- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию?

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 1
Для Большого отскока [1] требуется фаза повторного схлопывания (Большое сжатие), за которой следует расширение (новый Большой взрыв)

Одним из крупнейших прорывов XX века стало определение того, насколько на самом деле наша Вселенная богатая, обширная и массивная. В объёме радиуса порядка 46 млрд световых лет содержится примерно два триллиона галактик. Наша наблюдаемая Вселенная позволяет нам воссоздать всю историю нашей космической истории, протянувшуюся назад вплоть до Большого взрыва и даже, вероятно, немножечко дальше. А что насчёт будущего? Что насчёт судьбы Вселенной? Определённая ли она? Именно это и хочет знать наш читатель:

Вы писали, что Вселенная расширяется с замедляющейся скоростью. Я думал, что Нобелевскую премию выдали за открытие того, что Вселенная расширяется с ускорением. Можете ли вы уточнить ведущие теории? Есть ли среди возможностей Большое сжатие?

Лучшее предсказание будущего поведения находится в прошлом. Но как люди, так и Вселенная иногда могут нас удивить.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 2
После Большого взрыва Вселенная была почти идеально однородной, была заполнена материей, энергией и излучением и быстро расширялась. Эволюция Вселенной в любой момент определяется энергетической плотностью её содержимого.

Скорость расширения Вселенной в любой момент зависит только от двух вещей: общей плотности энергии, существующей в пространстве-времени и пространственной кривизны. Если мы понимаем законы гравитации и то, как разные типы энергии эволюционируют со временем, мы можем воссоздать, какой была скорость расширения в любой момент прошлого. Также мы можем изучить различные удалённые объекты, находящиеся на разных расстояниях от нас, и измерить, как сильно растянулся их свет из-за расширения пространства. Каждая галактика, сверхновая, облако молекулярного газа, и т.п. — всё, что поглощает или испускает свет — расскажет космическую историю того, как расширение пространства растянуло его с момента, когда он был испущен, и до момента, когда мы смогли его наблюдать.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 3
Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас из-за расширения, и тем более её свет испытывает красное смещение, из-за чего нам приходится смотреть во всё более и более длинных волнах.

Из различных независимых наблюдений мы смогли сделать вывод, из чего именно состоит Вселенная. Три крупных и независимых линии наблюдения — это:

  • Температурные флуктуации реликтового излучения, несущие в себе информацию о кривизне Вселенной, нормальной материи, тёмной материи, нейтрино и общей плотности содержимого.
  • Корреляция между галактиками на крупнейших масштабах — известная, как барионные акустические осцилляции — выдающая очень чёткие результаты измерений общей плотности материи, соотношение нормальной и тёмной материи, и изменение скорости расширения со временем.
  • И самые отдалённые и яркие стандартные свечи [2] Вселенной, сверхновые типа Ia, сообщающие нам скорость расширения и детали эволюции тёмной энергии.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 4
Стандартные свечи (L) и стандартные линейки ® — две различные техники, используемые астрономами для измерения расширения пространства на различных расстояниях и в различное время в прошлом

Все эти свидетельства вместе указывают на одно непротиворечивое изображение Вселенной. Они говорят нам о том, что есть во Вселенной сегодня, и дают нас космологию, в которой:

  • 4,9% энергии Вселенной заключено в нормальной материи (протоны, нейтроны, электроны).
  • 0,1% энергии находится в виде массивных нейтрино (ведущих себя в последние времена как материя, а в ранние — как излучение).
  • 0,01% энергии существует в виде излучения (фотоны).
  • 27% энергии заключено в тёмной материи.
  • 68% энергии находится в виде энергии, присущей самому пространству: тёмной энергии.

Они дают нам плоскую Вселенную, с кривизной в 0%, Вселенную без топологических дефектов (магнитных монополей, космических струн, доменных стен, космических текстур), и Вселенную с известной историей расширения.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 5
Относительная важность различных энергетических компонентов Вселенной в разное время в прошлом. В будущем тёмная энергия приблизится к 100% важности.

Уравнения, управляющие ОТО, в этом смысле весьма определённые: если мы знаем, из чего сегодня состоит Вселенная, а также законы гравитации, мы точно знаем, насколько важным был каждый из компонентов в любой точке прошлого. Сначала доминировали излучение и нейтрино. Миллиарды лет тёмная материя и нормальная материя были самыми важными составляющими. А в последние несколько миллиардов лет — и со временем ситуация будет только ухудшаться — тёмная энергия станет доминирующим фактором расширения Вселенной. Она заставляет Вселенную ускоряться, и именно тут у большинства людей начинается путаница.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 6
Варианты судьбы расширяющейся Вселенной. Обратите внимание на различия разных моделей в прошлом.

В связи с расширением Вселенной мы можем измерить две вещи: скорость расширения, и ту скорость, с которой отдельная галактика отдаляется от нас с нашей точки зрения. Эти параметры связаны, но не совпадают. Скорость расширения говорит о том, как растягивается ткань пространства-времени. Она всегда оценивается в скорости на единицу расстояния, обычно в километрах в секунду на мегапарсек, где мегапарсек — это 3,26 млн световых лет.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 7
Как материя (вверху), излучение (в середине) и космологическая константа развиваются со временем в расширяющейся Вселенной

Если бы не было тёмной энергии, со временем скорость расширения бы падала, приближаясь к нулю, поскольку плотность материи и излучения приближалась бы к нулю с увеличением объёма. Но при наличии тёмной энергии эта скорость расширения приближается к плотности тёмной энергии, какая бы она ни была. Если тёмная энергия, к примеру, является космологической константой, тогда скорость расширения асимптотически стремится к постоянному значению. Но если так, тогда скорость отдельных галактик, отдаляющихся от нас, будет увеличиваться.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 8
Удалённая галактика Маркарян 1018 [3] в оптическом диапазоне с наложением радиоданных (VLT [4])

Представим, что скорость расширения имеет определённую величину: 50 км/с/мпк. Если галактика расположена в 20 мпк от нас, тогда с нашей точки зрения она будет удаляться от нас со скоростью в 1000 км/с. Но со временем, когда ткань пространства расширится, эта галактика окажется дальше от нас. К тому времени, как она отдалится от нас на 40 мпк, её скорость удаления от нас будет равняться уже 2000 км/с. По прошествии ещё большего времени она будет от нас в десять раз дальше — на расстоянии 200 мпк, и будет удаляться от нас уже со скоростью 10 000 км/с. Ко времени, когда она отдалится на 6000 мпк, она будет удаляться от нас со скоростью в 300 000 км/с, быстрее скорости света. Но это будет продолжаться и далее; чем больше проходит времени, тем быстрее отдаляется от нас галактика. Именно это и имеется в виду под «ускоряющейся» Вселенной: скорость расширения уменьшается, но скорость удаления отдельных галактик растёт со временем.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 9
Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов проекта Hubble eXtreme Deep Field. Самое большое изображение удалённых частей Вселенной.

Всё это совпадает с лучшими нашими измерениями: тёмная энергия представляет собой постоянную плотность энергии, присущую пространству. С растяжением пространства плотность тёмной энергии остаётся постоянной, и Вселенная закончит своё существование в режиме Большой заморозки, в котором всё, что не связывает гравитация (она связывает, например, нашу местную группу галактик, нашу Галактику, Солнечную систему, и т.п.) разлетится в стороны друг от друга. Если тёмная энергия на самом деле окажется космологической константой, тогда расширение будет происходить вечно, и приведёт к холодной и пустой Вселенной.

Спросите Итана: может ли Вселенная всё-таки прийти к Большому сжатию? - 10
Когда астрономы впервые поняли, что Вселенная ускоряется, здравый смысл говорил, что она будет расширяться вечно. Однако пока мы не разберёмся в природе тёмной энергии получше, другие сценарии судьбы Вселенной остаются возможными. Они изображены на диаграмме: Большое сжатие, вечное расширение, Большой разрыв

Но если тёмная энергия меняется — теоретически это возможно, но не подтверждается наблюдениями — она может прийти и к Большому сжатию, и к Большому разрыву. В Большом сжатии тёмная энергия ослабится и поменяет знак, из-за чего Вселенная достигнет наибольшего размера, развернётся, и будет сжиматься. Она даже может породить цикличную Вселенную, когда сжатие порождает ещё один Большой взрыв. Если тёмная энергия будет увеличиваться, получится обратная ситуация, в которой связанные структуры в итоге будут разорваны увеличивающейся скоростью расширения. Но сегодняшние свидетельства уверенно поддерживают «Большую заморозку», в которой скорость расширения будет постоянной вечно.

Главные цели будущих обсерваторий, таких, как ike the Euclid, WFIRST, LSST включают измерения, которые подтвердят, действительно ли тёмная энергия является космологической константой. И хотя ведущая теория выступает в пользу постоянной тёмной энергии, важно рассматривать все возможности, не исключённые наблюдениями и измерениями. И пусть Большое сжатие выглядит маловероятным, его ещё не исключили. С появлением большего количества данных лучшего качества мы ещё можем обнаружить интересные намёки на то, что реальность ещё необычнее, чем большинство из нас предполагало!

Итан Сигель [5] – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy [6]], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology [7]].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы [8]

Автор: Вячеслав Голованов

Источник [9]


Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/nauchno-populyarnoe/270941

Ссылки в тексте:

[1] Большого отскока: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%BE%D1%82%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BA

[2] стандартные свечи: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B0_%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%B2_%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D0%B8

[3] Маркарян 1018: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B5%D0%BF%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B0_%D0%9C%D0%B0%D1%80%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%BD%D0%B0

[4] VLT: https://ru.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Telescope

[5] Итан Сигель: mailto:startswithabang@gmail.com

[6] Beyond The Galaxy: https://www.amazon.com/Beyond-Galaxy-Humanity-Discovered-Universe/dp/9814667161

[7] Treknology: https://www.amazon.com/Treknology-Science-Star-Tricorders-Drive/dp/0760352631

[8] если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы: https://geektimes.ru/post/295131/

[9] Источник: https://geektimes.ru/post/296485/?utm_campaign=296485