Die fünf Möglichkeiten, wie das Universum enden könnte

Mit Blick auf das Universum heute ist es einfach, von allem, was wir finden können, absolut beeindruckt zu sein. Die Sterne in unserem Nachthimmel sind nur ein winziger Bruchteil — ein paar Tausend von Hunderten von Milliarden-von dem, was in unserer Milchstraße vorhanden ist., Die Milchstraße selbst ist nur eine einsame Galaxie aus Billionen, die im beobachtbaren Universum vorhanden sind und sich über 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen erstreckt.

Und alles begann vor 13,8 Milliarden Jahren von einem heißen, dichten, sich schnell ausdehnenden Zustand, dem Urknall. Dies ist der erste Moment, in dem wir unser Universum als voller Materie und Strahlung beschreiben können, und wenn wir angesichts der bekannten Gesetze der Physik aus diesem Zustand herauskommen, können wir erklären, wie der Kosmos seine moderne Form angenommen hat. Aber alles expandiert immer noch, bildet neue Sterne und entwickelt sich weiter. Wie wird es enden?, Hier ist, was die Wissenschaft zu sagen hat.

Wissenschaftler, die die Struktur und Entwicklung des Universums untersuchten, betrachteten lange Zeit drei Möglichkeiten, die auf der einfachen Physik der Allgemeinen Relativitätstheorie und dem Kontext des expandierenden Universums beruhten. Einerseits wirkt die Gravitation, um alles zusammenzureißen; Es ist eine attraktive Kraft, die von der Materie und Energie in all ihren Formen im Universum beherrscht wird. Auf der anderen Seite gibt es die anfängliche Expansionsrate, die daran arbeitet, alles auseinander zu treiben.,

Der Urknall markiert den Beginn des größten Rennens aller Zeiten: zwischen Schwerkraft und Expansionsrate. Welcher wird schließlich in unserem Universum gewinnen? Die Antwort auf diese Frage, die klassische Argumentation ging, sollte das Schicksal unseres Universums bestimmen.

Hier ist, was wir dachten, die Möglichkeiten waren:

1. Das Universum erinnert sich in einem großen Knirschen. Die Expansion beginnt schnell, und die große Menge an Materie und Strahlung arbeiten, um alles wieder zusammen zu ziehen. Wenn es mehr als genug Materie und Energie gibt, dehnt sich das Universum auf eine maximale Größe aus, die Expansion kehrt sich zur Kontraktion um und das Universum wird sich zurückerobern.
2. Das Universum dehnt sich für immer aus, was zu einem großen Einfrieren führt., Alles beginnt wie oben, nur diesmal reicht die Menge an Materie und Energie nicht aus, um der Expansion entgegenzuwirken. Das Universum expandiert für immer, da die Expansionsrate immer weiter sinkt, aber nie Null erreicht.
3. Die Expansion des Universums Asymptoten auf Null. Stellen Sie sich die Grenzsituation direkt zwischen den beiden obigen Beispielen vor. Wenn es noch ein Proton gäbe, würden wir uns erinnern; ein weniger, und wir würden für immer expandieren. In diesem kritischen (oder Goldlöckchen) Fall dehnt sich das Universum für immer aus,jedoch mit der langsamsten Geschwindigkeit.,

Um zu wissen, welches richtig war, mussten wir nur messen, wie schnell sich das Universum ausdehnte und wie sich diese Expansionsrate im Laufe der Zeit veränderte. Die Physik würde den Rest bestimmen.

Es war eine der großen Aufgaben von der modernen Astrophysik., Messen Sie die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnte, und Sie wissen, wie sich das Gewebe des Weltraums heute verändert. Messen Sie, wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat, und Sie wissen, wie sich das Raumgefüge in der Vergangenheit verändert hat.

Setzen Sie diese beiden Informationen zusammen, und die Art und Weise, wie die Expansionsrate sowohl ist als auch sich geändert hat, ermöglicht es Ihnen zu bestimmen, woraus das Universum besteht und in welchen Verhältnissen.

Nach bestem Wissen und Gewissen haben wir festgestellt, dass das Universum aus etwa 0,01% Strahlung, 0,1% Neutrinos, 4 besteht.,9% normale Materie, 27% dunkle Materie und 68% dunkle Energie. Diese Suche, die für einige bereits in den 1920er Jahren begann, erhielt Ende der 1990er Jahre eine unerwartete Antwort.

Wenn also dunkle Energie die Expansion des Universums dominiert, was bedeutet das für unser Schicksal? Es hängt alles davon ab, wie — oder ob-sich dunkle Energie mit der Zeit entwickelt. Hier sind die fünf Möglichkeiten.

1.) Dunkle Energie ist eine expansionsherrschende kosmologische Konstante. Dies ist die Standardoption angesichts der besten Daten, die wir heute haben. Während Materie mit der Ausdehnung des Universums weniger dicht wird und sich mit der Ausdehnung des Volumens verdünnt, stellt dunkle Energie eine dem Raumgewebe selbst innewohnende Energiemenge ungleich Null dar., Wenn sich das Universum ausdehnt, bleibt die dunkle Energiedichte konstant, wodurch die Expansionsrate nicht auf Null, sondern auf einen positiven Wert asymptotisch wird.

Dies führt zu einem exponentiell expandierenden Universum und wird schließlich alles wegschieben, was nicht Teil unserer lokalen Gruppe ist. 97% des sichtbaren Universums sind unter diesen Bedingungen bereits unerreichbar.

2.,) Dunkle Energie ist dynamisch und wird mit der Zeit mächtiger. Dunkle Energie scheint eine neue Form von Energie zu sein, die dem Raum selbst innewohnt, was bedeutet, dass sie eine konstante Energiedichte hat. Aber es könnte sich auch im Laufe der Zeit ändern. Ein möglicher Weg, wie es sich ändern könnte, ist, dass es sich in der Größe verstärken könnte, was dazu führen würde, dass sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit beschleunigt.

Weit entfernte Objekte scheinen sich nicht nur von uns weg zu beschleunigen, sie würden dies mit zunehmender Geschwindigkeit tun., Schlimmer noch, Objekte, die heute gravitativ gebunden sind — wie Galaxienhaufen, einzelne Galaxien, Sonnensystem und sogar Atome — würden eines Tages alle ungebunden werden, wenn sich dunkle Energie verstärkt. In den letzten Momenten des Universums würden subatomare Teilchen und das Gewebe des Weltraums selbst auseinandergerissen. Dieses“ Big Rip “ – Schicksal ist eine zweite Möglichkeit.

3.) Dunkle Energie ist dynamisch und zerfällt mit der Zeit. Wie sonst könnte sich dunkle Energie ändern? Anstatt sich zu stärken, könnte es schwächer werden. Sicher, die Expansionsrate stimmt mit einer konstanten Energiemenge überein, die zum Raum selbst gehört, aber diese Energiedichte könnte auch sinken.

Wenn es auf Null abfällt, könnte dies zu einer der oben ausgedrückten ursprünglichen Möglichkeiten führen: dem großen Einfrieren., Das Universum würde sich immer noch ausdehnen, aber ohne genügend Materie und andere Energieformen, um sich zu erholen.

Wenn es abfällt, um negativ zu werden, könnte es jedoch zu einer anderen Möglichkeit führen: einem großen Knirschen. Das Universum könnte mit Energie gefüllt sein, die dem Raum innewohnt und plötzlich die Zeichen wechselt und den Raum zum Rückfall bringt. Während die Zeitskala für diese Änderungen viel länger als die Zeit seit dem Urknall beschränkt ist, könnte es immer noch auftreten.

4.) Dunkle Energie könnte in eine andere Form von Energie übergehen und das Universum verjüngen. Wenn dunkle Energie nicht zerfällt, sondern konstant bleibt oder sich sogar verstärkt, besteht eine andere Möglichkeit. Diese Energie, die dem heutigen Raumgewebe innewohnt, bleibt möglicherweise nicht für immer in dieser Form., Stattdessen könnte es in Materie und Strahlung umgewandelt werden, ähnlich dem, was geschah, als die kosmische Inflation endete und der heiße Urknall begann.

Wenn die dunkle Energie bis zu diesem Punkt konstant bleibt, erzeugt sie eine sehr, sehr kalte und diffuse Version des heißen Urknalls, in der sich nur Neutrinos und Photonen selbst erzeugen können. Aber wenn dunkle Energie an Stärke zunimmt, könnte dies zu einem inflationsähnlichen Zustand führen, gefolgt von einem neuen, wirklich heißen Urknall., Dies ist der einfachste Weg, um das Universum zu verjüngen und einen zyklischen Satz von Parametern zu erstellen, bei denen das neu geschaffene Universum eine weitere Chance erhält, sich genau wie bei uns zu verhalten.

5.) Dunkle Energie steht im Zusammenhang mit der Nullpunktenergie des Quantenvakuums und wird zerfallen und das Universum zerstören, das wir kennen. Dies ist die zerstörerischste Möglichkeit von allen., Was ist, wenn dunkle Energie nicht der wahre Wert des leeren Raums in der Konfiguration mit der niedrigsten Energie ist, sondern das Ergebnis von Symmetrien ist, die früh im Universum in eine Konfiguration mit falschem Minimum zerbrochen sind?

Wenn ja, gäbe es eine Möglichkeit, es in einen Zustand niedrigerer Energie zu quantentunneln, die Gesetze der Physik zu ändern und alle gebundenen Zustände (dh Teilchen) von Quantenfeldern heute zu zerstören. Wenn das Quantenvakuum auf diese Weise instabil ist, führt dies überall dort, wo dieser Zerfall auftritt, zur Zerstörung von allem im Universum in einer Blase, die sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen ausdehnt., Wenn ein solches Signal uns jemals erreichen würde, würde es auch von unserer sofortigen Zerstörung begleitet sein.

Obwohl wir nicht wissen, welche dieser Möglichkeiten für unser Universum zutrifft, stimmen die Daten unglaublich mit der ersten Option überein: Dunkle Energie ist wirklich eine Konstante. Gerade jetzt, Unsere Beobachtungen, wie sich das Universum entwickelt hat — insbesondere aufgrund der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und der großräumigen Struktur des Universums-stellen enge Einschränkungen dar, wie viel Spielraum es für dunkle Energie gibt, sich zu verändern.,

Mit dem bevorstehenden Aufkommen der Flaggschiff-Astrophysik-Mission der NASA der 2020er Jahre, WFIRST, sind wir bereit, diesen Spielraum um vielleicht einen weiteren Faktor von 10 oder so zu verschärfen. Wenn dunkle Energie Hinweise darauf gibt, dass unser Schicksal anders sein wird als das, das wir heute erwarten, wird dieses Observatorium die beste Chance haben, diese neue Wahrheit über unser Universum wissenschaftlich zu enthüllen. Bis dahin haben wir nur die Möglichkeiten, die wir zu berücksichtigen wissen. Der Rest liegt bei der Wissenschaft.