В далеком будущем последняя звезда сгорает, звездные трупы выбрасываются с силой, а галактики разгоняются. А дальше начинается самое интересное.
На протяжении веков самые большие вопросы о нашей Вселенной были философскими. Откуда мы пришли, как мы здесь оказались и куда движемся в будущем - вопросы для поэтов и теологов; у науки не было ответов на величайшие космические загадки. За последние 100 лет все изменилось. Мы знаем, из чего состоит Вселенная и как она стала такой. Мы знаем о Большом взрыве и имеем твердые физические теории его возникновения. И мы знаем о темной энергии и космических ускорениях, которые определяют нашу дальнейшую судьбу. Но что происходит, когда мы туда добираемся? Вот что хочет знать Билл Мэнсли, спрашивая:
Когда наша Вселенная достигнет точки максимальной энтропии? И какие еще возможности существуют для нашей Вселенной в далеком будущем?
Чтобы понять это, давайте начнем с того, где мы находимся сегодня, а затем посмотрим, что происходит в соответствии с законами физики, какими мы их знаем, когда мы переводим часы вперед, в будущее.
Наша наблюдаемая Вселенная заполнена примерно 2 триллионами галактик, занимающих область пространства, доступную для нас на расстоянии около 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. После почти 14 миллиардов лет космической эволюции практически каждая галактика заполнена огромным количеством тяжелых элементов, способных формировать твердые планеты, органические молекулы и строительные блоки жизни с каждой новой формирующейся звездой. Только в нашем Млечном Пути около 400 миллиардов звезд, и мы связаны вместе в нашей локальной группе галактик. Между группами и скоплениями галактик находится расширяющаяся ткань пустого пространства, в которой преобладает темная энергия: энергия, присущая самому пространству. Однако со временем все, что связывает Вселенную воедино, распадется.
Сначала идет газ, необходимый для формирования новых звезд. По мере того, как происходят гравитационные взаимодействия как внутри галактик, так и между разъединенными галактиками, газовые облака коллапсируют в туманности, что приводит к образованию новых звезд. Самая большая область звездообразования может быть размером с целую галактику: галактику со вспышкой звездообразования. Это произойдет с нами примерно через четыре миллиарда лет в будущем, когда мы сольемся с Андромедой. То, что останется, будет огромной эллиптической галактикой - Милкдромеда - , которая содержит огромное количество новых звезд, но в которой почти не осталось газа. В нынешнем виде звездообразование достигло пика во Вселенной около 10-11 миллиардов лет назад и с тех пор идет на убыль. Хотя случайные газовые облака или звездные остатки останутся, давая Вселенной новые шансы для звезд, планет и жизни, они уже сильно угасают даже сегодня.
Каждая галактика, которая является частью связанной структуры, такой как 60 или около того галактик в нашей местной группе или около 1000 или около того галактик в скоплении Девы, останется связанной вместе. Гравитация в областях, охватывающих миллионы световых лет в поперечнике, сумела преодолеть расширение Вселенной. Однако около 6 миллиардов лет назад темная энергия стала доминировать в скорости расширения Вселенной. Любые структуры, которые еще не были связаны гравитацией, когда произошел этот переход, никогда не станут таковыми, и вместо этого они будут расширяться от всех других структур. Галактики в нашей местной группе останутся связанными с нами, в конечном итоге сливаясь в одну огромную, в то время как все остальные галактики разгоняются. К тому времени, когда пройдет сто или двести миллиардов лет, Милкдромеда станет единственной видимой нам галактикой во всей Вселенной.
Сами звезды, однако, будут продолжать гореть еще долго. Вселенной уже 14 миллиардов лет, но самые долгоживущие звезды на сегодняшний день - маломассивные красные карлики - будут продолжать сжигать свое топливо крайне медленно: возможно, более 100 триллионов лет. После этого они остынут и сожмутся, превратившись в белых карликов и, в конце концов, потемнеют - процесс, который может занять более квадриллиона (10¹⁵) лет. Даже при этом будут новые возможности для вспышек, вспышек и других форм освещения во Вселенной. Коричневые карлики, которые сами по себе являются неудавшимися звездами, в конечном итоге будут сталкиваться и сливаться друг с другом, давая начало новым звездам, если они преодолеют этот порог. Слияние нейтронных звезд или белых карликов вызовет кратковременный всплеск энергии. На темном космическом фоне случайный новый источник света все еще будет появляться в нашем галактическом остатке.
Но примерно через 10¹⁷ лет - «примерно в миллион раз больше нынешнего возраста Вселенной - что-то начинает заставлять саму нашу галактику распадаться. Трупы, летящие по галактике, включая черные дыры, нейтронные звезды, черные карлики и астероиды-изгои, кометы и планеты, начинают гравитационно взаимодействовать друг с другом. По прошествии достаточного времени два объекта случайным образом пройдут рядом друг с другом. Когда они делают это внутри галактики, обычно происходит то, что один из них становится более тесно связанным с галактикой в целом, а другой получает гравитационный «пинок», потенциально выбрасывая его в бездну межгалактического пространства. Большинство звездных остатков будут выброшены из галактики таким образом, но небольшой процент (<1%) из них столкнутся и сольются с другими, создав короткую вспышку света.
К тому времени, когда Вселенной исполнится около 10²³ лет, этот процесс должен быть в значительной степени завершен. Какие бы стабильные тела ни остались в галактике, которые, вероятно, будут всего лишь несколькими остатками Солнечной системы и черными дырами, теперь увидят, что их орбиты начнут гравитационно распадаться. Тот же самый процесс гравитационного излучения, который сегодня приводит в действие двойные системы черных дыр и нейтронных звезд, в конечном итоге приведет к затуханию всех орбитальных движений. Для нашей Земли вокруг Солнца (или того, что от нее осталось) нам потребуется где-то около 10³⁰ лет, чтобы по спирали попасть в центральную массу нашей Солнечной системы. Со временем все либо рухнет в оставшуюся массу, либо будет выброшено так, что все останется одиноко в бездне пустого пространства.
В течение очень, очень долгого времени практически ничего не происходит, кроме отставших, которых еще нет:
- были выброшены из своей галактики,
- столкнулся с другим объектом,
- или слились со сверхмассивной черной дырой в центре своей галактики.
Эти события все еще могут происходить, но они становятся все более и более редкими по мере того, как во Вселенной остается все меньше и меньше. А затем, примерно через 10⁶⁸ лет, черные дыры с наименьшей массой, наконец, начинают полностью распадаться из-за излучения Хокинга.
По мере того, как они испаряются, вся их масса превращается в чистое излучение черного тела, не отдавая предпочтение ни материи, ни антиматерии. Каким-то образом, как мы подозреваем, частицы, из которых образовались эти черные дыры (вместе с их барионным и лептонным числом), больше не имеют значения; уходящее излучение потеряло информацию о том, что материя когда-то доминировала над антиматерией в нашей Вселенной. Чем массивнее черная дыра, тем дольше она испаряется. Наконец, примерно через 10¹²⁰ лет, самые массивные черные дыры во Вселенной, наконец, завершили процесс испарения.
Вселенная теперь холодна, пуста и лишена связанных структур. Все, что осталось, - это планетарные и звездные трупы, мчащиеся в одиночестве через эту неисчислимо большую бездну пустого, лишенного галактик пространства. Возможно, останутся изолированные ореолы темной материи, черные карлики и излучение, которое когда-то возникло из черных дыр, но оно будет настолько разреженным, что даже если вы путешествовали со скоростью, близкой к скорости света, на протяжении всей эпохи Вселенной, вы d чрезвычайно маловероятно столкнуться с чем-либо еще. Все будет охлаждено настолько близко к абсолютному нулю, насколько позволяют законы квантовой физики, и это состояние максимальной энтропии Вселенной. Мы, наконец, достигнем нашей «тепловой смерти», поскольку больше нет доступной энергии, способной выполнять работу.
Единственные выходы - если темная энергия - это что-то иное, чем космологическая константа, если черные дыры на самом деле окажутся вратами в другую Вселенную, или есть новая, неизвестная физика, которая изменит это, казалось бы… неизбежная судьба. Темная энергия может увеличиваться со временем, что приведет к большому разрыву, новому инфляционному состоянию, за которым последует Большой взрыв, или потенциально омоложению Вселенной. Падение в черную дыру может быть путем к новой Вселенной и новому Большому взрыву, потенциально с меньшим количеством пространственных измерений, чем три, к которым мы привыкли. Или новая физика, как однажды предположил Айзек Азимов, может заставить энтропийную стрелу - термодинамическую стрелу времени - повернуться вспять.
Но все это предположения, основанные на физике, которую мы в настоящее время не принимаем. Если мы примем законы физики и правила Вселенной за чистую монету, наша окончательная судьба - медленная, постепенная смерть всего во Вселенной. Если бы мы родились всего на несколько сотен миллиардов лет позже, мы, возможно, никогда не узнали бы космическую историю, которая привела нас к этому неизбежному концу.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!