Понятными словами: что такое космологический горизонт

С тех пор как в 2022 году космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) начал отправлять данные на Землю, он оказал огромное влияние на астрономию. Одним из его главных революционных достижений является наблюдение самых далеких галактик. Однако, поскольку свет распространяется не мгновенно, а движется в вакууме со скоростью около 300 миллионов метров в секунду, мы видим эти галактики не такими, какие они есть сегодня, а такими, какими они были миллиарды лет назад.

Возраст нашей Вселенной оценивается в 13,8 миллиарда лет. Итак, мы можем предположить, что самая удаленная галактика, которую мы когда-либо сможем увидеть, находится на расстоянии не более 13,8 миллиардов световых лет. Эта точка должна быть своего рода "космологическим горизонтом", дальше которого не сможет заглянуть ни один телескоп. 

"Космологический горизонт - это максимальное расстояние, с которого можно получить информацию", - говорит Джейк Хелтон, астроном Аризонского университета, который также является частью команды JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).

"Существует несколько различных космологических горизонтов, - продолжает Хелтон, - которые имеют разные определения и зависят от различных космологических величин. Наиболее актуальным здесь является космологический горизонт, представляющий собой максимальное расстояние, с которого свет может дойти до нас. Это определяет границу наблюдаемого космоса."

В марте 2024 года ученые JADES сообщили, что мощный телескоп обнаружил JADES-GS-z14-0, самую далекую и раннюю галактику, которую когда-либо видело человечество. Парадокс, однако, заключается в том, что JADES-GS-z14-0 находится примерно в 33,8 миллиардах световых лет от нас.

Как мы можем видеть свет от объекта, находящегося на таком расстоянии? Разве положение JADES-GS-z14-0 на расстоянии 33,8 миллиарда световых лет от нас не означает, что мы видим ее такой, какой она была 33,8 миллиарда лет назад, что, несомненно, ставит под сомнение оценку возраста Вселенной?

Это не так. Вселенная умеет переворачивать разумные и логические выводы с ног на голову.

"Как вообще можно наблюдать такую далекую галактику, как JADES-GS-z14-0, если она находится на расстоянии более 13,8 миллиардов световых лет от нас и ее свету, по-видимому, потребовалось бы больше времени, чем возраст Вселенной, чтобы достичь нас?- задает риторический вопрос Хелтон. – Ответ заключается в расширении Вселенной".

Если бы Вселенная просто стояла на месте, то свету от галактики, удаленной на 33,8 миллиарда световых лет, потребовалось бы 33,8 миллиарда лет, чтобы достичь нас. Но в начале 1900-х годов Эдвин Хаббл обнаружил, что далекие галактики, по-видимому, удаляются друг от друга, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее они движутся. Другими словами, Вселенная не статична, она расширяется. 

Дело еще больше осложнилось в 1998 году, когда две отдельные группы астрономов заметили, что Вселенная не только расширяется, но и это расширение ускоряется. Ответственная за это сила остается загадкой, но ей было присвоено название "темная энергия".

За 13,8 миллиарда лет истории Вселенной было два основных и отчетливых периода расширения. Первый - это начальный период быстрой космической инфляции, который сейчас обычно называют "Большим взрывом".

В эту инфляционную эпоху объем космоса увеличился в 10^26 раз (за 10 следуют 25 нулей). Это эквивалентно тому, что ваш ноготь, до этого росший со скоростью 1 нанометр в секунду, внезапно вырастет на расстояние 10,6 световых лет в длину. В то время во Вселенной доминировала энергия, и этот период известен как эпоха энергетического доминирования.

За этим последовала эпоха преобладания материи, начавшаяся через 47 000 лет после Большого взрыва. Расширение Вселенной позволило космосу остыть настолько, что из кварков и глюонов стали образовываться протоны, а затем протоны связались с электронами и образовали первые атомы водорода, из которых образовались первые звезды и галактики. В течение этого периода расширение Вселенной, вызванное Большим взрывом, замедлилось и почти прекратилось.

Эпоха преобладания материи неожиданно подошла к концу, когда Вселенной было чуть меньше 10 миллиардов лет. В это время Вселенная внезапно снова начала быстро расширяться. Кроме того, это расширение становилось все быстрее и продолжает ускоряться даже сегодня. Этот третий значительный период Вселенной называется эпохой доминирования темной энергии. Это эпоха, в которой мы сейчас находимся.

Благодаря этим периодам расширения Вселенной свет от JADES-GS-z14-0 на самом деле добирался до JWST и Земли всего 13,5 миллиардов лет, хотя его источник сейчас находится намного дальше. Это означает, что JWST видит JADES-GS-z14-0 такой, какой она была через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Без расширения Вселенной JADES-GS-z14-0 по-прежнему находилась бы на расстоянии около 13,5 миллиардов световых лет.

Согласно Хелтону, космологический горизонт, или "фотонный горизонт", представляет собой сферу с границей на расстоянии около 46,1 миллиарда световых лет. Это реальный горизонт, за которым мы не можем увидеть галактики. 

JADES-GS-z14-0 и другие далекие и древние галактики не всегда будут видны. 

Галактики, подобные JADES-GS-z14-0, сейчас настолько далеки и удаляются от нас так быстро благодаря темной энергии, что никакой сигнал, отправленный от них сегодня, никогда не сможет достичь нас. Это потому, что горизонт фотонов удаляется от нас со скоростью света, но пространство между Млечным Путем и этими галактиками расширяется быстрее скорости света. Это может показаться неправдоподобным, поскольку специальная теория относительности Альберта Эйнштейна устанавливает скорость света в качестве универсального ограничения скорости. Однако это правило для объектов с массой, движущихся в пространстве, а не для самой структуры пространства.

Примерно через 2 триллиона лет после того, как Земля и человечество давно исчезнут, расширение Вселенной приведет к тому, что для обозрения будут доступны только галактики, существующие в пределах нашей локальной группы - диаметр которой составляет около 10 миллионов световых лет.

Это означает, что человечество живет в уникальный момент в истории Вселенной, когда самые отдаленные галактики все еще находятся в пределах нашего зрения. Мы способны узнать о Вселенной и ее происхождении больше, чем любая разумная жизнь, которая может последовать за нами. Астрономы, включая Хелтона, намерены использовать JWST, чтобы в полной мере воспользоваться этой космической привилегией.