Может ли Большой Разрыв порвать Вселенную на части?

Один из величайших сюрпризов в физике случился в конце XX века, а именно в 1998 году. Посмотрев на одно из самых удаленных явлений на одиночной звезде (это была сверхновая звезда типа 1А), мы сумели определить, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Ее наверняка заполняет не только материя, радиация и кривизна пространства. 

Нужна была новая форма энергии, которая заставляет далекие галактики ускоренно удаляться от нас. Эта таинственная темная энергия должна была быть космологической константой, но в ней могло оказаться нечто более интересное. Один любопытный вариант мог изменить судьбу всей Вселенной, приведя к Большому Разрыву. Кен Блэкмен (Ken Blackman) задает вопрос:

«Считается ли Большой Разрыв, при котором расширение превосходит все прочие силы, по-прежнему возможным будущим для нашей Вселенной? Каковы аргументы «за» и «против»? И если так, то как все будет происходить, и что будет происходить?»

Давайте выясним.

Глядя на отдаленные части Вселенной, мы обнаруживаем, что в ней полно испускающих и поглощающих свет источников. Есть звезды, галактики, квазары, скопления галактик, а также огромная космическая паутина звездным систем. Есть также пыль, нейтральный газ, ионизированная плазма, темная материя и гигантские космические пустоты между структурами. Есть большое разнообразие типов излучения; есть нейтрино, и есть черные дыры.

Но если все объединить, это составит лишь одну треть всей энергии во Вселенной. «Вещество», которое перемещается под действием силы тяжести известным нам способом, составляет меньшую часть того, что имеется во Вселенной.

Мы знаем об этом из того, как расширялась Вселенная в ходе своей истории. Около шести миллиардов лет назад далекие галактики начали с ускорением удаляться от нас. Вселенная ускорялась. Основываясь на наблюдениях за тем, как они двигаются сейчас, а также на наблюдениях за космическим сверхвысокочастотным фоном, крупномасштабной структурой и прочих показателях, мы определили, что Вселенная на 68% состоит из темной энергии.

Плотность этой энергии, по всей видимости, не уменьшается по мере расширения Вселенной, в отличие от материи и радиации. В то время как материя становится менее плотной с увеличением объема Вселенной, а излучение смещается в сторону более длинных и энергетически менее насыщенных длин волн, темная энергия является энергией, изначально присущей самому пространству. Когда возникает новое пространство, плотность энергии остается без изменений.

Теоретически это позволяет нам предсказать судьбу Вселенной. Если бы темная энергия действительно являлась энергией постоянного типа, которая не меняется с расширением Вселенной, то Вселенная просто расширялась бы бесконечно. Темпы расширения Хаббла имели бы постоянное и конечное значение, составляющее примерно 55 км/сек на мегапарсек. По мере удаления далеких галактик, от 10 до 100 мегапарсеков, а затем до 1 гигапарсека, скорость удаления увеличилась бы до 550 км/сек, затем до 5 500 км/сек, а потом до 55 000 км/сек.

В отличие от сценария, в котором отсутствует темная энергия, Вселенная расширяется с ускорением. Как показывают наши наблюдения, она и в далеком будущем продолжит произвольное ускоренное расширение с постоянными темпами. Судьба Вселенной будет незавидна: холодная, пустая и одинокая. А в зоне взаимной досягаемости останутся лишь тела, которые и сегодня связаны друг с другом.

Но конечно, это, если исходить из того, что темная энергия действительно является космологической константой. То есть, у нее не увеличивается и не уменьшается сила, плотность, не меняются признаки, и сама она не меняется в пространстве. У нас есть немало доказательств того, что так оно и есть. В основном это данные наблюдений за крупнейшими скоплениями галактик.

Но даже имея данные самых лучших наблюдений, мы не можем с уверенностью утверждать, что темная энергия — космологическая константа. Со временем она может довольно существенно меняться, уменьшаясь или увеличиваясь не более чем на определенную величину. У нас есть параметр «w», который равен отношению давления среды к плотности ее энергии, и с его помощью мы можем количественно определить, какой объем темной энергии может меняться. Если w = —1, то мы имеем космологическую константу. Но по данным наблюдений, w = —1.00 ± 0.08 или около того. У нас есть все основания полагать, что его значение составляет ровно —1.

Если темная энергия не является постоянной, то существуют две главные возможности того, как она может меняться. Если w со временем приобретает более положительное значение, тогда темная энергия теряет силу и может даже изменить свой знак на противоположный. Если так, значит, Вселенная прекратит ускорение, и скорость ее расширения упадет до нуля. Если же знак поменяется на противоположный, Вселенная может даже снова «схлопнуться», будучи обреченной на Большое Сжатие.

У нас нет серьезных доказательств того, что будет именно так, но телескопы нового поколения, такие как LSST (Большой обзорный телескоп), WFIRST (Широкодиапазонный инфракрасный телескоп) и «Евклид» (EUCLID), будут иметь возможность измерять параметр w с точностью до 1-2%. Это намного точнее по сравнению с тем, что мы имеем сегодня. Такие обсерватории должны появиться в 2020-х годах, а «Евклид» планируется запустить в первую очередь — в 2021 году.

Конечно, нельзя исключать, что со временем значение w станет отрицательным, упадет ниже —1 и останется там. Если это случится, Вселенную ждет нечто поразительное: Большой Разрыв.

Если темная энергия поистине постоянна, то в этом случае наша Солнечная система, наша галактика и даже наша местная группа галактик в составе Млечного Пути, Андромеды, галактики Треугольника, Магеллановых Облаков и нескольких десятков карликовых галактик малого размера будет связана силой притяжения многие триллионы и триллионы лет.

Но если темная энергия набирает силу (что имеет место, если w < —1), то темпы ускорения не только будут удалять от нас далекие галактики. Со временем эти крупномасштабные структуры потеряют с нами гравитационную связь.

Темная энергия со временем будет становиться все сильнее, и это будет иметь самые негативные последствия для всего того, что сегодня составляет нашу Вселенную.

Когда энергетическая плотность темной энергии увеличится примерно в 10 раз по сравнению со своим сегодняшним значением, этого будет достаточно для того, чтобы помешать Млечному Пути слиться с Андромедой. Вместо этого, по сценарию Большого Разрыва, соседствующая с нами галактика будет удаляться от нас, как и все прочие далекие галактики во Вселенной. От нас удалится галактика Треугольника, а также большинство карликовых галактик. Но это еще не конец, ибо темная энергия будет и дальше набирать силу.

Когда энергетическая плотность темной энергии увеличится примерно в 100 раз по сравнению со своим сегодняшним значением, звезды на окраине Млечного Пути начнут улетать из нашей галактики. Метрическое расширение пространства преодолеет даже силу притяжения всей ближайшей материи, как обычной, так и темной.

А если сила темной энергии увеличится в 200 или 300 раз по сравнению с сегодняшним значением, то и наше Солнце присоединится к звездам с окраины и оторвется от нашей галактики. И полетит наша Солнечная система в печальном одиночестве через межгалактическое пространство.

Но и это еще не все. По сценарию Большого Разрыва, мы потеряем еще кое-что. Энергетическая плотность темной энергии будет и дальше возрастать, и со временем она начнет угрожать не только нашей Солнечной системе, но и всем системам во Вселенной. Когда темная энергия обретет достаточную силу, сами планеты начнут отлетать от Солнца.

Первым улетит облако Оорта, за ним последует пояс Койпера, а потом Нептун, Уран, Сатурн и Юпитер. Вслед за ними уйдут астероиды, а потом оторвется Марс. Землю сорвет с орбиты, когда плотность темной энергии в 100 миллиардов раз превысит свое нынешнее значение.

И вот тогда страшная катастрофа постигнет на Земле все то, что останется. Люди освободятся от силы тяжести Земли, клетки, молекулы, атомы и ядра разорвутся на части, а плотность темной энергии будет все нарастать до бесконечности. Можно предположить, что даже основополагающая ткань пространства-времени в самом конце разорвется.

К счастью, сегодня темная энергия держится в рамках, поскольку w = —1.00 ± 0.08, и время у нас есть. Если Вселенной все же суждено закончить свое существование Большим Разрывом, то такая судьба ждет нас не раньше, чем через 80 миллиардов лет. Это почти в шесть раз больше сегодняшнего возраста Вселенной. Отрыв галактик друг от друга, который станет первым заметным шагом на пути к Большому Разрыву, даже в самом пессимистическом сценарии произойдет через много десятков миллиардов лет.

Насколько нам известно, сейчас нет никаких надежных данных в подтверждение увеличения силы темной энергии и в опровержение того, что она постоянна. Но чтобы узнать это наверняка, нам нужны очень чувствительные приборы. Но одно мы уже знаем наверняка. На что бы ни указывали научные данные, в 2020-х годах мы сможем измерить силу темной энергии намного точнее, чем раньше. И еще. Землю, Солнце, галактику и местную группу галактик такая печальная судьба не постигнет еще много миллиардов лет. Большой Разрыв исключать нельзя, но до него еще очень и очень далеко.