Будущее Вселенной с точки зрения современной космологии: вечное расширение или пульсация
Введение.
Наша современная картина Вселенной начала собираться воедино только в 1920-х годах, вскоре после того, как Альберт Эйнштейн разработал теорию общей относительности, математическую структуру, которая описывает гравитацию как следствие изгиба пространства и времени.
«Прежде чем вы поймете природу гравитации, вы не сможете составить теорию, почему вещи такие, какие они есть», - сказал Стейнхардт. Другие силы оказывают большее влияние на частицы, но гравитация является основным игроком на арене планет, звезд и галактик. Описание гравитации Исаака Ньютона часто работает и в этой области, но оно рассматривает пространство (и время) как жесткий и неизменный фон для измерения событий. Работа Эйнштейна показала, что само пространство может расширяться и сжиматься, перемещая вселенную от сцены к актеру и превращая ее в драку как динамический объект для изучения.
Актуальность темы заключается в том,что в течение тысяч лет люди наблюдали за звездами и задавались вопросом, как возникла Вселенная. Но только в годы Первой мировой войны исследователи разработали первые наблюдательные инструменты и теоретические инструменты, чтобы превратить эти большие вопросы в точную область исследования: космология.
Цель работы – рассмотреть будущее Вселенной с точки зрения современной космологии.
Задачи:
Охарактеризовать основные этапы изучения Вселенной;
Проанализировать будущее Вселенной.
Предмет - будущее Вселенной.
Объект – Вселенная.
Основные этапы изучения Вселенной в космологии.
В середине 1920-х годов астроном Эдвин Хаббл провел наблюдения с недавно построенного 100-дюймового телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон в Калифорнии. Он пытался уладить дискуссию о местонахождении некоторых облаков в космосе, которые могли видеть астрономы. Хаббл доказал, что эти "туманности" не были небольшими локальными облаками, а представляли собой огромные, далекие звездные скопления, похожие на наш собственный Млечный путь - "островные вселенные" на языке того времени. Сегодня мы называем их галактиками и знаем, что их число исчисляется триллионами.
Самые большие потрясения в космической перспективе были еще впереди. Работа Хаббла в конце 1920-х годов показала, что галактики во всех направлениях удаляются от нас, вызывая десятилетия дальнейших дебатов. Возможные измерения космического микроволнового фона - света, оставшегося от ранних лет вселенной и с тех пор растянутого до микроволн, - в 1960-х годах доказали, что реальность соответствует одной из возможностей, предлагаемых общей теорией относительности: Вселенная с тех пор становится все больше и холоднее. Эта концепция стала известной как теория Большого взрыва , и она коснулась космологов, потому что она подразумевала, что даже вселенная может иметь начало и конец.
Космологи предполагали, что звезды не образовывались в течение еще 180 миллионов лет. Но, по крайней мере, эти астрономы могли видеть движение галактик в своих телескопах. По словам Фаррара, одним из самых сейсмических сдвигов в космологии является идея о том, что подавляющее большинство вещей здесь сделано из чего-то другого, чего-то совершенно невидимого. Материал, который мы видим, составляет чуть больше космической ошибки округления - всего около 5% всего во вселенной.
Первый обитатель остальных 95% вселенной, так называемый «темный сектор», возродился в 1970-х годах. Тогда астроном Вера Рубин поняла, что галактики вращаются вокруг так быстро, что они должны раскрутиться . Фаррар сказал, что материя, скрепляющая галактики, должна быть чем-то совершенно непонятным, совершенно неизвестным физикам. Галактики, которые мы видим, являются просто ядрами в центре колоссальных сфер "темной материи". Волокна видимой материи, простирающиеся по всей вселенной, висят на темной раме, которая перевешивает видимые частицы в пять раз.
Космический телескоп Хаббл обнаружил признаки неожиданного разнообразия энергии, которое, по словам космологов, составляет оставшиеся 70% Вселенной после учета темной материи (25%) и видимой материи (5%) в 1990-х годах, когда она разогнал расширение вселенной как нечто ускоряющееся. «Темная энергия», возможно, тип энергии, присущей самому пространству , раздвигает вселенную быстрее, чем гравитация может сблизить космос. Через триллион лет все астрономы, оставшиеся в Млечном Пути, окажутся в настоящей островной вселенной, окутанной тьмой.
«Мы находимся на переходном этапе в истории Вселенной, где доминирует материя, где доминирует новая форма энергии», - сказал Стейнхардт. «Темная материя определила наше прошлое. Темная энергия определит наше будущее».PLAY SOUND
Современная космология объединяет эти знаковые открытия в свое выдающееся достижение - модель Lambda-CDM . Иногда этот набор уравнений, называемый стандартной моделью космологии, описывает вселенную примерно с первой секунды. Модель предполагает определенное количество темной энергии (лямбда, для ее представления в общей теории относительности) и холодной темной материи (CDM) и делает аналогичные предположения о количестве видимой материи, форме Вселенной и других характеристиках, все это определяется экспериментами
.
Каким бы успешным ни был Lambda-CDM, у него все еще есть много изломов, которые нужно проработать. Космологи получают противоречивые результаты, когда пытаются изучить текущее расширение Вселенной, в зависимости от того, измеряют ли они его непосредственно в близлежащих галактиках или выводят его из CMB. Эта модель также ничего не говорит о составе темной материи или энергии.
Затем наступает беспокойная первая секунда существования, когда вселенная предположительно перешла от бесконечно малого пятнышка к релятивистски добродушному пузырю. « Инфляция » является популярной теорией, которая пытается справиться с этим периодом, объясняя, как короткий момент еще более быстрого расширения взорвал крошечные изначальные вариации в крупномасштабной неравномерности сегодняшних галактик, а также как входы Lambda-CDM получили свои значения.
Никто не знает, как инфляция работала в деталях, или почему она остановилась там, где предположительно это произошло. Считается, что инфляция должна была продолжаться во многих областях космоса, подразумевая, что наша вселенная - это всего лишь один кусочек «мультивселенной», содержащей все возможные физические реальности - непроверяемая идея, которую многие экспериментаторы находят тревожной.
Эта теория рассматривает нашу вселенную лишь как один из многих «пузырей», которые выросли как часть мультивселенной вследствие вакуума, который не распался до своего основного состояния. Американские физики Хью Эверетт III и Брайс ДеВитт в 1960-х и 1970-х годах первоначально разработали и популяризировали свою формулировку мультивселенной «много миров» . Также были разработаны альтернативные версии, где наша наблюдаемая вселенная является лишь одной крошечной организованной частью бесконечно большого космоса, который в значительной степени находится в состоянии хаоса, или где наша организованная Вселенная - это всего лишь один временный эпизод в бесконечной последовательности в основном хаотичных и неорганизованных механизмов.
Чтобы добиться прогресса по таким вопросам, как эти, космологи обращаются к точным измерениям из космических телескопов, таких как космический телескоп Хаббла и предстоящий космический телескоп Джеймса Вебба, а также к экспериментам в новой области астрономии гравитационных волн. Подобно тому, как космология не может начаться, пока не созреют другие отрасли физики, она не сможет завершить раскрытие истории вселенной, пока другие области не станут более полными.
Будущее Вселенной
Итак, телескопы позволяют нам изучать наше окружение, видеть космос и понимать законы физики, которые уступили место развитию многоклеточных форм жизни. Телескопы также являются машинами времени. Через них мы можем оглянуться назад на историю нашей вселенной и увидеть некоторые из самых первых небесных объектов, которые были рождены после Большого взрыва.
Но телескопы позволяют нам видеть гораздо больше, чем наше прошлое. С ними мы видим наше будущее.
Мы можем определить скорость, с которой расширяется Вселенная, увидеть, как звезды рождаются и умирают в равных пропорциях, обнаруживать изменения в атмосфере далеких экзопланет и многое другое.
Говорят, что из-за ускоряющегося расширения Вселенной небо, которое мы наблюдаем сегодня, будет радикально отличаться от того, которое будет существовать через несколько триллионов (или даже миллиардов) лет.
Итак, если предположить, что вселенная существует в состоянии, аналогичном тому, как она есть сейчас - без большого разрыва, большого замораживания, большого отскокая или каких-либо других сценариев окончания космоса - что увидят наши потомки, когда они посмотрят в огромные просторы космоса? Или, скорее, что они не увидят?
Вот что ждет нас в будущем.
1 000 000 Лет - Новый Соперник Солнца
Бетельгейзе, также известная как Альфа Орионис, расположена примерно в 640 световых годах от Земли в созвездии Ориона и является одной из самых больших и ярких звезд в нашем галактическом районе. Она может поглотить наше Солнце.Предполагается, что Бетельгейзе может стать сверхновой звездой в любое время в течение следующего миллиона лет.
1,4 Миллиона Лет - Бурные Времена
Модели, обнаруженные в 2010 году, говорят, что звезда-изгой может серьезно расстроить ледяные кометы в облаке Оорта, теоретической области, расположенной на краю нашей солнечной системы. Звезда, предварительно известная как Gliese 710, представляет собой оранжевого карлика, в настоящее время расположенного примерно в 63,8 световых лет от Земли в созвездии Змеи.
Звезды нередко появляются на внешнем конце планетной системы. В этом случае, однако, рассматриваемая солнечная система является нашей. На самом деле, по оценкам, каждые 2 миллиона лет в нашу галактическую окрестность прибывает жулик, который определяется как область, простирающаяся примерно на 3,26 световых лет от Солнца.
Последняя из этих звезд-изгоев, Gliese 208, прошла в четырех световых годах от нас около полумиллиона лет назад. Перейдите вперед на 1,4 миллиона лет в будущем, и вы обнаружите, что есть 86-процентный шанс, что Gliese 710 окажется в полсекунде от Солнца, места, где бродят миллионы комет. Если бы динозавры все еще были рядом, я уверен, что они не одобрили бы.
Звезды Получают Кольца
Фобос, один из двух естественных спутников Марса, расположен примерно в 9 400 км от центра Марса и примерно в 6000 км над поверхностью планеты. Луна вращается вокруг своей родительской планеты с расстояния, меньшего, чем у любой другой известной луны в нашей солнечной системе.
Из-за этого небольшого расстояния от Марса Фобос совершает одну полную орбиту вокруг планеты, прежде чем он сможет совершить один полный оборот вокруг своей оси. Если бы кто-то стоял на поверхности Красной планеты и смотрел вверх, Фобос бы пролистал ночное небо чуть менее чем за 4 часа 15 минут.
Сочетание довольно короткого орбитального периода маленькой луны, ее непосредственной близости к планете и приливных взаимодействий между Фобосом и Марсом приводит к дальнейшему уменьшению радиуса орбиты , что в конечном итоге уступит место одной из двух вещей.
Либо Фобос распадется на части и сформирует сложный набор колец, которые могут составить конкуренцию тем, которые классически принадлежат Сатурну, либо Фобос достигнет предела.
4 Миллиарда Лет - Наша Солнечная Система Умирает
Вы знаете поговорку «Все, что живет, должно умереть», верно? Однажды все, кого вы знаете, уйдут, и тогда все, кого они знают, тоже умрут. Наша солнечная система и сама вселенная не застрахованы от таких вещей, хотя они встречают свое разрушение в гораздо более длительном масштабе времени.
К счастью, до того, как Солнце умрет, Земля исчезнет, возможно, поглотится Солнцем, когда она перейдет от звезды главной последовательности к красному гиганту. Независимо от того, выживет Земля или нет при первоначальном расширении Солнца, это, безусловно, будет жареный кусок камня, который не пригоден для обитания человека (или чего-то отдаленно похожего).
Задолго до того, как эти события произойдут, вся вода на планете испарится, холмистая местность зелени увянет, и атмосфера будет навсегда потеряна для космоса.
Если выжившие внешние планеты не будут вынуждены выходить на более широкие орбиты вокруг умирающего Солнца, они могут быть полностью отброшены от нашей солнечной системы. После этого некоторые из ледяных лун могут впервые увидеть проблеск весны, позволяя пройти небольшой промежуток времени, в течение которого они оттаивают и потенциально становятся обитаемыми.
5 Миллиардов Лет
Вскоре галактика Андромеды столкнется с нашим Млечным путем, образуя большую эллиптическую галактику. Некоторые предположили, что мы называем это Milkdromeda. Наша солнечная система в настоящее время может быть найдена в отроге Ориона одного из спиральных рукавов нашей галактики, расположенном примерно в 25 000 световых лет назад от центрального ядра, но после слияния она, как ожидается, будет отодвинута назад примерно до 100 000 световых лет от центра галактики.
Центральный регион новообразованной Милкдромеды претерпит резкое изменение собственной фазы. Слияние неизбежно приведет к тому, что сверхмассивные черные дыры обеих галактик объединятся, чтобы сформировать сверхмассивную черную дыру с объединенной массой миллиардов Солнц.
В ходе постепенного процесса этого слияния, которое будет происходить в течение сотен миллионов лет, маловероятно, что любые две звезды или планеты столкнутся. Тем не менее, новая жизнь неизбежна. Наряду с поглощением всех звезд, планет и черных дыр Андромеды, хранилище сырья для звездообразования будет объединяться, вызывая рождение сотен миллионов новых звезд.
10 Миллиардов Лет - Оседает Пыль
После того, как слияние будет завершено, пыль закончится, оставляя мало доказательств того, что эпическое слияние вообще имело место. Однако, наблюдая за белыми карликами и вычисляя их возраст (и их концентрацию тяжелых металлов), астрономы могут сделать вывод о существовании события, которое вызвало образование яростных звезд в галактике. Такое событие может быть только одно: слияние галактики.
Через неопределенное количество лет образование новой звезды полностью прекратится в новообразованной эллиптической галактике. Как только последние оставшиеся кусочки материала для звездообразования исчезнут, останется галактика, почти полностью лишенная газа и пыли. Часть материала будет переработана, когда первое поколение звезд, созданных в Милкдромеде, взорвется в виде ярких вспышек сверхновых, но на этом этапе лучшие дни нашей галактики будут хорошо и по-настоящему закончены.
Более того, некоторые из самых известных далеких туманностей исчезнут.
100 Миллиардов Лет - Свет Начинает Тускнеть
Через 100 миллиардов лет постоянно ускоряющееся расширение Вселенной, которое чаще всего называют темной энергией, приведет к тому, что все, кроме 1000 членов Сверхскопления Девы - где находится наша галактика, вместе с другими членами нашей локальной группы - станут красными
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
