От Большого взрыва до наших дней Вселенная проходит через множество эпох. Темная энергия возвещает последнюю.
КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ
- От космической инфляции до состояния первичного супа из частиц и последующего расширения и остывания — Вселенная прошла через множество важных этапов нашей космической истории.
- Однако около 6 миллиардов лет назад в расширении Вселенной начала доминировать новая форма энергии: темная энергия, которая теперь определяет нашу космическую судьбу.
- Эпоха, в которой мы живем, когда темная энергия доминирует над расширением Вселенной, является последней, которую когда-либо испытает наша Вселенная. Вот почему мы уже переживаем начало окончательного конца.
Вселенная сегодня не та же, что была вчера. С каждым прошедшим мгновением происходит ряд тонких, но важных изменений, даже если многие из них незаметны в измеримых человеческих масштабах времени. Вселенная расширяется, а это значит, что расстояния между крупнейшими космическими структурами увеличиваются со временем.
Секунду назад Вселенная была немного меньше; через секунду Вселенная будет немного больше. Но эти тонкие изменения накапливаются в больших космических масштабах времени и влияют не только на расстояния. По мере расширения Вселенной изменяется относительная важность излучения, материи, нейтрино и темной энергии. Температура Вселенной меняется. И то, что вы увидите в небе, тоже кардинально изменится. В общем и целом, есть шесть различных эпох, на которые мы можем разбить Вселенную, и мы уже живем в последней из них.
Причину этого можно понять с помощью графика выше. Все, что существует в нашей Вселенной, имеет определенное количество энергии: материя, излучение, темная энергия и т. д. По мере расширения Вселенной объем, занимаемый этими формами энергии, изменяется, и каждая из них будет иметь свою плотность энергии, которая будет развиваться по-разному. В частности, если мы определим наблюдаемый горизонт переменной a , то:
- Плотность энергии материи будет меняться как 1/ a 3 , поскольку (для материи) плотность — это просто масса, деленная на объем, а массу можно легко преобразовать в энергию по формуле E = mc 2
- Плотность энергии излучения будет изменяться как 1/ a 4 , поскольку (для излучения) плотность числа представляет собой число частиц, деленное на объем, а энергия каждого отдельного фотона увеличивается по мере расширения Вселенной, добавляя дополнительный фактор 1/ a относительно материи.
- темная энергия является свойством самого пространства, поэтому ее плотность энергии остается постоянной (1/ a 0 ), независимо от расширения или объема Вселенной.
Вселенная, которая существовала дольше, следовательно, расширилась больше. Она будет холоднее в будущем и была горячее в прошлом; она была гравитационно более однородной в прошлом и более скомканной сейчас; она была меньше в прошлом и будет намного, намного больше в будущем.
Применяя законы физики к Вселенной и сравнивая возможные решения с полученными нами наблюдениями и измерениями, мы можем определить, откуда мы пришли и куда направляемся. Мы можем экстраполировать нашу историю вплоть до начала горячего Большого взрыва и даже раньше, до периода космической инфляции . Мы можем экстраполировать нашу нынешнюю Вселенную в далекое будущее и предвидеть окончательную судьбу, которая ждет все сущее.
Если провести разделительные линии на основе поведения Вселенной, то мы обнаружим, что наступит шесть различных эпох.
- Инфляционная эпоха : предшествовавшая Большому взрыву и ставшая его причиной.
- Эпоха Первичного бульона : от начала горячего Большого взрыва до финальных преобразующих ядерных и корпускулярных взаимодействий, происходящих в ранней Вселенной.
- Плазменная эра : от конца нерассеивающих ядерных и корпускулярных взаимодействий до того момента, когда Вселенная достаточно остынет, чтобы стабильно образовать нейтральную материю.
- Эпоха Темных веков : от образования нейтральной материи до полной реионизации межгалактической среды Вселенной первыми звездами и галактиками.
- Звездная эра : от окончания реионизации до прекращения гравитационного формирования и роста крупномасштабных структур, когда плотность темной энергии начинает преобладать над плотностью материи.
- Эпоха темной энергии : заключительный этап нашей Вселенной, где расширение ускоряется, а разъединенные объекты необратимо и бесповоротно удаляются друг от друга.
Мы уже вступили в эту последнюю эру миллиарды лет назад. Большинство важных событий, которые определят историю нашей Вселенной, уже произошли.
1.) Инфляционная эра . До горячего Большого взрыва Вселенная не была заполнена материей, антиматерией, темной материей или излучением. Она не была заполнена частицами любого типа. Вместо этого она была заполнена формой энергии, присущей самому пространству: формой энергии, которая заставляла Вселенную расширяться как чрезвычайно быстро, так и неуклонно, в экспоненциальной манере.
- Он растянул Вселенную, из той геометрии, которую она когда-то имела, в состояние, неотличимое от пространственно плоского.
- Он расширил небольшой, причинно-связанный участок Вселенной до размера, намного превышающего нашу нынешнюю видимую Вселенную: большего, чем текущий причинно-следственный горизонт.
- Все частицы, которые могли там присутствовать, расширили Вселенную так быстро, что ни одна из них не осталась внутри области размером с нашу видимую Вселенную.
- А квантовые флуктуации, возникшие во время инфляции, создали зародыши структур, которые дали начало нашей сегодняшней огромной космической паутине.
И затем, внезапно, около 13,8 млрд лет назад, инфляция закончилась. Вся эта энергия, когда-то присущая самому пространству, превратилась в частицы, античастицы и излучение. С этим переходом закончилась инфляционная эра и начался горячий Большой взрыв.
2.) Эпоха первичного бульона . Как только расширяющаяся Вселенная заполнится материей, антиматерией и излучением, она остынет. Всякий раз, когда частицы сталкиваются, они производят любые пары частица-античастица, разрешенные законами физики. Основное ограничение накладывается только на энергии столкновений, поскольку производство регулируется уравнением E = mc 2 .
ГЛАВНЫЕ НОВОСТИ
По мере того, как Вселенная остывает, энергия падает, и становится все труднее и труднее создавать более массивные пары частиц-античастиц, но аннигиляции и другие реакции частиц продолжаются безостановочно. Через 1-3 секунды после Большого взрыва вся антиматерия исчезает, оставляя только материю. Через три-четыре минуты после Большого взрыва может образоваться стабильный дейтерий, и происходит нуклеосинтез легких элементов. И после нескольких радиоактивных распадов и нескольких финальных ядерных реакций все, что у нас остается, — это горячая (но остывающая) ионизированная плазма, состоящая из фотонов, нейтрино, атомных ядер и электронов.
3.) Плазменная эра . Как только эти легкие ядра образуются, они становятся единственными положительно (электрически) заряженными объектами во Вселенной, и они повсюду. Конечно, они уравновешиваются равным количеством отрицательного заряда в форме электронов. Ядра и электроны образуют атомы, и поэтому может показаться вполне естественным, что эти два вида частиц немедленно найдут друг друга, образуя атомы и прокладывая путь для звезд.
К несчастью для них, их значительно превосходят по численности — более миллиарда к одному — фотоны. Каждый раз, когда электрон и ядро связываются вместе, появляется фотон с достаточно высокой энергией и разносит их в стороны. Только когда Вселенная резко остынет, от миллиардов градусов до всего лишь тысяч градусов, нейтральные атомы смогут, наконец, образоваться. (И даже тогда это возможно только из-за особого атомного перехода .)
В начале эры плазмы энергетическое содержание Вселенной определяется излучением. К концу в ней доминируют обычная и темная материя. Эта третья фаза переносит нас на 380 000 лет после Большого взрыва.
4.) Эпоха темных веков . Наконец-то заполненная нейтральными атомами, гравитация может начать процесс формирования структуры во Вселенной. Но со всеми этими нейтральными атомами вокруг то, что мы сейчас знаем как видимый свет, было бы невидимым по всему небу.
Почему? Потому что нейтральные атомы, особенно в форме космической пыли, отлично блокируют видимый свет.
Чтобы положить конец этим темным векам, межгалактическая среда должна быть реионизирована. Для этого требуется огромное количество звездообразования и огромное количество ультрафиолетовых фотонов, а для этого требуется время, гравитация и начало космической паутины. Первые крупные области реионизации происходят через 200–250 миллионов лет после Большого взрыва, но реионизация не завершается в среднем, пока Вселенной не исполнится 550 миллионов лет. На этом этапе скорость звездообразования все еще увеличивается, и первые массивные скопления галактик только начинают формироваться.
5.) Звездная эра . Когда темные века заканчиваются, Вселенная становится прозрачной для звездного света. Теперь доступны великие тайники космоса, со звездами, звездными скоплениями, галактиками, галактическими скоплениями и великой, растущей космической паутиной, которые ждут своего открытия. Во Вселенной доминируют, с точки зрения энергии, темная материя и обычная материя, а гравитационно связанные структуры продолжают расти все больше и больше.
Скорость звездообразования растет и растет, достигая пика примерно через 3 миллиарда лет после Большого взрыва. В этот момент новые галактики продолжают формироваться, существующие галактики продолжают расти и сливаться, а скопления галактик притягивают к себе все больше и больше материи. Но количество свободного газа внутри галактик начинает падать, поскольку огромное количество звездообразования израсходовало большую его часть. Медленно, но неуклонно скорость звездообразования падает.
С течением времени скорость звездной смертности будет опережать скорость рождаемости, что усугубляется следующим сюрпризом: по мере того, как плотность материи падает с расширением Вселенной, 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 ускоряться. Ускоряющаяся Вселенная уже наступила. Чуть позже, через 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва, темная энергия становится доминирующим компонентом энергии во Вселенной. В этот момент мы вступаем в последнюю эру.
6.) Век темной энергии . Когда темная энергия берет верх, происходит нечто странное: крупномасштабная структура во Вселенной перестает расти. Объекты, которые были гравитационно связаны друг с другом до захвата темной энергии, останутся связанными, но те, которые еще не были связаны к началу века темной энергии, никогда не станут связанными. Вместо этого они просто будут ускоряться друг от друга, ведя одинокое существование в огромном пространстве небытия.
Отдельные связанные структуры, такие как галактики и группы/скопления галактик, в конечном итоге сольются, образуя одну гигантскую эллиптическую галактику. Существующие звезды умрут; новое звездообразование замедлится до минимума и затем прекратится; гравитационное взаимодействие выбросит большую часть звезд в межгалактическую бездну. Планеты будут спиралевидно скатываться в свои родительские звезды или звездные остатки из-за распада под действием гравитационного излучения. Даже черные дыры с необычайно долгим сроком жизни в конечном итоге распадутся под действием излучения Хокинга.
В конце концов, останутся только черные карликовые звезды и изолированные массы, слишком малые для того, чтобы зажечь ядерный синтез, малонаселенные и оторванные друг от друга в этом пустом, постоянно расширяющемся космосе. Эти трупы в конечном состоянии будут существовать еще гуголы лет, сохраняясь, поскольку темная энергия остается доминирующим фактором в нашей Вселенной. Пока стабильные атомные ядра и сама ткань пространства не претерпят непредвиденных распадов, и пока темная энергия будет вести себя идентично космологической постоянной, которой она, по-видимому, является, эта судьба неизбежна.
Эта последняя эра, господства темной энергии, уже началась. Темная энергия стала важной для расширения Вселенной 6 миллиардов лет назад и начала доминировать над энергетическим содержанием Вселенной примерно в то время, когда зарождались наше Солнце и Солнечная система. Вселенная может иметь шесть уникальных стадий, но за всю историю Земли мы уже были на последней. Внимательно посмотрите на Вселенную вокруг нас. Она никогда больше не будет такой богатой — или такой легкодоступной.