Может ли Большой Разрыв привести к новому Большому Взрыву?

Есть несколько вопросов, которые не дают нам спать по ночам, и они касаются конечной судьбы всего космоса. Звезды загораются, их заменяют новые, они тоже выгорают, и все повторяется, пока у Вселенной не закончится горючее. Галактики сольются и выбросят материю, а пространство между группами и скоплениями галактик будет расширяться вечно. Темная энергия приводит к тому, что это расширение не только неумолимо, но и ускоряется. Но таким ли будет конец? Может ли этот «большой разрыв» (когда все в итоге окажется на бесконечно удаленном расстоянии друг от друга) привести к новому «большому взрыву»? Когда Вселенная будет расширяться достаточно быстро, чтобы разорвать атомы и отделить от них кварки… Образуется ли кварк-глюонный суп?

На кону судьба Вселенной, как ни крути.

Что ждет Вселенную в конце?

Если посмотреть на далекую случайную галактику во Вселенной, высока вероятность, что вы увидите, что ее свечение более красное, чем у звезд, которые светятся в нашей галактике. Еще в 1920-х годах ученые обнаружили, что эта закономерность сохранялась в целом: чем дальше галактика вас, тем краснее ее свет. В контексте общей теории относительности, стало быстро понятно, что это связано с расширением самой ткани пространства с течением времени.

Следующим шагом было количественно рассчитать, насколько быстро расширяется Вселенная и как этот темп менялся со временем. Причина важности этого, с теоретической точки зрения, заключается в том, что история расширения Вселенной определяла то, что в ней находилось. Если вы хотите узнать, из чего состоит ваша Вселенная, на самых больших масштабах, измерение того, как Вселенная расширялась с течением космического времени, поможет вам.

Если ваша Вселенная наполнена веществом, вы будете ожидать, что скорость расширения будет падать пропорционально тому, как вещество будет разбавляться. Если она наполнена излучением, темп расширения будет падать еще больше, потому что излучение само по себе проходит красное смещение и теряет дополнительную энергию. Вселенная с пространственной кривизной, космическими струнами или энергией, присущей самому пространству, все так же будет развиваться по-другому, в зависимости от соотношений всех компонентов энергии.

Основываясь на полном наборе измерений, которые мы смогли осуществить, в том числе переменных звезд, галактик разных типов и свойств, и сверхновых типа Ia, а также космического микроволнового фона и кластеризации и корреляции галактик, мы смогли точно определить, из чего состоит Вселенная. В частности, она состоит на:

68% из темной энергии;
27% из темной материи;
4,9% из обычной материи;
0,09% нейтрино;
0,01% излучения.

Плюс-минус поправка на несколько десятых процента в каждом случае.

Наша Вселенная, в которой доминирует темная энергия, особенно интересна, потому что этого компонента во Вселенной не существовало, не говоря уж о его преобладании. И все же, мы здесь, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого Взрыва, живем во Вселенной, в которой темная энергия управляет расширением Вселенной.

Темную энергию окружает очень много вопросов. Какова ее природа? Откуда она берется? Постоянна она или меняется со временем? Окончательных ответов нет, но все указывает на то, что темная энергия — это космологическая постоянная. Другими словами, она ведет себя как новая форма энергии, присущей самому пространству. По мере расширения Вселенной, она создает новое пространство, которое содержит все то же однородное количество темной энергии.

Во всяком случае, это наше лучшее представление на текущий момент. С теоретической точки зрения существует несколько известных способов создания космологической постоянной, и поэтому данное объяснение — до тех пор, пока данные согласуются с ним — будет оставаться предпочтительным. Но нет причин, по которым темная энергия не может оказаться чем-то более сложным.

Она может быть чем-то, что размывается со временем, становясь все менее и менее плотным, пусть и немного. Она может быть чем-то, что меняет знак в далеком будущем и приводит к воссозданию Вселенной в Большом Сжатии. Она может быть также чем-то, что со временем становится сильнее, ускоряясь и расширяя Вселенную с течением времени. Именно этот вариант приводит к сценарию Большого Разрыва.

Когда мы говорим о какой-либо компоненте энергии во Вселенной, мы говорим о ее уравнении состояния, которое описывает, как она эволюционирует со временем во Вселенной. Астрофизики используют для этого параметр w, где w = 0 соответствует материи, w = 1/3 соответствует излучению, w = -1 соответствует космологической постоянной.

Темная энергия, по-видимому, имеет w= -1, но это не точно. К примеру, новая работа коллаборации Subaru Hyper Suprime-Cam, добавила новые ограничения уравнению состояния темной энергии. Хотя темная энергия весьма убедительно соответствует w = -1, есть также предположение, что она может быть еще более негативной. Если она на самом деле такова — если выяснится, что w < -1, а не равно -1 — тогда Большой Разрыв неизбежен.

Если же Большой Разрыв неизбежен, не только расширяющаяся Вселенная, но и далекие объекты будут ускоряться от нас все быстрее и быстрее с течением времени (из-за темной энергии). Но и объекты, которые держатся вместе за счет какой-либо фундаментальной силы, в конечном итоге будут разорваны увеличивающейся силой темной энергии.

Через много миллиардов лет в будущем наша локальная группа увидит, как звезды на окраинах будут выброшены в космос, поскольку отвяжутся гравитационно от нашей будущей далекой галактики: Млекомеды. С течением времени все больше и больше звезд будут выбрасываться наружу, пока не разрушатся структуры, которые известны нам как галактики, и не превратятся в собрание миллиардов несвязанных звезд и звездных трупиков.

С течением времени планеты будут выбрасываться из своих солнечных систем, поскольку темная энергия будет усиливаться, и затем даже сами планеты будут разорваны. В самые последние моменты, удерживаемые атомными и молекулярными силами объекты будут разорваны, электроны сорвутся со своих атомов, атомные ядра рассыпятся, и даже сами кварки будут разделены. А затем и они разорвутся.

Ждем ли нас новый Большой Взрыв?

Если Большой Разрыв — это корректная модель развития Вселенной, все во Вселенной будет сведено к самым фундаментальным составляющим, в чем-то сильно соответствуя первым этапам Большого Взрыва.

Однако эта кварк-глюонная плазма будет отличаться от той, что была во время Большого Взрыва. Во-первых, Большой Взрыв характеризуется горячим и плотным состоянием, а Большой Разрыв будет чрезвычайно холодным и рассредоточенным. Во-вторых, Большой Взрыв характеризуется тем, что вся материя и энергия во Вселенной сжата в крошечный объем пространства, но при Большом Разрыве они будут рассредоточены на триллионах световых лет. Кроме того, Большой Взрыв представляет состояние относительно низкой энтропии, но при Большом Разрыве энтропия будет в 1035 раз больше, чем при Большом Взрыве.

Но есть надежда.

Возможно, темная энергия, которая приведет к Большому Разрыву, сможет перезапустить Вселенную. Если сила темной энергии увеличивается, эта темная энергия присуща ткани самого пространства, а значит может быть полностью аналогична раннему периоду в истории нашей Вселенной, когда пространство расширялось с огромной скоростью: космической инфляции. Инфляция устраняет всю ранее существовавшую материю и энергию во Вселенной, оставляя после себя только ткань пространства. После периода инфляции энергия каким-то образом преобразуется в частицы, античастицы и излучение, что приводит к Большому Взрыву. Этот сценарий уже рассматривался раньше и известен как омоложенная Вселенная.

Если Большой Разрыв — истинный сценарий конца Вселенной, он просто разорвет всю материю на части и Вселенная будет очень пустой, но с огромным количеством энергии, присущей самому пространству. Если энергия будет очень большой, возможно, разорвется сама ткань пространства — но это уже совсем другой сценарий.