Kaip toli mes galime pamatyti, pažiūrėję į dangų? Įgudusi akis mato net Andromedos galaktiką, o ką gali patys geriausi teleskopai?

Regėjimo atstumą mes įprastai siejame su ryškaus matymo atstumu. Tiksliai šio skaičiaus įvardinti neįmanoma, nes jis priklauso nuo to, ką laikysime „ryškiu matymu“.

Ar tai yra atstumas, kuriuo galime skaityti knygą? O gal atstumas, kuriuo perskaitome reklamą ant namo sienos? O galbūt atstumas, kuriuo galime atskirti žmogų nuo aplinkos, kurioje jis juda? Visi šie dydžiai yra skirtingi, be to, jie priklauso ir nuo tokių detalių, kaip teksto dydis ar žmogaus rūbų spalvos ir aplinkos kontrastas. Bet keletas kilometrų turbūt yra didžiausias „ryškaus matymo“ nuotolis, kurį galėtume įvardinti praktiškai pasitaikančiomis sąlygomis.

Tačiau matyti kažką mes galime iš gerokai didesnio atstumo. Tarkime, net jei negalime perskaityti teksto, mes galime įžiūrėti, kad tekstas yra, arba kad yra knyga, arba kad apskritai yra kažkoks objektas. Tai labai gerai suprantama astronomijoje – žvaigždės nuo mūsų yra bent parsekų atstumu, jas matome tik kaip švytinčius taškelius, tačiau matome. Toliau nei maždaug tūkstančio parsekų atstumu esančių žvaigždžių šviesos jau nematome, tačiau daugelio žvaigždžių šviesa susilieja į Paukščių Taką – jį irgi matome. Yra netgi ne vienas objektas už mūsų Galaktikos ribų, kurį galime matyti plika akimi. Tai – kelios palydovinės Paukščių Tako galaktikos ir artimiausia nenykštukinė mūsų kaimynė – Andromeda. Nors Andromedą pamatyti yra sunku, tam reikalingos labai geros oro sąlygos ir labai tamsi naktis, bet iš principo tai yra įmanoma.

Didžiausio matymo atstumas priklauso nuo objekto dydžio ir šviesio. Kuo objektas šviesesnis, tuo iš toliau jį galime matyti; kuo objektas didesnis, tuo didesnį regėjimo lauko plotą užima, o tai menkina šansus jį pamatyti. Astronominių objektų šviesumas regimųjų bangų diapazone įprastai nurodomas kaip objekto ryškis. Ši matavimo sistema, sukurta dar antikinėje Graikijoje, ryškiausioms dangaus žvaigždėms priskiria pirmąjį ryškį, šiek tiek blausesnėms – antrą, dar blausesnėms – trečią ir taip toliau. Šiais laikais žvaigždžių šviesiai, aišku, matuojami daug tiksliau, bet ryškių naudojimas išlieka, tik kiekvienos žvaigždės ryškis gali būti įvardijamas kelių ženklų po kablelio tikslumu. Ryškių skirtumas atitinka šviesių santykį: penkiais ryškiais blausesnė žvaigždė yra apie šimtą kartų mažesio šviesio. Taigi blausiausia plika akimi matoma žvaigždė yra apie 300 kartų blausesnė už ryškiausią. O ryškiausia nakties dangaus žvaigždė, Sirijus, šviečia maždaug taip pat ryškiai, kaip šimto vatų kaitrinė lemputė, padėta už 800 metrų.

Teleskopai šį santykį padidina daugybę kartų. Teleskopas surenka šviesą iš didesnio ploto ir sutelkia į mažesnį ekraną, dėl to matomas objektas tampa daug ryškesnis, o jo atvaizdas – didesnis, ir tampa įmanoma išskirti detales. Tuo pačiu padidėja ir atstumas, kuriuo esantį objektą galime įžiūrėti. Net ir per nedidelį mėgėjišką teleskopą Andromeda iš neryškios dėmelės tampa didinga spirale, žėrinčia gausybe žvaigždžių. Kitos galaktikos, plika akimi visiškai neįžiūrimos, staiga tampa matomos. Mūsų Galaktikoje išryškėja ūkai ir žvaigždžių spiečiai.

Tačiau ir teleskopai turi savo ribas. Kai kurios iš jų priklauso nuo teleskopo dydžio, kitos – nuo atmosferos sukeliamų trukdžių. Mėgėjiški teleskopai gali aptikti ir dešimto, ir penkiolikto ryškio objektus – juos daugiausiai riboja skersmuo. Gana grubiai tariant, kiek kartų teleskopo pagrindinio lęšio plotas yra didesnis už akies lęšiuko plotą, tiek kartų blausesnį objektą įmanoma pro jį įžiūrėti. Dešimties centimetrų skersmens teleskopo plotas yra apie 200 kartų didesnis, nei akies lęšiuko, tad pro jį matysime 200 kartų blausesnę nei šešto ryškio žvaigždę. Pavertus tą santykį ryškių skirtumu, gauname beveik šešis ryškius, taigi pro tokį teleskopą galėsime stebėti dvylikto ryškio objektus. Pro didesnį teleskopą – blausesnius.

Ryškumas su atstumu susijęs gana tiesiogiai. Jei kažkokį objektą įžiūrime atstumu X, tai keturis kartus šviesesnį objektą įžiūrėsime dvigubai toliau, o šimtą kartų šviesesnį – dešimt kartų toliau. Taip pat veikia ir kintanti blausumo riba: jei mažiausias šviesumas, kurį dar galime įžiūrėti, sumažėja keturis kartus, tai atstumas, kuriuo įžiūrėsime konkretų objektą, išauga dvigubai. Pro mėgėjišką teleskopą, kuris leidžia pamatyti, tarkim, 900 kartų blausesnius objektus, nei plika akis, įžiūrėsime trisdešimt kartų toliau esančius objektus.

Geriausių Žemėje stovinčių teleskopų jautrumą riboja atmosferos judėjimas, kiekvieną taškinį šviesos šaltinį paverčiantis nedidele dėme. Didžiausi šiandieniniai regimųjų spindulių teleskopai pasiekia 24-26 ryškį, arba iki 100 milijonų kartų blausesnius objektus, nei matome plika akimi. Tolimiausios žvaigždės, kurias įmanoma įžiūrėti per šiuos teleskopus, yra 10 tūkstančių kartų toliau, nei matomos be prietaisų – maždaug dešimties megaparsekų atstumu. Apskritai tolimiausia žinoma žvaigždė yra už 17 megaparsekų.

Dar toliau pažvelgti leidžia kosminiai teleskopai. Jiems netrukdo Žemės atmosfera, todėl jie gali aptikti objektus iki maždaug 30-to ryškio, arba dar šimtą kartų blausesnius, nei aptinkami iš Žemės. Labai tolimų pavienių žvaigždžių šiais teleskopais neieškoma, jų tikslai kitokie. Tarp jų yra pačių tolimiausių Visatos pakraščių stebėjimai, o ten randami ir tolimiausi objektai. Tai yra galaktikos, aktyvūs jų branduoliai, supernovų sprogimai ir gama spindulių žybsniai – objektai ir reiškiniai, kurių šviesis milijardus ir daugiau kartų viršija Saulės šviesį. Todėl ir matomi jie šimtus tūkstančių kartų toliau, nei būtų matoma bet kokia pavienė žvaigždė.

Taigi žiūrėti galime į pačius Visatos pakraščius. Bet tą darydami pasiekiame kitas ribas, kurios trukdo pamatyti toliau. Jos yra susijusios nebe tiek su atstumu, kiek su laiku. Kadangi šviesa sklinda baigtiniu, nors ir labai dideliu, greičiu, kiekvieną objektą matome tokį, koks jis buvo kažkada praeityje. Mėnulį – sekundės praeityje, Kentauro Alfą – keturių metų praeityje, Andromedos galaktiką – dviejų milijonų metų, ir taip toliau. Tolimiausių matomų objektų šviesa iki mūsų sklinda beveik tiek pat laiko, koks yra Visatos amžius – trylika milijardų metų ir daugiau (nors tai nereiškia, kad atstumas iki to objekto yra lygus trylikai milijardų šviesmečių). Tačiau iki pat Visatos pradžios pasižiūrėti galimybės neturime.

Tolimiausio žinomo objekto – galaktikos GN-z11 – šviesa iki mūsų keliauja 13,39 milijardo metų. Tai reiškia, kad matome ją tokią, kokia ji buvo Visatai esant vos 330 milijonų metų amžiaus. Maždaug tuo metu, tarp 100 iki 300 milijonų metų, Visatoje formavosi pirmosios žvaigždės ir galaktikos. Jų šviesą pamatyti įmanoma, nors ir labai sunkiai – vis jautresni teleskopai po truputį skverbiasi vis tolyn ir taip susidarome vis geresnį vaizdą apie Visatos savybes per pirmąjį milijardą metų po Didžiojo sprogimo. Bet kurį laiką po Didžiojo sprogimo žvaigždžių tiesiog nebuvo. Nebuvo ir aktyvių galaktikų branduolių, kurių spinduliuotė galėtų apšviesti dujas. Visata buvo pilna šaltų dujų, kurios spinduliavo labai silpnai, ir jas aptikti šansų praktiškai nėra. Tai net ne techninių galimybių klausimas – tarpžvaigždinės ir tarpgalaktinės medžiagos, esančios arčiau mūsų, spinduliuotė visiškai užgožia tų pačių tolimiausių dujų fotonus.

Dar anksčiau, pirmus 380 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo, Visata buvo tokia karšta, kad visos dujos buvo jonizuotos – elektronai atplėšti nuo branduolių. Bet koks tuo metu Visatoje buvęs fotonas, judėdamas pro jonizuotą medžiagą, labai netoli nuskridęs būdavo sugeriamas, o vėliau išspinduliuojamas iš naujo, bet jau kita kryptimi. Kitaip tariant, Visata buvo nepermatoma. Tai nereiškia, kad jokia spinduliuotė iš senesnių laikų mūsų nepasiekia, tačiau ta spinduliuotė neduoda jokios informacijos apie laikus, ankstesnius nei 380 tūkstančių metų, kai Visata atvėso tiek, jog elektronai prikibo prie protonų, vandenilis tapo neutralus ir fotonai pagaliau galėjo sklisti laisvai. Panašiai kaip nepermatomas yra debesis, užstojantis Saulę, ir žiūrėdami į jį matome tik artimesnį mums debesies paviršių, taip ir Visatos pirmųjų šimtų tūkstančių metų vaizdą nuo mūsų dengia vadinamasis „paskutinės sklaidos paviršius“, iš kurio ateinančią spinduliuotę dabar matome kaip kosminį mikrobangų foną.

Taigi riba, kiek galime pamatyti, priklauso nuo to, kaip žiūrime. Plika akimi žvaigždes matome iki kiek daugiau nei tūkstančio parsekų atstumo, o tolimiausias objektas yra 700 kiloparsekų nutolusi Andromedos galaktika. Mėgėjiški teleskopai šias ribas padidina kelias dešimtis kartų, profesionalūs – tūkstančius kartų. Geriausi teleskopai leidžia pažvelgti į pačius Visatos pakraščius – matyti ten esančias galaktikas, stebėti toli sprogstančias supernovas ir gama spindulių žybsnius. Ir galiausiai atsiremiame į didžiausią nuotolį, bevek keturiolikos milijardų parsekų (daugiau nei 45 milijardų šviesmečių) atstumu esantį paskutinės sklaidos paviršių, iš kurio atsklinda kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė. Toliau pažvelgti galėtume nebent su gravitacinėmis bangomis arba neutrinais.