Вселената вече е в своята шеста и последна епоха

Отпреди Големия взрив до наши дни, Вселената преминава през много епохи. Тъмната енергия предвещава финала

Ваня Милева Последна промяна на 19 март 2024 в 00:00 36888 0

Илюстрация на нашата космическа история, от Големия взрив до настоящето, в контекста на разширяващата се Вселена. Не сме сигурни, въпреки че мнозина твърдят, че Вселената е започнала от сингулярност. Възможно е обаче, точно както черните дупки

Кредит NASA/WMAP science team

Илюстрация на нашата космическа история, от Големия взрив до настоящето, в контекста на разширяващата се Вселена. Не сме сигурни, въпреки че мнозина твърдят, че Вселената е започнала от сингулярност. Възможно е обаче, точно както черните дупки "завършват" в сингулярност, нашата Вселена и нейното инфлационно състояние, което е довело до горещия Голям взрив, да са възникнали от сингулярност.

От космическа инфлация до първична супа от частици до разширяващи се, охлаждащи последици, Вселената преминава през много важни етапи в нашата космическа история.

Преди около 6 милиарда години обаче нова форма на енергия започва да доминира в разширяването на Вселената: тъмна енергия, която сега определя нашата космическа съдба.

Епохата, в която живеем, в която тъмната енергия доминира в разширяването на Вселената, е последната, която нашата Вселена някога ще преживее. Сега живеем в началото на окончателния край на Вселената.

Днес Вселената не е същата, каквато е била вчера. С всеки изминал момент се случват редица фини, но важни промени, дори много от тях са незабележими в измерими човешки времеви мащаби. Вселената се разширява, което означава, че разстоянията между най-големите космически структури се увеличават с времето.

Преди секунда Вселената бе малко по-малка, след секунда Вселената ще бъде малко по-голяма. Но тези фини промени се натрупват в големи, космически времеви мащаби и засягат не само разстоянията. С разширяването на Вселената относителното значение на радиацията, материята, неутриното и тъмната енергия се променя. Температурата на Вселената се променя. И това, което ще видите в небето, също ще се промени драматично. Като цяло има шест различни епохи, на които можем да разделим Вселената, и ние вече живеем в последната.

Докато материята (както нормалната, така и тъмната) и радиацията стават по-малко плътни, докато Вселената се разширява поради нарастващия си обем, тъмната енергия, както и енергията на полето по време на инфлация, е форма на енергия, присъща на самото пространство. Тъй като в разширяващата се Вселена се създава ново пространство, плътността на тъмната енергия остава постоянна. Кредит: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Причината за това може да се разбере от графиката по-горе. Всичко, което съществува в нашата Вселена, има определено количество енергия в себе си: материя, радиация, тъмна енергия и т.н. С разширяването на Вселената обемът, който заемат тези форми на енергия, се променя и енергийната плътност на всяка от тях ще се развива по различен начин. По-специално, ако дефинираме наблюдаемия хоризонт чрез променливата  a, тогава:

  • енергийната плътност на материята ще се развива като 1/ a 3 , тъй като (за материята) плътността е просто маса спрямо обем и масата може лесно да се преобразува в енергия чрез  E = mc 2
  • енергийната плътност на радиацията ще се развива като 1/ a 4 , тъй като (за радиацията) плътността е броят на частиците, разделен на обема, и енергията на всеки отделен фотон се разтяга, докато Вселената се разширява, добавяйки допълнителен коефициент от 1/ относително към материята
  • тъмната енергия е свойство на самото пространство, така че неговата енергийна плътност остава постоянна (1/ a 0 ), независимо от разширяването или обема на Вселената

Визуалната история на разширяващата се Вселена включва горещото, плътно състояние, известно като Големия взрив, и също последващия растеж и формирането на структури. Пълният набор от данни, включително наблюденията на леките елементи и космическия микровълнов фон, оставя само Големия взрив като валидно обяснение за всичко, което виждаме. Докато Вселената се разширява, тя също така се охлажда, което позволява образуването на йони, неутрални атоми и евентуално молекули, газови облаци, звезди и накрая галактики. Кредит: NASA/CXC/M. Weiss

Следователно Вселена, която съществува по-дълго, ще се е разширила повече. В бъдеще ще бъде по-студена, а в миналото ще е била по-гореща. Тя е била гравитационно по-равномерна в миналото и е по-неравномерна сега. Била е по-малка в миналото и ще бъде много, много по-голяма в бъдеще.

Чрез прилагане на законите на физиката към Вселената и сравняване на възможните решения с наблюденията и измерванията, които са получени, може да се определи както откъде идваме, така и накъде сме се запътили. Можем да екстраполираме нашата история чак до началото на горещия Голям взрив и дори преди това до периода на  космическа инфлация. Можем да екстраполираме настоящата ни Вселена и в далечното бъдеще и да предвидим крайната съдба, която очаква всичко, което съществува.

Цялата ни космическа история е теоретично добре разбрана, но само защото разбираме теорията за гравитацията, която е в основата й, а и защото знаем сегашната скорост на разширяване на Вселената и енергийния ѝ състав. Светлината винаги ще продължава да се разпространява през тази разширяваща се Вселена и ще продължаваме да получаваме тази светлина произволно далеч в бъдещето, но тя ще бъде ограничена във времето до това, което достига до нас. Ще трябва да изследваме по-слаби яркости и по-дълги дължини на вълните, за да продължим да виждаме видимите в момента обекти, но това са технологични, а не физически ограничения. Кредит: Nicole Rager Fuller/National Science Foundation

Когато се начертаят разделителните линии въз основа на това как се държи Вселената, откриваме, че има шест различни епохи.

  1. Инфлационна епоха: която предхожда и създава горещия Голям взрив.
  2. Епохата на първичната супа: от началото на горещия Голям взрив до окончателните трансформиращи взаимодействия на ядра и частици в ранната Вселена.
  3. Плазмената епоха: от края на неразсейващите взаимодействия на ядра и частици, докато Вселената се охлажда достатъчно, за да образува стабилна неутрална материя.
  4. Епохата на Тъмните векове: от образуването на неутрална материя до първите звезди и галактики напълно рейонизират междугалактическата среда на Вселената.
  5. Звездната епоха: от края на рейонизацията до прекратяването на гравитационното формиране и растежа на широкомащабните структури, когато плътността на тъмната енергия доминира над плътността на материята.
  6. Епохата на тъмната енергия: последният етап от нашата Вселена, където разширяването се ускорява и несвързаните обекти се ускоряват безвъзвратно и отдалечават необратимо един от друг.

Вече сме навлезли в тази последна ера преди милиарди години. Повечето от важните събития, които ще определят историята на нашата Вселена, вече са се случили.

Квантовите флуктуации, които възникват по време на инфлация, се разтягат във Вселената и когато инфлацията приключи, те се превръщат във флуктуации на плътността. Това води с течение на времето до широкомащабната структура във Вселената днес, както и до колебанията в температурата, наблюдавани в CMB. Това е грандиозен пример за това как квантовата природа на реалността влияе на цялата мащабна вселена. Кредит: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research

1.) Инфлационна епоха. Преди горещия Голям взрив Вселената е нямала материя, антиматерия, тъмна материя или лъчения (светлина). В нея не е имало частици от какъвто и да е вид. Вместо това е била изпълнена с форма на енергия, присъща на самото пространство: форма на енергия, която кара Вселената да се разширява изключително бързо и интензивно, по експоненциален начин. Разширяването е било (1026 пъти) е еквивалентно например на разширяване на обект, чиято първоначална дължина е 1 нанометър (около половината от ширината на ДНК молекула) до обект с дължина 10,6 светлинни години 

  • Вселената се разтегля, от каквато и геометрия да е имала някога, до състояние, неразличимо от пространствено плоско.
  • Малка, причинно свързана част от Вселената се разширява до една много по-голяма от видимата ни в момента Вселена: по-голяма от текущия причинно-следствен хоризонт.
  • Всички частици, които може да са били там, са отнесени, тъй като Вселената се разширява толкова бързо, че нито една от тях не остава в областта на нашата видима Вселена.
  • Квантовите флуктуации, настъпили по време на инфлацията, създават семената на структурите, които дадоха началото на съвременната огромна космическа мрежа.

И тогава внезапно, преди около 13,8 милиарда години, инфлацията свършва. Цялата тази енергия, някога присъща на самото пространство, се преобразува в частици, античастици и радиация. С този преход инфлационната епоха приключва и започва горещият Голям взрив.

При високите температури, постигнати в много младата Вселена, не само частици и фотони могат да бъдат създадени спонтанно, при достатъчно енергия, но също така и античастици и нестабилни частици, което води до първичната супа от частици и античастици. И все пак дори при тези условия могат да възникнат само няколко специфични състояния или частици. Кредит : Brookhaven National Laboratory

2.) Епохата на първичната супа. След като разширяващата се Вселена се изпълва с материя, антиматерия и радиация, тя започва да се охлажда. Всеки път, когато частиците се сблъскат, те произведат двойки частица-античастица, разрешени от законите на физиката. Основното ограничение идва само от енергиите на участващите сблъсъци, тъй като производството се управлява от E = mc².

Докато Вселената се охлажда, енергията пада и става все по-трудно и по-трудно да се създадат по-масивни двойки частица-античастица, но анихилациите и други реакции на частици продължават с неотслабваща сила. От 1 до 3 секунди след Големия взрив, цялата антиматерия е изчезнала, оставяйки само материя след себе си. Три до четири минути след Големия взрив може да се образува стабилен деутерий и настъпва нуклеосинтеза или образуването на ядра на леките елементи. И след някои радиоактивни разпадания и няколко финални ядрени реакции, всичко, което остава, е гореща (но охлаждаща се) йонизирана плазма, състояща се от фотони, неутрино, атомни ядра и електрони.

В ранните моменти (вляво) фотоните се разпръскват от електрони и имат достатъчно висока енергия, за да върнат всички атоми обратно в йонизирано състояние. След като Вселената се охлади достатъчно и е лишена от такива високоенергийни фотони (вдясно), те не могат да взаимодействат с неутралните атоми и вместо това просто се движат свободно, тъй като имат грешна дължина на вълната, за да възбудят тези атоми до по-високо енергийно ниво. Кредит: E. Siegel/Beyond the Galaxy

3.) Епоха на плазмата. След като се образуват тези леки ядра, те са единствените положително (електрически) заредени обекти във Вселената и те са навсякъде. Естествено, те са балансирани от еднакво количество отрицателен заряд под формата на електрони. Ядрата и електроните образуват атоми и затова може да изглежда напълно логично тези два вида частици да се намерят незабавно, образувайки атоми и проправяйки пътя към звездите.

За съжаление, те са значително превъзхождани на брой - с повече от милиард към едно - от фотоните. Всеки път, когато електрон и ядро ​​се свържат заедно, се появява фотон с достатъчно висока енергия и ги разбива. Едва когато Вселената се охлабжда драстично, от милиарди градуси до само хиляди градуси, най-накрая могат да се образуват неутрални атоми. 

В началото на епоха на плазмата енергийното съдържание на Вселената е доминирано от радиация. В крайна сметка е доминиран от нормална и тъмна материя. Тази трета фаза завършва до 380 000 години след Големия взрив.

рейонизация Схема на историята на Вселената, подчертаваща рейонизацията. Преди да се образуват звезди или галактики, Вселената е била пълна с блокиращи светлината неутрални атоми. Докато по-голямата част от Вселената не се рейонизира до 550 милиона години след това, като някои региони постигат пълна рейонизация по-рано, а други по-късно. Първите големи вълни на реионизация започват да се случват на около 250 милиона години, докато няколко  звезди могат да са се образували само 50 до 100 милиона години след Големия взрив. С правилните инструменти, като космическия телескоп "Джеймс Уеб", се разкриват най-ранните галактики. Кредит: SG Djorgovski et al., Caltech. Caltech Digital Media Center

4.) Епоха на Тъмните векове. Изпълнена с неутрални атоми, най-накрая гравитацията може да започне процеса на формиране на структура във Вселената. Но с всички тези неутрални атоми наоколо, това, което в момента познаваме като видима светлина, би било невидимо в цялото небе.

Защо? Тъй като неутралните атоми, особено под формата на космически прах, са много ефективни в блокирането на видимата светлина.

За да се сложи край на тези тъмни векове, междугалактическата среда трябва да бъде рейонизирана. Това изисква огромни количества звездообразуване и огромен брой ултравиолетови фотони, а това изисква време, гравитация и да започне образуването на космическата мрежа. Първите големи региони на рейонизация се случват 200 до 250 милиона години след Големия взрив, но рейонизацията не завършва, докато Вселената не стане на 550 милиона години. В този момент скоростта на образуване на звезди все още се увеличава и първите масивни галактически купове едва започват да се формират.

Галактическият клъстер Abell 370, показан тук, е един от шестте масивни галактически клъстера, заснети в програмата Hubble Frontier Fields. Тъй като други големи обсерватории също са били използвани за изобразяване на този регион на небето, са разкрити хиляди много далечни галактики. Наблюдавайки ги отново с нова научна цел, програмата на Хъбъл BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations - Отвъд ултрадълбоките гранични полета и наследените наблюдения) получава разстоянията до тези галактики, което ни позволява да разберем по-добре как галактиките са се формирали, еволюирали и израснали в нашата Вселена. Когато се комбинират с вътрешноклъстерни светлинни измервания, чрез множество линии от доказателства за една и съща структура,  би могло да се повдигне малко завесата, скрриваща тъмната материя вътре. Кредит: NASA, ESA, A. Koekemoer (STScI), M. Jauzac (Durham University), C. Steinhardt (Niels Bohr Institute) и екипът на BUFFALO)

5.) Звездната епоха. След като отминат тъмните векове, Вселената става прозрачна за звездната светлина. Космосът се изпълва със звезди, звездни купове, галактики, галактически купове и голямата, растяща космическа мрежа, всички чакащи да бъдат открити. Вселената е доминирана, енергийно, от тъмна материя и нормална материя, а гравитационно свързаните структури продължават да растат все по-големи.

Скоростта на звездообразуване нараства и нараства, достигайки своя връх около 3 милиарда години след Големия взрив. В този момент продължават да се формират нови галактики, съществуващите галактики продължават да растат и да се сливат, а галактическите купове привличат все повече и повече материя в тях. Но количеството свободен газ в галактиките започва да намалява, тъй като интензивното звездообразуване е изразходвало голямо количество от него. Бавно, но стабилно скоростта на звездообразуване намалява.

С течение на времето звездната смъртност ще изпреварва раждаемостта, но има и още една лоша изненада: докато плътността на материята пада с разширяването на Вселената, нова форма на енергия - тъмна енергия - започва да се появява и да доминира. Около 7.8 милиарда години след Големия взрив далечните галактики спират се забавят отдалечаванеуто си една спрямо друга и започват отново да се ускоряват. Малко по-късно, 9.2 милиарда години след Големия взрив, тъмната енергия става доминиращ компонент на енергията във Вселената. В този момент навлизаме в последната ера.

тъмна енергияРазличните възможни съдби на Вселената, с нашата действителна, ускоряваща се съдба, показана вдясно. След като измине достатъчно време, ускорението ще остави всяка свързана галактическа или супергалактическа структура напълно изолирана във Вселената, тъй като всички други структури се ускоряват безвъзвратно. Можем само да погледнем към миналото, за да направим извод за присъствието и свойствата на тъмната енергия, които изискват поне една константа, но нейните последици са по-големи за бъдещето. Кредит: NASA & ESA

6.) Епохата на тъмната енергия. След като тъмната енергия поеме доминиращата си роля, се случва нещо странно: мащабната структура във Вселената спира да расте. Обектите, които са били гравитационно свързани един с друг преди господството на тъмната енергия, ще останат свързани, но тези, които все още не са били свързани в началото на епохата на тъмната енергия, никога няма да станат свързани. Вместо това те просто ще се ускорят далеч един от друг и ще останат самотни в голямото пространство на нищото.

Индивидуалните свързани структури, като галактики и групи/купове от галактики, в крайна сметка ще се слеят, за да образуват една гигантска елиптична галактика. Съществуващите звезди ще умрат; образуването на нови звезди ще се забави до тънка струйка и след това ще спре; гравитационните взаимодействия ще изхвърлят повечето от звездите в междугалактическата бездна. Планетите ще се въртят спираловидно в своите родителски звезди или звездни останки, поради разпадане от гравитационното излъчване. Дори черните дупки с изключително дълъг живот в крайна сметка ще се разпаднат от радиацията на Хокинг.

След като слънцето се превърне в черно джудже, ако нищо не изхвърли или не се сблъска с останките на Земята, в крайна сметка гравитационното излъчване ще ни накара да се завъртим спираловидно, да бъдем разкъсани и в крайна сметка да бъдем погълнати от остатъците от нашето Слънце.. Кредит: Jeff Bryant/Vistapro

В крайна сметка в този пуст, непрекъснато разширяващ се космос ще останат само звезди черни джуджета и изолирани маси, твърде малки, за да запалят ядрен синтез, редки и отделени един от друг. Тези трупове в крайно състояние ще съществуват дори гуголи години нататък, продължавайки, докато тъмната енергия остава доминиращият фактор в нашата Вселена. Докато стабилните атомни ядра и самата тъкан на космоса не претърпят някакъв вид непредвидени разпади и докато тъмната енергия се държи идентично с космологичната константа, каквато изглежда, тази съдба е неизбежна.

Тази последна епоха, на господство на тъмната енергия, вече е започнала. Тъмната енергия стана важна за разширяването на Вселената преди 6 милиарда години и започна да доминира в енергийното съдържание на Вселената около времето, когато се раждаха нашето Слънце и Слънчева система. Вселената може да има шест уникални етапа, но за цялата история на Земята ние вече сме в последния. Погледнете добре Вселената около нас. Никога повече няма да бъде толкова богата или толкова леснодостъпна.

Източник: The Universe is already in its sixth and final era, E. Siegel, BIG THINK

Виж още за:
Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !