Yksi 1900-luvun tärkeimmistä saavutuksista oli tarkka määritelmä siitä, kuinka suuri, laaja ja massiivinen universumimme on. Noin kahden biljoonan galaksin ollessa suljettuina 46 miljardin valovuoden säteen säteellä havaittavissa oleva maailmankaikkeutemme antaa meille mahdollisuuden rekonstruoida koko kosmosemme historia, aina Isoon paukkuun asti ja ehkä jopa hieman aikaisemmin. Mutta entä tulevaisuus? Millainen maailmankaikkeus on? Onko se?
Joku sanoo, että maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu. Nobel-palkinto myönnettiin "havainnosta", jonka mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen on lisääntymässä. Mutta kuka on oikeassa? Voisiko maailmankaikkeus romahtaa eräänä päivänä niin sanotun suuren puristuksen (käänteisesti alkuräjähdykseen) prosessin aikana?
Tulevaisuuden käyttäytyminen ennustetaan parhaiten aikaisemman käyttäytymisen perusteella. Mutta aivan kuten ihmiset voivat joskus yllättää meidät, myös maailmankaikkeus voi.
Universumin laajenemisnopeus tiettynä ajankohtana riippuu vain kahdesta tekijästä: avaruusaikassa esiintyvästä kokonaisenergiatiheydestä ja läsnä olevan avaruuden kaarevuuden määrästä. Jos ymmärrämme painovoiman lait ja kuinka erilaiset energiatyypit kehittyvät ajan myötä, voimme rekonstruoida kaiken, mitä tapahtui tietyssä menneisyyden vaiheessa. Voimme myös tarkastella erilaisia kaukaisia esineitä eri etäisyyksillä ja mitata, kuinka valo venytetään avaruuden laajenemisen vuoksi. Jokainen galaksi, supernova, molekyylikaasupilvi ja vastaavat - kaikki, mikä absorboi tai emittoi valoa - kertovat kosmisen tarinan siitä, kuinka avaruuden laajeneminen venytti sen ulos hetkestä, jolloin valo syntyi, siihen hetkeen, kun havaitsimme sen.
Erilaisten itsenäisten havaintojen perusteella pystyimme päättelemään, mistä universumi itse koostuu. Teimme kolme suurta itsenäistä havaintoketjua:
- Kosmisessa mikroaaltotaustassa on lämpötilan vaihteluita, jotka koodaavat tietoa maailmankaikkeuden kaarevuudesta, normaaliaineesta, pimeästä aineesta, neutriinoista ja kokonaistiheydestä.
- Suurimpien asteikkojen galaksien väliset korrelaatiot, jotka tunnetaan nimellä bariooniset akustiset värähtelyt, tarjoavat erittäin tarkat mittaukset aineen kokonaistiheydestä, normaalin aineen ja tumman aineen suhteesta ja siitä, kuinka laajenemisnopeus on muuttunut ajan myötä.
Mainosvideo:
Ja kaikkein kaikkein kaukaisimmat, hehkuvat kynttilät, tyypin Ia supernovat, kertovat meille laajenemisnopeudesta ja pimeästä energiasta, kuinka ne ovat muuttuneet ajan myötä.
Nämä todisteiden ketjut yhdessä muodostavat yhtenäisen kuvan maailmankaikkeudesta. He kertovat meille, mikä on modernissa maailmankaikkeudessa, ja antavat meille kosmologian, jossa:
- 4,9% maailmankaikkeuden energiasta edustaa normaaliainetta (protonit, neutronit ja elektronit);
- 0,1% maailmankaikkeuden energiasta on massiivisten neutriinojen muodossa (jotka toimivat aineina viime aikoina ja toimivat säteilynä varhaisina aikoina);
- 0,01% maailmankaikkeuden energiasta on säteilyn muodossa (kuten fotonit);
- 27% maailmankaikkeuden energiasta on pimeän aineen muodossa;
- 68% energiasta on luontaista avaruuteen: tumma energia.
Kaikki tämä antaa meille tasaisen maailmankaikkeuden (jonka kaarevuus on 0%), maailmankaikkeuden, jossa ei ole topologisia vikoja (magneettiset monopolit, kosmiset jouset, domeeniseinät tai kosmiset tekstuurit), maailmankaikkeuden, jolla on tunnettu laajenemishistoria.
Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt ovat tässä mielessä hyvin deterministisiä: jos tiedämme, mistä maailmankaikkeus koostuu tänään, ja painovoiman lait, tiedämme tarkalleen, kuinka tärkeitä kukin komponentti oli kullakin yksittäisellä aikavälillä aiemmin. Alussa säteily ja neutriinot hallitsivat. Miljardien vuosien ajan tärkeimmät komponentit olivat pimeä aine ja normaali aine. Viimeisen miljardin vuoden aikana - ja tämä pahenee ajan myötä - pimeästä energiasta on tullut hallitseva tekijä maailmankaikkeuden laajentumisessa. Tämä saa maailmankaikkeuden kiihtymään, ja siitä hetkestä lähtien monet ihmiset lakkaavat ymmärtämästä, mitä tapahtuu.
Maailmankaikkeuden laajentumisen suhteen voimme mitata kahta asiaa: laajenemisnopeus ja nopeus, jolla yksittäiset galaksit menevät näkökulmastamme perspektiiviin. Ne ovat sukulaisia, mutta ne ovat edelleen erilaisia. Laajentumisnopeus toisaalta puhuu siitä, kuinka avaruuden kangas venyy ajan myötä. Se määritellään aina nopeudeksi matkan yksikköä kohti, joka yleensä ilmaistaan kilometreinä sekunnissa (nopeus) / megaparsekunti (etäisyys), missä megaparsekki on noin 3,26 miljoonaa valovuotta.
Jos pimeää energiaa ei olisi, laajenemisnopeus laskisi ajan myötä lähestyessään nollaa, koska aineen ja säteilyn tiheys putoaisi nollaan tilavuuden kasvaessa. Mutta pimeällä energialla tämä laajenemisnopeus riippuu edelleen pimeän energian tiheydestä. Jos esimerkiksi pimeä energia olisi kosmologinen vakio, laajenemisnopeus tasaantuu vakiona. Mutta tässä tapauksessa yksittäiset galaksit, jotka siirtyvät meistä, kiihtyisivät.
Kuvittele tietyn suuruuden laajenemisnopeus: 50 km / s / Mpc. Jos galaksi on 20 Mpc: n päässä meistä, se näyttää vetäytyvän meiltä nopeudella 1000 km / s. Mutta anna sille aikaa, ja avaruuden kudoksen laajentuessa tämä galaksi on lopulta kauempana meistä. Ajan myötä se on kaksinkertainen: 40 Mpc ja poistonopeus on 2000 km / s. Se vie enemmän aikaa, ja se on 10 kertaa kauempana: 200 Mpc ja poistonopeus 10000 km / s. Ajan myötä se siirtyy meistä 6000 Mpc: n etäisyydelle ja siirtyy 300 000 km / s nopeudella, joka on nopeampi kuin valon nopeus. Mitä kauemmin aika kuluu, sitä nopeammin galaksi siirtyy meistä pois. Siksi maailmankaikkeus "kiihtyy": laajenemisnopeus vähenee, mutta yksittäisten galaksien erottamisen nopeus meistä vain kasvaa.
Kaikki tämä on sopusoinnussa parhaiden mittaustemme kanssa: pimeä energia on vakio energiatiheys, joka on luontainen avaruudelle. Avaruuden venyttyä pimeän energian tiheys pysyy vakiona, ja maailmankaikkeus päättyy "suureen jäätymiseen", jolloin kaikki, mitä painovoima ei sido (kuten paikallinen ryhmä, galaksi, aurinkokunta), eroavat toisistaan. Jos pimeä energia on todella kosmologinen vakio, tämä laajeneminen jatkuu loputtomiin, kunnes maailmankaikkeus tulee kylmäksi ja tyhjäksi.
Mutta jos pimeä energia on dynaamista - mikä on teoriassa mahdollista, mutta ilman havaittavia todisteita - se voi päättyä isoon puristukseen tai isoon rippaukseen. Suuressa puristuksessa pimeä energia heikkenee ja kääntää asteittain maailmankaikkeuden laajenemisen niin, että se alkaa supistua. Saattaa olla jopa syklinen maailmankaikkeus, jossa "puristus" saa aikaan uuden Big Bangin. Jos pimeä energia kasvaa vahvemmaksi, meitä odottaa toinen kohtalo, kun vähitellen kasvava laajenemisnopeus hajottaa liitetyt rakenteet. Kuitenkin tänään kaikki osoittaa, että suuri jäätyminen odottaa meitä, kun maailmankaikkeus laajenee ikuisesti.
Tulevien observatorioiden, kuten ESA: n Euclidin tai NASAn WFIRSTin, tärkeimmät tieteelliset tavoitteet sisältävät sen mittaamisen, onko pimeä energia kosmologinen vakio. Ja vaikka johtava teoria puhuu jatkuvan pimeän energian puolesta, on tärkeää ymmärtää, että voi olla mahdollisuuksia, joita mittaukset ja havainnot eivät sulje pois. Karkeasti sanottuna maailmankaikkeus voi silti romahtaa, ja tämä on mahdollista. Tarvitaan lisää tietoja.
ILYA KHEL