Kosmologer er intellektuelle tidsreisende. Når vi ser tilbake på milliarder av år, er disse forskerne i stand til å spore utviklingen av universet vårt i en forbløffende detalj. I løpet av de påfølgende eongene har kosmos vårt vokst til en så enorm størrelse at vi ikke lenger kan se den andre siden av det.
Men hvordan kan dette være? Hvis lysets hastighet markerer en kosmisk fartsgrense, hvordan kan det da være regioner i romtiden hvis fotoner for alltid er utenfor rekkevidde? Og selv om det er det, hvordan vet vi at de i det hele tatt eksisterer?
Det ekspanderende universet
Som alt annet i fysikk, prøver vårt univers å eksistere i lavest mulig energitilstand. Men rundt 10-36 sekunder etter Big Bang, tror inflasjonskosmologer at kosmos fant seg i stedet i en "falsk vakuumenergi" - et lavpunkt som ikke egentlig var et lavpunkt. På jakt etter det sanne vakuumet av vakuumenergi, antas universet å ha ballonert med en faktor på 10 minutter50.
Siden den tid har universet vårt fortsatt å ekspandere, men i mye saktere tempo. Vi ser bevis på denne ekspansjonen i lyset fra fjerne objekter. Når fotoner som sendes ut av en stjerne eller galakse forplanter seg over hele universet, får strekningen av rommet dem til å miste energi. Når fotonene når oss, har bølgelengdene deres blitt forskjøvet på nytt i samsvar med avstanden de har reist.
Dette er grunnen til at kosmologer snakker om rødforskyvning som en funksjon av avstand i både rom og tid. Lyset fra disse fjerne objektene har reist så lenge at når vi endelig ser det, ser vi gjenstandene slik de var for milliarder av år siden.
The Hubble Volume
Rødskiftet lys lar oss se objekter som galakser som de eksisterte i den fjerne fortiden; men vi kan ikke se alle hendelser som skjedde i vårt univers i løpet av dets historie. Fordi kosmos vårt ekspanderer, er lyset fra noen objekter rett og slett for langt borte for at vi noen gang kan se.
Fysikken i denne grensen er delvis avhengig av en del av omkringliggende romtid kalt Hubble-volumet. Her på jorden definerer vi Hubble-volumet ved å måle noe som kalles Hubble-parameteren (H0), en verdi som knytter den tilsynelatende lavkonjunkturhastigheten til fjerne objekter til deres rødforskyvning. Det ble først beregnet i 1929, da Edwin Hubble oppdaget at fjerne galakser så ut til å bevege seg fra oss med en hastighet som var proporsjonal med rødskiftet i lyset deres.
Deler lysets hastighet med H0, får vi Hubble-volumet. Denne sfæriske boblen omslutter et område der alle objekter beveger seg bort fra en sentral observatør i hastigheter som er mindre enn lysets hastighet. Tilsvarende beveger alle objekter utenfor Hubble-volumet seg bort fra sentrumraskere enn lysets hastighet.
Ja, "raskere enn lysets hastighet." Hvordan er dette mulig?
Relativitetens magi
Svaret har å gjøre med forskjellen mellom spesiell relativitet og generell relativitet. Spesiell relativitet krever det som kalles en "treghetsreferanseramme" - enklere, et bakteppe. I følge denne teorien er lysets hastighet den samme når man sammenligner i alle treghetsreferanserammer. Enten en observatør sitter stille på en parkbenk på planeten Jorden eller zoomer forbi Neptun i et futuristisk rakettskip med høy hastighet, er lysets hastighet alltid den samme. Et foton reiser alltid bort fra observatøren i 300.000.000 meter per sekund, og han eller hun vil aldri ta igjen.
Generell relativitet beskriver imidlertid stoffet i selve romtiden. I denne teorien er det ingen treghetsreferanserammer. Romtid utvides ikke med hensyn til noe utenfor seg selv, så lysets hastighet som en grense for hastigheten gjelder ikke. Ja, galakser utenfor vår Hubble-sfære trekker seg fra oss raskere enn lysets hastighet. Men galaksene bryter ikke noen kosmiske fartsgrenser. For en observatør i en av disse galakene bryter ingenting spesiell relativitet i det hele tatt. Det er rommet mellom oss og galaksene som raskt spredes og strekker seg eksponentielt.
Det observerbare universet
Nå for neste bombeskall: Hubble-volumet er ikke det samme som det observerbare universet.
For å forstå dette, må du tenke på at når universet blir eldre, har fjernt lys mer tid til å nå våre detektorer her på jorden. Vi kan se objekter som har akselerert utover vårt nåværende Hubble-volum fordi lyset vi ser i dag ble sendt ut da de var inne i det.
Strengt tatt faller vårt observerbare univers sammen med noe som kalles partikkelhorisont. Partikkelhorisonten markerer avstanden til det fjerneste lyset som vi muligens kan se på dette tidspunktet - fotoner som har hatt nok tid til å forbli i eller fange opp til vår forsiktig ekspanderende Hubble-sfære.
Og akkurat hva er denne avstanden? Litt mer enn 46 milliarder lysår i alle retninger - noe som gir vårt observerbare univers en diameter på omtrent 93 milliarder lysår, eller mer enn 500 milliarder billioner mil.
(En rask merknad: partikkelhorisonten er ikke den samme tingen som kosmologisk hendelseshorisont. Partikkelhorisonten omfatter alle hendelsene i fortiden som vi for øyeblikket kan se. Den kosmologiske hendelseshorisonten, derimot, definerer en avstand som en fremtidig observatør vil kunne se det daværende eldgamle lyset vårt lille hjørne av romtiden sender ut i dag.
Med andre ord, partikkelhorisonten tar for seg avstanden til tidligere gjenstander hvis eldgamle lys som vi kan se i dag; den kosmologiske hendelseshorisonten tar for seg avstanden som vårt nåværende lys som vil være i stand til å reise når fjerne regioner i universet akselererer bort fra oss.)
Mørk energi
Takket være universets utvidelse er det regioner i kosmos som vi aldri vil se, selv om vi kunne vente uendelig mye tid på at lyset deres skal nå oss. Men hva med de områdene like utenfor rekkevidden til dagens Hubble-volum? Hvis den sfæren også ekspanderer, vil vi noen gang kunne se disse grenseobjektene?
Dette avhenger av hvilken region som utvides raskere - Hubble-volumet eller delene av universet rett utenfor det. Og svaret på det spørsmålet avhenger av to ting: 1) om H0 øker eller avtar, og 2) om universet akselererer eller bremser opp. Disse to prisene er nært beslektede, men de er ikke de samme.
Faktisk mener kosmologer at vi faktisk lever i en tid hvor H0 synker; men på grunn av mørk energi øker hastigheten på universets utvidelse.
Det kan høres ut, men så lenge H0 avtar sakte vurdere enn den der universets ekspansjonshastighet øker, skjer den samlede bevegelsen av galakser bort fra oss fremdeles i et akselerert tempo. Og på dette tidspunktet tror kosmologer at universets utvidelse vil overgå den mer beskjedne veksten av Hubble-volumet.
Så selv om Hubble-volumet utvides, ser det ut til at påvirkning fra mørk energi gir en hard grense for det stadig økende observerbare universet.
Våre jordiske begrensninger
Kosmologer ser ut til å ha et godt håndtak på dype spørsmål som hvordan det observerbare universet vårt en dag vil se ut og hvordan utvidelsen av kosmos vil endre seg. Men til syvende og sist kan forskere bare teoretisere svarene på spørsmål om fremtiden basert på deres nåværende forståelse av universet. Kosmologiske tidsrom er så ufattelig lange at det er umulig å si mye av noe konkret om hvordan universet vil oppføre seg i fremtiden. Dagens modeller passer dagens data bemerkelsesverdig godt, men sannheten er at ingen av oss vil leve lenge nok til å se om spådommene virkelig samsvarer med alle resultatene.
Skuffende? Sikker. Men absolutt verdt innsatsen for å hjelpe våre tunge hjerner til å vurdere slik vitenskapelig bloggende vitenskap - en virkelighet som, som vanlig, bare er merkeligere enn fiksjon.
