Спросите Итана №69: убегает ли от нас Вселенная?

По мере того как тёмная энергия всё больше доминирует, и далёкие галактики удаляются от нас с ускорением, что мы теряем, и что это значит для нас?

Что это за чувство, когда уезжаешь от людей, а они становятся всё меньше и меньше, пока их пылинки не рассеиваются у тебя на глазах? — это слишком огромный мир высится своим сводом над нами, и это прощание. Но мы склоняемся вперёд, навстречу новому безумству под небесами.
— Джек Керуак, «В дороге»

С возрастом у меня всё лучше выходят прощания, но большинство из нас всё ещё не готовы к великой правде космического прощания, ожидающей нас. На этой неделе я получил отличные вопросы и предложения, и честь получить ответ переходит к Хоакину Богадо, который хочет узнать об исчезающих из нашего поля зрения галактиках:
В блогозаписи «Исчезающая Вселенная» вы натолкнули меня на мысль, что из нашей Вселенной каждую секунду исчезает много ценной информации. Мои вопросы:
1) как это влияет на теорию Большого взрыва и возраст Вселенной?
2) Возможно ли узнать, какая часть Вселенной уже исчезла?
Давайте начнём с того, что означает исчезновение вещей, и сделаем мы это через возвращение к идее Большого взрыва.

https://geektimes.ru/post/278080/


Просто говоря, Большой взрыв создаёт горячую, плотную и расширяющуюся Вселенную, в которой расширяется сама ткань пространства-времени. Вся материя и излучение разбавляются, их плотность падает, и они разлетаются всё дальше по мере расширения объёма пространства. В то же самое время материя и излучение оказывают сильнейшее гравитационное воздействие, пытающееся собрать Вселенную обратно.

Это великая космическая борьба между расширением и гравитацией. Миллиарды лет наблюдатель не мог быть уверен, какая из них победит.



Победит ли гравитация, из-за чего Вселенная достигнет максимального размера, обратить вспять расширение и реколлапсирует в Большом сжатии?

Победит ли расширение, из-за чего Вселенная будет вечно расширяться, никогда не переставая, отодвигая всё на произвольно большие расстояния друг от друга, и заканчивая Большой заморозкой?

Или же мы будем жить в случае, находящемся как раз на границе первых двух, где лишь один дополнительный атом привёл бы к реколлапсу, где скорость расширения асимптотически стремиться к нулю, но никогда не обращается вспять: критическая Вселенная.



И хотя эти исходы очень сильно различаются, есть у них и общая черта. Взгляните на сегодняшнюю Вселенную, на любую из галактик. Всё, что вы можете видеть – на самой грани видимости – это галактика, чей свет доходит до нас только сейчас, проделав путь через Вселенную.

Одинокий фотон, проведя миллиарды лет в путешествии через разделяющее нас расширяющееся пространство, в итоге попадает нам в глаза. После всего этого времени, проведённого в заплыве против течения, против расширяющейся Вселенной, он догнал нас.



С течением времени, за первые 7,8 миллиардов лет Вселенной, свет от всё большего количества галактик догонял нас.

Почему?

Потому, что расширение Вселенной замедлялось – то есть, несмотря на расширение, и на постоянно удаление галактик от нас, скорость их удаления всё время уменьшалась. В результате, галактики, изначально невидимые нашему глазу из-за слишком дальней дистанции, стали нам видны.



Со временем стало возможным наблюдать всё большую часть Вселенной. Если бы в ней присутствовала только материя и излучение, это продолжалось бы вечно, вне зависимости от исхода, ожидающего нас. Нам было бы доступно больше и больше, замедление продолжалось бы, и вопрос был бы только в том, что случилось бы с расширением. Оно бы:

• достигло нуля, а затем обратилось бы (Большое сжатие);
• уменьшалось, но оставалось положительным, и всё бы разлеталось ещё дальше (Большая заморозка)
• асимптотически стремилось к нулю, но не достигало его (Критический случай)

Но с падением плотности энергии, происходящим по мере расширения Вселенной, стало видно нечто удивительное: у пространства существует присущая ему энергия, новый её тип: тёмная энергия.



Только когда плотность материи и излучения сильно упали – что заняло миллиарды лет – эта тёмная энергия стала заметной, и на то, чтобы изменить историю космоса, у тёмной энергии ушло 7,8 миллиардов лет с Большого взрыва.

Именно в тот момент, когда плотность тёмной энергии стала достаточно большой, чтобы достичь трети всей энергии во Вселенной, вместо замедления, галактики стали с ускорением разлетаться от нас. Это значит, что их скорости не уменьшаются, а увеличиваются!



Свет от галактик, от которых он уже успел дойти, продолжает доходить – ускорение Вселенной этого не изменит. Но нового света от многих галактик мы уже не увидим – только тот свет, что они испустили уже очень давно. Подумайте, почему так.



Удалённая галактика излучает свет в расширяющейся Вселенной. Пространство между нами и этой галактикой продолжает расширяться, но фотон всё ещё летит к нам. Поскольку галактика постоянно испускает свет, он не только достигает нас сейчас – в будущем также будет свет, который до нас дойдёт!

Но подумайте, где эта галактика находится сегодня. Подумайте о расширяющейся, ускоряющейся Вселенной. Подумайте, насколько она велика сегодня.



Эта картинка почти актуальна: диаметр наблюдаемой части Вселенной составляет примерно 92 миллиарда световых лет, и она содержит не менее сотен миллиардов (возможно, триллионы) галактик.

Штука в том, что любая галактика, удалённая от нас больше, чем на 14 миллиардов световых лет, уже не испускает видимый нами свет: расширение пространства между этим объектом и нами происходит так быстро, что испущенный сегодня фотон никогда до нас не доберётся! Подсчитав объём наблюдаемой Вселенной, содержащейся в сфере радиусом 14 миллиардов световых лет, и сравнив его с содержимым сферы с диаметром в 92 миллиарда световых лет, вы обнаружите, что мы связаны лишь с 3% всех галактик: все остальные потеряны навсегда!



Со временем, всё больше галактик и кластеров покинут наш горизонт. Это не значит, что мы перестанем их видеть, это значит, что мы не сможем добраться до них. Если только у нас не будет ультрарелятивистского космического корабля, если только мы не сможем отправить им что-либо со скоростью света.

Но свет, испущенный нами миллиарды лет назад, всё ещё может достигать их. Только вот, точно так же, как и в случае света, доходящего от них до нас:

• количество его ограничено;
• он испытывает очень сильное красное смещение;
• время в нём растянуто, то есть события растянуты во времени;
• его истечение со временем всё меньше.

Чтобы обнаружить эти удалённые галактики, испытывающие красное смещение, нам надо «оставлять затвор открытым» всё дольше.



Если бы не существовало тёмной энергии, не было бы ускорения и исчезающих галактик. Большой взрыв мог бы случиться точно так же, но наша Вселенная сегодня была бы много меньше, галактики были бы ближе, мы бы видели их больше, они бы были не так смещены в красный спектр, и Вселенная расширялась бы не так быстро, а каждая галактика замедлялась бы. Вместо исчезающих примерно по одной за три года галактик, нам бы открывались всё новые!

И хотя ни одна галактика не исчезла из поля зрения полностью, 97% из них исчезли в том смысле, что стали недостижимыми, и что свет, испускаемый ими сегодня, до нас никогда не дойдёт. Их всё ещё видно, но только из-за их старого света.



Вот так работает наша исчезающая Вселенная, и вот что означает, когда галактики исчезают из поля нашего зрения. Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.