Колко е голяма видимата Вселена?

Вселената представлява едно наистина огромно пространство, изпълнено с галактики, мъглявини, звездни купове, отделни звезди, планети с техните спътници, комети, астероиди. Но не само това. Тя съдържа още тъмна материя, тъмна енергия и… вакуум. Вселената е толкова огромна, че точността на този отговор (колко?) е ограничен от нашето ниво на развитие.

Каквото и да говорим обаче, разбирането на този въпрос е пряко свързано с няколко ключови фактора. Един от тях например е разбирането на това, какво представлява Космосът, а и осъзнаването, че това, което виждаме, е само „видимата Вселена“. Изясняването на истинските реални размери на Вселената не е по силите на съвременната наука, защото нашите възможности и сетива просто не позволяват да видим „нейния край“.

Всичко, което се намира отвъд пределите на Вселената, си остава загадка за човечеството и е предмет на безкрайни спорове и дискусии в средите на астрофизиците. Можем ли обаче да обясним с по-прости думи и без много математика какви са днешните разбирания на науката по този проблем? За да опитаме обаче, е задължително да познаваме поне базовите принципи за това, как в наши дни учените определят разстоянията в Космоса.

Светлината

Най-простият метод за определяне на разстоянията в Космоса е използването на физичното явление „светлина“. Макар и да знаем как светлината се разпространява в празното пространство, то като за начало е добре да знаете (а вие вероятно го знаете), че тези обекти – звезди, галактики, планети, които виждаме с телескопи или невъоръжено око, почти със сигурност НЕ изглеждат вече така, както ги виждаме. Причината е, че светлината - особено от по-далечните обекти - достига до очите ни много години след като е „отпътувала“ оттам. Тя може да пътува десетки, стотици, милиони – дори милиарди години!

Скоростта на светлината, както добре знаете, е около 300 000 километра в секунда – най-бързото нещо във Вселената. Но за подобно гигантско място понятието „секунда“ не е идеална величина за измервания. Затова астрономите са приели термина „светлинна година“ за измерване на огромните космически разстояния.

Една светлинна година е приблизително равна на разстояние от 9 460 730 472 580 800 метра и освен че ни дава някаква представа за разстояние, ни говори и за това, от какво време се нуждае светлината на обекта да достигне до нашите очи.

Най-простият пример за разликата между време и разстояние се явява светлината на нашата звезда – Слънцето. Средното разстояние от Земята до него е около 150 000 000 километра. Ако разполагате с подходящ телескоп и защита за очите ви, можете да наблюдавате Слънцето, но ето какво се случва. Вие наблюдавате нашата звезда, но това, което виждате в окуляра, всъщност… се е случило там преди около 8 минути. Или толкова време е нужно на светлината да се добере от центъра на Слънцето до вашите очи.

Ако наблюдавате с телескопа си светлината на Проксима Центавър, трябва да знаете, че вие гледате „назад във времето“ - преди 4 години. А това е една от най-близките звезди до нас. Ако искате да наблюдавате крупния червен гигант Бетелгейзе, която скоро вероятно ще се взриви като свръхнова, е добре да знаете, че… тя вече може и да се е взривила. Но ние тук, на Земята, ще разберем за това събитие не по-рано от средата на XXVII век.

Светлината и нейните свойства са изиграли ключова роля в разбиранията ни за това, колко е огромна Вселената. В настоящия момент нашите възможности ни позволяват да разглеждаме нашата реалност и да определим общия и размер на около 46 милиарда светлинни години. Но как учените са дошли до този извод? Благодарение на практическата физика и методите за изчисление на разстоянията, открити от талантливи астрономи.

Скалата на разстоянията

Телескопите на практика са единствените ни инструменти за измерване на космическите разстояния, но невинаги са способни да се справят с това предизвикателство. Колкото по-надалеч се намира даден обект и колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-трудно е да го измерим.

Радиотелескопите отлично могат да измерват разстоянията, но… само вътре в нашата Слънчева система. В тази рамка те наистина предоставят точни данни. Но само да насочите погледа им извън пределите на тази зона и… ефективността им рязко се съкращава. Няма нужда сега да обясняваме причините за това (различни смущения, шумове, затихвания и сложни термини). Факт е обаче, че за далечни разстояния те не са ефективни и астрономите са решили да прибягнат към друг метод за измерване на разстояния – паралакса.

Какво е това паралакс? Ето един прост пример. Закрийте едното си около и наблюдавайте някакъв обект известно време. След това закрийте другото око, отворете първото и отново наблюдавайте обекта. Забелязвате ли неголямо „изменение в положението му“? Сякаш той „бяга“ лекичко наляво и надясно. Това „движение“ спрямо относителната позиция на обекта се нарича паралакс – метод, който днес се използва масово за определяне на разстоянията в Космоса. Той работи отлично, когато става дума за звезди, намиращи се в относителна близост до нас – например в радиус от около 100 светлинни години. Но когато и този метод стане неефективен (с увеличение на разстоянието), учените прибягват към други методи.

Следващият способ за определяне на разстояния носи името „метод на главната последователност“. Той се базира на нашите знания за това, как звездите с различни размери и тип се променят с времето. Отначало учените определят яркостта и цвета на звездата, а след това сравняват показателите с най-близките звезди с аналогични характеристики. Въз основа на тези данни определят приблизителното разстояние. За съжаление и този метод има ограничения и може да даде информация за разстоянията до звездите и галактиките, които се намират в радиус от 100 000 светлинни години.

За да погледнат още по-надалеч във Вселената, астрономите използват и метода на измерване по цефеидите. Той е открит и разработен от американката Хенриета Суон Левит – астроном и астрофизик, която открива зависимост между периода на изменение на блясъка и светимостта на звездите. Благодарение на този метод много астрономи могат да определят разстоянията до звездите не само вътре в нашата галактика, но и далеч отвъд нейните предели. В някои случаи чрез този метод могат да се определят разстояния до 10 милиона светлинни години.

Въпреки тези огромни разстояния по въпроса за големината на Вселената все още правим много малки крачки. Затова вече се налага да пристъпим към един ултимативен метод и средство за измерване, базирано на принципа на „червеното отместване“. Сигурно сте чували за този метод, който е аналогичен на Доплеровия ефект. Последният често е илюстриран в учебниците или със звука на приближаваща се и отдалечаваща се линейка (по-висок звук, който след това понижава тона си надолу) или с приближаващ се и отдалечаващ се влак и неговата „свирка“.

Светлината, като всяко електромагнитно лъчение, работи на сходен принцип. Ако разгледате една спектрограма, ще видите черни линии по нея. Те показват границите на поглъщането на цвета на химичните елементи, намиращи се вътре и около източника на светлина. Колкото повече са отместени черните линии към червения край на спектъра, толкова по-далече се намира обектът от нас. На базата на подобни спектрограми учените определят и това, колко бързо се отдалечава или приближава даден обект към нас.

Посочвайки тези методи, лека-полека се доближаваме към големия отговор на темата. Голямата част от светлината, която наблюдаваме и измерваме с метода на червеното отместване, принадлежи на галактики, чиято възраст е около 13,8 милиарда години.

Възрастта не е най-важното

Ако след всичко, което вече сте прочели, сте дошли до извода, че радиусът на наблюдаемата Вселена е около 13.8 милиарда светлинни години, то вие не сте отчели един важен детайл. Работата е там, че по време на тези 13.8 милиарда години Вселената е продължила да се разширява. Или с други думи това означава, че реалният размер на нашата Вселена е много по-голям, отколкото измерваме и виждаме днес.

За да узнаем реалния размер на Вселената, трябва да добавим дори още един показател – а именно това, колко бързо се е разширявала Вселената по времето на Големия взрив, а и до днес. Физиците твърдят, че в последно време са изчислили с голяма точност тези стойности и според масово възприетите резултати радиусът на видимата Вселена в дадения момент трябва да е около 46.5 милиарда светлинни години.

И още нещо – трябва да приемем, че всичките ни сметки се базират на това, което можем да видим с нашите сетива. Освен това днешните учени си блъскат главите и над още едно несъответствие, съгласно което по-отдалечените от нас галактики във Вселената са толкова добре оформени и еволюирали, че е доста невероятно това да се е случило непосредствено след Големия взрив. Те просто не са „имали време“ да се развият толкова много. За такова ниво на развитие просто трябва доста повечко време. Така че доста въпроси остават открити.

Може би просто не виждаме всичко?

Последният посочен необясним факт открива дори цял нов ред проблеми. Някои учени са се опитали да изчислят колко време би било необходимо за развитието на едни такива напълно формирани галактики. Получените числа водят до извода (на учени от Оксфорд), че реалният размер на Вселената може би е дори 250 пъти по-голям от това, което днес наблюдаваме!

Ние действително сме способни да измерваме разстояния до обекти в пределите на видимата Вселена, но това, което се намира на нейната граница, наистина не е известно. И, разбира се – учените се опитват да изяснят и това, но както вече споменахме – човешките възможности са ограничени от нивото ни на технически прогрес. Освен това никога не е добре да отхвърляме и още една възможност, която много днешни учени споделят – че хората така или иначе никога няма да разберат точния размер на Вселената. Това просто не е възможно. А какво смятате вие?