Аддаленыя галактыкі, як і тыя, што знаходзяцца ў кластары галактыкі Геракла, не толькі змяняюцца і адыходзяць ад нас, але іх відавочная хуткасць рэцэсіі паскараецца. У рэшце рэшт, праз пэўны момант, мы перастанем атрымліваць ад іх святло. (ІНСТЫТУТ ESO / INAF-VST / OMEGACAM. СПРАВА: OMEGACEN / ASTRO-WISE / KAPTEYN INSTITUTE)

Як мы ўсё яшчэ можам бачыць Сусвет, які знікае?

Калі цёмная энергія прымушае Сусвет знікнуць, як мы ўсё яшчэ можам знайсці і ўбачыць звышдалёкія зоркі і галактыкі?

У 1920-х гадах навукоўцы выявілі, што Сусвет пашыраецца, грунтуючыся на вымярэнні адлегласцей да галактык і наколькі змянілася іх святло. У 1990-я гады мы даведаліся, што Сусвет не проста пашыраецца, але і што далёкія галактыкі рухаюцца да большай адлегласці з паскоранай хуткасцю. Асноўная прычына была ідэнтыфікавана як цёмная энергія, якая прымушае Сусвет знікаць з цягам часу.

Гэта праўда: у назіральнай Сусвеце ёсць каля 2 трлн галактык, і 97% з іх ужо па-за межамі нашай дасяжнасці, нават калі мы пакінулі сёння з хуткасцю святла. Але нават калі мы не можам дасягнуць іх, мы ўсё яшчэ можам іх убачыць. Яшчэ больш дзіўна гэта: новыя, ніколі раней не бачаныя галактыкі адкрываюць нам час, як час ідзе. Мы, магчыма, не зможам дасягнуць знікаючай Сусвету, але мы ўсё яшчэ можам яе ўбачыць. Вось як.

У лагарыфмічным маштабе Сусвет побач знаходзіцца Сонечная сістэма і наша галактыка Млечны Шлях. Але далёка за межамі - усе астатнія галактыкі ў Сусвеце, маштабная касмічная павуцінне і, у рэшце рэшт, імгненна наступныя за самым Вялікім выбухам. Хоць мы і не можам назіраць далей, чым гэты касмічны гарызонт, які зараз знаходзіцца на адлегласці 46,1 мільярда светлавых гадоў, у Сусветнай будучыні з'явіцца яшчэ больш Сусвету. Назіраемая Сусвет змяшчае 2 трыльёны галактык сёння, але з цягам часу ўсё больш Сусвету стане для нас назіральным (WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI)

Згодна з правіламі агульнай адноснасці, нашай тэорыяй гравітацыі, наша Сусвет не можа заставацца статычнай. Калі мы не гатовы выкінуць адну з нашых самых паспяховых фізічных тэорый усіх часоў і народаў, немагчыма, каб наша Сусвет была альбо пашырацца, альбо скарачалася.

Прычына простая: калі ваша Сусвет напоўнена роўнымі колькасцямі матэрыі і энергіі ўсюды і ва ўсіх напрамках - як мы назіраем, як будзе знаходзіцца наш Сусвет - мы можам вылічыць дакладнае рашэнне, як развіваецца гэты касмічны час. У залежнасці толькі ад трох фактараў:

  • якая пачатковая хуткасць пашырэння або скарачэння (уключаючы нуль як магчымасць),
  • колькі агульнай матэрыі і энергіі прысутнічае ў Сусвеце,
  • і якія суадносіны розных відаў энергіі (матэрыі, цёмнай матэрыі, нейтрына, выпраменьванні, цёмнай энергіі і г.д.),

мы можам вызначыць, як ёсць мінулыя, так і будучыя гісторыі Сусвету.

Ілюстрацыя таго, як працуюць чырвоныя змены ў Сусвеце, які пашыраецца. Па меры таго, як галактыка становіцца ўсё больш і больш аддаленай, яе выпраменьванае святло павінна праходзіць большую адлегласць і больш працяглы час праз пашыраецца Сусвет. У Сусвеце, які кіруе цёмнай энергіяй, гэта азначае, што асобныя галактыкі будуць выглядаць паскоранымі ў выніку спаду ад нас, але з'явяцца далёкія галактыкі, свет якіх сёння толькі ўпершыню даходзіць да нас. (LARRY MCNISH RASC CALGARY CENTER, VIA CALGARY.RASC.CA/REDSHIFT.HTM)

За апошнія некалькі дзесяцігоддзяў астраномы змаглі вызначыць, як выглядае Сусвет сёння на экстрагалактычных маштабах. Тое, як галактыкі зліваюцца ў групы, кластары і ніткі, дазволілі нам зразумець маштабную структуру Сусвету. Калі вы ўлічваеце нашыя назіранні за касмічным мікрахвалевым фонам, які забяспечвае насенне структуры, якія выраслі ў галактыкі, якія мы маем сёння, мы атрымаем пераканаўчую карціну ад канца да канца, як усё стала такім, якім яны ёсць сёння.

Калі мы пачнем з пачатку і выступім з часам, мы атрымаем адзіную паслядоўную выснову. Наш Сусвет існуе ўжо 13,8 мільярда гадоў з часу Вялікага выбуху, які складаецца з 68% цёмнай энергіі, 27% цёмнай матэрыі, 4,9% нармальнай матэрыі і 0,1% нейтрына, фатонаў і ўсяго астатняга ў сукупнасці, і ніколі не ўзнікне.

Розныя магчымыя лёсы Сусвету, з нашага сапраўднага, паскаральнага лёсу, паказанага справа. Пастаяннае паскарэнне гарантуе, што кожная галактыка, не гравітацыйна звязаная з нашымі ўласнымі сіламі, у канчатковым выніку адыйдзе ад нас і стане не толькі недаступнай для нас, але і не зможа разглядаць за пэўны момант часу. (НАСА і ЕКА)

Калі б вы ўзяць адну, бліжэйшую галактыку, і спытаеце, як яна будзе выглядаць на працягу ўсяго часу з нашага пункту гледжання, вось што вы ўбачылі. З цягам часу яно перажыве сваю ўнутраную эвалюцыю: прыцягне меншыя спадарожнікавыя галактыкі, паглынаючы і раскулачваючы іх, утвараючы новыя зоркі ў хвалях, калі гэта адбудзецца. Калі ён сутыкнецца з галактыкай аналагічнага памеру, ён стварыць зорны ўзор, вядучы да эліптычнай галактыкі, але выкарыстоўваючы газ, які ўтварае зорку.

Але гэтая галактыка, нават калі яна развіваецца, становіцца ўсё далей і далей, і, магчыма, з часам будзе змяняцца чырвоным змяненнем усё большымі і большымі аб'ёмамі. Калі галактыка дасягае крытычнай адлегласці ад нас - каля 15 мільярдаў светлавых гадоў - яе чырвонае зрушэнне выглядае больш за 1, што сведчыць пра тое, што яна дасягнула вырашальнага месца, пераадольваючы розніцу паміж тым, што ёсць і ў прынцыпе не дасягаецца чымсьці падарожнічае ад нас са хуткасцю святла.

Назіраемы (жоўты, які змяшчае 2 трыльёны галактык) і дасяжны (пурпурны, які змяшчае 66 мільярдаў галактык) частак Сусвету, якімі яны з'яўляюцца дзякуючы пашырэнню прасторы і энергетычных кампанентаў Сусвету. За жоўтым кругам - яшчэ большы (уяўны), які змяшчае 4,7 трлн галактык, максімальную частку Сусвету, якая будзе нам даступная ў далёкай будучыні. (Э. СІГЕЛ, заснаваная на працы карыстальнікаў WIKIMEDIA COMMONS AZCOLVIN 429 AND FRÉDÉRIC MICHEL)

Але калі б вы паглядзелі на адну, вельмі далёкую галактыку, вы ўбачылі б нешта зусім іншае. Калі меркаваць, што галактыка бачная сёння, вы маглі б убачыць яе так, як гэта было ў далёкім мінулым: у той час, калі святло ўпершы выпраменьвалася, і цягнулася пасля шматмільярднага падарожжа па шляху пашырэння Сусвету. Святло б моцна змянілася - каб удвая перавысіць яго першапачатковую даўжыню хвалі - і вы ўбачылі б галактыку такой, якой яна была, калі яна была значна маладзейшай і менш эвалюцыянавала, чым галактыкі, якія мы бачым сёння, 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху.

Ішоў час, калі вы пераправілі гадзіннік на мільярды гадоў, вы ўбачылі б святло гэтай галактыкі:

  • пачырванець,
  • атрымаць слабее,
  • паказваюць, што ён быў на большых і вялікіх адлегласцях,
  • дасягнуць мяжы, наколькі гэта будзе паказваць колькасць галактычнага старэння.

Нават калі б вы назіралі за гэтым дзясяткі ці сотні мільярдаў гадоў, ён ніколі не развіваўся да таго ж, што і наш. Як мы бачым, яго ўзрост ніколі не дасягнуў 13,8 мільярда гадоў.

Хоць у Глыбокім полі eXtreme ёсць узмацненыя, ультрадалёкія, вельмі чырвоныя і нават інфрачырвоныя галактыкі, ёсць яшчэ галактыкі, якія там яшчэ больш далёкія, чым тое, што мы выявілі ў нашых самых глыбокіх сучасных відах. Гэтыя галактыкі будуць заўсёды заставацца бачнымі для нас, але мы ніколі не ўбачым іх такімі, як яны сёння: 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху (NASA, ESA, R. BOUWENS і G. ILLINGWORTH (UC, SANTA CRUZ))

На самай справе, мы нават можам падумаць пра тое, што вы ўбачылі, калі б вы паглядзелі на галактыку, святло якой яшчэ не прыйшло да нас. Самы далёкі аб'ект, які мы бачым, праз 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, знаходзіцца ў нас на адлегласці 46 мільярдаў светлавых гадоў. Але любы аб'ект, які знаходзіцца ў нас на працягу 61 мільярда светлавых гадоў, калі-небудзь атрымае гэтае святло да нас.

Гэта святло ўжо выпраменьвалася і ўжо на шляху да нас. На самай справе, гэта святло ўжо ідзе па большай частцы шляху; гэта бліжэй, чым 15-мільярдны светлавы год ад таго, што мы маглі б дасягнуць, калі б пакінуць яго хуткасцю святла. Нягледзячы на ​​тое, што Сусвет пашыраецца, і хоць пашырэнне паскараецца, гэтае падарожжае святло калі-небудзь прыйдзе ў нашы вочы, даючы нам у далёкай будучыні магчымасць убачыць яшчэ больш галактык, чым мы можам сёння.

Нашы самыя глыбокія галактычныя абследавання могуць выявіць аб'екты за дзесяткі мільярдаў светлавых гадоў, але ёсць усё больш галактык у назіральнай Сусвеце, якую нам яшчэ трэба будзе раскрыць. Самае цікавае, што сёння яшчэ не бачныя часткі Сусвету, якія калі-небудзь стануць назіральнымі для нас. (СЛОАН ДЫГІТАЛЬНЫЯ НЕБЫ АБАРЕЖЫ (SDSS))

У прынцыпе, у нашым Сусвеце, які зараз можна назіраць, 2 мільярды галактык, у вельмі далёкай будучыні іх колькасць павялічыцца да 4,7 трлн.

Але мы проста сказалі, што Сусвет знікае. Якім чынам гэта магчыма, што не толькі мы ўсё яшчэ можам убачыць знікаючую Сусвет, але і зможам убачыць яшчэ больш яе ў часе?

Гэта патрабуе ад нас вельмі глыбокага роздуму пра тое, што мы маем на ўвазе, калі гаворым пра далёкую галактыку, якая знікае, калі гаворка ідзе пра цёмную энергію. Каб разгледзець рэчы ў перспектыве, уявім, што мы маглі б убачыць у Сусвеце, які быў створаны з 100% матэрыі: Сусвету без цёмнай энергіі. Калі б гэта было так, дыстанцыйная галактыка не паскаралася б ад нас з цягам часу, але паступова зніжалася хуткасць рэцэсіі да меншых і меншых значэнняў з цягам часу.

З нашага пункту гледжання Сусвет, які можна назіраць, можа мець 46 мільярдаў светлавых гадоў ва ўсіх напрамках, але, безумоўна, ёсць і больш, не назіраецца, магчыма, нават бясконцая колькасць, як і наша. З цягам часу мы зможам убачыць больш гэтага, з часам выявім прыблізна ў 2,3 разы больш галактык, чым мы можам цяпер іх бачыць. У Сусвеце без цёмнай энергіі мы ў канчатковым выніку зможам убачыць іх усіх, але гэта не наш Сусвет. (FRÉDÉRIC MICHEL AND ANDREW Z. COLVIN, АНОВАЦЫІ Э. СІГЕЛ)

Гэта азначае, што з узростам Сусвету любы бачны нам аб'ект з часам будзе змяншаць чырвонае зрушэнне. Па меры таго, як гадзіннік прасоўваецца наперад, зноў выпраменьванае святло будзе падарожнічаць па Сусвету і ў канчатковым выніку даходзіць да нашых вачэй; па меры старэння далёкая галактыка будзе старэць, без межаў зроку. На самай справе, у Сусвеце без цёмнай энергіі - у запавольвальнай Сусвеце - няма мяжы колькасці галактык, якія мы можам бачыць, альбо ўзросту гэтых галактык. Пакуль існуе наша Сусвет, з'явяцца новыя гарызонты, межы і эпохі.

У запавольвальнай Сусвеце няма абмежавальнага касмічнага гарызонту. Не існуе такой аддаленай галактыкі, што мы не можам прадбачыць яе святло, якое паступае праз адвольна працяглы час. І як толькі гэтае святло трапіць да нас упершыню, усё святло, выпраменьванае пасля гэтага, таксама ў рэшце рэшт прыйдзе ў нашы вочы.

Адноснае значэнне розных кампанентаў энергіі ў Сусвеце ў розныя перыяды мінулага. Звярніце ўвагу, што, калі цёмная энергія ў будучыні дасягне лічбы, блізкай да 100%, шчыльнасць энергіі Сусвету (і, такім чынам, хуткасць пашырэння) будзе заставацца пастаяннай адвольна далёка наперад у часе. З-за цёмнай энергіі аддаленыя галактыкі ўжо паскараюцца, відавочна, з хуткасцю рэцэсіі, і з таго часу, як шчыльнасць цёмнай энергіі склала палову агульнай шчыльнасці матэрыі 6 мільярдаў гадоў таму. (Э. SIEGEL)

Але наша Сусвет не запавольвае і не мае цёмнай энергіі. У нас ёсць цёмная энергія, якая ўсталёўвае маштаб адлегласці і графік паскарэння, і паведамляе нам пра тое, дзе знаходзіцца гэты касмічны гарызонт. З яго прысутнасці і назіранняў, якія мы выкарыстоўваем, каб зрабіць выснову пра яго існаванне, мы даведаемся пра размешчаную галактыку:

  • бліжэй чым 15 мільярдаў светлавых гадоў: мы калі-небудзь пабачым яго такім, як сёння: 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, і мы маглі б дасягнуць гэтага, калі адправімся да яго з хуткасцю святла.
  • ад 15 да 46 мільярдаў светлавых гадоў: мы заўсёды будзем бачыць гэта, але яго ўзрост будзе здавацца асімптамам да канчатковага значэння, меншага за 13,8 мільярда гадоў, і мы ніколі не можам дасягнуць гэтага, нават калі мы пакінем сёння з хуткасцю святло.
  • ад 46 да 61 мільярда светлавых гадоў: мы яшчэ не можам бачыць яго сёння, але мы ўбачым яго калі-небудзь у далёкай будучыні і назаўсёды пасля гэтага, і ён ніколі не з'явіцца нават такім старым, як самыя раннія галактыкі, якія сёння бачныя сёння. Мы таксама ніколі не можам дасягнуць гэтага.
  • больш за 61 мільярд светлавых гадоў ад нас: мы ніколі яго не ўбачым і не дасягнем, і хто-небудзь з нас ніколі не можа ўбачыць і не дасягнуць нас.
Уся наша касмічная гісторыя тэарэтычна добра вывучана, але толькі таму, што мы разумеем тэорыю гравітацыі, якая ляжыць у яе аснове, і таму, што мы ведаем пра хуткасць пашырэння Сусвету і склад энергіі. Святло заўсёды будзе распаўсюджвацца праз гэтую пашыраецца Сусвет, і мы будзем працягваць атрымліваць гэтае святло адвольна далёка ў будучыню, але яно будзе абмежавана ў часе да таго, што дасягае нас. Нам трэба будзе прааналізаваць слабыя яркасці і вялікія даўжыні хваль, каб па-ранейшаму бачыць аб'екты, якія цяпер бачныя, але гэта тэхналагічныя, а не фізічныя абмежаванні. (NICOLE RAGER FULLER / НАЦЫЯНАЛЬНАЯ ФАНДАЦЫЯ НАВУКІ)

Прычына, па якой мы бачым гэтыя звышдалёкія галактыкі, заключаецца ў тым, што яны былі калісьці надзвычай блізкімі да нас і выпраменьвалі святло ў вельмі ранні час, які быў накіраваны на наш шлях, калі Сусвет была значна маладзейшай і меншай. Нават калі Сусвет пашыраецца, і хоць пашырэнне паскараецца, гэтыя фатоны, выпраменьваныя ўсе гэтыя мільярды гадоў таму, з часам пачнуць трапляць у нашы вочы. Больш за тое, святло, выпраменьванае з таго часу, будзе працягваць паступаць сюды, нават калі святло, выпраменьванае ў наш час, занадта далёкае, каб ніколі да нас дайсці.

Будуць праблемы з назіраннем, бо з часам будзе менш фатонаў, а самі фатоны будуць чырванець і несці менш энергіі. Але калі мы будуем вялікія і больш адчувальныя тэлескопы ў правільным дыяпазоне даўжыні хвалі, мы павінны мець магчымасць бачыць паступова ўсё больш галактык з цягам часу - да максімум 4,7 трлн, усяго - нават у знікаючай сусвеце з цёмнай энергіяй .

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".