Коли ми дивимося в космос, ми дивимось не лише на те, що далеко, — ми дивимось на те, що існувало в минулому. Наприклад, Сонце знаходиться на відстані приблизно 150 мільйонів кілометрів, і світлу потрібно близько 8 хвилин, щоб дістатися Землі. Таким чином, коли ми сідаємо вранці з бутербродом і першою чашкою кави за день і дивимося на сонце, ми бачимо його не таким, яким воно є зараз, а таким, яким воно було, коли ми лише відкривали холодильник.
Час і простір нерозривно переплітаються, коли ми говоримо про космічні відстані. Це особливо актуально для великомасштабних структур Всесвіту. У нас навіть є спеціальна шкала відстаней — світловий рік, тобто відстань, яку світло проходить за один земний рік. Говорячи більш звичними термінами, світловий рік становить дев'ять з половиною трильйонів кілометрів. Ми використовуємо цю одиницю тому, що ніщо у Всесвіті не поширюється швидше за світло, що вкрай зручно для вимірювання космічних масштабів.
Як науковці визначили вік Всесвіту?
Ми можемо визначити вік Всесвіту певною мірою, аналізуючи світло та інші типи випромінювання, що поширюються з далекого космосу. Проте вчені досі продовжують уточнювати цю цифру в міру підвищення потужності телескопів.
У 1920-х роках астроном Едвін Хаббл виявив залежність між відстанню до об’єкта (на основі часу, який потрібен його світлу, щоб досягти Землі) та швидкістю, з якою він віддаляється від нас. Цю швидкість визначили за тим, наскільки світло віддалених галактик змістилося в червоний бік — тобто перемістилося до низькоенергетичного кінця електромагнітного спектра.
Ця метрика, відома сьогодні як постійна Хаббла, описує розширення Всесвіту. За даними NASA, постійна Хаббла є вищою для об’єктів, які знаходяться далі, що свідчить про прискорене розширення простору. Через це точний вік Всесвіту довести складніше.
Наразі вік Всесвіту оцінюється приблизно у 13,8 мільярда років. Цю цифру остаточно підтвердили у 2020 році після переоцінки даних космічного апарата «Планк» (Європейське космічне агентство) та аналізу даних космологічного телескопа Атакама (ACT) в Чилі. Нова оцінка виявилася приблизно на 100 мільйонів років більшою за попередню, отриману у 2013 році.
Реліктове випромінювання: фотографія народження космосу
І космічний корабель «Планк», і телескоп ACT склали детальну карту космічного мікрохвильового фону (CMB), який є залишковим світлом від Великого вибуху. Об’єднавши ці дані з моделями появи різних типів матерії, вчені змогли оцінити, як давно відбулося вибухове народження нашого світу.
Вчені вважають, що світло від CMB виникло через 400000 років після Великого вибуху. Всесвіт починався як палаюча плазма, в якій фотони були «заперті» через постійну взаємодію з вільними електронами. Зрештою простір охолонув достатньо для того, щоб електрони об'єдналися з протонами в атоми водню. Фотони звільнилися, залишили плазму і розсіялися по всьому простору, утворивши CMB. Вимірюючи, яку відстань подолало це розсіяне світло, вчені вираховують вік Всесвіту.
«Чим більшу відстань до поверхні останнього розсіювання фотонів ми вимірюємо, тим старшим є Всесвіт, оскільки реліктовому випромінюванню довелося подолати довший шлях, щоб дістатися до нас», — пояснює Стів Чой, докторант астрономії та астрофізики Корнельського університету.
Для отримання точної оцінки у 13,8 мільярда років Сімон Айола з Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрона в Нью-Йорку очолив групу, яка повторно дослідила CMB за допомогою телескопа Атакама. Хоча карти ACT охоплювали менший регіон, ніж дані місії «Планк», їхня підвищена роздільна здатність дозволила провести значно точніші вимірювання дрібних флуктуацій та нерегулярностей раннього Всесвіту. Незалежне дослідження під керівництвом Стіва Чоя, опубліковане в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics у 2020 році, повністю підтвердило цей результат.
Чи може Всесвіт бути ще старшим? Можливо. У міру розвитку технологій телескопи заглядають усе далі в минуле, і майбутні відкриття можуть змінити поточні космологічні моделі. Проте сьогодні офіційною науковою константою залишаються 13,8 млрд років.
Наскільки великий видимий Всесвіт?
Логічно припустити: якщо Всесвіт виник 13,8 мільярдів років тому і світло рухається з кінцевою швидкістю, то радіус нашої сфери спостереження має дорівнювати саме 13,8 мільярдів світлових років.
Але ця логіка абсолютно хибна.
Таке припущення працювало б лише у статичному Всесвіті, де відстані між об'єктами не змінюються. Проте наш Всесвіт динамічно розширюється, причому на початкових етапах цей процес відбувався надзвичайно швидко.
Згадаймо момент випромінювання реліктового фону. Тоді простір був щільним і гарячим. Навколо точки, де зараз розташована Земля, існувала сфера, яка й стала джерелом тих фотонів CMB, що ми фіксуємо сьогодні. Коли це світло тільки почало свій рух, радіус цієї сфери становив усього 42 мільйони світлових років.
Світло летіло до нас 13,8 мільярда років тому, що простір між початковою сферою та Землею безперервно розширювався. Фотонам доводилося долати відстань, яка постійно збільшувалася — це схоже на біг по рухомій біговій доріжці, яка розтягується під ногами.
Вплив темної енергії та ефект «втікаючих» зір
Якби розширення було рівномірним, за найпростішими розрахунками ця початкова сфера зараз перебувала б на відстані близько 41 мільярда світлових років. Але приблизно 5 мільярдів років тому у Всесвіті почала домінувати темна енергія — таємнича сила, що діє як антигравітація. Через неї розширення космосу почало прискорюватися.
Врахувавши фактор прискорення під дією темної енергії, вчені вирахували реальний сучасний радіус сфери, з якої було випущено реліктове випромінювання. Він становить 46 мільярдів світлових років (а загальний діаметр видимого Всесвіту — близько 93 мільярдів світлових років).
Конкретизуємо:
Офіційний вік - 13,8 млрд років
Радіус у момент випромінювання CMB - ~42 млн світлових років
Сучасний радіус видимого Всесвіту - ~46 млрд світлових років
Радіус сфери незворотного віддалення - ~15 млрд світлових років
Ми бачимо світло з кордону спостереження таким, яким воно було невдовзі після Великого вибуху. За цей час у тій віддаленій області простору також встигли сформуватися зорі та галактики. Проте ми ніколи не побачимо їх у їхньому сучасному стані. Через прискорене розширення простору вони віддаляються від нас зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.
Сьогодні навколо Землі існує уявна межа радіусом близько 15 мільярдів світлових років. Об’єкти, які зараз перебувають за межами цієї сфери, ми вже ніколи не зможемо побачити такими, якими вони є в поточний момент часу, скільки б не чекали. Фотони, які вони випускають просто зараз, ніколи не подолають простір, що розширюється із надсвітловою швидкістю.
Це призводить до вражаючого висновку: через розширення Всесвіту ми щомиті втрачаємо зв'язок із космосом. Розрахунки показують, що з нашого горизонту подій назавжди зникає близько 20,000 зірок за секунду. Світло, яке вони випромінюють сьогодні, вже ніколи не досягне Землі.
У далекому майбутньому розширення космосу призведе до того, що всі галактики за межами нашої Локальної групи (куди входять Чумацький Шлях, Андромеда та кілька десятків карликових супутників) зникнуть із неба. Майбутні астрономи побачать лише порожнечу навколо своєї галактики. Нам пощастило жити в епоху, коли радіус видимого Всесвіту у 46 мільярдів світлових років ще відкритий для наших телескопів, дозволяючи вивчати історію космосу від самого його народження.