Jedno od najvažnijih dostignuća 20. stoljeća bila je precizna definicija koliko je naš svemir velik, golem i masivan. S otprilike dva bilijuna galaksija zatvorenih u zapremini od 46 milijardi svjetlosnih godina u radijusu, naš vidljivi svemir omogućuje nam rekonstrukciju cijele povijesti našeg kozmosa, sve do Velikog praska, a možda i malo ranije. Ali što je s budućnošću? Kakav će biti svemir? Hoće li?
Netko kaže da se širenje svemira usporava. Nobelova nagrada dodijeljena je za "otkriće" da se širenje svemira povećava. Ali tko je u pravu? Može li se svemir jednog dana srušiti u procesu takozvane Velike kompresije (obrnuto od Velikog praska)?
Buduće ponašanje najbolje je predvidjeti na temelju prošlog ponašanja. Ali kao što nas ljudi ponekad mogu iznenaditi, tako to može i Svemir.
Brzina širenja Svemira u određenom trenutku ovisi samo o dva čimbenika: ukupnoj gustoći energije koja postoji u prostoru-vremenu i količini prisutne zakrivljenosti prostora. Ako razumijemo zakone gravitacije i kako se različite vrste energije razvijaju tijekom vremena, možemo rekonstruirati sve što se dogodilo u određenom trenutku u prošlosti. Također možemo gledati različite udaljene objekte na različitim udaljenostima i mjeriti kako se svjetlost rasteže zbog širenja prostora. Svaka galaksija, supernova, oblak molekularnih plinova i slično - sve što apsorbira ili emitira svjetlost - ispričat će kozmičku priču o tome kako ga je širenje svemira protezalo od trenutka kada se svjetlost rodila do trenutka kada smo ga promatrali.
Iz različitih neovisnih opažanja uspjeli smo zaključiti od čega se sastoji sam svemir. Napravili smo tri velika neovisna lanca promatranja:
- U kozmičkoj mikrovalnoj pozadini postoje temperaturne fluktuacije koje kodiraju informacije o zakrivljenosti svemira, normalnoj tvari, tamnoj tvari, neutrinima i ukupnoj gustoći.
- Korelacije između galaksija na najvećim ljestvicama - poznate kao barionske akustične vibracije - pružaju vrlo rigorozna mjerenja ukupne gustoće tvari, omjera normalne tvari prema tamnoj tvari i kako se s vremenom mijenjala brzina širenja.
Promotivni video:
“A najudaljenije, užarene standardne svijeće u Svemiru, supernove tipa Ia, govore nam o brzini širenja i tamnoj energiji, kako su se mijenjale tijekom vremena.
Ovi lanci dokaza, uzeti zajedno, daju nam koherentnu sliku svemira. Oni nam govore što je u modernom svemiru i daju nam kozmologiju u kojoj:
- 4,9% energije Svemira predstavlja normalna tvar (protoni, neutroni i elektroni);
- 0,1% energije Svemira postoji u obliku masivnih neutrina (koji u novije vrijeme djeluju kao tvar, a u ranim vremenima djeluju kao zračenje);
- 0,01% energije Svemira postoji u obliku zračenja (poput fotona);
- 27% energije Svemira postoji u obliku tamne materije;
- 68% energije svojstveno je samom prostoru: tamna energija.
Sve to daje nam ravni Svemir (s zakrivljenošću od 0%), Svemir bez topoloških nedostataka (magnetski monopoli, kozmički nizovi, zidovi domena ili kozmičke teksture), Svemir s poznatom poviješću širenja.
Jednadžbe opće relativnosti u tom su smislu vrlo determinističke: ako znamo od čega je danas stvoren Svemir i zakone gravitacije, znamo točno koliko je svaka komponenta bila važna u svakom pojedinom intervalu u prošlosti. U početku su dominirali zračenje i neutrini. Milijardama godina najvažnije su komponente bile tamna tvar i normalna tvar. Tijekom posljednjih nekoliko milijardi godina - a to će se vremenom pogoršavati - tamna energija postala je dominantni čimbenik širenja svemira. To čini svemir ubrzanim i od tog trenutka mnogi ljudi prestaju shvaćati što se događa.
Dvije su stvari koje možemo izmjeriti kada je u pitanju širenje svemira: brzina širenja i brzina kojom pojedine galaksije, s naše točke gledišta, odlaze u perspektivu. Povezani su, ali ostaju različiti. Stopa širenja, s jedne strane, govori o tome kako se sama tkanina prostora proteže tijekom vremena. Uvijek se definira kao brzina po jedinici udaljenosti, koja se obično daje u kilometrima u sekundi (brzina) po megaparseku (udaljenost), gdje je megaparsek oko 3,26 milijuna svjetlosnih godina.
Da nema tamne energije, brzina širenja smanjivala bi se s vremenom, približavajući se nuli, jer bi gustoća materije i zračenja padala na nulu kako se volumen širi. Ali s tamnom energijom, ova brzina širenja ostaje ovisna o gustoći tamne energije. Da je, na primjer, tamna energija kozmološka konstanta, brzina širenja izravnala bi se na konstantnu vrijednost. Ali u ovom bi slučaju pojedine galaksije koje se odmiču od nas ubrzale.
Zamislite brzinu širenja određene vrijednosti: 50 km / s / Mpc. Ako se galaksija nalazi na udaljenosti od 20 Mpc od nas, čini se da se udaljava od nas brzinom od 1000 km / s. Ali dajte joj vremena i kako se tkivo svemira širi, ova će galaksija na kraju biti dalje od nas. S vremenom će to biti dvostruko više: 40 Mpc, a brzina uklanjanja bit će 2000 km / s. Trebat će više vremena, a bit će i 10 puta dalje: 200 Mpc, a brzina uklanjanja 10 000 km / s. S vremenom će se udaljavati na udaljenosti od 6000 Mpc od nas i udaljavat će se brzinom od 300 000 km / s, što je brže od brzine svjetlosti. Što više vremena prolazi, brže će se galaksija udaljavati od nas. Zato se Svemir "ubrzava": brzina širenja se smanjuje, ali brzina odvajanja pojedinih galaksija od nas samo raste.
Sve je to u skladu s našim najboljim mjerenjima: tamna energija je konstantna gustoća energije svojstvena samom prostoru. Kako se prostor proteže, gustoća tamne energije ostaje konstantna, a Svemir će završiti "Velikim smrzavanjem", kada će se sve što gravitacija ne poveže (poput naše lokalne skupine, galaksije, Sunčevog sustava) razilaziti i razilaziti. Ako je tamna energija uistinu kozmološka konstanta, ovo će se širenje nastaviti unedogled dok svemir ne postane hladan i prazan.
Ali ako je tamna energija dinamična - što je teoretski moguće, ali bez vidljivih dokaza - to bi moglo završiti velikim stiskanjem ili velikim raskidom. U Velikoj kompresiji, tamna energija će oslabiti i postupno preokrenuti širenje svemira tako da se počne smanjivati. Možda postoji čak i ciklički svemir, gdje "kompresija" dovodi do novog Velikog praska. Ako tamna energija ojača, očekuje nas drugačija sudbina, kada će povezane strukture biti rastrgane postupno rastućom brzinom širenja. Međutim, danas sve ukazuje na to da nas očekuje Veliko smrzavanje, kada će se Svemir zauvijek širiti.
Glavni znanstveni ciljevi budućih zvjezdarnica poput ESA-inog Euclida ili NASA-inog WFIRST-a uključuju mjerenje je li tamna energija kozmološka konstanta. I dok vodeća teorija govori u prilog stalnoj tamnoj energiji, važno je shvatiti da možda postoje mogućnosti koje ne isključuju mjerenja i promatranja. Grubo govoreći, svemir se još uvijek može srušiti, a to je moguće. Potrebno više podataka.
ILYA KHEL
