Будущее Вселенной. Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии
Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии. Все эти гипотезы можно разделить на две группы: модели «закрытой» и модели «открытой» Вселенной. Если кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то задается модель открытой Вселенной, если кривизна пространства положительна, то задается модель «закрытой», или «замкнутой», Вселенной.
«Закрытая» модель предполагает, что Вселенная одновременно конечна и неограниченна, т.е. двигаясь по ней, нельзя достичь границы. Однако свет, пущенный наблюдателем из какого-то источника, вернется к нему с противоположной стороны. В гипотезе замкнутой Вселенной предполагается, что мир проходит множество эволюционных циклов. Каждый цикл представляет собой сначала расширение, а затем сжатие Вселенной и длится примерно 100 млрд. лет. При переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной, связанные с основными физическими константами. Что касается нынешнего состояния Вселенной, то в рамках данной гипотезы предполагается, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься, а еще через 50 млрд. лет вернется в сингулярное состояние, из которого «родится» вновь.
«Открытая» модель рассматривает Вселенную как бесконечную. В моделях открытой Вселенной предполагается, что через 10 14 лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь материал для термоядерных реакций. Через 10 15 лет звезды начнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время примерно в 10 17 лет все звезды окончательно потеряют свои планеты, а центральные части галактик коллапсируют. Оставшееся вещество благодаря гравитационным силам начнет собираться в ядра с огромной плотностью, т.е. галактики превратятся в сверхмассивные черные дыры. Через 10 32 лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 10 96 лет черные дыры испарятся. Через 10 100 лет Вселенная превратится в электронно-позитронную плазму очень малой плотности.
Такой сценарий предполагается в случае нестабильности протона. Если же протон стабилен, то высказывается предположение, что через 10 65 лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными карликами, превратятся в жидкие капли. Через 10 1500 лет все жидкие капли станут железными. Через огромное количество лет, которое выражается невероятными цифрами, и эти жидкие железные капли превратятся в черные дыры и постепенно испарятся. Вселенная, как и в предыдущей модели, перейдет в состояние электронно-позитронной плазмы.
В данный момент наша Вселенная находится в состоянии расширения. Создатель синергетики И. Пригожин утверждает, что стандартная модель предсказывает: в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия («страшный треск»).Однако, Вселенная, возникнув из вакуума, в результате расширения вновь возвращается в состояние вакуума, но не исключаются возможности повторных флуктуации.
Источник
§ 30. Расширяющаяся Вселенная
1. Опишите пространственное распределение галактик во Вселенной.
Галактики образуют группы, скопления и большие системы галактик. Из 40 ближайших галактик наиболее массивная — Местная группа галактик. В эту группу входят наша Галактика и туманность Андромеды. Они образуют систему галактик, размер которых достигает нескольких сотен килопарсек.
Системы галактик могут объединять до тысячи галактик, а их размеры достигают нескольких мегапарсек. Ближайшее такое крупное объединение находится в направлении созвездия Девы на расстоянии около 20 Мпк., имеет размер примерно в 5 Мпк.
Комплексы скоплений галактик содержат десятки скоплений и имеют размеры 30-60 Мпк. Такие комплексы называют сверхскоплениями галактик. Наша Местная группа галактик входит в скопление в созвездии Девы разером 60 Мпк, которое объединяет около 2000 галактик. Всего известно около 50 сверхскоплений.
2. Как объясняется красное смещение и о чём оно свидетельствует?
Красное смещение в спектрах галактик свидетельствует о постоянном расширении Вселенной, «разлёту» скоплений галактик.
3. В чём состоит сущность теории расширяющейся Вселенной?
Сущность теории состоит в том, что Вселенная не может быть стационарна — она должна либо расширяться, либо сжиматься. Расширение Вселенной обнаружил Э. Хаббл, когда зафиксировал разбегание галактик.
4. К каким выводам о стационарности Вселенной пришёл А. А. Фридман?
Из расчётов Фридмана вытекали три возможных следствия: Вселенная и её пространство расширяются с течением времени; Вселенная через определённое время начнёт сжиматься; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.
5. Что такое критическая плотность Вселенной? В какой взаимосвязи критическая плотность находится с расширением или сжатием Вселенной?
Существует значение критической плотности $ρ_<кр>$ Вселенной, определяемое по формуле:
где $G$ — гравитационная постоянная, $Н$ — постоянная Хаббла. Расчёты по данной формуле дают, что $ρ_ <кр>= 10-26\, кг/м^3.$
Критическая плотность — это максимальная плотность вещества Вселенной, которой она якобы может достичь. При достижении максимальной плотности (критической) Вселенная должна перестать расширяться и начать сжиматься. Если плотность меньше критической, то Вселенная продолжит расширяться. По последним оценкам, плотность Вселенной близка к критической (либо немного меньше, либо больше).
6. Опишите модель горячей Вселенной.
Согласно модели, которую выдвинули Ж. Леметр и Г. А. Гамов, на ранних стадиях развития Вселенная имела очень высокую плотность вещества и высокую температуру. Эта гипотеза получила название Большого взрыва.
Суть теории заключается в том, что вселенная возникла в результате взрыва: материя с очень высокой плотностью и огромной энергией начала своё расширение. Такое состояние материи получило название сингулярность — точечный объём с бесконечной плотностью. По мере расширение температура будущей Вселенной постепенно снижалась, что способствовало образованию звёзд и галактик. Хотя процесс образования Вселенной нельзя рассматривать как расширение в окружающее пространство, т.к. его вовсе не было. Вселенная — это всё существующее.
7. Что понимается под закрытой и открытой моделями Вселенной?
Существуют две теоретические модели будущего Вселенной — закрытая и открытая.
Закрытая. Вселенная может быть закрытой системой, которая испытывает множество эволюционных циклов. После цикла расширения Вселенная начнёт процесс сжатия, пока не вернётся в первоначальное состояние — сингулярное — затем снова будет взрыв. Длительность полного цикла составляет 100 млрд лет. Начиная каждый новый цикл, Вселенная теряет «память» и может «родиться» с совершенно новым набором физических констант.
Открытая. Эта модель рассматривает варианты «тепловой смерти» Вселенной. Звёзды в системе постепенно будут остывать и через $10^14$ лет многие их них пропадут, что приведёт к отрыву планет от своих звёзд. Планеты покинут галактики. Сами галактики прекратят своё существование, превратившись в чёрные дыры.
Источник
Новое исследование предполагает, что Вселенная является замкнутой сферой
Если вы находитесь внутри чего-то, вам трудно точно определить его форму. Мы до сих пор все еще узнаем что-то новое о форме нашей галактики.
Как тогда насчет формы Вселенной? Ее гораздо сложнее измерить, но годы наблюдательных данных, космологических моделей и физики говорят о том, что она пространственно плоская. Отправьте пучок фотонов через пустоту, и он будет продолжать двигаться по прямой линии.
Новое исследование утверждает обратное. Основываясь на данных, опубликованных в прошлом году и собранных спутником Планка Европейского космического агентства, астрономы доказывают, что Вселенная фактически искривлена и замкнута, как раздувающаяся сфера.
Это означает, что пучок фотонов в конечном итоге вернется туда, откуда они начал свое движение, пересекая другие лучи, которые будут оставаться параллельными в сценарии плоской Вселенной.
Согласно исследованию международной команды астрономов во главе с Элеонорой ди Валентино из Манчестерского университета в Великобритании, их результаты представляют собой «космологический кризис», который требует «радикального переосмысления текущей космологической модели согласования».
Ученые говорят, что ключ к искривлению Вселенной заключается в том, как гравитация изгибает путь света, и этот эффект, предсказанный Эйнштейном, называется гравитационным линзированием.
Не только любой свет, но и космический микроволновый фон (реликтовое излучение). Это электромагнитное излучение, оставшееся в пространстве между звездами и галактиками, начиная примерно с 380 000 лет после Большого взрыва, когда сформировались первые нейтральные атомы Вселенной.
Как только вы заблокируете все другие источники света, пространство будет слабо светится, что-то вроде фоновой статики. Это самый старый свет во Вселенной, обладающий высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела, с плотностью энергии 400-500 фотонов/см3.
Если посмотреть на данные со спутника Планка, и в частности на данные 2018 года, они показывают, что реликтовое излучение подвергается гравитационной линзе более сильной, чем должно было быть. Коллаборация Планка назвало эту аномалию Alens, и это еще не решено, но команда ученых считает, что одним из объяснений может быть форма Вселенной.
«Закрытая Вселенная может дать физическое объяснение этому эффекту, поскольку космические микроволновые фоновые спектры Планка теперь предпочитают положительную кривизну при уровне достоверности более 99 процентов», — пишут они.
«Здесь мы дополнительно исследуем доказательства существования закрытой Вселенной от Планка, показывающие, что положительная кривизна естественным образом объясняет аномальную амплитуду линзирования».
Закрытая Вселенная может объяснить эту аномалию, но есть несколько больших проблем, не в последнюю очередь из-за того, что все другие анализы наборов данных Планка, включая данные 2018 года, приводят к выводу, что наши космологические модели верны. А они включают в себя плоскую Вселенную.
Есть и другие проблемы, и исследователи постаралась отметить это в своей статье. Одним из них является постоянная Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, нерешенная проблема космологии. Не существует двух одинаковых измерений постоянной Хаббла, и искривление Вселенной только затрудняет ее предсказание.
Данные барионных исследований акустических колебаний темной энергии — неизвестной энергии, ускоряющей расширение Вселенной — также не согласуются с моделью замкнутой Вселенной, как и данные о космическом сдвиге, полученные из наблюдений гравитационного линзирования.
Астрофизики Джордж Эфстатиу и Стивен Граттон из Кембриджского университета также проанализировали данные Планка за 2018 год и нашли доказательства кривизны вселенной, но когда они сравнили их с другими наборами данных Планка и данными об акустических колебаниях барионов, они обнаружили «убедительные доказательства в поддержку пространственно плоской Вселенной».
Таким образом, в широком смысле, большая часть данных, кажется, подтверждает плоскую Вселенную, за исключением аномалии Аленса. Это проблема, которая должна быть решена в будущем.
Источник
Какой формы Вселенная?
Общая теория относительности, согласно которой само пространство может искривляться, позволяет Вселенной принимать одну из трех форм: плоскую , как лист бумаги, закрытую , как сфера, или открытую , как седло. Эта астрономическая геометрия — нетривиальная вещь — от нее зависит судьба космоса.
Дэвид Спергель, космолог из Принстонского университета, говорит:
«Форма Вселенной говорит нам о ее прошлом и будущем»
Будет ли Вселенная расширяться всегда или в конечном итоге схлопнется, и будет ли она конечна или бесконечна — все это вопросы, которые связаны с ее формой. Окончательная структура Вселенной зависит всего от двух факторов: ее плотности и скорости ее расширения.
Закрытая, открытая или плоская вселенная?
Примерно 68% Вселенной — это темная энергия, а 27% — темная материя. Остальное — обычная материя, которая представлена планетами, звездами и другими телами. Понятие плотности Вселенной отвечает на вопрос, сколько этой материи находится в конкретном объеме пространства.
Если плотность Вселенной достаточно велика, чтобы ее гравитация преодолела силу расширения, тогда Вселенная свернется в шар. Это называется закрытой моделью с положительной кривизной, напоминающей сферу. Ошеломляющее свойство такой модели вселенной — то, что она конечна, но не имеет границ. Межгалактический Фердинанд Магеллан мог бы бесконечно огибать ее, не сталкиваясь с границами.
С другой стороны, если плотность Вселенной недостаточно велика, чтобы остановить расширение, пространство будет искажаться в противоположном направлении. Тогда мы с вами находимся в открытой Вселенной с отрицательной кривизной, по форме напоминающей седло.
Существует также другой сценарий, который, по мнению ученых, является наиболее правдоподобным. Большинство космологических свидетельств указывает на то, что плотность Вселенной является сбалансированной, и что она расширяется во всех направлениях, не изгибаясь в положительную или отрицательную сторону. Другими словами, Вселенная плоская. (Возможно, это станет утешением для всех, кто разочарован сферической формой нашей планеты.)
Квартира в 3D
Как представить себе плоскую Вселенную? Эта плоскостность не является двумерной, с которой мы часто сталкиваемся в повседневной жизни, но вы можете представить ее с помощью нескольких аналогий.
Допустим, вы стоите в углу квадратной комнаты. Пройдите 10 шагов вдоль стены до угла, затем поверните на 90 градусов. Пройдите еще 10 шагов и снова поверните на 90 градусов. Сделайте это еще два раза, и вы вернетесь туда, откуда начали — вы очертили квадрат. Это стандартная евклидова геометрия, которую все мы изучали в школе. Если вы добавите еще одно измерение, вы получите плоскую вселенную.
Но проведение этого эксперимента в пространстве с положительной кривизной (в замкнутой вселенной) приведет к другому результату. На этот раз начните свое теоретическое путешествие с экватора Земли по направлению к Северному полюсу. Затем поверните на 90 градусов и вернитесь к экватору. Повернитесь еще раз на 90 градусов и вернитесь к исходной точке. В примере с плоской вселенной потребовалось четыре хода, чтобы вернуться туда, где вы начали, и только три в примере с закрытой вселенной.
Вот еще один пример: в плоской Вселенной две ракеты, летящие рядом друг с другом, всегда будут двигаться параллельно. А в закрытой вселенной пути этих двух ракет будут расходиться и сходиться, двигаясь в кривизне пространства, и, в конечном итоге, встретиться там, где они были запущены. А в открытой вселенной с отрицательной кривизной ракеты разойдутся и никогда больше не пересекутся.
Плоский, насколько хватает глаз
Ключи к разгадке формы Вселенной заключены в реликтовом излучении — послесвечении Большого взрыва. Несколько групп ученых независимо друг от друга проводили эксперименты, которые могли бы указать нам истинную форму Вселенной. Но были получены результаты, противоречащие друг другу. На данный момент научное сообщество склоняется к плоскости Вселенной, но остаются группы научных деятелей, которые упорно делают ставку на кривизну в пространстве. Если она будет доказана, это опровергнет десятилетия астрономических открытий.
Так что, по крайней мере, на данный момент, Вселенная кажется трехмерным листом бумаги. Но так это выглядит с точки зрения наблюдателя с Земли. Наши знания по определению ограничены наблюдаемой Вселенной, поэтому мы можем что-то упускать.
Однако если Вселенная изогнута, она должна быть настолько колоссальной, что все 93 миллиарда световых лет, которые мы видим, не являются достаточно большой частью, чтобы выявить кривизну. Можно провести аналогию: мы стоим в тумане и не видим дальше небольшого плоского участка земли, но где-то вне поля зрения горизонт доказывает, что мы живем на сфере. Так что на данный момент, когда мы говорим, что Вселенная плоская, мы говорим о том небольшом кусочке Вселенной, который мы можем наблюдать.
Источник