Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

По модулю постоянная Хаббла равна скорости изменения масштабного фактора, поделенной на сам фактор. Ее можно определить из наблюдений, и современные данные показывают, что она равна примерно 70 км/с на мегапарсек: галактика, находящаяся в 100 мегапарсек от нас, удаляется со скоростью около 7000 км/c, а галактика на расстоянии 200 мегапарсек – со скоростью 14 000 км/с. Постоянная Хаббла меняется со временем, но в каждый данный момент она одинакова в разных частях Вселенной[12].

У космологического расширения нет центра, который мы могли бы указать.

Расширение Вселенной иногда удобно представлять себе как «раздувание пространства». Скорость удаления галактик из-за расширения Вселенной не является скоростью движения сквозь пространство. Кроме того, важно понимать, что мы не находимся в центре этого расширения (хотя и видим, что все далекие галактики удаляются от нас, и это происходит равномерно во всех направлениях, но астроном в любой другой галактике видел бы аналогичную картину). Более того, центра расширения в нашей Вселенной вообще нет! И совершенно неверно представлять себе, что Вселенная когда-то «была сжата в одну точку», местоположение которой мы можем указать.

Существует много независимых аргументов в пользу того, что мы имеем дело именно с расширением Вселенной (т. е. физическим изменением расстояния между галактиками). Мы можем разными способами измерять расстояния до объектов и сравнивать их. У нас есть данные о том, как меняется структура галактик и их скоплений. Астрономы могут изучать химический состав газа и звезд на разных расстояниях от нас. Наконец, есть несколько специальных тестов (корреляций или соотношений между наблюдаемыми величинами, например определенными параметрами галактик), позволяющих сделать вывод о том, что расширение Вселенной – единственное удовлетворительное объяснение данным наблюдений.

Расширение Вселенной приводит к появлению космологического красного смещения. Исторически скорости галактик были измерены (Слайфером, Хабблом и др.) именно по смещению линий в спектрах галактик в сторону более длинных волн. Скорости определялись в соответствии с формулой для эффекта Доплера, однако, как было показано позднее, природа красного смещения в данном случае иная.

Космологическая скорость удаления галактики может превышать скорость света (заметим, что в космологии возможно несколько разных определений скоростей, но чаще всего говорят о скорости изменения так называемого собственного расстояния по часам наблюдателя). Расстояние, на котором это происходит, легко определить исходя из закона Хаббла. Поверхность, на которой галактики сейчас имеют скорость удаления, равную световой, называют сферой Хаббла. Мы можем наблюдать галактики, чья скорость относительно нас в момент излучения (и/или сейчас) превосходит скорость света, поскольку скорость расширения менялась со временем. Испущенный галактикой свет мог в начале удаляться от нас, а затем начал приближаться, когда темп расширения снизился. В итоге свет достигает нас, хотя сама галактика всегда удалялась и сейчас находится далеко за сферой Хаббла. Это рассуждение подводит нас к понятию горизонтов во Вселенной.

11.2. Горизонт частиц и горизонт событий. Возраст Вселенной

Мы живем в расширяющейся Вселенной, а это значит, когда-то расстояния между всеми объектами были меньше. Продолжая эту экстраполяцию, можно прийти к тому, что какое-то время назад все наблюдаемые нами объекты были сжаты в очень маленьком объеме, т. е. расширение имело начало. Сейчас мы знаем этот момент с достаточной точностью: 13,7–13,8 млрд лет назад. Это результат многочисленных исследований, использовавших самые разные данные. С другой стороны, нет никаких наблюдаемых фактов, которые не вписывались бы в эту картину.

Вселенная имеет конечный возраст, примерно равный 13,7 млрд лет.

С помощью радиоактивных элементов мы достаточно хорошо знаем возраст Солнечной системы – он составляет чуть менее 5 млрд лет. Модели звездной эволюции позволяют оценить максимальный возраст известных звезд, в пределах допустимых погрешностей он не превосходит 13–14 млрд лет. Модели химической эволюции Вселенной также согласуются с этой оценкой. Наконец, исследование динамики Вселенной и формирования структур в ней также указывает на возраст чуть менее 14 млрд лет. Поэтому конечный возраст «мира, как мы его знаем» можно считать твердо установленным фактом.

Темнота ночного неба объясняется конечным возрастом Вселенной и конечностью скорости света.