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

Горизонт событий соответствует расстоянию до самого далекого объекта, до которого может дойти посланный сейчас световой сигнал.

Если бы мы могли видеть источники, излучавшие спустя короткое время после Большого взрыва, то свет от них шел бы к нам 13,7 млрд лет, т. е. прошел бы путь 13,7 млрд световых лет. Но все это время Вселенная расширяется, поэтому сейчас такой источник находится на расстоянии около 46 млрд световых лет от нас. Это соответствует нашему горизонту частиц, и более далекие объекты мы видеть не можем. Однако первые десятки миллионов лет не было ни звезд, ни галактик, и самый далекий источник электромагнитных волн – это так называемая поверхность последнего рассеяния, с которой связано реликтовое излучение. Электроны, рассеивавшие принимаемое нами реликтовое излучение, находятся теперь на расстоянии более 45 млрд световых лет от нас. Самые первые звезды, которые мы сможем увидеть (точнее, то, что от них осталось), сейчас находятся на расстоянии чуть менее 40 млрд световых лет. Самые далекие галактики, которые мы наблюдаем, сейчас удалены на 30 с лишним миллиардов световых лет.

В эти далекие галактики мы не можем уже послать никакого сообщения – они находятся за нашим горизонтом событий. Вселенная сейчас расширяется с ускорением, и галактики, находящиеся в настоящий момент в 16–17 млрд световых лет от нас, удаляются достаточно быстро (они находятся за сферой Хаббла), чтобы сигнал не смог до них дойти. Обратное тоже верно: мы не сможем увидеть события, происходящие сейчас в этих галактиках (отсюда и название – горизонт событий).

Одним из ключевых понятий в современной космологии является красное смещение. Технически эта величина показывает, насколько сдвинуты спектральные детали (линии и т. п.) и сам спектр в целом. Существует несколько причин такого сдвига, но космологическая стоит особняком.

Спектры далеких галактик смещены в красную сторону из-за расширения Вселенной.

Известно, что гудок приближающегося поезда имеет более высокий тон, чем удаляющегося. Этот эффект называют эффектом Доплера: если источник волнового сигнала приближается к нам, то мы регистрируем более короткую длину волны, чем испускает источник, а если удаляется – более длинную. Он верен не только для звуковых, но и для электромагнитных волн, включая свет (и вообще для любого периодического процесса).

Кроме того, существует гравитационное красное смещение сигнала, который идет из области с более сильной гравитацией в область с более слабой. Его природа состоит в том, что часы идут по-разному в разном гравитационном поле (в более сильном время течет медленнее). Соответственно, фотон, пришедший к нам из области сильного поля, кажется нам «покрасневшим».

Однако космологическое красное смещение нельзя простым способом свести ни к доплеровскому, ни к гравитационному сдвигу. Оно связано именно с расширением Вселенной. Величина космологического смещения зависит от изменения масштабного фактора во время распространения сигнала.

Красное смещение обозначают буквой z. Его легко рассчитать по измеренному сдвигу длин волн: z = (λ – λ 0)/λ 0, где λ – наблюдаемая нами длина волны, а λ 0 – длина волны источника в точке испускания. Если красное смещение равно 1, это означает, что длина волны удвоилась. Это соответствует расширению Вселенной вдвое за время движения фотона. При этом не имеет значения, какой была скорость источника в момент излучения или приема сигнала, – важно, что происходило во время распространения.

Космологическое красное смещение обозначают символом z. Величина (z + 1) показывает, во сколько раз растянулась Вселенная с момента излучения сигнала.

Наблюдатели, проводившие первые измерения скоростей галактик, исходили из доплеровской природы красного смещения. Что интересно, такая интерпретация на относительно небольших расстояниях (менее пары миллиардов световых лет) не приводит к заметной ошибке, и скорость при этом можно оценить по доплеровской формуле: v = cz (в первую очередь это объясняется тем, что близкие источники мы видим такими, какими они были относительно недавно, и за это время постоянная Хаббла не успела существенно измениться). Однако для бóльших расстояний это уже не так.

На наблюдаемое красное смещение могут накладываться доплеровское и гравитационное. Первый эффект особенно важен, когда мы говорим о близких галактиках. Галактики могут иметь заметную скорость (сотни километров в секунду) относительно своего окружения, такие скорости называют пекулярными. Они связаны в первую очередь с взаимным влиянием галактик (например, с движением галактики внутри скопления). Поэтому на расстояниях менее 20–30 млн световых лет могут наблюдаться очень сильные отклонения от закона Хаббла.