Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Если процесс расширения Вселенной повернется вспять, то же самое произойдет и с распространением радиации. Внезапно космический микроволновый фон, это безобидное низкоэнергетическое свечение, приобретет синее смещение, и его энергия и интенсивность начнут быстро возрастать, приближаясь к весьма некомфортным значениям.

Но и это еще не приведет к гибели звезд.

Помимо концентрирования послесвечения охваченного огнем пространства существует нечто, способное породить гораздо более высокоэнергетическое излучение. На протяжении всего существования Вселенной гравитация превращала первичную и довольно однородную смесь газа и плазмы в звезды и черные дыры [33] А также другие незначительные объекты, вроде планет и людей, которыми в ходе нашего обсуждения вполне можно пренебречь. . Эти звезды сияли в течение миллиардов лет, наполняя пустоту своим излучением, которое рассеивалось, но никуда не исчезало. Черные дыры тоже делают свой вклад, испуская рентгеновские лучи, когда падающее в них вещество нагревается и порождает высокоэнергетические струи частиц. Излучение, испускаемое звездами и черными дырами, даже горячее, чем то, которое было характерно для заключительных этапов Большого взрыва, и в процессе сжатия Вселенной вся эта энергия тоже будет сгущаться. Таким образом, коллапс Вселенной представляет собой не стадию симметричного процесса, включающего этап расширения и охлаждения, за которым следуют сжатие и нагрев, а нечто гораздо худшее. Если вас когда-либо спросят, где вы хотите оказаться – в произвольной точке пространства сразу после Большого взрыва или непосредственно перед Большим сжатием, выбирайте первое [34] Как поется в песне легендарной группы D: Ream, «дальше будет только лучше» (things can only get better). . Совокупное излучение от звезд и струй высокоэнергетических частиц, сгущающееся и смещающееся в сторону еще более высоких энергий, станет настолько интенсивным, что начнет поджигать поверхности звезд задолго до того, как они столкнутся друг с другом. Ядерные взрывы будут раздирать звезды на части, заполняя пространство горячей плазмой.

К этому времени дела будут уже по-настоящему плохи. Ни одна планета, просуществовавшая до тех пор, не сможет пережить взрыв самих звезд. С этого момента интенсивность излучения во Вселенной начнет приближаться к уровню, сопоставимому с тем, который характерен для центральных областей активных ядер галактик, где находятся сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие струи высокоэнергетических частиц и гамма-излучения с такой силой, что их длина достигает тысяч световых лет. Что происходит с материей в такой среде после того, как она распадается на составляющие ее частицы, неизвестно. Коллапсирующая Вселенная на последних стадиях сжатия достигнет значений плотности и температуры, которые значительно превышают те, что мы можем воспроизвести в лаборатории или описать с помощью известных нам теорий частиц. На данном этапе главный вопрос будет заключаться не в том, выживет ли что-нибудь, поскольку к этому моменту очевидным ответом будет однозначное «нет», а в том, сможет ли коллапсирующая Вселенная породить новую?

Идея циклической Вселенной, в которой бесконечно чередуются этапы расширения и сжатия, обладает определенной привлекательностью. (И мы рассмотрим ее более подробно в главе 7.) Вместо того чтобы начинаться с нуля и заканчиваться катастрофой, циклическая Вселенная в принципе может существовать сколь угодно долго, обеспечивая бесконечную переработку материи и не допуская никаких потерь.

Разумеется, в реальности, как обычно, все значительно сложнее. Исходя из теории гравитации Эйнштейна, общей теории относительности, любая Вселенная, содержащая достаточное количество вещества, имеет заданную траекторию. Она начинается с сингулярности (бесконечно плотного состояния пространства-времени) и заканчивается сингулярностью. Однако общая теория относительности не предусматривает механизма перехода от конечной сингулярности к начальной. И есть основания полагать, что ни одна из наших физических теорий не позволяет описать условия, для которых была бы характерна такая плотность. Мы довольно хорошо понимаем, как гравитация работает в больших масштабах и для относительно слабых гравитационных полей, однако мы не знаем, как она ведет себя в чрезвычайно малых масштабах. И показатели напряженности поля, с которыми нам предстоит иметь дело, когда вся наблюдаемая Вселенная сожмется в субатомную точку, абсолютно невычисляемы. Мы можем предположить, что в данной конкретной ситуации как-то проявит себя квантовая механика, но, честно говоря, мы не знаем, как именно.

Другая проблема модели циклической Вселенной связана с вопросом, может ли что-либо выжить при переходе из одного цикла в другой. Упомянутая мной ранее асимметрия между расширяющейся молодой и коллапсирующей старой Вселенной в плане поля излучения является весьма проблематичной, поскольку подразумевает, что с каждым циклом Вселенная становится все более беспорядочной (в физическом смысле). Поэтому циклическая Вселенная гораздо менее привлекательна с точки зрения некоторых очень важных физических принципов, обсуждаемых в следующих главах, и она, безусловно, намного сложнее вписывается в аккуратную схему бесконечной переработки.

Так или иначе, Вселенная, содержащая слишком большое количество материи при недостаточном расширении, обречена на сжатие, поэтому определение нашего места на этой шкале кажется совсем не лишним. К сожалению, измерение количества вещества во Вселенной осложняется тем фактом, что далеко не все объекты можно рассмотреть, а определение веса галактики по одному лишь ее изображению – отнюдь не легкая задача. Уже в 1930-х годах стало ясно, что при простом подсчете количества галактик и звезд мы упускаем что-то очень важное. Астроном Фриц Цвикки изучил движение галактик в скоплениях и заметил, что они движутся слишком быстро и по всем законам должны были бы вылететь в пустое пространство, подобно пассажирам слишком быстро вращающейся карусели. Он предположил, что вместе их удерживает некая невидимая «темная материя». Эта идея существовала в астрономическом сообществе в виде гипотезы до тех пор, пока в 1970-х годах Вера Рубин раз и навсегда не продемонстрировала, что существование множества спиральных галактик невозможно объяснить без учета какого-то дополнительного невидимого вещества.

С тех пор было получено много доказательств существования темной материи, отчасти благодаря пониманию ее роли в ранней Вселенной, однако ее пока так и не удалось обнаружить: она, по-видимому, не заинтересована во взаимодействии с нашими детекторами частиц. Считается, что темная материя представляет собой неизвестную пока фундаментальную частицу, которая обладает массой (а следовательно, оказывает гравитационное воздействие), но не имеет ничего общего с электромагнетизмом или сильным ядерным взаимодействием. Согласно теории, она могла бы взаимодействовать с другими частицами посредством слабого ядерного взаимодействия, что обеспечило бы некоторые возможности для ее обнаружения, однако мы до сих пор не сталкивались с подобным сигналом. С чем мы сталкивались, так это с огромным количеством свидетельств ее гравитационного воздействия на звезды и галактики, а также принципиальной способности звезд и галактик формироваться в первичном бульоне. Кроме того, мы можем обнаружить доказательства существования темной материи в структуре самого пространства.