Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Этот сценарий, пожалуй, наиболее вероятен и осуществится, если темная энергия окажется космологической постоянной. Как вы помните, по мере расширения Вселенной темная энергия начинает преобладать, а скорость расширения увеличивается.

И как же Вселенная будет выглядеть в долгосрочной перспективе? Структуры, которые сейчас крепко связаны гравитацией, например планетные системы, галактики и скопления галактик, так и останутся рядом. Но расстояние между скоплениями галактик значительно увеличится. Примерно где-то через 100 миллиардов лет — впрочем, все зависит от природы темной материи — объекты за пределами нашего Местного скопления галактик увидеть будет уже невозможно. По нашим оценкам, у Солнца закончится энергия и оно умрет примерно через пять миллиардов лет, поэтому Земля в любом случае станет непригодной для жизни задолго до того, как скопления галактик исчезнут из нашего поля зрения.

Для излучения света звездам необходимы легкие химические элементы, которые будут «сгорать» в термоядерных реакциях. Примерно через 1014 (сто тысяч миллиардов) лет все звездное топливо во Вселенной будет израсходовано. Последние звезды погаснут, и Вселенная станет темной. Эта темная Вселенная продолжит свое вечное расширение.

Коллапс — Большой хлопок

Большой хлопок, или Большое сжатие, — это Большой взрыв наоборот. Вселенная начнет сжиматься и в конце концов скол- лапсирует. Этот сценарий был популярен до открытия ускоренного расширения в 1990-х годах.

В мире без темной энергии судьба Вселенной зависела бы от количества материи. Если материя достаточно плотная, то гравитация начнет замедлять расширение до тех пор, пока оно не остановится.

Тоща Вселенная начнет сжиматься, и закончится все это Большим хлопком. Если плотность материи недостаточна, то гравитационные силы никогда не смогут остановить расширение. Да, Вселенная будет расширяться все медленнее, но никогда уже не начнет сжиматься.

Ранее мы рассматривали искривление пространства. Кривизна Вселенной определяется плотностью находящегося в ней «вещества». Я уже упоминал «критическую плотност ь» — эта величина описывает, насколько плотной должна быть материя, чтобы Вселенная была плоской. Плотность меньше критической приведет к искривлению, похожему на лошадиное седло. Такую Вселенную-седло, где сумма углов треугольника меньше 180°, мы называем открытой. Плотность, превышающая критическую, даст изогнутую внутрь Вселенную, как поверхность шара. Такую Вселенную называют закрытой. В этом случае сумма углов будет больше 180°. Оказывается, что плоская Вселенная, заполненная материей (без темной энергии), обладает недостаточной для большого сжатия плотностью. Открытая Вселенная без темной энергии тоже не сможет начать сжиматься. Закрытая Вселенная без темной энергии обладает достаточно большой плотностью, чтобы заставить Вселенную снова сжиматься. Именно поэтому наблюдения кривизны пространства стали столь важны для предсказания судьбы Вселенной.

Но после открытия ускоряющегося расширения пространства эта тесная взаимосвязь между искривлением и судьбой Вселенной пропала. Трудно представить, что Вселенная снова начнет сжиматься после того, как темная энергия в ней стала преобладать. Тем не менее пока мы на все сто не уверены в причинах расширения пространства, не стоит полностью исключать остальные варианты. Например, есть модели квинтэссенции, где темная энергия в конечном итоге перестанет отталкивать и начнет притягивать. Согласно этим моделям, когда-нибудь в будущем Вселенная может исчезнуть в результате Большого хлопка.

И хотя Большой хлопок — не самая вероятная судьба Вселенной, этот сценарий кажется мне очень привлекательным как для физиков, так и для простых любителей. Думаю, эта теория находит у нас отклик потому, что гораздо легче представить что-то имеющее конец, нежели нечто вечное. Кроме того, некоторые утверждают, что Большое сжатие может породить новый Большой взрыв и новую Вселенную. Таким образом, у нас получится длинная, возможно, бесконечно долгая череда Больших взрывов с Большими хлопками. Такая цикличность тоже может оказаться притягательной. Во-первых, она способна объяснить причину Большого взрыва. Во-вторых, наше расположение в космосе становится чуть менее особенным. Если Вселенной суждено вечно расширяться, то мы живем в особую эпоху, когда Вселенная допускает жизнь. Эта эпоха бесконечно мала по сравнению с бесконечной жизнью Вселенной. У многих такая мысль вызывает неприятие. В циклической Вселенной пригодные для жизни условия могут возникать снова и снова. Это делает нас менее особенными.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})

Идея Большого хлопка возникла довольно давно. Первым, кто применил общую теорию относительности для описания циклических Вселенных, был русский физик Александр Фридман — статью об этом он опубликовал еще в 1922 году.

(Здесь Фридман показывает, что общая теория относительности может дать «периодическую» Вселенную, которая расширяется и снова сжимается. По общему признанию, он не изучал более одного цикла в своей модели.)

Стоит также упомянуть, что мы понятия не имеем, приведет ли Большое сжатие к новому Большому взрыву. Пока у нас нет теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия, невозможно предсказать, что произойдет в случае коллапса.

Большой разрыв — когда Вселенная разрывается на части

В 2003 году была опубликована научная статья с живеньким заголовком: Phantom Energy and Cosmic Doomsday (Фантомная энергия и космический Судный день). В ней авторы описывают Вселенную с гипотетическим видом темной энергии, которую они называют фантомной. Мы помним, что космологическая постоянная обладает неизменной плотностью вне зависимости от того, насколько сильно увеличивается Вселенная. Фантомная энергия, как и космологическая постоянная, связана с отталкивающей гравитацией. Но в случае с фантомной энергией плотность будет увеличиваться вместе с расширением пространства. Таким образом, темная энергия становится все плотнее. Это приводит к еще более резкому расширению Вселенной, что, в свою очередь, приводит к еще большей плотности темной энергии. Через определенное время Вселенная расширится настолько сильно, что все связи между скоплениями галактик и галактиками полностью разорвутся. Затем на части разлетится Солнечная система. И в конце концов усиливающиеся отталкивающие силы все более плотной фантомной энергии разъединят все атомы и молекулы. Этот момент называется Большим разрывом и знаменует конец нашей Вселенной.

Позднее были выдвинуты различные модели поведения фантомной энергии. Большинство из них основаны на вариациях форм квинтэссенции. Как мы неоднократно упоминали, сегодня наблюдения указывают на то, что темная энергия подобна космологической постоянной. Но все же на основании наблюдений мы не можем полностью вычеркнуть вероятность существования фантомной энергии. И сколько тогда ждать до разрыва Вселенной? Ответ, естественно, зависит от природы этой формы энергии. Если сопоставить наблюдения Вселенной с простейшей моделью фантомной энергии, то Большой разрыв произойдет не раньше, чем через 100 миллиардов лет. Иными словами, беспокоиться пока особо не о чем.

А что произойдет после Большого разрыва? Образуются новые Вселенные? Время остановится? Мы не знаем. Отсутствие полноценной теории, описывающей фундаментальные взаимодействия, снова вставляет нам палки в колеса.

Хоть мы и не можем полностью исключить фантомную энергию и Большой разрыв, многие считают, что для этих моделей требуется нечто большее, чем экзотичная физика. На сегодняшний день наиболее правдоподобным кажется первый сценарий, тот самый, с вечно расширяющейся Вселенной, которая окажется в непроглядной темноте, но никогда не разорвется на части.

Что находится за пределами Вселенной?

Один из сложнейших вопросов, которые мне задают люди, узнав, что я астроном, вот какой: «Что находится за пределами Вселенной?» или «А Вселенная бесконечна?» Вопрос, конечно, слегка не по теме этой книги, но, поскольку мы начали двигаться в сторону бесконечности, возникает соблазн все равно осветить его.