После почти 13,8 миллиардов лет безостановочного расширения Вселенная вскоре может остановиться, а затем начать медленно сжиматься, предполагает новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В новой работе трое ученых пытаются смоделировать природу темной энергии - таинственной силы, которая, похоже, заставляет Вселенную расширяться все быстрее - на основе прошлых наблюдений за космическим расширением. В модели команды темная энергия - это не постоянная сила природы, а сущность, называемая квинтэссенцией, которая может распадаться со временем.
Исследователи обнаружили, что, несмотря на то, что расширение Вселенной ускоряется уже миллиарды лет, отталкивающая сила темной энергии может ослабевать. Согласно их модели, ускорение Вселенной может быстро закончиться в течение следующих 65 миллионов лет - затем, в течение 100 миллионов лет, Вселенная может полностью прекратить расширяться, и вместо этого может вступить в эпоху медленного сжатия, которая закончится через миллиарды лет со смертью - или, возможно, возрождением - времени и пространства.
И все это может произойти "удивительно" быстро, сказал соавтор исследования Пол Стейнхардт, директор Принстонского центра теоретической науки при Принстонском университете в Нью-Джерси.
"Если вернуться на 65 миллионов лет назад, то именно тогда астероид Чиксулуб врезался в Землю и уничтожил динозавров", - сказал Штейнхардт в интервью. "В космических масштабах 65 миллионов лет - удивительно короткий срок".
В этой теории нет ничего противоречивого или неправдоподобного, сказал Гэри Хиншоу, профессор физики и астрономии из Университета Британской Колумбии, который не принимал участия в исследовании. Однако, поскольку модель основывается только на прошлых наблюдениях расширения - и поскольку нынешняя природа темной энергии во Вселенной является такой загадкой - предсказания, содержащиеся в этой работе, в настоящее время невозможно проверить. Пока что они могут оставаться лишь теориями.
Энергия пустоты
С 1990-х годов ученые поняли, что расширение Вселенной ускоряется; пространство между галактиками сейчас расширяется быстрее, чем миллиарды лет назад. Ученые назвали таинственный источник этого ускорения темной энергией - невидимой сущностью, которая, похоже, действует вопреки гравитации, отталкивая самые массивные объекты Вселенной дальше друг от друга, а не притягивая их друг к другу.
Хотя темная энергия составляет примерно 70% от общей массы-энергии Вселенной, ее свойства остаются полной загадкой. Популярная теория, выдвинутая Альбертом Эйнштейном, гласит, что темная энергия является космологической константой - неизменной формой энергии, которая вплетена в ткань пространства-времени. Если это так, и сила, оказываемая темной энергией, никогда не может измениться, то Вселенная должна продолжать расширяться (и ускоряться) вечно.
Однако конкурирующая теория предполагает, что темная энергия не обязательно должна быть постоянной, чтобы соответствовать наблюдениям за прошлым космическим расширением. Скорее, темная энергия может быть чем-то, называемым квинтэссенцией - динамическим полем, которое изменяется со временем. Стейнхардт был одним из трех ученых, представивших эту идею в статье 1998 года в журнале Physical Review Letters.
В отличие от космологической постоянной, квинтэссенция может быть как отталкивающей, так и притягивающей, в зависимости от соотношения ее кинетической и потенциальной энергии в данный момент времени. В течение последних 14 миллиардов лет квинтэссенция была отталкивающей. Однако на протяжении большей части этого периода она вносила незначительный вклад в расширение Вселенной по сравнению с излучением и веществом, сказал Стейнхардт. Все изменилось около пяти миллиардов лет назад, когда квинтэссенция стала доминирующим компонентом, и ее гравитационное отталкивание привело к ускорению расширения Вселенной.
"Вопрос, который мы поднимаем в этой статье, звучит так: "Должно ли это ускорение продолжаться вечно?" сказал Стейнхардт. "А если нет, то каковы альтернативы, и как скоро все может измениться?".
Смерть темной энергии
В своем исследовании Стейнхардт и его коллеги, Анна Иджас из Нью-Йоркского университета и Космин Андрей из Принстона, предсказали, как могут измениться свойства квинтэссенции в течение следующих нескольких миллиардов лет. Для этого команда создала физическую модель квинтэссенции, показывающую ее отталкивающую и притягивающую силу с течением времени, чтобы соответствовать прошлым наблюдениям за расширением Вселенной. После того как модель команды смогла достоверно воспроизвести историю расширения Вселенной, они распространили свои предсказания на будущее.
"К их удивлению, темная энергия в их модели может распадаться со временем", - сказал Хиншоу. "Ее сила может ослабевать. И если это происходит определенным образом, то в конечном итоге антигравитационное свойство темной энергии исчезает, и она снова превращается в нечто более похожее на обычную материю".
Согласно модели команды, отталкивающая сила темной энергии может находиться в процессе быстрого спада, который, возможно, начался миллиарды лет назад.
Согласно этому сценарию, ускоренное расширение Вселенной замедляется уже сегодня. Вскоре, возможно, примерно через 65 миллионов лет, это ускорение может полностью прекратиться - тогда, уже через 100 миллионов лет, темная энергия может стать привлекательной, что приведет к сжатию всей Вселенной. Другими словами, после почти 14 миллиардов лет роста космос может начать сжиматься.
"Это будет особый вид сжатия, который мы называем медленным сжатием", - сказал Стейнхардт. "Вместо того чтобы расширяться, пространство сжимается очень, очень медленно".
Изначально сжатие Вселенной будет настолько медленным, что гипотетические люди, все еще живущие на Земле, даже не заметят изменений, сказал Стейнхардт. Согласно модели команды, потребуется несколько миллиардов лет медленного сжатия, чтобы Вселенная достигла примерно половины своего сегодняшнего размера.
Конец Вселенной?
Дальше может произойти одно из двух событий, сказал Стейнхардт. Либо Вселенная будет сжиматься до тех пор, пока не рухнет сама на себя с большим "хрустом", положив конец пространству-времени, каким мы его знаем, либо Вселенная сократится настолько, что вернется в состояние, похожее на исходное, и произойдет еще один Большой взрыв - или большой "отскок", - создав новую Вселенную из пепла старой.
По второму сценарию (который Стейнхардт и его коллеги описали в статье, опубликованной в 2019 году в журнале Physics Letters B), Вселенная следует циклической схеме расширения и сжатия, сжатия и отскоков, которые постоянно разрушают и переделывают ее. Если это правда, то наша нынешняя Вселенная может быть не первой и не единственной, а лишь последней в бесконечной череде вселенных, которые расширялись и сжимались до нашей, сказал Стейнхардт. И все это зависит от изменчивой природы темной энергии.
Насколько все это правдоподобно? Хиншоу сказал, что интерпретация квинтэссенции в новой работе - это "вполне разумное предположение о том, что представляет собой темная энергия". Поскольку все наши наблюдения за космическим расширением исходят от объектов, удаленных от Земли на миллионы и миллиарды световых лет, существующие данные могут информировать ученых только о прошлом Вселенной, но не о ее настоящем или будущем, добавил он. Так что, вполне возможно, что Вселенная уже мчится в сторону сжатия, и мы не сможем об этом узнать, пока не начнется фаза сжатия.
"Я думаю, что все сводится к тому, насколько убедительной вы считаете эту теорию и, что более важно, насколько проверяемой вы считаете ее?" - добавил Хиншоу.
К сожалению, не существует надежного способа проверить, существует ли квинтэссенция или космическое расширение начало замедляться, признал Стейнхардт. Пока что остается только соотнести теорию с прошлыми наблюдениями - и авторы в своей новой работе это сделали. Что ждет нашу Вселенную в будущем - бесконечный рост или быстрое сжатие - покажет только время.