Когда говорят о «размере Вселенной», обычно смешивают два разных вопроса: насколько велика наблюдаемая область и конечна ли Вселенная целиком. На первый вопрос космология даёт численную оценку. На второй — пока нет окончательного ответа.
Возраст Вселенной около 13,8 миллиарда лет, но это не означает, что радиус наблюдаемого космоса равен 13,8 миллиарда световых лет. Пока свет летел к нам, само пространство расширялось. Поэтому объекты, свет которых мы видим в очень раннем состоянии, сегодня находятся гораздо дальше.
Что такое наблюдаемая Вселенная
Наблюдаемая Вселенная — область, из которой информация успела достичь нас с начала космической истории. Её современный радиус оценивают примерно в 46 миллиардов световых лет, а диаметр — примерно в 93 миллиарда. Эта цифра не означает, что мы видим «край стены». Граница определяется временем распространения света и расширением пространства.
Наблюдатель в далёкой галактике имел бы собственную наблюдаемую область, центрированную на нём. Поэтому Земля не является геометрическим центром всей Вселенной. Мы находимся в центре только нашего космологического горизонта — так же как любой другой наблюдатель.
Что космологи называют формой
В общей теории относительности пространство может иметь разную крупномасштабную геометрию. В упрощённом описании говорят о положительной кривизне, похожей на трёхмерный аналог поверхности сферы; отрицательной кривизне; и почти плоской геометрии. Измерения космического микроволнового фона и крупномасштабной структуры показывают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской.
Но «плоская» не означает «двумерная». Речь идёт о свойствах геометрии на больших масштабах: например, о связи углов и расстояний и о том, как ведут себя параллельные линии в идеализированном пространстве.
Плоская Вселенная может быть конечной
Здесь возникает неожиданная тонкость. Локальная геометрия не определяет глобальную топологию однозначно. Пространство может быть плоским и при этом конечным, если оно имеет сложную связность — грубо говоря, если движение достаточно далеко в одном направлении когда-нибудь возвращает в исходную область, подобно видеоигре с «зацикленной» картой, только в трёх измерениях.
А может быть действительно бесконечным. Современные наблюдения не обнаружили убедительных повторяющихся структур, которые доказали бы компактную топологию, но они также не способны измерить область за космологическим горизонтом. Поэтому фраза «Вселенная бесконечна — это научный факт» слишком сильна.
Почему мы не можем просто увидеть дальше
Ограничение связано не только с мощностью телескопов. Есть фундаментальный горизонт: свет из достаточно далёких областей ещё не мог до нас добраться. Более того, из-за ускоренного расширения существуют регионы, сигналы из которых, отправленные сегодня, никогда нас не достигнут.
Телескопы вроде Hubble и Webb могут видеть более слабые и далёкие галактики, но не снимают это причинное ограничение. Самое далёкое электромагнитное «изображение» ранней Вселенной — космический микроволновый фон, возникший, когда вещество стало прозрачным для фотонов примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Здесь полезно различать несколько «горизонтов», которые в популярном изложении часто смешивают. Радиус Хаббла связан с текущей скоростью расширения; горизонт частиц — с максимальным расстоянием, откуда свет вообще успел прийти к нам за всю историю; горизонт событий — с тем, какие сигналы, отправленные сейчас, когда-либо смогут нас достичь в ускоренно расширяющейся Вселенной. Эти величины не равны друг другу и меняются по-разному.
Даже оценка в 93 миллиарда световых лет относится к расстояниям «сейчас» в принятой космологической модели. Мы не наблюдаем далёкую галактику такой, какова она сейчас: мы видим свет, покинувший её миллиарды лет назад, а модель расширения позволяет вычислить современное сопутствующее расстояние. Поэтому космологический размер — не результат измерения гигантской линейкой, а сочетание наблюдений красных смещений, реликтового излучения и модели истории расширения.
Есть ещё инфляционная гипотеза: очень ранний период ускоренного расширения естественно делает видимую область почти плоской, даже если глобальная Вселенная значительно больше. В некоторых сценариях весь космос превосходит наблюдаемую часть на колоссальный фактор. Но инфляция сама по себе не говорит, бесконечна ли Вселенная. Она объясняет, почему доступная нам область выглядит настолько однородной и близкой к плоской.
Наблюдения кривизны особенно чувствительны к реликтовому излучению. В ранней Вселенной существовал характерный физический масштаб звукового горизонта плазмы; его угловой размер на небе зависит от геометрии между нами и поверхностью последнего рассеяния. Совпадение наблюдаемого масштаба с почти плоской геометрией и даёт очень жёсткие ограничения на пространственную кривизну.
Однако космологический вывод всегда зависит от набора моделей и данных. Если разрешить больше свободных параметров, ограничения могут стать шире. Именно поэтому исследователи комбинируют реликтовый фон с барионными акустическими осцилляциями, сверхновыми и другими измерениями. Согласие разных методов важнее одной красивой цифры «кривизна равна нулю».
Поэтому современная космология уверенно описывает размер наблюдаемой области и очень хорошо ограничивает её кривизну. А вопрос о полном размере и глобальной форме всей Вселенной остаётся открытым — и, возможно, принципиально недоступным прямому наблюдению.
