[Перевод] Спросите Итана №53: что такое Большой разрыв?

Самая страшная из всех судеб Вселенной, приводящая к полному уничтожению всего, что было и что будет

Почему это необходимо — быть такими одинокими? Столько людей живет в этом мире, каждый из нас что-то жадно ищет в другом человеке, и все равно мы остаемся такими же бесконечно далекими, оторванными друг от друга. Почему так должно быть? Ради чего? Может, наша планета вращается, подпитываясь людским одиночеством?
— Харуки Мураками

Вокруг нас существует огромная Вселенная, тянущаяся на сотни миллиардов световых лет, содержащая не менее триллиона галактик. Возможно, что Вселенная, размеры которой превышают наблюдаемую её часть, бесконечна. Но что случится с ней в будущем? Среди ваших отличных вопросов и предложений, отправленных на этой неделе, для ответа в нашей колонке был выбран вопрос Джеффа Харриса, который спрашивает:

Когда-то я читал статью в New York Times про нечто под названием «Большой разрыв». Они указали, что ускоряющееся расширение Вселенной приведёт к тому, что галактики не смогут взаимодействовать друг с другом, атомы не смогут сформироваться, и материя «испарится». Принимая во внимание текущую скорость расширения, возможен ли такой исход? Каковы будут основные стадии этого Большого разрыва, и через какое время от текущего они будут происходить?

Если вам интересна судьба Вселенной, вам надо вернуться к Большому взрыву и проследить, как она развивалась до сегодняшнего дня.

На ранних стадиях, 13,8 миллиардов лет назад, Вселенная была горячей, плотной, почти идеально однородной и очень быстро расширялась. Поскольку Вселенная очень массивна, параллельно на неё действовало гравитационное притяжение, замедлявшее расширение, противодействовавшее ему, и, возможно, способное когда-нибудь обратить его. Последнее зависит от трёх вещей: начальной скорости расширения, общего количества материи и энергии во Вселенной, и типа и пропорций присутствующих видов энергии.

Долгое время считалось, что у Вселенной есть три варианта развития:

1. когда материи и энергии окажется достаточно для того, чтобы преодолеть первоначальное расширение, оно замедлится, прекратится, и пойдёт вспять. Вселенная сколлапсирует в Большое сжатие
2. когда материи и энергии не хватает, и расширение будет продолжаться бесконечно. Гравитация будет замедлять его, но оно всегда будет положительным, и удалённые галактики продолжат удаляться
3. идеальный баланс между двумя этими вариантами, когда ещё один протон привёл бы к реколлапсу, но у нас его нет. В этом случае скорость расширения будет асимптотически стремиться к нулю

Конечно, настоящая Вселенная ведёт себя не так.

Она очень долго расширялась и замедлялась, пока материя и энергия размывались, а затем, примерно шесть миллиардов лет назад, скорость, с которой галактики разлетались от нас, прекратила уменьшаться и Вселенная начала ускоряться. Это ускорение продолжается и теперь, без каких бы то ни было признаков замедления.

Хотя плотность материи и энергии продолжает падать, продолжающееся ускорение говорит нам о существовании новой формы энергии, в дополнение к обычным: та, что мы зовём тёмной энергией.

Тёмная энергия выдаёт себя в разных наблюдениях, включая крупномасштабные структуры, микроволновое космическое излучение, при наблюдениях за удалёнными объектами – всплесками гамма-излучения, квазарами, сверхновыми типа Ia. За последние года мы измерили её очень тщательно, и за последние 10 лет погрешность измерений её количества уменьшилась от 100% до 8%.

Учитывая наши ограниченные возможности, мы считаем, что тёмная энергия неотличима от космологической константы – то есть, её плотность со временем не меняется.

Но она не обязана быть точной константой. Теоретически, лучшей гипотезой (с наименьшим количеством предположений и свободных параметров) является предположение, что темная энергия – это космологическая константа. Из всех возможностей эта была бы наименьшим сюрпризом.

Но есть и другие – тёмная энергия может быть почти константой, уменьшаясь от большего значения в прошлом, хотя и медленно. В этом случае явление ускорения также бы постепенно сходило на нет, в результате чего Вселенная вообще перестала бы расширяться.

Также возможен вариант, при котором тёмная энергия изменится от положительной до отрицательной величины, и приведёт к Большому сжатию.

Но есть и ещё один вариант – то, что Джефф хочет, чтобы мы рассмотрели – что тёмная энергия будет усиливаться со временем. Это приведёт нас к Большому разрыву.

Если бы тёмная энергия была постоянной, тогда объект, находящийся в 10 миллионах световых лет от нас, должен был бы удаляться со скоростью от 150 до 200 км/с. К тому времени, как он окажется в 20 миллионах световых лет, его скорость составит уже 300 км/с. При удалённости в 100 миллионов световых лет скорость будет уже 1500 км/с, при миллиарде световых лет – 15000 км/с, а при 20 миллиардах – сравняется со скоростью света, 300 000 км/с!

Но поскольку Вселенная уже ускоряется, и уже существуют объекты, удаляющиеся от нас со скоростью, большей скорости света, получается, что 97% обозреваемой части Вселенной – звёзды, галактики, планеты – уже недоступны для нас навсегда. Даже если мы сегодня прыгнем в звездолёт с неограниченным источником энергии, мы не сможем до них долететь.

Если тёмная энергия постоянна, то Солнечная система, наша галактика и локальная группа галактик – включающая Млечный путь, Андромеду, галактику Треугольника, Магеллановы облака, и ещё пару десятков карликовых галактик – останется гравитационно связанным на триллионы триллионов лет в будущем. Но если она растёт, или усиливается, тогда ускорение будет не только уводить от нас удалённые галактики, но и разрушать гравитационные связи этих структур!

Если плотность тёмной энергии увеличится в десять раз относительно сегодняшнего значения, то Млечный путь уже не объединится с Андромедой, а наоборот, разойдётся с ней, как и все удалённые галактики Вселенной. Галактика Треугольника и большинство других так же будут потеряны.

Если увеличить её в 100 раз, то звёзды с края Млечного пути начнут разлетаться, а метрическое расширение космоса преодолеет притяжение всей материи в нашей локальной группе. Увеличим её в 200-300 раз – и даже Солнце улетит прочь из нашей галактики.

А если плотность тёмной энергии продолжит расти, что случится с нашей Солнечной системой? В итоге планеты улетят от Солнца, а Землю вышвырнет с орбиты, когда плотность тёмной энергии возрастёт – приготовьтесь – в 100 миллиардов раз. В конце концов, и люди преодолеют земное притяжение, а также клетки, молекулы, атомы и ядра будут разорваны, если плотность тёмной энергии будет увеличиваться до бесконечности. Возможно, даже само пространство-время разорвётся в конце.

Ужасная судьба, конечно. Впервые её описали в работе 2003 года Роберт Калдвел, Марк Камионковский и Невин Вайнберг, и у них всё было довольно просто. У всех форм плотности энергии во Вселенной есть связанное с ними давление, и его (при помощи некоторых преобразований единиц измерения) можно выразить через плотность. У неподвижной пыли давление ноль, у излучения давление равно 1/3 плотности энергии, а у космологических констант давление равно отрицательной величине плотности энергии.

В физике мы называем константу, идущую первой (+1/3 для излучения, 0 для материи, -1 для космологической константы), параметром w, и зовём его уравнением состояния. Авторы термина «Большой разрыв» считали w равным -1,5, и нашли, что Вселенная закончит существование через 22 миллиарда лет. Почти все описанные выше события случатся незадолго до конца, и тогда плотность тёмной энергии должна будет очень медленно возрастать, а в конце резко начать увеличиваться до бесконечности.

Исходя из сегодняшних наблюдений, мы можем установить w = -1,0 с погрешностью ±0.08, в результате чего Большой разрыв отодвигается на 80 миллиардов лет от сегодняшнего момента. Если вы хотите подсчитать время жизни в случае любого из вариантов уравнения состояния, можете подставить его в следующую формулу. Только убедитесь, что правильно преобразовали единицы измерения.

Имейте в виду, что, насколько мы знаем, w = -1, а тогда получается, что Большого разрыва не будет. Я бы поставил на это, будь я азартным человеком, хотя важно помнить, что это всё наука, и мы не исключаем никаких возможностей – неважно, насколько неприятными они могут нам показаться, пока нам позволяют доказательства.

Спасибо за шикарный вопрос, Джефф, и если вы хотите, чтобы ваш вопрос был освещён в нашей колонке, отправляйте его нам. Вселенная полна загадок, больших и малых, достойных размышления.