Выбывают ли из поля зрения далекие объекты в связи с расширением Вселенной, раз современные телескопы имеют предельную дальность наблюдения?

Да, некоторые "сверхсветовые" галактики мы, вероятно, никогда не увидим. А некоторые из них уже видим. И нет — телескоп работает немного иначе. Разберём некоторые неочевидные заблуждения об устройстве телескопов и Вселенной :)

Ночью человек невооружённым глазом видит не всё, что творится на небесной сфере. С одной стороны, человеческий глаз видит в ограниченном диапазоне длин волн (подробнее почему так), с другой — диаметр зрачка собирает недостаточно света, чтобы увидеть слабо светящиеся объекты. Да и некоторые звёзды, которые мы видим как одну — на деле являются кратными звёздными системами. Чем помогает телескоп?

1) Увеличивает площадь сбора энергии, то есть — собирает больше света. За сбор света отвечает размер апертуры (либо отношение апертуры к фокусному расстоянию для протяжённых объектов вроде галактик).

2) Разгоняет (увеличение, если наблюдать глазом, либо) масштаб изображения (если наблюдать детектором). За это отвечает фокусное расстояние.

Например, глазами мы можем наблюдать одну звезду, а разогнав масштаб стократным увеличением — мы можем обнаружить, что это была двойная система. Однако, размеры звёзд при этом не увеличиваются, как многие себе представляют (и заблуждаются). Звёзды как были точечными, так и останутся.

Занятно, что мы без телескопа не видим спутники Юпитера. Но не потому, что они слабые — их света достаточно, чтобы глаз мог различить их на фоне тёмного неба. Нам мешает яркий Юпитер. И Юпитер можно "отодвинуть" телескопом и рассмотреть его спутники.

3) Пространственное разрешение при фиксированной длине волны обратно пропорционально диаметру апертуры. То есть, чем больше объектив телескопа — тем чётче разрешаются структуры на небесной сфере.

Оптическая система — это всегда компромисс, баланс характеристик для решения спектра тех или иных задач. Все телескопы обладают разными характеристиками, отягчены различными аберрациями, работают в различных диапазонах длин волн. И решают различные астрофизические задачи. Вопреки распространённому заблуждению, что якобы телескоп просто увеличивает участки неба, чтобы детально всё разглядеть и так увеличивать можно вплоть до самых глубин космоса.

Прежде, чем коснуться наблюдения далёких галактик — необходимо несколько слов сказать о расширении Вселенной. Процесс этот странный, многим не поддающийся осмыслению. И это нормально — на больших расстояниях обычная интуиция неприменима. Всё становится неочевидно, контринтуитивно и запутанно… Однако, некоторые самодельные диванные космологи, насмотревшись в Интернетах детских аналогий с надувающимися шариками, об этом не подозревают и склонны посудачить о бесконечностях, границах Вселенной, всяких гиперсферах и прочих непонятных словах. Увы, так плодятся распространённые заблуждения.

Расширение Вселенной — факт наблюдательный. Галактики удаляются друг от друга и, если некая далёкая галактика излучила фотон с некоторой длиной волны — сейчас мы его регистрируем как фотон с другой, более красной длиной волны. Опуская детали, исходя из красного смещения света галактик можно сказать, во сколько раз за это время изменились масштабы Вселенной. При этом сравниваются размеры в момент излучения и в момент приёма фотона. Что было между этими моментами — не столь существенно (Вселенная при этом могла менять темп своего расширения). То есть, далёкие объекты мы наблюдаем покрасневшими (в основном). И такими, какими они были в далёком прошлом. То есть, тут очень важно зафиксировать — мы не видим их "сейчас", мы видим их прошлое. Более того, мы наблюдаем сигналы из прошлого, где процессы шли медленнее (минутный сигнал от источника на красном смещении z = 1 мы на красном смещении z = 0 регистрируем в течение двух минут). Чтобы ориентироваться в диапазоне красных смещений, приведу наглядную картинку из книги:

После появления вещества Вселенная первые несколько миллиардов лет расширялась с замедлением, а потом (примерно 5-6 млрд лет назад) наступила стадия ускоренного расширения, в которой мы с вами и живём. За открытие ускорения расширения Вселенной в 2011 году вручили третью из уже шести Нобелевских премий по астрофизике в этом столетии.

Сейчас данные по красному смещению получены для десятков тысяч галактик, и почти все они удаляются от нас. Причём наблюдения показывают, что удаляются они тем скорее, чем дальше расположены от Земли. 

А поскольку скорость убегания галактик за счёт космологического расширения растёт с расстоянием, то с некоторого далёкого расстояния она превысит световую. И, действительно, сверхсветовые скорости имеют место, поскольку речь идёт не о переносе энергии или информации из одной точки пространства в другую. Важно понимать, что с точностью до пекулярных (собственных) скоростей, сами галактики при расширении никуда не движутся по пространству.

Сверхсветовые области умозрительно можно отделить так называемой сферой Хаббла, границы которой равноудалены от Земли на расстояние, на котором скорость убегания галактик равна скорости света. Объекты вне этой сферы удаляются от нас быстрее скорости света и на первый взгляд может показаться очевидным, что мы никогда не увидим свет, исходящий от объектов ВНЕ сферы Хаббла. И это очередное распространённое заблуждение. Ведь, внезапно, мы видим эти объекты.

Представим галактику снаружи хаббловской сферы, которая удаляется от нас быстрее скорости света. И даже свет, который испустит такая галактика в нашу сторону, тоже будет удаляться от нас. Но вследствие расширения Вселенной — сама сфера Хаббла будет увеличиваться. И если она будет увеличиваться быстрее, чем отдаляется свет от галактики — то в некоторый момент испущенный свет окажется внутри сферы и начнёт приближаться к нам. Сфера Хаббла увеличивается быстрее, когда темп расширения Вселенной уменьшается, это обстоятельство и позволяет фотонам от сверхсветовых галактик проникнуть внутрь. Словно упрямцам, настырно поднимающимся с постоянной скоростью против движения замедляющегося эскалатора. То есть, судьба фотонов зависит от поведения Вселенной во время их распространения по ней. Сама же галактика-источник при этом удаляется от нас всё ещё быстрее света (ведь она гораздо дальше испущенных фотонов, а скорость убегания растёт с расстоянием). В конце концов, свет мы зарегистрируем, обнаружим далёкую галактику, но она на момент регистрации, разумеется, будет ещё дальше за сферой Хаббла.

Не каждый телескоп может похвастать способностью исследования далёких галактик. Для такой задачи критически важны два свойства: инфракрасные приборы (распределения энергии далёких галактик смещены в красную сторону) и пространственное разрешение.

На 6-метровом оптическом телескопе БТА мы видим галактику на z ~ 5, но галактику с z ~ 9 мы просто не сможем увидеть — её спектр смещён в ИК-область. И её может увидеть 6-метровый ИК-телескоп JWST.

Вот свежие наблюдательные данные (Ferreira et al, 2022) с космического телескопа JWST (подробнее зачем он в космосе и почему его проектирование шедеврально, а также о роли его пространственного разрешения):

Но тут прозорливый читатель-скептик воскликнет: стоп, это всё какой-то фотошоп — как современными инструментами возможно пространственно разрешать столь удалённые галактики?! Разве не кажется разумным, что чем дальше от нас находятся галактики — тем меньшими угловыми размерами они должны обладать? Мы следы-то астронавтов на Луне разрешить не можем, а тут речь про не поддающиеся осмыслению расстояния.

Действительно, до некоторого расстояния угловые размеры одинаковых галактик будут уменьшаться, но затем видимый размер (внезапно?) начнёт увеличиваться! Дело в том, что свет далёких галактик испущен в молодой Вселенной, когда расстояние от них до нас было меньше (вследствие расширения Вселенной). Для наглядности изобразим две галактики одинакового размера:

Далёкая галактика излучает свет, однако в этот момент скорость космологического удаления превосходит световую, потому свет сначала тоже удаляется. Однако позже свет попадает в область, где скорость удаления меньше световой, и лучи будут приближаться к наблюдателю. Угол между лучами тот же (он не меняется при распространении в плоской Вселенной, несмотря на расширение с любым, даже меняющимся, темпом). Лучи света стартуют также из более близкой галактики одновременно с достигшими того же удаления от Земли лучами от более далёкой галактики. Все лучи зарегистрируются одновременно, а обе галактики будут иметь одинаковый размер (на рисунке галактики одинаковых размеров). Таким образом, видимый размер двух галактик совпадает, но расстояние до них будет сильно отличаться.

Любопытное совпадение в том, что наименьший возможный угловой размер типичной галактики близок к одной угловой секунде, что позволяет JWST (с дифракционным пределом порядка ~0''.1 в ИК) наблюдать галактики даже на самых больших расстояниях как протяжённые структуры, а не как точечные объекты вроде звёзд.

И на всех изображениях JWST, представленных выше, телескоп поймал свет от тех областей Вселенной, которые уже в момент излучения отдалялись от нас быстрее скорости света. Но свет тех галактик достиг нашей сферы Хаббла, а после и нас. Как бы это ни казалось контринтуитивным, но мы наблюдаем галактики, которые сейчас удаляются и даже в момент излучения удалялись от нас быстрее скорости света.

У астрономов накопилось весомое количество независимых друг от друга косвенных подтверждений феномена расширения Вселенной, но напрямую мы его не наблюдаем. Рассмотреть в реальном времени отдаление галактик не хватает точности инструментов. Ну или придётся ждать десятилетия, если не сотни лет. И всё, что мы увидим — изменение красного смещения наблюдаемых галактик, изменения блеска и угловых размеров. И тут снова всё неочевидно и противоречит интуиции. Со временем красные смещения близких объектов (z < 2) будут увеличиваться, а более далёких (z > 2) — уменьшаться. И вновь причиной такого неочевидного поведения является переменный темп расширения Вселенной (между моментами излучения и приёма фотонов галактики разбегаются то медленнее, то быстрее). Хоть интуитивно и кажется, что чем дальше становится галактика, тем краснее она будет — но интуиция в сложных научных вопросах неприменима. Достаточно близкие объекты в момент излучения уже находились в области ускоренного расширения — они покраснеют. А для достаточно далёких галактик (которые в момент излучения находились в области замедляющегося расширения) современное ускорение не компенсирует начального замедления — сигналы оттуда будут синеть (детальнее). Оговориться следует про реликтовое излучение — его красное смещение будет всегда увеличиваться.

И в конце концов (если текущая динамика расширения существенно не изменится), будет всё меньше и меньше источников, чьё красное смещение падает, а не растёт со временем.

Будущее далёких галактик, начиная с того момента, когда они будут обладать достаточно большой скоростью убегания, станет нам неизвестным. Свет некоторых событий попросту никогда до нас не дойдёт. По мере приближения к этому моменту — время в таких галактиках будет всё больше замедляться, и мы будем наблюдать их, словно они падают в чёрную дыру. В достаточно далёком будущем, все галактики, не входящие в наше местное сверхскопление размером ~100 мегапарсеков, скроются за горизонтом событий из-за всё ускоряющегося расширения.

Ближайшие такие галактики, вообще говоря, не очень далеко — их смещение должно быть z > 1.8, они даже могут находиться внутри сферы Хаббла, но связаться с ними уже не получится. Свет от галактик на z = 1.8 мы видим — его путешествие заняло 10 млрд лет, а в момент излучения такие галактики были от нас в 5.7 млрд световых лет. Сейчас до них 16.2 млрд световых лет. Но мы уже никогда не увидим события, происходящие там сейчас.

Подробнее о тонкостях всего описанного можно ознакомиться в научно-популярных статьях [1, 2, 3 + ссылки внутри] и лекции Сергея Борисовича Попова и Алексея Владимировича Топоренского.

Понятно, что нами наблюдаемая Вселенная больше сферы Хаббла. Она ограничена наиболее отдалённым так называемым "горизонтом частиц", чей радиус соответствует расстоянию с которого возможно передать информацию за время, равное возрасту Вселенной ~13.8 млрд лет. А ввиду расширения, в диаметре наблюдаемая Вселенная составляет ~93 млрд св.лет. Это текущий диаметр наблюдаемой Вселенной, т.е., если бы Вселенная стала статичной, и мы бы измерили её размеры. Но в действительности это расстояние непосредственно неизмеримо. Более того, поскольку мы ограничены скоростью света и не видим объекты, каковы они ровно сейчас, а наблюдаем только их прошлое — то в невидимом нам настоящем ~46 млрд световых лет отделяют нас уже от галактик, или даже кластеров галактик.

И внутри наблюдаемой Вселенной заключено колоссальное количество видимых для нас объектов (часть которых мы ещё не пронаблюдали!).

Нам повезло жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. И таким образом Вселенная, в которой почти все галактики удаляются друг от друга всё быстрее и быстрее, наградила нас возможностью исследования себя. И да, в нашей Вселенной есть области, откуда мы никогда не получали и не получим сигнала, сколько бы ни ждали, поскольку оттуда свет нас не достигнет, вследствие расширения Вселенной. А есть галактики, след которых мы хоть и поймали, но достичь их, или установить контакт всё равно уже никогда не сможем. Разумеется, с оговоркой, что ускоренное расширение продолжится. И если так, то в конце концов, почти вся Вселенная окажется за горизонтом событий, где свет "увязнет" в бесконечном красном смещении. А пока мы живём в уникальный исторический период, в который всё ещё можем наблюдать сотни миллиардов галактик. Вероятно, примерно через два триллиона лет, в будущем, наши потомки увидят только наше местное сверхскопление галактик (обязательно посмотрите таймлапс будущего!). Вселенная уже не будет столь красочно изобиловать разнообразием галактик, как сейчас. Мы живём в уникальной точке пространства-времени. Этот момент стоит ценить. Наша Вселенная удивительна. Берегите её.