De vijf manieren waarop het universum zou kunnen eindigen

kijkend naar het universum van vandaag, is het gemakkelijk om absoluut onder de indruk te zijn van alles wat we kunnen vinden. De sterren aan onze nachtelijke hemel zijn slechts een klein deel — een paar duizend van de honderden miljarden — van wat er in onze Melkweg aanwezig is., De Melkweg zelf is slechts één eenzaam sterrenstelsel van de biljoenen die aanwezig zijn in het waarneembare universum, dat zich in alle richtingen uitstrekt voor zo ‘ n 46 miljard lichtjaar.

en het begon allemaal zo ‘ n 13,8 miljard jaar geleden vanuit een hete, dichte, snel uitdijende staat die bekend staat als de Big Bang. Dat is het eerste moment waarop we ons universum kunnen beschrijven als vol materie-en-straling, en een stap vooruit vanuit die staat, gegeven de bekende wetten van de fysica, stelt ons in staat om uit te leggen hoe de kosmos zijn moderne vorm kreeg. Maar het breidt zich nog steeds uit, vormt nieuwe sterren en evolueert. Hoe zal het eindigen?, Dit is wat de wetenschap te zeggen heeft.

wetenschappers die de structuur en evolutie van het universum bestudeerden, beschouwden lange tijd drie mogelijkheden, gebaseerd op de eenvoudige fysica van de algemene relativiteitstheorie en de context van het uitdijende universum. Aan de ene kant werkt de zwaartekracht om alles samen te brengen; het is een aantrekkelijke kracht geregeerd door de materie en energie, in al hun vormen, aanwezig in het universum. Aan de andere kant is er de initiële uitbreidingssnelheid, die alles uit elkaar drijft.,

De Big Bang markeert het startschot van de grootste race aller tijden: tussen zwaartekracht en de expansiesnelheid. Welke zal uiteindelijk winnen in ons universum? Het antwoord op die vraag, de klassieke redenering ging, zou het lot van ons universum moeten bepalen.

Hier is wat we dachten dat de mogelijkheden waren:

1. het universum herinnert zich in een grote Crunch. De expansie begint snel, en de grote hoeveelheid materie en straling werken om alles weer samen te trekken. Als er meer dan genoeg materie en energie is, zal het universum zich uitbreiden tot een maximale grootte, de expansie zal terugdraaien naar samentrekking, en het universum zal zich herinneren.
2. het universum breidt voor altijd uit, wat resulteert in een grote bevriezing., Alles begint hetzelfde als hierboven, alleen deze keer is de hoeveelheid materie-en-energie onvoldoende om de expansie tegen te gaan. Het universum blijft voor altijd uitdijen, terwijl de uitdijingssnelheid blijft dalen maar nooit nul bereikt.
3. de asymptoten van het universum tot nul. Stel je de grens tussen de twee bovenstaande voorbeelden voor. Als er nog één proton zou zijn, zouden we ons herinneren, één minder, en zouden we voor altijd uitbreiden. In dit kritieke (of Goudlokje) geval breidt het universum voor altijd uit, maar met de traagst mogelijke snelheid.,

om te weten welke juist was, moesten we alleen meten hoe snel het universum uitdijde, en hoe die uitdijingssnelheid veranderde in de tijd. Natuurkunde zou de rest bepalen.

Het was een van de grote quests van de moderne astrofysica., Meet de snelheid waarmee het heelal uitdijde, en je weet hoe de structuur van de ruimte vandaag verandert. Meet hoe de expansiesnelheid in de loop van de tijd is veranderd, en je weet hoe de structuur van de ruimte in het verleden is veranderd.

voeg deze twee stukjes informatie samen, en de manier waarop de expansiesnelheid zowel is als ook is veranderd, stelt je in staat om te bepalen waaruit het universum bestaat, en in welke verhoudingen.naar ons beste weten, gebaseerd op deze metingen, hebben we vastgesteld dat het heelal bestaat uit ongeveer 0,01% straling, 0,1% neutrino ‘ s, 4.,9% normale materie, 27% donkere materie en 68% donkere energie. Deze zoektocht, die voor sommigen al in de jaren ’20 begon, kreeg eind jaren’ 90 een onverwacht antwoord.

so if dark energy dominates the expansion of the Universe, what do that mean for our fate? Het hangt allemaal af van hoe-of of-donkere energie evolueert met de tijd. Hier zijn de vijf mogelijkheden.

1. Donkere energie is een expansie-dominerende kosmologische constante. Dit is de standaard optie gegeven de beste gegevens die we vandaag hebben. Terwijl materie minder dicht wordt als het universum uitdijt, verdunt als het volume uitdijt, vertegenwoordigt donkere energie een niet-nul hoeveelheid energie die inherent is aan het weefsel van de ruimte zelf., Als het heelal uitdijt, blijft de dichtheid van de donkere energie constant, waardoor de uitdijingssnelheid asymptoot wordt, niet tot nul, maar tot een positieve waarde.

Dit leidt tot een exponentieel uitdijend universum, en zal uiteindelijk alles wegduwen dat geen deel uitmaakt van onze lokale groep. Nu al is 97% van het zichtbare universum onbereikbaar onder deze omstandigheden.

2.,) Donkere energie is dynamisch en wordt in de loop van de tijd krachtiger. Donkere energie lijkt een nieuwe vorm van energie te zijn die inherent is aan de ruimte zelf, wat impliceert dat het een constante energiedichtheid heeft. Maar het kan ook veranderen in de tijd. Een mogelijke manier waarop het zou kunnen veranderen is dat het zou kunnen worden versterkt in omvang, waardoor de uitdijingssnelheid van het universum zou versnellen in de tijd.

niet alleen zouden verder verwijderde objecten lijken weg te versnellen van ons, ze zouden dit in een toenemend tempo doen., Nog erger, objecten die nu gravitatiegebonden zijn — zoals melkwegclusters, individuele melkwegstelsels, zonnestelsel en zelfs atomen-zouden op een dag allemaal ongebonden worden als donkere energie versterkt wordt. In de laatste momenten van het universum, zouden subatomaire deeltjes en het weefsel van de ruimte zelf uit elkaar worden gescheurd. Dit “Big Rip” lot is een tweede mogelijkheid.

3. Donkere energie is dynamisch en vergaat na verloop van tijd. Hoe kan donkere energie anders veranderen? In plaats van te versterken, zou het kunnen verzwakken. Zeker, de expansiesnelheid is consistent met een constante hoeveelheid energie die behoort tot de ruimte zelf, maar deze energiedichtheid kan ook dalen.

als het vervalt tot nul, kan het leiden tot een van de oorspronkelijke mogelijkheden hierboven weergegeven: De Big Freeze., Het universum zou nog steeds uitdijen, maar zonder genoeg materie en andere vormen van energie om zich te herinneren.

als het wegvalt om negatief te worden, kan het echter leiden tot een andere van de mogelijkheden: Een Big Crunch. Het universum kan gevuld zijn met energie die inherent is aan de ruimte die plotseling van teken wisselde en de ruimte deed herdenken. Hoewel de tijdschaal voor deze veranderingen beperkt is tot veel langer dan de tijd sinds de oerknal, kan het nog steeds gebeuren.

4. Donkere energie kan overgaan in een andere vorm van energie, waardoor het universum verjongt. Als donkere energie niet afneemt, maar in plaats daarvan constant blijft of zelfs versterkt, is er een andere mogelijkheid die zich voordoet. Deze energie, die inherent is aan het weefsel van de ruimte vandaag, mag niet eeuwig in die vorm blijven., In plaats daarvan kon het worden omgezet in materie-en-straling, vergelijkbaar met wat er gebeurde toen de kosmische inflatie eindigde en de hete oerknal begon.

als donkere energie constant blijft tot dat punt, zal het een zeer, zeer koude en diffuse versie van de hete oerknal creëren, waar alleen neutrino ‘ s en fotonen zelf kunnen creëren. Maar als donkere energie in kracht toeneemt, kan het leiden tot een inflatie-achtige staat gevolgd door een nieuwe, echt hete oerknal opnieuw., Dit is de meest eenvoudige manier om het universum te verjongen, en een cyclisch-achtige set van parameters te creëren, waar het nieuw gecreëerde universum nog een kans krijgt om zich te gedragen zoals het onze deed.

5. Donkere energie is gerelateerd aan de nulpuntsenergie van het kwantumvacuüm, en zal bederven en het universum vernietigen dat we kennen. Dit is de meest destructieve mogelijkheid van allemaal., Wat als donkere energie niet de ware waarde is van lege ruimte in de laagste-energie configuratie, maar het resultaat is van symmetrieën die al vroeg in het universum zijn gebroken in een valse-minimale configuratie?

als dat zo is, zou er een manier zijn voor het kwantum-tunnel in een lagere-energie-staat, het veranderen van de wetten van de fysica en het vernietigen van alle gebonden toestanden (d.w.z., deeltjes) van kwantumvelden vandaag. Als het kwantumvacuüm op deze manier onstabiel is, zal overal waar dit verval plaatsvindt resulteren in de vernietiging van alles in het universum in een bubbel die zich naar buiten uitbreidt met de snelheid van het licht., Als zo ‘ n signaal ons ooit zou bereiken, zou het ook gepaard gaan met onze onmiddellijke vernietiging.

hoewel we niet weten welke van deze mogelijkheden waar is voor ons universum, zijn de gegevens ongelooflijk consistent met de eerste optie: dat donkere energie echt een constante is. Op dit moment leggen onze waarnemingen van hoe het universum is geëvolueerd — vooral door de kosmische achtergrondstraling en de grootschalige structuur van het universum-strakke beperkingen op hoeveel speelruimte er is voor donkere energie om te veranderen.,

met de komst van NASA ‘ s vlaggenschip astrofysica missie van de 2020s, WFIRST, we zijn klaar om te scherpen die wiggle-room met misschien een andere factor van 10 of zo. Als donkere energie aanwijzingen geeft dat ons lot anders zal zijn dan wat we vandaag verwachten, zal dat observatorium degene zijn met de beste kans om wetenschappelijk deze nieuwe waarheid over ons universum te onthullen. Tot die tijd hebben we alleen de mogelijkheden die we kunnen overwegen. De rest is aan de wetenschap.