Какво е космическият хоризонт?

Обичайният визуален хоризонт, поради сферичността на нашата планета, е статичен и не зависи от времето на наблюдение (в допълнение, на километрови разстояния крайността на скоростта на светлината не се взема предвид). Но приложена към Вселената, понятието хоризонт губи предишната си простота. Космическото пространство не е двумерно, като релефа на земята, а триизмерно, освен това Вселената се разширява освен това с променлива скорост. Освен това, по отношение на космическите везни, е необходимо да се помни крайността на скоростта на светлината.

Два хоризонта

Концепцията за космологичен хоризонт е въведена в науката в началото на 50-те години на миналия век във връзка с развитието на теорията за гореща Вселена. И през 1956 г. главният специалист по обща относителност Волфганг Риндлер от университета Корнел изяснява и разширява тази концепция в статията „Визуални хоризонти в световни модели“. Риндлър предложи различно третиране на космически обекти с дълго съществуване, като звезди и галактики с техните разширени световни линии (криви в пространството-време, описващи движението на тяло), и краткосрочни ефекти, като например експлозии на свръхнови, които съответстват на малки фрагменти от такива линии, а в лимита - само точки. Правилно да се опише наблюдението на обекти от двата типа е възможно само с помощта на различни хоризонти.

Риндлер нарече границата между наблюдаваните и незабележими световни линии хоризонта на частиците, а подобната граница между точките на тези линии хоризонтът на събитията.

Според стандартния космологичен модел живеем в хомогенна изотропна вселена. От това следва, че хоризонтът на частиците е сферична повърхност, в центъра на която е наблюдател. Вътрешността на сферата е изпълнена с дълголетни космически обекти (да речем, галактики), чиято светлина, излъчвана в миналото, идва при наблюдателя. От външната страна на тази сфера са разположени галактики, които наблюдателят не може да види на нито един етап от своята история, предхождащ момента на наблюдение. По този начин хоризонтът на частиците отрязва наблюдаваната зона на Вселената от незабележимата, тоест по същество не е твърде различен от географския хоризонт.

Зашеметяващ образ на галактиката на 15 милиона светлинни години от нас

Но хоризонтът на събитията не е толкова очевиден: той разделя събитията, които наблюдателят може да види по едно или друго време в собственото си бъдеще, от събития, които никога не му е било дадено да вижда. В някои космологични модели присъстват и два хоризонта, в някои - само един, а в някои хоризонти изобщо.

Статичен свят

За простота помислете за хоризонтите на безграничната статична вселена. В Нютонов свят с безкрайна светлинна скорост (и съответно абсолютно време), която няма начало или край във времето, тоест съществува завинаги, наблюдателят, където и да е, винаги може да види всички звезди без нито едно изключение. Следователно в такъв свят няма хоризонт от частици, няма хоризонт на събитията (всъщност самите събития няма!) - той е два пъти без хоризонт.

Сега да предположим, че свръхновите понякога избухват в галактики. Ако скоростта на светлината е безгранична, тези светкавици моментално достигат до наблюдателя, така че все още се осъществява двойна хоризонталност. Въпреки това, той остава с ограничена скорост на светлината!

Всъщност нека да кажем, че някаква галактика за кратко увеличи яркостта си поради експлозия на свръхнова. Във вечната и статична вселена светлината на тази светкавица рано или късно ще дойде при всеки наблюдател. От това следва, че в този свят няма сигнали, които наблюдателят никога не може да види, и следователно няма хоризонт на събитията (разбира се, все още няма хоризонт на частиците).

На следващо място, помислете за хипотетична статична вселена с начало във времето. В такъв свят хоризонтът на частиците е сфера, разширяваща се със скоростта на светлината. Ако наблюдател се появи в някоя от галактиките 5 милиарда години след създаването на този свят, хоризонтът му от частици ще се окаже сфера с радиус 5 милиарда светлинни години. В още един милиард години радиусът ще бъде 6 милиарда светлинни години, през 2 милиарда - 7 милиарда. Този свят остава непроменен, но наблюдаваната му част непрекъснато се разширява.

И накрая, да предположим, че нашата въображаема статична вселена няма начало, а край, където всички световни линии се откъсват, включително линията на наблюдателя. Той все още вижда всички галактики, така че в този свят няма хоризонт на частиците. Сега обаче наблюдателят може да забележи само част от промените в сиянието на тези галактики. Той ще види светкавица на свръхнова експлозия в галактика на 10 милиона светлинни години, отдалечена от нея, ако експлозията е станала 11 милиона години преди края на света. Но ако свръхновата избухне 9 милиона години преди този тъжен край, наблюдателят дори в последния момент от съществуването си няма да знае за това - той просто няма да има време. Следователно в такъв свят има хоризонт на събитията.

Колкото и да е примитивен моделът на статична вселена, той ви позволява да разберете основните характеристики на двата хоризонта. Отвъд хоризонта на частиците лежат световни линии, които в момента не могат да бъдат наблюдавани в нито един от предишните им фрагменти. А отвъд хоризонта на събитията има събития, които наблюдателят не е в състояние да види за цялото време на своето съществуване.

По-близо до реалността

Нашата Вселена, както знаете, в никакъв случай не е статична - тя се разширява и през последните пет до шест милиарда години, дори и с ускорение (смята се, че е генерирана от ненулева енергия на физическия вакуум, получила не особено успешно, но ефективно име - тъмна енергия). Освен това той има плоска геометрия, тъй като общата плътност на неговата енергия е равна на критичната стойност, при която кривината на космическото пространство изчезва. Ако това равенство се случи при липса на тъмна енергия, миналото, настоящето и последващата динамика на Вселената (с изключение на най-ранния й етап) щеше да съответства на модела на Айнщайн-де Ситер ("ПМ" № 6'2012).

Според закона на Хъбъл, радиалните скорости на далечните галактики са пропорционални на разстоянието им с коефициент, наречен параметър Хъбъл H (зависи от възрастта на Вселената и се обозначава с H0 в настоящата ера). Следователно, на определено разстояние, равно на c / H, скоростта на галактическата рецесия става равна на скоростта на светлината. Това разстояние се нарича разстоянието на Хъбъл (или радиусът на сферата на Хъбъл), а в нашата ера е приблизително равно на 14 милиарда светлинни години. В сравнение с центъра на сферата скоростта на разширяване на пространството вътре е по-малка от светлината, а извън нея - повече.

Много е важно радиусът на сферата на Хъбъл в общия случай изобщо да не е равен на радиуса на наблюдаваната част на Вселената, който по дефиниция е радиусът на хоризонта на частиците. Това е представено графично в горния пример на статична вселена с едновременно разгарящи се галактики. Тъй като там параметърът Хъбъл е нула, радиусът на Хъбъл е безкраен. Но радиусът на хоризонта на частиците е пропорционален на епохата на Вселената и е ограничен за всеки краен период от живота си.

Помислете за проблясъци на свръхнови, които едновременно избухнаха в две различни галактики. Нека една от галактиките да бъде разположена вътре в сферата на Хъбъл на наблюдателя, а втората извън нея. Наблюдателят ще види първата светкавица, а не ще види втората, защото разширяващото се пространство „носи“ със себе си своите фотони със скорост, по-голяма от светлината. В самата сфера на Хъбъл квантата на светлината се замразява в един вид пространство, което се разширява там със светлинна скорост и следователно тя се превръща в друг хоризонт - хоризонтът на фотоните.

Ако разширяването на Вселената се забави, радиусът на сферата на Хъбъл се увеличава, тъй като е обратно пропорционален на намаляващия параметър на Хъбъл. В този случай, с напредването на Вселената, тази сфера обхваща все повече и повече нови области на космоса и се пуска във все повече и повече светлинни кванти. С течение на времето наблюдателят ще види галактики и вътрегалактични събития, които преди са били извън неговия фотонен хоризонт. Ако разширяването на Вселената се ускори, радиусът на сферата на Хъбъл, напротив, намалява.

Специфичната скорост на разширяване на сферата на Хъбъл зависи от детайлите на еволюцията на Вселената. Например в света на Айнщайн - де Ситер, тя е равна на светлинна скорост и половина. Тъй като пространството в сферата на Хъбъл набъбва със светлинна скорост, разликата между скоростта на разширяване на фотонния хоризонт и разширяването на пространството е равна на половината от скоростта на светлината. В същото време хоризонтът на частиците във Вселената Айнщайн-де Ситер се разширява два пъти по-бързо от фотонния хоризонт (следователно със скорост, равна на три светлини).

От поглед

Поради ограничеността на скоростта на светлината наблюдателят вижда небесни обекти, каквито са били в повече или по-малко далечно минало. Отвъд хоризонта на частиците се намират галактики, които в момента не се наблюдават на нито един етап от предишната им еволюция. Това означава, че техните световни линии в пространство-време не пресичат повърхността, по която светлината се разпространява към наблюдателя от момента, в който се роди Вселената (нарича се ретрограден светлинен конус). В хоризонта на частиците има галактики, чиито световни линии в миналото се пресичат с тази повърхност. Именно тези галактики съставляват частта на Вселената по принцип достъпна за наблюдение в даден момент от време.

Ретроградният светлинен конус на всеки наблюдател във Вселената, разширяващ се след Големия взрив, се сближава върху тази първоначална сингулярност и покрива крайния обем. От това следва още веднъж, че наблюдателят може да види само последната част от своя свят.

По този начин не ни е дадено да знаем каква е Вселената извън текущия хоризонт на частиците. Някои теории от ранната Вселена твърдят, че много далеч отвъд този хоризонт изобщо не прилича на това, което виждаме. Тази теза е доста научна, тъй като следва от съвсем разумни изчисления, но не може нито да бъде опровергана, нито потвърдена, като се използват астрономически наблюдения, налични в наше време. Освен това, ако пространството продължава да се разширява с ускорение, няма да е възможно да го провери в произволно далечно бъдеще.

В статична вселена с неподвижно начало радиусът на хоризонта на частиците е произведение на неговата възраст и скоростта на светлината. В нашата Вселена е много по-голям, защото разширяващото се пространство носи със себе си леки кванти. За да се определи този радиус, са необходими познания за цялата динамика на Вселената, включително във фазата на инфлация, която науката все още няма. Според съвременните данни мащабният фактор на Вселената по време на инфлация се е увеличил поне 1027 пъти, но тази оценка може да бъде значително подценена (стандартният космологичен модел изобщо не описва фазата на инфлацията и отчита възрастта на Вселената от нейното завършване).

В света на Айнщайн-де Ситер радиусът на хоризонта на частиците е равен на два пъти по-голям от радиуса на сферата на Хъбъл, което от своя страна е един и половина повече от произведението на епохата на този свят и скоростта на светлината. Лесно е да се изчисли, че в съответствие с този модел настоящият радиус на хоризонта на частиците (и съответно радиусът на космическия регион, наблюдаван от Земята) е около 41 милиарда светлинни години, или 13 гигапарсека. Тъй като Вселената в ерата на доминиране на тъмната енергия стигна до ускорено разширяване, радиусът на нейния хоризонт от частици трябва да бъде малко по-голям. Въпреки това, като се вземе предвид тъмната енергия дава доста близка стойност - 14 gigapersec.

Струва си да припомним, че нашите телескопи не могат да надникнат в ерата, когато космическото пространство е било изпълнено с плазма и не съдържало свободни фотони. Той приключи 380 000 години след Големия взрив. Тогава Вселената се развива почти точно според модела на Айнщайн-де Ситер и продължава да прави това в продължение на поне 8 милиарда години. По-късно тъмната енергия направи корекциите си, но досега те увеличиха хоризонта на събитията не много.

Ако сегашната плътност на тъмната енергия не се промени в бъдеще, еволюцията на Вселената постепенно ще започне все повече и повече да съответства на модела de Sitter. В този случай радиусът на хоризонта на събитията ще бъде склонен към граничната постоянна стойност във времето. В много далечно бъдеще всички източници на светлина, разположени извън гравитационно свързаната Местна група галактики (към която принадлежи Млечният ни път), ще се окажат отвъд този хоризонт и завинаги ще станат невидими.

Статията „Поглед отвъд хоризонта“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 10, октомври 2012 г.). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Просто щракнете върху бутон: история на прости неща
2019
Чукнете, бутилирайте, филтрирайте: каква вода си струва да се пие
2019
Синдром на паник атака: какво представлява и как да се справим с него
2019