Для Большого отскока требуется фаза повторного схлопывания (Большое сжатие), за которой следует расширение (новый Большой взрыв)

Одним из крупнейших прорывов XX века стало определение того, насколько на самом деле наша Вселенная богатая, обширная и массивная. В объёме радиуса порядка 46 млрд световых лет содержится примерно два триллиона галактик. Наша наблюдаемая Вселенная позволяет нам воссоздать всю историю нашей космической истории, протянувшуюся назад вплоть до Большого взрыва и даже, вероятно, немножечко дальше. А что насчёт будущего? Что насчёт судьбы Вселенной? Определённая ли она? Именно это и хочет знать наш читатель:

Вы писали, что Вселенная расширяется с замедляющейся скоростью. Я думал, что Нобелевскую премию выдали за открытие того, что Вселенная расширяется с ускорением. Можете ли вы уточнить ведущие теории? Есть ли среди возможностей Большое сжатие?

Лучшее предсказание будущего поведения находится в прошлом. Но как люди, так и Вселенная иногда могут нас удивить.


После Большого взрыва Вселенная была почти идеально однородной, была заполнена материей, энергией и излучением и быстро расширялась. Эволюция Вселенной в любой момент определяется энергетической плотностью её содержимого.

Скорость расширения Вселенной в любой момент зависит только от двух вещей: общей плотности энергии, существующей в пространстве-времени и пространственной кривизны. Если мы понимаем законы гравитации и то, как разные типы энергии эволюционируют со временем, мы можем воссоздать, какой была скорость расширения в любой момент прошлого. Также мы можем изучить различные удалённые объекты, находящиеся на разных расстояниях от нас, и измерить, как сильно растянулся их свет из-за расширения пространства. Каждая галактика, сверхновая, облако молекулярного газа, и т.п. — всё, что поглощает или испускает свет — расскажет космическую историю того, как расширение пространства растянуло его с момента, когда он был испущен, и до момента, когда мы смогли его наблюдать.


Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас из-за расширения, и тем более её свет испытывает красное смещение, из-за чего нам приходится смотреть во всё более и более длинных волнах.

Из различных независимых наблюдений мы смогли сделать вывод, из чего именно состоит Вселенная. Три крупных и независимых линии наблюдения — это:

• Температурные флуктуации реликтового излучения, несущие в себе информацию о кривизне Вселенной, нормальной материи, тёмной материи, нейтрино и общей плотности содержимого.
• Корреляция между галактиками на крупнейших масштабах — известная, как барионные акустические осцилляции — выдающая очень чёткие результаты измерений общей плотности материи, соотношение нормальной и тёмной материи, и изменение скорости расширения со временем.
• И самые отдалённые и яркие стандартные свечи Вселенной, сверхновые типа Ia, сообщающие нам скорость расширения и детали эволюции тёмной энергии.

Стандартные свечи (L) и стандартные линейки ® — две различные техники, используемые астрономами для измерения расширения пространства на различных расстояниях и в различное время в прошлом

Все эти свидетельства вместе указывают на одно непротиворечивое изображение Вселенной. Они говорят нам о том, что есть во Вселенной сегодня, и дают нас космологию, в которой:

• 4,9% энергии Вселенной заключено в нормальной материи (протоны, нейтроны, электроны).
• 0,1% энергии находится в виде массивных нейтрино (ведущих себя в последние времена как материя, а в ранние — как излучение).
• 0,01% энергии существует в виде излучения (фотоны).
• 27% энергии заключено в тёмной материи.
• 68% энергии находится в виде энергии, присущей самому пространству: тёмной энергии.

Они дают нам плоскую Вселенную, с кривизной в 0%, Вселенную без топологических дефектов (магнитных монополей, космических струн, доменных стен, космических текстур), и Вселенную с известной историей расширения.


Относительная важность различных энергетических компонентов Вселенной в разное время в прошлом. В будущем тёмная энергия приблизится к 100% важности.

Уравнения, управляющие ОТО, в этом смысле весьма определённые: если мы знаем, из чего сегодня состоит Вселенная, а также законы гравитации, мы точно знаем, насколько важным был каждый из компонентов в любой точке прошлого. Сначала доминировали излучение и нейтрино. Миллиарды лет тёмная материя и нормальная материя были самыми важными составляющими. А в последние несколько миллиардов лет — и со временем ситуация будет только ухудшаться — тёмная энергия станет доминирующим фактором расширения Вселенной. Она заставляет Вселенную ускоряться, и именно тут у большинства людей начинается путаница.


Варианты судьбы расширяющейся Вселенной. Обратите внимание на различия разных моделей в прошлом.

В связи с расширением Вселенной мы можем измерить две вещи: скорость расширения, и ту скорость, с которой отдельная галактика отдаляется от нас с нашей точки зрения. Эти параметры связаны, но не совпадают. Скорость расширения говорит о том, как растягивается ткань пространства-времени. Она всегда оценивается в скорости на единицу расстояния, обычно в километрах в секунду на мегапарсек, где мегапарсек — это 3,26 млн световых лет.


Как материя (вверху), излучение (в середине) и космологическая константа развиваются со временем в расширяющейся Вселенной

Если бы не было тёмной энергии, со временем скорость расширения бы падала, приближаясь к нулю, поскольку плотность материи и излучения приближалась бы к нулю с увеличением объёма. Но при наличии тёмной энергии эта скорость расширения приближается к плотности тёмной энергии, какая бы она ни была. Если тёмная энергия, к примеру, является космологической константой, тогда скорость расширения асимптотически стремится к постоянному значению. Но если так, тогда скорость отдельных галактик, отдаляющихся от нас, будет увеличиваться.


Удалённая галактика Маркарян 1018 в оптическом диапазоне с наложением радиоданных (VLT)

Представим, что скорость расширения имеет определённую величину: 50 км/с/мпк. Если галактика расположена в 20 мпк от нас, тогда с нашей точки зрения она будет удаляться от нас со скоростью в 1000 км/с. Но со временем, когда ткань пространства расширится, эта галактика окажется дальше от нас. К тому времени, как она отдалится от нас на 40 мпк, её скорость удаления от нас будет равняться уже 2000 км/с. По прошествии ещё большего времени она будет от нас в десять раз дальше — на расстоянии 200 мпк, и будет удаляться от нас уже со скоростью 10 000 км/с. Ко времени, когда она отдалится на 6000 мпк, она будет удаляться от нас со скоростью в 300 000 км/с, быстрее скорости света. Но это будет продолжаться и далее; чем больше проходит времени, тем быстрее отдаляется от нас галактика. Именно это и имеется в виду под «ускоряющейся» Вселенной: скорость расширения уменьшается, но скорость удаления отдельных галактик растёт со временем.


Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов проекта Hubble eXtreme Deep Field. Самое большое изображение удалённых частей Вселенной.

Всё это совпадает с лучшими нашими измерениями: тёмная энергия представляет собой постоянную плотность энергии, присущую пространству. С растяжением пространства плотность тёмной энергии остаётся постоянной, и Вселенная закончит своё существование в режиме Большой заморозки, в котором всё, что не связывает гравитация (она связывает, например, нашу местную группу галактик, нашу Галактику, Солнечную систему, и т.п.) разлетится в стороны друг от друга. Если тёмная энергия на самом деле окажется космологической константой, тогда расширение будет происходить вечно, и приведёт к холодной и пустой Вселенной.


Когда астрономы впервые поняли, что Вселенная ускоряется, здравый смысл говорил, что она будет расширяться вечно. Однако пока мы не разберёмся в природе тёмной энергии получше, другие сценарии судьбы Вселенной остаются возможными. Они изображены на диаграмме: Большое сжатие, вечное расширение, Большой разрыв

Но если тёмная энергия меняется — теоретически это возможно, но не подтверждается наблюдениями — она может прийти и к Большому сжатию, и к Большому разрыву. В Большом сжатии тёмная энергия ослабится и поменяет знак, из-за чего Вселенная достигнет наибольшего размера, развернётся, и будет сжиматься. Она даже может породить цикличную Вселенную, когда сжатие порождает ещё один Большой взрыв. Если тёмная энергия будет увеличиваться, получится обратная ситуация, в которой связанные структуры в итоге будут разорваны увеличивающейся скоростью расширения. Но сегодняшние свидетельства уверенно поддерживают «Большую заморозку», в которой скорость расширения будет постоянной вечно.

Главные цели будущих обсерваторий, таких, как ike the Euclid, WFIRST, LSST включают измерения, которые подтвердят, действительно ли тёмная энергия является космологической константой. И хотя ведущая теория выступает в пользу постоянной тёмной энергии, важно рассматривать все возможности, не исключённые наблюдениями и измерениями. И пусть Большое сжатие выглядит маловероятным, его ещё не исключили. С появлением большего количества данных лучшего качества мы ещё можем обнаружить интересные намёки на то, что реальность ещё необычнее, чем большинство из нас предполагало!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы