пространство расширяться экспоненциально, что может очень быстро привести к тому, что искривлённое или не гладкое пространство станет выглядеть плоским. Если Вселенная искривлена, радиус её кривизны, по меньшей мере, в сотни раз больше того, что мы можем наблюдать.

В нашей части Вселенной инфляция действительно подошла к концу. Но три вопроса, на которые мы не знаем ответов, чрезвычайно сильно влияют на реальный размер Вселенной, и то, является ли она бесконечной:

  1. Насколько велик участок Вселенной после инфляции, породивший наш Большой взрыв?
  2. Верна ли идея вечной инфляции, по которой Вселенная бесконечно расширяется, по крайней мере, в некоторых регионах?
  3. Как долго длилась инфляция, пока не остановилась и не породила горячий Большой взрыв?

Возможно, что та часть Вселенной, где шла инфляция, смогла вырасти до размера, не сильно превышающего то, что мы можем наблюдать. Возможно, что в любой момент появится свидетельство наличия «края», на котором закончилась инфляция. Но также возможно, что Вселенная в гуголы раз больше наблюдаемого. Не ответив на эти вопросы, мы не получим ответа на главный.


Огромное количество отдельных регионов, в которых произошёл Большой взрыв, разделяется пространством, постоянно растущим в результате вечной инфляции. Но мы не имеем понятия, как проверить, измерить или получить доступ к тому, что лежит за пределами нашей наблюдаемой Вселенной.

За пределами того, что мы можем видеть, скорее всего, находится ещё больше Вселенной, такой же, как и наша, с теми же законами физики, с теми же космическими структурами и такими же шансами на сложную жизнь. Также у «пузыря», в котором закончилась инфляция, должен быть конечный размер, при том, что экспоненциально большое число таких пузырей содержится в более крупном, расширяющемся пространстве-времени. Но даже если вся эта Вселенная, или Мультивселенная, может быть невероятно большой, она может и не быть бесконечной. На самом деле, если только инфляция не продолжалась бесконечно долго, или Вселенная не родилась бесконечно большой, она должна быть конечной.


Как ни велика наблюдаемая нами часть Вселенной, как ни далеко мы можем заглянуть, всё это составляет лишь малую долю того, что должно существовать там, за пределами.

Самая большая проблема состоит в том, что у нас не хватает информации для определённого ответа на вопрос. Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной внутри нашей наблюдаемой Вселенной: эти 46 млрд световых лет во всех направлениях. Ответ на самый большой вопрос, о конечности или бесконечности Вселенной, может быть спрятан в самой Вселенной, но мы не можем познать достаточно большую её часть, чтобы знать наверняка. И пока мы не разберёмся с этим, или не придумаем хитроумную схему расширения границ возможностей физики, у нас будут оставаться одни только вероятности.
+16
23k 35
Support the author
Comments 56
Top of the day