בניסיון להבין את היקום, אנחנו נתקלים במגבלות של מרחב וזמן. אחת התוצאות החשובות של תורת היחסות היא שהמרחב והזמן קשורים זה בזה; איינשטיין דיבר על "רצף מרחב-זמן". כבר ראינו לכך עדות בקוסמולוגיה: מכיוון שלאור לוקח זמן רב להגיע אלינו מעצמים רחוקים, אנחנו רואים אותם כפי שהיו כשהיו צעירים יותר. הדוגמאות שלנו עוסקות באור, אבל הדיון חל על כל הגלים האלקטרומגנטיים, כולל גלי רדיו, קרני רנטגן וכן הלאה. אין טעם לשאול איך קוואזר נראה "עכשיו". מידע אינו יכול לעבור ביקום ברגע אחד, ולכן הידע שלנו מוגבל בגלל מהירותו הסופית של האור. מבט למרחק בחלל הוא מבט לאחור בזמן.
דיאגרמת מרחב-זמן היא דרך גרפית להראות התפתחות בזמן ובמרחב. לשם הפשטות, שלושת ממדי המרחב מכווצים לממד אחד. האסטרונומים משתמשים בגורם קנה המידה, R, כדי לתאר את גודל היקום. לפי המוסכמה, המרחב מוצג בציר האופקי והזמן בציר האנכי, והוא גדל כלפי מעלה. אם דיאגרמות מרחב-זמן נשמעות לכם אזוטריות, כמה דוגמאות יומיומיות יראו שכל פגישה או מפגש חייבים להיות מוגדרים גם במרחב וגם בזמן. נניח שתכננתם לפגוש חבר לארוחת צהריים. יש שתי דרכים להחמיץ את הפגישה: להגיע למקום הנכון ביום הלא נכון, או להגיע למסעדה הלא נכונה ביום ובשעה הנכונים. במילים אחרות, כדי לקבוע פגישה צריך להתחשב גם במרחב וגם בזמן. או נניח שאתם מנסים לתפוס כדור גבוה במשחק כדור. אפשר להחמיץ את התפיסה אם מגיעים למקום שבו הכדור נוחת מאוחר מדי, או אם טועים בהערכת מסלול הכדור ורצים למקום הלא נכון. שוב, תפיסה מוצלחת מחייבת להתחשב במרחב ובזמן יחד.
מהירותו הסופית של האור מטילה מגבלות בדיאגרמת מרחב-זמן. דמיינו שסופרנובה התפוצצה זה עתה בנקודה A. לאור מהסופרנובה ייקח זמן TA להגיע אלינו. אם A נמצאת במרחק 0.3 פרסק, יעבור קצת פחות משנה עד שנראה את האור הראשון של הסופרנובה. אירועים אחרים, במרחקים גדולים יותר B ו-C, יגיעו אלינו אחרי זמנים ארוכים יותר, TB ו-TC. מכיוון ששום דבר אינו נע מהר יותר מהאור, איננו יכולים לדעת על הסופרנובה כפי שהיא עכשיו – זה היה מחייב העברת מידע מיידית. כל מה שאפשר לעשות הוא לחכות שנה שהמידע מ-A יגיע אלינו, ואחר כך לחכות זמנים ארוכים עוד יותר למידע מ-B ומ-C.
עכשיו דמיינו שאתם נמצאים בנקודה A ומתחילים לצפות ביקום בזמן אפס. באותו זמן מתפוצצות סופרנובות בנקודות B ו-C, שרחוקות מכם במרחב. ככל שהזמן עובר, האור מהאירועים האלה נע בחלל, אבל רק אחרי זמן T – הזמן שלוקח לאור לעבור מ-B אליכם – הסופרנובה ב-B נעשית גלויה לכם. האור מהסופרנובה ב-C מגיע אליכם אחרי זמן ארוך עוד יותר (2T, אם המרחק מ-A ל-C כפול מהמרחק מ-A ל-B). האזור במרחב שבו אתם יכולים לצפות באירועים שהתרחשו מאז זמן אפס גדל בהתמדה. האסטרונומים קוראים לאזור הזה "האופק". איננו יכולים לדעת דבר על אזורים במרחב שנמצאים מחוץ לאופק שלנו.
מושג האופק מוביל לכמה תוצאות מוזרות של מודל המפץ הגדול. מכיוון שההתפשטות האטה עד לא מזמן, בעבר המרחב התפשט מהר יותר. קצב ההתפשטות הנוכחי נתון על ידי קבוע האבל. הערך הנוכחי של קבוע האבל זהה בכל מקום במרחב – כלומר, יחס האבל הקווי חל בכל המרחקים – בדיוק כמו שהיינו מצפים מהאנלוגיה של הבלון המתנפח. אבל בעבר היה זמן שבו המרחב התפשט מהר יותר מהאור! מגבלת המהירות c של תורת היחסות הפרטית חלה רק בקנה מידה מקומי. (מאותה סיבה אין זה נכון להשתמש באפקט דופלר כדי לתאר היסטים לאדום קוסמולוגיים). בקנה המידה הכולל, שתורת היחסות הכללית מתארת, המרחב יכול להתפשט בכל מהירות. ליקום המתפשט אין מגבלת מהירות!
גלקסיות וקוואזרים שהאור שלהם נפלט בהיסט לאדום של כ-1.6, לפני כ-9.5 מיליארד שנים, כשהיקום היה כ-40% מגודלו היום, התרחקו מאיתנו – ברגע שבו נפלט האור – במהירות האור. (המספרים תלויים במודל הקוסמולוגי; כאן הם לפי המודל המקובל, עם אנרגיה אפלה). מאז ההתפשטות האטה (ובמיליארדי השנים האחרונות שוב האיצה, בגלל האנרגיה האפלה), והפוטונים הצליחו לעבור את המרחק הגדול בין העצם לבינינו. לקוואזרים הרחוקים ביותר יש z = 7, ולגלקסיות הרחוקות ביותר z = 14. ההיסט לאדום השני מתאים לזמן לפני כ-13.5 מיליארד שנים, כשגיל היקום היה כ-2% מגילו היום. טלסקופ החלל ג'יימס ווב גילה כמה גלקסיות נוספות מעבר ל-z = 13. כשנפלט האור שאנחנו רואים מהעצמים הרחוקים האלה, הם התרחקו מאיתנו במהירות של פי שלושה בערך ממהירות האור (קוואזר ב-z = 7) ועד כמעט פי חמישה (גלקסיה ב-z = 14)! כלומר, המרחב נוצר מהר כל כך, שלא רק העצם אלא גם הפוטונים שפלט "נגררו" הרחק מאיתנו בגלל ההתפשטות. גם התפיסות האינטואיטיביות שלנו לגבי זמן המעבר של האור קורסות. ביקום הקרוב, אור מכוכב שנמצא במרחק שנת אור אחת מגיע אלינו בתוך שנה, ואור מגלקסיה במרחק מיליון שנות אור מגיע בתוך מיליון שנה. אבל ביקום מתפשט האור צריך להיאבק בהתפשטות. לכן, ביקום בן 13.8 מיליארד שנים, העצמים הרחוקים ביותר שאנחנו רואים נמצאים היום במרחק של כ-33 מיליארד שנות אור, וקצה היקום הנראה נמצא במרחק של כ-46 מיליארד שנות אור.
מצבים קיצוניים דורשים אנלוגיות קיצוניות. דמיינו שמהירות הריצה המרבית שלכם היא מהירות האור. עכשיו דמיינו שאתם משוחחים עם חבר בקצה של מסוע הליכה ארוך בשדה תעופה. פתאום המסוע מתחיל לנוע מהר ונושא אתכם הרחק מהחבר. המצב הזה מייצג את המפץ הגדול: מרחב "נוצר" בינכם לבין החבר. אתם מניחים את התיק ורצים – התיק הוא הקוואזר, ואתם הפוטון שהוא פולט. בהתחלה המסוע נע מהר כל כך, שגם כשאתם רצים הכי מהר שאתם יכולים, אתם נישאים הרחק מהחבר. זה מקביל ליקום המוקדם. אחרי זמן מה המסוע מאט, ואתם מתחילים להתקרב לחבר – מצב שמייצג את היקום בחצי מגילו היום. כשאתם מגיעים אל החבר, המסוע כבר זוחל, ואתם מגיעים במלוא המהירות (מהירות האור), מהר בהרבה מהמסוע. בינתיים התיק שלכם (הקוואזר) רחוק מאוד מאחוריכם, נישא בהתפשטות המרחב.
ככל שהזמן עובר, אזורים גדולים יותר ויותר של היקום נעשים גלויים. הגבול של היקום הנצפה, שגדל בהתמדה, הוא האופק שלנו. מכיוון שאין מרכז להתפשטות, אנחנו מביטים החוצה במרחב ואחורה בזמן בכל כיוון שנביט. עם הזמן מגיע אל הטלסקופים שלנו אור מעצמים רחוקים יותר ויותר – אומרים שהעצמים "נכנסים לאופק שלנו". היקום הנצפה גדל מעט בכל יום. עכשיו אפשר לראות את ההבדל בין היקום הנצפה ליקום הפיזיקלי. מכיוון שההתפשטות המוקדמת הייתה מהירה מהאור, יש אזורים במרחב שמעולם לא ראינו. יקום פתוח הוא אינסופי בגודלו, אבל היקום הנצפה מוגבל לאזורים שהאור מהם הספיק להגיע אלינו. האנרגיה האפלה מוסיפה לתמונה הזאת קמט חדש וגדול: ההתפשטות המואצת פירושה שאזורים שנמצאים עכשיו בתוך האופק שלנו יוצאו יום אחד מחוצה לו. הגלקסיות שאנחנו רואים עכשיו לא יהיו גלויות לנצח, ויום אחד אולי כולן ייעלמו מעינינו. כדאי לאסטרונומים ליהנות מהיקום שמחוץ לגלקסיה שלנו כל עוד הם יכולים!
→ הסעיף הקודם: 17.20 חלופות למודל המפץ הגדול | הסעיף הבא: 17.22 חלקיקים וקרינה ←