En av de viktigaste prestationerna under 1900-talet var den exakta definitionen av hur stort, stort och massivt vårt universum är. Med ungefär två biljoner galaxer inneslutna i en volym av 46 miljarder ljusår i radie tillåter vårt observerbara universum oss att rekonstruera hela vårt kosmos historia, ända fram till Big Bang och kanske till och med lite tidigare. Men hur är det med framtiden? Hur kommer universum att se ut? Kommer det?
Någon säger att expansionen av universum saktar ner. Nobelpriset delades ut för "upptäckten" att universums expansion växer. Men vem har rätt? Kan universum kollapsa en dag i processen med den så kallade Big Compression (invers till Big Bang)?
Framtidsbeteende förutses bäst baserat på tidigare beteende. Men precis som människor ibland kan överraska oss kan universum också.
Universums expansionshastighet vid ett visst ögonblick beror bara på två faktorer: den totala energitätheten som finns i rymdtid och mängden närvarande rymdkurvatur. Om vi förstår gravitationens lagar och hur olika typer av energi utvecklas över tiden kan vi rekonstruera allt som hände vid en viss tidpunkt i det förflutna. Vi kan också titta på olika avlägsna föremål på olika avstånd och mäta hur ljus sträcks ut på grund av rymdens expansion. Varje galax, supernova, molekylärt gasmoln och liknande - allt som absorberar eller avger ljus - kommer att berätta den kosmiska historien om hur rymdutvidgningen sträckte ut det från det ögonblick som ljuset föddes till det ögonblick vi observerade det.
Från olika oberoende observationer kunde vi dra slutsatsen vad universum i sig består av. Vi har skapat tre stora oberoende observationskedjor:
- I den kosmiska mikrovågsbakgrunden finns temperaturfluktuationer som kodar för information om universums krökning, normal materia, mörk materia, neutriner och total densitet.
- Korrelationer mellan galaxer i de största skalorna - så kallade baryoniska akustiska vibrationer - ger mycket rigorösa mätningar av den totala massans densitet, förhållandet mellan normal materia och mörk materia och hur expansionshastigheten har förändrats över tiden.
Kampanjvideo:
”Och de mest avlägsna, glödande vanliga ljusen i universum, typ Ia supernovaer, berätta om expansionshastigheten och den mörka energin, hur de har förändrats över tiden.
Dessa beviskedjor, tillsammans, målar oss en sammanhängande bild av universum. De berättar för oss vad som finns i det moderna universum och ger oss en kosmologi där:
- 4,9% av universums energi representeras av normal materia (protoner, neutroner och elektroner);
- 0,1% av universums energi finns i form av massiva neutriner (som fungerar som materia under senare tid och fungerade som strålning i tidiga tider);
- 0,01% av universums energi finns i form av strålning (som fotoner);
- 27% av universums energi finns i form av mörk materia;
- 68% av energin är inneboende i själva rymden: mörk energi.
Allt detta ger oss ett platt universum (med en krökning på 0%), ett universum utan topologiska defekter (magnetiska monopol, kosmiska strängar, domänväggar eller kosmiska strukturer), ett universum med en känd expansionshistoria.
Ekvationerna med allmän relativitet är väldigt deterministiska i denna mening: om vi vet vad universum består av idag och gravitationens lagar, vet vi exakt hur viktig varje komponent var vid varje enskilt intervall i det förflutna. I början dominerade strålning och neutriner. I miljarder år var de viktigaste komponenterna mörk materia och normal materia. Under de senaste miljarder åren - och detta kommer att bli värre med tiden - har mörk energi blivit den dominerande faktorn i universums expansion. Detta gör att universum accelererar, och från det ögonblicket upphör många människor att förstå vad som händer.
Det finns två saker vi kan mäta när det gäller universums expansion: expansionshastigheten och den hastighet med vilken enskilda galaxer, ur vår synvinkel, går i perspektiv. De är släkt, men de förblir olika. Expansionshastigheten talar å ena sidan om hur rymdens väv sträcker sig över tiden. Det definieras alltid som hastighet per avståndsenhet, vanligtvis angiven i kilometer per sekund (hastighet) per megaparsek (avstånd), där ett megaparsek är cirka 3,26 miljoner ljusår.
Om det inte fanns någon mörk energi skulle expansionshastigheten sjunka med tiden och närma sig noll, eftersom tätheten av materia och strålning skulle falla till noll när volymen expanderade. Men med mörk energi förblir denna expansionshastighet beroende på den mörka energitätheten. Om till exempel mörk energi var en kosmologisk konstant skulle expansionshastigheten platta ut till ett konstant värde. Men i det här fallet skulle enskilda galaxer som rör sig bort från oss accelerera.
Föreställ dig en expansionshastighet av ett visst värde: 50 km / s / Mpc. Om galaxen ligger på 20 Mpc från oss, verkar den vara på väg tillbaka från oss med en hastighet på 1000 km / s. Men ge det tid, och när rymdens tyg expanderar kommer den här galaxen så småningom vara längre ifrån oss. Med tiden kommer det att vara dubbelt så långt: 40 Mpc och borttagningshastigheten blir 2000 km / s. Det kommer att ta mer tid och det kommer att vara tio gånger längre: 200 Mpc och borttagningshastigheten på 10 000 km / s. Med tiden kommer den att flytta bort på ett avstånd av 6000 Mpc från oss och kommer att flytta bort med en hastighet på 300 000 km / s, vilket är snabbare än ljusets hastighet. Ju längre tid går, desto snabbare kommer galaxen att röra sig från oss. Det är därför universum "accelererar": expansionstakten minskar, men separationshastigheten för enskilda galaxer från oss växer bara.
Allt detta överensstämmer med våra bästa mätningar: mörk energi är en konstant energitäthet som är inneboende i själva rymden. När rymden sträcker sig förblir densiteten av mörk energi konstant, och universum kommer att sluta i en "Great Freeze", när allt som inte är bunden ihop av tyngdkraften (som vår lokala grupp, galax, solsystem) kommer att divergera och divergera. Om mörk energi verkligen är en kosmologisk konstant kommer denna expansion att fortsätta på obestämd tid tills universum blir kallt och tomt.
Men om mörk energi är dynamisk - vilket är teoretiskt möjligt, men utan observerbara bevis - kan det sluta med en Big Squeeze eller Big Rip. I den stora kompressionen kommer mörk energi att försvagas och gradvis vända universums expansion så att den börjar krympa. Det kan till och med finnas ett cykliskt universum, där "kompression" ger upphov till en ny Big Bang. Om mörk energi växer sig starkare väntar ett annat öde på oss när de anslutna strukturerna kommer att rivas sönder av den gradvis ökande expansionstakten. Men idag tyder allt på att den stora frysningen väntar på oss, när universum kommer att expandera för alltid.
De viktigaste vetenskapliga målen för framtida observatorier som ESA: s Euclid eller NASA: s WFIRST inkluderar att mäta om mörk energi är en kosmologisk konstant. Och medan den ledande teorin talar för konstant mörk energi är det viktigt att förstå att det kan finnas möjligheter som inte utesluts av mätningar och observationer. Grovt sett kan universum fortfarande kollapsa, och detta är möjligt. Mer information behövs.
ILYA KHEL