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?
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)?
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.
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.
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.
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.
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.
