Темная энергия отталкивает далекие галактики друг от друга с возрастающей скоростью. Если гипотеза Большого разрыва верна, дальше все будет только хуже.
Один из самых больших сюрпризов во всей физике произошел в конце 20-го века: в 1998 году. Наблюдая за некоторыми из самых далеких событий, происходящих от одиночной звезды - сверхновых типа Ia - , мы удалось определить, что Вселенная не просто расширялась, но ускорялась. Должно быть что-то большее, чем просто материя, излучение и кривизна пространства, заполняющие Вселенную.
Должна быть новая форма энергии, которая заставит далекие галактики разгоняться от нас. Эта таинственная темная энергия может быть космологической константой, но может быть и чем-то более интересным. Один интересный вариант может изменить судьбу Вселенной, что приведет к Большому Разрыву. Это тема вопроса сторонника Patreon Кена Блэкмана, который спрашивает:
Является ли Большой Разрыв - где расширение превышает все остальные силы - все еще считается возможным будущим для нашей Вселенной? Какие аргументы за или против? И если да, то как это будет разворачиваться, что произойдет?
Давай выясним.
Когда мы смотрим на далекую Вселенную, мы обнаруживаем, что она полна излучающих и поглощающих свет источников. Есть звезды, галактики, квазары, скопления галактик и огромная космическая сеть структур. Также есть пыль, нейтральный газ, ионизированная плазма, темная материя и огромные космические пустоты между структурами. Существует большое разнообразие типов излучения; есть нейтрино и есть черные дыры.
А если все это сложить, то получится только треть всей энергии Вселенной. «Вещество», которое тяготеет в том виде, в каком мы его знаем, составляет меньшую часть того, что на самом деле есть во Вселенной.
Мы знаем это из того, как Вселенная расширялась за свою историю. Около 6 миллиардов лет назад далекие галактики начали ускоряться в своем удалении от нас: Вселенная ускорялась. Основываясь на наших наблюдениях за тем, как они движутся сейчас, а также на наблюдениях за космическим микроволновым фоном, крупномасштабной структурой и другими индикаторами, мы определили, что Вселенная на 68% состоит из темной энергии.
Плотность этой энергии не уменьшается по мере расширения Вселенной, в отличие от материи и излучения. В то время как материя становится менее плотной по мере увеличения объема Вселенной, а излучение также смещается в сторону более длинных и менее энергичных длин волн, темная энергия - это энергия, присущая самому пространству. По мере создания нового пространства плотность энергии остается постоянной.
Это позволяет нам теоретически предсказывать судьбу Вселенной. Если бы темная энергия была действительно постоянным типом энергии, который не менялся бы по мере расширения Вселенной, Вселенная просто расширялась бы вечно. Хаббловская скорость расширения асимптомирует к постоянному конечному значению примерно 55 км/с/Мпк. По мере того, как далекие галактики удалялись все дальше и дальше, от 10 Мпк до 100 Мпк и до 1 Гпк, скорость удаления увеличивалась до 550 км/с, 5 500 км/с, а затем до 55 000 км/с.
В отличие от сценария, в котором не было темной энергии, Вселенная ускоряется. Насколько показывают наши наблюдения, она будет продолжать ускоряться с этой постоянной скоростью сколь угодно далеко в будущем. Судьба Вселенной должна быть холодной, пустой и одинокой; только те объекты, которые сегодня уже связаны гравитацией, останутся в пределах досягаемости друг друга.
Это предполагает, однако, что темная энергия действительно является космологической постоянной. Предполагается, что она не увеличивается и не уменьшается в силе или плотности, не меняет знак и не меняется в пространстве. У нас есть убедительные доказательства того, что это так, в основном из наблюдений за тем, как галактики группируются в самых больших масштабах.
Но даже при самых лучших наблюдениях, которые у нас есть, мы не можем быть уверены, что темная энергия является космологической постоянной. Она может существенно меняться со временем, увеличиваясь или уменьшаясь не более чем на определенную величину. Способ, которым мы количественно определяем, насколько может изменяться темная энергия, - это параметр, называемый w, где, если w=-1 точно, это космологическая постоянная. Но по наблюдениям w=-1,00 ± 0,08 или около того. У нас есть все основания полагать, что его значение точно равно -1.
Если темная энергия непостоянна, есть две основные возможности ее изменения. Если со временем w станет более положительным, темная энергия потеряет силу и, возможно, даже изменит свой знак. Если это так, Вселенная перестанет ускоряться и скорость расширения упадет до нуля. Если его знак изменится на противоположный, Вселенная может даже снова схлопнуться, что обречено на Большое Сжатие.
Нет убедительных доказательств того, что это так, но телескопы следующего поколения, такие как LSST, WFIRST и EUCLID, должны быть в состоянии измерять w с точностью до 1-2%, огромное улучшение по сравнению с тем, что мы имеем в настоящее время. Все эти обсерватории должны быть подключены к сети в 2020-х годах, а EUCLID должен стать первым: запуск состоится в 2021 году.
Конечно, всегда есть вариант, что w становится более отрицательным с течением времени, опускаясь ниже -1 и оставаясь там. Если это так, то происходит нечто захватывающее: Вселенная переживает судьбу, известную как Большой Разрыв.
Если темная энергия действительно постоянна, 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 сила темной энергии увеличивается, что произойдет, если w < -1, то такое ускорение не только оттолкнет от нас далекие галактики, но и заставит эти крупномасштабные структуры со временем становятся гравитационно несвязанными!
Темная энергия со временем будет становиться все сильнее и сильнее, и это будет иметь ужасные последствия для судьбы всего, что сегодня составляет нашу Вселенную.
Когда плотность энергии темной энергии увеличится примерно в десять раз по сравнению с сегодняшней, этого будет достаточно, чтобы предотвратить слияние Млечного Пути с Андромедой. Вместо этого этот сценарий «Большого разрыва» оттолкнет от нас нашу соседнюю галактику, как и все другие далекие галактики во Вселенной. Исчезнет также Галактика Треугольника и большинство других карликовых галактик. Но это не конец; темная энергия будет продолжать увеличиваться в силе.
Увеличьте плотность энергии темной энергии примерно в сто раз по сравнению с текущим значением, и звезды на окраинах Млечного Пути начнут улетать из нашей галактики. Метрическое расширение пространства сможет преодолеть даже гравитационное притяжение всей материи в нашем локальном окружении, как обычной, так и темной.
И если вы увеличите силу темной энергии в две или триста раз по сравнению с ее нынешним значением, наше Солнце присоединится к тем внешним звездам, которые будут оторваны от нашей галактики. Наша Солнечная система будет летать через межгалактическое пространство в полном одиночестве.
Но это не конец того, что мы потеряем в сценарии Большого разрыва. Плотность энергии темной энергии будет продолжать расти, и в конечном итоге это будет угрожать существованию не только нашей Солнечной системы, но и каждой Солнечной системы во Вселенной. Когда темная энергия станет достаточно сильной, сами планеты оторвутся от нашего Солнца.
Облако Оорта пойдет первым, за ним рассеянный диск и пояс Койпера, а затем Нептун, Уран, Сатурн и Юпитер. Следующими пойдут астероиды, а за ними Марс. Земля будет сброшена с орбиты, когда темная энергия достигнет плотности, в 100 миллиардов раз превышающей ее нынешнюю ценность.
И, наконец, здесь, на Земле, окончательная катастрофа постигнет каждого, кто останется позади. Люди будут отделены от гравитационного притяжения Земли, отдельные клетки, молекулы, атомы и ядра будут разорваны на части, поскольку плотность темной энергии будет увеличиваться до бесконечности. Предположительно, даже фундаментальная ткань самого пространства-времени будет разорвана в самом конце.
К счастью, с сегодняшними ограничениями на темную энергию, w=-1,00 ± 0,08, у нас есть время. Если Вселенная закончится Большим Разрывом, это судьба, которая постигнет нас самое раннее через 80 миллиардов лет: почти в шесть раз больше нынешнего возраста Вселенной. Отрыв галактик друг от друга, самый первый заметный шаг на пути к Большому Разрыву, не произойдет в течение многих десятков миллиардов лет даже при самом пессимистичном сценарии.
Насколько нам известно, нет никаких надежных данных, свидетельствующих о том, что сила темной энергии увеличивается, а не остается неизменной, но мы должны стать более чувствительными, чтобы знать наверняка. Однако несомненно то, что независимо от того, на что указывают данные, мы будем измерять это лучше, чем когда-либо прежде, по мере того, как разворачиваются 2020-е годы, когда Земля, Солнце, галактика и местная группа будут защищены от этой участи для многих поколений звезд. приходить. Большой Разрыв, хотя и не исключен, по крайней мере лежит очень далеко в будущем.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!