Kun tarkastellaan nykypäivän universumiamme, on erittäin helppo olla ilahtunut näkemästäsi. Yötaivaan tähdet ovat vain pieni murto-osa, muutama tuhat sadasta miljardeista siitä, mikä on meidän Linnunrataamme. Linnunrata itsessään on vain yksi biljoonista galakseista, joita esiintyy havaittavissa olevassa maailmankaikkeudessa, joka ulottuu kaikkiin suuntiin noin 46 miljardia valovuotta. Ja kaikki alkoi noin 13,8 miljardia vuotta sitten kuumasta, tiheästä, nopeasti kasvavasta tilasta, joka tunnetaan nimellä Big Bang.
Suuresta räjähdyksestä saamme tilaisuuden kuvata maailmankaikkeutta täynnä ainetta ja säteilyä ja yhdistää tunnetut fysiikan lait, jotka selittävät kosmoksen nykyaikaisen muodon. Mutta maailmankaikkeus kasvaa edelleen. Uusia tähtiä ilmestyy, avaruus kehittyy. Kuinka se loppuu? Kysymme tiedettä.
Mikä on maailmankaikkeuden loppu
Kauan aikaa maailmankaikkeuden rakennetta ja evoluutiota tutkineet tutkijat ovat pohtineet kolmea mahdollisuutta, jotka perustuvat yksinkertaiseseen yleisen suhteellisuussuhteen fysiikkaan ja maailmankaikkeuden laajenemisen kontekstiin. Toisaalta painovoima vetää aktiivisesti kaiken yhteen; se on houkutteleva voima, jota aine ja energia hallitsevat kaikissa muodoissaan, jotka ovat universumissa. Toisaalta on olemassa alkuperäinen laajentumisnopeus, joka vetää kaiken irti.
Big Bang oli laukaus, jonka jälkeen kaikkien aikojen suurin kilpailu alkoi: painovoiman ja maailmankaikkeuden laajenemisen välillä. Kuka voittaa lopulta? Vastaus tähän kysymykseen määrittelee maailman kohtalomme.
Ajattelimme, että universumilla on nämä vaihtoehdot:
Mainosvideo:
- Universumi romahtaa suuressa pakkauksessa. Laajeneminen alkaa nopeasti ja suuret määrät ainesta ja säteilyä repeytyvät. Jos ainetta ja energiaa on enemmän kuin tarpeeksi, maailmankaikkeus laajenee tiettyyn maksimikokoon, laajeneminen kääntää supistumisen ja maailmankaikkeus romahtaa uudelleen.
- Universumi laajenee ikuisesti ja johtaa Suurten jäätymisten juureen. Kaikki alkaa samalla tavalla kuin yllä, mutta tällä kertaa aineen ja energian määrä ei riitä vastustamaan laajentumista. Universumi laajenee ikuisesti, kun laajenemisnopeus laskee edelleen, mutta ei koskaan saavuta nollaa.
- Universumin laajentuminen taipuu asymptoottisesti nollaan. Kuvittele rajaympäristö kahden edellä olevan esimerkin välillä. Vielä yksi protoni - ja me romahtamme; yksi vähemmän - laajennamme äärettömästi. Tässä kriittisessä tapauksessa maailmankaikkeus laajenee ikuisesti, mutta mahdollisimman pienellä nopeudella.
Jotta voitaisiin selvittää mikä vaihtoehto on oikea, meidän piti vain mitata kuinka nopeasti maailmankaikkeus kasvaa ja kuinka laajentumisnopeus muuttui ajan myötä. Loppuosa on fysiikan asia.
Tämä on ollut nykyään yksi suurimmista astrofysiikan haasteista. Mittaa nopeus, jolla maailmankaikkeus laajeni, ja selvitä kuinka avaruuden kangas muuttuu tänään. Mittaa, kuinka laajentumisnopeus on muuttunut ajan myötä, ja selvitä kuinka tilan kangas on muuttunut aiemmin.
Yhdistä nämä kaksi tietoa ja kuinka laajenemisnopeus on muuttunut ja mikä se oli, voit määrittää, mistä maailmankaikkeus on tehty ja missä suhteissa.
Sikäli kuin tiedämme, näiden mittausten perusteella määrittelimme, että maailmankaikkeus koostuu 0,01% säteilystä, 0,1% neutriinoista, 4,9% tavallisesta aineesta, 27% tummasta aineesta, 68% tummasta energiasta. Tämä tavoite, joka joillekin alkoi jo 1920-luvulla, sai odottamattoman vastauksen 1990-luvun lopulla.
Joten jos tumma energia hallitsee maailmankaikkeuden laajenemista, mitä tämä tarkoittaa kohtalollemme? Kaikki riippuu siitä, kuinka - tai jos - tumma energia kehittyy ajan myötä. Tässä on viisi vaihtoehtoa.
Tumma energia on kosmologinen vakio, joka hallitsee laajentumista. Tämä on oletus ja ottaa huomioon parhaat tietomme. Vaikka aine tulee vähemmän tiheäksi maailmankaikkeuden laajentuessa, laimentuessa tilavuuden laajentuessa, pimeä energia edustaa nolla-määrää energiaa, joka sisältyy itse avaruuden kankaaseen. Universumin laajentuessa tumman energian tiheys pysyy vakiona, mikä saa aikaan sen, että laajeneminen pysyy aina positiivisena.
Tämä johtaa eksponentiaalisesti laajenevaan maailmankaikkeuteen ja ajaa lopulta kaiken, mikä ei kuulu paikalliseen ryhmäämme. Jo 97% näkyvästä maailmankaikkeudesta on saavuttamaton tällaisissa olosuhteissa.
Tumma energia on dynaaminen ja muuttuu voimakkaammaksi ajan myötä. Tumma energia näyttää olevan uusi energiamuoto, joka on ominaista avaruuteen itselleen, mikä tarkoittaa, että sillä on vakioenergian tiheys. Mutta se voi myös muuttua ajan myötä. Yksi mahdollisista tavoista muuttaa on, että se kasvaa vähitellen, mikä johtaa maailmankaikkeuden laajentumisnopeuden kiihtymiseen.
Etäobjektit eivät vain liiku meistä, vaan myös tekevät sen nopeammin. Pahempaa, esineet, jotka ovat nyt sidoksissa painovoimaan - kuten galaksien ryhmät, yksittäiset galaksit, aurinkokunnat ja jopa atomit - kytkeytyvät yhtenä päivänä pimeän energian kovettuessa. Universumin olemassaolon viimeisinä hetkinä subatomiset hiukkaset ja itse avaruus-ajan kangas revitään. Tämä kohtalo - Big Rip - on toinen vaihtoehto.
Tumma energia on dynaamista ja heikkenee ajan myötä. Kuinka muuten tumma energia voi muuttua? Vahvistamisen sijaan se voi heikentyä. Laajenemisnopeus on tietysti sopusoinnussa itse avaruuteen kuuluvan vakioenergian määrän kanssa, mutta myös tämä energiatiheys voi vähentyä.
Jos se heikkenee nollaan, kaikki tulee yhteen edellä kuvatuista mahdollisuuksista: Suuri jäätyminen. Universumi laajenee, mutta ilman tarpeeksi ainetta ja muita energiamuotoja sen romahtamiseksi uudelleen.
Jos rappeutuminen muuttuu negatiiviseksi, se voi johtaa toiseen mahdollisuuteen: Suuri kutistuminen. Universumi täyttyy avaruuteen liittyvällä energialla, joka muuttuu yhtäkkiä merkkeihin ja aiheuttaa tilan supistumisen. Tämä vaihtoehto on myös mahdollista.
Tumma energia muuttuu toiseksi energiamuodoksi, joka nuorentaa maailmankaikkeutta. Jos tumma energia ei hajoa, vaan pysyy vakiona tai jopa voimistuu, syntyy toinen mahdollisuus. Tämä avaruuden kankaalle ominainen energia ei aina välttämättä pysy tässä muodossa. Sen sijaan se voi muuttua materiaaliksi ja säteilyksi, samanlainen kuin mitä se oli, kun kosminen inflaatio päättyi ja Big Bang alkoi.
Jos pimeä energia pysyy vakiona tähän pisteeseen saakka, se luo hyvin, erittäin kylmän ja hajanaisen version hehkuvasta Big Bangista, jossa vain neutriinot ja fotonit voivat luoda itsensä. Mutta jos pimeän energian voimakkuus kasvaa, se voi johtaa inflaation kaltaiseen tilaan, jota seuraa uusi, todella kuuma kuuma Big Bang. Tämä on helpoin tapa uudistaa maailmankaikkeus annettujen parametrien avulla.
Tumma energia liittyy kvantti tyhjiön nollaenergiaan ja hajoaa tuhoamalla maailmankaikkeuden. Tämä on tuhoisin mahdollisuus kaikista. Entä jos pimeä energia ei ole todellista tyhjän tilan määrää pienimmissä energiakonfiguraatioissa, mutta johtuu varhaisen maailmankaikkeuden symmetrioista, kun ne olivat väärässä minimikonfiguraatiossa?
Jos niin, on oltava tapa luoda kvantitunneli alemman energian tilaan muuttamalla fysiikan lakeja ja eliminoimalla kaikki nykyiset kvantikenttien sitoutuneet tilat (ts. Partikkelit). Jos kvantti tyhjiö on epävakaa tässä mielessä, niin missä tahansa tämä rappeutuminen tapahtuu, seurauksena on maailmankaikkeuden kaiken tuhoaminen kuplan kautta, joka etenee valon nopeudella. Jos tällainen signaali saavuttaa meille, myös me loppumme.
Vaikka emme tiedä, mitkä näistä mahdollisuuksista pätevät universumillemme, tiedot äänestävät vain kiihkeästi ensimmäisen vaihtoehdon puolesta: tumma energia on todellakin vakio. Juuri nyt havainnomme siitä, miten maailmankaikkeus on kehittynyt - etenkin kosmisen mikroaaltosäteilysäteilyn ja maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteen ansiosta - asettavat ankarat rajat sille, kuinka paljon heilahtelua tilaa pimeän energian muuttamiselle.
Ilja Khel