Når vi ser på vores univers i dag, er det meget let at være tilfreds med det, du ser. Stjernerne i vores nattehimmel er kun en lille brøkdel, et par tusinde ud af hundreder af milliarder af hvad der er til stede i vores Mælkevej. Mælkevejen i sig selv er blot en af de billioner af galakser, der er til stede i det observerbare univers, der strækker sig i alle retninger i cirka 46 milliarder lysår. Og det hele startede for omkring 13,8 milliarder år siden fra en varm, tæt, hurtig, ekspanderende tilstand kendt som Big Bang.
Det er fra Big Bang, at vi får muligheden for at beskrive vores univers som fuld af stof og stråling og til at forbinde de velkendte fysiske love, der forklarer den moderne form for kosmos. Men universet fortsætter med at ekspandere. Nye stjerner vises, rummet udvikler sig. Hvordan vil det ende? Lad os spørge videnskaben.
Hvad er universets ende
I lang tid har forskere, der har undersøgt universets struktur og udvikling, overvejet tre muligheder baseret på den enkle fysik af generel relativitet og sammenhæng med udvidelsen af universet. På den ene side er tyngdekraften aktivt at trække alt sammen; det er en attraktiv kraft styret af stof og energi i alle deres former, der er til stede i universet. På den anden side er der en indledende ekspansionshastighed, der trækker alt fra hinanden.
Big Bang var et skud, hvorefter tidenes største løb begyndte: mellem tyngdekraft og universets udvidelse. Hvem vinder i sidste ende? Svaret på dette spørgsmål vil bestemme vores verdens skæbne.
Vi troede, at universet havde disse muligheder:
Salgsfremmende video:
- Universet vil kollapse i den store komprimering. Udvidelsen begynder hurtigt, og store mængder stof og stråling bliver revet fra hinanden. Hvis der er mere end nok stof og energi, vil universet ekspandere til en bestemt maksimal størrelse, ekspansionen vil vende sammentrækningen, og universet vil kollapse igen.
- Universet vil ekspandere for evigt og føre til den store fryse. Alt starter det samme som ovenfor, men denne gang er mængden af stof og energi ikke nok til at modstå ekspansion. Universet vil ekspandere for evigt, når ekspansionshastigheden fortsætter med at falde, men når aldrig nul.
- Universets udvidelse har en tendens til at være asymptotisk til nul. Forestil dig en grænsesituation mellem de to eksempler ovenfor. Endnu et proton - og vi kollapser; en mindre - vi udvider uendeligt. I dette kritiske tilfælde udvides universet for evigt, men med den lavest mulige hastighed.
For at finde ud af, hvilken mulighed der er korrekt, måtte vi bare måle, hvor hurtigt universet ekspanderer, og hvordan ekspansionshastigheden ændrede sig over tid. Resten er et spørgsmål om fysik.
Dette har været en af de største udfordringer inden for astrofysik i dag. Mål den hastighed, som universet ekspanderede på, og find ud af, hvordan rummet ændrer sig i dag. Mål, hvordan ekspansionshastigheden har ændret sig over tid, og find ud af, hvordan rummet har ændret sig i fortiden.
Kombiner disse to oplysninger og hvordan ekspansionshastigheden ændrede sig, og hvad den var, giver dig mulighed for at bestemme, hvad universet er lavet af, og i hvilke proportioner.
Så vidt vi ved, baseret på disse målinger, bestemte vi, at universet består af 0,01% stråling, 0,1% neutrinoer, 4,9% almindeligt stof, 27% mørkt stof, 68% mørk energi. Denne søgen, som for nogle begyndte tilbage i 1920'erne, modtog et uventet svar i slutningen af 1990'erne.
Så hvis mørk energi dominerer universets udvidelse, hvad betyder det da for vores skæbne? Det hele afhænger af, hvordan - eller hvis - mørk energi udvikler sig over tid. Her er fem muligheder.
Mørk energi er en kosmologisk konstant dominerende i ekspansion. Dette er standard og tager højde for vores bedste data. Mens materie bliver mindre tæt, når universet udvides, fortyndes, når volumen udvides, repræsenterer mørk energi en ikke-mindre mængde energi, der ligger i selve rumets stof. Når universet udvides, forbliver densiteten af mørk energi konstant, hvilket får ekspansionen til at forblive positiv.
Dette resulterer i et eksponentielt ekspanderende univers og vil til sidst skubbe alt, der ikke er en del af vores lokale gruppe. Allerede 97% af det synlige univers bliver utilgængelige under sådanne forhold.
Mørk energi er dynamisk og bliver mere kraftfuld med tiden. Mørk energi ser ud til at være en ny form for energi, der er iboende i selve rummet, hvilket indebærer, at den har en konstant energitæthed. Men det kan også ændre sig over tid. En af de mulige måder at ændre på er, at det gradvist øges, hvilket vil føre til en acceleration i hastigheden for universets ekspansion.
Fjernobjekter bevæger sig ikke kun væk fra os, men gør det hurtigere og hurtigere. Værre er det, objekter, der nu er bundet af gravitation - som klynger af galakser, individuelle galakser, solsystemer og endda atomer - vil en dag løsne sig, når mørk energi hærder. I de sidste øjeblikke af universets eksistens vil subatomære partikler og stoffet i rumtiden blive revet fra hinanden. Denne skæbne - Big Rip - er vores anden mulighed.
Mørk energi er dynamisk og svækkes med tiden. Hvordan ellers kan mørk energi ændres? I stedet for at styrke, kan det blive svækket. Selvfølgelig er ekspansionshastigheden konsistent med en konstant mængde energi, der hører til selve rummet, men denne energitetthed kan også falde.
Hvis det svækkes til nul, kommer alt til en af de ovenfor beskrevne muligheder: Den store fryse. Universet vil ekspandere, men uden nok stof og andre former for energi til at hjælpe det med at kollapse igen.
Hvis forfaldet bliver negativt, kan det føre til en anden mulighed: Big Shrink. Universet vil blive fyldt med energi, der er iboende i rummet, som pludselig ændrer tegn og får plads til at sammentrække. Denne mulighed er også mulig.
Mørk energi vil omdannes til en anden form for energi, der forynger universet. Hvis mørk energi ikke nedbrydes, men forbliver konstant eller endda intensiveres, opstår en anden mulighed. Denne energi, der ligger i rummet, forbliver muligvis ikke altid i denne form. I stedet kan det blive til materie og stråling, svarende til hvad det var, da den kosmiske inflation sluttede og Big Bang begyndte.
Hvis mørk energi forbliver konstant op til dette punkt, vil den skabe en meget, meget kold og diffus version af den glødende Big Bang, hvor kun neutrinoer og fotoner kan skabe sig selv. Men hvis intensiteten af mørk energi stiger, kan det føre til en tilstand, der ligner inflation, efterfulgt af en ny, virkelig rødglødende Big Bang. Dette er den nemmeste måde at forynge universet med de givne parametre.
Mørk energi er forbundet med kvantevakuumets nul energi og vil henfalde og ødelægge vores univers. Dette er den mest destruktive mulighed for alle. Hvad hvis mørk energi ikke er den rigtige mængde tomrum i de laveste energikonfigurationer, men er resultatet af symmetrier tidligt i universet, da de var i en falsk minimumskonfiguration?
I så fald skal der være en måde at skabe en kvantetunnel til en lavere energitilstand ved at ændre fysiklovene og fjerne alle bundne tilstande (dvs. partikler) af kvantefelt i dag. Hvis kvantevakuumet er ustabilt i denne forstand, hvor dette forfald forekommer, vil resultatet være ødelæggelsen af alt i universet gennem en boble, der forplantes med lysets hastighed. Hvis et sådant signal når os, slutter vi også.
Selvom vi ikke ved, hvilke af disse muligheder der gælder for vores univers, stemmer dataene simpelthen febrilsk til fordel for den første mulighed: mørk energi er faktisk en konstant. Lige nu lægger vores observationer af, hvordan universet har udviklet sig - især takket være den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling og universets storskala struktur - alvorlige grænser for, hvor meget vifterum, hvor mørk energi kan ændres.
Ilya Khel