Как умрёт Вселенная
Вселенная — глобальный объект, который включает в себя время, космос и всё его содержимое: галактики, звёзды, планеты, их луны, все прочие тела, всю материю, всю энергию. Этот огромный и замечательный объект когда-то зародился. Как у всего хорошего, у Вселенной тоже есть свой конец. С прошлым и зарождением Вселенной учёные вроде как определились. А вот предсказания о конце Вселенной остаются набором теорий, которые выдают разный результат в зависимости от принимаемых значений нескольких постоянных.
Рождение и жизнь
Доминирующей теорией зарождения Вселенной в современной науке является Большой взрыв. Если экстраполировать видимое расширение Вселенной, 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад всё вещество находилось в одной точке нулевого размера с бесконечной плотностью и температурой. Затем началось расширение. Мало какие из последующих процессов находятся в пределах полного понимания современной физики.
За пикосекунды из кварк-глюонной плазмы зародились элементарные частицы. В дальнейшем из них образовались протоны и нейтроны, те в свою очередь дали ядра лёгких изотопов. Пока лишь ядра — до атомов веществу далеко.
Спустя 70 тысяч лет от начальной точки вещество начинает доминировать над излучением. Примерно с 380 тысяч лет после Большого взрыва электроны и ядра впервые образуют нейтральные атомы. Звёзд ещё не существует. Самые первые образуются с 550 миллионов лет после Большого взрыва. Звёзды собираются в галактики. Последних гравитационное взаимодействие формирует в скопления.
Согласно небулярной гипотезе, через ≈9 миллиардов лет после Большого взрыва (или ≈4,6 миллиардов лет назад) из одного газопылевого облака начало формироваться то, что позже станет Солнечной системой. Фрагмент облака сжался в шар по центру, окружающие его части тоже сжимались и вращались быстрее, формируя характерный диск. Из шара зажглась наша звезда, в холодных краях в сгущениях материи образовывались планеты.
В этом кратком описании нас интересует возможность предсказать, сколько Солнце ещё может просуществовать. Через 13,799 миллиардов лет после того, как всё началось, у нас есть голубая от океанов Земля, жизнь и бесплатная порнография по сетям передачи данных. Удобный нам порядок жизни будет существовать долго, но лишь по человеческим меркам.
Через 2,4 миллиарда лет от настоящего момента Млечный путь и Галактика Андромеды столкнутся. С Земли это наблюдать будет некому. Жизнь на нашей планете вымрет через примерно миллиард лет — Солнце будет давать слишком много тепла, и океаны просто испарятся. Сама звезда просуществует долго.
Жизненный цикл Солнца.
Через миллиарды лет Солнце уже будет красным гигантом, давно израсходовавшим свои запасы водородного топлива. Оно расширится в примерно 250 раз. Некоторые исследования показывают, что до схлапывания в белый карлик Солнце всё же захватит Землю, поскольку орбита планеты опустится ниже. Впрочем, это неважно — через 7,6 миллиардов лет, когда это произойдёт, на нашей планете уже не будет ничего живого. Солнце будет светить ещё миллиарды лет, но куда тусклее. В конце концов оно превратится в чёрного карлика. Ещё через миллиарды лет гравитация других звёзд отберёт оставшиеся планеты. Солнечная система прекратит существование.
В ближайшие сотни миллионов лет о гибели Земли беспокоиться не нужно — в этот период Солнечная система устойчива. Выгорание топлива ближайшей звезды через миллиарды лет невозможно назвать даже проблемами. У современного человечества есть настоящие задачи, которые грозят значительным ухудшением качества жизни. Их много: от перестающих работать антибиотиков из-за появления супербактерий до глобального изменения климата из-за выброса парниковых газов. Наконец, есть банальная опасность развязать термоядерную войну или уничтожить самих себя каким-либо ещё образом.
Возможно, наши потомки сдвинут орбиту Земли или вовсе переселятся с неё. Возможно, Земля переживёт этот процесс без лишней помощи. Но какие проблемы будут стоять перед постчеловечеством, которое покинет «колыбель цивилизации»? Что ожидает другие, внеземные формы жизни? Вопрос конечной судьбы Вселенной стоит на границе современной космологической науки.
Cжатие
Вселенная расширяется, галактики разбегаются друг от друга. Быть может, скорость расширения замедлится, дойдёт до нуля, а затем пойдёт в обратном направлении. Вселенная может начать сжиматься, постепенно схлопываясь в черные дыры. И эти чёрные дыры сольются в одну. Эта гипотеза носит название «Большое сжатие».
В законе Хаббла состояние расширения Вселенной определяется её плотностью. Если плотность ниже критической, то Вселенная продолжит увеличиваться в размерах и остывать. Если плотность Вселенной выше, то гравитационная сила постепенно остановит разбегание и направит его вспять. Вселенная будет сжиматься.
Коллапс будет отличаться от изначального расширения. Огромные скопления галактик сблизятся, затем начнут сливаться целые галактики. В какой-то момент звёзды подойдут друг к другу настолько близко, что дойдёт до частых столкновений. Звёзды не смогут рассеивать вырабатываемое тепло и начнут взрываться, оставляя горячий неоднородный газ. Из-за растущей температуры его атомы распадутся на элементарные частицы, которые будут поглощены срастающимися чёрными дырами. Гипотеза не указывает, каков будет финал.
Существует ещё одна гипотеза-продолжение — Большой отскок. Простая формулировка гласит, что Вселенная испытывает циклы Больших взрывов и Больших сжатий. Возможно, и эта Вселенная возникла в результате распада предыдущей. Это означает, что мы живём в одну из точек бесконечного цикла сжатий и взрывов. Впрочем, их нумерация не имеет смысла из-за прохождения точки сингулярности. Некоторые теории утверждают, что результатом Большого сжатия станет то же состояние, с которого всё началось. Произойдёт ещё один Большой Взрыв. Цикл будет бесконечно продолжаться.
Но последние экспериментальные наблюдения дальних сверхновых как объектов стандартной светимости и составление карты реликтового излучения показывают, что расширение не замедляется, а лишь ускоряется.
Расширение
Большой разрыв предполагает, что когда-то в будущем вся материя Вселенной, звезды и галактики, субатомные частицы, само пространство и время будут разорваны скоростью расширения. Сценарий этой смерти гласит, что за 60 миллионов лет до финала распадётся Млечный путь, за три месяца расстроится работа Солнечной системы. За полчаса до Большого разрыва разрушится Земля (или похожая планета), за одну наносекунду начнут разрушаться атомы. Согласно гипотезе, всё это произойдёт лишь через 22 миллиарда лет, уже после угасания Солнца в белый карлик.
Однако наиболее популярной теорией остаётся постоянное расширение и следующая из этого Тепловая смерть.
За миллиарды лет звёзды выгорят. Из их останков родятся белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Через 150 миллиардов лет от текущего момента при том же ускорении разбегания галактик все галактики за пределами Местной группы выйдут за космологический горизонт. События в Местной группе никак не смогут влиять на события в удалённых галактиках, и наоборот. При наблюдении удалённой галактики время будет замедляться, а затем просто остановится. Другими словами, через 150 миллиардов лет наблюдатель в Местной группе никогда не увидит событий в удалённых галактиках. Более не будут возможны ни полёты к ним, ни какие-либо формы связи.
Через 800 миллиардов лет светимость Местной группы заметно снизится. Стареющие звёзды будут выдавать всё меньше света, красные карлики будут вымирать в белые. Через 2 триллиона лет от текущего момента из-за красного смещения удалённые галактики будет невозможно как-либо обнаружить: даже длина волн их гамма-лучей будет выше, чем размер наблюдаемой вселенной.
Через 100 триллионов лет закончится формирование звёзд, в космосе будут тускло светить их остатки. После того, как потухнет последняя звезда, космос изредка будут озарять вспышки слияний двух белых карликов. Через 10 15 лет планеты либо упадут на остатки своих бывших звёзд, либо уйдут к другим телам. Похожим образом через 10 19 —10 20 лет объекты покинут галактики. Небольшая часть объектов упадёт в сверхмассивную чёрную дыру.
Дальнейшее развитие зависит от того, стабилен протон или нет. Некоторые эксперименты утверждают, что минимальный период полураспада протона составляет 10 34 лет. Если это действительно так, через 10 40 лет во Вселенной останутся почти лишь только лептоны и фотоны. Исчезнут остатки звёзд, останутся лишь чёрные дыры. Возможно, процесс гибели нуклонов займёт больше времени.
Через 10 100 лет от текущего момента чёрные дыры испарятся излучением Хокинга. Наконец, Вселенная будет почти полностью пуста. В ней будут летать фотоны, нейтрино, электроны и позитроны, изредка сталкиваясь.
Если протоны стабильны, то через 10 1500 холодным слиянием и квантовым туннелированием лёгкие ядра превратятся в атомы железа 56 Fe. Элементы тяжелее этого изотопа распадутся с излучением альфа-частиц. Через 10 10 26 лет квантовое туннелирование превратит большие объекты в чёрные дыры. Возможно, железные звёзды превратятся в нейтронные через 10 10 76 лет от настоящего момента.
Есть вероятность, через 10 10 10 56 лет квантовые флуктуации зародят новый Большой взрыв. Хотя в этом вакууме может зародиться даже разумное существо: приблизительная оценка времени зарождения Больцмановского мозга — раз в 10 10 50 лет.
Есть и другие, более экзотические гипотезы. К примеру, в 2010 году учёные предсказали, что через пять миллиардов лет время закончится. Это событие трудно будет увидеть или как-то предсказать, его обещают внезапным. Пространство может кончиться из-за схлапывания ложного вакуума в истинный, в более энергетически низкое состояние, что, возможно, повлечёт полное разрушение объектов Вселенной.
Все эти гипотезы разработаны для текущих реалий простого уравнения состояния для тёмной энергии. Как и следует из имени, о тёмной энергии известно мало. Если верна инфляционная модель Вселенной, то в первые моменты после Большого взрыва существовали другие формы тёмной энергии. Возможно, уравнение состояния поменяется. Изменятся выводы, которые можно сделать из него. Трудно предсказать, что мы узнаем о тёмной энергии, если она получила развитие лишь в конце прошлого века.
Но во всех случаях гибель Вселенной — очень далёкое по меркам человечества явление. Если рассматривать её с масштаба продолжительности жизни одного человека, это слишком глобальное событие, чтобы о нём беспокоиться.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Источник
Пустая Вселенная: космология через 100 миллиардов лет
8-04-2011, 16:55 | Наука и техника / Теории и гипотезы | разместил: gopman | комментариев: (1) | просмотров: (9 006)
Маркус Чоун (New Scientist)
фото: Одинокая галактика (автор Larry Landolfi/SPL)
Небеса далекого будущего будут пусты и темны, но у наших далеких предков будет одна возможность, которая позволит им описать Вселенную. Когда-то, давным-давно, мы делили Вселенную со 100 миллиардами галактик, но теперь у нас остался единственный остров звезд, плавающий в невыразимо обширном и невыразимо пустом космосе. Таким можно будет увидеть Млечный путь, когда Вселенная постареет еще на 100 миллиардов лет. Виновником такого одинокого будущего является темная энергия, таинственная сила, заставляющая расширяться Вселенную с нарастающим ускорением. Через миллиарды лет от нас, это расширение уведет все остальные галактики за космический горизонт, туда, откуда их свет никогда не сможет достичь нас. И наша галактика останется единственной в наблюдаемой человеком Вселенной. Такой, будоражащий воображение образ, заставляет некоторых исследователей задуматься над идеей перемещения нашей галактики в иное, более гостеприимное место. Другие исследователи более оптимистично говорят о нашей судьбе и пытаются ответить на вопрос, а что же космологи будущего будут в состоянии сказать о Вселенной, в которой живут.
Мы живем в очень удачное время космической истории, поскольку можем довольно пристально рассматривать с помощью телескопов ночное небо, пылающее от миллиардов галактик. Отслеживая их движение, мы пришли к выводу, что в прошлом наша Вселенная была много меньше и 13,7 миллиарда лет назад она была рождена во взрыве, который мы называем Большим Взрывом.
Перенесемся на 100 миллиардов лет вперед и тогда увидим, что в нашей Вселенной больше нет галактик, кроме нашей. Конечно в это время такая наука, как космология стала бы просто невозможной. Или это не так?
В октябре прошлого года Абрахам Лоеб, The centre for Astrophysics at Harvard University, выступил с публичной лекцией на тему “Вселенная в отдаленном будущем”. Он говорил, что законы физики и космологии настолько точны, что в состоянии предсказать, что произойдет с нашей Вселенной через миллиарды лет. После его лекции множество людей задали ему один и тот же вопрос — В состоянии ли будет человеческий разум, если он будет еще существовать, выяснить столько много о Вселенной, насколько это можем выяснить мы? Этот вопрос заинтриговал Лоеба и в свободное от занятий со студентами время он занялся изучением этой идеи.
Довольно быстро он выяснил, что большинство астрономов были слишком пессимистичны. Невероятно, но будет существовать способ исследовать космологию Вселенной и через 100 миллиардов лет от нашей эры. “Когда нет больше галактик, чтобы использовать их в качестве индикаторов расширения Вселенной, возможно для этой цели использовать другие астрономические тела”, — говорит Лоеб. Чтобы понять смысл данного утверждения, мы должны сначала понять, что случится с нашей Вселенной и, в частности, с нашей галактикой более чем за сотню миллиардов лет. За этот огромный промежуток времени с нашим Млечным Путем произойдут два основных события – одно драматическое, а второе не столь драматическое, но одинаково серьезные по своим последствиям. Эти последствия породит гравитация нашей соседней галактики, туманности Андромеды, которая в результате взаимного притяжения галактик движется к нам. В течение нескольких миллиардов лет гигантская спиральная галактика будет все больше и больше проявляться в нашем ночном небе, пока мы не увидим две полосы звезд, вместо одной, отражающей Млечный Путь. Через 2,3 миллиарда лет она пролетит около Млечного пути. Ее гравитация вызовет немного больший эффект, чем звездная рябь в нашей галактике. Но это событие явится генеральной репетицией главного события. Подобно маятнику, проходящему самую нижнюю точку траектории и возвращающемуся назад, вернется и Андромеда. И на сей раз столкнется с Млечным Путем, вызвав катастрофу. В результате сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центрах обоих галактик, сольются, и движение окружающих их звезд обратится в хаос. “Там, где когда-то было две спиральных галактики, возникнет сферический рой звезд”, — утверждает Лоеб. “В суматохе наше Солнце будет отброшено от своего положения (26 000 световых лет от центра галактики) приблизительно до 60 000 световых лет от центра нового образования”
(Эмуляцию процеса столкновения Млечного Пути и Андромеды можно увидеть здесь)
Лоеб и другие смоделировали возникшую эллиптическую галактику Майлкомеда (Milkomeda). Именно в этой галактике массивные яркие звезды сожгут все свое топливо и погибнут. Это же ждет и наше Солнце. Через 5 миллиардов лет оно выработает все ядерное топливо и перестанет быт звездой, дающей жизнь на Земле. Оно раздуется в красный гигант, возможно поглотив при этом Землю. Затем сожмется до земных размеров, исчезнув при этом как звезда. “К этому времени наши потомки, если они будут еще существовать, вынуждены будут оставить нашу планету”.- говорит Лоеб. К счастью, нехватки альтернатив для размещения человечества не будет. Приблизительно 70% оставшихся звезд будут иметь массу порядка солнечной и меньше. Это будут красные, низкоэнергетические звезды, крайне скупо расходующие свое ядерное горючее. Такие звезды могут гореть в течение 10 000 миллиардов лет. “И они имеют пригодные для жизни зоны, и планеты, находящиеся в этих зонах, могли бы поддерживать жизнь” — надеется Лоеб.
Вид неба на планете, вращающейся вокруг красного карлика, отнесенного во времени от нас на 100 миллиардов лет, очень сильно отличался бы от нашего ночного неба. Мы видим на земном небе тысячи звезд, видимых невооруженным взглядом, но через 100 миллиардов лет, ни одна из звезд не будет достаточно яркой, чтобы своим светом пронзить темноту. Еще печальней был бы вид Вселенной в телескоп, а если быть точнее, то отсутствие всякого вида. Темная энергия обладает отталкивающей гравитацией, которая ускоряет расширение Вселенной. Удивительно, но темная энергия становится все более мощной по мере расширения Вселенной. Если Вселенная удваивается в своем объеме – темная энергия тоже удваивается и так далее. Поэтому не гравитация управляет Вселенной, а темная энергия.
Расширение Вселенной разгоняет галактики, в конечном итоге заставляя их убегать от нас со скоростью, равной скорости света. Когда такое произойдет, свет от этих галактик не сможет достигнуть нас. Поэтому астрономы через 100 миллиардов лет будут наблюдать за обширной темной пустошью, совершенно лишенной галактик. Казалось бы, что в подобных условиях говорить о космологии станет делом, полностью бесперспективным. Однако работа Лоеба показывает, что это не совсем так. Одним из объектов его исследования стала группа замечательных объектов, называемых гиперскоростными звездами. Эти объекты были обнаружены в 2005 году Уорреном Брауном, Гарвард, Уоррен Браун обратил свое внимание на молодую горячую синюю звезду, летящую через ореол Млечного Пути наружу с удивительной скоростью 850 километров в секунду. “Новые звезды не могут рождаться в ореоле и, обнаружение ее именно там, выглядело как воспаленный большой палец руки”, — говорит Лоеб. ”Эта звезда была явно не оттуда”. Звезда, находящаяся на расстоянии 250 000 световых лет от центра галактики, летящая с такой скоростью, в состоянии преодолеть силы гравитации Млечного Пути в целом. Единственная вещь, которая могла бы разогнать звезду до такой скорости это прохождение звезды вблизи сверхмассивной черной дыры, скрывающейся в центре нашей галактики. Со времени открытия первой гиперскоростной звезды было обнаружено еще 14 подобных объектов. Согласно Лоебу, наша супермассивная черная дыра выбрасывает звезду из галактики примерно каждые 100 000 лет с тех пор, как 10 миллиардов лет назад родилась наша галактика. Лоеб утверждает, что уже было изгнано приблизительно 100 000 звезд и самые ранние “изгнанники” уже удалились от галактики на 50 миллионов световых лет.
Именно такие звезды, изгнанные сверхмассивной черной дырой Майлкомеды, по утверждению Лоеба, могут сыграть роль космологических индикаторов. Обнаружение таких суперслабых звезд, мчащихся вдаль от Майлкомеды, будет делом нелегким. Но, поскольку мы их наблюдаем, это смогут сделать и астрономы далекого будущего. Ключом к построению космологии будущего будет являться эффект Доплера, эффект смещения спектра света, излученного звездой, в красную область, если звезда удаляется. Причем, чем дальше уходит звезда, тем это смещение спектра сильнее. Таким образом, измерение эффекта Доплера скажет Вам, насколько расширилась Вселенная с тех пор, как этот свет был излучен. Проводя эти измерения для гиперскоростных звезд на различных расстояниях, космологи Майлкомеды будут в состоянии фиксировать расширение Вселенной, фиксировать точно таким же способом, каким мы обнаружили в свое время космическое ускорение, используя для этого взрывы сверхновых звезд в других галактиках.
Поскольку Вселенная расширяется, плотность материи становится все меньше. Таким образом, будущие астрономы будут в состоянии определить, когда в прошлом материя была более плотная, и они будут в состоянии указать точно, когда отталкивающая сила темной энергии преодолела гравитацию. Гиперскоростные звезды смогут дать им важную информацию непосредственно о Майлкомеде. Прежде, чем изгнанные звезды уйдут от галактики и будут ускорены космическим расширением, их скорость будет уменьшаться под действием гравитации всех звезд и материи в Майлкомеде. Наблюдая торможение этих звезд, будет возможно сделать вывод о массе и плотности Майлкомеды.
Удастся ли этим космологам ответить на вопрос о возникновении Вселенной? Сегодня мы можем наблюдать тусклое послесвечение, оставшееся после Большого Взрыва. Это космическое микроволновое фоновое излучение, имеющее характерную длину волны. Реликтовое излучение. “Но через 1000 миллиардов лет длина волны этого излучения, равная сегодня примерно двум миллиметрам, станет большей, чем размеры наблюдаемой Вселенной”, утверждает Лоеб. “И это излучение практически станет недоступным для изучения”. Невероятно, но и тут не все потеряно. Лоеб указывает на легкие элементы – гелий, водород, литий и т.д. Легкие звезды, преобразующие в своих ядрах водород в гелий, смогут обеспечить превращение в гелий всего нескольких процентов водорода Вселенной. Но уже сейчас мы можем говорить, что гелий составляет 25% всей массы Вселенной. Единственное объяснение этому факту заключается в утверждении, что на ранних этапах формирования Вселенная прошла сверхплотную, сверхгорячую фазу, в которой и образовался современный гелий. Таким образом, изобилие легких элементов в Майлкомедии скажет космологам будущего, что Вселенная испытала горячий Большой Взрыв, говорит Лоеб. “Вопреки всем ожиданиям, астрономы будущего будут в состоянии воссоздать всю историю Вселенной”, — утверждает Лоеб.
Фред Адамс, University of Michigan, заинтересовался предложением Лоеба использовать гиперскоростные звезды для исследования космического расширения. Но он указал и на недостатки этой идеи. “Даже наименьшие, дольше всех живущие звезды сожгут свое топливо приблизительно за 10 миллиардов лет. А тогда мы снова оказываемся вне игры”, — говорит он.
Но не каждый исследователь столь оптимистичен по отношению к будущему Вселенной, как Адамс и Лоеб Фримен Дайсон, Institute for Advanced Study in Princeton, потрясен перспективой существования в будущей Вселенной одинокой, суперунылой галактики. “Обрисовывается мрачная картина будущего, ждущего наших потомков”, пишет он в своем послании Лоебу. Дайсон размышляет по поводу возможности изменения подобного будущего в результате вмешательства разума. Он задается вопросом, могла ли бы высокоразвитая цивилизация переместить галактики, используя энергию их гравитации. Концентрируя их в одной гигантской супергруппе, жители этих галактик по крайней мере останутся вместе, в то время как остальные галактики исчезнут за горизонтом. “Наши потомки остались бы, общаясь с обитателями 100 миллионов галактик, вместо того, чтобы оставаться в одиночестве”, — мечтает Дайсон. На что Лоеб отвечает, что проще было бы найти группу галактик с большой концентрацией, вроде группы Комы, и перелететь туда. “Хоть поездка на расстояние 320 миллионов световых лет была бы очень длинной, но это намного легче, чем преобразовывать космос”, — говорит он.
Даже если наши потомки останутся в пределах одной галактики, то им не будет одиноко, утверждает Грэг Логлин, University of California at Santa Cruz, “Майлкомедия будет содержать свыше 100 000 миллиардов карликовых звезд и более 100 миллиардов планет. Это множество миров, доступных для исследования, таким образом, будущее, по крайней мере на ближайшие 100 миллиардов лет, не будет слишком скучным”, — говорит Логлин.
В заключение своей статьи Лоеб высказал довольно причудливую мысль. Он написал: «Моя статья, единственная из всех, которые я когда либо писал, имеет шанс на то, чтобы быть процитированной через 1000 миллиардов лет”.
Источник
➤ Adblockdetector