Насколько велика вся Вселенная?

(перевод статьи с любезного разрешения автора) 

Этот снимок телескопа Хаббл показывает массивное скопление галактик, PLCK_G308.3-20.2, что ярко светит во тьме. Так выглядят огромные волокна далекой Вселенной. Но как велика вся Вселенная, включая те части, которые мы не видим?

ESA/HUBBLE & NASA, RELICS; ACKNOWLEDGEMENT: D. COE ET AL.

13.8 млрд лет назад произошел Большой Взрыв. Вселенная наполнилась материей, антиматерией, излучением и существовала в ультрагорячем, ультраплотном, но, в то же время, расширяющемся и охлаждающемся состоянии. На сегодня объем наблюдаемой нами Вселенной расширился до радиуса в 46 млрд световых лет, а свет, пришедший в наши глаза соответствует пределу измерений. Но что находится за ним? Именно это хочет знать Брайан Грин, когда спрашивает:

"Мы знаем размер наблюдаемой Вселенной, поскольку мы знаем ее возраст (по крайней мере, со времени фазового перехода) и мы знаем, как излучается свет. Вопрос в том, почему математика, которую используют для прогнозов, не говорит нам о размере Вселенной? Мы знаем, насколько она была горяча, и насколько она теперь холодна. Неужели ее размер никак не влияет на эти вычисления?"

О, если бы это было так просто.

История Вселенной - так далеко, как нам сейчас это видно при помощи сочетания всех средств и телескопов - описана довольно хорошо. Но наши наблюдения, простите за тавтологию, показывают нам только наблюдаемую Вселенную. Обо всем остальном мы вынуждены догадываться, а эти догадки хороши лишь настолько, насколько верны допущения, которые мы при этом делаем.

SLOAN DIGITAL SKY SURVEY

Сегодня Вселенная холодна и комковата, одновременно расширяется и притягивается. Если смотреть на все большие и большие расстояния, можно видеть, что все там не только далеко, но и еще отстоит от нас во времени в прошлое благодаря конечности скорости света. И далекая Вселенная более однородна и однообразна потому, что у нее было меньше времени на формирование больших сложных структур при помощи гравитации.

Ранняя Вселенная была также горячее. Расширение Вселенной вызвало растяжение длины волны путешествующего по ней света, а при растягивании волны, она теряет энергию и становится холоднее. Это значит, что в далеком прошлом Вселенная была горячее - и этот факт подтверждается наблюдениями далеких объектов.

Исследование 2011 года  Космического Микроволнового Фона (красные точки) дало лучшее подтверждение, что температура фонового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства света подтверждают, что мы живем в расширяющемся пространстве.

P. NOTERDAEME, P. PETITJEAN, R. SRIANAND, C. LEDOUX AND S. LÓPEZ, (2011). ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 526, L7

Теперь, 13.8 млрд лет после Большого Взрыва, мы можем измерить температуру Вселенной, исследуя оставшееся после этой горячей, плотной, ранней стадии излучение. Сегодня это излучение проявляет себя в микроволновой части спектра и называется Космическим Микроволновым Фоном (КМФ). Приходящее в виде спектра черного тела температурой 2.725 К, оно легко подтверждает, что наши наблюдения с невероятной точностью соответствуют прогнозам модели Большого Взрыва.

Диаграмма света Солнца (желтая кривая, слева) в сравнении с идеальным черным телом (серым), показывает, что Солнце в действительности представляет собой что-то больше, чем просто совокупность черных тел; справа - диаграмма идеального черного тела КМФ по измерениям спутника СОВЕ. Заметим, что точность измерений достигает удивительного значения в 400 сигма. Согласуемость результатов между теорией и наблюдениями просто историческая.

WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R)

Более того, мы знаем, как это менялась энергия этого радиоизлучения по мере расширения Вселенной. Энергия фотона обратна пропорциональна его длине волны. Когда Вселенная была всего лишь вполовину меньше, чем сейчас, энергия фотонов была вдвое больше, а, когда она составляла 10% своего размера, энергия фотонов была вдесятеро больше. Если двинуться еще назад во времени, когда Вселенная была всего 0.092% ее текущего размера, мы обнаружим, что ее температура составляла в 1089 раз больше настоящей: около 3000 К. Этой температуры достаточно для ионизации всех атомов во Вселенной. Вместо твердого, жидкого или газообразного состояния все вещество во Вселенной находилось в форме ионизованной плазмы.

Вселенная, где электроны и протоны свободны и сталкиваются с фотонами, по мере расширения превращается в нейтральную, прозрачную для фотонов. Здесь показана ионизованная плазма (слева) перед тем, как произошло отделение КМФ, что привело к переходу в нейтральную Вселенную.

AMANDA YOHO

Подходя к оценкам текущего размера Вселенной, нужно иметь в виду три пункта:

1. Скорость расширения Вселенной - ее можно измерить целым арсеналом доступных нам методов

2. Температура Вселенной, которую мы знаем по наблюдениям Космического Микроволнового Фона

3. Состав Вселенной - включая материю, излучение, нейтрино, антиматерию, темную материю, темную энергию и т.д.

Наблюдая текущее состояние Вселенной можно экстраполировать ее состояние назад, на ранние стадии горячего Большого Взрыва и в результате придти к оценке ее возраста и размера.

Размер Вселенной в световых годах, в сравнении со временем с момента Большого Взрыва, представленный в логарифмическом масштабе, с серией аннотированных событий. Область приложения: наблюдаемая Вселенная

И.Зигель

Из полного комплекта доступных наблюдений, включая наблюдения микроволнового фонового излучения, сверхновых, обзоров больших космических структур и, среди них, барионных акустических осцилляций, мы понимаем, что радиус наблюдаемой части Вселенной сейчас, спустя 13.8 млрд лет Большого Взрыва, составляет 46.1 млрд световых лет . Это предел того, что мы сейчас наблюдаем. У всего, что находится дальше и даже у того, что двигалось со скоростью света в момент горячего Большого Взрыва, не было достаточно времени, чтобы достичь нас. По ходу времени возраст и размер Вселенной увеличивается, но все равно у того, что мы можем наблюдать, есть определенный предел.

Логарифмический концепт наблюдаемой Вселенной, нарисованный художником. Заметим, что мы ограничены во времени тем, что прошло с момента Большого Взрыва: 13.8 млрд лет, или (включая расширение Вселенной) - 46 млрд световых лет. Любой, кто живет в нашей Вселенной, независимо от места, из своей точки видит примерно то же.

WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI

Так что мы можем сказать о части Вселенной, находящейся за пределами наших наблюдений? Мы можем только делать допущения на основе известных нам законов физики, и того, что мы можем измерить в наблюдаемой нами части Вселенной. Например, мы знаем, что Вселенная относительно плоская в больших масштабах: она не искривлена ни положительно, ни отрицательно, с точностью до 0.25%. Если принять, что известные нам законы физики верны, мы можем установить пределы по крайней мере того, какой должна быть Вселенная до того, как начнет искривляться.

Яркость горячих и холодных пятен и их размер в зависимости от кривизны Вселенной. Все, что мы сейчас смогли измерить с наилучшей возможной точностью, показывает, что она идеально плоская. Барионные акустические осцилляции дают другой метод исследования, но с тем же результатом.

SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL

Наблюдения обзора Sloan и спутника Планк - наилучшие комплекты данных, которые говорят о том, что если Вселенная и замкнута на себя, то, чтобы это установить, нам потребуется увидеть ее участок в 250 раз больше, чем мы видим сейчас

Это значит, что невидимая нам Вселенная, в предположении, что там нет никаких топологических странностей, должна быть по крайней мере 23 триллиона световых лет в диаметре, включая в себя объем в 15 миллионов раз больше, чем мы сейчас наблюдаем. Если бы мы хотели порассуждать об этом, можно довольно убедительно поспорить на ту тему, что в действительности невидимая Вселенная должна быть существенно больше и этого размера.

Размер наблюдаемой Вселенной с нашей точки зрения - 46 млрд световых лет во всех направлениях, но на самом деле ее невидимой нами части может быть, конечно, гораздо больше, возможно даже бесконечным. Со временем мы сможем увидеть еще немного больше, чем сейчас.

FRÉDÉRIC MICHEL AND ANDREW Z. COLVIN, ANNOTATED BY E. SIEGEL

Горячий Большой Взрыв мог знаменовать собой начало наблюдаемой нами части Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем теперь, но отнюдь не начала пространства и времени самих по себе. До Большого Взрыва был еще период космической инфляции. В этот период Вселенная не была наполнена материей и излучением, она не была горячей. Вместо этого она:

• была полна энергией присущей самому пространству,
• расширялась с постоянной экспоненциальной скоростью,
• создавала новое пространство так быстро, что самая маленькая его мера, длина Планка, растягивалась в размер наблюдаемой нами Вселенной каждые 10 (-32) секунды.

Инфляция вызывает экспоненциальное расширение пространства, что может быстро привести к исчезновению его искривления. Если Вселенная искривлена, то радиус этого искривления минимум в сотни раз больше, чем мы в состоянии сейчас увидеть.

E. SIEGEL (L); NED WRIGHT’S COSMOLOGY TUTORIAL (R)

Да, это правда, что в нашей области Вселенной инфляция подошла к концу. Но есть также три вопроса, на которые мы еще не знаем ответ, но которые могут кардинально влиять на то, насколько же все-таки велика Вселенная и на даже на то, бесконечна она или нет.

1. Насколько велика была область пост-инфляционной Вселенной, в которой произошел Большой Взрыв?
2. Является ли правильной идея о "вечной инфляции", где Вселенная расширяется бесконечно в будущем по инфляционной модели - по крайней мере, хотя бы в каких-то своих областях?
3. И, наконец, сколько длилась инфляция до момента Большого Взрыва?

Вполне возможно, что Вселенная в тех областях, которые подвергались инфляции, достигла размера, гораздо большего чем тот, который мы сейчас можем наблюдать. Вполне возможо, что в любое время мы сможем найти подтверждение существования той грани, где она произошла. Но также возможно и то, что она в гуглы раз больше, чем мы физически в состоянии наблюдать. И пока не ответим на приведенные выше вопросы, мы никогда об этом не узнаем.

Большое количество отдельных областей, где произошел Большой Взрыв, отделены друг от друга постоянно и вечно расширяющимся в процессе инфляции пространством. Но мы совершенно не представляем себе как проверить, измерить или добраться до того, что находится вне границ наблюдаемой нами Вселенной.

OZYTIVE - PUBLIC DOMAIN

Мы вполне можем подозревать, что существует множество вселенных - дальше, чем можно увидеть, - таких, как наша, с теми же законами физики, с теми же типами физических, космических структур и с теми же шансами на образование сложных форм жизни. Они так же могут быть конечного размера в рамках "пузыря", в котором прекратилась инфляция, а в большом инфляционном пространстве может находиться экспоненциально большое количество таких пузырей. В действительности, вне зависимости от того, происходила ли инфляция в течение ограниченного времени или Вселенная родилась бесконечно большой, ее объем должен быть ограничен.

Бескрайность наблюдаемой нами Вселенной может быть всего лишь крошечной частью того, что там есть на самом деле.

NASA, ESA, R. WINDHORST, S. COHEN, AND M. MECHTLEY (ASU), R. O’CONNELL (UVA), P. MCCARTHY (CARNEGIE OBS), N. HATHI (UC RIVERSIDE), R. RYAN (UC DAVIS), & H. YAN (TOSU) 

Самой большой проблемой является та, что у нас нет достаточно информации для ответа на эти вопросы. Мы всего лишь умеем изучать Вселенную в пределах нашей досягаемости: все эти 46 млрд световых лет по всем направлениям. Ответ на самый главный из вопросов - бесконечна или конечна наша Вселенная - должен быть закодирован где-то внутри нее самой, вне пределов нашей досягаемости. И пока мы не поймем, как добыть эту информацию или придумаем какую-то мудреную схему, чтобы расширить наши знания физики, все, на, что мы можем рассчитывать - лишь допущения.