Kosmologer är intellektuella tidsresenärer. När vi tittar tillbaka över miljarder år kan dessa forskare spåra utvecklingen av vårt universum i förvånande detalj. Under de efterföljande eonerna har vårt kosmos vuxit till en så enorm storlek att vi inte längre kan se den andra sidan av det.
Men hur kan det vara? Om ljusets hastighet markerar en kosmisk hastighetsgräns, hur kan det eventuellt finnas områden i rymdtiden vars fotoner för evigt är utom räckhåll? Och även om det finns, hur vet vi att de alls finns?
Det expanderande universum
Liksom allt annat i fysik strävar vårt universum att existera i lägsta möjliga energitillstånd. Men cirka 10-36 sekunder efter Big Bang tror inflationskosmologer att kosmos befann sig vila istället vid en "falsk vakuumenergi" - en lågpunkt som egentligen inte var en lågpunkt. Genom att söka den verkliga skadan av vakuumenergi, över en minut bråk av ett ögonblick, tros universum ha ballongat med en faktor 1050.
Sedan den tiden har vårt universum fortsatt att expandera, men i mycket långsammare takt. Vi ser bevis på denna expansion i ljuset från avlägsna föremål. När fotoner som släpps ut av en stjärna eller galax sprider sig över universum, får utsträckningen av rymden dem att förlora energi. När fotonerna når oss har våglängderna skiftats om i enlighet med avståndet de har rest.
Det är därför kosmologer talar om rödförskjutning som en funktion av avstånd i både rum och tid. Ljuset från dessa avlägsna objekt har färdats så länge att när vi äntligen ser det ser vi objekten som de var för miljarder år sedan.
The Hubble Volume
Rödförskjutet ljus tillåter oss att se föremål som galaxer som de fanns i det avlägsna förflutet; men vi kan inte se Allt händelser som inträffade i vårt universum under dess historia. Eftersom vårt kosmos expanderar är ljuset från vissa objekt helt enkelt för långt borta för att vi någonsin ska se.
Fysiken för den gränsen bygger delvis på en bit av omgivande rymdtid, kallad Hubble-volymen. Här på jorden definierar vi Hubble-volymen genom att mäta något som kallas Hubble-parametern (H0), ett värde som relaterar den uppenbara lågkonjunkturhastigheten för avlägsna objekt till deras röda skift. Det beräknades först 1929, när Edwin Hubble upptäckte att avlägsna galaxer tycktes flytta bort från oss med en takt som var proportionell mot den röda skiftningen av deras ljus.
Att dela ljusets hastighet med H0, vi får Hubble-volymen. Denna sfäriska bubbla omsluter ett område där alla föremål rör sig bort från en central observatör med hastigheter mindre än ljusets hastighet. På motsvarande sätt rör sig alla föremål utanför Hubble-volymen bort från mittensnabbare än ljusets hastighet.
Ja, "snabbare än ljusets hastighet." Hur är detta möjligt?
Relativitetens magi
Svaret har att göra med skillnaden mellan speciell relativitet och allmän relativitet. Speciell relativitet kräver vad som kallas en "tröghetsreferensram" - enklare, en bakgrund. Enligt denna teori är ljusets hastighet densamma jämfört i alla tröghetsreferensramar. Oavsett om en observatör sitter still på en parkbänk på planeten Jorden eller zooma förbi Neptun i ett futuristiskt höghastighetsrakettskepp, är ljusets hastighet alltid densamma. En foton reser alltid bort från observatören med 300 000 000 meter per sekund, och han eller hon kommer aldrig att komma ihåg.
Allmän relativitet beskriver emellertid själva rymdtiden. I denna teori finns det ingen tröghetsreferensram. Rymdtiden expanderar inte med avseende på något utanför sig själv, så ljusets hastighet som en gräns för dess hastighet gäller inte. Ja, galaxer utanför vår Hubble-sfär går tillbaka från oss snabbare än ljusets hastighet. Men själva galaxerna bryter inte med några kosmiska hastighetsgränser. För en iakttagare inom en av dessa galaxer bryter ingenting alls med den relativa relativiteten. Det är utrymmet mellan oss och de galaxerna som snabbt sprider sig och sträcker sig exponentiellt.
Det observerbara universum
Nu till nästa bomb: Hubble-volymen är inte samma sak som det observerbara universum.
För att förstå detta, tänk på att när universum blir äldre har avlägset ljus mer tid att nå våra detektorer här på jorden. Vi kan se föremål som har accelererat bortom vår nuvarande Hubble-volym eftersom ljuset vi ser idag släpptes ut när de var inom det.
Strängt sett sammanfaller vårt observerbara universum med något som kallas partikelhorisont. Partikelhorisonten markerar avståndet till det yttersta ljuset som vi eventuellt kan se just nu - fotoner som har haft tillräckligt med tid för att antingen förbli inom eller fånga upp vår försiktigt expanderande Hubble-sfär.
Och vad är det här avståndet? Lite mer än 46 miljarder ljusår i alla riktningar - vilket ger vårt observerbara universum en diameter på cirka 93 miljarder ljusår, eller mer än 500 miljarder biljoner mil.
(En snabb anmärkning: partikelhorisonten är inte samma sak som kosmologisk händelseshorisont. Partikelhorisonten omfattar alla händelser i det förflutna som vi för närvarande kan se. Den kosmologiska händelseshorisonten, å andra sidan, definierar ett avstånd inom vilket en framtida observatör kommer att kunna se det då forntida ljuset som vårt lilla hörn av rymdtiden avger i dag.
Med andra ord, partikelhorisonten handlar om avståndet till tidigare föremål vars gamla ljus som vi kan se idag; den kosmologiska händelseshorisonten handlar om det avstånd som vårt nutida ljus som kommer att kunna resa när avlägsna regioner i universum accelererar bort från oss.)
Mörk energi
Tack vare universums utvidgning finns det regioner i kosmos som vi aldrig kommer att se, även om vi kunde vänta en oändlig tid på att deras ljus når oss. Men hur är det med dessa områden precis utanför vår nuvarande Hubble-volym? Om den sfären också expanderar, kommer vi någonsin att kunna se dessa gränsenobjekt?
Detta beror på vilken region som expanderar snabbare - Hubble-volymen eller universums delar precis utanför den. Och svaret på den frågan beror på två saker: 1) om H0 ökar eller minskar, och 2) om universum accelererar eller retarderar. Dessa två priser är intimt relaterade, men de är inte desamma.
Faktum är att kosmologer tror att vi faktiskt lever i en tid då H0 minskar; men på grund av mörk energi ökar hastigheten för universums expansion.
Det låter kanske intuitivt, men så länge som H0 minskar långsammare Betygsätta än den där universumets expansionshastighet ökar sker den totala rörelsen av galaxer bort från oss fortfarande i en accelererad takt. Och i detta ögonblick tror kosmologer att universums expansion kommer att överstiga den mer blygsamma tillväxten av Hubble-volymen.
Så även om vår Hubble-volym expanderar verkar inverkan av mörk energi ge en hård gräns för det ständigt ökande observerbara universum.
Våra jordiska begränsningar
Kosmologer verkar ha ett bra grepp på djupa frågor som hur vårt observerbara universum en dag kommer att se ut och hur kosmos kommer att förändras. Men i slutändan kan forskare bara teoretisera svaren på frågor om framtiden baserat på deras nutida förståelse av universum. Kosmologiska tidsskalor är så otänkbart långa att det är omöjligt att säga mycket av något konkret om hur universum kommer att agera i framtiden. Dagens modeller passar nuvarande data anmärkningsvärt bra, men sanningen är att ingen av oss kommer att leva tillräckligt länge för att se om förutsägelserna verkligen matchar alla resultat.
Besvikelse? Säker. Men helt värt ansträngningen för att hjälpa våra dumma hjärnor att överväga en sådan sinnesbloggande vetenskap - en verklighet som, som vanligt, bara är konstigare än fiktion.
