Cosmologii sunt călători intelectuali în timp. Privind în urmă cu miliarde de ani, acești oameni de știință sunt capabili să urmărească evoluția Universului nostru în detalii uluitoare. De-a lungul eonilor următori, cosmosul nostru a crescut la o dimensiune atât de enormă încât nu mai putem vedea cealaltă parte a acestuia.
Dar cum poate fi asta? Dacă viteza luminii marchează o limită de viteză cosmică, cum poate exista, probabil, regiuni de spațiu-timp ale căror fotoni sunt la îndemâna noastră? Și chiar dacă există, de unde știm că ele există deloc?
Universul în expansiune
Ca orice altceva în fizică, Universul nostru se străduiește să existe în cea mai mică stare de energie posibilă. Dar în jurul orei 10-36 la câteva secunde după Big Bang, cosmologii inflaționali cred că cosmosul s-a găsit în repaus la o „falsă energie vid” - un punct scăzut care nu a fost într-adevăr un punct scăzut. Căutând adevăratul număr de energie în vid, peste o fracțiune de minut, se crede că Universul a balonat cu un factor de 1050.
De atunci, Universul nostru a continuat să se extindă, dar într-un ritm mult mai lent. Vedem dovezi ale acestei extinderi în lumina de la obiecte îndepărtate. Pe măsură ce fotonii emiși de o stea sau o galaxie se propagă prin Univers, întinderea spațiului îi determină să piardă energie. Odată ce fotonii ajung la noi, lungimile de undă ale acestora au fost redinse în funcție de distanța parcursă.
Acesta este motivul pentru care cosmologii vorbesc despre redshift ca funcție a distanței atât în spațiu, cât și în timp. Lumina de la aceste obiecte îndepărtate călătorește atât de mult, încât, când o vedem în sfârșit, vedem obiectele așa cum erau acum miliarde de ani.
Volumul Hubble
Lumina redshifted ne permite să vedem obiecte ca galaxii așa cum au existat în trecutul îndepărtat; dar nu putem vedea toate evenimente care au avut loc în Universul nostru în timpul istoriei sale. Deoarece cosmosul nostru se extinde, lumina de la unele obiecte este pur și simplu prea departe pentru a ne putea vedea vreodată.
Fizica acelei granițe se bazează, în parte, pe o bucată de spațiu înconjurător numită volumul Hubble. Aici, pe Pământ, definim volumul Hubble măsurând ceva numit parametrul Hubble (H0), o valoare care raportează viteza de recesiune aparentă a obiectelor îndepărtate cu redshift-ul lor. A fost calculat pentru prima dată în 1929, când Edwin Hubble a descoperit că galaxiile îndepărtate par să se îndepărteze de noi, într-un ritm proporțional cu redshift-ul luminii lor.
Împărțirea vitezei luminii cu H0, obținem volumul Hubble. Această bulă sferică cuprinde o regiune în care toate obiectele se îndepărtează de un observator central la viteze mai mici decât viteza luminii. În mod corespunzător, toate obiectele din afara volumului Hubble se îndepărtează de centrumai repede decât viteza luminii.
Da, „mai rapid decât viteza luminii.” Cum este posibil acest lucru?
Magia relativității
Răspunsul are legătură cu diferența dintre relativitatea specială și relativitatea generală. Relativitatea specială necesită ceea ce se numește „cadru de referință inerțial” - mai simplu, fundal. Conform acestei teorii, viteza luminii este aceeași în comparație cu toate cadrele de referință inerțiale. Indiferent dacă un observator stă nemișcat pe o bancă a parcului de pe planeta Pământ sau se apropie de Neptun într-o rachetă futuristă de mare viteză, viteza luminii este întotdeauna aceeași. Un foton călătorește întotdeauna departe de observator la 300.000.000 de metri pe secundă și el sau ea nu va mai prinde niciodată.
Totuși, relativitatea generală descrie în sine structura spațiului. În această teorie, nu există un cadru de referință inerțial. Spațiu-timpul nu se extinde în raport cu nimic din exteriorul său, astfel încât viteza luminii ca limită a vitezei sale nu se aplică. Da, galaxiile din afara sferei noastre Hubble se retrag de la noi mai repede decât viteza luminii. Dar galaxiile în sine nu rup nici o limită de viteză cosmică. Pentru un observator din una dintre acele galaxii, nimic nu încalcă deloc relativitatea specială. Este spațiul dintre noi și acele galaxii care se dezvoltă rapid și se întinde exponențial.
Universul observabil
Acum pentru următoarea foaie bombă: volumul Hubble nu este același lucru cu Universul observabil.
Pentru a înțelege acest lucru, consideră că pe măsură ce Universul îmbătrânește, lumina îndepărtată are mai mult timp pentru a ajunge la detectoarele noastre de pe Pământ. Putem vedea obiecte care au accelerat dincolo de volumul nostru actual Hubble, deoarece lumina pe care o vedem astăzi a fost emisă atunci când se aflau în el.
Strict vorbind, Universul nostru observabil coincide cu ceva numit orizont de particule. Orizontul de particule marchează distanța până la cea mai îndepărtată lumină pe care o putem vedea în acest moment în timp - fotoni care au avut suficient timp pentru a rămâne înăuntru sau pentru a ajunge la sfera noastră Hubble care se extinde ușor.
Și doar care este această distanță? Puțin mai mult de 46 de miliarde de ani-lumină în toate direcțiile - oferind Universului nostru observabil un diametru de aproximativ 93 de miliarde de ani-lumină sau mai mult de 500 de miliarde de miliarde de mile.
(O notă rapidă: orizontul de particule nu este același lucru cu orizont de eveniment cosmologic. Orizontul de particule cuprinde toate evenimentele din trecut pe care le putem vedea în prezent. Pe de altă parte, orizontul cosmologic al evenimentului definește o distanță în care un viitor observator va putea vedea lumina antică, pe care micul nostru colț de spațiu o emite astăzi.
Cu alte cuvinte, orizontul de particule tratează distanța față de obiectele trecute a căror lumină străveche pe care o putem vedea astăzi; orizontul de eveniment cosmologic abordează distanța pe care lumina noastră actuală care va putea să o parcurgă ca regiuni îndepărtate ale Universului să accelereze departe de noi.)
Energie întunecată
Datorită extinderii Universului, există regiuni ale cosmosului pe care nu le vom vedea niciodată, chiar dacă am putea aștepta o perioadă infinită de timp pentru ca lumina lor să ajungă la noi. Dar cum rămâne cu acele zone situate chiar dincolo de raza de acțiune a volumului nostru actual Hubble? Dacă această sferă se extinde, vom putea vreodată să vedem acele obiecte de graniță?
Aceasta depinde de ce regiune se extinde mai repede - volumul Hubble sau părțile Universului chiar în afara lui. Iar răspunsul la această întrebare depinde de două lucruri: 1) dacă H0 crește sau scade și 2) dacă Universul se accelerează sau se decelerează. Aceste două rate sunt strâns legate, dar nu sunt aceleași.
De fapt, cosmologii cred că trăim de fapt într-o perioadă în care H0 scade; dar din cauza energiei întunecate, viteza de extindere a Universului este în creștere.
Poate suna contraincurent, dar atâta timp cât H0 scade mai lent rată decât cea la care viteza de expansiune a Universului crește, mișcarea generală a galaxiilor depărtare de noi are loc totuși într-un ritm accelerat. Și în acest moment în timp, cosmologii cred că expansiunea Universului va întrece creșterea mai modestă a volumului Hubble.
Deci, chiar dacă volumul nostru Hubble se extinde, influența energiei întunecate pare să ofere o limită dură Universului observabil în continuă creștere.
Limitările noastre pământești
Cosmologii par să aibă un bun control asupra întrebărilor profunde, cum ar fi aspectul Universului nostru observabil într-o zi și cum se va schimba expansiunea cosmosului. Dar, în cele din urmă, oamenii de știință nu pot decât să teoretizeze răspunsurile la întrebări despre viitor, pe baza înțelegerii lor actuale a Universului. Perioadele cosmologice sunt atât de inimaginabil de lungi, încât este imposibil să spui mult despre ceva concret despre modul în care Universul se va comporta în viitor. Modelele de astăzi se potrivesc destul de bine cu datele actuale, dar adevărul este că niciunul dintre noi nu va trăi suficient de mult pentru a vedea dacă previziunile se potrivesc cu adevărat cu toate rezultatele.
Dezamăgitor? Sigur. Însă merită în totalitate efortul de a ajuta creierii noștri înțepători să ia în considerare o astfel de știință care ține de minte - o realitate care, ca de obicei, este doar mai străină decât ficțiunea.
