Гипотезы будущего нашей вселенной

Что ждет нашу Вселенную в будущем?

Судьба Вселенной определена законами природы, контролирующими и направляющими все события, которые в ней происходят. Будучи разумным и весьма и любопытным видом, мы поставили перед собой задачу узнать все эти законы, хотя и понимаем, что не в состоянии их изменить.
Наши нынешние знания в области астрономии помогают нам предположить, какие интересные события произойдут во Вселенной в далеком будущем. Итак, начнем:

Спустя 100 000 лет: смерть красного сверхгиганта

Красный сверхгигант — звезда Антарес настолько велика, что если ее разместить в центре нашей Солнечной системы, она поглотит орбиту Марса.

Солнце по сравнению со звездой Антарес. Источник: Википедия

Такие массивные, как Антарес, звезды сжигают свое ядерное топливо всего за несколько миллионов лет, а затем разрушаются под действием собственной чудовищной гравитации, что вызывает впечатляющий взрыв, называемый сверхновой. Взрыв Антареса будет настолько ярким, что будет виден на Земле даже днем, даже на расстоянии полутора тысяч световых лет! Земля будет находиться на достаточно безопасном расстоянии от этого события, и оно не будет являться для нас угрозой.

Через 300 000 лет: возможный поток гамма-лучей, который может уничтожить жизнь на Земле

Одна из звезд в звездной системе WR 104, расположенной 7500 световых лет от нас, находится на стадии, предшествующей появлению сверхновой. Существует вероятность того, что звезда при переходе в состояние сверхновой может создать плотно сфокусированный луч высокоэнергетических гамма-лучей с обоих своих полюсов. Такие гамма-всплески (GRB) признаны явлением с наибольшей энергетикой, присущей известным космическим объектам.

Представление художника о взрывающейся звезде, излучающей гамма-всплеск (GRB). Источник: ESO

Сфокусированные гамма-лучи могут легко уничтожить всю жизнь на нашей планете, даже если придут с относительно большого расстояния. Изучив свойства этой звезды, мы предполагаем, что GRB может произойти в направлении, которое приблизительно ориентировано на Землю. Существует очень небольшая вероятность того, что направление GRB будет именно таким, которое мгновенно уничтожит всю жизнь на Земле.

Через 1 миллиард лет: Солнце становится все больше и ярче

Прежде чем стать красным гигантом, Солнце увеличит свою яркость на 10%. Это в конечном итоге приведет к снижению уровня углекислого газа, что сделает невозможным фотосинтез. Более высокая светимость также увеличит среднюю температуру на Земле до таких значений, при которых испарятся все океаны. Добро пожаловать на Марс!

Иллюстрация художника о бесплодной Земле, лишенной океанов. Источник: Public Domain Pictures

С этого момента сложная жизнь на Земле станет практически невозможна. Земли, которую мы знаем сегодня, больше не будет. По мере того, как Солнце будет становиться все больше и ярче, вся жизнь на Земле постепенно погибнет, и средняя температура поверхности нашей планеты преодолеет отметку в тысячу градусов.

Через 4 миллиарда лет: столкновение галактик Андромеда и Млечный путь

Галактика Андромеда столкнется с галактикой Млечный Путь. Это будет великолепный гравитационный танец из триллионов звезд Андромеды и более 200 миллиардов звезд Млечного Пути. Но из-за огромных расстояний между каждой звездой очень маловероятно, что любые две звезды столкнуться в ходе этого процесса.

Столкновение двух галактик

Однако такое столкновение галактик создаст новые звезды из-за повышения плотности газообразного водорода. Объединенная галактика, скорее всего, будет эллиптической, и будет называться, к примеру, Андро-Путь. Ну или Млечномеда. Две сверхмассивные черные дыры (SBHs) в центре каждой из бывших галактик сольются в поистине гигантскую черную дыру, имеющую массу

1 миллиард масс Солнца!

Через 100 миллиардов лет: все солнцеподобные звезды мертвы, жизнь вокруг таких звезд невозможна

Чем больше звезда, тем быстрее и эффектнее ее смерть. Самые большие звезды Вселенной умирают всего за несколько миллионов лет, так как они быстро тратят свое ядерное топливо. Материал, выброшенный из них, в конечном итоге рождает менее массивные звезды, подобные Солнцу. Солнцеподобные звезды умирают медленнее, поскольку они потребляют свое ядерное топливо умеренно, и способны поддерживать жизнь на планетах, обращающихся вокруг них, в течение достаточно долгого времени.

Временная диаграмма, показывающая жизненный цикл солнечных звезд. Источник: Википедия

Максимальная продолжительность жизни таких звезд составляет не более

10 миллиардов лет, после чего они становятся умирающими белыми карликами, неспособными поддерживать жизнь вокруг себя.
Через 100 миллиардов лет все существующие солнцеподобные звезды будут долгожителями.
Вряд ли какие-либо новые звезды, подобные Солнцу, будут созданы после этого срока. Это связано с замедлением скорости звездообразования в галактике.

1 триллион лет: красные карлики — единственные звезды, которые еще существуют

Звезды, которые меньше Солнца, красные карлики, расходуют топливо еще медленнее. Продолжительность жизни таких звезд составляет

1-20 трлн. лет, что по крайней мере в 100 раз больше, чем жизнь солнцеподобных звезд. Известно, что около 75% из 200 миллиардов звезд в нашей галактике являются красными карликами, что делает их наиболее распространенным типом звезд. Таким образом красные карлики являются единственной надеждой на поддержание жизни в будущем.

Сравнение размеров звезды красного карлика с нашим Солнцем. Источник: НАСА

Поскольку звезды типа красного карлика довольно малы и распространены, в сочетании с их впечатляюще долгим «срокам службы», они будут существовать около100 трлн. лет. По сравнению с младенческим возрастом нашей Вселенной (

13,8 миллиарда лет), 100 триллионов лет возможного развития жизни вокруг красных карликовых звезд является довольно серьезным преимуществом в пользу этих маленьких звездочек.
Однако, как это не печально, примерно через 100 триллионов лет даже стойкие красные карлики умрут, не оставив звезд, способных сохранять жизнь.
Ближайшая звезда к Солнцу, Proxima Centauri, является красным карликом и находится всего в 4,3 световых годах от нас. Мы знаем, что делать, чтобы спасти себя.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Будущее Вселенной

Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.

Что мы знаем о Вселенной?

Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии наблюдаемую область Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.

Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.

Возможные сценарии развития нашего мира

В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.

Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.

Космологические эпохи Вселенной

В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:

Эпоха звезд (10 6 – 10 14 лет Вселенной). Эпоха, в которую мы живем, и которая отличается активным формированием и рождением звезд. Эпоха звезд будет длиться до того момента, пока не будут исчерпаны все запасы межзвездного газа. К тому времени красные карлики, небольшие и относительно холодные звезды (2000 – 3000 К), окончательно потухнут, переработав все внутреннее топливо. Солнце же, примерно через 5 млрд. лет (около 19 х 10 9 лет Вселенной) обернется красным гигантом, сбросив с себя верхние слои, которые вероятно поглотят Меркурий и Венеру. Если Землю не постигнет та же участь, то наша планета станет раскаленной и покроется лавой. Спустя еще 2 млрд. лет Солнце оставит после себя лишь белого карлика, а Млечный Путь начнет сливаться с галактикой Андромеда, в результате чего образуется новая единая галактика.
Эпоха распада (10 15 – 10 39 лет). Временной отрезок жизни Вселенной, к началу которого топливо большинства звезд будет переработано, и они перейдут к последнему этапу своей эволюции, существованию в виде белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр, в зависимости от изначальных характеристик тела. Термоядерные реакции будут иметь место лишь в недрах коричневых карликов, которых в космическом пространстве останется незначительное количество. Постепенно галактики одного и того же скопления сольются воедино.

Конец эпохи распада в представлении художника. Пространство без звезд выглядит пугающе.

Для того, чтобы получить позитроний сегодня, ученым нужна массивная сложная аппаратура. Но в конце он будет единственным, что может существовать.

Будущее Вселенной

Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:

Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому Большому разрыву.

‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Будущее Вселенной» title=»Будущее Вселенной»>

Каким будет будущее Вселенной?

Хрупкую временность бытия осознавали даже наши дикие предки. Поэтому примитивную эсхатологию — систему представлений о конце света — можно найти в самых древних мифах. В эпоху бурных теологических споров, когда считалось само собой разумеющимся, что Бог создал мир и он же положит ему конец, равнозначно рассматривались две версии будущего.

Первая гласила, что время существования Вселенной предопределено заранее, о чём сказано в Откровении Иоанна Богослова (Апокалипсисе). Сторонники другой версии считали, что Вселенная будет существовать вечно и после конца света Бог сотворит новые миры и новых людей, чтобы начать очередной цикл.

Научная эсхатология оформилась в XIX веке после того, как немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1850 году вывел второе начало термодинамики. Оно гласило: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более тёплому». Получалось, что преобразование энергии в природе имеет конкретную направленность и обратных процессов не существует. Следовательно, рано или поздно Вселенная остынет до равновесного теплового состояния, и всякое движение в ней прекратится. Первым этот неутешительный прогноз высказал британский математик Уильям Томсон (барон Кельвин): в 1852 году он опубликовал статью, в которой на основе открытия Клаузиуса предсказал, что Солнце неизбежно погаснет, а Земля замёрзнет. В дальнейшем физики развили его соображения в гипотезу, получившую название «тепловая смерть Вселенной». Но это далеко не единственный сценарий далёкого будущего.

Когда Альберт Эйнштейн сформулировал положения общей теории относительности, в которой гравитация была определена как свойство пространственно-временного континуума, он задался серьёзным вопросом: если притяжение между телами действует всегда и везде, то почему они до сих пор не слиплись в единый ком? Может быть, помимо гравитации, в мире существует и антигравитация? Тогда физик ввёл в свои уравнения лямбда-член (космологическую постоянную), учитывающий «расталкивание», которое не даёт Вселенной схлопнуться.

В 1922 году советский физик Александр Фридман опубликовал уравнение, описывающее модель нестационарной расширяющейся Вселенной, в котором лямбда-член оказывался лишним. Сначала Эйнштейн не принял вариант Фридмана, поскольку физики первой четверти ХХ века разделяли идею вечной и бесконечной Вселенной. Однако вскоре астрономические наблюдения подтвердили теоретические выкладки: Эдвин Хаббл открыл разбегание галактик. Из этого родилась концепция Большого взрыва, которая и поныне главенствует в космологии.

С тех пор физики приблизительно представляют, что случилось в далёком прошлом, и даже сумели вычислить возраст Вселенной. Но что произойдёт в будущем? Сравнительно недавно была обнаружена статья Эйнштейна «К космологической проблеме общей теории относительности» (1932), которая никогда не переводилась на английский язык, поэтому осталась без внимания мирового научного сообщества. Великий физик написал её на пару с нидерландским астрономом Виллемом де Ситтером; соавторы обосновывали циклическую модель Вселенной, согласно которой она не будет расширяться вечно. Гравитационная сила остановит разбегание, и начнётся Большое сжатие, которое приведёт Вселенную к исходному суперплотному состоянию, после чего снова произойдёт взрыв. К этой же мысли пришли и другие учёные, но в 1934 году американец Ричард Толман показал, что циклическая модель нарушает второе начало термодинамики. Чтобы действие второго начала сохранялось, в каждом последующем цикле должно быть меньше свободной энергии. Если экстраполировать ситуацию в вечное прошлое, то получится, что вся энергия давным-давно должна была рассеяться, а Вселенная — прийти к «тепловой смерти». Но этого не произошло. Получается, что где-то во Вселенной есть источник возобновления энергии? Почему же мы его не наблюдаем?

Космологи неоднократно пытались примирить циклическую модель и второе начало термодинамики. В конце концов они пришли к теории Большого отскока, которую, в частности, разрабатывал физик Георгий Гамов, эмигрант из СССР. В её рамках утверждалось, что в сверхплотном состоянии действие фундаментальных законов природы кардинально меняется, поэтому мы ничего не можем сказать о предыдущей Вселенной, но, скорее всего, она была совершенно иной.

В конце ХХ века пришлось пересмотреть и эту теорию. Американский астрофизик Сол Перлмуттер с середины 1980-х годов наблюдал за вспышками далёких сверхновых и получил странный результат: они оказались менее яркими, чем предсказывали существующие физико-математические модели. Собрав и тщательно проанализировав данные с телескопов по всему миру, группа Перлмуттера пришла к ошеломляющему выводу: Вселенная расширяется с ускорением! По-видимому, в нашем мире всё же действует некая антигравитационная сила.

Чтобы объяснить этот феномен, астрономы ввели понятие тёмной энергии, пронизывающей весь космос, но не взаимодействующей с обычной материей. Если тёмная энергия действительно существует, то Вселенная состоит из неё на 72%! Вот только физики не могут понять, что это такое. Кто-то уверен, что в «расталкивающем» действии тёмной энергии проявляется одно из фундаментальных свойств вакуума; кто-то пытается модифицировать под её существование общую теорию относительности; кто-то привлекает к объяснению бесспиновые энергетические поля и иные измерения. Обескураживающим стало и сравнение космологической постоянной, вычисленной теоретически, с полученной экспериментально: последняя оказалась меньше на 120 порядков! Может быть, куда-то вкралась ошибка.

Тем не менее наличие тёмной энергии сегодня мало кто отрицает. На основе ускоряющегося расширения американец Роберт Колдуэлл вывел теорию Большого разрыва. Согласно ей, если темпы расширения Вселенной сохранятся, то через 22 миллиарда лет наступит такое состояние, при котором прекратятся всякие взаимодействия между объектами. Сначала распадутся скопления галактик, потом сами галактики, затем — звёздные и планетные системы, затем — планеты, обломки планет, молекулы и даже атомы. Известные законы физики перестанут работать, поэтому предсказать дальнейшую судьбу Вселенной невозможно.

Впрочем, пока не появилось хоть каких-то достоверных данных о природе тёмной энергии, говорить о Большом разрыве преждевременно. Вполне возможно, что ускорение расширения со временем снизится или вообще прекратится.

Периодически при попытках описать происходящее появляются альтернативные космологические модели. Например, вызов общему мнению бросили физик Александр Васильков и астрофизик Николай (Ник) Горькавый, хорошо известный отечественному читателю как автор серии фантастических романов «Астровитянка» и цикла «Научные сказки». В 2016 году, когда были впервые зафиксированы гравитационные волны, учёные предположили, что наблюдаемая природная антигравитация вызвана не давлением тёмной энергии, а стремительным уменьшением массы Большой Чёрной Дыры (БЧД), из которой образовалась Вселенная. Горькавый пишет в своём блоге: «Если рассмотреть стадию сжатия Вселенной, на которой слияния чёрных дыр должны быть частым явлением, то можно показать, что большая часть Вселенной во время коллапса может превратиться в гравитационное излучение. Что произойдёт с гравитационным полем системы, которая быстро теряет гравитационную массу? Мы рассмотрели решение уравнений Эйнштейна для системы, состоящей из сливающихся чёрных дыр, и показали, что в такой системе возникает сильная отталкивающая гравитационная сила, которая может превратить сжатие Вселенной в Большой взрыв… Поэтому, если при предыдущем коллапсе Вселенной её масса быстро превращалась в гравитационное излучение, то неизбежно возникла сначала очень сильная отталкивающая сила, а потом — слабая долгоживущая антигравитация».

В марте 2018 года Васильков и Горькавый опубликовали новую статью, представив публике модель эволюции Вселенной на основе уравнений Фридмана и сделанного ранее предположения о связи отталкивающей силы с изменением массы объектов. Кропотливые расчёты дали парадоксальный результат. Если рассуждать логически, то масса БЧД, из которой образовалась наша Вселенная, должна уменьшаться по мере расширения последней, но оказалось, что она увеличивается! «Мы пришли к удивительной интерпретации наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной как результата роста центральной массы и торможения разлёта Вселенной, — пишет Горькавый. — Действительно, если по ночной дороге движется колонна автомобилей с включёнными фарами, то факт, что задний автомобиль ускоренно отдаляется от переднего, можно с одинаковой вероятностью интерпретировать как ускорение первого автомобиля или как торможение последнего».

Дальнейшие рассуждения привели авторов к сенсационному выводу: у Вселенной есть центр! БЧД существует и сегодня, втягивая в себя материю, что вызывает «растяжение» наблюдаемой вокруг нас части космоса и приводит к ошибке наблюдателей, которые видят ускорение там, где на самом деле происходит торможение. Можно даже примерно указать месторасположение БЧД — анизотропия некоторых космологических явлений, получившая название «Ось зла», указывает на область неба возле тусклого созвездия Секстант. Размер БЧД можно оценить в миллиард световых лет.

Конечно, теория Горькавого-Василькова ещё далека от совершенства и вызывает резкое неприятие со стороны научного сообщества. Какая модель ближе к реальности, покажут дальнейшие исследования. Ну а через несколько миллиардов лет мы и так узнаем, чем всё кончится.