UA
EN
RU
Вселенная проходит заключительную — шестую — стадию своей эволюции
Каждое живое существо на нашей планете рождается, взрослеет и умирает. Все эти законы действуют и за пределами Земли — звезды, солнечные системы и галактики тоже со временем погибают. А что на счет самой Вселенной? Что происходит с ней сейчас? Почему исследователи выделяют шесть этапов ее развития?
Процесс эволюции вселенной не приостанавливается ни на один день. Каждое мгновение в ней происходит ряд неуловимых, но важных изменений – пусть даже многие из них по нашим, человеческим меркам вообще незаметны. Вселенная расширяется, а это значит, что расстояния между гигантскими космическими объектами и структурами непрерывно увеличиваются.
Еще, буквально, секунду назад размеры вселенной были чуть меньше. Но, вот, секунда прошла и вселенная немного расширилась. Все эти едва уловимые изменения накапливаются на протяжении очень и очень долгого времени, в результате чего изменяются не только расстояния. Процесс расширения вселенной оказывает влияние также на характеристики излучения, материи, нейтрино и темной энергии. Температура вселенной меняется. Пройдет какое-то время и всё, что можно увидеть в ночном небе, также кардинально изменится. Эволюция вселенной насчитывает шесть стадий. Сейчас она проходит завершающую – шестую стадию.
Всё, что существует во вселенной, – материя, излучение, темная энергия и так далее – обладает определенной энергией. По мере расширения вселенной объем, занимаемый этими формами энергии, меняется, при этом, плотность каждой из них изменяется по-разному. В частности, если обозначить космологический горизонт [т.е. горизонт, в пределах которого только и возможны наблюдения – прим.перев.] переменной “а”, то:
- плотность энергии материи будет изменяться как 1/a3, поскольку (в случае материи) плотность – это просто отношение массы к объему, а массу можно легко преобразовать в энергию по формуле E = mc2;
- плотность энергии излучения будет изменяться как 1/a4, поскольку (в случае излучения) концентрация частиц равна числу частиц, деленному на объем, а энергия каждого отдельного фотона увеличивается по мере расширения вселенной, в результате чего (по сравнению с материей) прибавляется дополнительный коэффициент 1/a;
- темная энергия является свойством самого пространства, поэтому плотность ее энергии остается постоянной (1/a0), вне зависимости от расширения вселенной или ее объема.
Следовательно, чем дольше вселенная существует, тем больше ей придется расширяться. В прошлом она была жаркой, но впоследствии станет охлаждаться. В прошлом, благодаря гравитации, она была более однородной, однако теперь в ней все больше и больше выделяются отдельные структуры-сгустки. В прошлом ее размеры были меньше, а в будущем они сильно увеличатся.
Если посмотреть, как именно законы физики действуют во вселенной, а затем сравнить теоретические выкладки, описывающие вселенную, с реальными результатами наблюдений, то это нам позволит, наконец, понять, откуда мы идем и куда направляемся. Мы сможем проследить историю вселенной, начиная с эпохи Большого взрыва (а, быть может, и раньше) и вплоть до эпохи космической инфляции. Мы также сможем спрогнозировать далекое будущее нашей сегодняшней вселенной и предсказать окончательную судьбу, которая уготована всему сущему.
С учетом тех изменений, которые претерпевает вселенная в ходе своей эволюции, можно выделить шесть разных эпох.
1. Инфляционная эра: она предшествовала горячему Большому взрыву и, в конце концов, привела к нему.
2. Эпоха "первичного бульона": она длилась от момента начала горячего Большого взрыва до окончательных трансформирующих взаимодействий между ядрами и частицами, имевшими место в ранней вселенной.
3. Эпоха плазмы: она длилась с момента окончания этапа, на котором проявлялись не рассеивающие взаимодействия ядер и частиц, до того момента, пока вселенная в достаточной степени не остыла, чтобы затем в устойчивом порядке образовать нейтральную материю.
4. Эпоха "темных веков": с момента образования нейтральной материи до полной ре-ионизации межгалактической среды вселенной первыми звездами и галактиками.
5. Эра звезд: от окончания этапа ре-ионизации до прекращения гравитационного формирования и прекращения роста крупномасштабных структур, когда плотность темной энергии начинает преобладать над плотностью вещества.
6. Эпоха темной энергии: заключительный этап эволюции вселенной, когда расширение ускоряется, а разъединенные объекты безвозвратно и необратимо удаляются друг от друга.
Несколько миллиардов лет назад вселенная уже вступила в эту последнюю эру своей эволюции – большинство важных событий, которые определяют историю нашей вселенной, уже произошли.
1.) Инфляционная эпоха. До вспышки горячего Большого взрыва вселенная еще не была заполнена материей, антиматерией, темной материей или излучением. Кроме того, она не была заполнена частицами любого вида. Вместо этого вселенная была наполнена некой формой энергии, присущей самому пространству – той формой энергии, которая заставляла вселенную расширяться чрезвычайно быстрыми темпами.
Произошло растяжение вселенной: из первоначальной конфигурации, какой бы она ни была, вселенная эволюционировала до состояния, неотличимого от пространственно плоского.
Небольшой, причинно связанный участок вселенной расширился до размеров гораздо больших, чем наша нынешняя видимая вселенная – до размеров, превосходящих нынешний причинный горизонт.
Элементарные частицы любого вида, которые могли тогда присутствовать, привели к расширению вселенной настолько быстро, что ни одна из них не осталась внутри области размером с нашу видимую Вселенную. И квантовые флуктуации, происходившие во время инфляции, создали зачатки структуры, которые к сегодняшнему дню превратились в гигантскую космическую сеть.
А затем внезапно, примерно 13,8 миллиарда лет назад, эпоха инфляции закончилась. Вся энергия, некогда присущая пространству как таковому, превратилась в частицы, античастицы и излучение. С этим превращением закончилась инфляционная эра и начался горячий Большой взрыв.
2.) Эпоха "первичного бульона". Как только расширяющаяся Вселенная заполнилась материей, антиматерией и излучением, она стала остывать. Всякий раз, когда частицы начинают сталкиваться между собой, они по законам физики производят пары "частица-античастица". Основное ограничение исходит только от энергии столкновений, что определяется формулой E = mc2.
По мере остывания вселенной ее энергия резко снижается, при этом более массивным парам частица-античастица появиться сложнее, однако процессы уничтожения и другие реакции частиц продолжаются. Через 1–3 секунды после Большого взрыва вся антиматерия исчезает, остается только материя. Через три-четыре минуты после Большого взрыва может появиться стабильный дейтерий и начаться процесс нуклеосинтеза легких элементов. И после серии радиоактивных распадов и нескольких финальных ядерных реакций остается горячая (но остывающая) ионизированная плазма, состоящая из фотонов, нейтрино, атомных ядер и электронов.
3.) Эпоха плазмы. После того, как эти легкие ядра сформировались, они становятся единственными положительно (электрически) заряженными объектами во Вселенной, – они повсюду. Конечно, они уравновешиваются равным количеством отрицательного заряда в виде электронов. Ядра и электроны образуют атомы, поэтому может показаться вполне естественным, что эти два вида частиц немедленно найдут друг друга, образуя атомы и обуславливая появление звезд.
Количество фотонов значительно меньше (соотношение более чем миллиард к одному). Каждый раз, когда электрон и ядро соединяются вместе, появляется фотон достаточно высокой энергии и разрывает их на части. Только когда Вселенная резко остынет – с нескольких миллиардов до нескольких тысяч градусов – наконец-то, могут сформироваться нейтральные атомы. (И даже тогда этот процесс возможен только благодаря особому атомному переходу.)
Во вселенной в начале эпохи плазмы преобладало излучение как единственная энергетическая составляющая. Но, в конце концов, в нем стали преобладать нормальная и темная материя. Эта третья фаза относится нас к эпохе, отстоящей от Большого взрыва на 380 тысяч лет.
4.) Эпоха "темных веков". В эту эпоху происходит заполнение нейтральными атомами и в результате, наконец, гравитация может начать во Вселенной процесс структурообразования. Но если бы оставались только все эти нейтральные атомы, то видимый свет, был бы невидим. Почему? Потому что нейтральные атомы, особенно в виде космической пыли, превосходно блокируют видимый свет.
Чтобы положить конец "темным векам", межгалактическую среду необходимо было ре-ионизировать. Для этого нужны были следующие условия: более мощный процесс звездообразования и наличие огромного количества ультрафиолетовых фотонов, а для этого необходимы также время, гравитация и запуск процесса формирования так называемой "космической паутины". Первые крупные области реионизации появляются через 200–250 миллионов лет после Большого взрыва, но в среднем реионизация не завершается до тех пор, пока возраст вселенной не достигнет 550 миллионов лет. К тому моменту скорость звездообразования все еще увеличивается, и первые массивные скопления галактик только начинают формироваться.
5.) Эра звезд. Как только "темные века" закончились, вселенная становится прозрачной для звездного света. Теперь доступны отдаленные районы космоса и находящиеся там звезды, звездные скопления, галактики, скопления галактик и огромная растущая "космическая паутина". В энергетическом отношении во вселенной преобладают темная материя и обычная материя, а гравитационно-связанные структуры продолжают все больше и больше разрастаться.
Непрерывно возрастает и скорость звездообразования, достигнув своего пика примерно через 3 миллиарда лет после Большого взрыва. В этот момент продолжают формироваться новые галактики; при этом, уже существующие к тому моменту галактики продолжают расти и сливаться друг с другом, а скопления галактик – начинают притягивать к себе все больше и больше материи. Но количество свободного газа в галактиках начинает уменьшаться, поскольку значительное его количество уже было израсходовано во время интенсивного звездообразования. Медленно, но непрерывно падает интенсивность звездообразования.
Со временем, образно говоря, звездная смертность начинает опережать рождаемость, и данный процесс лишь усугубляется следующим неожиданным фактом: по мере того, как вместе с расширением Вселенной резко уменьшается плотность материи, начинает появляться и доминировать новая форма энергии — темная энергия. Примерно через 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва далекие галактики перестают замедляться в своем удалении друг от друга и снова начинают двигаться с ускорением. Мы наблюдаем ускоряющуюся вселенную. Чуть позже, через 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва, темная энергия становится преобладающей формой энергии во вселенной. В этот момент начинается последняя стадия эволюции вселенной.
6.) Эпоха темной энергии. Как только темная энергия становится преобладающей формой энергии, начинает происходить нечто странное: вся гигантская структура Вселенной перестает расти. Объекты, которые были гравитационно связаны друг с другом до появления темной энергии, так и останутся связанными, но те, которые еще не были связаны к началу эпохи темной энергии, никогда уже связанными не станут. Вместо этого они будут просто ускоряться, удаляясь друг от друга и существуя в одиночестве на огромном пространстве небытия.
Отдельные связанные структуры, такие как галактики и группы/скопления галактик, в конечном итоге сольются в одну гигантскую эллиптическую галактику. Существующие звезды умрут; образование новых звезд очень сильно замедлится, а затем и вовсе остановится; из-за гравитационных взаимодействий произойдет выброс большинства звезд в межгалактическую бездну. Из-за процессов распада под действием гравитационного излучения планеты будут превращаться в родительские звезды или звездные остатки. Даже черные дыры с необычайно долгим временем жизни в конечном итоге станут распадаться под действием излучения Хокинга.
В конечном итоге, в этом пустынном, непрерывно расширяющемся космическом пространстве останутся только черные карлики и отдельные массы, слишком небольшие для запуска ядерного синтеза, практически необитаемые и разъединенные друг с другом. Эти трупы, появившиеся на финальной стадии, будут существовать еще в течение астрономически долгого времени до тех пор, пока во вселенной будет доминировать темная энергия. Пока стабильные атомные ядра и вся структура пространства не претерпевают непредвиденных распадов, и пока темная энергия ведет себя идентично космологической постоянной, описанная выше судьба неминуема.
И эта последняя эра господства темной энергии уже началась. 6 миллиардов лет назад темная энергия стала важным фактором расширения вселенной, и она начала доминировать в энергетическом контексте вселенной примерно в те времена, когда зарождались наше Солнце и Солнечная система. Эволюция вселенной, возможно, включает шесть стадий, но вся история Земли укладывается в последнюю. Внимательно рассмотрите вселенную вокруг нас: она никогда больше не будет столь же богатой… или легкодоступной.
Оригинал статьи - https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-final-era/
