Obserwowalny Wszechświat jest większy, niż sugeruje jego wiek
Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, lecz promień obserwowalnej części kosmosu nie wynosi po prostu 13,8 miliarda lat świetlnych. Światło najdalszych regionów leciało do nas przez niemal cały wiek kosmosu, ale w tym samym czasie przestrzeń nadal się rozszerzała. Regiony, z których to światło pochodzi, są dziś w kosmologicznym sensie znacznie dalej niż droga przebyta przez foton w statycznej przestrzeni. Dlatego granica obserwowalnego Wszechświata znajduje się dziś w odległości rzędu kilkudziesięciu miliardów lat świetlnych. I nadal nie jest to „brzeg całego Wszechświata” — tylko granica tego, skąd informacja mogła do nas dotrzeć.
Pozorny paradoks
Pierwsza intuicja jest mocna: skoro Wszechświat istnieje około 13,8 miliarda lat, światło nie mogło przelecieć więcej niż 13,8 miliarda lat świetlnych. To prawda tylko wtedy, gdy odległość między początkiem i końcem podróży jest mierzona w niezmiennej przestrzeni. W rzeczywistym kosmosie metryczne odległości między bardzo odległymi, niezwiązanymi strukturami rosną w czasie. Foton zmierzał ku nam, ale „linijka”, którą dziś mierzymy kosmiczną separację, również ewoluowała. Z tego powodu czas lotu światła i dzisiejsza odległość do źródła nie są tym samym.
Horyzont cząstek
Granica obserwowalnego Wszechświata jest horyzontem wynikającym z historii kosmosu. W danym wieku istnieją regiony tak dalekie, że żaden sygnał wysłany z nich po początku gorącej fazy nie zdążył jeszcze do nas dotrzeć. To nie jest ściana ani fizyczna membrana. Obserwator w innej galaktyce ma własny obserwowalny Wszechświat, częściowo nakładający się z naszym, ale wyśrodkowany na nim. Zasada ta przypomina horyzont na Ziemi: horyzont mówi o granicy widoczności z danego miejsca, a nie o końcu powierzchni planety.
Skąd bierze się wielkość kilkudziesięciu miliardów lat świetlnych?
Kosmolodzy obliczają ją, integrując historię ekspansji opisaną przez parametry zgodne z obserwacjami promieniowania tła, supernowych, wielkoskalowej struktury i innych danych. W standardowym modelu światło, które dociera do nas z bardzo wczesnego Wszechświata, zostało wyemitowane przez materię, która od tego czasu została wraz z kosmiczną ekspansją znacznie dalej. Stąd często podawany dzisiejszy promień obserwowalnego Wszechświata rzędu około 46 miliardów lat świetlnych. Dokładne liczby zależą od przyjętych parametrów i definicji odległości.
Obserwowalny to nie to samo co cały
Nie znamy całkowitego rozmiaru Wszechświata. Może on być dużo większy niż część dostępna obserwacjom, a w niektórych modelach przestrzeń może być nieskończona. Dane mówią nam bardzo dużo o geometrii i ewolucji regionu, do którego mamy dostęp przyczynowy, ale nie dają prostego sposobu na zobaczenie poza horyzontem. To ważne rozróżnienie: „obserwowalny Wszechświat” jest terminem operacyjnym dotyczącym informacji, która mogła do nas dotrzeć, a nie deklaracją o pełnym rozmiarze całej rzeczywistości.
Dlaczego granica może się zmieniać?
W miarę upływu czasu część sygnałów z niektórych regionów może po raz pierwszy docierać do obserwatora, więc horyzont cząstek ewoluuje. Jednocześnie przyspieszająca ekspansja wprowadza inny rodzaj ograniczenia — kosmologiczny horyzont zdarzeń. Są regiony, z których sygnały wysłane odpowiednio późno mogą nigdy do nas nie dotrzeć, jeśli przyspieszenie będzie trwałe. Dwa horyzonty odpowiadają zatem na inne pytania: skąd zdążyła nadejść informacja do dziś oraz skąd informacja wysłana w przyszłości może kiedykolwiek do nas dotrzeć.
Dlaczego to ma znaczenie?
Bez tego rozróżnienia łatwo wyciągać błędne wnioski z liczb w kosmologii. „13,8 miliarda lat” opisuje wiek modelu od gorącej wczesnej fazy, „czas podróży światła” mówi, jak dawno widzimy obiekt, a „dzisiejsza odległość współporuszająca” odpowiada na inne pytanie geometryczne. W codziennym świecie te wielkości prawie się nie rozchodzą, dlatego nie ćwiczymy takiej intuicji. W skali kosmicznej ekspansja przestrzeni jest jednak na tyle istotna, że jedno słowo „odległość” musi zostać zastąpione kilkoma precyzyjniejszymi definicjami.
Dlaczego podawanie jednej odległości bywa zdradliwe
W kosmologii słowo „odległość” ma kilka technicznych znaczeń. Inaczej definiuje się odległość z jasności obiektu, inaczej z jego rozmiaru kątowego, a jeszcze inaczej dzisiejszą separację współporuszającą. Dla pobliskich galaktyk różnice są niewielkie i można je ignorować. Dla światła biegnącego przez znaczną część historii kosmosu robią się ogromne. Dlatego liczba około 46 miliardów lat świetlnych dotyczy dzisiejszego promienia obserwowalnego Wszechświata w standardowym modelu, a nie drogi, jaką foton przebył w niezmiennej przestrzeni. NASA podaje rozmiar obserwowalnego kosmosu rzędu 92 miliardów lat świetlnych średnicy, przy wieku około 13,8 miliarda lat. Nie ma tu sprzeczności z prędkością światła: podczas podróży fotonu zmieniała się sama kosmiczna skala. To jeden z powodów, dla których w profesjonalnej kosmologii zawsze warto zapytać: „jaką dokładnie odległość masz na myśli?”.