Расширяемся ли мы вместе с Вселенной?

Для полной революции нашего представления о Вселенной в начале 20-го века потребовалось всего три доказательства. Ранее считалось, что Вселенная статична и неизменна, а вся реальность заключена в пределах Млечного Пути. Спиральные и эллиптические туманности на небе предполагалось считать объектами — возможно, только формирующимися протозвездами — в пределах нашей собственной галактики. Однако к концу 1920-х годов сочетание следующих фактов:

1. Общая теория относительности Эйнштейна, заменившая универсальную гравитацию Ньютона как нашу теорию гравитации,
2. Наблюдение отдельных звезд в этих спиральных и эллиптических туманностях, позволяющее подтвердить их внегалактическую природу и вычислить расстояние до них,
3. Наблюдение сдвига атомных линий в сторону более красных или более синих длин волн от спиральных и эллиптических галактик,

полностью перевернуло это представление. Вселенная на самых больших космических масштабах вовсе не оказалась статичной и неизменной, а, напротив, динамично расширялась.

Если это так и Вселенная расширяется, то что еще расширяется вместе с ней? Расширяется ли наша галактика? А что насчет Солнечной системы, планеты Земля или даже атомов в нашем собственном теле? Это тема запроса на этой неделе от Джима Робинсона, который спрашивает:

"Мы часть расширяющейся Вселенной. Значит ли это, что мы расширяемся вместе с ней? Увеличивается ли расстояние между Землей и Солнцем или между Сан-Франциско и Нью-Йорком? Увеличивается ли расстояние между атомами в моем теле? Это почему мне нужен более широкий ремень?"

Хотя многие из нас действительно сталкиваются с собственной "борьбой с жировыми складками" по мере старения, вы не можете винить в этом расширяющуюся Вселенную. Вот как понять, что — и что нет — затрагивается космическим расширением.

Анимированный взгляд на то, как пространство-время реагирует, когда масса движется через него, помогает точно показать, что это не просто лист ткани. Вместо этого весь трехмерный космос сам изгибается под воздействием присутствия и свойств материи и энергии во Вселенной. Несколько масс, вращающихся вокруг друг друга, будут вызывать излучение гравитационных волн, в то время как любой свет, проходящий через область с искаженным пространством-временем, будет изгибаться, искажаться и, возможно, усиливаться под воздействием изогнутого пространства.

Теоретические начала

Когда Эйнштейн впервые представил свою Общую теорию относительности в конце 1915 года, он переосмыслил гравитацию не как невидимую, мгновенную силу между двумя физически разделенными массивными объектами (что Ньютон называл "действием на расстоянии"), а скорее как следствие изгиба самой ткани пространства-времени. Масса и энергия, согласно Эйнштейну, заставляли ткань пространства-времени изгибаться, скручиваться, искажаться и даже эволюционировать определенным образом, а затем структура, которую принимает пространство-время, определяет, как движется и развивается присутствующая в нем материя и энергия. Перефразируя Джона Уилера, материя говорит пространству-времени, как изгибаться, а затем это изогнутое пространство-время говорит материи, как двигаться.

Поскольку уравнения Эйнштейна чрезвычайно общие — и способны описывать любое пространство-время, которое могло бы существовать, даже если только в нашем воображении — на нас лежит задача извлечь то, что известно как "решения" этих уравнений. Простейшим точным решением является совершенно пустое, плоское, неэволюционирующее пространство-время: пространство-время (Минковского) специальной теории относительности. Следующее по простоте решение, также выведенное Эйнштейном, было для слабополевого предела (т.е., находясь далеко) от единственной точечной массы: пространство-время массы на расстоянии, почти ньютоновское. Но в течение следующих нескольких месяцев и, позже, лет было найдено множество важных и экзотических решений.

Как внутри, так и за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, который затягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолеть притяжение гравитации, заставляя даже падающую материю улетучиваться.

В 1916 году Карл Шварцшильд записал решение пространства-времени для точечной массы без ограничений на слабополевые предположения: теперь это соответствует случаю невращающейся чёрной дыры.

В 1917 году Виллем де Ситтер записал решение пространства-времени для Вселенной, заполненной космологической постоянной: то, что мы теперь называем пространством де Ситтера, и которое описывает как космическую инфляцию, так и темную энергию.

И в 1922 году Александр Фридман записал решение пространства-времени для Вселенной, равномерно заполненной любым видом (или даже несколькими видами) материи и/или энергии.

В случае чёрной дыры или любого другого пространства-времени, доминируемого связанной структурой, пространство-время не расширяется, и объекты внутри него не удаляются друг от друга. Однако в последних двух случаях оказывается, что пространство-время для Вселенной, равномерно заполненной "веществом", будь то космологическая постоянная, материя, излучение или любой другой вид энергии, не может быть статичным и стабильным, но должно развиваться: либо расширяться, либо сжиматься со временем.

Понятие о том, что пространство-время может эволюционировать со временем в зависимости от того, что в нем находится, почти так же старо, как и Общая теория относительности, и является чем-то, что возникло непосредственно из уравнений Эйнштейна. Однако это не означает, что оно было легко принято, включая самого Эйнштейна.

Как впервые отметил Весто Слифер в 1910-х годах, некоторые объекты, которые мы наблюдаем, показывают спектральные признаки поглощения или излучения определенных атомов, ионов или молекул, но с систематическим сдвигом в сторону красного или синего конца светового спектра. В сочетании с измерениями расстояний до этих объектов, эти данные привели к первоначальной идее расширяющейся Вселенной: чем дальше галактика, тем больше ее свет кажется смещенным в красную сторону нашим глазам и инструментам.

Наблюдательное подтверждение

В 1910-х годах астроном Весто Слифер использовал технику спектроскопии для разделения света астрономических источников на его составляющие длины волн. Как и следовало ожидать, когда вы проводили спектроскопию в лаборатории или на нашем Солнце, вы обнаруживали, что атомы конкретного вида — водород, гелий, кальций, калий и т. д. — всегда испускали и поглощали свет на одном и том же наборе длин волн: длинах волн, соответствующих квантовым переходам электронов внутри этого атома.

Однако когда вы проводили спектроскопию одной из тех спиральных или эллиптических туманностей, вы наблюдали что-то другое: все те же спектральные линии все еще существовали, но все они были смещены на множественный фактор в сторону более длинных волн (если фактор больше 1) или более коротких волн (если фактор меньше 1). Смещения в сторону более длинных волн известны как красные смещения, потому что красные цвета находятся на более длинных волнах, тогда как смещения к более коротким волнам известны как синие смещения, так как синие цвета находятся на более коротких волнах.

И вот что стало ключевым моментом в наблюдениях Слифера: туманности, которые казались большими и яркими в небе — предположительно потому, что они ближе — были смесью красного и синего смещения, и только на небольшие величины, но туманности, которые казались меньше и тусклее, были все красно смещенными, и на гораздо большие величины.

На этом снимке, сделанном в октябре 1923 года, возможно, самой известной фотографической пластинке за всю историю, изображена большая туманность (ныне галактика) в Андромеде вместе с тремя новыми звездами, которые Хаббл наблюдал внутри них. Когда четвертое событие повышения яркости произошло в том же месте, что и первое, Хаббл понял, что это не новая звезда, а переменная звезда цефеида. «ВАР!» Красной ручкой было написано, что Хаббл сделал впечатляющее открытие: это означало, что Андромеда была внегалактическим объектом, расположенным далеко за пределами Млечного Пути.

Что было объяснением этого? Следующая подсказка пришла в 1923 году, когда Эдвин Хаббл обнаружил, что тусклые "вспышки" в Великой туманности Андромеды — изначально ошибочно идентифицированные как новые — на самом деле повторялись: указывая на их истинную природу как на переменные звезды, а не новые. Благодаря предыдущей работе Генриетты Ливитт, которая установила связь между периодичностью переменной звезды и внутренней яркостью этой звезды, мы могли измерить расстояние до места, где находятся эти звезды.

Теперь этот метод мог использоваться не только для определения расстояния до Андромеды, подтверждая, что Великая туманность в Андромеде на самом деле находится за пределами нашего Млечного Пути и является галактикой Андромеды, но мы могли затем расширить его для измерения расстояния до любой туманности, содержащей те же типы переменных звезд.

Когда Хаббл и его помощник Милтон Хьюмасон продолжали измерять расстояния до различных туманностей, несколько других ученых собрали критические части вместе. Первым был бельгийский ученый Жорж Леметр, который в 1927 году пришел к выводу, что Вселенная расширяется. (Эйнштейн напишет Леметру и, пренебрежительно и неправильно, скажет ему, что его математика правильна, но физика ужасна.) Затем американский ученый Говард Робертсон независимо пришел к тому же выводу в 1928 году. Но когда сам Хаббл затем опубликовал свои самые полные результаты в 1929 году, сомнений почти не осталось: Вселенная действительно расширялась.

Оригинальная диаграмма Эдвина Хаббла о расстояниях до галактик, составленная в 1929 году, по сравнению с красным смещением (слева), подтверждает расширение Вселенной, и с более современным аналогом, составленным примерно через 70 лет после этого (справа). Множество различных классов объектов и измерений используется для определения связи между расстоянием до объекта и его кажущейся скоростью удаления, которую мы выводим из относительного красного смещения его света по отношению к нам. Как видите, от очень близкой Вселенной (внизу слева) до удаленных мест на расстоянии более миллиарда световых лет (вверху справа), эта очень последовательная связь между красным смещением и расстоянием продолжает сохраняться. Ранние версии графика Хаббла составляли Жорж Леметр (1927) и Говард Робертсон (1928), используя предварительные данные Хаббла.

Современная картина

Сегодня мы измерили красные смещения и расстояния до сотен тысяч объектов в близкой, промежуточной и ультрадальней Вселенной, начиная от современных времен и до всего нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва. Мы не только подтвердили, что Вселенная расширяется, но также использовали силу оригинальных уравнений Фридмана 1922 года для определения соотношений различных видов энергии, пронизывающих всю Вселенную. Мы узнали, что сегодня Вселенная состоит из:

• 68% темной энергии, ведущей себя как космологическая постоянная, изученная де Ситтером,
• 27% темной материи, которая ведет себя как форма массы, но не испытывает никакого взаимодействия, кроме гравитации,
• 4.9% обычной материи, включая протоны, нейтроны, электроны и все, что они формируют,
• 0.1% нейтрино, которые ведут себя как излучение, когда Вселенная горячая и молода, но затем ведут себя как материя, когда Вселенная холодная и старая,
• и 0.01% фотонов, которые всегда ведут себя как излучение.

На космических масштабах уравнения Фридмана говорят нам о связи между эволюцией пространства — и конкретно, эволюцией расстояния между любыми двумя точками в пространстве — и содержанием материи и энергии во Вселенной в любой момент времени. Если вы можете измерить скорость расширения сегодня и как она эволюционировала со временем, вы можете определить, что находится в вашей Вселенной прямо сейчас, а также как она была в прошлом и как будет развиваться в будущем. С достаточно хорошими наблюдениями мы можем определить нашу конечную судьбу.

График очевидной скорости расширения (по оси Y) по сравнению с расстоянием (по оси X) согласуется с Вселенной, которая расширялась быстрее в прошлом, но где удаленные галактики сегодня ускоряют свое удаление. Это современный вариант, который простирается на тысячи раз дальше, чем оригинальная работа Хаббла. Обратите внимание на то, что точки не формируют прямую линию, что указывает на изменение скорости расширения со временем. Тот факт, что Вселенная следует этой кривой, указывает на присутствие и позднее доминирование темной энергии.

Но не все расширяется

Тем не менее, множество галактик не подчиняются уравнениям расширяющейся Вселенной, по крайней мере, не в какой-либо точной манере. Например, возьмем галактики, которые связаны внутри массивного галактического скопления. Ближайший пример, который у нас есть, — это скопление Девы, находящееся на расстоянии примерно 55–60 миллионов световых лет. Исходя из наших измерений расширяющейся Вселенной и расстояния до скопления Девы, мы ожидаем найти галактики внутри него, удаляющиеся от нас со скоростью примерно 1200 км/с, плюс-минус.

Но это не то, что мы измеряем, когда проводим критические наблюдения.

Внутри скопления Девы находятся тысячи галактик. Некоторые из них на самом деле движутся в нашу сторону с небольшим, но измеримым синим смещением. Большинство удаляются от нас, но около половины галактик имеют слишком низкую скорость: между примерно 0 км/с и 1000 км/с. Кроме того, примерно половина галактик внутри скопления Девы имеют больше, чем предсказанное красное смещение: более 1200 км/с, и некоторые удаляются даже со скоростью более 2000 км/с. В этом есть важная причина: галактики внутри скопления Девы гравитационно связаны друг с другом и кружат друг вокруг друга, напоминая рой пчел.

Собрав данные из множества различных скоплений галактик, можно увидеть, что отдельные галактики внутри этих скоплений могут иметь пекулярные скорости до тысяч км/с, что указывает на то, что внутри этих структур доминируют гравитационные силы. Лишь в пространстве между связанными структурами расширение Вселенной играет главную роль.

Мы можем легко измерить только движения галактик вдоль линии взгляда: компонент их движения, направленный либо к нам, либо от нас. Поперечные компоненты их движений — движения вверх-вниз или влево-вправо этих галактик — не могут быть измерены на временных шкалах, сопоставимых с веком, так как галактики слишком велики и далеки, чтобы можно было наблюдать их движение в этих измерениях. Мы можем только зафиксировать моментальный снимок того, что происходит прямо сейчас: когда свет от этих далеких объектов достигает наших глаз.

Так почему эти галактики не подчиняются закону Хаббла и почему они нарушают прогнозы уравнений Фридмана?

По тем же причинам, по которым планеты вращаются вокруг Солнца в Солнечной системе, и звезды движутся вокруг Млечного Пути внутри нашей галактики: потому что они все взаимно связаны силой гравитации. Эти гравитационные силы накладывают на эти объекты то, что астрономы называют "особой скоростью": скорость в диапазоне от сотен до тысяч километров в секунду, которая накладывается поверх потока Хаббла. Не весь космос демонстрирует одинаковое поведение, потому что некоторые системы связаны — гравитационно или иначе — в то время как другие не связаны, и только несвязанные системы испытывают расширение Вселенной.

Между великими скоплениями и филаментами Вселенной находятся огромные космические пустоты, некоторые из которых могут охватывать сотни миллионов световых лет в диаметре. Долгое время считалось, что Вселенная удерживается вместе структурами, охватывающими многие сотни миллионов световых лет, эти ультра-большие суперскопления, теперь же установлено, что эти огромные паутинные структуры предназначены быть разорванными расширением Вселенной.

Что доминирует, и где?

Большой вопрос, который мы должны задать себе, когда рассматриваем, что управляет поведением пространства, это вопрос о том, что управляет формой, кривизной и эволюцией пространства-времени на тех масштабах, которые мы рассматриваем. Несмотря на то, что мы являемся частью расширяющейся Вселенной, большая часть того, с чем мы знакомы, сама по себе не расширяется.

Атомы, связанные электромагнитной силой, не расширяются. Человеческие существа, также связанные электромагнетизмом, не расширяются вместе с расширяющейся Вселенной. Структуры на планете Земля, которая связана гравитацией, не расширяются вместе с расширяющейся Вселенной. (Однако, если Земля физически расширяется, например, из-за теплового расширения или активности ядра, тогда эти структуры будут расширяться.) Расстояние между Землей и Солнцем, также определяемое гравитацией, не расширяется по мере расширения Вселенной. (Однако, по мере того как Солнце теряет массу, система Земля-Луна спирально удаляется; здесь доминирует другой эффект.) Расстояние между звездами внутри Млечного Пути, который гравитационно связан, не расширяется по мере расширения Вселенной. И расстояние между Млечным Путем и другими галактиками в Местной группе, которые также связаны гравитацией, не расширяется по мере расширения Вселенной. Только когда вы достигаете масштаба, который больше, чем самая большая связанная структура, которую вы рассматриваете — структуры больше, чем галактики, группы галактик и скопления галактик — расширение Вселенной играет роль в том, что вы наблюдаете.

Эта ассоциация из девяти гамма-всплесков, все расположенные на расстоянии около 9 миллиардов световых лет, но разделенные друг от друга более чем на 5 миллиардов световых лет от края до края, была замечена за период в 8 лет: с 2004 по 2012 год. "Связанная суперструктура", показанная здесь, является только художественным представлением; не установлено, существует ли какая-либо физическая связь между различными гамма-всплесками и неизвестно, являются ли какие-либо два из них даже частью одной и той же космической структуры. Весьма вероятно, что все они взаимно удаляются друг от друга: охвачены расширением Вселенной

Вы, возможно, заметили любопытное упущение из списка связанных структур выше: галактические суперскопления. Оказывается, что самой большой связанной структурой в нашей Вселенной, насколько нам известно, может быть что-то между примерно 1 и 2 миллиардами световых лет: не больше. Самые большие галактические скопления имеют примерно такой масштаб, как и некоторые галактические стены. Однако никакие структуры больше этого не должны быть гравитационно связаны в нашей Вселенной, доминируемой темной энергией. Это включает в себя наш собственный домашний суперскопление, Ланьякеа, а также предполагаемые ассоциации квазаров и гамма-всплесков, которые мы не можем строго назвать "структурами" в их собственном праве, так как они определенно расширяются и не связаны: ни гравитационно, ни каким-либо другим механизмом.

Отдельные структуры, с которыми мы знакомы, включая атомы, людей, планеты, звезды, галактики, и даже группы и скопления галактик, не расширяются вместе с расширяющейся Вселенной. Только пространство, которое существует между самыми крупными связанными структурами, которые появляются на любом масштабе — между несвязанными галактиками, группами галактик или скоплениями галактик — демонстрирует поведение расширяющейся Вселенной. Как шутил физик Ричард Прайс: "Ваша талия может расширяться, но вы не можете винить в этом расширение Вселенной."