Czy może Wszechświat kiedyś схлопнуться?

Jednym z najważniejszych osiągnięć w 20 wieku stało się precyzyjne określenie tego, jak dużą, szeroką i masywną jest nasz Wszechświat. Mając około dwóch bilionów galaktyk, zawartych w zakresie promieniu 46 miliardów lat świetlnych, nasz obserwowalny Wszechświat pozwala nam odtworzyć pełną historię naszego kosmosu, aż do Wielkiego Wybuchu, a może nawet trochę wcześniej. Ale jak już o przyszłości? Jaki jest Wszechświat? Będzie czy nie?

Ktoś mówi, że ekspansja Wszechświata zwalnia. Nagrodę nobla przyznano za "odkrycie", że ekspansja Wszechświata wzrasta. Ale kto ma rację? Czy może Wszechświat kiedyś схлопнуться w procesie tak zwanej Dużej Kompresji (reverse Wielkiego Wybuchu)?

Najlepiej przyszłość zachowanie jest przewidywane na podstawie zachowania z przeszłości. Ale tak samo, jak ludzie mogą czasem zaskakiwać nas, Wszechświat też może.

Prędkość rozszerzania się Wszechświata w pewnym momencie zależy tylko od dwóch czynników: pełnej gęstości energii istniejącej w przestrzeni-czasu i ilości teraźniejszym krzywizny przestrzeni. Jeśli rozumiemy prawa grawitacji i jak różne rodzaje energii rozwijają się z biegiem czasu, możemy odzyskać wszystko, co działo się w określonym momencie w przeszłości. Możemy również spojrzeć na różne odległe obiekty w różnych odległościach i zmierzyć, jak wyciągnął na światło dzienne z powodu powiększenia przestrzeni. Każda galaktyka, supernowa, cząsteczkowy gazowe chmura itp. — wszystko, co absorbuje lub emituje światło — opowiada kosmiczną historię tego, jak rozszerzenie przestrzeni растягивало go od urodzenia światła do momentu naszego nadzoru.

Z wielu niezależnych obserwacji jesteśmy w stanie stwierdzić, z czego bezpośrednio składa się Wszechświat. Zrobiliśmy to z trzech dużych niezależnych łańcuchów obserwacji:

• W kosmicznym mikrofalowym tle występują wahania temperatury, które kodują informacje na temat krzywizny Wszechświata, normalnej materii, ciemnej materii, neutrino i ogólnym utrzymaniu gęstości.
• Korelacji między galaktykami w największych skalach — znane jako барионные akustyczne drgania — zapewniają bardzo surowe pomiaru całkowitej gęstości materii, stosunek normalnej materii i ciemnej materii i jak zmieniała się prędkość rozszerzania się z czasem.
• I najbardziej odległych, świecące standardowe świece we Wszechświecie, supernowe typu Ia, opowiadają nam o szybkości rozbudowy i ciemnej energii, jak zmieniały się z czasem.

Te łańcucha dowodów, wszyscy razem, malują nam spójny obraz Wszechświata. Opowiadają nam, że istnieje w współczesnej Wszechświata, i dają nam космологию, w której:

• 4,9% energii Wszechświata jest przedstawiona normalną materią (protonami, neutronami i elektronami);
• 0,1% energii Wszechświata istnieje w formie masywnych neutrino (które występują jako materia w ostatnim czasie i występowali jako promieniowanie w dawniejszych czasach);
• 0,01% energii Wszechświata istnieje w postaci promieniowania (np. fotonów);
• 27% energii Wszechświata istnieje w postaci ciemnej materii;
• 68% energii nieodłącznym samemu przestrzeni: ciemna energia.

Wszystko to daje nam płaskiego Wszechświata (z krzywizny 0%), Wszechświat bez defektów topologicznych (monopoli magnetycznych, kosmicznych strun, domen ścian lub kosmicznych tekstur), Wszechświat ze znaną historią rozszerzenia.

Równania ogólnej teorii względności bardzo детерминистичны w tym sensie: jeśli wiemy, z czego składa się Wszechświat dzisiaj i prawa grawitacji, dokładnie wiemy, jak ważny był każdy składnik z osobna wzięty okresie ubiegłego. Początkowo dominowały promieniowanie i neutrino. Miliardy lat najważniejszymi składnikami były ciemna materia i normalna materia. W ciągu ostatnich kilku miliardów lat — i to pogorszy się z upływem czasu — ciemna energia stała się dominującym czynnikiem w rozwoju Wszechświata. To sprawia, że Wszechświat przyspieszać, i od tego momentu wiele ludzie przestają rozumieć, co się dzieje.

Są dwie rzeczy, które możemy zmierzyć, jeśli chodzi o rozszerzaniu się Wszechświata: szybkość rozbudowy i szybkość, z jaką poszczególne galaktyki, z naszego punktu widzenia, odchodzą w perspektywie. Są one związane, ale pozostają różne. Prędkość ekspansji, z jednej strony, mówi o tym, jak tkanina przestrzeń sama w sobie jest rozciągnięty w czasie. Ona jest zawsze definiowana jako prędkość na jednostkę odległości, zwykle jest podawana w kilometrach na sekundę (prędkość) na megaparseków (dystans), gdzie megaparseków to około 3,26 mln lat świetlnych.

Gdyby nie było ciemnej energii, prędkość dany spadała by z czasem zbliża się do zera, ponieważ gęstość materii i promieniowania spadała do zera w miarę rozszerzania pojemności. Ale z ciemną energią ta prędkość dany pozostaje zależna od gęstości ciemnej energii. Jeśli ciemna energia, na przykład, była stała kosmologiczna, prędkość rozszerzania się ustabilizowała by do stałej wartości. Ale przy tym poszczególne galaktyki, удаляющиеся od nas, były przyśpieszane.

Wyobraź sobie szybkość dany określonej wartości: 50 km/s/Mpc. Jeśli galaktyka znajduje się od nas w odległości 20 Mpk, wydaje się, oddala się od nas z prędkością 1000 km/s. Ale daj jej czas, i w miarę rozwoju tkanki przestrzeń ta galaktyka w końcu będzie dalej od nas. Z czasem będzie dwa razy dalej: 40 Ipc, i szybkość usuwania będzie 2000 km/s. jeszcze Minie czasu, i będzie 10 razy dalej: 200 Mic, i szybkość usuwania 10 000 km/s. Z czasem udać się naodległość 6000 Ipc od nas i zostanie usunięte przy prędkości 300 000 km/s, co jest prędkością większą niż prędkość światła. Czym dalej będzie czas, tym szybciej galaktyka odejdzie od nas. Oto dlaczego Wszechświat "przyspiesza": tempo ekspansji spada, ale prędkość разбегания poszczególnych galaktyk od nas tylko rośnie.

Wszystko to jest zgodne z naszymi najlepszymi wymiary: ciemna energia stanowi stałą gęstość energii, właściwą samemu przestrzeni. W miarę tego, jak przestrzeń jest rozciągnięty, gęstość ciemnej energii pozostaje stała, i Wszechświat skończy "Dużym Mrozem", kiedy wszystko, co nie wiąże się w całość grawitacją (coś w rodzaju naszej lokalnej grupy galaktyk, układu Słonecznego), będzie mijać się i rozprasza. Jeśli ciemna energia naprawdę stała kosmologiczna, to rozszerzenie będzie trwać w nieskończoność, aż Wszechświat nie stanie się zimny i pusty.

Ale jeśli ciemna energia dynamiczna — co jest możliwe teoretycznie, ale pozostaje bez obserwowanych dowodów — może skończyć się Dużą Kompresją lub Dużym Pęknięciem. W Dużej Kompresji ciemna energia będzie słabnąć i stopniowo przemieni proces rozszerzania się Wszechświata, aby ta zaczęła się kurczyć. Może nawet wystąpić cykliczna Wszechświat, gdzie "kompresja" daje początek nowego Wielkiego Wybuchu. Jeśli ciemna energia będzie się umacniać, na nas czeka inny los, gdy struktury związane zostaną zerwane stopniowo narastającym tempem ekspansji. Zresztą, dziś wszystko wskazuje na to, że czeka nas Wielkie Zamarzaniu, gdy Wszechświat będzie się rozszerzać wiecznie.

Główne cele naukowe przyszłych obserwatoriów jak Euclid ESA lub WFIRST NASA obejmują pomiar tego, czy ciemna energia stała kosmologiczna. I choć wiodąca teoria mówi, na rzecz stałej ciemnej energii, ważne jest, aby zrozumieć, że mogą być możliwości, nie wykluczone pomiarami i obserwacjami. Z grubsza mówiąc, Wszechświat może jeszcze схлопнуться, i to nie jest wykluczone. Potrzeba więcej danych.