Что находится за пределами нашей галактики
Спросите Итана: как выглядит край Вселенной?
Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной демонстрирует сложные неповторяющиеся скопления. Но с нашей точки зрения мы можем видеть конечный объём Вселенной. Что лежит за его пределами?
13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:
Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?
Начнём с нашего текущего местоположения, и заглянем так далеко, как сумеем.
Видимые нами звёзды и галактики, расположенные поблизости, выглядят так же, как наши. Но чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое Вселенной заглядываем: там она менее структурирована, моложе, и не так сильно развита
В непосредственной близости от нас Вселенная полна звёзд. Если улететь за 100 000 световых лет, то можно оставить за собой Млечный Путь. За ним простирается море галактик — возможно, два триллиона внутри наблюдаемой Вселенной. Существует огромное количество их разновидностей, форм, размеров и масс. Но разглядывая более удалённые галактики, можно увидеть нечто необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее то, что она будет меньше по размеру и по массе, а её звёзды будут тяготеть к голубому цвету сильнее, чем у ближайших галактик.
Чем отличаются галактики в разное время истории Вселенной
Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, полученный проектом Хаббла eXtreme Deep Field — величайшее из выпущенных изображение далёкой Вселенной
Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.
За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа — когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — реликтового излучения — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.
Систематическая диаграмма истории Вселенной, описывающая реионизацию. До формирования звёзд и галактик Вселенная была наполнена нейтральными атомами, блокировавшими свет. И хотя большая часть Вселенной подверглась реионизации только спустя 550 млн лет, некоторые более удачливые участки практически реионизировались раньше этого срока.
С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого — только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния — это всё равно, что заглядывать в прошлое.
Представление художника в виде логарифмической концепции наблюдаемой Вселенной. За галактиками следует крупномасштабная структура и горячая, плотная плазма Большого взрыва на задворках. Край является границей только во времени.
Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в 46,1 млрд световых лет от нашего местоположения — это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?
Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во все стороны с нашей точки зрения, но наверняка есть и больше ненаблюдаемых частей Вселенной, возможно, даже бесконечное количество, похожих на ту, в которой находимся мы
Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей, космических войдов, простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.
Одно из самых удалённых наблюдений Вселенной демонстрирует расположенные неподалёку звёзды и галактики, но галактики из внешних участков просто выглядят моложе и менее развитыми. С их точки зрения им 13,8 млрд лет от роду, и они более развитые, а мы кажемся им такими, какими были миллиарды лет назад
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Взгляд за звёзды: что встречается за пределами Галактики
Кроме учёных, которые активно занимаются исследованиями космоса, и больших фанатов астрономии для основной аудитории новости о космосе ограничиваются, пожалуй, сообщениями о пусках ракет и возвращении очередной экспедиции с международной космической станции (МКС). На самом же деле, если окунуться в эту тему, то можно едва ли не ежедневно узнавать что-то новое и неизведанное.
В 2019 году учёные начали изучать галактику NGC 6240, находящуюся от нас примерно в 300 миллионах световых лет. Эта неправильная галактика (не имеет ни спиральной, ни эллиптической структуры, а отличается хаотичной формой без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей) интересна тем, что, как предполагают исследователи, она образовалась в результате столкновения двух галактик, что привело к наличию в NGC 6240 двух сверхмассивных черных дыр. Но более детальное изучение показало, что в галактике находится сразу три сверхмассивные чёрные дыры и это указывает на возникновение NGC 6240 в результате столкновения трёх галактик. И это первая обнаруженная учёными подобная концентрация сверхмассивных чёрных дыр.
Ещё одним сюрпризом для специалистов стала галактика «Маркариан 231», отстоящая от Земли на 561 миллион световых лет. Эта галактика питается от квазара (чрезвычайно яркого, одного из самых ярких объектов во Вселенной, ядра галактики, в центре которой находится сверхмассивная чёрная дыра), который является ближайшим к нам. Помимо этого Маркариан 231 примечателен тем, что внутри этой галактики находится две активные сверхмассивные чёрные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, что приводит к массовому оттоку молекул из-за сверхмощного излучения.
По мнению учёных, это привело к тому, что содержание кислорода по сравнению с водородом в «Маркариане 231» в 100 раз выше, чем в туманности Ориона, которая до этого считалась одним из основных кандидатов на обнаружение в ней молекулярного кислорода. Сейчас астрономы готовятся к детальному изучению «Маркариан 231», ожидая сделать новые научные открытия.
Кроме того астрофизики смогли установить, что два миллиарда лет тому назад третья по размерам галактика Местной группы, названная учёными M32p, столкнулась с галактикой Андромеды. В результате этой катастрофы галактика перестала существовать, превратившись в слабо заметное звёздное гало, размерами превышающее саму Андромеду, а также в М32 — карликовую галактику и спутник Андромеды.
Это открытие позволило исследователям разрушить существовавшую до того идею, что столкновение сопоставимых по размеру галактик приводит к разрушению центральных дисков обеих. Как показал опыт Андромеды, галактика способна пережить столкновение с М32p, сохранив структуру своего центрального диска. И это стало дополнительным источником данных для науки и поставило очередную задачу — уточнить, что же происходит при столкновении галактик.
Вселенная служит бесконечным источником новых знаний и загадок. Например, учёные обнаружили в 9 миллиардах световых лет от Земли галактику, содержащую чрезвычайно больше количество тёмной материи, что противоречит современным теориям о молодой Вселенной. Или загадочное свечение внутри Галактического Центра, которое может быть связано также с тёмной материей, но исследователи пока не могут понять как именно. Нельзя не забывать о космическом объекте OGLE-2016-BLG-1190Lb, который в 13 раз массивнее Юпитера и вращается вокруг звезды в 22 тысячах световых лет от Солнца, но непонятен с точки зрения классификации — это или планета, или коричневый карлик. Для планеты объект слишком велик, а для коричневого карлика нехарактерно вращение вокруг звезды, что зафиксировано у OGLE.
И таких открытий, порождающих ещё больше вопросов, учёные делают множество. Никто и никогда не сомневался, что Вселенная таит в себе множество загадок, которых хватит на всю историю человечества, но, вероятно, даже сами исследователи не могли предположить, что сделанные ими открытия не дадут ответы, а скорее поставят их в ещё более затруднительное положение.
Что находится за пределами Вселенной
Что находится за пределами Вселенной? Этим вопросом задаются как ученые, так и обычные люди, интересующиеся тайнами мироздания. Та часть звездного неба, что доступна нам по ночам, является лишь небольшой частью огромного космического пространства. В научном сообществе все еще ведутся споры о том, где проходит граница Вселенной и есть ли она вообще.
Существует множество гипотез, рассуждающих о возможных пределах космоса. Но главная проблема каждой из них заключается в том, что их невозможно ни доказать, ни опровергнуть. Современные космические технологии не позволяют нам исследовать настолько огромное пространство. Поэтому научное сообщество продолжает выдвигать свои гипотезы о том, что находится на краю Вселенной и за ее пределами. С самыми популярными из них вы познакомитесь в этой статье.
Мультивселенная
Обозримая Вселенная
Прежде чем начать рассуждения о том, что находится за пределами Вселенной, необходимо понять, где эти самые пределы. Естественно, узнать о настоящих границах космического пространства мы не можем, но точно знаем, где заканчивается обозримая часть Вселенной – Метагалактика.
Наблюдаемый космос – это пространство, из которого наши технологии способны регистрировать рассеяние реликтового излучения. Те области, где оно заканчивается, и принято считать за границы обозримого космоса. Реликтовое излучение – это энергия, высвободившаяся во время Большого взрыва и распространяющаяся по Вселенной до сих пор. Примерный радиус Метагалактики составляет 46 миллиардов световых лет.
Обозримая Вселенная
Однако насчет обозримой Вселенной у ученых есть два противоположных мнения. Одни считают, что за пределами Метагалактики есть и другие системы, а мы наблюдаем лишь малую часть необъятного космоса. Другое мнение говорит о том, что это и есть вся Вселенная, и за ее пределами уже ничего нет.
Помимо Метагалактики, есть такое понятие, как область Хаббла. Так называют часть обозримого космоса, которую мы можем увидеть с помощью своих технологий. Она составляет примерно 13,8 миллиарда световых лет. Так как возраст Вселенной составляет примерно столько же, свет из ее более далеких областей до нас еще попросту не дошел. Область Хаббла рано или поздно расширится, увеличив количество наблюдаемых нами звездных систем.
Мультивселенная
С обозримыми границами Вселенной разобрались, но что же находится за их пределами? Если космическое пространство представляет собой ограниченную область, пусть и очень большую, то почему рядом с ней не может существовать других подобных территорий? Что если наша Вселенная не единственная в своем роде, а лишь одна из бесчисленного множества?
Мультивселенная
Гипотеза Мультивселенной говорит о том, что каждая отдельная Вселенная представляет собой нечто вроде пузыря, формирующегося из вещества во время Большого взрыва. Все миры рождаются, эволюционируют и в конечном итоге умирают, сменяясь новыми. Одним из наиболее известных сторонников данной гипотезы был Стивен Хокинг. Также ее поддерживают, пожалуй, самый известный популяризатор науки астрофизик Нил Деграсс Тайсон, один из первых людей в области квантовых вычислений Дэвид Дойч, Алан Харви Гут – первый физик, предложивший идею космической инфляции, и Брайан Рэндолф Грин – известный популяризатор теории струн.
Стивен Хокинг
В Мультивселенной существует бесконечное множество «пузырей», которые работают по одним и тем же законам природы, но находятся в разных состояниях. Параллельные Вселенные никак не зависят друг от друга и практически не взаимодействуют.
Эта гипотеза на данном этапе даже не совсем научная. Она предполагает, что может находиться за пределами Вселенной, но доказать или хотя бы попытаться экспериментально проверить не может. Поэтому пока это скорее философский вопрос, чем научный. Но, если предположение окажется правдой, это будет означать, что, помимо нашей, существует огромное количество Вселенных с конечными размерами и продолжительностью жизни.
Полное ничто
Космос постоянно расширяется. Это утверждение официально признано современным научным сообществом. Но даже ученые не могут сказать, будет ли это продолжаться вечно и до каких масштабов может увеличиться Вселенная.
Некоторые теоретики предполагают, что наш мир имеет свои границы, но за их пределами нет ничего. Согласно такой гипотезе, когда Вселенная заканчивается, остается лишь абсолютная пустота, полное ничего, в котором не действуют ни одни законы физики. Туда не доходит свет, его нельзя ощутить, увидеть, там нет времени и пространства. Гипотеза гласит, что космос представляет собой замкнутый шар, который парит в бесконечном ничего, к которому не применимы ни одни из знакомых нам физических параметров.
Теория абсолютной пустоты
Осознать и принять абсолютную пустоту довольно сложно для человеческого мозга. Даже если гипотеза верна, мы не сможем представить, как выглядит полное ничто. Черный фон? Белый? Матрица? Гадать можно долго, но вряд ли мы действительно сможем это представить.
Голограмма
Гипотеза довольно сложная, и ее даже понять тяжело, не то что доказать. Если вдруг она окажется правдой, это будет означать, что все законы природы, работающие в трехмерном мире, на самом деле так не работают и являются лишь искажением. Если за пределами нашей Вселенной лежит первичная плоскость, то мы даже представить себе не сможем, как в ней все устроено. Наряду с абсолютной пустотой и Мультивселенной эта теория, как и сотни других, являются больше философскими, чем научными. А что на самом деле находится за пределами Вселенной мы вряд ли когда-нибудь узнаем.
Есть ли что-либо за пределами Вселенной?
Попытаемся найти ответ вместе с Полом М. Саттером – астрофизиком из Института Флэтайрона, ведущим программы “Спроси космонавта” и космического радио, а также автором книги “Как умереть в космосе”.
Это один из самых интересных вопросов, который вы могли бы задать, и тот, который человечество задаёт себе с незапамятных времён: что находится за известными пределами? Что находится за границами наших карт? Окончательная версия этого вопроса: что находится за пределами Вселенной? Ответ… ну, он очень сложный.
Чтобы ответить на вопрос о том, что находится за пределами Вселенной, нам сначала нужно точно определить, что мы подразумеваем под “Вселенной”. Если вы подумаете, что это определение обозначает буквально всё, что могло бы существовать во всём пространстве и времени, тогда не может быть ничего вне Вселенной. Даже если вы представите, что Вселенная имеет некоторый конечный размер, и представите что-то за пределами этого объёма, тогда всё, что находится снаружи, также должно быть включено в понятие Вселенной.
Даже если Вселенная представляет собой бесформенную, бесконечную пустоту, состоящую из абсолютно ничего, это всё же объект и он относится к списку “всего сущего” – и, следовательно, по определению является частью Вселенной.
Если Вселенная бесконечна по размеру, вам не нужно беспокоиться о вышеупомянутом вопросе. Вселенная, будучи всем, что есть, бесконечно велика и не имеет границ, поэтому ни о каком внешнем мире нечего даже и говорить.
На этом изображении показана самая далёкая галактика GN-z11. Авторы и права: NASA / ESA / P. Oesch, Yale University / G. Brammer, STScI / P. van Dokkum, Yale University / G. Illingworth, University of California, Santa Cruz.
Однако, у нашего наблюдаемого участка Вселенной есть внешняя сторона. Текущая ширина наблюдаемой Вселенной составляет около 90 миллиардов световых лет. И, предположительно, за этой границей есть ещё куча других звёзд и галактик.
Но что на самом деле там находится? Сложно сказать.
Кривизна Вселенной
Космологи не уверены, бесконечно велика Вселенная или просто чрезвычайно велика. Чтобы измерить Вселенную, астрономы вместо этого смотрят на её кривизну. Геометрическая кривая Вселенной в больших масштабах говорит нам о её общей форме. Если Вселенная идеально геометрически плоская, то она может быть бесконечной. Если она изогнута, как поверхность Земли, то она имеет конечный объём.
Текущие наблюдения и измерения кривизны Вселенной показывают, что она почти идеально плоская. Вы можете подумать, что это означает, что Вселенная бесконечна. Но не всё так просто. Даже в случае плоской Вселенной космос не обязательно должен быть бесконечно большим. Возьмём, к примеру, поверхность цилиндра. Он геометрически плоский, потому что параллельные линии, проведённые на поверхности, остаются параллельными (это одно из определений “плоскостности”), но при этом цилиндр имеет конечный размер. То же самое можно сказать и о Вселенной: она может быть совершенно плоской, но замкнутой сама по себе.
Иллюстрация, показывающая мультивселенную, в которой наша Вселенная лишь одна из многих. Авторы и права: Jaime Salcido/simulations by the EAGLE Collaboration.
Но даже если Вселенная конечна, это не обязательно означает, что у неё есть край или внешняя сторона. Возможно, наша трёхмерная Вселенная встроена в какую-то более крупную многомерную конструкцию. Это прекрасно и действительно является частью некоторых экзотических астрофизических моделей. Однако, в настоящее время у нас нет возможности проверить это.
И я знаю, что это вызывает огромную головную боль, но даже если Вселенная имеет конечный объём, её не нужно встраивать куда-либо.
Всё дело в перспективе
Вы можете представить Вселенную, как гигантский шар, наполненный звёздами, галактиками и всевозможными интересными астрофизическими объектами. Вы можете представить, как это выглядит снаружи, подобно тому как космонавт смотрит на земной шар с орбиты.
Но Вселенной не нужна эта внешняя перспектива, чтобы существовать. Вселенная просто есть. Определение трёхмерной Вселенной без необходимости внешнего по отношению к этой Вселенной является полностью математически самосогласованным предположением. Когда вы представляете Вселенную как шар, плавающий посреди ничего, вы обманываете сами себя, но этого не требует математика.
На этой иллюстрации показана эволюция Вселенной, от Большого Взрыва слева до современности справа. Авторы и права: NASA.
Конечно, кажется невозможным, чтобы существовала конечная Вселенная, вне которой не было бы ничего. И даже не “ничего” в смысле пустой пустоты, а ничего полностью математически неопределённого. Фактически, спрашивая: “Что находится за пределами Вселенной?”, это всё равно что спросить: “Какой звук издаёт фиолетовый цвет?” Это бессмысленный вопрос, потому что вы пытаетесь объединить две не связанных между собой концепции.
Вполне может быть, что у нашей Вселенной действительно есть граница. Но опять же, вероятно, это не так, поскольку в математике нет ничего, что описывает Вселенную, требующую внешнего наблюдателя.
Если всё это звучит сложно и запутанно, не волнуйтесь. Весь смысл развития сложной математики состоит в том, чтобы иметь инструменты, которые дают нам возможность разбираться с понятиями, выходящими за рамки того, что мы можем себе вообразить. И это одна из возможностей современной космологии: она позволяет нам изучать невообразимое.