Jest kilka pytań, które nie pozwalają nam zasnąć w nocy i odnoszą się do ostatecznego losu całego kosmosu. Gwiazdy zapalają się, zastępują je nowe, też się wypalają, a wszystko się powtarza, aż we Wszechświecie zabraknie paliwa. Galaktyki połączą się i wyrzucą materię, a przestrzeń między grupami i gromadami galaktyk rozszerzy się na zawsze. Ciemna energia sprawia, że ta ekspansja jest nie tylko nieubłagana, ale także przyspiesza. Ale czy to będzie koniec? Czy ta „duża przepaść” (kiedy wszystko kończy się w nieskończenie dużej odległości od siebie) może prowadzić do nowego „wielkiego wybuchu”? Kiedy Wszechświat rozszerza się na tyle szybko, aby rozerwać atomy i oddzielić od nich kwarki … Czy powstanie zupa kwarkowo-gluonowa?
Stawką jest los wszechświata, cokolwiek się powie.
Co czeka wszechświat na końcu?
Jeśli spojrzysz na odległą, losową galaktykę we wszechświecie, istnieje duże prawdopodobieństwo, że zobaczysz, że jej blask jest bardziej czerwony niż gwiazdy świecące w naszej galaktyce. W latach dwudziestych XX wieku naukowcy odkryli, że ten wzór utrzymał się jako całość: im dalej galaktyka jest od ciebie, tym bardziej czerwone jest jej światło. W kontekście ogólnej teorii względności szybko stało się jasne, że było to spowodowane rozszerzaniem się struktury samej przestrzeni w czasie.
Następnym krokiem było określenie, jak szybko Wszechświat się rozszerza i jak zmieniało się to w czasie. Powodem, dla którego było to ważne z teoretycznego punktu widzenia, jest to, że historia ekspansji wszechświata określiła, co w nim było. Jeśli chcesz wiedzieć, z czego zbudowany jest twój wszechświat, w jego największej skali, pomoże ci zmierzenie, jak wszechświat rozszerzył się w czasie kosmicznym.
Jeśli twój wszechświat jest wypełniony materią, można by oczekiwać, że tempo ekspansji zmniejszy się proporcjonalnie do stopnia rozcieńczenia materii. Jeśli jest wypełniony promieniowaniem, szybkość rozszerzania spadnie jeszcze bardziej, ponieważ samo promieniowanie jest przesunięte ku czerwieni i traci dodatkową energię. Wszechświat z przestrzenną krzywizną, kosmicznymi strunami lub energią tkwiącą w samej przestrzeni, nadal będzie się rozwijał w różny sposób, w zależności od stosunków wszystkich składników energii.
Film promocyjny:
Na podstawie pełnego zestawu pomiarów, które byliśmy w stanie wykonać, w tym gwiazd zmiennych, galaktyk różnych typów i właściwości oraz supernowych typu Ia, a także kosmicznego mikrofalowego tła oraz gromad galaktyk i korelacji, byliśmy w stanie dokładnie określić, z czego zbudowany jest wszechświat. W szczególności składa się z:
- 68% z ciemnej energii;
- 27% ciemnej materii;
- 4,9% ze zwykłej materii;
- 0,09% neutrin;
- 0,01% promieniowania.
Plus lub minus korekta o kilka dziesiątych procenta w każdym przypadku.
Nasz Wszechświat, w którym dominuje ciemna energia, jest szczególnie interesujący, ponieważ składnik ten nie istniał we Wszechświecie, nie mówiąc już o jego dominacji. A jednak jesteśmy tutaj, 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, żyjąc we wszechświecie, w którym ciemna energia napędza ekspansję wszechświata.
Jest tak wiele pytań dotyczących ciemnej energii. Jaka jest jego natura? Skąd to pochodzi? Czy jest stały czy zmienia się w czasie? Nie ma ostatecznych odpowiedzi, ale wszystko wskazuje na to, że ciemna energia jest stałą kosmologiczną. Innymi słowy, zachowuje się jak nowa forma energii zawarta w samej przestrzeni. Gdy wszechświat się rozszerza, tworzy nową przestrzeń, która zawiera taką samą jednolitą ilość ciemnej energii.
W każdym razie to jak dotąd nasz najlepszy widok. Z teoretycznego punktu widzenia znanych jest kilka sposobów tworzenia stałej kosmologicznej, dlatego to wyjaśnienie - o ile dane są z nim zgodne - pozostanie preferowane. Ale nie ma powodu, dla którego ciemna energia nie mogłaby być bardziej złożona.
Może to być coś, co z czasem ulega erozji, stając się coraz mniej gęste, choć trochę. Może to być coś, co zmieni znak w odległej przyszłości i doprowadzi do ponownego stworzenia Wszechświata w wielkim ściskaniu. Może to być również coś, co z czasem staje się silniejsze, przyspieszając i rozszerzając wszechświat w czasie. To właśnie ta zmiana prowadzi do scenariusza Wielkiego Rozerwania.
Kiedy mówimy o jakimkolwiek składniku energii we Wszechświecie, mówimy o jego równaniu stanu, które opisuje, jak ewoluuje on w czasie we Wszechświecie. Astrofizycy używają do tego parametru w, gdzie w = 0 odpowiada materii, w = 1/3 odpowiada promieniowaniu, w = -1 odpowiada stałej kosmologicznej.
Wydaje się, że ciemna energia ma w = -1, ale nie jest to dokładne. Na przykład nowa praca wykonana we współpracy Subaru Hyper Suprime-Cam dodała nowe ograniczenia do równania stanu ciemnej energii. Podczas gdy ciemna energia pasuje do w = -1 dość przekonująco, istnieją również spekulacje, że może być jeszcze bardziej ujemna. Jeśli tak jest - jeśli okaże się, że w <-1 i różne od -1 - to Wielkie Rozdarcie jest nieuniknione.
Jeśli Wielkie Rozerwanie jest nieuchronne, nie tylko rozszerzający się Wszechświat, ale także odległe obiekty będą przyspieszać od nas coraz szybciej (z powodu ciemnej energii). Ale przedmioty, które są trzymane razem przez jakąś fundamentalną siłę, w końcu zostaną rozerwane przez rosnącą siłę ciemnej energii.
Za wiele miliardów lat w przyszłości nasza lokalna grupa zobaczy, jak gwiazdy na obrzeżach zostaną wyrzucone w przestrzeń kosmiczną, gdy zostaną odwiązane grawitacyjnie od naszej przyszłej odległej galaktyki: Milkomed. W miarę upływu czasu coraz więcej gwiazd będzie wyrzucanych na zewnątrz, aż struktury, które znamy jako galaktyki, zapadną się i staną się zbiorem miliardów niezwiązanych ze sobą gwiazd i ciał gwiazd.
Z biegiem czasu planety zostaną wyrzucone ze swoich układów słonecznych, gdy ciemna energia będzie się nasilać, a wtedy nawet same planety zostaną rozerwane. W ostatnich chwilach obiekty trzymane przez siły atomowe i molekularne zostaną rozerwane, elektrony zostaną oderwane od atomów, jądra atomowe rozpadną się, a nawet same kwarki zostaną rozdzielone. A potem pękną.
Czy czekamy na nowy Wielki Wybuch?
Jeśli Wielkie Rozerwanie jest poprawnym modelem rozwoju Wszechświata, wszystko we Wszechświecie zostanie zredukowane do najbardziej fundamentalnych elementów, w pewnym sensie silnie odpowiadających pierwszym etapom Wielkiego Wybuchu.
Jednak ta plazma kwarkowo-gluonowa będzie inna niż ta, jaka była podczas Wielkiego Wybuchu. Po pierwsze, Wielki Wybuch jest gorący i gęsty, a Wielkie Rozerwanie będzie niezwykle zimne i rozproszone. Po drugie, Wielki Wybuch charakteryzuje się tym, że cała materia i energia we Wszechświecie jest skompresowana w niewielkiej objętości przestrzeni, ale podczas Wielkiego Rozerwania zostaną rozproszone na tryliony lat świetlnych. Ponadto Wielki Wybuch reprezentuje stan o stosunkowo niskiej entropii, ale w Wielkim Wybuchu entropia będzie 10 (do potęgi 35) razy większa niż w Wielkim Wybuchu.
Ale jest nadzieja.
Być może ciemna energia, która doprowadzi do Wielkiego Rozerwania, może zrestartować wszechświat. Jeśli moc ciemnej energii wzrasta, ta ciemna energia jest nieodłączną częścią samej materii przestrzeni, co oznacza, że może być całkowicie analogiczna do wczesnego okresu w historii naszego Wszechświata, kiedy przestrzeń rozszerzała się w niesamowitym tempie: kosmiczna inflacja. Inflacja eliminuje całą istniejącą wcześniej materię i energię we wszechświecie, pozostawiając jedynie strukturę przestrzeni. Po okresie inflacji energia jest w jakiś sposób przekształcana w cząstki, antycząstki i promieniowanie, co prowadzi do Wielkiego Wybuchu. Ten scenariusz był już wcześniej rozważany i jest znany jako odmłodzony wszechświat.
Jeśli Wielkie Rozerwanie jest prawdziwym scenariuszem końca Wszechświata, po prostu rozerwie całą materię na strzępy, a Wszechświat będzie bardzo pusty, ale z ogromną ilością energii tkwiącej w samej przestrzeni. Jeśli energia jest bardzo duża, możliwe jest, że sama struktura przestrzeni pęknie - ale to jest zupełnie inny scenariusz.
Ilya Khel