Может ли Вселенная однажды схлопнуться?
Одним из важнейших достижений 20 века стало точное определение того, насколько большой, обширной и массивной является наша Вселенная. Имея примерно два триллиона галактик, заключенных в объеме радиусом в 46 миллиардов световых лет, наша наблюдаемая Вселенная позволяет нам реконструировать полную историю нашего космоса, аж до Большого Взрыва и может быть даже немного раньше. Но как насчет будущего? Какой будет Вселенная? Будет ли?
Большое сжатие может все уничтожить
Кто-то говорит, что расширение Вселенной замедляется. Нобелевскую премию присудили за «открытие» того, что расширение Вселенной увеличивается. Но кто прав? Может ли Вселенная однажды схлопнуться в процессе так называемого Большого Сжатия (обратного Большому Взрыву)?
Что такое большое сжатие
Лучше всего будущее поведение предсказывается на основе поведения прошлого. Но так же, как люди могут иногда удивлять нас, Вселенная тоже может.
Скорость расширения Вселенной в определенный момент зависит только от двух факторов: полной плотности энергии, существующей в пространстве-времени, и количества присутствующей кривизны пространства. Если понимаем законы гравитации и как различные типы энергии эволюционируют с течением времени, мы можем восстановить все, что происходило в определенный момент в прошлом. Мы также можем взглянуть на различные удаленные объекты на разных расстояниях и измерить, как растянулся свет из-за расширения пространства. Каждая галактика, сверхновая, молекулярное газовое облако и т. п. — все, что поглощает или испускает свет, — расскажет космическую историю того, как расширение пространства растягивало его с момента рождения света до момента нашего наблюдения его.
Из множества независимых наблюдений мы смогли сделать вывод, из чего непосредственно состоит Вселенная. Мы сделали три больших независимых цепочек наблюдений:
- В космическом микроволновом фоне присутствуют температурные флуктуации, которые кодируют информацию о кривизне Вселенной, нормальной материи, темной материи, нейтрино и общем содержании плотности.
- Корреляции между галактиками на самых больших масштабах — известные как барионные акустические колебания — обеспечивают очень строгие измерения общей плотности материи, соотношения нормальной материи и темной материи и как менялась скорость расширения со временем.
- И самые отдаленные, светящиеся стандартные свечи во Вселенной, сверхновые типа Iа, рассказывают нам о скорости расширения и темной энергии, как они менялись со временем.
Эти цепочки доказательств, все вместе, рисуют нам последовательную картину Вселенной. Они рассказывают нам, что есть в современной Вселенной, и дают нам космологию, в которой:
- 4,9% энергии Вселенной представлена нормальной материей (протонами, нейтронами и электронами);
- 0,1% энергии Вселенной существует в форме массивных нейтрино (которые выступают как материя в последнее время и выступали как излучение в ранние времена);
- 0,01% энергии Вселенной существует в форме излучения (вроде фотонов);
- 27% энергии Вселенной существует в форме темной материи;
- 68% энергии присуще самому пространству: темная энергия.
Все это дает нам плоскую Вселенную (с кривизной 0%), Вселенную без топологических дефектов (магнитных монополей, космических струн, доменных стенок или космических текстур), Вселенную с известной историей расширения.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Google Новостях и Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Вселенная расширяется
Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец
Уравнения общей теории относительности очень детерминистичны в этом смысле: если мы знаем, из чего состоит Вселенная сегодня, и законы гравитации, мы точно знаем, насколько важным был каждый компонент в каждый отдельно взятый промежуток прошлого. Вначале доминировали излучение и нейтрино. Миллиарды лет самыми важными компонентами были темная материя и нормальная материя. За последние несколько миллиардов лет — и это будет усугубляться с течением времени — темная энергия стала доминирующим фактором в расширении Вселенной. Это заставляет Вселенную ускоряться, и с этого момента многие люди перестают понимать происходящее.
Есть две вещи, которые мы можем измерить, когда речь идет о расширении Вселенной: скорость расширения и скорость, с которой отдельные галактики, с нашей точки зрения, уходят в перспективу. Они связаны, но остаются разными. Скорость расширения, с одной стороны, говорит о том, как ткань пространства сама по себе растягивается с течением времени. Она всегда определяется как скорость на единицу расстояния, обычно задается в километрах в секунду (скорость) на мегапарсек (дистанция), где мегапарсек — это около 3,26 миллиона световых лет.
Если бы не было темной энергии, скорость расширения падала бы со временем, приближаясь к нулю, поскольку плотность вещества и излучения падала бы до нуля по мере расширения объема. Но с темной энергией эта скорость расширения остается зависимой от плотности темной энергии. Если бы темная энергия, например, была космологической постоянной, скорость расширения выровнялась бы до постоянного значения. Но при этом отдельные галактики, удаляющиеся от нас, ускорялись бы.
Скорость Вселенной
Представьте скорость расширения определенной величины: 50 км/с/Мпк. Если галактика находится от нас на расстоянии 20 Мпк, она, по-видимому, отступает от нас на скорости 1000 км/с. Но дайте ей время, и по мере расширения ткани пространства эта галактика в конечном счете будет дальше от нас. Со временем она будет вдвое дальше: 40 Мпк, и скорость удаления будет 2000 км/с. Пройдет еще времени, и она будет в 10 раз дальше: 200 Мпк, и скорость удаления 10 000 км/с. Со временем она удалится на расстояние 6000 Мпк от нас и будет удаляться на скорости 300 000 км/с, что быстрее скорости света. Чем дальше будет идти время, тем быстрее галактика будет уходить от нас. Вот почему Вселенная «ускоряется»: темп расширения падает, но скорость разбегания отдельных галактик от нас только растет.
Вселенная постоянно ускоряется, есть ли предел?
Все это согласуется с нашими лучшими измерениями: темная энергия представляет собой постоянную плотность энергии, присущую самому пространству. По мере того, как пространство растягивается, плотность темной энергии остается постоянной, и Вселенная закончит «Большим Замерзанием», когда все, что не связано воедино гравитацией (вроде нашей местной группы, галактики, Солнечной системы), будет расходиться и расходиться. Если темная энергия действительно космологическая постоянная, это расширение будет продолжаться бесконечно, пока Вселенная не станет холодной и пустой.
Когда случится большой разрыв
Но если темная энергия динамична — что возможно теоретически, но остается без наблюдаемых доказательств — все может закончиться Большим Сжатием или Большим Разрывом. В Большом Сжатии темная энергия будет ослабевать и постепенно обратит процесс расширения Вселенной, чтобы та начала сжиматься. Может даже возникнуть циклическая Вселенная, где «сжатие» дает начало новому Большому Взрыву. Если же темная энергия будет укрепляться, нас ждет другая судьба, когда связанные структуры будут разорваны постепенно нарастающим темпом расширения. Впрочем, сегодня все указывает на то, что нас ждет Большое Замерзание, когда Вселенная будет расширяться вечно.
Главные научные цели будущих обсерваторий вроде Euclid ЕКА или WFIRST NASA включают измерение того, является ли темная энергия космологической постоянной. И хотя ведущая теория говорит в пользу постоянной темной энергии, важно понимать, что могут быть возможности, не исключенные измерениями и наблюдениями. Грубо говоря, Вселенная все еще может схлопнуться, и это не исключено. Нужно больше данных.
Источник
Правда ли, что наша Вселенная может схлопнуться в точку? Как это будет происходить с точки зрения наблюдателя?
Отличный вопрос! Представляя себе будущее, самый дальний отрезок времени, который мы можем вообразить — конец Вселенной.
На сколько нам известно, конец Вселенной это конец самой жизни и всего, что когда-либо существовало. Не будет ни материи, ни света, ни частиц, ничего. Реальность тяжело исследовать, но не стоит слишком сильно об этом беспокоиться – если конец Вселенной и наступит, мы всё равно не будем точно знать когда, но можно предположить что это триллионы и триллионы лет, которые могут затмить еще триллион лет, а точную дату мы так и не узнаем.
Итак, о чем это мы? Ах, да! Наука строится на выводах и заключениях. Вселенная может быть бесконечной — без начала и конца, а быть может начала не было вовсе, она просто была. Вселенная может быть цикличной как и Большой взрыв, либо может бесконечно расширяться либо её и вовсе ждёт постепенной охлаждение и схлопывание.
Американский физик-терретик Митио Каку в лекции о тёмной материи рассказывает о судьбе Вселенной и её возможном конце. В конечным состоянии Вселенной материя и частицы соединятся в сингулярность черной дыры. Затем boom! Именно в таком состоянии Вселенная могла находиться до Большого взрыва. Подобное состояние может быть свидетельством бесконечных повторов — цикличности Вселенной и подтвердить старые разнообразные теории о её судьбе. Астрофизики и другие учёные дали этой гипотезе название — конформная циклическая космология. Стоит Вселенной сколлапсировать, как она возродится снова.
Кстати, мы не случайно выбрали картинку из мультсериала «Футурама». В 7 серии 6 сезона герои лицезрели Большое сжатие (тот самый сторонний наблюдатель). Спойлер — все очень красиво.
Источник
Может ли Вселенная схлопнуться?
Согласно одному из предположений, Вселенная существовала всегда, просто она то сжимается в сингулярность, то снова раздувается – и этот цикл бесконечен.
Но математические выкладки этого предположения так и не позволили нам понять, можно ли как-то проверить то, циклична ли наша Вселенная или у нее есть лишь одно начало и один конец.
И вот недавно команда теоретиков с помощью теории струн сумела объяснить некоторые из самых фундаментальных загадок ранней Вселенной. Результат их исследования дает теоретический толчок для построения Вселенной с нуля – а значит и для обоснования предположения о цикличности Вселенной.
С чего же начать?
Если вы хотите создать свою частную теоретическую модель вселенной, никто не вправе вам помешать – выдумывайте свою личную космологию.
Но если вы хотите объяснить нашу Вселенную, вам придется играть по ее правилам. А это означает, что какой бы ни была ваша модель, она должна совпадать с накопленным багажом космических наблюдений.
К примеру, мы знаем, что Вселенная сейчас расширяется. Звезды и галактики с ускорением улетают от нас. Используя различные методы, ученые способны точно вычислить, с какой скоростью от нас отлетают как более близкие, так и более дальние галактики.
У нас также есть портрет молодой вселенной, когда ей было всего 380 000 годиков (сейчас ей уже 13,8 миллиарда). На этом портрете есть необычные закономерности – пятна, иллюстрирующие небольшие перепады температуры и давления в ранней Вселенной.
Все эти наблюдения объясняются теорией Большого взрыва и Инфляционной моделью, которая описывает, что происходило в первые доли секунды. В эти первые мгновения Вселенная очень-очень быстро расширялась, и тем самым масштабировала небольшие квантовые различия до огромных масштабов. Отсюда и появлиись перепады температуры и давления. (И именно благодаря этой неравномерности спустя миллиарды лет появились первые звезды и галактики. Но это уже другая история.)
Воспламеняющаяся вселенная
Хотите придумать свою собственную космологию? Найдите более полноценное объяснение расширения вселенной и тех пятен на «детской фотографии».
Вам может показаться, что это довольно просто, придумать свою версию. Конечно, это не так. Различия в давлении, плотности и температуре в молодой Вселенной «опровергли» огромное количество альтернативных космологий. Среди них и теория об Экпиротической Вселенной (от др.-греч слова ─ воспламенение).
В экпиротическом сценарии вселенная постоянно повторяет себя. И сейчас мы находимся в фазе «взрыва», который в какой-то момент замедлится, остановится и обратится. В итоге все сожмется обратно в сингулярность. А потом каким-то образом снова расширится и начнется новая фаза «взрыва».
Проблема в том, что при таком сценарии сложно объяснить пятна на «детской фотографии» Вселенной. По экпиротическому сценарию всё должно быть равномерным, без перепадов температуры, плотности и давления.
Такая версия не только не способна объяснить наши наблюдения – она вообще ведет ко вселенной, в которой нет ни галактик, ни звезд, ни нас с вами.
Всё спасает S-брана
В последние несколько лет ученые, изучающие экпиротический сценарий, пытаются объяснить все те наблюдения, которые объясняются инфляционной моделью. И вот команда таких ученых попробовала использовать для этого S-брану.
Вы наверняка слышали о теории струн. Согласно теории струн, каждая частица – это маленькая вибрирующая струна. Эти струны не обязаны быть одномерными. Они могут быть многомерными – бранами.
Большинство бран в теории струн могут свободно перемещаться по пространству и времени, но гипотетические S-браны могут существовать лишь в конкретный момент времени и лишь при определенных условиях.
Какую роль такая S-брана могла бы сыграть в экпиротическом сценарии? Она могла появиться в тот момент, когда вселенная сжалась. И именно она могла снова запустить расширение с небольшими перепадами температуры и давления.
Таково новое предположение трех физиков, чья статья была недавно выложена на сайт препринтов arXiv. Их работа еще не прошла рецензирование.
Правы ли они? Кто знает.
В последние годы теория струн оказалась на тонком льду, так как эксперименты вроде тех, что проводятся в Большом адронном коллайдере, не выявили следов суперсимметрии – одной из основ теории струн.
А S-браны являются спорным вопросом даже в среде тех, кто профессионально изучает теорию струн.
Не стоит забывать и о том, что наша Вселенная не просто расширяется, она это делает с ускорением. И вроде бы она не собирается замедляться. Поэтому пока что сложно даже предположить, что может вынудить ее обратить свое расширение.
Тем не менее, идеи вроде экпиротического сценария стоят того, чтобы их исследовать.
Источник