Галактики удаляются быстрее света — почему это не парадокс

Галактики удаляются быстрее света — и телескопы действительно позволяют наблюдать такие объекты. Это не лазейка в теории относительности: предел скорости света относится к локальному движению, а космологическое удаление возникает потому, что со временем меняется масштаб расстояний во Вселенной. Фраза «ничто не может двигаться быстрее света» верна, но у неё есть важное уточнение.

Вблизи любого наблюдателя никакая частица, космический корабль или сигнал не может пролететь через пространство быстрее света в вакууме. Однако для галактик, разделённых миллиардами световых лет, вопрос «с какой скоростью они удаляются?» устроен иначе: в общей теории относительности нельзя просто перенести привычное понятие скорости на огромные космологические расстояния.

Что значит «быстрее света»

В стандартной космологической модели положение далёких галактик описывают с помощью системы расстояний, масштаб которой меняется со временем. Можно представить координатную сетку, клетки которой постепенно увеличиваются.

Галактики, остающиеся на своих местах относительно этой сетки, не обязаны мчаться сквозь пространство; расстояние между ними растёт вместе с космологическим масштабом. Поэтому расширение Вселенной не похоже на взрыв из одной точки в заранее существовавшую пустоту. В однородной космологической модели увеличиваются расстояния между достаточно далёкими, не связанными друг с другом объектами повсюду.

У расширения нет выделенного центра, от которого разлетаются все галактики. Основную связь выражает закон Хаббла: скорость космологического удаления пропорциональна расстоянию. Чем дальше галактика, тем быстрее увеличивается расстояние до неё.

Поэтому существует расстояние, на котором скорость такого удаления равна скорости света. Его называют радиусом Хаббла, а соответствующую область вокруг наблюдателя — сферой Хаббла. За этой границей стандартное космологическое определение скорости удаления даёт значение больше скорости света.

Это и есть сверхсветовое удаление. Оно не означает, что галактика локально пролетает мимо кого-то быстрее фотона. Все местные наблюдатели по-прежнему измеряют скорость света как c, а никакой объект не обгоняет проходящий рядом луч света.

Именно здесь обычно возникает путаница. Специальная теория относительности запрещает передавать вещество или информацию быстрее света локально. Но две галактики, разделённые миллиардами световых лет, не находятся в одной общей локальной инерциальной системе отсчёта.

В общей теории относительности расстояние между ними определяется геометрией пространства-времени, которая сама меняется с эволюцией Вселенной. По той же причине космологическое красное смещение нельзя всегда представлять просто как обычный эффект Доплера от галактики, летящей сквозь неподвижное пространство. Длина волны света меняется во время его путешествия вместе с изменением космологического масштабного фактора.

Как тогда свет вообще доходит до нас

Кажется, что галактика, удаляющаяся быстрее света, должна быть навсегда невидимой.

Но сфера Хаббла — не край наблюдаемой Вселенной и не абсолютный горизонт. Фотон всегда локально движется со скоростью света. Если он направлен к нам, то в каждой небольшой области пространства-времени он действительно летит в нашу сторону со скоростью c.

Но если фотон был испущен очень далеко, увеличение космологического расстояния может сначала происходить быстрее, чем он приближается к нам. В таком случае расстояние между фотоном и нами некоторое время даже растёт. Расширение Вселенной меняется со временем, а вместе с ним меняется и радиус Хаббла.

Поэтому свет, который когда-то находился за сферой Хаббла, при определённых условиях может позже оказаться внутри неё. После этого его расстояние до нас начинает уменьшаться, и спустя миллиарды лет фотон достигает телескопа. Именно поэтому мы способны наблюдать галактики, чья космологическая скорость удаления была или остаётся больше c.

В работе Тамары Дэвис и Чарльза Лайнуивера, опубликованной в 2004 году, этот кажущийся парадокс разобран в рамках стандартной общей теории относительности. Авторы показывают, что сверхсветовое удаление является нормальным свойством расширяющихся космологических моделей и не требует нарушения релятивистского ограничения скорости. Важно также различать сферу Хаббла и космологический горизонт событий.

Первая лишь отмечает расстояние, где в данный момент скорость космологического удаления равна c. Горизонт событий отвечает на другой вопрос: сможет ли сигнал, отправленный из некоторой области сейчас, когда-либо достичь нас в будущем.

Где заканчивается парадокс

Фраза «галактика удаляется быстрее света» требует аккуратности. Для очень далёких объектов в общей теории относительности нет единственного универсального способа определить их взаимную скорость.

Сверхсветовое удаление относится к стандартному космологическому определению, основанному на изменении расстояния между объектами в расширяющейся Вселенной. Но это не означает, что явление сводится к словесной игре. Такое описание является частью космологических моделей, связывающих расширение Вселенной с наблюдаемыми расстояниями и красными смещениями.

При этом оно не позволяет построить сверхсветовой корабль, передать сообщение быстрее света или нарушить причинность. Настоящего противоречия поэтому нет. Скорость света остаётся фундаментальным локальным пределом, а космологическое расширение описывает, как со временем меняются расстояния между очень далёкими областями Вселенной.

На космических масштабах оба утверждения могут быть верны одновременно.