Vienas svarbiausių XX a. Pasiekimų buvo tikslus apibrėžimas, kokia didelė, plati ir masyvi yra mūsų visata. Su maždaug dviem trilijonais galaktikų, uždarytų 46 milijardų šviesmečių tūrio spinduliu, mūsų stebima visata leidžia mums rekonstruoti visą mūsų kosmoso istoriją iki pat Didžiojo sprogimo ir gal net šiek tiek anksčiau. Bet kaip su ateitimi? Kokia bus visata? Ar tai bus?
Kažkas sako, kad visatos plėtimasis lėtėja. Nobelio premija buvo paskirta už „atradimą“, kad visatos plėtimasis vis didėja. Bet kas teisus? Ar gali Visata vieną dieną žlugti vadinamojo Didžiojo suspaudimo (atvirkštinio Didžiojo sprogimo) procese?
Ateities elgesys geriausiai nuspėjamas remiantis praeities elgesiu. Bet kaip žmonės kartais gali mus nustebinti, taip gali padaryti ir Visata.
Visatos plėtimosi greitis tam tikru momentu priklauso tik nuo dviejų veiksnių: bendro energijos tankio, egzistuojančio erdvėje-laike, ir esamo erdvės kreivumo kiekio. Jei suprastume traukos dėsnius ir tai, kaip bėgant laikui vystosi skirtingos energijos rūšys, galime rekonstruoti viską, kas įvyko tam tikru praeities momentu. Taip pat galime pažvelgti į skirtingus tolimus objektus skirtingais atstumais ir išmatuoti, kaip šviesa yra ištempta dėl erdvės išsiplėtimo. Kiekviena galaktika, supernova, molekulinis dujų debesis ir panašiai - viskas, kas sugeria ar skleidžia šviesą - pasakos kosminę istoriją apie tai, kaip kosmoso plėtimasis ištempė ją nuo šviesos gimimo momento iki to momento, kai mes ją stebėjome.
Iš daugybės nepriklausomų stebėjimų galėjome padaryti išvadą, iš ko susideda pati visata. Mes sukūrėme tris dideles nepriklausomas stebėjimo grandines:
- Kosminiame mikrobangų fone yra temperatūros svyravimai, koduojantys informaciją apie visatos kreivumą, normaliąją medžiagą, tamsiąją medžiagą, neutrinus ir bendrą tankį.
- Koreliacijos tarp didžiausių skalių galaktikų, vadinamų barioninėmis akustinėmis vibracijomis, leidžia labai tiksliai išmatuoti bendrą medžiagos tankį, normalios medžiagos ir tamsiosios medžiagos santykį ir tai, kaip laikui bėgant keitėsi plėtimosi greitis.
Reklaminis vaizdo įrašas:
„Ir tolimiausios, švytinčios standartinės Visatos žvakės, Ia tipo supernovos, pasakoja apie išsiplėtimo greitį ir tamsiąją energiją, kaip jos pasikeitė bėgant laikui.
Šios įrodymų grandinės kartu paimdamos mums darnų visatos vaizdą. Jie mums pasakoja, kas yra šiuolaikinėje Visatoje, ir suteikia mums kosmologiją, kurioje:
- 4,9% Visatos energijos atstovauja normalioji materija (protonai, neutronai ir elektronai);
- 0,1% Visatos energijos egzistuoja masinių neutrinų pavidalu (kurie pastaruoju metu veikia kaip materija, o ankstyvaisiais - kaip radiacija);
- 0,01% Visatos energijos yra radiacijos pavidalu (kaip fotonai);
- 27% Visatos energijos egzistuoja tamsiosios materijos pavidalu;
- 68% energijos yra būdinga pačiai erdvei: tamsioji energija.
Visa tai suteikia mums plokščią Visatą (kurios kreivumas yra 0%), Visatą be topologinių defektų (magnetinius monopolius, kosmines stygas, srities sienas ar kosmines faktūras), Visatą su žinoma išsiplėtimo istorija.
Bendrojo reliatyvumo lygtys šia prasme yra labai deterministinės: jei žinome, iš ko šiandien yra Visata, ir gravitacijos dėsnius, tiksliai žinome, kiek svarbu kiekvienas komponentas buvo kiekvienu atskiru praeities intervalu. Pradžioje dominavo radiacija ir neutrinai. Milijardus metų svarbiausi komponentai buvo tamsioji medžiaga ir normalioji medžiaga. Per pastaruosius kelis milijardus metų - ir tai laikui bėgant dar labiau pablogės - tamsioji energija tapo dominuojančiu Visatos plėtimosi veiksniu. Dėl to visata įsibėgėja, ir nuo to momento daugelis žmonių nustoja suprasti, kas vyksta.
Yra du dalykai, kuriuos galime išmatuoti kalbėdami apie Visatos plėtrą: plėtimosi greitis ir greitis, kuriuo atskiros galaktikos, mūsų požiūriu, eina į perspektyvą. Jie yra susiję, tačiau išlieka skirtingi. Išsiplėtimo greitis, viena vertus, kalba apie tai, kaip pats kosmoso audinys laikui bėgant tęsiasi. Jis visada apibrėžiamas kaip greitis atstumo vienetui, paprastai nurodomas kilometrais per sekundę (greitis) per megaparseką (atstumas), kur megaparsekas yra apie 3,26 milijono šviesmečių.
Jei nebūtų tamsios energijos, išsiplėtimo greitis bėgant laikui mažėtų, artėjant prie nulio, nes medžiagos ir radiacijos tankis, išsiplėtus tūriui, sumažėtų iki nulio. Tačiau naudojant tamsiąją energiją šis išsiplėtimo greitis išlieka priklausomas nuo tamsiosios energijos tankio. Pavyzdžiui, jei tamsioji energija būtų kosmologinė konstanta, išsiplėtimo greitis susilygintų iki pastovios vertės. Bet šiuo atveju atskiros nuo mūsų tolstančios galaktikos paspartėtų.
Įsivaizduokite tam tikro dydžio išsiplėtimo greitį: 50 km / s / Mpc. Jei galaktika yra 20 Mpc atstumu nuo mūsų, atrodo, kad ji atsitraukia nuo mūsų 1000 km / s greičiu. Tačiau skirkite jai laiko ir, plečiantis kosmoso audiniui, ši galaktika galiausiai bus toliau nuo mūsų. Laikui bėgant jis bus dvigubai didesnis: 40 Mpc, o pašalinimo greitis bus 2000 km / s. Tai užtruks daugiau laiko, ir tai bus 10 kartų toliau: 200 Mpc, o pašalinimo greitis - 10 000 km / s. Laikui bėgant, jis nutols 6000 Mpc atstumu nuo mūsų ir nutols 300 000 km / s greičiu, kuris yra greitesnis nei šviesos greitis. Kuo daugiau laiko praeis, tuo greičiau galaktika nutols nuo mūsų. Štai kodėl Visata „greitėja“: plėtimosi greitis mažėja, tačiau atskirų galaktikų atskyrimo nuo mūsų greitis tik auga.
Visa tai atitinka geriausius mūsų matavimus: tamsioji energija yra pastovus energijos tankis, būdingas pačiai erdvei. Kosmosui besitęsiant, tamsiosios energijos tankis išlieka pastovus, o Visata baigsis „didžiuoju užšalimu“, kai viskas, ko nesusieja gravitacija (kaip mūsų vietinė grupė, galaktika, Saulės sistema), išsiskirs ir išsiskirs. Jei tamsioji energija tikrai yra kosmologinė konstanta, ši plėtra tęsis neribotą laiką, kol visata taps šalta ir tuščia.
Bet jei tamsioji energija yra dinamiška - tai teoriškai įmanoma, tačiau be pastebimų įrodymų - ji gali baigtis dideliu išspaustu arba dideliu plyšimu. Didžiojo suspaudimo metu tamsi energija susilpnins ir palaipsniui pakeis Visatos plėtimąsi, kad ji pradėtų susitraukti. Gali būti net ciklinė visata, kur „suspaudimas“sukelia naują Didįjį sprogimą. Jei tamsi energija sustiprės, mūsų laukia kitas likimas, kai sujungtas struktūras išardys palaipsniui didėjantis plėtimosi greitis. Tačiau šiandien viskas rodo, kad mūsų laukia Didysis užšalimas, kai Visata amžinai išsiplės.
Pagrindiniai moksliniai būsimų observatorijų, tokių kaip ESA Euklidas ar NASA WFIRST, tikslai apima matavimą, ar tamsioji energija yra kosmologinė konstanta. Ir nors pagrindinė teorija kalba už nuolatinę tamsiąją energiją, svarbu suprasti, kad gali būti galimybių, kurių neatmeta matavimai ir stebėjimai. Apytiksliai tariant, visata vis tiek gali žlugti, ir tai įmanoma. Reikia daugiau duomenų.
ILYA KHEL