Как работает теория большого кризиса
Почти все астрономы признают, что Вселенная расширяется. Что происходит дальше — настоящая загадка. К счастью, есть только три реальных возможности: Вселенная может быть открытой, плоской или закрытой.
Открытая Вселенная. В этом сценарии Вселенная будет расширяться вечно, и по мере этого содержащаяся в ней материя будет расширяться все тоньше и тоньше. В конце концов, у галактик закончится сырье, необходимое для создания новых звезд. Звезды, которые уже существуют, будут медленно гаснуть, как тлеющие угли. Вместо огненных колыбелей галактики станут гробами, наполненными пылью и мертвыми звездами. В этот момент Вселенная станет темной, холодной и, к несчастью для нас, безжизненной.
Плоская Вселенная. Представьте себе мрамор, катящийся по бесконечно длинной деревянной поверхности. Трения достаточно, чтобы замедлить шарик, но недостаточно, чтобы сделать это быстро. Мрамор будет катиться в течение долгого времени, в конце концов остановившись на медленной и плавной остановке. Это то, что произойдет с плоской Вселенной. Он поглотит всю энергию Большого взрыва и, достигнув равновесия, остановится далеко в будущем. Во многих отношениях это всего лишь вариант открытой вселенной, потому что Вселенной потребуется буквально вечность, чтобы достичь точки равновесия.
Замкнутая Вселенная. Привяжите один конец банджи-шнура к ноге, другой конец к перилам моста и спрыгните. Вы будете быстро двигаться вниз, пока не начнете натягивать шнур.По мере увеличения натяжения шнур постепенно замедляет спуск. В конце концов, вы полностью остановитесь, но всего на секунду, когда трос, натянутый до предела, потянет вас обратно к мосту. Астрономы считают, что закрытая Вселенная будет вести себя примерно так же. Его расширение будет замедляться, пока не достигнет максимального размера. Затем он отскочит, рухнув обратно на себя. При этом Вселенная будет становиться все плотнее и горячее, пока не окажется в бесконечно горячей, бесконечно плотной сингулярности.
Замкнутая вселенная приведет к большому сжатию — противоположности большого взрыва. Но каковы шансы, что закрытая вселенная более вероятна, чем открытая или плоская? Астрономы начинают выдвигать некоторые обоснованные предположения.
Гравитация против расширения
Чтобы определить, будет ли Вселенная расширяться вечно, остановится или рухнет сама на себя, астрономы должны решить, какая из двух противоборствующих сил победит в космическом перетягивании каната. Одной из этих сил является взрывная часть Большого взрыва — взрыв, который разбросал вселенную во всех направлениях. Другая сила — гравитация, притяжение одного объекта к другому. Если гравитация во Вселенной достаточно сильна, она может управлять расширением и заставлять Вселенную сжиматься. В противном случае Вселенная будет продолжать расширяться вечно.
Хотя астрономы знают, что Вселенная расширяется, они не могут точно измерить силу, ответственную за расширение. Вместо этого они пытаются измерить плотность Вселенной. Чем выше плотность, тем больше сила гравитации. Применяя эту логику, должен существовать порог плотности — критический предел, — который будет определять, достаточно ли сильна гравитация во Вселенной, чтобы остановить расширение и вернуть все назад. Если плотность больше критического предела, то Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Если он меньше критического предела, то Вселенная будет расширяться вечно.Астрономы представляют это математически с помощью следующего уравнения:
Ω = фактическая средняя плотность/критическая плотность
Если омега (Ω) больше 1, то Вселенная будет закрыта. Если меньше 1, вселенная будет открыта. А если он равен 1, Вселенная будет плоской. Основываясь на материи, которую мы можем видеть, такой как галактики, звезды и планеты, плотность Вселенной кажется ниже критического значения. Это предполагает открытую вселенную, которая будет расширяться вечно. Но космологи считают, что есть еще один тип материи, который нельзя увидеть. Этот темная материя может составлять гораздо большую часть Вселенной, чем обычная видимая материя, и может иметь достаточную гравитацию, чтобы остановить, а затем обратить вспять расширение.
Недавно астрономы сделали несколько наблюдений, которые указывают на то, что в космосе есть еще один невидимый материал: темная энергия. Может ли темная энергия сильно повлиять на судьбу Вселенной?
Мы большие «Большой»
Термин «большой взрыв» возник как шутка — уничижительное замечание, сделанное астрономом Фредом Хойлом. Но название прижилось и породило серию номенклатурных подделок. Вселенная, которая расширяется вечно, приведет к «большому холоду» или «большому замораживанию». Вселенная, которая коллапсирует в сингулярность и снова взрывается наружу, испытает «большой схлопывание», за которым последует «большой отскок». И вселенная, которая достигает равновесия и ничего не делает, станет «большой занудой».
Роль темной энергии
Слева изображена и увеличена сверхновая звезда, которую Хаббл заснял на камеру и которая взорвалась 10 миллиардов лет назад. Названный 1997ff, он значительно подкрепил доводы в пользу существования темной энергии, пронизывающей космос.
Фото предоставлено NASA-GSFC
Так же, как астрономы боролись с влиянием темной материи, они сделали открытие, которое заставило их снова вернуться к классной доске. Открытие произошло в 1998 году, когда лучшие в мире телескопы выявили этот тип Я сверхновые умирающие звезды, имеющие одинаковую внутреннюю яркость, находились дальше от нашей галактики, чем должны были. Чтобы объяснить это наблюдение, астрономы предположили, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется или ускоряется. Но что заставит расширение идти быстрее? Разве гравитация, присущая темной материи, недостаточно сильна, чтобы предотвратить такое расширение?
Как оказалось, в космической истории есть нечто большее, чем предполагалось ранее. Некоторые космологи теперь думают, что что-то еще — что-то столь же необъяснимое и ненаблюдаемое, как темная материя, — скрывается во Вселенной. Иногда они называют это невидимое вещество темная энергия. В отличие от гравитации, которая притягивает Вселенную и замедляет ее расширение, темная энергия давит на Вселенную и ускоряет ее расширение. И этого много. По оценкам астрономов, Вселенная может состоять на 73 процента из темной энергии. Они думают, что темная материя составляет еще 23 процента, а обычная материя — то, что мы можем видеть — составляет ничтожные 4 процента [источник: Брехер]. С такими цифрами и учитывая, что темная энергия является инфляционной силой, легко понять, что большой кризис может вообще никогда не произойти.
Интересно, что Альберт Эйнштейн предсказал существование темной энергии еще в 1917 году, когда пытался сбалансировать уравнения своей общей теории относительности. В то время он не называл это темной энергией. Он называл это космологическая постоянная и назвал его лямбда в своих расчетах. Хотя он не мог этого доказать, Эйнштейн полагал, что во Вселенной должна существовать сила отталкивания, которая разбрасывает все вокруг так равномерно. В конце концов, он отказался, назвав лямбду своей величайшей ошибкой.
Теперь ученые задаются вопросом, был ли Эйнштейн снова прав — если, конечно, он не ошибается. Далее мы рассмотрим, почему некоторые до сих пор высоко ценят большой кранч и почему это может быть не конец вселенной, а второе начало.
Смерть и возрождение
Большой скачок меняет жизненный цикл Вселенной
Как это работает
Ясно, что нет простого ответа, когда дело доходит до предсказания судьбы Вселенной. Но давайте представим на мгновение, что плотность Вселенной выше критического значения, необходимого для прекращения расширения. Это привело бы к большому хрусту, который во многом был бы подобен нажатию кнопки перемотки назад на видеомагнитофоне. По мере того как гравитация во Вселенной оттягивала все назад, скопления галактик сближались. Затем отдельные галактики начнут сливаться, пока через миллиарды лет не сформируется одна мегагалактика.
Внутри этого гигантского котла звезды сливались воедино, в результате чего все пространство становилось горячее солнца. В конце концов, звезды взорвутся, и появятся черные дыры, сначала медленно, а затем все быстрее. По мере приближения конца черные дыры будут поглощать все вокруг себя. Даже они в какой-то момент сольются, чтобы образовать чудовищную черную дыру, которая затянет вселенную, как мешок на шнурке. В конце не останется ничего, кроме сверхгорячей, сверхплотной сингулярности — семени другой вселенной. Многие астрономы считают, что семя прорастет в результате «большого скачка», начиная весь процесс заново.
Это не единственная теория. Несколько космологов во главе с Полом Дж. Стейнхардтом из Принстонского университета и Нилом Туроком из Кембриджского университета недавно заявили, что большой холод и большой хруст не исключают друг друга. Их модель работает следующим образом: Вселенная началась с большого взрыва, за которым последовал период медленного расширения и постепенного накопления темной энергии. Вот где мы находимся сегодня. То, что произойдет дальше, весьма спекулятивно, но Стейнхардт и Турок считают, что темная энергия продолжит накапливаться и будет стимулировать космическое ускорение.Вселенная никогда не перестанет расширяться, но будет расширяться в течение триллионов лет, растягивая всю материю и энергию до такой степени, что наша единая вселенная будет разделена на несколько вселенных. Внутри этих вселенных таинственная темная энергия материализуется в обычную материю и излучение. Это вызовет еще один большой взрыв — возможно, несколько — и еще один цикл расширения.
Если вас смущают все эти разговоры о сжатии и расширении, вы можете успокоиться, зная, что судьба Вселенной не будет определена в ближайшие миллиарды, может быть, даже триллионы лет. Это дает вам достаточно времени, чтобы сосредоточиться на более определенных вещах, таких как ваш собственный жизненный цикл рождения, роста и смерти.
