Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Космологическая скорость удаления галактики может превышать скорость света (заметим, что в космологии возможно несколько разных определений скоростей, но чаще всего говорят о скорости изменения так называемого собственного расстояния по часам наблюдателя). Расстояние, на котором это происходит, легко определить исходя из закона Хаббла. Поверхность, на которой галактики сейчас имеют скорость удаления, равную световой, называют сферой Хаббла. Мы можем наблюдать галактики, чья скорость относительно нас в момент излучения (и/или сейчас) превосходит скорость света, поскольку скорость расширения менялась со временем. Испущенный галактикой свет мог в начале удаляться от нас, а затем начал приближаться, когда темп расширения снизился. В итоге свет достигает нас, хотя сама галактика всегда удалялась и сейчас находится далеко за сферой Хаббла. Это рассуждение подводит нас к понятию горизонтов во Вселенной.

Мы живем в расширяющейся Вселенной, а это значит, когда-то расстояния между всеми объектами были меньше. Продолжая эту экстраполяцию, можно прийти к тому, что какое-то время назад все наблюдаемые нами объекты были сжаты в очень маленьком объеме, т. е. расширение имело начало. Сейчас мы знаем этот момент с достаточной точностью: 13,7–13,8 млрд лет назад. Это результат многочисленных исследований, использовавших самые разные данные. С другой стороны, нет никаких наблюдаемых фактов, которые не вписывались бы в эту картину.

Вселенная имеет конечный возраст, примерно равный 13,7 млрд лет.

С помощью радиоактивных элементов мы достаточно хорошо знаем возраст Солнечной системы – он составляет чуть менее 5 млрд лет. Модели звездной эволюции позволяют оценить максимальный возраст известных звезд, в пределах допустимых погрешностей он не превосходит 13–14 млрд лет. Модели химической эволюции Вселенной также согласуются с этой оценкой. Наконец, исследование динамики Вселенной и формирования структур в ней также указывает на возраст чуть менее 14 млрд лет. Поэтому конечный возраст «мира, как мы его знаем» можно считать твердо установленным фактом.

Темнота ночного неба объясняется конечным возрастом Вселенной и конечностью скорости света.

Конечный возраст Вселенной позволяет решить несколько парадоксов. Одним из самых известных среди них является парадокс Ольберса, названный в честь немецкого врача и астронома Вильгельма Ольберса (Wilhelm Olbers), первооткрывателя астероидов Паллада и Веста. Парадокс Ольберса заключается в следующем: если Вселенная однородна и изотропна и везде заполнена звездами, то на линии любого нашего луча зрения всегда находилась бы какая-то (пусть и очень далекая) звезда – но тем не менее ночное небо темное! Обсуждать этот парадокс начали за сотни лет до рождения самого Ольберса, но объяснение было найдено лишь в рамках современной космологической модели.

Возраст Вселенной конечен, как и скорость света, и за время жизни Вселенной свет не мог пройти бесконечное расстояние. Глядя на далекие галактики, мы смотрим в прошлое, однако 14 млрд лет назад никаких галактик еще не существовало. Поэтому для наблюдений нам доступна лишь конечная область пространства, и потенциально мы можем видеть лишь конечное число звезд (и галактик). Это и есть объяснение парадокса Ольберса (свой вклад также вносит и космологическое красное смещение, уменьшающее энергию принимаемых фотонов и, соответственно, поверхностную яркость далеких галактик). Мы не знаем, бесконечна Вселенная или нет, но мы знаем, что она больше области, доступной нам для наблюдений.

Горизонт частиц соответствует расстоянию до самого далекого из потенциально наблюдаемых сейчас объектов.

Из-за конечности скорости света и постоянного расширения Вселенной в космологии возникает несколько понятий расстояния, которые нужны для понимания размеров наблюдаемой области. Когда-то давно вся наблюдаемая нами сейчас область была сжата в крохотном объеме и все потенциально наблюдаемые объекты находились близко от «нас». Но Вселенная очень быстро расширялась, и если бы частица, находившаяся спустя три года после начала расширения на расстоянии 100 000 световых лет от нас, послала в нашу сторону со скоростью света сигнал (который бы не поглощался по мере распространения), то мы бы все еще не могли его видеть, поскольку источник сигнала находится за горизонтом – так называемым горизонтом частиц.