En av de viktigste prestasjonene i det 20. århundre var den presise definisjonen av hvor stort, stort og massivt universet vårt er. Med omtrent to billioner galakser innesluttet i et volum på 46 milliarder lysår i radius, lar vårt observerbare univers oss rekonstruere hele kosmos historie, helt opp til Big Bang og kanskje til og med litt tidligere. Men hva med fremtiden? Hvordan vil universet være? Vil det?
Noen sier at utvidelsen av universet avtar. Nobelprisen ble tildelt for "oppdagelsen" at utvidelsen av universet øker. Men hvem har rett? Kan universet kollapse en dag i løpet av den såkalte Big Compression (invers til Big Bang)?
Fremtidig atferd forutsies best basert på tidligere atferd. Men akkurat som mennesker noen ganger kan overraske oss, kan også Universet gjøre det.
Ekspansjonshastigheten til universet i et gitt øyeblikk avhenger bare av to faktorer: den totale energitettheten som eksisterer i romtid og mengden romkrumning som er tilstede. Hvis vi forstår tyngdekraftens lover og hvordan forskjellige energityper utvikler seg over tid, kan vi rekonstruere alt som skjedde på et bestemt tidspunkt tidligere. Vi kan også se på forskjellige fjerne objekter på forskjellige avstander og måle hvordan lyset strekkes ut på grunn av ekspansjonen av rommet. Hver galakse, supernova, molekylær gasssky og lignende - alt som absorberer eller avgir lys - vil fortelle den kosmiske historien om hvordan ekspansjonen av rommet strakte den ut fra det øyeblikket lyset ble født til det øyeblikket vi observerte det.
Fra mange uavhengige observasjoner klarte vi å konkludere med hva universet selv består av. Vi har laget tre store uavhengige observasjonskjeder:
- I den kosmiske mikrobølgebakgrunnen er det temperatursvingninger som koder for informasjon om universets krumning, normal materie, mørk materie, nøytrinoer og total tetthet.
- Korrelasjoner mellom galakser i de største skalaene - kjent som baryoniske akustiske vibrasjoner - gir svært strenge målinger av den totale tettheten av materie, forholdet mellom normal materie og mørk materie, og hvordan ekspansjonshastigheten har endret seg over tid.
Kampanjevideo:
“Og de fjerneste, glødende standardlysene i universet, type Ia supernovaer, fortell oss om ekspansjonshastigheten og mørk energi, hvordan de har endret seg over tid.
Disse kjedene av bevis, samlet, tegner oss et sammenhengende bilde av universet. De forteller oss hva som er i det moderne universet og gir oss en kosmologi der:
- 4,9% av energien i universet er representert av normal materie (protoner, nøytroner og elektroner);
- 0,1% av energien i universet eksisterer i form av massive nøytrinoer (som fungerer som materie i nyere tid og fungerte som stråling i tidlige tider);
- 0,01% av energien i universet eksisterer i form av stråling (som fotoner);
- 27% av energien i universet eksisterer i form av mørk materie;
- 68% av energien er iboende i selve rommet: mørk energi.
Alt dette gir oss et flatt univers (med en krumning på 0%), et univers uten topologiske defekter (magnetiske monopol, kosmiske strenger, domenevegger eller kosmiske teksturer), et univers med en kjent ekspansjonshistorie.
Ligningene til generell relativitet er veldig deterministiske i denne forstand: hvis vi vet hva universet er laget av i dag, og tyngdekraftens lover, vet vi nøyaktig hvor viktig hver komponent var i hvert enkelt intervall i fortiden. I begynnelsen dominerte stråling og nøytrinoer. I milliarder av år var de viktigste komponentene mørk materie og normal materie. I løpet av de siste flere milliarder årene - og dette vil bli verre over tid - har mørk energi blitt den dominerende faktoren i utvidelsen av universet. Dette får universet til å akselerere, og fra det øyeblikket slutter mange å forstå hva som skjer.
Det er to ting vi kan måle når det gjelder utvidelsen av universet: ekspansjonshastigheten og hastigheten som enkelte galakser, fra vårt synspunkt, går i perspektiv. De er i slekt, men de forblir forskjellige. Ekspansjonshastigheten snakker på den ene siden om hvordan stoffet i rommet strekker seg over tid. Det er alltid definert som hastighet per avstandsenhet, vanligvis gitt i kilometer per sekund (hastighet) per megaparsek (avstand), hvor en megaparsek er omtrent 3,26 millioner lysår.
Hvis det ikke var mørk energi, ville ekspansjonshastigheten reduseres med tiden og nærme seg null, siden tettheten av materie og stråling ville falt til null når volumet utvidet seg. Men med mørk energi forblir denne ekspansjonshastigheten avhengig av mørk energitetthet. Hvis mørk energi for eksempel var en kosmologisk konstant, ville ekspansjonshastigheten flate ut til en konstant verdi. Men i dette tilfellet vil individuelle galakser som beveger seg vekk fra oss akselerere.
Tenk deg en utvidelseshastighet av en viss størrelse: 50 km / s / Mpc. Hvis galaksen er i en avstand på 20 Mpc fra oss, ser det ut til å trekke seg fra oss med en hastighet på 1000 km / s. Men gi det tid, og når verdensrommet utvides, vil denne galaksen til slutt være lenger fra oss. Over tid vil det være dobbelt så langt: 40 Mpc, og fjerningshastigheten vil være 2000 km / s. Det vil ta mer tid, og det vil være 10 ganger lenger: 200 Mpc, og fjerningshastigheten på 10.000 km / s. Over tid vil den bevege seg bort i en avstand på 6000 Mpc fra oss og vil bevege seg bort med en hastighet på 300 000 km / s, som er raskere enn lysets hastighet. Jo lenger tid går, jo raskere vil galaksen bevege seg bort fra oss. Det er derfor universet "akselererer": ekspansjonshastigheten synker, men separasjonshastigheten for individuelle galakser fra oss bare vokser.
Alt dette stemmer overens med våre beste målinger: mørk energi er en konstant energitetthet som ligger i selve rommet. Når rommet strekker seg, forblir tettheten av mørk energi konstant, og universet vil havne i en "Great Freeze", når alt som ikke er bundet sammen av tyngdekraften (som vår lokale gruppe, galakse, solsystem) vil diverge og divergere. Hvis mørk energi virkelig er en kosmologisk konstant, vil denne utvidelsen fortsette på ubestemt tid til universet blir kaldt og tomt.
Men hvis mørk energi er dynamisk - noe som er teoretisk mulig, men uten observerbare bevis - kan det ende i en Big Squeeze eller Big Rip. I Big Compression vil mørk energi svekkes og gradvis reversere utvidelsen av universet slik at det begynner å trekke seg sammen. Det kan til og med være et syklisk univers, der "kompresjon" gir opphav til et nytt Big Bang. Hvis mørk energi blir sterkere, venter en annen skjebne oss når de sammenkoblede strukturene vil bli revet fra hverandre av den gradvis økende ekspansjonshastigheten. Imidlertid indikerer alt i dag at den store frysen venter på oss når universet vil utvide seg for alltid.
De viktigste vitenskapelige målene for fremtidige observatorier som ESAs Euclid eller NASAs WFIRST inkluderer å måle om mørk energi er en kosmologisk konstant. Og mens den ledende teorien taler for konstant mørk energi, er det viktig å forstå at det kan være muligheter som ikke utelukkes av målinger og observasjoner. Grovt sett kan universet fortsatt kollapse, og dette er mulig. Mer data er nødvendig.
ILYA KHEL
