Kosmoloogid on intellektuaalsed ajarändurid. Miljarditele aastatele tagasi vaadates suudavad need teadlased hämmastavalt detailselt jälgida meie Universumi arengut. Järgnenud eoonide jooksul on meie kosmos kasvanud nii tohutuks suuruseks, et me ei näe enam selle teist külge.
Aga kuidas see saab olla? Kui valguse kiirus tähistab kosmilist kiirusepiirangut, siis kuidas võivad kosmoseaegsed piirkonnad olla, mille footonid on igavesti meie käeulatusest väljas? Ja isegi kui neid on, kuidas me teame, et need üldse olemas on?
Laienev universum
Nagu kõik muu füüsikas, püüab ka meie universum eksisteerida võimalikult väikeses energiaseisundis. Aga umbes 10 paiku-36 sekundit pärast Suurt Pauku usuvad inflatsioonilised kosmoloogid, et kosmos puhkas hoopis vale vaakumi energia - madala punkti, mis polnud tegelikult madal punkt - asemel. Otsides vaakumi energia tegelikku madalaimat taset, võib hetkeni minutilise murdosa jooksul õhku paiskuda universum50.
Sellest ajast alates on meie Universum laienenud, kuid palju aeglasemas tempos. Näeme tõestusi selle laienemise kohta kaugete objektide valguses. Kuna tähe või galaktika kiirgatavad footonid levivad kogu Universumis, põhjustab kosmose venimine neile energia kaotust. Kui footonid jõuavad meieni, on nende lainepikkused vastavalt läbitud vahemaale punaselt nihutatud.
Seetõttu räägivad kosmoloogid punasest nihest kui kauguse funktsioonist nii ruumis kui ka ajas. Nende kaugete objektide valgus on liikunud nii kaua, et kui me seda lõpuks näeme, näeme me objekte sellisena, nagu need olid miljardeid aastaid tagasi.
Hubble'i maht
Punaselt nihutatud valgus võimaldab meil näha objekte nagu galaktikad nagu nad eksisteerisid kauges minevikus; kuid me ei näe kõik sündmused, mis toimusid meie universumis selle ajaloo jooksul. Kuna meie kosmos laieneb, on mõnede objektide valgus lihtsalt liiga kaugel, et me seda kunagi näeksime.
Selle piiri füüsika tugineb osaliselt ümbritseva kosmoseaja killustikule, mida nimetatakse Hubble'i ruumalaks. Siin maakeral määratleme Hubble'i mahu, mõõtes parameetrit Hubble (H0), väärtus, mis seob kaugete objektide näilise languse kiiruse nende punanihkega. Esmakordselt arvutati see 1929. aastal, kui Edwin Hubble avastas, et kaugemad galaktikad näivad meist kaugenevat kiirusega, mis on võrdeline nende valguse punase nihkega.
Valguse kiiruse jagamine H-ga0, saame Hubble'i mahu. See sfääriline mull ümbritseb piirkonda, kus kõik objektid eemalduvad keskvaatlejast valguse kiirusest väiksema kiirusega. Vastavalt liiguvad kõik Hubble'i mahuvälised objektid keskelt eemalekiiremini kui valguse kiirus.
Jah, “kiirem kui valguse kiirus”. Kuidas on see võimalik?
Suhtevõime võlu
Vastus on seotud erilise ja üldrelatiivsuse vahega. Eriline relatiivsus nõuab nn inertsiaalset võrdlusraami - lihtsamalt öeldes - tausta. Selle teooria kohaselt on valguse kiirus kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamides võrdne. Olenemata sellest, kas vaatleja istub paigal planeedil pargipingil või suumib Neptuunist mööda futuristlikus suure kiirusega raketilaevas, on valguse kiirus alati sama. Foton liigub vaatleja juurest alati kiirusega 300 000 000 meetrit sekundis ja ta ei jõua kunagi järele.
Üldrelatiivsus kirjeldab aga kosmoseaja enda kangast. Selles teoorias puudub inertsiaalne võrdlusraam. Kosmoseaeg ei laiene mitte millegi suhtes väljaspool, seega valguse kiirus kui selle kiiruse piir ei kehti. Jah, väljaspool meie Hubble'i sfääri asuvad galaktikad taanduvad meist kiiremini kui valguse kiirus. Kuid galaktikad ise ei riku kosmilisi kiirusepiiranguid. Vaatleja jaoks ühes neist galaktikatest ei riku miski erilist relatiivsust. See on ruum meie ja nende galaktikate vahel, mis kiiresti vohab ja eksponentsiaalselt venib.
Vaadeldav universum
Nüüd järgmise pommi kohta: Hubble'i maht pole sama, mis vaadeldav Universum.
Selle mõistmiseks arvestage sellega, et Universumi vananedes on kaugel valgel rohkem aega meie detektoriteni siin Maa peal jõuda. Me võime näha objekte, mis on kiirenenud kui meie praegune Hubble'i maht, kuna täna nägime seda valgust, kui nad olid selles sees.
Rangelt öeldes langeb meie vaadeldav universum kokku nn osakeste horisont. Tahkete osakeste horisond tähistab kaugust kaugeimast valgusest, mida me praegusel hetkel võime näha - footonid, millel on olnud piisavalt aega, et jääda meie õrnalt laieneva Hubble'i sfääri sisse või jõuda selleni.
Ja mis see vahemaa siis on? Veidi enam kui 46 miljardit valgusaastat igas suunas - see annab meie vaadeldava Universumi läbimõõduks umbes 93 miljardit valgusaastat ehk enam kui 500 miljardit triljonit miili.
(Kiire märkus: osakeste horisont ei ole sama asi kui kosmoloogiliste sündmuste horisont. Osakeste horisont hõlmab kõiki minevikusündmusi, mida me praegu võime näha. Kosmoloogiline sündmuste horisont seevastu määratleb distantsi, mille jooksul tulevane vaatleja saab näha tollast iidset valgust, mida meie kosmose aegne väike nurk tänapäeval kiirgab.
Teisisõnu, osakeste horisont tegeleb kaugusega mineviku objektideni, mille iidset valgust võime täna näha; kosmoloogiliste sündmuste horisont tegeleb vahemaaga, mida meie tänapäeva valgus, mis suudab liikuda, kui Universumi kaugemad piirkonnad kiirendavad meist eemale.)
Tume energia
Tänu Universumi laienemisele on olemas kosmose piirkondi, mida me kunagi ei näe, isegi kui me võiksime oodata lõpmatu aja, kuni nende valgus meieni jõuab. Aga kuidas on lood nende piirkondadega, mis asuvad väljaspool meie tänase Hubble'i mahtu? Kui see sfäär ka laieneb, kas suudame neid piiriobjekte kunagi näha?
See sõltub sellest, milline piirkond laieneb kiiremini - Hubble'i maht või selle lähedal asuvad Universumi osad. Ja vastus sellele küsimusele sõltub kahest asjaolust: 1) kas H0 suureneb või väheneb ja 2) kas Universum kiireneb või aeglustub. Need kaks määra on omavahel tihedalt seotud, kuid need pole samad.
Tegelikult usuvad kosmoloogid, et me elame tegelikult ajal, mil H0 väheneb; kuid tumeda energia tõttu suureneb Universumi paisumise kiirus.
See võib tunduda vastuoluline, kuid nii kaua, kui H0 väheneb aeglasemalt määra kui see, mille ajal Universumi paisumiskiirus suureneb, toimub galaktikate üldine liikumine meist eemal ikkagi kiirendatud tempos. Ja praegusel hetkel usuvad kosmoloogid, et Universumi laienemine ületab Hubble'i mahu tagasihoidlikuma kasvu.
Ehkki meie Hubble'i maht laieneb, näib tumeda energia mõju üha suurenevas vaadeldavas universumis kõva piiri moodustavat.
Meie maised piirangud
Kosmoloogidel näib olevat hea käsitlus selliste sügavate küsimuste osas, nagu see, kuidas meie vaadeldav universum kunagi välja näeb ja kuidas kosmose paisumine muutub. Kuid lõppkokkuvõttes saavad teadlased teooriaid vastuseid tulevikku puudutavatele küsimustele ainult lähtudes nende tänapäevasest arusaamast universumist. Kosmoloogilised tähtajad on nii kujuteldamatult pikad, et selle kohta, kuidas universum tulevikus käitub, on võimatu midagi konkreetset öelda. Tänapäevased mudelid sobivad praeguste andmetega märkimisväärselt hästi, kuid tõsi on see, et keegi meist ei ela piisavalt kaua, et näha, kas ennustused vastavad tõepoolest kõigile tulemustele.
Pettumus? Muidugi. Kuid see on täiesti väärt jõupingutusi, et aidata meie pöörastel ajudel kaaluda sellist mõtlemist ajavat teadust - reaalsus, mis, nagu tavaliselt, on lihtsalt võõras kui väljamõeldis.
