Спросите Итана: как закончится Вселенная?

Это началось со взрыва, но им не закончится. Вместо этого он будет «яриться против угасания света», чего вы и представить себе не могли.

Ключевые выводы

13,8 миллиарда лет назад произошел горячий Большой взрыв, породивший изначально горячее, плотное, однородное, заполненное материей и излучением и быстро расширяющееся состояние: начало нашей Вселенной, как мы знаем это.
Но из возможных возможных судеб, включая схлопывающуюся Вселенную, движущуюся Вселенную или ту, которая безжалостно расширяется навсегда, данные твердо подтверждают последний вариант.
Если это наша окончательная судьба, то как будет разворачиваться остальная часть нашей космической истории? Узнайте, что происходит, когда время уходит в бесконечность, в этом выпуске «Спросите Итана»!

На протяжении бесчисленных поколений человечество размышляло над величайшими вопросами из всех, касающихся самого нашего существования, без каких-либо признаков достаточных доказательств, которые привели бы нас к ответам.

Что такое наша Вселенная?
Откуда это?
Как все стало так, как сегодня?
И какова его окончательная судьба?

Исторически ответы на подобные вопросы выпадали на долю философов, поэтов и теологов. Но начиная с 20-го века все это начало меняться, когда мы собрали большой набор научных данных из самой Вселенной, которые указывали на поддающиеся проверке решения. Сегодня мы можем с уверенностью дать ответы на многие аспекты этих и других вопросов.

Но что это значит для путешествия отсюда в вечность, как будет разворачиваться остальная часть нашей космической истории? Вот что хочет знать Том Кронмиллер, отмечая, что наша Вселенная:

“Это расширяющаяся вселенная, которая не схлопнется позже в новый Большой Взрыв. Так что же происходит, когда время стремится к бесконечности? В конце концов, наша галактика - единственное, что мы можем видеть? Все ли звезды умирают и дрейфуют во тьме? Поглотит ли центральная черная дыра все? Если да, то не превратится ли он в конце концов в ничто?»

Есть много, много событий, которые мы можем с уверенностью предсказать, когда время идет вперед. Основываясь на нашем нынешнем понимании, вот как все это закончится.

Все ожидаемые судьбы Вселенной (три верхние иллюстрации) соответствуют Вселенной, в которой материя и энергия совместно борются с начальной скоростью расширения. В наблюдаемой нами Вселенной космическое ускорение вызвано каким-то типом темной энергии, который до сих пор остается необъяснимым. Если ваша скорость расширения продолжает падать, как в первых трех сценариях, вы в конечном итоге можете наверстать упущенное. Но если ваша Вселенная содержит темную энергию, это уже не так.

Прямо сейчас мы абсолютно уверены в текущем состоянии Вселенной. Да, там есть некоторые неопределенности на уровне ~несколько процентов, самое большее, но мы знаем, что наша Вселенная:

расширение,
равномерно во всех направлениях,
со скоростью около 70 километров в секунду на каждый мегапарсек пройденного нами расстояния,
с его энергетическим содержанием, разделенным между различными компонентами, включая темную энергию (68%), темную материю (27%), нормальную материю (4,9%), нейтрино (0,1%) и фотоны (0,01%). %).

Наша Вселенная также наполнена структурой: планетами, звездами, галактиками, группами и скоплениями галактик и космическими нитями, которые создают подобную паутине структуру в еще больших масштабах. Объекты, которые накопили достаточно материи - те, которые достаточно сильно притягивались в течение достаточно продолжительных периодов времени - больше не расширяются; они создали связанные структуры. Но индивидуально связанные структуры, которые не связаны друг с другом, будут продолжать расширяться друг от друга с течением времени.

Местная группа, группа M81, группа Льва и скопление Девы - все это впечатляющие примеры близких групп и скоплений галактик, которые связаны индивидуально, но продолжают расширяться вдали друг от друга. поскольку Вселенная продолжает расширяться.

Различные галактики сверхскопления Девы, сгруппированные и собранные вместе. В самых больших масштабах Вселенная однородна, но если вы посмотрите на масштабы галактик или скоплений, преобладают сверхплотные и недостаточно плотные области. Отдельные группы и скопления галактик внутри этой более крупной структуры останутся гравитационно связанными по отдельности, но группы, составляющие видимую более крупную структуру, не будут связаны друг с другом. По мере расширения Вселенной они исчезнут из досягаемости друг друга.

Это говорит нам о том, что наша Местная группа будет держаться вместе, пока Вселенная продолжает расширяться; галактики в пределах примерно 4-5 миллионов световых лет от Млечного Пути останутся гравитационно связанными друг с другом. Однако галактики за пределами Местной группы, хотя они могут остаться связанными со своими собственными группами галактик или галактическими скоплениями, не станут частью нашей Местной группы или каким-либо образом станут гравитационно связанными с нами. Каждое отдельное скопление связанных галактик может оставаться скоплением связанных галактик, но, за исключением групп и скоплений галактик, которые уже связаны и находятся в процессе слияния, более крупные структуры будут расщеплены из-за темной энергии и ускоренное расширение Вселенной.

В масштабах времени в несколько миллиардов лет мы вполне уверены в том, что произойдет как локально, так и в космосе. Солнце нагреется, раздуется, вскипятит земные океаны и в конечном итоге станет красным гигантом, который вскоре после этого умрет. Местная группа останется связанной, а галактики внутри нее будут притягиваться и сливаться вместе, вызывая новое звездообразование и истощая наш газ. Через четыре миллиарда лет Млечный Путь и Андромеда сольются вместе, образовав новую галактику, известную как Милкдромеда.

Серия кадров, показывающих слияние Млечного Пути и Андромеды и то, как небо будет выглядеть иначе, чем Земля, когда это произойдет. Это слияние начнется примерно через 4 миллиарда лет в будущем, с огромным всплеском звездообразования, который приведет к истощенной, бедной газом, более развитой галактике примерно через 7 миллиардов лет. Несмотря на огромные масштабы и количество задействованных звезд, во время этого события столкнется или сольется лишь примерно 1 из 100 миллиардов звезд.

К тому времени, когда пройдет еще 10-15 миллиардов лет, все галактики Местной группы должны испытать гравитационное столкновение с Милкдромедой, где они будут поглощены и уничтожены. Поскольку газ внутри этих галактик образует новые поколения звезд, он также истощается; со временем скорость звездообразования будет продолжать стремительно падать. Без топлива для образования новых звезд в большом количестве старые звезды умрут быстрее, чем родятся новые; количество живых звезд в нашей галактике начнет падать.

Тем временем все остальные группы галактик будут ускоряться в сторону от нашей. Точно так же, как Местная группа становится более концентрированной, другие группы и кластеры становятся более концентрированными, но только по отдельности. В более крупных масштабах они не только будут продолжать удаляться друг от друга, но и скорость, с которой они будут отдаляться, со временем будет увеличиваться. Вот что подразумевается под ускоренным расширением Вселенной: каждая отдельная галактика, не связанная гравитацией с нашей, будет казаться удаляющейся от нас все быстрее и быстрее с течением времени. В конце концов, все галактики, не входящие в Местную группу, будут удаляться от нас быстрее скорости света; с каждым уходящим моментом дополнительные звезды и галактики становятся навсегда недоступными. Верьте или нет, 94% галактик в пределах наблюдаемой Вселенной уже находятся там.

Размер нашей видимой Вселенной (желтый), а также объем, которого мы можем достичь (пурпурный), если сегодня отправимся в путешествие со скоростью света. Предел видимой Вселенной составляет 46,1 миллиарда световых лет, так как это предел того, насколько далеко будет объект, излучающий свет, который достиг бы нас только сегодня, после удаления от нас в течение 13,8 миллиардов лет. Все, что происходит прямо сейчас в радиусе 18 миллиардов световых лет от нас, в конечном итоге достигнет нас и повлияет на нас; ничего дальше этой точки не будет. Каждый год еще около 20 миллионов звезд переходят порог из досягаемости в недосягаемость.

Но внутри нашей Местной группы закат звезд, планет и жизни будет очень медленным. Всего через несколько миллиардов лет все звезды более массивные, чем Солнце, сгорят, оставив только более холодные, красные, менее массивные, но долгоживущие звезды. Когда солнцеподобные звезды умирают, они сбрасывают свои внешние слои в планетарные туманности, которые возвращают большое количество газообразного водорода и гелия обратно в межзвездную среду. По мере того как новый газ начинает заполнять галактику, он будет формировать молекулярные облака, которые растут под действием гравитации. Через некоторое время эти облака сожмутся под действием гравитации, что, в конце концов, приведет к продолжающемуся ручейку звездообразования.

Между тем, как звезды, так и их остатки будут гравитационно взаимодействовать внутри галактики. Со временем более тяжелые массы будут отброшены в центральную область Милкдромеды, в то время как более легкие массы будут получать высокоскоростные удары, отбрасывая их на галактические окраины или даже полностью выбрасывая из галактики. Это приведет к ряду событий:

черные дыры будут собираться в центре галактики, со временем сливаясь воедино,
звезды и коричневые карлики будут сталкиваться друг с другом, создавая более тяжелые звезды,
в галактике разовьется центральная концентрация и диффузное гало звезд,
звездные системы начнут терять свои облака Оорта, пояса Койпера и даже планеты из-за близких проходов с другими звездами,
даже у звезд с наименьшей массой закончится топливо и они умрут,
и многие из самых легких звезд будут полностью выброшены.

Эта галактика, NGC 1316, показывает одну из возможных конфигураций того, как Милкдромеда будет выглядеть через много миллиардов лет в будущем. Хотя небольшое количество нейтрального вещества останется, большинство звезд в галактике будут маломассивными, красными, слабыми и долгоживущими. Вся Местная группа сольется в одну галактику, в то время как все остальные группы и скопления галактик будут разгоняться от нее.

Большой вопрос заключается в том, какие события происходят чаще, а какие реже, и в каких временных масштабах доминирует каждый процесс.

Звезды с наименьшей массой, которые все еще достаточно тяжелы, чтобы зажечь ядерный синтез в своих ядрах, будут самыми долгоживущими из всех. Такие звезды, как Проксима Центавра, будут существовать не миллиарды, а триллионы лет, а наименее массивные звезды будут сиять до ~ 10 триллионов лет. Когда у этих звезд заканчивается топливо в их ядрах, они превращаются в белых карликов, как и звезды, подобные Солнцу. Эти белые карлики будут излучать свое тепло и в конечном итоге остынут, чтобы стать черными карликами: процесс, который занимает от 100 триллионов до квадриллиона лет.

Хотя слияние сверхмассивных черных дыр должно произойти всего через несколько миллиардов лет, что приведет к образованию сверхмассивной черной дыры массой в сотни миллионов солнечных масс в центре Милкдромеды, другие процессы займут гораздо больше времени. Следующей важной вещью будет гравитационное взаимодействие между отдельными объектами в галактике, причем самые отдаленные объекты, связанные со звездой, будут выброшены первыми. К тому времени, когда большинство существующих в настоящее время звезд погаснет, большинство звездных систем потеряют свои облака Оорта и пояс Койпера, а также свои внешние планеты. Солнечная система, например, через квадриллион лет может состоять только из черного карлика, вокруг которого вращаются остатки Марса, Юпитера и Сатурна, а также любые оставшиеся спутники.

Так же, как звезды часто существуют в двойных, тройных и более густонаселенных многозвездных системах, так же существуют и коричневые карлики: звезды-неудачники. Вполне возможно, что существуют многозвездные системы с достаточным расстоянием и достаточно несовпадающими массами, чтобы обеспечить стабильные точки Лагранжа L4/L5, а вместе с ними потенциал для роев тел или даже полноценных экзопланет.

Хотя заманчиво думать, что Вселенная теперь станет «темной», как только исчезнут последние звездные остатки, есть еще один источник света, который станет доминировать: слияния коричневых карликов и других «неудавшихся» звезды», которые являются членами мультизвездных систем. Теперь у нас есть экстраординарное подтверждение того, что все массы на орбитах друг вокруг друга в конечном итоге увидят распад этих орбит, что приведет к спирали и слиянию. Когда два коричневых карлика, общая масса которых превышает примерно 7,5% (текущей) массы Солнца, сливаются вместе, они образуют полноценную звезду, что, в конце концов, приведет к звездному перерождению.

На самом деле, любая планета, вращающаяся вокруг одной из этих звезд с нужными компонентами для жизни, может в конце концов получить возможность стать живым миром. Даже в преимущественно холодной, темной и пустой Вселенной жизнь может снова найти выход. Временная шкала, в течение которой гравитационные волны вызовут слияние, полностью зависит от начальных условий, в которых сформировалась система из нескольких звезд, но многие из них, без сомнения, станут звездами в течение первых примерно 100 квадриллионов лет истории Вселенной. Как и предыдущие маломассивные звезды, они будут сжигать свое топливо в течение триллионов лет, а затем светить еще от сотен триллионов до квадриллиона лет как белый карлик, прежде чем исчезнуть и превратиться в черного карлика.

После того, как Солнце умрет, его остаток ядра сожмется и станет белым карликом. В течение 100 триллионов лет он исчезнет и в конечном итоге станет черным карликом. Любые выжившие планеты на орбите вокруг него должны пережить гравитационные столкновения, чтобы остаться. Если они смогут продержаться достаточно долго, в конце концов гравитационное излучение заставит эти миры быть поглощенными звездным остатком.

Системы, которым требуется больше времени для вдохновения и слияния, тем не менее, будут подвергаться серьезной опасности из-за трех других процессов:

гравитационные взаимодействия, приводящие к их разрыву и развязыванию, а то и полному выбросу,
случайное столкновение, ведущее к немедленному катаклизму,
или их загонят в центр галактики, где они будут поглощены центральной сверхмассивной черной дырой.

Для любой отдельной системы существует примерно 99-процентный шанс, если она не сформирует звезду в течение первых ~100 квадриллионов лет нашей космической истории, что она испытает достаточно значительное гравитационное взаимодействие, чтобы быть выброшенным. Существует около 1% вероятности того, что произойдет столкновение между двумя звездными остатками или коричневым карликом и звездным остатком, что приведет к образованию новой, килоновой или сверхновой. И примерно 1 из 10 000 таких систем попадет в галактический центр, где их в конце концов поглотит сверхмассивная черная дыра. Типичная временная шкала выброса составляет от ~ 100 квадриллионов до 1 квинтиллиона лет; временной масштаб случайного столкновения составляет от ~10 до 100 квинтиллионов лет; шкалу времени для того, чтобы быть поглощенной центральной черной дырой, лучше всего измерять секстиллионами лет или более.

Когда несколько масс взаимодействуют под действием их собственной взаимной гравитации, меньшие массы имеют тенденцию получать более сильные толчки, когда они выбрасываются на более высокие орбиты или полностью выбрасываются, что часто приводит к появлению сверхскоростных объектов. Тем временем оставшиеся объекты оказываются еще более тесно связанными с точки зрения гравитации. В далеком будущем почти все звездные остатки нашей галактики будут выброшены таким же образом, а некоторые вместо этого будут втянуты в центральную сверхмассивную черную дыру.

Большинство объектов, состоящих из обычного вещества в галактике, будут выброшены, и лишь немногие будут поглощены центральной сверхмассивной черной дырой. В конце концов, в том, что осталось от нашей галактики, останется лишь несколько остатков, окутанных огромным ореолом массивной темной материи. Большинство когда-либо образовавшихся планет и звезд будут выброшены в пучину межгалактического пространства, где они будут скитаться в пустоте целую вечность.

Но будет еще один способ, которым вспышки света будут проникать в космос: через испарение черных дыр. Черная дыра массой Солнца испарится через 10⁶⁷лет; самые массивные из них, достигающие десятков миллиардов солнечных масс, испарятся примерно через 10^{100 лет. Этот процесс, хотя и самый медленный из упомянутых нами, гораздо быстрее, чем временные рамки, которые потребуются невыброшенным массам, чтобы излучать свою орбитальную энергию через гравитационные волны; эти сверхмассивные черные дыры начнут распадаться намного быстрее, чем они растут, как только пройдет несколько секстиллионов лет. Только эти последние «вспышки» испарения черной дыры осветят Вселенную; все остальное уже холодно, мертво и выродилось.}

По мере старения Вселенной последние источники света возникнут в результате испарения черных дыр. В то время как наименее массивные черные дыры завершат свое испарение примерно через 10 ^ 67 лет, самые массивные будут существовать более гугол (10 ^ 100) лет, что делает их последними объектами, излучающими свет, насколько нам известно..

Однако есть несколько открытых вопросов, которые могут слегка изменить историю.

Темная энергия, возможно, не является космологической константой, но может развиваться со временем, приводя либо к Большому Сжатию, либо к Большому Разрыву, либо к чему-то совершенно другому. Возможно, мы не находимся в истинно вакуумном состоянии Вселенной, и если мы испытаем распад вакуума, то же самое может произойти и с нашей судьбой. Атомы, которые мы в настоящее время считаем стабильными, могут распасться в течение достаточно длительного времени. И, возможно, хотя мы так не думаем, вполне вероятно, что гравитационное взаимодействие в соседней группе галактик может привести к тому, что другие члены когда-нибудь присоединятся к нашей Местной группе. Мы можем только экстраполировать наше будущее, основываясь на пределах того, что известно сегодня.

Но, тем не менее, мы действительно много знаем о том, чего ожидать в нашем далеком-далеком космическом будущем! Наступит эпоха, когда все далекие галактики, помимо нашей, исчезнут из поля зрения. После этого мы достигнем времени, когда все звезды погаснут и исчезнут все звездные остатки. Хотя тьма будет прерываться вспышками света, в конце концов все звездные остатки в нашей галактике будут выброшены, а последний оставшийся остаток материи - наша центральная сверхмассивная черная дыра - распадется. Масштабы времени огромны, но все же конечны; это торжественное напоминание о том, что нужно наслаждаться Вселенной во всей ее красе, пока она еще существует. В этой Вселенной действительно кажется, что ничто не вечно.

Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!