Растяжение фотонов

Первые наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется, были сделаны между 1910 и 1930 г. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза.

ГИПОТЕЗА УСТАЛОСТИ

Каждый раз, когда Scientific American публикует статью по космологии, многие читатели пишут нам, что, по их мнению, галактики на самом деле не удаляются от нас и что расширение пространства – иллюзия. Они полагают, что красное смещение в спектрах галактик вызвано чем-то вроде «утомления» от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет, распространяясь сквозь пространство, терять энергию и поэтому краснеть.

Данной гипотезе уже более полувека, и на первый взгляд она выглядит разумной. Но она совершенно не согласуется с наблюдениями. Например, когда звезда взрывается как сверхновая, она вспыхивает, а затем тускнеет. Весь процесс длится примерно две недели у сверхновых того типа, который астрономы используют для определения расстояний до галактик. За этот период времени сверхновая излучает поток фотонов. Гипотеза усталости света говорит, что за время пути фотоны потеряют энергию, но наблюдатель все равно получит поток фотонов длительностью в две недели.

Однако в расширяющемся пространстве не только сами фотоны растягиваются (и поэтому теряют энергию), но и их поток также растягивается. Поэтому требуется более двух недель, чтобы все фотоны добрались до Земли. Наблюдения подтверждают такой эффект. Вспышка сверхновой в галактике с красным смещением 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с красным смещением 1 – месяц.

Гипотеза усталости света противоречит также наблюдениям спектра реликтового излучения и измерениям поверхностной яркости далеких галактик. Пришло время отправить на покой «утомленный свет» (Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис).

Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется.

Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же раз. Наблюдая газ в далеких галактиках, астрономы прямо измеряют температуру этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается.

В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.

Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение – вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.

Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

Бег на месте

Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения. Вообразите луч света, идущий к нам с расстояния большего, чем расстояние Хаббла (14 млрд. световых лет). Он движется к нам со скоростью света относительно своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может угнаться за расширением пространства. Это напоминает ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.

Можно подумать, что свет из областей, удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не увидим. Но расстояние Хаббла не остается неизменным, поскольку постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется со временем. Эта величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.) В моделях Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями, знаменатель увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно, расстояние Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся в области, удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОСМИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ – ЭТО ДОПЛЕРОВСКОЕ СМЕЩЕНИЕ?

НЕВЕРНО: Да, потому что удаляющиеся галактики движутся в пространстве. В эффекте Доплера световые волны растягиваются (становясь более красными), когда их источник удаляется от наблюдателя. Длина волны света не меняется во время его путешествия сквозь пространство. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики.

ВЕРНО: Нет, красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Доплера. Галактика почти неподвижна в пространстве, поэтому испускает свет одинаковой длины волны во всех направлениях. За время пути длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики. Космическое красное смещение отличается от доплеровского смещения, что подтверждают наблюдения.

Однако галактика, пославшая свет, может продолжать удаляться со сверхсветовой скоростью. Таким образом, мы можем наблюдать свет от галактик, которые, как и прежде, всегда будут удаляться быстрее скорости света. Одним словом, хаббловское расстояние не фиксировано и не указывает нам границы наблюдаемой Вселенной.

А что в действительности отмечает границу наблюдаемого пространства? Здесь тоже происходит некая путаница. Если бы пространство не расширялось, то самый отдаленный объект мы могли бы наблюдать теперь на расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т.е. на расстоянии, которое свет преодолел за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство, пересеченное фотоном, расширилось за время его пути. Поэтому текущее расстояние до самого удаленного из наблюдаемых объектов примерно втрое больше – около 46 млрд. световых лет.

Раньше космологи думали, что мы живем в замедляющейся Вселенной и поэтому можем наблюдать все больше и больше галактик. Однако в ускоряющейся Вселенной мы отгорожены границей, вне которой никогда не увидим происходящие события – это космический горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла увеличится. Но в ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удаленное событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.

Как видим, ускоряющаяся Вселенная напоминает черную дыру, тоже имеющую горизонт событий, извне которого мы не получаем сигналов. Нынешнее расстояние до нашего космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный галактиками, находящимися сейчас дальше космического горизонта событий, никогда не сможет достигнуть нас, т.к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть события, происходившие в галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.