Kosmologové jsou intelektuální cestovatelé časem. Při pohledu zpět na miliardy let jsou tito vědci schopni sledovat vývoj našeho vesmíru v úžasných detailech. Před 13,8 miliardami let došlo k velkému třesku. O zlomky sekundy později se rodící se vesmír exponenciálně rozšířil během neuvěřitelně krátkého časového období zvaného inflace. Během následujících eonů se náš vesmír rozrostl do tak obrovské velikosti, že už nevidíme jeho druhou stranu.
Ale jak to může být? Pokud rychlost světla představuje kosmický rychlostní limit, jak mohou existovat oblasti časoprostoru, jejichž fotony jsou navždy mimo náš dosah? A i když existují, jak víme, že vůbec existují?
Rozšiřující se vesmír
Stejně jako všechno ostatní ve fyzice se náš vesmír snaží existovat v co nejnižším energetickém stavu. Ale kolem 10-36sekund po Velkém třesku se inflační kosmologové domnívají, že kosmos místo toho odpočíval na „energii falešného vakua“ – nízkém bodě, který ve skutečnosti nebyl nízkým bodem. Při hledání skutečného dna vakuové energie se během minuty zlomku okamžiku předpokládá, že se vesmír nafouknul faktorem 10padesátka.
Od té doby se náš vesmír dále rozšiřoval, ale mnohem pomalejším tempem. Důkazy této expanze vidíme ve světle vzdálených objektů. Jak se fotony emitované hvězdou nebo galaxií šíří vesmírem, roztahování prostoru způsobuje jejich ztrátu energie. Jakmile nás fotony dosáhnou, jejich vlnové délky se posunou do červena v souladu se vzdáleností, kterou urazily.
Dva zdroje rudého posuvu: Doppler a kosmologická expanze; podle vzoru Koupelis & Kuhn. Dole: Detektory zachycují světlo, které vyzařuje centrální hvězda. Toto světlo se roztáhne nebo posune do červena, jak se prostor mezi nimi rozšíří. Kredit: Brews Ohare.
To je důvod, proč kosmologové mluví o rudém posuvu jako o funkci vzdálenosti v prostoru i čase. Světlo z těchto vzdálených objektů putovalo tak dlouho, že když ho konečně spatříme, vidíme objekty tak, jak byly před miliardami let.
Hubbleův objem
Světlo s červeným posuvem nám umožňuje vidět objekty, jako jsou galaxie, jak existovaly v dávné minulosti; ale nevidímeVšechnoudálosti, ke kterým došlo v našem vesmíru během jeho historie. Protože se náš vesmír rozpíná, světlo z některých objektů je prostě příliš daleko na to, abychom ho vůbec viděli.
Fyzika této hranice zčásti závisí na části okolního časoprostoru zvaného Hubbleův objem. Zde na Zemi definujeme Hubbleův objem měřením něčeho, čemu se říká Hubbleův parametr (H0), hodnota, která dává do souvislosti zdánlivou rychlost recese vzdálených objektů a jejich rudý posuv. Poprvé byl spočítán v roce 1929, kdy Edwin Hubble objevil, že se zdálo, že se vzdálené galaxie od nás vzdalují rychlostí, která je úměrná rudému posuvu jejich světla.
Přizpůsobení rychlostí rudého posuvu Hubbleovu zákonu. Kredit: Brews Ohare
Vydělení rychlosti světla H0, získáme Hubbleův objem. Tato kulovitá bublina uzavírá oblast, kde se všechny objekty vzdalují od centrálního pozorovatele rychlostí nižší, než je rychlost světla. Odpovídajícím způsobem se všechny objekty mimo Hubbleův objem pohybují směrem od středurychlejšínež rychlost světla.
Ano, „rychlejší než rychlost světla“. Jak je tohle možné?
Kouzlo relativity
Odpověď souvisí s rozdílem mezi speciální relativitou a obecnou relativitou. Speciální teorie relativity vyžaduje to, čemu se říká „inerciální referenční soustava“ – jednodušeji pozadí. Podle této teorie je rychlost světla při srovnání ve všech inerciálních vztažných soustavách stejná. Ať už pozorovatel nehybně sedí na lavičce v parku na planetě Zemi nebo se přibližuje kolem Neptunu ve futuristické vysokorychlostní raketové lodi, rychlost světla je vždy stejná. Foton se vždy pohybuje od pozorovatele rychlostí 300 000 000 metrů za sekundu a on nebo ona jej nikdy nedohoní.
Obecná teorie relativity však popisuje strukturu samotného časoprostoru. V této teorii neexistuje žádná inerciální vztažná soustava. Prostoročas se nerozšiřuje vzhledem k ničemu mimo něj, takže rychlost světla jako limit jeho rychlosti neplatí. Ano, galaxie mimo naši Hubbleovu sféru se od nás vzdalují rychleji, než je rychlost světla. Ale samotné galaxie neporušují žádné kosmické rychlostní limity. Pro pozorovatele v jedné z těchto galaxií vůbec nic nenarušuje speciální teorii relativity. Je to prostor mezi námi a těmito galaxiemi, který se rychle množí a exponenciálně se roztahuje.
Pozorovatelný vesmír
Nyní k další bombě: HST není totéž co pozorovatelný vesmír.
Abyste tomu porozuměli, zvažte, že jak vesmír stárne, vzdálené světlo má více času, aby se dostalo k našim detektorům zde na Zemi. Můžeme vidět objekty, které se zrychlily nad náš aktuální objem HST, protože světlo, které dnes vidíme, bylo vyzařováno, když byly uvnitř.
Přesně řečeno, náš pozorovatelný vesmír se shoduje s něčím, čemu se říkáčásticový horizont. Horizont částic označuje vzdálenost nejvzdálenějšího světla, které můžeme v tuto chvíli spatřit – fotony, které měly dostatek času na to, aby zůstaly v naší mírně se rozpínající Hubbleově kouli, nebo ji dohnaly.
A jaká je tato vzdálenost? O něco více než 46 miliard světelných let v každém směru, což dává našemu pozorovatelnému vesmíru průměr přibližně 93 miliard světelných let, neboli více než 500 miliard bilionů mil.
Pozorovatelný vesmír, odborněji známý jako horizont částic.
(Rychlá poznámka: horizont částic není to samé jako horizont částichorizont kosmologických událostí. Horizont částic zahrnuje všechny události v minulosti, které můžeme v současnosti vidět. Na druhé straně horizont kosmologických událostí definuje vzdálenost, ve které bude budoucí pozorovatel schopen vidět tehdejší starověké světlo, které dnes vyzařuje náš malý koutek časoprostoru.
Jinými slovy, horizont částic se zabývá vzdáleností k minulým objektům, jejichž prastaré světlo, které dnes můžeme vidět; horizont kosmologických událostí se zabývá vzdáleností, kterou naše dnešní světlo bude schopno urazit, když se vzdálené oblasti vesmíru od nás urychlují.)
Temná energie
Díky expanzi vesmíru existují oblasti vesmíru, které nikdy neuvidíme, i když bychom mohli čekat nekonečně dlouho, než k nám jejich světlo dorazí. Ale co ty oblasti těsně za hranicemi našeho současného objemu Hubble? Pokud se tato koule také rozšiřuje, budeme někdy schopni vidět tyto hraniční objekty?
To závisí na tom, která oblast se rozšiřuje rychleji – objem Hubblea nebo části vesmíru těsně mimo něj. A odpověď na tuto otázku závisí na dvou věcech: 1) zda H0roste nebo klesá a 2) zda se vesmír zrychluje nebo zpomaluje. Tyto dvě sazby spolu úzce souvisejí, ale nejsou stejné.
Ve skutečnosti se kosmologové domnívají, že ve skutečnosti žijeme v době, kdy H0klesá; ale kvůli temné energii se rychlost rozpínání vesmíru zvyšuje.
To může znít neintuitivně, ale pokud H0klesá pomalejihodnotitnež rychlost, při které se expanzní rychlost vesmíru zvyšuje, celkový pohyb galaxií od nás stále probíhá zrychleným tempem. A v tuto chvíli se kosmologové domnívají, že expanze vesmíru předstihne mírnější růst objemu HST.
Takže i když se objem našeho HST zvětšuje, zdá se, že vliv temné energie poskytuje pevný limit pro stále se zvětšující pozorovatelný vesmír.
Naše pozemská omezení
Zdá se, že kosmologové dobře zvládají hluboké otázky, jako například jak bude náš pozorovatelný vesmír jednoho dne vypadat a jak se změní expanze kosmu. Ale nakonec vědci mohou pouze teoretizovat odpovědi na otázky o budoucnosti na základě svého současného chápání vesmíru. Kosmologické časové osy jsou tak nepředstavitelně dlouhé, že není možné říci nic konkrétního o tom, jak se bude vesmír chovat v budoucnu. Dnešní modely se pozoruhodně shodují s aktuálními daty, ale pravdou je, že nikdo z nás nebude žít dostatečně dlouho na to, abychom viděli, zda předpovědi skutečně odpovídají všem výsledkům.
Zklamání? Tak určitě. Ale rozhodně stojí za námahu pomoci našim maličkým mozkům uvažovat o takéto mysl-bloggingové vědě – realitě, která je, jako obvykle, prostě podivnější než fikce.