Eden najpomembnejših dosežkov 20. stoletja je bila natančna opredelitev, kako veliko, obsežno in masivno je naše vesolje. S približno dvema milijardama galaksij, zaprtih v obsegu 46 milijard svetlobnih let v polmeru, nam naše opazno vesolje omogoča rekonstrukcijo celotne zgodovine našega kozmosa, vse do Velikega poka in morda celo malo prej. Kaj pa prihodnost? Kakšno bo vesolje? Ali bo?
Nekdo pravi, da se širjenje vesolja upočasnjuje. Nobelova nagrada je bila podeljena za "odkritje", da se širjenje vesolja povečuje. Kdo pa ima prav? Bi se lahko vesolje nekega dne porušilo v procesu tako imenovane velike kompresije (inverzno velikemu poku)?
Prihodnje vedenje je najbolje napovedati na podlagi preteklega vedenja. A tako kot nas ljudje včasih lahko presenetijo, lahko tudi Vesolje.
Hitrost širjenja vesolja v danem trenutku je odvisna le od dveh dejavnikov: celotne gostote energije, ki obstaja v prostoru-času, in količine prisotne vesoljske ukrivljenosti. Če razumemo zakonitosti gravitacije in kako se različne vrste energije razvijajo skozi čas, lahko rekonstruiramo vse, kar se je zgodilo v določeni točki v preteklosti. Prav tako si lahko ogledamo različne oddaljene predmete na različnih razdaljah in izmerimo, kako se svetloba razteza zaradi širjenja prostora. Vsaka galaksija, supernova, oblak molekularnih plinov in podobno - vse, kar absorbira ali oddaja svetlobo - bo povedalo kozmično zgodbo o tem, kako ga je širitev vesolja raztegnila od trenutka, ko se je svetloba rodila, do trenutka, ko smo jo opazovali.
Iz številnih neodvisnih opazovanj smo lahko ugotovili, iz česa je vesolje samo. Izdelali smo tri velike neodvisne opazovalne verige:
- V kozmičnem mikrovalovnem ozadju obstajajo temperaturna nihanja, ki kodirajo informacije o ukrivljenosti vesolja, normalni snovi, temni snovi, nevtrinih in skupni gostoti.
- Korelacije med galaksijami na največji lestvici - znane kot barionske akustične vibracije - zagotavljajo zelo stroge meritve celotne gostote snovi, razmerja med normalno in temno snovjo ter kako se je hitrost širjenja skozi čas spreminjala.
Promocijski video:
»In najbolj oddaljene, svetleče standardne sveče v vesolju, supernove tipa Ia, nam govorijo o hitrosti širjenja in temni energiji, kako so se spreminjale skozi čas.
Te verige dokazov, skupaj, nam dajejo skladno sliko vesolja. Povedo nam, kaj je v sodobnem vesolju, in nam dajo kozmologijo, v kateri:
- 4,9% energije vesolja predstavlja normalna snov (protoni, nevtroni in elektroni);
- 0,1% energije vesolja obstaja v obliki masivnih nevtrinov (ki v zadnjem času delujejo kot snov, v zgodnjih časih pa kot sevanje);
- 0,01% energije vesolja obstaja v obliki sevanja (kot fotoni);
- 27% energije vesolja obstaja v obliki temne snovi;
- 68% energije je neločljivo v vesolju samem: temna energija.
Vse to nam daje ravno Vesolje (z zakrivljenostjo 0%), Vesolje brez topoloških napak (magnetni monopoli, kozmični nizi, domenske stene ali kozmične teksture), Vesolje z znano zgodovino širitve.
Enačbe splošne relativnosti so v tem smislu zelo deterministične: če vemo, iz česa je danes sestavljeno vesolje, in gravitacijske zakone, natančno vemo, kako pomembna je bila vsaka komponenta v vsakem posameznem intervalu v preteklosti. Na začetku so prevladovali sevanje in nevtrini. Milijarde let sta bili najpomembnejši komponenti temna snov in normalna snov. V zadnjih nekaj milijard letih - in to se bo sčasoma poslabšalo - je temna energija postala glavni dejavnik širjenja vesolja. Zaradi tega se vesolje pospešuje in od tega trenutka številni ljudje prenehajo razumeti, kaj se dogaja.
Ko gre za širjenje vesolja, lahko izmerimo dve stvari: hitrost širjenja in hitrost, s katero posamezne galaksije z našega vidika gredo v perspektivo. So v sorodu, vendar ostajajo drugačni. Hitrost širjenja po eni strani govori o tem, kako se tkanina prostora sama s časom razteza. Vedno je opredeljena kot hitrost na enoto razdalje, ki je običajno podana v kilometrih na sekundo (hitrost) na megaparsek (razdalja), kjer je megaparsek približno 3,26 milijona svetlobnih let.
Če ne bi bilo temne energije, bi se hitrost širjenja sčasoma zmanjševala in se približala ničli, saj bi gostota snovi in sevanja s širitvijo prostornine padla na nič. Toda pri temni energiji ta stopnja širjenja ostaja odvisna od gostote temne energije. Če bi bila na primer temna energija kozmološka konstanta, bi se hitrost širjenja izravnala na konstantno vrednost. Toda v tem primeru bi se posamezne galaksije, ki se oddaljujejo od nas, pospešile.
Predstavljajte si hitrost širjenja določene velikosti: 50 km / s / Mpc. Če je galaksija od nas oddaljena 20 Mpc, se zdi, da se od nas oddaljuje s hitrostjo 1000 km / s. Toda dajte ji čas in ko se vesoljska tkanina širi, bo ta galaksija sčasoma oddaljena od nas. Sčasoma bo dvakrat več: 40 Mpc, hitrost odstranjevanja pa 2000 km / s. Trajalo bo več časa in bo 10-krat dlje: 200 Mpc in hitrost odstranjevanja 10.000 km / s. Sčasoma se bo oddaljil na razdalji 6000 Mpc od nas in se oddaljil s hitrostjo 300.000 km / s, kar je hitreje od svetlobne hitrosti. Čim dlje mineva čas, hitreje se bo galaksija oddaljila od nas. Zato Vesolje »pospešuje«: hitrost širjenja se zmanjšuje, a hitrost ločevanja posameznih galaksij od nas samo raste.
Vse to se sklada z našimi najboljšimi meritvami: temna energija je konstantna gostota energije, ki je lastna vesolju samemu. Ko se prostor razteza, ostaja gostota temne energije konstantna in vesolje se bo končalo z "velikim zamrzovanjem", ko se bo vse, kar gravitacija ne veže skupaj (kot je naša lokalna skupina, galaksija, sončni sistem), razhajalo in razhajalo. Če je temna energija resnično kozmološka stalnica, se bo ta širitev nadaljevala v nedogled, dokler vesolje ne postane hladno in prazno.
Če pa je temna energija dinamična - kar je teoretično mogoče, vendar brez vidnih dokazov -, se lahko konča z velikim stiskanjem ali velikim razpokom. V Veliki kompresiji bo temna energija oslabela in postopoma spremenila širitev vesolja, tako da se bo začela krčiti. Obstaja lahko celo ciklično vesolje, kjer "stiskanje" povzroči nov Veliki pok. Če se temna energija okrepi, nas čaka drugačna usoda, ko bodo povezane strukture razdirane s postopno naraščajočo hitrostjo širjenja. Vendar danes vse kaže na to, da nas čaka Velika zamrznitev, ko se bo Vesolje za vedno razširilo.
Glavni znanstveni cilji prihodnjih opazovalnic, kot je ESA Euclid ali NASA WFIRST, vključujejo merjenje, ali je temna energija kozmološka konstanta. Medtem ko vodilna teorija govori v prid stalni temni energiji, je pomembno razumeti, da morda obstajajo možnosti, ki jih meritve in opazovanja ne izključujejo. Grobo rečeno, vesolje se lahko še vedno sesuje in to je mogoče. Potrebnih je več podatkov.
ILYA KHEL