Slika izuzetno udaljenog Svemira, gdje su mnoge galaksije udaljene nekoliko desetaka milijardi svjetlosnih godina. (NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen i M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan ( UC Davis) i H. Yan (tOSU))

Ako je svemir star 13,8 milijardi godina, kako možemo vidjeti 46 milijardi svjetlosnih godina?

Udaljenosti u svemiru koji se širi ne funkcioniraju onako kako biste očekivali. Osim ako to jest, ne naučite razmišljati poput kozmologa.

Nekoliko je temeljnih činjenica o Svemiru - njegovom nastanku, povijesti i onome što danas jeste - za koje je teško teško omotati glavu. Jedan od njih je Veliki prasak, ili ideja da je Svemir započeo prije određenog vremena: prije 13,8 milijardi godina. To je prvi trenutak koji možemo opisati Univerzum kakav danas znamo: pun materije i zračenja, te sastojaka koji bi s vremenom prerastali u zvijezde, galaksije, planete i ljudska bića. Pa koliko daleko možemo vidjeti? Mogli biste pomisliti, u Svemiru ograničenom brzinom svjetlosti, to bi bilo 13,8 milijardi svjetlosnih godina: starost Svemira pomnoženo sa brzinom svjetlosti. Ali 13,8 milijardi svjetlosnih godina daleko je premalo da bi bilo pravi odgovor. Zapravo, možemo vidjeti 46 milijardi svjetlosnih godina u svim smjerovima, ukupnog promjera 92 milijarde svjetlosnih godina.

Zašto je ovo? Postoje tri intuitivna načina na koja možemo odlučiti razmišljati o ovom problemu, ali samo je jedan od njih tačan.

Umjetnikova logaritamska koncepcija promatranog svemira. (Korisnik Wikipedije Pablo Carlos Budassi)

1.) Stvari su posvuda, a svjetlost putuje brzinom svjetlosti. Ovo je "zadani" način koji većina ljudi ima. Možete zamisliti svemir koji je pun zvijezda i galaksija svugdje gdje pogledamo, i da su te zvijezde i galaksije počele formirati prilično blizu samog početka svega. Stoga, što duže čekamo, što dalje možemo vidjeti, kako svjetlost putuje ravnom linijom brzinom svjetlosti. Dakle, nakon 13,8 milijardi godina, očekivali biste da možete vidjeti gotovo 13,8 milijardi svjetlosnih godina, oduzimajući samo koliko je trajalo da se zvijezde i galaksije nastanu nakon Velikog praska.

Polje DOBRO-N, s istaknutim galaksijom GN-z11: trenutno najudaljenija galaksija ikad otkrivena. (NASA, ESA, P. Oesch (Sveučilište Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Sveučilište Yale) i G. Illingworth (Kalifornijsko sveučilište, Santa Cruz))

2.) Stvari su posvuda, svjetlo se kreće na c, a sve se može kretati kroz prostor. To dodaje još jedan sloj problema; ne samo da postoji količina stvari koja emitira svjetlost, već se i oni svjetlosni predmeti mogu kretati jedan prema drugom. Budući da se prema pravilima posebne relativnosti mogu kretati brzinom (ali ne baš) brzinom svjetlosti, dok se svjetlost kreće prema vama brzinom svjetlosti, možete zamisliti da vidite dvostruko više nego u prvom slučaju. Možda bi predmeti sada mogli biti udaljeni čak 27,6 milijardi svjetlosnih godina, pod pretpostavkom da im svjetlost tek sada stiže i da se udalje od nas gotovo brzinom svjetlosti.

Različite moguće sudbine Svemira, s naše stvarne, ubrzavajuće sudbine prikazane s desne strane. (NASA i ESA)

3.) Stvari su posvuda, svjetlost ide na c, zvijezde i galaksije se kreću, a Svemir se širi. Ovaj posljednji sloj je kontraintuitivan s kojim većina ljudi ima najteže vrijeme. Da, svemir je prepun materije koja se brzo gomila u zvijezde, galaksije i još veće strukture. Da, svjetlost koju proizvodi sva se kreće pri c, brzina svjetlosti u vakuumu. Da, sva se ta materija može kretati kroz svemir, ponajviše zbog međusobnog gravitacijskog privlačenja različitih preniskih i prenapučenih regija jedni na drugima. Sve je to istina, baš kao što je to bilo u drugom scenariju.

No, ima i nešto dodatnog. To je taj prostor koji se proširuje. Kad pogledate u daleku galaksiju i vidite da je galaksija crvena nego normalna, uobičajeni način razmišljanja o njoj je da je galaksija crvena jer se odmiče od nas, te se prema tome svjetlost premješta na veće (crvene) valne duljine. na isti način na koji se sirena udaljava od vas, zvuk je premješten na veće valne duljine i niže tonove. Ali to je još uvijek dio objašnjenja br. 2; Opća relativnost dodaje da se dodatni element prostora sve više širi.

Ilustracija o tome kako djeluju crveni pomaci u svemiru koji se širi. (Larry McNish iz RASC centra Calgary, preko http://calgary.rasc.ca/redshift.htm)

Kako se svemir širi, tkanina svemira se proteže, a oni pojedinačni svjetlosni valovi u tom prostoru vide se i da se povećavaju njihove valne duljine!

Možda mislite da je nemoguće razlikovati ta dva efekta. Ako sve što možete izmjeriti je valna duljina svjetlosti koja dopire do vašeg oka, kako možete odrediti da li je to zbog gibanja ili zbog prostora tkanine? Kako se ispostavilo, postoji odnos koji postoji između crvenog pomaka (a samim tim i valne duljine) i promatrane svjetline galaksije, što je funkcija udaljenosti. U Svemiru koji se ne širi, kao što smo prethodno pokrili, maksimalna udaljenost koju možemo promatrati dvostruko je starija od svemira u svjetlosnim godinama: 27,6 milijardi svjetlosnih godina. Ali u Svemiru koji danas imamo, već smo opažali galaksije udaljenije od toga!

Istraživanje GOODS-Sjever, koje je ovdje prikazano, sadrži neke od najudaljenijih galaksija ikada promatranih, od kojih su mnoge (istaknute desno) već više od 30 milijardi svjetlosnih godina. (NASA, ESA i Z. Levay (STScI) )

Pa kako daleko možemo vidjeti u bilo kojem smjeru? Da Svemir uopće nema tamnu energiju, najudaljeniji objekti - zvijezde, galaksije, ostaci svjetlosti iz Velikog praska, itd. - bili bi ograničeni na 41,4 milijarde svjetlosnih godina. (Relativistička izvedba te brojke, ta R = 3ct, trebala bi biti poznati rezultat onima koji su uzeli Opću relativnost u diplomskoj školi.) Ali u Svemiru s tamnom energijom, koji se gura na još veći broj: 46 milijardi svjetlosnih godina za promatranu tamnu energiju koju posjeduje naš kozmos.

Posebna relativnost (točkasta) i opća predviđanja relativne (kruta) za udaljenosti u svemiru koji se širi. Definitivno samo GR predviđanja odgovaraju onome što promatramo. (Korisnik Wikimedia Commons Redshiftimprove)

Sve to skupa, a to znači da udaljenost svemira, od jednog udaljenog do drugog, iznosi 92 milijarde svjetlosnih godina. I ne zaboravite: nastavlja se proširiti! Ako bismo danas odlazili brzinom svjetlosti, mogli bismo preći samo trećinu puta kroz nju: otprilike 3% njegovog volumena. Drugim riječima, zbog širenja Svemira i prisutnosti tamne energije, 97% promatranog Univerzuma je već nedostupno, čak i ako danas krenemo brzinom svjetlosti.

Veličina našeg vidljivog Univerzuma (žuta), zajedno s količinom koju možemo dostići (magenta). (E. Siegel, temeljen na radu korisnika Wikimedia Commonsa Azcolvin 429 i Frédéric MICHEL)

I tako se 92 milijarde svjetlosnih godina može činiti velikim brojem za 13,8 milijardi godina star Svemir, ali to je pravi broj za Univerzum koji danas imamo, pun materije, zračenja, tamne energije i poštujući zakone opće relativnosti. Činjenica da se svemir proširuje i da se novi prostor neprestano stvara između vezanih galaksija, grupa i klastera u kozmosu, kako bi Svemir trebao biti velik koliko i nama. S obzirom na to što je u njemu, što upravlja njime i kako je došlo, to se nije moglo drugačije ispasti.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.