Существуют ли границы Вселенной?
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
До недавнего времени размышления о границе наблюдаемого мира были монополией теоретиков-космологов. И вот появилось сообщение двух астрономов, радиотелескоп которых в течение пяти лет обследовал широкий круговой пояс звездного неба, охватив около 80 процентов «территории» звездной сферы.
Доктора Б. Дж. Гаррис и Дж. Д. Краус из университетской радиообсерватории в Делавэре, США, проделали солидную работу. На одной и той же волне (1450 мегагерц) они определили радиояркости и составили каталог более 8100 астрономических объектов. Свою задачу они охарактеризовали как «наиболее глубинное и широкое обследование видимой Вселенной на частоте выше 408 мегагерц», а результат работы — как «самый крупный по числу объектов каталог из составленных по измерениям на одной частоте».
Столь широкие программы наблюдений обычно предпринимаются для того, чтобы обеспечить материалом ученых, занимающихся звездной статистикой. Именно звездная статистика, т. е. усреднение данных по большому числу отдельных наблюдений, позволяет, избавившись от индивидуальных отклонений, выявить общую тенденцию, а от нее — прийти к возможной закономерности… Какую же тенденцию заметили осторожные астрономы?
Расстояние до наблюдаемого источника излучения в астрономии определяют по его яркости. Можно, конечно, ошибиться, приняв даже близкий, но очень слабый источник за далекий источник средней или большой светимости. Но роль такой ошибки будет тем меньше, чем большее число отдельных наблюдений в нашем распоряжении — ошибки как бы взаимно уничтожаются.
Итак, чем менее ярким видим мы объект, тем, в среднем, дальше он от земного наблюдателя. И здесь радиоастрономия незаменима: она позволяет «увидеть» самые далекие космические объекты, недоступные обычным телескопам.
Так вот, Гаррис и Краус заметили, что процент все более слабых источников в восьмитысячном каталоге неуклонно падает. Иными словами: чем дальше в глубины космоса, тем меньше «звезд».
Наименьшее число радиоисточников — среди самых слабых, таких, расстояние до которых кажется огромным даже привыкшим к космическим масштабам астрономам — до 10 миллиардов световых лет. Когда же астрономы вычертили кривую зависимости числа замеченных объектов от расстояния до Земли, они обнаружили нечто весьма знакомое: зависимость напоминала теоретические предсказания так называемых «сингулярных моделей искривленной Вселенной», построенных космологами на базе общей теории относительности.
Несколько слов об этой модели: допустим, наша Вселенная возникла в результате гигантского взрыва из некоторого сверхсжатого «ядра». Теоретически нужно представить себе пространство-время стянутым в одну точку, а всю материю — сжатой до бесконечной плотности в этом «нулевом» объеме. Этот момент и называется особой точкой в «программе» эволюции — «истинной сингулярностью». Привычное нам время, как секундомер в начале матча, «пущено» в момент взрыва. А до этого момента и сами понятия «пространство», «время», возможно, не имеют смысла в привычном для нас понимании.
Итак, взрыв: материя разлетается во всем пространстве изотропным образом, подобно тому, как раздувается воздушный шарик и на нем разрастается сложный рисунок галактик, звездных скоплений и всего, что мы можем найти в нашей, «готовой» Вселенной.
Взрыв выпустил на волю вещество (и оно стало доступным наблюдению), пространство (и оно приобрело свойства притяженности) и время (и оно приобрело свойства длительности). В такой, принятой сейчас картине есть предельно ранний момент, когда новорожденное звездное тело может послать в сторону еще не возникшей Земли луч-сигнал.
И тут мы замечаем удивительное обстоятельство. Дело в том, что свет (или радиоволны) распространяется в пространстве с огромной, но все же конечной скоростью. Наблюдая далекие объекты, излучение которых затратило миллиарды лет, чтобы достичь Земли, мы увидим их в том возрасте, когда они отправили к нам свои сигналы. Самые далекие — в самом юном возрасте. А это означает, что если наша Вселенная «родилась», к примеру, 10 миллиардов лет назад, то радиоисточник, увиденный нами сегодня с расстояния в 10 миллиардов световых лет, должен был послать к нам луч уже в момент рождения Вселенной.
Ну, а как наблюдать звезду, расстояние до которой больше 10 миллиардов лет светового бега? Не могла же она послать к нам свой луч заранее, до момента возникновения нашей Вселенной?
Конечно, не могла. Она находится «за горизонтом принципиальной наблюдаемости». Мы могли бы сказать, что «горизонт наблюдаемости» — это сфера, наподобие «края света» древних, отделяющая доступную наблюдениям часть Вселенной от остальной беспредельной, но, увы; слишком огромной даже для самых ранних световых лучей ее части.
Теперь мы можем более точно говорить о «границах Вселенной»: в общерелятивистских моделях нашей Вселенной, содержащих истинную сингулярность (момент рождения), существует горизонт наблюдаемости, в принципе ограничивающий возможность дальних наблюдений (хотя это, разумеется, не означает, что космос в целом конечен).
Но ведь существуют модели Вселенной, в которых горизонта нет («несингулярные модели»)? Именно поэтому доктор Краус не захотел предвосхищать ответ на вопрос о конкретном выборе модели. «Это я оставляю теоретикам. Создатели моделей — изобретательные люди», — сказал он.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.