Чи може Великий Розрив призвести до нового Великого Вибуху?

Є кілька питань, які не дають нам спати ночами, і вони стосуються кінцевої долі всього космосу. Зірки спалахують, їх замінюють нові, вони теж вигорають, і все повторюється, поки у Всесвіті не закінчиться пальне. Галактики зіллються і викинуть матерію, а простір між групами і скупченнями галактик буде розширюватися вічно. Темна енергія призводить до того, що це розширення не тільки невблаганно, але і прискорюється. Але чи таким буде кінець? Може цей «великий розрив» (коли все в підсумку виявиться нескінченно віддаленій відстані один від одного) привести до нового «великого вибуху»? Коли Всесвіт буде розширюватися досить швидко, щоб розірвати атоми і відокремити від них кварки… Утворюється чи кварк-глюонний суп?

На кону доля Всесвіту, як не крути.

Що чекає Всесвіт в кінці?

Якщо подивитися на далеку випадкову галактику у Всесвіті, висока ймовірність, що ви побачите, що її світіння більш червоне, ніж у зірок, які світяться в нашій галактиці. Ще в 1920-х роках учені виявили, що ця закономірність зберігалася в цілому: чим далі галактика вас, тим червонішою її світло. У контексті загальної теорії відносності, стало швидко зрозуміло, що це пов’язано з розширенням самої тканини простору з плином часу.

Наступним кроком було кількісно розрахувати, наскільки швидко розширюється Всесвіт і як цей темп змінювався з часом. Причина важливості цього, з теоретичної точки зору, полягає в тому, що історія розширення Всесвіту визначала те, що в ній знаходилося. Якщо ви хочете дізнатися, з чого складається ваша Всесвіт, на самих великих масштабах, вимір того, як Всесвіт розширювалася з плином космічного часу, допоможе вам.

Якщо ваша Всесвіт заповнена речовиною, ви будете очікувати, що швидкість розширення буде падати пропорційно до того, як речовина буде розбавлятися. Якщо вона наповнена випромінюванням, темп розширення падатиме ще більше, тому що випромінювання само по собі проходить червоне зміщення і втрачає додаткову енергію. Всесвіт з просторової кривизною, космічними струнами або енергією, властивою самому простору, все так же буде розвиватися по-іншому, в залежності від співвідношення всіх компонентів енергії.

Ґрунтуючись на повному наборі вимірювань, які ми змогли здійснити, у тому числі змінних зірок, галактик різних типів та властивостей, і наднових типу Ia, а також космічного мікрохвильового фону і кластеризації та кореляції галактик, ми змогли точно визначити, з чого складається Всесвіт. Зокрема, вона складається на:

• 68% з темної енергії;
• 27% з темної матерії;
• 4,9% із звичайної матерії;
• 0,09% нейтрино;
• 0,01% випромінювання.

Плюс-мінус поправка на кілька десятих відсотка в кожному випадку.

Наша Всесвіт, в якій домінує темна енергія, особливо цікава, тому що цього компонента у Всесвіті не існувало, не кажучи вже про його перевагу. І все ж, ми тут, через 13,8 мільярда років після Великого Вибуху, живемо у Всесвіті, в якій темна енергія керує розширенням Всесвіту.

Темну енергію оточує дуже багато питань. Яка її природа? Звідки вона береться? Постійна або вона змінюється з часом? Остаточних відповідей немає, але все вказує на те, що темна енергія — це космологічна постійна. Іншими словами, вона веде себе як нова форма енергії, властивої самому простору. У міру розширення Всесвіту, вона створює новий простір, яке містить все те ж однорідне кількість темної енергії.

У всякому разі, це наше краще представлення на поточний момент. З теоретичної точки зору існує кілька відомих способів створення космологічною сталою, і тому дане пояснення — до тих пір, поки дані узгоджуються з ним — буде залишатися кращим. Але немає причин, за якими темна енергія не може виявитися чимось більш складним.

Вона може бути чимось, що розмивається з часом, стаючи все менш і менш щільним, хай і небагато. Вона може бути чимось, що змінює знак в далекому майбутньому і призводить до відтворення Всесвіту у Великому Стисненні. Вона може бути також те, що з часом стає сильнішою, прискорюючись і розширюючи Всесвіт з плином часу. Саме цей варіант призводить до сценарію Великого Розриву.

Коли ми говоримо про будь-якому компоненті енергії у Всесвіті, ми говоримо про її рівняння стану, яке описує, як вона еволюціонує з часом у Всесвіті. Астрофізики використовують для цього параметр w, де w = 0 відповідає матерії, w = 1/3 відповідає випромінюванню, w = -1 відповідає космологічної постійної.

Темна енергія, мабуть, має w= -1, але це не точно. Приміром, нова робота колаборації Subaru Hyper Suprime-Cam, додала нові обмеження рівняння стану темної енергії. Хоча темна енергія вельми переконливо відповідає w = -1, є також припущення, що вона може бути ще більш негативною. Якщо вона насправді така — якщо з’ясується, що w < -1, а не дорівнює -1 — тоді Великий Розрив неминучий.

Якщо ж Великий Розрив неминучий, не тільки розширюється Всесвіт, але й далекі об’єкти будуть прискорюватися від нас все швидше і швидше з плином часу (з-за темної енергії). Але й об’єкти, які тримаються разом за рахунок якої-небудь фундаментальної сили, в кінцевому підсумку будуть розірвані збільшується силою темної енергії.

Через багато мільярдів років у майбутньому наша локальна група побачить, як зірки на околицях будуть викинуті в космос, оскільки відв’яжуться гравітаційно від нашої майбутньої далекої галактики: Млекомеды. З плином часу все більше і більше зірок будуть викидатися назовні, поки не руйнуватимуться структури, які відомі нам галактики, і не перетворяться на збори мільярдів незв’язаних зірок і зоряних трупів.

З плином часу планети будуть викидатися зі своїх сонячних систем, оскільки темна енергія буде посилюватися, і потім навіть самі планети будуть розірвані. В останні моменти, утримувані атомними і молекулярними силами об’єкти будуть розірвані, електрони зірвуться зі своїх атомів, атомні ядра розсиплються, і навіть самі кварки будуть розділені. А потім і вони розірвуться.

Чекаємо нас новий Великий Вибух?

Якщо Великий Розрив — це коректна модель розвитку Всесвіту, все у Всесвіті буде зведено до фундаментальних складових, в чомусь сильно відповідаючи першим етапам Великого Вибуху.

Однак ця кварк-глюонна плазма буде відрізнятися від тієї, що була під час Великого Вибуху. По-перше, Великий Вибух характеризується гарячим і щільним станом, а Великий Розрив буде надзвичайно холодним і розосередженим. По-друге, Великий Вибух характеризується тим, що вся матерія та енергія у Всесвіті стиснута в крихітний обсяг простору, але при Великому Розриві вони будуть розосереджені на трильйони світлових років. Крім того, Великий Вибух являє стан щодо низької ентропії, але при Великому Розриві ентропія буде в 1035 разів більше, ніж при Великому Вибуху.

Але є надія.

Можливо, темна енергія, яка призведе до Великого Розриву, зможе перезапустити Всесвіт. Якщо сила темної енергії збільшується, ця темна енергія притаманна тканини самого простору, а значить може бути повністю аналогічна раннього періоду в історії нашого Всесвіту, коли простір розширювався з величезною швидкістю: космічної інфляції. Інфляція усуває всю раніше існуючу матерію і енергію у Всесвіті, залишаючи після себе тільки тканину простору. Після періоду інфляції енергія якимось чином перетворюється на частки, античастки і випромінювання, що призводить до Великого Вибуху. Цей сценарій вже розглядалося раніше відомий як омолодженою Всесвіт.

Якщо Великий Розрив — справжній сценарій кінця Всесвіту, він просто розірве всю матерію на частини і Всесвіт буде дуже порожній, але з величезною кількістю енергії, властивої самому простору. Якщо енергія буде дуже великою, можливо, розірветься сама тканина простору — але це вже зовсім інший сценарій.

Вірите?