Что находится за пределами наблюдаемой Вселенной

Когда астрономы говорят о размере Вселенной, речь часто идёт о цифре около 93 миллиардов световых лет. Но это не означает, что Вселенная заканчивается на таком расстоянии. На самом деле эта величина описывает лишь наблюдаемую Вселенную — область пространства, свет из которой успел достичь Земли с момента рождения Вселенной.

За её пределами, скорее всего, находится ещё огромное количество пространства и галактик. Однако увидеть их непосредственно мы не можем и, возможно, никогда не сможем.

Наблюдаемая Вселенная не является границей космоса

Возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет. На первый взгляд может показаться, что за это время свет просто не мог удалиться от нас дальше 13,8 миллиарда световых лет.

Но пространство Вселенной само расширяется. Пока свет летит к нам, расстояние между галактиками меняется. Поэтому объекты, чей свет начал путешествие к Земле миллиарды лет назад, сегодня могут находиться значительно дальше 13,8 миллиарда световых лет.

Так появляется понятие наблюдаемой Вселенной. Её современный радиус составляет приблизительно 46 миллиардов световых лет, а диаметр — около 93 миллиардов световых лет.

Это своеобразный космический горизонт: мы можем получать информацию только из той области, откуда свет или другие сигналы успели достичь нас. Но горизонт наблюдаемой Вселенной не похож на стену или край пространства.

Если бы существовал наблюдатель на очень далёкой галактике, он тоже увидел бы собственную наблюдаемую Вселенную — и она не обязательно совпадала бы с нашей.

Что же находится дальше?

Самый простой ответ современной космологии звучит так: мы не знаем. При этом у учёных есть веские основания считать, что за пределами наблюдаемой области нет какого-либо особого физического объекта или границы.

Вселенная может продолжаться дальше практически так же, как пространство продолжается внутри доступной нам области. Там могут находиться другие галактики, скопления галактик, огромные космические пустоты и структуры, которые мы никогда не увидим.

Причина не обязательно заключается в том, что телескопы недостаточно мощные. Проблема фундаментальнее: информация из некоторых областей пространства может быть физически недоступна нам.

Свет может никогда не добраться до Земли

Расширение Вселенной создаёт особенно необычную ситуацию. Некоторые галактики удаляются от нас настолько быстро, что расстояние между нами увеличивается из-за расширения самого пространства. При этом локально эти галактики не обязаны двигаться сквозь пространство со скоростью выше скорости света. Ограничение специальной теории относительности на движение через пространство здесь не нарушается.

Из-за ускоренного расширения Вселенной существует область, из которой свет, испущенный сегодня, уже никогда не сможет достичь Земли.

Даже если представить невероятно мощный телескоп, такой объект останется для нас недоступным. Телескоп может собрать больше света, но не может получить информацию, которая физически не способна попасть в нашу область пространства-времени.

Возможно ли, что Вселенная бесконечна?

Один из вариантов заключается в том, что Вселенная бесконечна. В таком случае наблюдаемая Вселенная представляет собой лишь крошечную часть бесконечного космоса. За её пределами продолжалось бы то же пространство, возможно содержащее бесчисленное количество галактик.

Но бесконечность Вселенной пока не доказана. Наблюдения показывают, что на больших масштабах геометрия пространства очень близка к плоской. Это согласуется с бесконечной Вселенной, но само по себе не доказывает её бесконечность.

Пространство может быть конечным, но не иметь края.

Конечная Вселенная без края

Это кажется парадоксальным, но хорошо знакомо из геометрии. Представьте поверхность Земли. Она имеет конечную площадь, однако на ней нет места, которое можно назвать краем планеты. Двигаясь по поверхности в одном направлении, можно теоретически продолжать путь сколько угодно и в итоге вернуться в исходную точку.

Трёхмерное пространство может обладать похожей топологией, только представить её значительно сложнее Поэтому даже если Вселенная конечна, это ещё не означает существование стены или границы, за которой находится «ничто».

Вопрос «что находится за пределами Вселенной» в таком случае может быть сформулирован неправильно. Если Вселенная включает всё пространство, то у неё просто нет внешней области в привычном смысле.

А если Вселенная гораздо больше наблюдаемой?

Это вполне возможно. Космологические наблюдения позволяют определить свойства доступной нам части Вселенной, но не её полный размер. Мы видим лишь ограниченный объём и пытаемся по нему восстановить глобальную структуру пространства.

Некоторые модели инфляции — чрезвычайно быстрого расширения Вселенной на ранней стадии её существования — допускают, что наблюдаемая нами область является лишь небольшой частью гораздо большей Вселенной.

В некоторых сценариях инфляция могла продолжаться в разных областях пространства, порождая огромные регионы с различными физическими свойствами. Это приводит к идеям так называемой мультивселенной.

Однако здесь важно отделять установленную физику от гипотез. Само существование других вселенных пока не имеет убедительного прямого наблюдательного подтверждения.

Может ли там существовать жизнь?

Если пространство за пределами наблюдаемой Вселенной продолжается и физические законы там такие же, как в нашей области, то нет очевидной причины исключать существование там звёзд, планет и жизни. Но проверить это практически невозможно.

Даже если за космологическим горизонтом находятся миллиарды потенциально обитаемых планет, мы не сможем обнаружить их обычным наблюдением, если никакой сигнал оттуда никогда не сможет достичь Земли. Это одно из наиболее необычных ограничений космологии: существование объекта и возможность получить о нём информацию — не одно и то же.

Мы видим прошлое, а не Вселенную такой, какая она сейчас

Есть ещё одна причина, почему понятие наблюдаемой Вселенной легко неправильно понять. Телескопы фактически смотрят в прошлое.

Когда мы наблюдаем галактику, расположенную в миллионах световых лет от Земли, мы видим её такой, какой она была миллионы лет назад. Чем дальше объект, тем более древний свет мы получаем.

Самый далёкий электромагнитный сигнал, доступный нашим наблюдениям, связан с космическим микроволновым фоном. Он возник примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала достаточно прозрачной для света.

До этого Вселенная была заполнена горячей плазмой, которая эффективно рассеивала фотоны. Поэтому непосредственно увидеть более ранние эпохи с помощью обычного света невозможно.

Это не означает, что до момента формирования космического микроволнового фона ничего не происходило. Напротив, ранняя Вселенная пережила множество важнейших процессов, просто информация о них дошла до нас в другой форме или пока остаётся недоступной.

У Вселенной может не быть «края»

Главный вывод современной космологии довольно необычен. Наблюдаемая Вселенная имеет горизонт, но это не обязательно граница всей Вселенной.

За горизонтом может находиться гораздо больше пространства. Оно может быть конечным или бесконечным, иметь сложную глобальную геометрию и содержать структуры, которые навсегда останутся недоступными нашим наблюдениям.

При этом выражение «за пределами Вселенной» может не иметь физического смысла. Если под Вселенной понимать всё существующее пространство-время, то невозможно указать место, которое находилось бы «снаружи» него.

Поэтому один из самых фундаментальных вопросов космологии сегодня звучит немного иначе: каков истинный размер и геометрия Вселенной и насколько большая её часть принципиально доступна нашим наблюдениям?

На этот вопрос у науки пока нет окончательного ответа. Мы можем довольно хорошо описывать ту часть космоса, которую способны наблюдать, но не знаем, насколько она мала по сравнению со всей Вселенной. И вполне возможно, что космический горизонт навсегда будет отделять человечество от большей части существующей реальности.