Самая страшная из всех возможных судеб приводит к окончательному разрушению всего, что когда-либо было или будет.
“Почему люди должны быть такими одинокими? В чем смысл всего этого? Миллионы людей в этом мире, все они тоскуют, ищут удовлетворения у других, но изолируют себя. Почему? Земля была положена сюда только для того, чтобы питать человеческое одиночество?» - Харуки Мураками
Там есть огромная Вселенная, простирающаяся на сотни миллиардов световых лет и содержащая как минимум около триллиона галактик. По правде говоря, Вселенная - выходящая далеко за пределы наблюдаемой для нас части вполне может быть бесконечной. Но что будет со всем этим в будущем? На этой неделе вы прислали множество отличных вопросов и предложений, но в этом выпуске «Спросите Итана» честь перейти к Джеффу Харрису, который спрашивает:
Давным-давно я прочитал статью в New York Times о том, что они назвали Большим разрывом. Они указали, что ускоряющееся расширение Вселенной в конечном итоге приведет к тому, что галактики станут невидимы друг для друга, затем звезды станут невидимы друг для друга, атомы не смогут образовываться, а материя «испарится». Учитывая текущие оценки скорости ускорения, возможно ли что-либо из этого? Каковы основные наблюдаемые ориентиры этого процесса «Большого разрыва» и как далеко в будущем от нашей текущей временной точки происхождения будет иметь место каждый из этих наблюдаемых эффектов?
Если вас интересует судьба Вселенной, вы захотите вернуться к Большому Взрыву и посмотреть, как Вселенная пришла к тому, что мы имеем сегодня.
На ранних стадиях, около 13,8 миллиардов лет назад, наша Вселенная была горячей, плотной, почти идеально однородной и очень, очень быстро расширялась. В то же время, поскольку Вселенная очень массивна, у нас есть сила гравитационного притяжения, которая замедляет это расширение, противодействует ему и, если возможно, обращает его вспять. Возможно это или нет, должно зависеть только от трех вещей: начальной скорости расширения, общего количества материи и энергии во Вселенной и того, какие типы энергии присутствуют (и в каких соотношениях) в нашей Вселенной.
Долгое время мы думали, что у Вселенной есть три возможных судьбы:
- Судьба, в которой было достаточно материи и энергии, чтобы преодолеть первоначальное расширение, замедлить его, заставить сделать паузу в каком-то максимальном масштабе и развернуться. Вселенная снова сожмется и закончится Большим Сжатием.
- Судьба, в которой не хватало материи и энергии, и где расширение продолжалось вечно в будущее. Гравитации было бы достаточно, чтобы постоянно замедлять эту скорость, но она всегда оставалась бы положительной, и далекие галактики продолжали бы вечно удаляться все дальше и дальше друг от друга.
- «Правильный» случай, балансирующий между двумя вышеприведенными, когда еще один протон во Вселенной вызвал бы ее повторное сжатие, но у нас его просто нет. В этом случае скорость расширения Вселенной стремится к нулю, но никогда не меняется на противоположную.
Конечно, настоящая Вселенная не делает ни одной из этих трех вещей.
Он расширялся и замедлялся в течение долгого времени по мере разбавления вещества и излучения, а затем - около шести миллиардов лет назад - скорость, с которой далекие галактики удалялись от нас, перестала уменьшаться, и Вселенная начала ускоряться Это ускорение продолжается по сей день и не собирается останавливаться.
Несмотря на то, что плотность материи и излучения продолжает падать, продолжающееся ускорение говорит нам о том, что существует новая форма энергии в дополнение к этим более распространенным типам: то, что мы называем темной энергией.
Темная энергия проявляется в ряде различных наблюдений, включая крупномасштабные структуры, космический микроволновый фон и в наблюдениях очень удаленных объектов, таких как гамма-всплески, квазары и сверхновые типа Ia.. Мы очень точно измеряли его в последние годы, и только за последнее десятилетие он снизился со 100 % до 50 %, затем от 30 % до 12 % и, наконец, снизился примерно до 8%.
В меру наших нынешних ограничений мы видим, что темная энергия согласуется с тем, что она является космологической постоянной, а это означает, что ее плотность энергии остается постоянной все время.
Это не обязательно должна быть константа. Теоретически лучшим и наиболее убедительным аргументом (т. е. с наименьшим количеством предположений и наименьшим количеством свободных параметров) было бы утверждение, что темная энергия является космологической постоянной, и данные подтверждают это. Из всех возможностей космологическая постоянная была бы наименее удивительным результатом.
Но есть и другие возможности: темная энергия может быть почти постоянной, распавшись из чего-то большего в прошлом и продолжая распадаться сегодня, хотя и медленно. Если бы это было так, то явление ускорения тоже в конце концов исчезло бы, оставив нам Вселенную, которая полностью перестала расширяться.
Также возможно, что темная энергия может измениться на противоположную, перейдя от положительной космологической постоянной к отрицательной, что, в конце концов, приведет к Большому Сжатию.
Но есть еще одна возможность рассмотреть - и это то, что Джефф хочет, чтобы мы рассмотрели - что темная энергия на самом деле станет сильнеекак время идет. Это возможность, которая приводит к Большому разрыву.
Если бы темная энергия была константой, это означало бы, что объект, удаленный от нас примерно на 10 миллионов световых лет, должен удаляться от нас со скоростью от 150 до 200 км/с.. Однако к тому времени она будет удалена на 20 миллионов световых лет, но будет двигаться со скоростью 300 км/с. К тому времени, когда он будет на расстоянии 100 миллионов световых лет, он будет удаляться со скоростью 1500 км/с, когда он будет на расстоянии в миллиард световых лет, со скоростью 15 000 км/с и на расстоянии 20 миллиардов световых лет, он будем удаляться от нас со скоростью света, или 300 000 км/с!
Тот факт, что наша Вселенная уже ускоряется и что прямо сейчас есть объекты, удаляющиеся от нас со скоростью более 300 000 км/с, означает, что 97% видимой для нас Вселенной - все звезды, галактики и планеты более далекие, чем эта скорость удаления - навсегда недоступны для нас. Даже если бы мы сели сегодня на космический корабль с бесконечным количеством энергии в нашем распоряжении, мы бы никогда не смогли добраться до этих далеких мест.
Если темная энергия является лишь постоянной величиной, чем такие вещи, как наша Солнечная система, наша галактика и даже наша местная группа галактик - состоящая из Млечного Пути, Андромеды, Галактики Треугольника, Магеллановых Облаков и несколько десятков маленьких карликовых галактик - будут оставаться гравитационно связанными вместе в течение триллионов и триллионов лет в будущем. Но если темная энергия увеличивается или становится сильнее с течением времени, то скорость ускорения не только оттолкнет далекие галактики от нас, но и заставит эти структуры стать гравитационно несвязанными время идет!
Если бы плотность энергии темной энергии увеличилась примерно в десять раз по сравнению с сегодняшней, этого было бы достаточно, чтобы предотвратить слияние Млечного Пути с Андромедой, а вместо этого оттолкнуть от нас соседнюю галактику, как и все другие далекие галактики во Вселенной. Также исчезнет Галактика Треугольника и большинство других.
Увеличьте плотность энергии темной энергии примерно в сто раз по сравнению с ее нынешним значением, и звезды на окраинах Млечного Пути начнут улетать из нашей галактики, так как метрическое расширение пространства превзойдет даже гравитационное притяжение всей материи в нашем районе. Поднимитесь в две или триста раз по сравнению с нынешней стоимостью, и наше Солнце вместе с этими внешними звездами будет оторвано от нашей галактики.
А если бы плотность темной энергии продолжала расти, что случилось бы с нашей Солнечной системой? В конце концов, сами планеты оторвутся от нашего Солнца, а Земля будет сброшена с орбиты, когда темная энергия достигнет плотности. Вы готовы? - в 100 миллиардов разего текущей стоимости. Наконец, люди будут отделены от гравитационного притяжения Земли, отдельные клетки, молекулы, атомы и ядра будут разорваны на части, поскольку плотность темной энергии продолжит увеличиваться до бесконечности. Предположительно, даже само пространство-время будет разорвано на части в самом конце.
Ужасающая судьба, без сомнения. Впервые это было изложено в статье Роберта Колдуэлла, Марка Камионковски и Невина Вайнберга в 2003 году, и работало это очень просто. Видите ли, все формы плотности энергии во Вселенной имеют связанное с ними давление, и это давление (с некоторыми преобразованиями единиц измерения) может быть выражено как доля плотности энергии. Неподвижная пыль имеет нулевое давление, излучение имеет давление, равное 1/3 его плотности энергии, а космологические константы имеют давление, равное отрицательному значению плотности энергии.
В физике мы называем ту постоянную, которая выходит вперед - +1/3 для излучения, 0 для материи, -1 для космологической постоянной - параметром w и называем ее уравнением состояние. Люди, придумавшие термин «Большой разрыв», изначально считали, что w=-1,5, и обнаружили, что по этому сценарию Вселенная закончится через 22 миллиарда лет. Почти каждое событие, описанное выше, происходит очень близко к концу, поскольку плотность темной энергии должна увеличиваться очень медленно в течение долгого времени, достигая пика бесконечности только в самом конце Вселенной.
Насколько мы можем судить по нашим измерениям, теперь мы можем утверждать, что w=-1,0 с погрешностью около ±0,08, что отодвигает любые сценарии «Большого разрыва» как минимум на 80 миллиардов лет от настоящего времени.. Если вы хотите рассчитать оставшееся время жизни во Вселенной для какого-либо уравнения состояния, вы можете ввести следующую формулу и убедиться, что правильно конвертируете свои единицы измерения:
Хотя имейте в виду, что, насколько нам известно, w=-1 точно, и если это окажется так, не будет Большой разрыв ever. И именно туда я бы поставил свои деньги, если бы был игроком на ставках, хотя важно помнить, что это наука, и мы не исключаем никаких возможностей, какими бы неприятными они нам ни казались, до тех пор, пока доказательства не позволят нам Сделай так.
Спасибо за отличный вопрос, Джефф, и если вы хотите, чтобы ваш вопрос был опубликован в «Спросите Итана», присылайте свои вопросы и предложения. В конце концов, Вселенная, безусловно, полна загадок, больших и малых, о которых стоит подумать!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!