Хоризонтът на Вселената
Последно: 4 март 2015 г. в 06:34
В българския тълковен речник хоризонтът се определя като „линията, която отделя в очите на наблюдателя видимото небе от земната повърхност; небосклон небесна сфера; цялото видимо около наблюдателя пространство, кръгозор“…
Но за изминалия век науката е разширила това понятие до мащабите на Вселената.
Обичайният зрителен хоризонт, обусловен от сферичността на нашата планета, е статичен и не зависи от времето на наблюдение, затова на километрови дистанции крайността на скоростта на светлината не се взема в изчисленията. Но в приложение към Вселената понятието хоризонт губи предишната си простота.
Космическото пространство не е двуизмерно като земния релеф, а е триизмерно, освен това Вселената се разширява с променлива скорост. А и приложимо към космически мащаби е необходимо да помним за крайността на скоростта на светлината.
Двата хоризонта
Понятието космологичен хоризонт е въведено в науката в началото на 50-те години във връзка с разработката на теорията на горещата Вселена. А през 1956 година големият специалист по ОТО Волфганг Риндлер от Корнуелския университет уточнил и разширил тази концепция в статията Visual horizons in world-models.
Риндлер предложил различно да се разглеждат космическите обекти с продължително съществуване, такива като звезди и галактики с техните дълги линии (криви в пространство-времето, описващи движението на телата), и кратковременните ефекти, като например взривове на свръхнови, на които съответстват малки фрагменти от тези линии, а в предела са просто точки.
Може да се опише коректно наблюдаемостта на обектите от двата типа само с помощта на различни хоризонти.
Границата между наблюдаемите и ненаблюдаемите вселенски линии е наречена от Риндлер хоризонт на частиците, а аналогичната граница между точките на тези линии – хоризонт на събитията.
Според Стандартния космологичен модел ние живеем в еднородна изотропна Вселена. Оттук следва, че хоризонтът на частиците представлява сферична повърхност, в центъра на която се намира наблюдател.
Вътрешността на сферата е запълнена с дълго живеещи космически обекти (да речем – галактики), чиято изпусната в миналото светлина стига до наблюдателя.
От външната страна на тази сфера се намират галактики, които наблюдателят не може да види на никакви етапи от тяхната история, предшестващи момента на наблюдението. По такъв начин хоризонтът на частиците отсича наблюдаемата зона на Вселената от ненаблюдаемата, тоест по своята същност не се отличава много от географския хоризонт.
Но хоризонтът на събитията не е толкова нагледен – той разделя събития, което наблюдателят може да види в един или друг момент от времето в своето собствено бъдеще, от събитията, които никога не му е съдено да види. В някои космологични модели присъстват двата хоризонта, в други – само един от тях, а в трети хоризонти няма изобщо.
Статичният свят
За простота да разгледаме хоризонтите на безграничната статична Вселена. В Нютоновия свят с безкрайна скорост на светлината (и като следствие – абсолютно време), който няма нито начало, нито край във времето, тоест съществува вечно, наблюдателят, където и да се намира, винаги може да види всички светила без изключение.
Затова в такъв свят няма нито хоризонт на частиците, нито хоризонт на събитията (иначе казано, там няма и самите събития) – той е два пъти безхоризонтен.
Сега да допуснем, че в галактиките понякога се взривяват свръхнови. Ако скоростта на светлината е безкрайна, тези взривове мигновено достигат наблюдателя, така че двойната безхоризонтност както и преди има място. Но тя се съхранява и при крайна скорост на светлината!
Всъщност да допуснем, че някоя галактика за кратко е увеличила блясъка си поради взрив на свръхнова. Във вечната и статична Вселена светлината на този взрив рано или късно ще стигне до всеки наблюдател. Оттук следва, че в този свят няма сигнали, които наблюдателят никога няма да може да види, и следователно няма хоризонт на събитията (естествено, там няма и хоризонт на частиците).
По-нататък да разгледаме хипотетична статична Вселена с начало във времето. В такъв свят хоризонтът на частиците представлява сфера, разширяваща се със скоростта на светлината.
Ако след 5 млрд. години след сътворението на такъв свят в някоя от галактиките се появи наблюдател, неговият хоризонт на частиците ще се окаже сфера с радиус 5 млрд. светлинни години. След още милиард години радиусът ще бъде 6 млрд. светлинни години, след 2 млрд. ще бъде 7 милиарда светлинни години. Този свят ще остане неизменен, но неговата наблюдаема част постоянно ще се разширява.
Различни хоризонти
Затворената нестатична Вселена на Фридман с положителна кривина на пространството възниква от точката на сингулярност с безкрайна плътност на енергията, достига в своето разширение пределен размер, а след това се съкращава и отново колапсира в сингулярност. Такава вселена притежава и хоризонт на частиците, и хоризонт на събитията.
Във Вселената на Айнщайн–Де Ситер има хоризонт на частиците, но няма хоризонт на събитията, тъй като скоростта на нейното разширение с течение на времето се стреми към нула, тоест в безкрайно далечното бъдеще тя ще стане статична.
Това е справедливо и за всяка открита Фридманова Вселена, скоростта на разширение на която в безкрайното бъдеще ще се стреми към краен нулев предел. Но за нямащата нито начало, нито край „антигравитационна“ Вселена на Де Ситер е справедливо обратното – там отсъства хоризонт на частиците, но има хоризонт на събитията.
И накрая да предположим, че нашата въображаема статична Вселена няма начало, но има край, където се счупват всички вселенски линии, включително и линията на наблюдателя. Той както преди вижда всички галактики, така че хоризонт на частиците в този свят отсъства.
Но наблюдателят сега може да забележи само част от измененията в светенето на тези галактики. Той ще види взрив на свръхнова, изригваща в галактика, отдалечена от него на 10 млн. светлинни години, ако взривът се е случил 11 млн. години преди края на света.
Но ако свръхновата е избухнала 9 млн. години преди този печален финал, наблюдателят дори в последния момент от своето съществуване няма да разбере за нея – просто няма да успее. Следователно в такъв свят има хоризонт на събитията.
Колкото и примитивен да е моделът за статична Вселена, той позволява да се изяснят ключовите черти на двата хоризонта. Отвъд пределите на хоризонта на частиците лежат вселенските линии, които в дадения момент не могат да се наблюдават в нито един от своите предшестващи фрагменти.
А извън хоризонта на събитията се случват събития, които наблюдателят не е способен да види за цялото време на своето съществуване.
По-близо до реалността
Нашата Вселена, както е известно, далеч не е статична – тя се разширява, като в последните пет-шест милиарда години дори с ускорение (смята се, че то е породено от ненулевата енергия на физическия вакуум, получила не особено удачното, но ефектно название тъмна енергия).
Освен това тя има плоска геометрия, тъй като пълната плътност на нейната енергия е равна на критичната стойност, при която кривината на космическото пространство се занулява. Ако това равенство имаше място в отсъствието на тъмна енергия, на миналата, сегашната и бъдещата динамика на Вселената (с изключение на нейния най-ранен етап) биха съответствали моделите на Айнщайн–Де Ситер.
Според закона на Хъбъл радиалните скорости на далечните галактики са пропорционални на разстоянието до тях с коефициент, който се нарича параметър на Хъбъл Н (той зависи от възрастта на Вселената и в сегашната епоха се обозначава с Н). Затова на някои дистанции, равни на с/H, скоростта на галактичното разбягване става равна на скоростта на светлината.
Такова разстояние се нарича дистанция на Хъбъл (или радиус на Хъбъловата сфера) и в нашата епоха то е приблизително равно на 14 млрд. светлинни години. Спрямо центъра на сферата скоростта на разширение на пространството в нея е по-малка от светлинната, а извън нея – по-голяма.
Много е важно, че радиусът на сферата на Хъбъл в общия случай изобщо не е равен на радиуса на наблюдаемата част на Вселената, който, по определение, е радиусът на хоризонта на частиците.
Това нагледно е представено в дадения пример за статична Вселена с едновременно избухващи галактики. Тъй като там параметърът на Хъбъл е равен на нула, Хъбъловият радиус е безкраен. Но радиусът на хоризонта на частиците е пропорционален на възрастта на Вселената и при всички крайни срокове на нейния живот също е краен.
Да разгледаме взривове на свръхнови, едновременно избухващи в две различни галактики. Нека една от галактиките е разположена в сферата на Хъбъл на наблюдателя, а втората – извън нея. Наблюдателят ще види първия взрив и няма да види втория, тъй като разширяващото се пространство „отнася“ със себе си нейните фотони със скорост над светлинната.
На самата сфера на Хъбъл светлинните кванти сякаш са замръзнали в пространството, което се разширява там със светлинна скорост, и затова тя става още един хоризонт – хоризонт на фотоните.
Ако разширението на Вселената се забавя, то радиусът на сферата на Хъбъл нараства, тъй като той е обратнопропорционален на намаляващия Хъбълов параметър. В такъв случай със стареенето на Вселената тази сфера ще обхваща все нови и нови области от пространството и ще изпуска все нови и нови светлинни кванти.
С течение на времето наблюдателят ще види галактики и вътрегалактични събития, които преди са се намирали извън неговия фотонен хоризонт. Ако разширението на Вселената се ускорява, то радиусът на Хъбъловата сфера, напротив, ще се съкращава.
Конкретната скорост на разширение на сферата на Хъбъл зависи от детайлите на еволюция на Вселената. Например в света на Айнщайн–Де Ситер тя е равна на 1,5 пъти скоростта на светлината. В същото време хоризонтът на частиците във Вселената на Айнщайн–Де Ситер се разширяла двойно по-бързо от фотонния хоризонт (следователно със скорост, равна на три светлинни).
Далече от очите
Поради крайността на скоростта на светлината наблюдателят вижда небесните обекти такива, каквито те биха били в повече или по-малко далечното минало. Зад пределите на хоризонта на частиците лежат галактики, които в дадения момент не се наблюдават на нито един етап от тяхната предшестваща еволюция.
Това означава, че техните линии в пространство-времето никъде не пресичат повърхността, по която се разпространява светлината, стигаща до наблюдателя от момента на рождение на Вселената (тя се нарича ретрограден светлинен конус).
В хоризонта на частиците са разположени галактики, чиито линии в миналото са се пресичали с тази повърхност. Именно тези галактики съставят частта на Вселената, принципно достъпна за наблюдение в даден момент от време.
Ретроградният светлинен конус на всеки наблюдател във Вселената, разширяваща се след Големия взрив, се събира в тази начална сингулярност и обхваща крайния обем. Оттук още веднъж следва, че наблюдателят може да види само крайната част на своя свят.
По такъв начин на нас не ни е дадено да знаем каква е Вселената отвъд пределите на сегашния хоризонт на частиците. Някои теории на ранната Вселена твърдят, че много далече зад този хоризонт тя изобщо не прилича на това, което виждаме.
Тази теза е напълно научна, тъй като произтича от напълно разумни изчисления, но тя не може нито да се потвърди, нито да се опровергае с помощта на астрономичните наблюдения, достъпни в наше време. Освен това, ако пространството и в бъдеще се разширява с ускорение, то няма да може да се провери и в далечното бъдеще.
В статичната Вселена с фиксирано начало радиусът на хоризонта на частиците е равен на произведението на нейната възраст по скоростта на светлината. В нашата Вселена той е доста по-голям, тъй като разширяващото се пространство увлича след себе си светлинните кванти.
За определяне на този радиус се изисква знаенето на цялата динамика на Вселената, включително и във фазата на инфлация, с което науката все още не разполага. По съвременни данни мащабният фактор на Вселената в хода на инфлацията се увеличава минимум 1027 пъти, но тази оценка може да е силно занижена (стандартният космологичен модел изобщо не описва фазата на инфлация и пресмята възрастта на Вселената от нейното приключване).
Минало и бъдеще
Над проблемите с хоризонта се замислих още по време на аспирантурата, и то дори не по собствена инициатива – разказва проф. Волфганг Риндлер, който досега преподава физика в Тексаския университет в Дала. Тогава беше много модерна теорията на Вселена, известна като космология на стабилното състояние – Steady State Cosmology.
Моят научен ръководител влезе в остър спор с авторите на тази теория и ми предложи да разбера същността на разногласията. Не отказах предложената задача и в резултат се появи моята работа за космологичните хоризонти. От нея по-конкретно следва, че в моделите на стабилно състояние има само хоризонт на събитията, както и във Вселената на Де Ситер.
Според проф. Риндлер съществува много разбираема интерпретация на двата хоризонта на нашия свят: „Хоризонтът на събитията е образуван от светлинен фотон, който в предела се присъединява към нашата галактика, когато възрастта на Вселената нараства до безкрайност. Напротив, хоризонтът на частиците съответства на светлинния фронт, изпуснат в момента на Големия взрив. Образно казано, хоризонтът на събитията се очертава най-последният от светлинните фронтове, достигащи нашата галактика, а хоризонтът на частиците – най-първият.
От такова определение става ясно, че хоризонтът на частиците задава максималното разстояние, с което в нашата сегашна епоха можем да наблюдаваме случилото се в миналото. Хоризонтът на събитията, напротив, фиксира максималната дистанция, откъдето може да се получи информация за безкрайно далечното бъдеще. Това действително са два различни хоризонта, които са необходими за пълно описание на еволюцията на Вселената.“
В света на Айнщайн–Де ситер радиусът на хоризонта на частиците е равен на удвоения радиус на Хъбъловата сфера, която на свой ред един път и половина превишава произведението на възрастта на този свят и скоростта на светлината. Лесно е да се изчисли, че в съответствие с този модел сегашният радиус на хоризонта на частиците (и следователно радиусът на наблюдаемата от Земята област от Космоса) е около 41 млрд. светлинни години, или 13 гигапарсека.
Тъй като Вселената в епохата на доминиране на тъмната материя е излязла на ускорено разширение, радиусът на нейния хоризонт на частиците трябва да е по-голям. Впрочем отчитането на тъмната енергия дава доста близка стойност – 14 гигапарсека. Струва си да напомним, че нашите телескопи не могат да надникнат в епохата, когато космическото пространство е било запълнено с плазма и не е съдържало свободни фотони. Тя е завършила 380 000 години след Големия взрив.
Вселената тогава е еволюирала практически точно по модела на Айнщайн–Де Ситер и е продължавала да прави това още поне 8 млрд. години. По-късно тъмната енергия е внесла своите поправки, но те са увеличили хоризонта на събитията не особено силно.
Ако сегашната плътност на тъмната енергия в бъдеще не се измени, еволюцията на Вселената постепенно ще започне все повече и повече да съответства на модела на Де Ситер. В такъв случай радиусът на хоризонта на събитията с времето ще се стреми към пределна постоянна стойност.
В много далечно бъдеще всички източници на светлина, разположени извън гравитационно свързаните в Местната група галактики (към която принадлежи и нашият Млечен път), ще се окажат извън пределите на този хоризонт и завинаги ще станат невидими.
