Jednym z najważniejszych osiągnięć XX wieku było precyzyjne określenie, jak duży, rozległy i masywny jest nasz wszechświat. Dzięki około dwóm bilionom galaktyk zamkniętych w promieniu 46 miliardów lat świetlnych, nasz obserwowalny wszechświat pozwala nam zrekonstruować całą historię naszego kosmosu, aż do Wielkiego Wybuchu, a może nawet trochę wcześniej. A co z przyszłością? Jaki będzie wszechświat? Czy to będzie?
Ktoś mówi, że ekspansja wszechświata zwalnia. Nagroda Nobla została przyznana za „odkrycie” wzrastającej ekspansji wszechświata. Ale kto ma rację? Czy wszechświat może pewnego dnia zapaść się w procesie tak zwanej Wielkiej Kompresji (odwrotnej do Wielkiego Wybuchu)?
Przyszłe zachowanie najlepiej przewidywać na podstawie zachowań w przeszłości. Ale tak jak ludzie czasami mogą nas zaskoczyć, tak samo może być Wszechświat.
Tempo ekspansji Wszechświata w danym momencie zależy tylko od dwóch czynników: całkowitej gęstości energii istniejącej w czasoprzestrzeni i wielkości istniejącej krzywizny przestrzeni. Jeśli zrozumiemy prawa grawitacji i jak różne rodzaje energii ewoluują w czasie, możemy zrekonstruować wszystko, co wydarzyło się w pewnym momencie w przeszłości. Możemy również patrzeć na różne odległe obiekty z różnych odległości i mierzyć, jak rozciąga się światło w wyniku rozszerzania się przestrzeni. Każda galaktyka, supernowa, obłok gazu molekularnego i tym podobne - wszystko, co pochłania lub emituje światło - opowie kosmiczną historię o tym, jak ekspansja przestrzeni rozciągnęła ją od momentu narodzin światła do momentu, w którym je zaobserwowaliśmy.
Na podstawie różnych niezależnych obserwacji mogliśmy wywnioskować, z czego składa się sam wszechświat. Stworzyliśmy trzy duże niezależne łańcuchy obserwacyjne:
- W kosmicznym mikrofalowym tle występują wahania temperatury, które kodują informacje o zakrzywieniu Wszechświata, normalnej materii, ciemnej materii, neutrinach i całkowitej gęstości.
- Korelacje między galaktykami w największych skalach - znane jako barionowe drgania akustyczne - zapewniają bardzo rygorystyczne pomiary całkowitej gęstości materii, stosunku normalnej materii do ciemnej materii oraz zmian tempa ekspansji w czasie.
Film promocyjny:
„A najbardziej odległe, świecące standardowe świece we Wszechświecie, supernowe typu Ia, mówią nam o tempie ekspansji i ciemnej energii, jak zmieniały się one w czasie.
Te łańcuchy dowodów razem wzięte tworzą spójny obraz wszechświata. Mówią nam, co jest we współczesnym Wszechświecie i dają nam kosmologię, w której:
- 4,9% energii Wszechświata jest reprezentowane przez normalną materię (protony, neutrony i elektrony);
- 0,1% energii Wszechświata istnieje w postaci masywnych neutrin (które ostatnio zachowały się jak materia, a dawniej promieniowały);
- 0,01% energii Wszechświata istnieje w postaci promieniowania (podobnie jak fotony);
- 27% energii Wszechświata istnieje w postaci ciemnej materii;
- 68% energii tkwi w samej przestrzeni: ciemna energia.
Wszystko to daje nam płaski Wszechświat (o zakrzywieniu 0%), Wszechświat bez defektów topologicznych (monopole magnetyczne, struny kosmiczne, ściany domen lub kosmiczne tekstury), Wszechświat o znanej historii ekspansji.
Równania ogólnej teorii względności są w tym sensie bardzo deterministyczne: jeśli wiemy, z czego zbudowany jest Wszechświat dzisiaj i jakie są prawa grawitacji, wiemy dokładnie, jak ważny był każdy składnik w każdym indywidualnym przedziale w przeszłości. Na początku dominowało promieniowanie i neutrina. Przez miliardy lat najważniejszymi składnikami były ciemna materia i normalna materia. W ciągu ostatnich kilku miliardów lat - a sytuacja będzie się pogarszać z czasem - ciemna energia stała się dominującym czynnikiem w rozszerzaniu się wszechświata. To sprawia, że wszechświat przyspiesza i od tego momentu wielu ludzi przestaje rozumieć, co się dzieje.
Są dwie rzeczy, które możemy zmierzyć, jeśli chodzi o ekspansję Wszechświata: tempo ekspansji i tempo, w jakim poszczególne galaktyki, z naszego punktu widzenia, wchodzą w perspektywę. Są spokrewnieni, ale pozostają inni. Tempo ekspansji z jednej strony mówi o tym, jak sama struktura przestrzeni rozciąga się w czasie. Jest zawsze definiowana jako prędkość na jednostkę odległości, zwykle podawana w kilometrach na sekundę (prędkość) na megaparsek (odległość), gdzie megaparsek ma około 3,26 miliona lat świetlnych.
Gdyby nie było ciemnej energii, szybkość ekspansji spadłaby z czasem, zbliżając się do zera, ponieważ gęstość materii i promieniowania spadłaby do zera w miarę zwiększania objętości. Ale w przypadku ciemnej energii to tempo ekspansji pozostaje zależne od gęstości ciemnej energii. Gdyby na przykład ciemna energia była stałą kosmologiczną, szybkość ekspansji spłaszczyłaby się do stałej wartości. Ale w tym przypadku poszczególne galaktyki oddalające się od nas przyspieszyłyby.
Wyobraź sobie prędkość ekspansji o pewnej wielkości: 50 km / s / Mpc. Jeśli galaktyka znajduje się w odległości 20 Mpc od nas, wydaje się, że oddala się od nas z prędkością 1000 km / s. Ale daj mu trochę czasu, a wraz z rozszerzaniem się struktury przestrzeni ta galaktyka w końcu znajdzie się dalej od nas. Z czasem będzie to dwa razy więcej: 40 Mpc, a prędkość usuwania wyniesie 2000 km / s. To zajmie więcej czasu i będzie 10 razy dalej: 200 Mpc i prędkość usuwania 10 000 km / s. Z czasem będzie oddalał się od nas w odległości 6000 Mpc i będzie oddalał się z prędkością 300 000 km / s, czyli większą niż prędkość światła. Im dalej mija czas, tym szybciej galaktyka będzie się od nas oddalać. Dlatego Wszechświat „przyspiesza”: tempo ekspansji maleje, ale prędkość oddzielania się od nas pojedynczych galaktyk tylko rośnie.
Wszystko to jest zgodne z naszymi najlepszymi pomiarami: ciemna energia to stała gęstość energii właściwa samej przestrzeni. W miarę jak przestrzeń się rozciąga, gęstość ciemnej energii pozostaje stała, a Wszechświat zakończy się „Wielkim Zamarznięciem”, kiedy wszystko, co nie jest związane grawitacją (jak nasza lokalna grupa, galaktyka, układ słoneczny) będzie się rozchodzić i rozchodzić. Jeśli ciemna energia jest naprawdę kosmologiczną stałą, ekspansja ta będzie trwać w nieskończoność, aż wszechświat stanie się zimny i pusty.
Ale jeśli ciemna energia jest dynamiczna - co jest teoretycznie możliwe, ale bez obserwowalnych dowodów - może zakończyć się Wielkim Ściskaniem lub Wielkim Rozdarciem. W Wielkiej Kompresji ciemna energia będzie osłabiać i stopniowo odwracać rozszerzanie się wszechświata, tak że zaczyna się kurczyć. Może nawet istnieć cykliczny wszechświat, w którym „kompresja” prowadzi do nowego Wielkiego Wybuchu. Jeśli ciemna energia stanie się silniejsza, czeka nas inny los, kiedy połączone struktury zostaną rozerwane przez stopniowo rosnące tempo ekspansji. Jednak dzisiaj wszystko wskazuje na to, że czeka nas Wielki Mróz, kiedy Wszechświat rozszerzy się na zawsze.
Główne cele naukowe przyszłych obserwatoriów, takich jak Euclid ESA lub WFIRST NASA, obejmują pomiar, czy ciemna energia jest stałą kosmologiczną. I chociaż wiodąca teoria przemawia za stałą ciemną energią, ważne jest, aby zrozumieć, że mogą istnieć możliwości, których nie wykluczają pomiary i obserwacje. Z grubsza rzecz biorąc, wszechświat wciąż może się zawalić i jest to możliwe. Potrzeba więcej danych.
ILYA KHEL
