När vi tittar på vårt universum idag är det väldigt lätt att vara glad över det du ser. Stjärnorna på vår natthimlen är bara en liten bråkdel, några tusen av hundratals miljarder av vad som finns i vår Vintergatan. Vintergatan är bara en av de biljoner galaxer som finns i det observerbara universum, som sträcker sig i alla riktningar under cirka 46 miljarder ljusår. Och allt började för cirka 13,8 miljarder år sedan från ett hett, tätt, snabbt, expanderande tillstånd känt som Big Bang.
Det är från Big Bang som vi får möjligheten att beskriva vårt universum som full av materia och strålning och att ansluta fysikens välkända lagar som förklarar den moderna formen av kosmos. Men universum fortsätter att expandera. Nya stjärnor dyker upp, rymden utvecklas. Hur kommer det att sluta? Låt oss fråga vetenskap.
Vad är universums slut
Under en lång tid har forskare som studerat universums struktur och utveckling övervägt tre möjligheter baserade på den enkla fysiken av allmän relativitet och sammanhanget för universums expansion. Å ena sidan är gravitationen aktivt att föra samman allt; det är en attraktiv kraft som styrs av materia och energi i alla deras former som finns i universum. Å andra sidan finns det en initial expansionshastighet som drar allt isär.
Big Bang var ett skott, varefter den största loppet genom tiderna började: mellan tyngdkraften och universums expansion. Vem vinner till slut? Svaret på denna fråga kommer att avgöra vår världs öde.
Vi trodde att universum hade dessa alternativ:
Kampanjvideo:
- Universum kommer att kollapsa i den stora komprimeringen. Expansionen börjar snabbt och stora mängder materia och strålning kommer att rivas isär. Om det finns mer än tillräckligt med material och energi, kommer universum att expandera till en viss maximal storlek, expansionen kommer att vända sammandragningen och universumet kommer att kollapsa igen.
- Universum kommer att expandera för evigt och leda till Great Freeze. Allt börjar på samma sätt som ovan, men den här gången kommer mängden materia och energi inte att räcka för att motstå expansion. Universum expanderar för alltid när expansionshastigheten fortsätter att falla, men når aldrig noll.
- Universums expansion expanderar asymptotiskt till noll. Föreställ dig en gränssituation mellan de två exemplen ovan. Ett proton till - och vi kollapsar; en mindre - vi expanderar oändligt. I detta kritiska fall expanderar universumet för alltid, men med lägsta möjliga hastighet.
För att ta reda på vilket alternativ som är korrekt måste vi bara mäta hur snabbt universum expanderar och hur expansionshastigheten förändrades över tid. Resten handlar om fysik.
Detta har varit en av de största utmaningarna inom astrofysik idag. Mät hastigheten med vilken universum expanderade och ta reda på hur rymdvävnaden förändras idag. Mät hur expansionshastigheten har förändrats över tid och ta reda på hur rymdväven har förändrats tidigare.
Kombinera dessa två informationer och hur expansionshastigheten har förändrats och vad den var gör att du kan bestämma vad universum är gjord av och i vilka proportioner.
Så vitt vi vet, baserade vi på dessa mätningar, bestämde vi att universum består av 0,01% strålning, 0,1% neutrino, 4,9% vanlig substans, 27% mörk substans, 68% mörk energi. Denna uppdrag, som för vissa började på 1920-talet, fick ett oväntat svar i slutet av 1990-talet.
Så om mörk energi dominerar universums expansion, vad betyder detta för vårt öde? Det beror på hur - eller om - mörk energi utvecklas över tiden. Här är fem alternativ.
Mörk energi är en kosmologisk konstant som är dominerande i expansion. Detta är standard och tar hänsyn till våra bästa data. Medan materien blir mindre tät när universum expanderar, utspädes när volymen expanderar, representerar mörk energi den icke-nollmängden energi som ligger i själva rymdet. När universum expanderar förblir densiteten på mörk energi konstant, vilket gör att expansionen alltid förblir positiv.
Detta resulterar i ett exponentiellt expanderande universum och kommer så småningom att driva allt som inte ingår i vår lokala grupp. Redan 97% av det synliga universum blir otillgängliga under sådana förhållanden.
Mörk energi är dynamisk och blir kraftfullare med tiden. Mörk energi verkar vara en ny form av energi som är inneboende i rymden själv, vilket innebär att den har en konstant energitäthet. Men det kan också förändras över tiden. Ett av de möjliga sätten att förändra är att det gradvis ökar, vilket kommer att leda till en acceleration av universumets expansionshastighet.
Fjärrobjekt flyttar inte bara bort från oss utan gör det snabbare och snabbare. Det är värre att föremål som nu är bundna till gravitationsnivåer - som galaxkluster, enskilda galaxer, solsystem och till och med atomer - kommer en dag att förenas när mörk energi härdar. Under de sista ögonblicken av universums existens kommer subatomära partiklar och själva rymdtidens material att rivas isär. Detta öde - Big Rip - är vårt andra alternativ.
Mörk energi är dynamisk och försvagas med tiden. Hur annars kan mörk energi förändras? I stället för att stärka kan det försvagas. Naturligtvis överensstämmer expansionsgraden med en konstant mängd energi som hör till rymden, men denna energitäthet kan också minska.
Om det försvagas till noll kommer allt till en av de ovan beskrivna möjligheterna: The Great Freeze. Universum kommer att expandera, men utan tillräckligt med materia och andra former av energi för att hjälpa det att kollapsa igen.
Om förfallet blir negativt kan det leda till en annan möjlighet: Big Shrink. Universum kommer att fyllas med energi som är inneboende i rymden, som plötsligt kommer att förändra tecken och få rymden att dras samman. Detta alternativ är också möjligt.
Mörk energi kommer att förvandlas till en annan form av energi som föryngrar universum. Om mörk energi inte sönderdelas, utan förblir konstant eller till och med intensifieras, uppstår en annan möjlighet. Denna energi som ligger i rymdens tyg kan inte alltid förbli i denna form. Istället kan det förvandlas till materie och strålning, liknande det var när den kosmiska inflationen slutade och Big Bang började.
Om mörk energi förblir konstant fram till denna punkt kommer den att skapa en mycket, mycket kall och diffus version av den glödande Big Bang, där bara neutrinoer och fotoner kan skapa sig själva. Men om intensiteten hos mörk energi ökar kan det leda till ett tillstånd som liknar inflationen, följt av en ny, verkligen röd het Big Bang. Detta är det enklaste sättet att föryngra universum med de givna parametrarna.
Mörk energi är associerad med kvantvakuumets noll energi och kommer att ruttna och förstöra vårt universum. Detta är den mest destruktiva möjligheten av alla. Vad händer om mörk energi inte är den verkliga mängden tomt utrymme i de lägsta energikonfigurationerna, men är resultatet av symmetrier tidigt i universum, när de befann sig i en falsk minimikonfiguration?
Om så är fallet måste det finnas ett sätt att skapa en kvanttunnel till ett lägre energitillstånd genom att ändra fysiklagarna och eliminera alla bundna tillstånd (dvs. partiklar) av kvantfält idag. Om kvantvakuumet är instabilt i denna bemärkelse kommer resultatet var förstörelsen av allt i universum genom en bubbla som sprider sig med ljusets hastighet, oavsett var detta förfall inträffar. Om en sådan signal når oss kommer vi också att sluta.
Även om vi inte vet vilka av dessa möjligheter som kommer att gälla för vårt universum, röstas uppgifterna helt enkelt ömt för det första alternativet: mörk energi är verkligen en konstant. Just nu har våra observationer av hur universum har utvecklats - speciellt tack vare den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen och universumets storskaliga struktur - allvarliga gränser för hur mycket vridningsrum för mörk energi att förändras.
Ilya Khel
