Jedným z najdôležitejších úspechov 20. storočia bola presná definícia toho, aký veľký, obrovský a masívny je náš vesmír. S zhruba dvoma biliónmi galaxií uzavretých v objeme 46 miliárd svetelných rokov v okruhu, náš pozorovateľný vesmír nám umožňuje rekonštruovať celú históriu nášho vesmíru, až po Veľký tresk a možno aj o niečo skôr. Ale čo budúcnosť? Aký bude vesmír? Bude to?
Niekto hovorí, že rozpínanie vesmíru sa spomaľuje. Nobelova cena bola udelená za „objav“, že expanzia vesmíru rastie. Ale kto má pravdu? Môže sa vesmír jedného dňa zrútiť v procese takzvanej Veľkej kompresie (inverzie k Veľkému tresku)?
Budúce správanie sa najlepšie predpovedá na základe správania v minulosti. Ale tak ako nás niekedy môžu ľudia prekvapiť, môže to urobiť aj Vesmír.
Rýchlosť rozpínania vesmíru v danom okamihu závisí iba od dvoch faktorov: celkovej hustoty energie, ktorá existuje v časopriestore, a množstva prítomného priestorového zakrivenia. Ak pochopíme gravitačné zákony a to, ako sa rôzne druhy energie vyvíjajú v priebehu času, môžeme zrekonštruovať všetko, čo sa stalo v určitom okamihu v minulosti. Môžeme sa tiež pozrieť na rôzne vzdialené objekty v rôznych vzdialenostiach a zmerať, ako sa rozpína svetlo vďaka rozpínaniu priestoru. Každá galaxia, supernova, oblak molekulárnych plynov a podobne - čokoľvek, čo absorbuje alebo vyžaruje svetlo - bude rozprávať vesmírny príbeh o tom, ako ho rozpínanie vesmíru pretiahlo od okamihu, keď sa svetlo zrodilo do okamihu, keď sme ho pozorovali.
Z rôznych nezávislých pozorovaní sme mohli dospieť k záveru, z čoho pozostáva samotný vesmír. Vytvorili sme tri veľké nezávislé pozorovacie reťazce:
- Na kozmickom mikrovlnnom pozadí existujú teplotné výkyvy, ktoré kódujú informácie o zakrivení vesmíru, normálnej hmote, tmavej hmote, neutrinách a celkovej hustote.
- Korelácie medzi galaxiami v najväčších mierkach - známe ako baryonické akustické vibrácie - poskytujú veľmi dôkladné merania celkovej hustoty hmoty, pomeru normálnej hmoty k tmavej hmote a toho, ako sa rýchlosť expanzie v priebehu času menila.
Propagačné video:
"A najvzdialenejšie svetielkujúce štandardné sviečky vo vesmíre, typu Ia supernovy, nám hovoria o rýchlosti expanzie a temnej energii, o tom, ako sa časom zmenili."
Tieto reťazce dôkazov, dokopy, nám vykresľujú ucelený obraz vesmíru. Povedia nám, čo je v modernom vesmíre, a dajú nám kozmológiu, v ktorej:
- 4,9% energie vesmíru predstavuje normálna hmota (protóny, neutróny a elektróny);
- 0,1% energie vesmíru existuje vo forme masívnych neutrín (ktoré v nedávnej dobe pôsobia ako hmota a v ranných dobách pôsobia ako radiácia);
- 0,01% energie vesmíru existuje vo forme žiarenia (ako fotóny);
- 27% energie vesmíru existuje vo forme tmavej hmoty;
- 68% energie je obsiahnutej v samotnom vesmíre: temná energia.
To všetko nám dáva plochý Vesmír (so zakrivením 0%), Vesmír bez topologických defektov (magnetické monopoly, kozmické reťazce, steny domén alebo kozmické textúry), Vesmír so známou históriou expanzie.
Rovnice všeobecnej relativity sú v tomto zmysle veľmi deterministické: ak vieme, z čoho sa dnes skladá Vesmír, a zákony gravitácie, vieme presne, aké dôležité boli jednotlivé komponenty v minulosti v každom jednotlivom intervale. Na začiatku dominovalo žiarenie a neutrína. Po miliardy rokov boli najdôležitejšími zložkami tmavá hmota a normálna hmota. Za posledných niekoľko miliárd rokov - a časom sa to bude zhoršovať - sa temná energia stala dominantným faktorom v rozpínaní vesmíru. Vďaka tomu sa vesmír zrýchľuje a od tej chvíle mnoho ľudí prestáva rozumieť tomu, čo sa deje.
Existujú dve veci, ktoré môžeme zmerať, pokiaľ ide o rozpínanie vesmíru: rýchlosť rozpínania a rýchlosť, akou jednotlivé galaxie z nášho pohľadu idú do perspektívy. Súvisia, ale zostávajú iné. Miera expanzie na jednej strane hovorí o tom, ako sa v priebehu času napína samotná tkanina vesmíru. Vždy sa definuje ako rýchlosť na jednotku vzdialenosti, zvyčajne sa udáva v kilometroch za sekundu (rýchlosť) na megaparsec (vzdialenosť), kde je megaparsec asi 3,26 milióna svetelných rokov.
Ak by neexistovala žiadna temná energia, rýchlosť rozpínania by sa s časom znižovala a blížila by sa k nule, pretože hustota hmoty a žiarenia by s rozširovaním objemu klesla na nulu. Ale s temnou energiou zostáva táto miera expanzie závislá od hustoty tmavej energie. Keby bola napríklad tmavá energia kozmologickou konštantou, rýchlosť expanzie by sa vyrovnala na konštantnú hodnotu. Ale v takom prípade by sa jednotlivé galaxie vzďaľujúce sa od nás zrýchlili.
Predstavte si rýchlosť expanzie určitej veľkosti: 50 km / s / MPC. Ak je galaxia vo vzdialenosti 20 Mpc od nás, zdá sa, že od nás ustupuje rýchlosťou 1000 km / s. Ale dajte tomu čas a s rozširovaním štruktúry vesmíru bude táto galaxia nakoniec od nás ďalej. Postupom času to bude dvakrát tak ďaleko: 40 Mpc a rýchlosť odstraňovania bude 2 000 km / s. Bude to trvať viac času a bude to 10-krát ďalej: 200 Mpc a rýchlosť odstraňovania 10 000 km / s. Postupom času sa bude vzďaľovať vo vzdialenosti 6000 Mpc od nás a vzďaľuje sa rýchlosťou 300 000 km / s, čo je rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Čím viac času uplynie, tým rýchlejšie sa bude galaxia vzďaľovať od nás. Preto sa Vesmír „zrýchľuje“: rýchlosť rozpínania klesá, ale rýchlosť oddelenia jednotlivých galaxií od nás iba rastie.
To všetko je v súlade s našimi najlepšími meraniami: tmavá energia je konštantná hustota energie, ktorá je vlastná samotnému vesmíru. Ako sa vesmír rozťahuje, hustota temnej energie zostáva konštantná a Vesmír sa skončí „Veľkým zmrazením“, keď sa všetko, čo nie je spojené gravitáciou (ako naša lokálna skupina, galaxia, slnečná sústava), bude rozchádzať a rozchádzať. Ak je temná energia skutočne kozmologickou konštantou, bude táto expanzia pokračovať donekonečna, kým vesmír neochladne a nevyprázdni sa.
Ale ak je temná energia dynamická - čo je teoreticky možné, ale bez pozorovateľných dôkazov - mohla by to skončiť Veľkým stlačením alebo Veľkým ripom. Vo Veľkej kompresii bude temná energia slabnúť a postupne zvráti rozpínanie vesmíru tak, že sa začne sťahovať. Môže existovať dokonca aj cyklický vesmír, kde „kompresia“vedie k novému veľkému tresku. Ak bude temná energia silnieť, čaká nás iný osud, keď budú spojené štruktúry roztrhané postupne sa zvyšujúcou rýchlosťou expanzie. Dnes však všetko naznačuje, že nás čaká Veľké zmrazenie, keď sa Vesmír navždy rozšíri.
Medzi hlavné vedecké ciele pre budúce observatóriá ako Euclid od ESA alebo WFIRST agentúry NASA patrí meranie toho, či je temná energia kozmologickou konštantou. A hoci popredná teória hovorí v prospech konštantnej temnej energie, je potrebné si uvedomiť, že môžu existovať možnosti, ktoré nie sú vylúčené meraniami a pozorovaniami. Zhruba povedané, vesmír sa môže stále zrútiť, a to je možné. Potrebné ďalšie údaje.
ILYA KHEL