Как става така, че размерът на Вселената е по-голям отколкото позволява нейната възраст?

Ние знаем, че възрастта на Вселената е 13,8 милиарда години, но размерът на наблюдаваната с нашите телескопи Вселена е 46 милиарда светлинни години. Как е възможно това?

"Природата изисква да не се превишава скоростта на светлината. Всичко останало е опционално" - Робърт Бролт.

Едно от най-удивителните открития през последните няколко години бе осъществено благодарение изучаването на огромните спирални мъглявини, разпръснати в нощното небе.

Бързо разбрахме, че тези обекти са галактики, които приличат на нашия Млечен път и се намират на хиляди светлинни години от нас. Освен това, повечето от тях се  отдалечават от нас. И което е още по-интересно - колкото е по-далече от нас една галактика, толкова по-бързо се отдалечава от нас. Само след няколко години бяха разкрити механизмите и закона на това интересно явление.

Със закона проблеми няма: измерва се скоростта на движение на галактиката чрез нейното спектрално отместване, като разстоянието до нея се изчислява с помощта на различни методи, включително сравняването с обикновена светлина, която няма никакво спектрално отместване. В крайна сметка, въпреки че има известна погрешност, по този начин се получава вярна информация за отдалечаването на галактиките и за тяхната скорост на отдалечаване. Взаимовръзката между тези два параметъра е известна като Закона на Хъбъл и той определя по какъв начин отдалечените галактики се движат спрямо нас.

Но механизмът на това явление е много по-интересен.

Съвсем логично е да се предположи, че причината за това наблюдавано от всички астрономи явление е, че по-отдалечените обекти се отдалечават по-бързо в резултат на някакъв взрив в далечното минало. Ако това наистина е така, то галактиките, които са получили по-малка част от началната енергия на взрива биха били по-близо една до друга и биха се разлетявали по-бавно една от друга. А галактиките, които са по-отдалечени от нас би трябвало да са получили много по-голяма енергия, за да могат да се отдалечават с толкова голяма скорост.

Но ако това бе наистина така, то ние би трябвало да се намираме много близо до центъра на този взрив и плътността на галактиките близо до нас би трябвало да е много по-голяма в сравнение с плътността на галактиките, които са много отдалечени от нас. В този случай пространството би било статично - нещо като фиксирана триизмерна решетка. Но това не е единствената възможност.

Напълно е възможно, че вместо статичната Вселена да е взела необходимата енергия в началото на Големия взрив, всъщност тя да се подчинява на едно от мощните правила на общата Теория на относителността, и именно благодарение на това да се разширява! Вместо всичко да започне благодарение на катастрофален взрив, тъканта на космоса би могла да се разширява с времето пропорционално на количеството съдържаща се в нея енергия.

В този случай броят на галактиките би трябвало да е средно еднакъв за еднакви обеми пространство, а скоростта на разширение трябва да се увеличава по ясна и предсказуема зависимост от разстоянието. Според тази идея, в миналото Вселената би трябвало да е била много по-гореща и натрупването на галактиките би трябвало да сформира структура подобна на паяжина, в която всички региони на космоса изглеждат приблизително еднакво при големи обеми и мащаби на пространството.

В случая с първия вариант -  с Големия взрив и статичното пространство, както и с крайната възраст на Вселената, ние бихме могли да виждаме космическите обекти на разстояние не по-голямо от нейната възраст. В една хипотетична статична Вселена на възраст от 5 години ние бихме могли да виждаме светлината пристигнала от обектите, които се намират на не по-далече от пет светлинни години от нас. В една статична Вселена на възраст от 13,8 милиарда години ние бихме виждали светлината пристигнала от обекти разположени не по-далече от 13,8 милиарда светлинни години от нас.

Но всички наши астрономични наблюдения опровергават тази възможност и ни подтикват към идеята за разширяващото се пространство, в което наличната енергия във Вселената определя скоростта на разширението и следователно, и колко по-далече от нас се намират космическите обекти.

По-малко интуитивно е разбирането, че в разширяващата се Вселена ние можем да виждаме по-далече, отколкото определя нейната възраст! Всъщност това е задължително! Погледнете по-горното изображение, в което няколко галактични купове се отдалечават един от друг заради разширяващата се Вселена. Представете си, че ние се намираме в централния куп и наблюдаваме галактичните купове в долния ляв ъгъл.

Когато галактичният куп в долния ляв ъгъл излъчи светлина, то този куп се намира на разстояние от 87 светлинни години от нас. Тази светлина започва своя път към нас, но в същото време Вселената се разширява. Тоест, пространството между този галактичен куп и нас се увеличава подобно на печащ се във фурната къс тесто, който след време ще се превърне в хляб. Светлината продължава да се приближава към нас, но с увеличението на разстоянието тя ще измине повече от 87 светлинни години, за да достигне до нас. Но когато светлината пристигне до нашите телескопи, този галактичен куп вече ще се намира на 173 светлинни години от нас.

Ключовият въпрос е какво всъщност разстояние е изминала светлината? Отговорът е: повече от 87 светлинни години, но по-малко от 173 светлинни години!

Нека да приложим този принцип към цялата Вселена.

Преди 13,8 милиарда години Вселената е била нереално гореща и плътна и е била запълнена с мощни и разнообразни източници на енергия. Това са излъчване (фотони), материя (протони, неутрони, електрони) и характерната за пространство енергия, която днес наричаме тъмна енергия. Ако разширяващата се Вселена бе запълнена само с един от тези три типа енергия и вие бихте задали въпроса колко далече се намира даден обект, светлината от който току-що е пристигнала при нас, то ще получите три различни отговора. Защо?

Защото плътността на енергията във всеки един момент от историята определя историята на разширяване на Вселената и излъчването, материята и тъмната енергия еволюират по различен начин! И ето какво всъщност ще се получи при нашата Вселена на възраст 13,8 милиарда години:

• Ако Вселената бе запълнена единствено с излъчване, обектът, светлината на който току-що е пристигнала до нас след пътешествие от 13,8 милиарда години, би се намирал на разстояние 27,6 милиарда години от нас.
• Ако Вселената бе запълнена само с материя, обектът, чиято светлина току-що е пристигнала при нас след като е изминала 13,8 милиарда светлинни години, би се намирал на разстояние 41,4 милиарда светлинни години от нас.
• Ако Вселената бе запълнена само с тъмна енергия, до нас въобще не би пристигнала никаква светлина, понеже разширението на Вселената би било експоненциално и след изтичането на това време ние просто няма как да видим каквото и да било, понеже светлината няма да може да пристигне до нас.

Но нито един от тези примери не съответства на реалната Вселена, в която тези енергии са смесени и тази смес се променя с течение на времето.

В съвсем ранните стадии на развитието на Вселената -  през първите няколко хиляди години, е доминирало излъчването предимно във вид на фотони и неутрино. След това е протекъл фазов преход и материята (нормалната и тъмната) е станала преобладаващ компонент в продължение на милиарди години. И съвсем наскоро, малко след формирането на Слънчевата система и Земята, тъмната енергия започва да доминира. Понеже тъмната енергия никога не е била и няма да бъде единственият източник на енергия във Вселената, ние никога няма да се окажем в ситуация, при която светлината няма да пристигне до нас. Но тъмната енергия е достатъчна, за да се изместят границите на Вселената по-далече в сравнение с варианта, при който има само енергия: до 46,1 милиарда светлинни години.

Това изобщо не е интуитивно, но трябва да помним, че преди 13,8 милиарда години цялата наблюдавана Вселена е била по-малка, отколкото е днес нашата Слънчева система!

Разширяването на Вселената е започнало много бързо и с времето е започнало да се забавя. То продължава да се забавя, но асимптотично се стреми не към нулата, а към една крайна, макар и голяма величина. Това означава, че светлината от много отдалечен от нас космически обект, който се е отдалечил от нас на 40 милиарда светлинни години, днес може да пристигне до нас, като извърши пътешествие във Вселената, сравнимо с нейната цяла история на съществуване.

И когато тази светлина пристигне до нас, ние ще видим светлината, излъчена по времето, когато Вселената е била съвсем млада.

https://youtu.be/3OiSoptcEDs

Всичко това научаваме благодарение на червеното спектрално отместване, което ни дава възможност да определим възрастта и разстоянието до отдалечаващите се от нас галактики и други космически обекти.

Ето защо в нашата Вселена на възраст 13,8 милиарда години е възможно наблюдението на видими обекти, които се намират на разстояние 46 милиарда светлинни години от нас!