§ 5. Горизонт видимости во Вселенной

Важнейшее значение для принципиальных вопросов наблюдений в космологии, и для физических процессов, протекавших в прошлом при расширении Вселенной, имеет наличие так называемого горизонта видимости. Наличие этого горизонта связано с расширением Вселенной. Чем дальше от нас находится галактика, тем больше времени потребовалось свету, чтобы достичь наблюдателя. Свет, который сегодня достигает наблюдателя, покинул галактику в далеком прошлом. Вселенная начала расширяться около десяти-двадцати миллиардов лет назад. Свет, вышедший из какого-либо источника даже в момент начала расширения мира, успеет пройти лишь конечное расстояние во Вселенной - расстояние около 10-20 миллиардов световых лет или около (3 ÷ 6)*10⁹Мnс. Точки Вселенной, лежащие от нас на этом расстоянии, называют горизонтом видимости. Области Вселенной, лежащие за горизонтом, сегодня принципиально ненаблюдаемы. Мы не можем увидеть более далекие галактики: какими бы телескопами мы ни обладали, свет от галактик за горизонтом просто не успел до нас дойти. Красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект лежит ближе и ближе к горизонту. На самом горизонте оно бесконечно. Таким образом, мы можем видеть конечное число звезд и галактик во Вселенной. Тем самым решается еще один парадокс доэйнштейновской космологии: фотометрический. Парадокс заключается в следующем. В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч зрения рано или поздно встретит светящуюся поверхность звезды. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца и звезд. В действительности из-за наличия горизонта мы видим конечное число звезд, весьма редко разбросанных в пространстве, и ночное небо темно. К тому же жизнь звезд ограничена.

Горизонт видимости делает для нас не столь существенной разницу между закрытым и открытым миром. В обоих случаях мы видим ограниченную часть Вселенной с радиусом около 10-20 миллиардов световых лет. В замкнутом мире свет не успевает обойти мир к настоящему времени, и конечно, невозможно увидеть свет от нашей собственной галактики, обошедший весь мир. Увидеть "собственный затылок" невозможно в замкнутой Вселенной. Даже за весь период расширения от сингулярного состояния до смены расширения сжатием свет успевает пройти только половину замкнутого пространства и лишь на фазе сжатия сможет закончить полный обход мира.

Заметим, что в этом пункте может быть существенная разница между Вселенной без Λ-сил и Вселенной с Λ-силами отталкивания, когда имеется задержка расширения, описанная в § 11 гл. 1. Рассмотренная там модель мира необходимо должна иметь пространство положительной кривизны и должна быть замкнута. Только в случае высокой плотности ρ (а значит, и положительной кривизны пространства) силы тяготения вещества могут затормозить расширение Вселенной и почти остановить его. В модели с задержкой мир длительно почти не расширяется. За это время задержки свет успевает обойти все замкнутое пространство и вернуться в исходную точку. Если задержка расширения достаточно длительна, то свет может обойти мир несколько раз. В этом случае можно наблюдать несколько изображений одного и того же объекта, например, галактики. Может быть, мы видим подобные "духи" на небе и принимаем их ошибочно за разные галактики? Как уже говорилось в конце гл. 1, вряд ли задержка расширения действительно имела место. Но в принципе такая ситуация возможна!

Горизонт видимости для каждого наблюдателя свой. Все точки однородной Вселенной равноправны. С течением времени горизонт каждого наблюдателя расширяется, к наблюдателю успевает доходить свет от все новых областей Вселенной. За сто лет радиус горизонта увеличивается на одну стомиллионную долю своей величины.

Еще одно замечание. Вблизи самого горизонта мы в принципе должны видеть вещество в далеком прошлом, когда плотность вещества была гораздо больше сегодняшней. Отдельных объектов тогда не было, а вещество было непрозрачным для излучения. К этому вопросу мы вернемся в следующей главе.

Наконец отметим еще следующее. Само понятие "принципиального" горизонта видимости имеет место только потому, что в космологических моделях есть момент в прошлом, когда началось расширение, когда ρ = ∞, и за конечное время, прошедшее от этого момента, свет от далеких областей не успевает дойти до наблюдателя.

Если вблизи сингулярности ρ = ∞ мир расширялся не так, как в модели Фридмана (о возможности этого см. гл. 3 и 5), то закон движения света там был бы иной, свет при некоторых условиях успевал бы вблизи сингулярности проходить огромные расстояния и горизонт бы отсутствовал. Наконец, если бы до момента сингулярности ρ = ∞ была бы эпоха сжатия Вселенной (см. об этом гл. 5), то никакого "принципиального" горизонта не было бы, так как свет, вышедший до момента ρ = ∞, успеет пройти дальше, чем тот, который вышел в момент ρ = ∞. Конечно, реальный свет при этом неизбежно поглотится в эпоху очень больших ρ, но мы говорим сейчас о принципиальном горизонте для частиц, сколь угодно хорошо проникающих сквозь плотное вещество. Для них горизонта не было бы. (Разумеется, считаем, что эти "сверхпроникающие" гипотетические частицы летят со скоростью света.)

Как мы увидим дальше, все эти варианты с возможным отсутствием "принципиального" горизонта, весьма маловероятны и наверно не имеют отношения к действительности. И уж во всяком случае во всех вариантах космологических моделей, которые могут иметь отношение к действительности, есть "практический" горизонт видимости, который соответствует тому, что наблюдатель, принимающий сигналы от далеких областей пространства, видит эти области в далеком прошлом, когда плотность материи была столь большой, что никакие частицы сквозь вещество уже не пройдут. Сигналы от более далеких областей пространства, даже если бы в принципе могли успеть до нас дойти (ибо они вышли, например, в гипотетическую эпоху до сингулярного состояния), все равно поглотились бы в сверхплотной материи. Этот практический горизонт, конечно, лежит к нам чуть ближе, чем горизонт видимости, определяемый выходом сигнала точно в момент ρ = ∞. Кроме того, он несколько разный для разных частиц, например для света и нейтрино, ибо нейтрино несравненно лучше проходит сквозь вещество, чем свет. Но оказывается, что все различия в расстоянии до нейтринного, светового и прочих горизонтов ничтожно малы по сравнению с самим расстоянием, которое составляет, как уже говорилось 10 ÷ 20 миллиардов световых лет. Неопределенность (10 ÷ 20) связана с неточностью определения постоянной Хаббла.