От инфляционного состояния, предшествовавшего Большому взрыву, до нашей холодной, одинокой судьбы, в которой доминирует темная энергия, Вселенная проходит через шесть разных эпох. Мы уже живем в последнем.
Вселенная сегодня не такая, как вчера. С каждым прошедшим мгновением происходит ряд тонких, но важных изменений, даже если многие из них незаметны в измеримых человеческих масштабах времени. Вселенная расширяется, а это значит, что расстояния между крупнейшими космическими структурами со временем увеличиваются.
Секунду назад Вселенная была немного меньше; через секунду Вселенная станет немного больше. Но эти тонкие изменения накапливаются в больших космических масштабах времени и влияют не только на расстояния. По мере расширения Вселенной меняется относительная важность излучения, материи, нейтрино и темной энергии. Температура Вселенной меняется. И то, что вы увидите в небе, также резко изменится. В общем, есть шесть различных эпох, на которые мы можем разделить Вселенную, и мы уже находимся в последней.
Причину этого можно понять из графика выше. Все, что существует в нашей Вселенной, имеет в себе определенное количество энергии: материя, излучение, темная энергия и т. д. По мере расширения Вселенной объем, занимаемый этими формами энергии, меняется, и плотность энергии каждой из них будет развиваться по-разному. В частности, если мы определим наблюдаемый горизонт переменной a, то:
- Плотность энергии материи будет изменяться как 1/a ³, поскольку (для материи) плотность - это просто масса по отношению к объему, а массу можно легко преобразовать в энергию через E=mc²,
- Плотность энергии излучения будет изменяться как 1/ a ⁴, поскольку (для излучения) числовая плотность равна числу частиц, деленному на объем, а энергия каждого отдельного фотона увеличивается по мере расширения Вселенной., добавляя дополнительный множитель 1/ a относительно материи,
- а темная энергия является свойством самого пространства, поэтому его плотность энергии остается постоянной (1/a ⁰), независимо от расширения или объема Вселенной.
Вселенная, которая существовала дольше, следовательно, будет больше расширяться. В будущем будет прохладнее, а в прошлом было жарче; в прошлом он был гравитационно более однородным, а теперь стал более глыбистым; в прошлом он был меньше, а в будущем станет намного больше.
Применяя законы физики ко Вселенной и сравнивая возможные решения с полученными нами наблюдениями и измерениями, мы можем определить, откуда мы пришли и куда направляемся. Мы можем экстраполировать нашу прошлую историю вплоть до начала горячего Большого взрыва и даже раньше, до периода космической инфляции. Мы также можем экстраполировать нашу нынешнюю Вселенную на далекое будущее и предвидеть окончательную судьбу, ожидающую все сущее.
Когда мы проводим разделительные линии, основываясь на том, как ведет себя Вселенная, мы обнаруживаем, что наступит шесть различных эпох.
- Инфляционная эра: которая предшествовала горячему Большому взрыву и привела к нему.
- Эра Первичного Супа: от начала горячего Большого Взрыва до окончательных преобразующих взаимодействий ядер и частиц в ранней Вселенной.
- Плазменная эра: с момента окончания нерассеивающих взаимодействий ядер и частиц до тех пор, пока Вселенная не остынет достаточно, чтобы стабильно образовать нейтральную материю.
- Эпоха Средневековья: от образования нейтральной материи до полной реионизации межгалактической среды Вселенной первыми звездами и галактиками.
- Звездная эра: с момента окончания реионизации до прекращения гравитационного формирования и роста крупномасштабных структур, когда темнеет плотность энергии преобладает над плотностью вещества.
- Эпоха Темной Энергии: заключительный этап нашей Вселенной, когда расширение ускоряется, а разъединенные объекты безвозвратно и необратимо удаляются друг от друга.
Мы уже вступили в эту последнюю эру миллиарды лет назад. Большинство важных событий, которые определят историю нашей Вселенной, уже произошли.
1.) Инфляционная эра До горячего Большого взрыва Вселенная не была заполнена материей, антиматерией, темной материей или излучение. Он не был заполнен частицами любого типа. Вместо этого он был наполнен формой энергии, присущей самому пространству: формой энергии, которая заставляла Вселенную расширяться чрезвычайно быстро и безжалостно, экспоненциально.
- Он растянул Вселенную из какой бы геометрии она когда-то ни была, до состояния, неотличимого от пространственно плоского.
- Он расширил небольшой причинно-связанный участок Вселенной до одного гораздо большего, чем наша видимая в настоящее время Вселенная: больше, чем текущий причинный горизонт.
- Он взял все частицы, которые могли присутствовать, и расширил Вселенную так быстро, что ни одна из них не осталась внутри области размером с нашу видимую Вселенную.
- И квантовые флуктуации, которые произошли во время инфляции, создали семена структуры, которая сегодня породила нашу обширную космическую паутину.
А потом, примерно 13,8 миллиарда лет назад, инфляция закончилась. Вся эта энергия, некогда присущая самому пространству, превратилась в частицы, античастицы и излучение. С этим переходом закончилась инфляционная эра и начался горячий Большой Взрыв.
2.) Эпоха Первичного Супа Когда расширяющаяся Вселенная наполнится материей, антиматерией и излучением, она остынет. Всякий раз, когда частицы сталкиваются, они производят любые пары частица-античастица, разрешенные законами физики. Основное ограничение исходит только от энергий вовлеченных столкновений, поскольку производство регулируется E=mc².
По мере охлаждения Вселенной энергия падает, и становится все труднее и труднее создавать все более массивные пары частица-античастица, но аннигиляции и другие реакции частиц продолжаются. Через 1-3 секунды после Большого взрыва вся антиматерия исчезает, остается только материя. Через 3-4 минуты после Большого взрыва может образовываться стабильный дейтерий и происходить нуклеосинтез легких элементов. И после нескольких радиоактивных распадов и нескольких заключительных ядерных реакций все, что у нас осталось, - это горячая (но остывающая) ионизированная плазма, состоящая из фотонов, нейтрино, атомных ядер и электронов.
3.) Эпоха плазмы После образования этих легких ядер они становятся единственными положительно (электрически) заряженными объектами во Вселенной. и они повсюду. Конечно, они уравновешиваются равным количеством отрицательного заряда в виде электронов. Ядра и электроны образуют атомы, поэтому может показаться вполне естественным, что эти два вида частиц немедленно найдут друг друга, образуя атомы и прокладывая путь звездам.
К несчастью для них, их численность значительно превосходит - более чем в миллиард к одному - фотонов. Каждый раз, когда электрон и ядро соединяются вместе, появляется фотон достаточно высокой энергии и разрывает их на части. Только когда Вселенная резко остынет, с миллиардов градусов до нескольких тысяч градусов, нейтральные атомы наконец смогут сформироваться. (И даже тогда это возможно только благодаря особому атомному переходу.)
В начале эры плазмы в энергосодержании Вселенной преобладало излучение. В конце концов, в нем преобладают нормальная и темная материя. Эта третья фаза переносит нас на 380 000 лет после Большого Взрыва.
4.) Эпоха Средневековья. Наполненная нейтральными атомами, наконец, гравитация может начать процесс структурообразования во Вселенной. Но со всеми этими нейтральными атомами вокруг то, что мы в настоящее время знаем как видимый свет, было бы невидимым по всему небу.
Почему это? Потому что нейтральные атомы, особенно в виде космической пыли, прекрасно блокируют видимый свет.
Чтобы положить конец темным векам, межгалактическая среда должна быть повторно ионизирована. Для этого требуется огромное количество звездообразования и огромное количество ультрафиолетовых фотонов, а также время, гравитация и запуск космической сети. Первые крупные области реионизации происходят через 200-250 миллионов лет после Большого взрыва, но в среднем реионизация не завершается до тех пор, пока Вселенной не исполнится 550 миллионов лет. На данный момент скорость звездообразования все еще увеличивается, и первые массивные скопления галактик только начинают формироваться.
5.) Звездная эра Когда темные века закончились, Вселенная теперь прозрачна для звездного света. Теперь доступны великие уголки космоса со звездами, звездными скоплениями, галактиками, скоплениями галактик и огромной растущей космической паутиной, которые ждут своего открытия. Энергетически во Вселенной доминирует темная материя и нормальная материя, и гравитационно-связанные структуры продолжают расти все больше и больше.
Скорость звездообразования все растет и растет, достигнув пика примерно через 3 миллиарда лет после Большого взрыва. В этот момент продолжают формироваться новые галактики, существующие галактики продолжают расти и сливаться, а скопления галактик притягивают в себя все больше и больше материи. Но количество свободного газа в галактиках начинает падать, так как огромное количество звездообразования израсходовало его большое количество. Медленно, но неуклонно скорость звездообразования падает.
Со временем звездная смертность будет опережать рождаемость, и этот факт усугубляется следующим сюрпризом: по мере того, как плотность материи падает с расширением Вселенной, появляется новая форма энергии - темная энергия - начинает проявляться и доминировать. Через 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва далекие галактики перестают замедляться в своем удалении друг от друга и снова начинают ускоряться. Ускоряющаяся Вселенная приближается к нам. Чуть позже, через 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва, темная энергия становится доминирующей составляющей энергии во Вселенной. В этот момент мы вступаем в последнюю эру.
6.) Эпоха темной энергии Когда темная энергия берет верх, происходит нечто странное: крупномасштабная структура Вселенной перестает расти. Объекты, которые были гравитационно связаны друг с другом до прихода темной энергии, останутся связанными, но те, которые еще не были связаны к началу века темной энергии, никогда не станут связанными. Вместо этого они будут просто разгоняться друг от друга, ведя одинокое существование на великих просторах небытия.
Отдельные связанные структуры, такие как галактики и группы/скопления галактик, в конечном итоге сольются в одну гигантскую эллиптическую галактику. Существующие звезды умрут; образование новых звезд замедлится до ручейка, а затем остановится; гравитационные взаимодействия выбросят большинство звезд в межгалактическую бездну. Планеты будут превращаться в свои родительские звезды или звездные остатки из-за распада под действием гравитационного излучения. Даже черные дыры с необычайно долгим временем жизни в конечном итоге распадаются под действием излучения Хокинга.
В конце концов, в этом пустом, постоянно расширяющемся космосе останутся только черные карлики и изолированные массы, слишком малые для запуска ядерного синтеза, малонаселенные и разъединенные друг с другом. Эти трупы конечного состояния будут существовать даже через несколько лет, продолжая существовать, поскольку темная энергия остается доминирующим фактором в нашей Вселенной.
Эта последняя эра господства темной энергии уже началась. Темная энергия стала важной для расширения Вселенной 6 миллиардов лет назад и начала доминировать в энергетическом содержании Вселенной примерно в то время, когда зарождались наше Солнце и Солнечная система. Вселенная может иметь шесть уникальных стадий, но за всю историю Земли мы уже были в последней. Внимательно посмотрите на Вселенную вокруг нас. Он никогда больше не будет таким богатым - или таким легкодоступным - .