De fem sätt universum kan sluta

tittar ut på universum idag är det lätt att vara helt vördad av allt vi kan hitta. Stjärnorna i vår natthimlen är bara en bråkdel – några tusen av hundratals miljarder-av vad som finns i vår Vintergatan., Vintergatan är bara en ensam galax av trillioner som finns i det observerbara universum, som sträcker sig i alla riktningar i cirka 46 miljarder ljusår.

och allt började för ungefär 13,8 miljarder år sedan från ett varmt, tätt, snabbt växande tillstånd som kallas Big Bang. Det är det första ögonblicket där vi kan beskriva vårt universum som fullt av materia och strålning, och att gå framåt från det tillståndet med tanke på de kända fysikens lagar gör det möjligt för oss att förklara hur kosmos tog sin moderna form. Men allt expanderar fortfarande, bildar nya stjärnor och utvecklas. Hur kommer det att sluta?, Här är vad vetenskapen har att säga.

under lång tid ansåg forskare som studerade universums struktur och utveckling tre möjligheter, baserade på den allmänna relativitetens enkla fysik och sammanhanget för det expanderande universum. Å ena sidan arbetar gravitation för att dra allt ihop; det är en attraktiv kraft som styrs av materia och energi, i alla deras former, närvarande i universum. Å andra sidan finns det den ursprungliga expansionshastigheten, som arbetar för att driva allt ifrån varandra.,

Big Bang markerar startpistolen för den största tävlingen genom tiderna: mellan tyngdkraften och expansionshastigheten. Vilken kommer så småningom att vinna i vårt universum? Svaret på den frågan, den klassiska resonemanget gick, borde bestämma vårt universums öde.

här är vad vi trodde möjligheterna var:

1. universum minns i en stor Crunch. Expansionen börjar snabbt, och den stora mängden materia och strålning arbetar för att dra allt tillbaka ihop. Om det finns mer än tillräckligt med Materia och energi, kommer universum att expandera till någon maximal storlek, expansionen kommer att vända till sammandragning, och universum kommer att minnas.
2. universum expanderar för alltid, vilket resulterar i en stor frysning., Allt börjar på samma sätt som ovan, bara den här gången är mängden materia och energi otillräcklig för att motverka expansionen. Universum fortsätter att expandera för alltid, eftersom expansionshastigheten fortsätter att sjunka men aldrig når noll.
3. universums expansion asymptoter till noll. Föreställ dig gränsläget mellan ovanstående två exempel. Om det fanns ytterligare en proton, skulle vi minnas; en Färre, och vi skulle expandera för alltid. I detta kritiska (eller Goldilocks) fall expanderar universum för alltid, men med den långsammaste möjliga hastigheten.,

för att veta vilken som var korrekt var allt vi behövde göra att mäta hur snabbt universum expanderade och hur expansionshastigheten förändrades över tiden. Fysiken skulle avgöra resten.

det var en av de stora uppdrag moderna astrofysik., Mät i vilken takt universum expanderade, och du vet hur rymdens Tyg förändras idag. Mät hur expansionshastigheten har förändrats över tiden, och du vet hur rymdens Tyg förändrats tidigare.

sätt dessa två bitar av information tillsammans, och hur expansionshastigheten både är och också har förändrats kan du bestämma vad universum är gjord av och i vilka förhållanden.

efter bästa möjliga kunskap, informerad av dessa mätningar, har vi bestämt att universum är tillverkat av ca 0.01% strålning, 0.1% neutriner, 4.,9% normal Materia, 27% Mörk materia och 68% mörk energi. Denna strävan, som började så tidigt som 1920-talet för vissa, fick ett oväntat svar i slutet av 1990-talet.

så om mörk energi dominerar universums expansion, vad betyder det för vårt öde? Allt beror på hur — eller om — mörk energi utvecklas med tiden. Här är de fem möjligheterna.

1.) Mörk energi är en expansionsdominerande kosmologisk konstant. Detta är standardalternativet med tanke på de bästa data vi har idag. Medan materien blir mindre tät när universum expanderar, utspädning när volymen expanderar, representerar mörk energi en icke-noll mängd energi som är inneboende för själva rymdens Tyg., När universum expanderar, förblir den mörka energitätheten konstant, vilket gör att expansionshastigheten till asymptoten inte till noll, men ett positivt värde.

detta leder till ett exponentiellt expanderande universum, och kommer så småningom att driva bort allt som inte ingår i vår lokala grupp. Redan är 97% av det synliga universum otillgängligt under dessa förhållanden.

2.,) Mörk energi är dynamisk och växer kraftfullare över tiden. Mörk energi verkar vara en ny form av energi som är inneboende för rymden själv, vilket innebär att den har en konstant energitäthet. Men det kan också förändras över tiden. Ett möjligt sätt att det kan förändras är att det kan stärka i storleksordning, vilket skulle leda till att universums expansionshastighet påskyndas över tiden.

inte bara skulle mer avlägsna objekt verkar accelerera bort från oss, de skulle göra det i ökande takt., Ännu värre, objekt som nu är gravitationsbundna idag — som galaxhopar, enskilda galaxer, solsystem och till och med atomer — skulle alla en dag bli obundna när mörk energi stärks. I universums sista stunder skulle subatomiska partiklar och själva rymdens Tyg slitas sönder. Detta” Big Rip ” öde är en andra möjlighet.

3.) Mörk energi är dynamisk och sönderfaller över tiden. Hur annars kan mörk energi förändras? I stället för att stärka kan det försvagas. Visst är expansionshastigheten förenlig med en konstant mängd energi som hör till rymden själv, men denna energitäthet kan också falla.

om det försvinner till noll kan det leda till en av de ursprungliga möjligheterna som uttrycks ovan: den stora frysningen., Universum skulle fortfarande expandera, men utan tillräckligt med Materia och andra former av energi för att minnas.

om det försvinner för att bli negativt, kan det dock leda till en annan av möjligheterna: en stor Crunch. Universum kan fyllas med energi inneboende till rymden som plötsligt bytte tecken och orsakade utrymme att minnas. Även om tidsplanen för dessa förändringar är begränsad till att vara långt längre än tiden sedan Big Bang, kan det fortfarande förekomma.

4.) Mörk energi kan övergå till en annan form av energi, föryngra universum. Om mörk energi inte förfaller, men istället förblir konstant eller till och med stärker, finns det en annan möjlighet som uppstår. Denna energi, som är inneboende i rymdens Tyg idag, kanske inte förblir i den formen för alltid., Istället kunde det omvandlas till Materia-och-strålning, som liknar vad som hände när kosmisk inflation slutade och den heta Big Bang började.

om mörk energi förblir konstant fram till den punkten kommer den att skapa en mycket, mycket kall och diffus version av den heta Big Bang, där endast neutriner och fotoner kan skapa sig själv. Men om mörk energi ökar i styrka kan det leda till ett inflationsliknande tillstånd följt av en ny, riktigt het Big Bang igen., Detta är det enklaste sättet att föryngra universum och skapa en cyklisk liknande uppsättning parametrar, där det nyskapade universum får en annan chans att uppträda precis som vårt gjorde.

5.) Mörk energi är relaterad till kvantvakuumets nollpunktsenergi, och kommer att förfalla och förstöra universum vi känner till. Detta är den mest destruktiva möjligheten för alla., Vad händer om mörk energi inte är det sanna värdet av tomt utrymme i den lägsta energikonfigurationen, men är resultatet av symmetrier tidigt i universum som har brutit sig in i en falsk minimal konfiguration?

om så är fallet skulle det finnas ett sätt för det att kvanttunneln till ett lägre energitillstånd, ändra fysikens lagar och förstöra alla bundna tillstånd (dvs. partiklar) av kvantfält idag. Om kvantvakuumet är instabilt på detta sätt, kommer varhelst detta förfall inträffar att leda till att allt förstörs i universum i en bubbla som expanderar utåt med ljusets hastighet., Om en sådan signal någonsin nått oss, skulle den åtföljas av vår momentana förstörelse också.

Även om vi inte vet vilka av dessa möjligheter som gäller för vårt universum, är data otroligt överensstämmande med det första alternativet: av mörk energi är verkligen en konstant. Just nu, våra observationer av hur universum har utvecklats-särskilt på grund av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen och universums storskaliga struktur — placera snäva begränsningar på hur mycket wiggle-rum det finns för mörk energi att förändras.,

med den kommande tillkomsten av NASA: s flaggskepps astrofysik uppdrag av 2020-talet, WFIRST, är vi redo att skärpa det wiggle-rummet med kanske en annan faktor på 10 eller så. Om mörk energi ger några indikationer på att vårt öde kommer att skilja sig från det vi förväntar oss idag, kommer observatoriet att vara det med bästa chans att vetenskapligt avslöja denna nya sanning om vårt universum. Fram till dess, allt vi har är de möjligheter vi vet att överväga. Resten är upp till vetenskapen.