En af de vigtigste resultater i det 20. århundrede var den nøjagtige definition af, hvor stort, stort og massivt vores univers er. Med omkring to billioner galakser lukket i et volumen på 46 milliarder lysår i radius giver vores observerbare univers os mulighed for at rekonstruere hele vores kosmos historie lige op til Big Bang og måske endda lidt tidligere. Men hvad med fremtiden? Hvordan vil universet være? Vil det?
Nogen siger, at udvidelsen af universet bremser. Nobelprisen blev tildelt for "opdagelsen", at udvidelsen af universet øges. Men hvem har ret? Kunne universet kollapse en dag i processen med den såkaldte Big Compression (omvendt til Big Bang)?
Fremtidig adfærd forudsiges bedst baseret på tidligere adfærd. Men ligesom mennesker undertiden kan overraske os, kan universet også.
Universets ekspansionshastighed i et givet øjeblik afhænger kun af to faktorer: den samlede energitæthed, der findes i rumtid og mængden af rumkrumning, der er til stede. Hvis vi forstår tyngdekraftens love og hvordan forskellige typer energi udvikler sig over tid, kan vi rekonstruere alt, hvad der skete på et bestemt tidspunkt i fortiden. Vi kan også se på forskellige fjerne objekter i forskellige afstande og måle, hvordan lyset strækkes ud på grund af udvidelsen af rummet. Enhver galakse, supernova, molekylær gassky og lignende - alt hvad der absorberer eller udsender lys - vil fortælle den kosmiske historie om, hvordan udvidelsen af rummet strakte det ud fra det øjeblik lys blev født til det øjeblik, vi observerede det.
Fra en række uafhængige observationer kunne vi konkludere, hvad universet selv består af. Vi har lavet tre store uafhængige observationskæder:
- I den kosmiske mikrobølgebaggrund er der temperatursvingninger, der koder information om universets krumning, normal stof, mørkt stof, neutrinoer og total tæthed.
- Korrelationer mellem galakser ved de største skalaer - kendt som baryoniske akustiske vibrationer - giver meget strenge målinger af den samlede massefylde, forholdet mellem normalt stof og mørkt stof, og hvordan ekspansionshastigheden har ændret sig over tid.
Salgsfremmende video:
”Og de fjerneste, glødende standardlys i universet, type Ia supernovaer, fortæl os om ekspansionshastigheden og den mørke energi, hvordan de har ændret sig over tid.
Disse kæder af beviser, samlet set, tegner os et sammenhængende billede af universet. De fortæller os, hvad der er i det moderne univers og giver os en kosmologi, hvor:
- 4,9% af energien i universet er repræsenteret af normal materie (protoner, neutroner og elektroner);
- 0,1% af universets energi findes i form af massive neutrinoer (som fungerer som stof i nyere tid og fungerede som stråling i tidlige tider);
- 0,01% af universets energi findes i form af stråling (som fotoner);
- 27% af universets energi eksisterer i form af mørkt stof;
- 68% af energien er iboende i selve rummet: mørk energi.
Alt dette giver os et fladt univers (med en krumning på 0%), et univers uden topologiske defekter (magnetiske monopol, kosmiske strenge, domæne vægge eller kosmiske teksturer), et univers med en kendt ekspansionshistorie.
Ligningerne for generel relativitet er meget deterministiske i denne forstand: hvis vi ved, hvad universet er lavet af i dag, og tyngdekraftens love, ved vi nøjagtigt, hvor vigtig hver komponent var i hvert enkelt interval i fortiden. I begyndelsen dominerede stråling og neutrinoer. I milliarder af år var de vigtigste komponenter mørkt stof og normalt stof. I løbet af de sidste mange milliarder år - og dette vil blive værre over tid - er mørk energi blevet den dominerende faktor i udvidelsen af universet. Dette får universet til at accelerere, og fra det øjeblik ophører mange mennesker med at forstå, hvad der sker.
Der er to ting, vi kan måle, når det kommer til universets udvidelse: ekspansionshastigheden og den hastighed, hvormed individuelle galakser set fra vores synspunkt går i perspektiv. De er beslægtede, men de forbliver forskellige. Udvidelseshastighed taler på den ene side om, hvordan selve rumets stof strækkes over tid. Det defineres altid som hastighed pr. Enhedsafstand, normalt angivet i kilometer pr. Sekund (hastighed) pr. Megaparsek (afstand), hvor en megaparsek er ca. 3,26 millioner lysår.
Hvis der ikke var nogen mørk energi, ville ekspansionshastigheden falde med tiden og nærme sig nul, da massefylde og stråling ville falde til nul, når lydstyrken ekspanderede. Men med mørk energi forbliver denne ekspansionshastighed afhængig af den mørke energitæthed. Hvis for eksempel mørk energi var en kosmologisk konstant, ville ekspansionshastigheden flade ud til en konstant værdi. Men i dette tilfælde ville individuelle galakser, der bevæger sig væk fra os, accelerere.
Forestil dig en ekspansionshastighed af en vis størrelse: 50 km / s / Mpc. Hvis galaksen er i en afstand på 20 Mpc fra os, ser det ud til at være ved at trække sig tilbage fra os med en hastighed på 1000 km / s. Men giv det tid, og når rumets stof udvides, vil denne galakse til sidst være længere væk fra os. Over tid vil det være dobbelt så langt: 40 Mpc, og fjernelseshastigheden vil være 2000 km / s. Det vil tage mere tid, og det vil være 10 gange længere: 200 Mpc, og fjernelse hastighed på 10.000 km / s. Over tid bevæger den sig væk i en afstand af 6000 Mpc fra os og bevæger sig væk med en hastighed på 300.000 km / s, hvilket er hurtigere end lysets hastighed. Jo længere tid der går, jo hurtigere bevæger galaksen sig væk fra os. Det er grunden til, at universet "accelererer": ekspansionstakten falder, men adskillelseshastigheden mellem de enkelte galakser fra os vokser kun.
Alt dette stemmer overens med vores bedste målinger: mørk energi er en konstant energitæthed, der ligger i selve rummet. Når rummet strækker sig, forbliver tætheden af mørk energi konstant, og universet ender i en "Great Freeze", når alt, hvad der ikke er bundet sammen af tyngdekraften (som vores lokale gruppe, galakse, solsystem), vil divergere og divergerer. Hvis mørk energi virkelig er en kosmologisk konstant, vil denne ekspansion fortsætte på ubestemt tid, indtil universet bliver koldt og tomt.
Men hvis mørk energi er dynamisk - hvilket er teoretisk muligt, men uden observerbare beviser - kan det ende i en Big Squeeze eller Big Rip. I den store kompression vil mørk energi svækkes og gradvist vende udvidelsen af universet, så det begynder at trække sig sammen. Der kan endda være et cyklisk univers, hvor "kompression" giver anledning til et nyt Big Bang. Hvis mørk energi vokser sig stærkere, venter en anden skæbne os, når de forbundne strukturer vil blive revet fra hinanden af den gradvis stigende ekspansion. Imidlertid indikerer alt i dag, at den store frysning venter os, når universet vil udvide sig for evigt.
De vigtigste videnskabelige mål for fremtidige observatorier som ESAs Euclid eller NASAs WFIRST inkluderer måling af, om mørk energi er en kosmologisk konstant. Og mens den førende teori taler for konstant mørk energi, er det vigtigt at forstå, at der kan være muligheder, der ikke udelukkes af målinger og observationer. Groft sagt kan universet stadig kollapse, og det er muligt. Flere data nødvendige.
ILYA KHEL