Космический горизонт

космический горизонт
 
Космический горизонт определяет, насколько глубоко во Вселенную мы можем заглянуть. Было бы наивностью считать, что астрономы могут смотреть на любое желаемое расстояние — дайте им телескоп побольше, и они смогут наблюдать более далекие галактики. Это рассуждение не учитывает ограниченности скорости света — и ограниченного возраста Вселенной. Какое отношение скорость света (300 000 км/с) имеет к нашей возможности заглядывать в глубины космоса? Определяющее. Дело в том, что смотреть далеко в пространство означает также смотреть далеко в прошлое. 
 
Ясной летней ночью вы можете увидеть яркую звезду Денеб в созвездии Лебедя — огромная сияющая звезда легко различима невооруженным глазом, несмотря на дистанцию около 2600 св. лет: 
 
Денеб
 
Эта означает, что свету Денеба требуется 2600 лет, чтобы дойти до Земли. Иными словами, свет, который мы видим сегодня, был излучен 2600 лет назад, примерно в то время, когда родился древнегреческий философ Фалес Милетский. Мы видим эту звезду не такой, какова она сейчас, а какой она была больше двух с половиной тысячелетий назад. Мы смотрим в прошлое. (Если вам интересно — да, это означает, что звезды Денеб, возможно, уже не существует. Если она взорвалась в 400 г., свет взрыва дойдет до нас не раньше, чем через тысячу лет от настоящего момента).
 
Теперь обратимся к галактике NGC 474:
 
Галактика NGC 474
 
Расстояние до нее — порядка 100 млн св. лет. Свет, который мы принимаем сегодня, был излучен, когда по Земле еще бродили динозавры. Наблюдая NGC 474, астрономы заглядывают в прошлое на 100 млн лет. Неудивительно, что телескопы иногда называют машинами времени! 
 
Возможность видеть прошлое имеет то преимущество, что позволяет космологам изучать эволюцию Вселенной. Хотите знать, как Вселенная выглядела около 8 млрд лет назад? Нацельте телескоп на галактики, удаленные на 8 млрд св. лет (или, точнее, на галактики, удаленные настолько, что их свет, двигаясь через расширяющееся пространство, затрачивает 8 млрд лет на путь до нас). 10 млрд лет назад? Загляните еще дальше. 
 
Есть и недостаток — фундаментальный предел нашей способности заглянуть в космос. Если наша Вселенная родилась 13,8 млрд лет назад, то это максимальное время, которое свет мог провести в пути. Мы просто не способны увидеть прошлое, отдаленное от нас хоть сколько-нибудь более чем на 13,8 млрд св. лет. Вселенная может быть бесконечной, но мы имеем возможность наблюдать лишь относительно малую ее часть — сферическую область радиусом 13,8 млрд св. лет с центром в Млечном Пути. Эту область мы называем наблюдаемой Вселенной. Поверхность этой сферы — наш космический горизонт. 
 
В этой связи важно отметить несколько моментов. Во-первых, вы, вероятно, заметили, что я решил придерживаться неточной, с научной точки зрения, традиции превращать время движения света в расстояние. В действительности истинный нынешний радиус нашего космического горизонта составляет порядка 42 млрд св. лет. Но соотносить дистанцию и взгляд в прошлое один к одному очень удобно. 
 
Во-вторых — и это очень важно, — космический горизонт есть фундаментальный предел наших возможностей наблюдения. Никакой телескоп, сколь угодно большой и мощный, не покажет, что находится дальше. Это просто невозможно. В-третьих, чем старше становится Вселенная, тем больше наблюдаемая Вселенная. Каждый год ее радиус увеличивается на еще один световой год. К сожалению, рост наблюдаемой Вселенной не компенсирует расширения пространства, скорость которого увеличивается. 
 
В-четвертых, любое местоположение во Вселенной имеет собственный космический горизонт. Представьте корабль в океане. У каждого корабля свой горизонт, центром которого он является и за пределы которого моряки этого корабля заглянуть не могут. Аналогично каждый наблюдатель во Вселенной находится в центре маленькой персональной наблюдаемой Вселенной. 
 
В-пятых, космический горизонт не физический объект. Инопланетный наблюдатель, находящийся точно на нашем горизонте, ничего интересного не увидит. Его непосредственное окружение будет выглядеть так же, как наше: стареющие звезды, зрелые галактики. В конце концов, он живет в той же самой Вселенной возрастом 13,8 млрд лет, что и мы. Но и мы будем находиться на его горизонте. Вглядываясь в безбрежное пространство в нашем направлении, наш инопланетный друг будет смотреть на 13,8 млрд лет в прошлое, на эпоху задолго до рождения нашей галактики Млечный Путь, не говоря уже о Солнце и Земле. 
 
Наконец, мы подходим к рассказу о послесвечении творения. Этот термин, предложенный или, по крайней мере, популяризированный британским астрономом и писателем Маркусом Чауном, обозначает то, что наблюдатель видит на самом краю персональной наблюдаемой Вселенной, — бледный отсвет чудовищного Большого взрыва. Чем глубже вы смотрите в пространстве, тем дальше в прошлое — во времени. На космическом горизонте — на краю наблюдаемой Вселенной — это ретроспективное время составляет 13,8 млрд лет. Любое излучение, принимаемое нами с этого дальнего края, было 
испущено 13,8 млрд лет назад, сразу же после рождения Вселенной. Оно позволяет нам увидеть, как выглядела Вселенная в то время. 
 
Первые несколько сотен тысяч лет существования Вселенная была заполнена бушующей плазмой, настолько плотной и горячей, что свет не мог сквозь нее проникнуть. Но когда Вселенная достигла возраста 380 000 лет, плотность и температура уменьшились настолько, что смогли образоваться электрически нейтральные атомы. Впервые фотоны (Эйнштейновы «частицы света») смогли беспрепятственно двигаться в пространстве. Вселенная стала прозрачной. 
 
Как я уже говорил, в те времена вся Вселенная была горячей и ослепительно яркой, как поверхность Солнца. Следовательно, посмотрев на тот период прошлого, на космический горизонт, мы должны увидеть свечение Большого взрыва, куда бы ни направили взгляд. И мы его видим! Правда, это первичное излучение находилось в пути 13,8 млрд лет (минус 380 000 лет, которыми можно пренебречь) и стало исчезающе слабым. Более того, излучение двигалось в непрерывно расширяющейся Вселенной. Вследствие этого длина его волны растянулась примерно в 1000 раз и ослепительное сияние в диапазоне видимого света превратилось в почти не воспринимаемый свист радиочастот. Этот свист принято называть космическим микроволновым фоновым излучением или реликтовым излучением. Но в поэтическом настроении я предпочитаю называть его послесвечением творения. 
 
Реликтовое излучение было открыто в 1964 г., более полувека назад. С тех пор его изучают все более подробно. Это неудивительно: реликтовое излучение — самый старый сигнал, который могут наблюдать астрономы. Подобраться ближе к моменту рождения Вселенной мы не в силах. Некоторым людям трудно осознать, что послесвечение творения можно непрерывно изучать десятилетиями. В сущности, наблюдать его могли бы неандертальцы и даже динозавры, имей они достаточно чувствительные инструменты. Наши отдаленные потомки, возможно, будут исследовать его через миллион лет. Но разве рождение Вселенной не было неуловимо кратким событием? Разве излучение той эпохи уже не должно было просто промчаться мимо? Как нам удается до сих пор наблюдать послесвечение? 
 
Объяснение также связано с конечностью скорости света. Поставим очередной мысленный эксперимент. Представьте, что находитесь на большой городской площади в многотысячной толпе. Площадь буквально запружена народом. Всем приказано синхронизировать часы до секунды и крикнуть «Ха!» ровно в полдень. Одна деталь: городская площадь находится на планете, где скорость звука составляет не привычные нам 330 м/с, а всего 1 м/с. 
 
Что происходит в полдень? Вы во всю мощь легких кричите «Ха!». Созданный вами звук распространяется во все стороны. Через одну секунду вы уже не можете слышать собственный выкрик, но в 12:00:01 слышите дружное «Ха!» окружающих, находящихся от вас на расстоянии 1м, — звуку, который они произвели в полдень, потребовалась одна секунда, чтобы дойти до вас. В 12:00:02 вы по-прежнему слышите «Ха!» — от людей на дистанции 2 м. Даже через минуту после полудня крик достигает ваших ушей — его издали люди в 60 м от вас. 
 
Самое смешное, что никто уже не кричит. Все, кто был на площади, издали один короткий выкрик ровно в полдень. Но вы продолжаете слышать выкрики, доносящиеся со все большей дистанции. Если площадь по-настоящему велика, вы будете слышать «Ха!» долгие часы — как и любой человек на площади. Некто в 300 м от вас услышит ваше «Ха!» в 12:05. И так далее. Городская площадь — это Вселенная. Коллективное «Ха!» в полдень — относительно короткий выброс реликтового излучения вскоре после Большого взрыва. Реликтовое излучение, испущенное 13,8 млрд лет назад в нашей точке пространства — прямо там, где вы сейчас находитесь, давным-давно рассеялось во Вселенной. Но мы до сих пор получаем слабые сигналы из все более дальних точек пространства. (Если вы хотите усовершенствовать аналогию, замените мостовую городской площади резиновым полотнищем, которое кто-то растягивает за края, — это и будет расширяющаяся Вселенная!).
 
Космология — активно развивающаяся область науки, полная тайн и поразительных открытий. Возможно, мы никогда в полной мере не поймем, как все началось, но мы уже оставили далеко позади «В начале было ничто, и оно взорвалось» Терри Пратчетта. Может быть, регистрация первичных гравитационных волн, возникших в момент Большого взрыва, позволит нам увидеть рождение Вселенной в новом свете.

Отрывок из книги Говерта Шиллинга "Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии"

«Человек, который осмеливается потратить впустую час времени, еще не осознал цену жизни»

Чарлз Дарвин