Универзум је већ у својој шестој и последњој ери

Izvor: BIG THINK

Од пре Великог праска до данас, Универзум пролази кроз многе епохе. Тамна енергија најављује коначну.

Илустрација наше космичке историје, од Великог праска до данас, у контексту ширења Универзума. Не можемо бити сигурни, упркос ономе што су многи тврдили, да је Универзум почео из сингуларности. Међутим, можемо да разбијемо илустрацију коју видите на различите ере на основу особина које је Универзум имао у тим одређеним временима. Већ смо у 6. и последњој ери Универзума. (Заслуге:NASA/WMAP science team)

Од космичке инфлације до супе преко исконских честица до ширења, хлађења, Универзум је прошао кроз многе важне фазе у нашој космичкој историји. Пре око 6 милијарди година, међутим, нови облик енергије почео је да доминира ширењем Универзума: тамна енергија, која сада одређује нашу космичку судбину. Ера у којој живимо, у којој тамна енергија доминира ширењем Универзума, је последња коју ће наш Универзум икада искусити. Ево зашто већ живимо кроз почетак коначног краја.

Универзум данас није исти као што је био јуче. Са сваким тренутком који прође, дешавају се бројне суптилне, али важне промене, чак и ако су многе од њих неприметне на мерљивим, људским временским скалама. Универзум се шири, што значи да се растојања између највећих космичких структура временом повећавају.

Пре секунде, Универзум је био нешто мањи; за секунду од сада, Универзум ће бити мало већи. Али те суптилне промене се нагомилавају у великим, космичким временским оквирима и утичу на више од само растојања. Како се Универзум шири, релативна важност зрачења, материје, неутрина и тамне енергије се мења. Температура Универзума се мења. И оно што бисте видели на небу такође би се драматично променило. Све у свему, постоји шест различитих ера у које можемо разбити Универзум, а ми већ живимо у последњој.

Разлог за то се може разумети кроз горњи графикон. Све што постоји у нашем Универзуму има одређену количину енергије у себи: материја, зрачење, тамна енергија, итд. Како се Универзум шири, запремина коју ови облици енергије заузимају се мења, и сваки од њих ће имати своју густину енергије различито еволуирати. Конкретно, ако дефинишемо видљиви хоризонт променљивом  а , онда:

• материја ће имати своју густину енергије еволуирати као 1/ а 3 , пошто је (за материју) густина само маса преко запремине, а маса се лако може претворити у енергију преко  Е = mc²
• радијација ће имати енергетску Еволве густине као 1 / а 4 , пошто (радијацију) густина број је број честица подељен по запремини, а енергија сваког појединачног фотона истезања као универзум шири, додајући додатни фактор од 1 / однос  према материји
• тамна енергија је својство самог простора, тако да њена густина енергије остаје константна (1/ а 0 ), без обзира на ширење или запремину Универзума

Визуелна историја Универзума који се шири укључује вруће, густо стање познато као Велики прасак и раст и формирање структуре након тога. Комплетан скуп података, укључујући посматрања светлосних елемената и космичке микроталасне позадине, оставља само Велики прасак као валидно објашњење за све што видимо. Како се Универзум шири, он се такође хлади, омогућавајући формирање јона, неутралних атома и на крају молекула, гасних облака, звезда и коначно галаксија. ( Захваљујући : NASA/WMAP science team)

Универзум који постоји дуже, стога ће се више проширити. Биће хладније у будућности, а топлије у прошлости; био је гравитационо уједначенији у прошлости, а сада је незграпнији; био је мањи у прошлости и биће много, много већи у будућности.

Применом закона физике на Универзум и упоређивањем могућих решења са запажањима и мерењима која смо добили, можемо да утврдимо одакле смо дошли и куда смо кренули. Можемо екстраполирати нашу историју све до почетка врућег Великог праска, па чак и пре, до периода  космичке инфлације . Можемо екстраполирати наш тренутни Универзум иу далеку будућност, и предвидети коначну судбину која чека све што постоји.

Цела наша космичка историја је теоретски добро схваћена, али само зато што разумемо теорију гравитације која је у њеној основи, и зато што знамо тренутну брзину ширења Универзума и енергетски састав. Светлост ће увек наставити да се шири кроз овај Универзум који се шири, а ми ћемо наставити да примамо ту светлост произвољно далеко у будућност, али ће она бити временски ограничена колико до нас стигне. Мораћемо да испитамо слабије осветљености и веће таласне дужине да бисмо наставили да видимо тренутно видљиве објекте, али то су технолошка, а не физичка ограничења. ( Заслуге : Nicole Rager Fuller/National Science Foundation)

Када повучемо линије раздвајања на основу тога како се Универзум понаша, откривамо да постоји шест различитих ера које ће се догодити.

1. Инфлаторна ера : која је претходила и довела до врућег Великог праска.
2. Ера примордијалне супе : од почетка врућег Великог праска до коначне трансформативне интеракције нуклеарних и честица које се дешавају у раном Универзуму.
3. Плазма ера : од краја нуклеарних интеракција и интеракција честица које се не распршују све док се Универзум не охлади довољно да стабилно формира неутралну материју.
4. Ера мрачног доба : од формирања неутралне материје до првих звезда и галаксија у потпуности рејонизују међугалактички медијум Универзума.
5. Звездана ера : од краја рејонизације до престанка формирања и раста структуре великих размера услед гравитације, када густина тамне енергије доминира над густином материје.
6. Ера тамне енергије : последња фаза нашег универзума, где се експанзија убрзава, а неповезани објекти неопозиво и неповратно се удаљавају један од другог.

Већ смо ушли у ову последњу еру пре више милијарди година. Већина важних догађаја који ће дефинисати историју нашег Универзума већ су се десили.

Квантне флуктуације које се јављају током инфлације протежу се широм Универзума, а када се инфлација заврши, постају флуктуације густине. Ово временом доводи до структуре великих размера у данашњем Универзуму, као и до флуктуација температуре уочених у ЦМБ. То је спектакуларан пример како квантна природа стварности утиче на цео универзум великих размера. (Заслуге: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research)

1.)     Инфлаторна ера . Пре врућег Великог праска, Универзум није био испуњен материјом, антиматеријом, тамном материјом или зрачењем. Није био испуњен никаквим честицама. Уместо тога, био је испуњен обликом енергије својственом самом свемиру: обликом енергије који је проузроковао да се Универзум шири изузетно брзо и неумољиво, на експоненцијални начин.

a.       Протегао је Универзум, из било које геометрије коју је некада имао, у стање које се не може разликовати од просторно равног.

b.      Проширио је мали, узрочно повезан део Универзума на један који је много већи од нашег тренутно видљивог Универзума: већи од тренутног каузалног хоризонта.

c.       Требале су све честице које су можда биле присутне и прошириле Универзум тако брзо да ниједна од њих није остала унутар региона величине нашег видљивог Универзума.

d.      А квантне флуктуације које су се десиле током инфлације створиле су семе структуре које је довело до наше данашње космичке мреже.

А онда је, нагло, пре неких 13,8 милијарди година, престала инфлација. Сва та енергија, некада инхерентна самом свемиру, претворена је у честице, античестице и зрачење. Са овом транзицијом окончана је ера инфлације и почео је врући Велики прасак.

На високим температурама постигнутим у веома младом Универзуму, не само да се честице и фотони могу спонтано створити, дајући довољно енергије, већ и античестице и нестабилне честице, што резултира примордијалном супом честица и античестица. Ипак, чак и са овим условима, може се појавити само неколико специфичних стања, или честица. ( Заслуге : Brookhaven National Laboratory)

2.) Ера исконске супе . Када се свемир који се шири буде испуњен материјом, антиматеријом и зрачењем, охладиће се. Кад год се честице сударе, оне ће произвести све парове честица-античестица које дозвољавају закони физике. Примарно ограничење долази само од енергије укључених судара, пошто је производња регулисана  Е = мc ² .

Како се Универзум хлади, енергија опада и постаје све теже и теже створити масивније парове честица-античестица, али анихилације и друге реакције честица се настављају несмањеном количином. 1-3 секунде након Великог праска, антиматерија је нестала, остављајући само материју иза себе. Три до четири минута након Великог праска може се формирати стабилан деутеријум и долази до нуклеосинтезе лаких елемената. И након неких радиоактивних распада и неколико коначних нуклеарних реакција, све што нам преостаје је врућа (али хладна) јонизована плазма која се састоји од фотона, неутрина, атомских језгара и електрона.

У раним временима (лево), фотони се расипају од електрона и имају довољно енергије да врате било који атом у јонизовано стање. Једном када се Универзум довољно охлади и буде лишен тако високоенергетских фотона (десно), они не могу да ступе у интеракцију са неутралним атомима, већ једноставно слободно струјају, пошто имају погрешну таласну дужину да потакну ове атоме на виши ниво енергије. ( Заслуге : E. Siegel/Beyond the Galaxy)

3.) Плазма ера . Једном када се та лака језгра формирају, они су једини позитивно (електрично) наелектрисани објекти у Универзуму, и свуда су. Наравно, они су уравнотежени једнаком количином негативног наелектрисања у облику електрона. Језгра и електрони формирају атоме, па би могло изгледати сасвим природно да ове две врсте честица одмах пронађу једна другу, формирајући атоме и отварајући пут звездама.

На њихову несрећу, фотони су знатно надмашени - за више од милијарду према један. Сваки пут када се електрон и језгро вежу заједно, наиђе фотон довољно високе енергије и разнесе их. Тек када се Универзум драматично охлади, од милијарди степени до само хиљада степени, неутрални атоми коначно могу да се формирају. (А чак и тада, то је  могуће само због посебног атомског прелаза .)

На почетку ере плазме, енергетским садржајем Универзума доминира зрачење. На крају, доминира нормална и тамна материја. Ова трећа фаза нас води до 380.000 година након Великог праска.

Шематски дијаграм историје Универзума, наглашавајући рејонизацију. Пре него што су се формирале звезде или галаксије, Универзум је био пун неутралних атома који блокирају светлост. Док већина Универзума не постаје рејонизована до 550 милиона година након тога, при чему су неки региони постигли пуну рејонизацију раније, а други касније. Први велики таласи рејонизације почињу да се дешавају око 250 милиона година, док се неколико срећних звезда може формирати само 50 до 100 милиона година након Великог праска. Са правим алатима, као што је свемирски телескоп Џејмс Веб, можда ћемо почети да откривамо најраније галаксије. ( Заслуге : S. G. Djorgovski et al., Caltech. Produced with the help of the Caltech Digital Media Center)

4.) Епоха мрачног доба . Испуњена неутралним атомима, најзад, гравитација може започети процес формирања структуре у Универзуму. Али са свим овим неутралним атомима около, оно што тренутно познајемо као видљива светлост било би невидљиво по целом небу.

Зашто? Зато што су неутрални атоми, посебно у облику космичке прашине, изванредни у блокирању видљиве светлости.

Да би се окончала ова мрачна доба, интергалактички медијум мора бити рејонизован. То захтева огромне количине формирања звезда и огроман број ултраљубичастих фотона, а то захтева време, гравитацију и почетак космичке мреже. Први велики региони рејонизације дешавају се 200 до 250 милиона година након Великог праска, али рејонизација се у просеку не завршава све док Универзум не буде стар 550 милиона година. У овом тренутку, стопа формирања звезда и даље расте, а прва масивна јата галаксија тек почињу да се формирају.

Јато галаксија Абел 370, приказано овде, било је једно од шест масивних галактичких јата снимљених у програму Хуббле Фронтиер Фиелдс. Пошто су и друге велике опсерваторије коришћене за снимање овог региона неба, откривене су хиљаде ултра-удаљених галаксија. Поново их посматрајући са новим научним циљем, Хаблов програм БУФАЛО (Беионд Ултра-дееп Фронтиер Фиелдс Анд Легаци Обсерватионс) ће добити удаљености до ових галаксија, омогућавајући нам да боље разумемо како су се галаксије формирале, еволуирале и расле у нашем Универзуму. Када се комбинује са мерењима светлости унутар кластера, могли бисмо да стекнемо још боље разумевање, преко више линија доказа исте структуре, тамне материје унутра. ( Zasluge: NASA, ESA, A. Koekemoer (STScI), M. Jauzac (Durham University), C. Steinhardt (Niels Bohr Institute), and the BUFFALO team)

5.) Звездана ера . Када се мрачно доба заврши, Универзум постаје провидан за светлост звезда. Велика удубљења космоса су сада доступна, са звездама, звезданим јатом, галаксијама, галаксијским јатом и великом, растућом космичком мрежом која чека да буде откривена. Универзумом доминирају, енергетски, тамна материја и нормална материја, а гравитационо везане структуре настављају да расту све веће и веће.

Стопа формирања звезда расте и расте, достижући врхунац око 3 милијарде година након Великог праска. У овом тренутку, нове галаксије настављају да се формирају, постојеће галаксије настављају да расту и спајају се, а јата галаксија привлаче све више материје у себе. Али количина слободног гаса у галаксијама почиње да опада, пошто су огромне количине формирања звезда потрошиле велику количину. Полако, али постојано, стопа формирања звезда опада.

Како време буде одмицало, звездана стопа смртности ће надмашити стопу наталитета, што је чињеница погоршана следећим изненађењем: Како густина материје опада са ширењем Универзума, нови облик енергије —  тамна енергија  — почиње да се појављује и доминира. Отприлике 7,8 милијарди година након Великог праска, удаљене галаксије престају да успоравају у својој рецесији једна од друге и поново почињу да се убрзавају. Убрзавајући Универзум је пред нама. Нешто касније, 9,2 милијарде година након Великог праска, тамна енергија постаје доминантна компонента енергије у Универзуму. У овом тренутку улазимо у последњу еру.

Различите могуће судбине Универзума, са нашом стварном, убрзаном судбином приказаном на десној страни. Након што прође довољно времена, убрзање ће оставити сваку везану галактичку или супергалактичку структуру потпуно изоловану у Универзуму, пошто све остале структуре неопозиво убрзавају. Можемо само гледати у прошлост да бисмо закључили о присуству и својствима тамне енергије, за које је потребна бар једна константа, али њене импликације су веће за будућност. ( Заслуге : NASA & ESA)

6.) Доба тамне енергије . Када тамна енергија преузме власт, дешава се нешто бизарно: структура великих размера у Универзуму престаје да расте. Објекти који су били гравитационо везани један за други пре преузимања тамне енергије остаће везани, али они који још нису били везани почетком доба тамне енергије никада неће постати везани. Уместо тога, они ће се једноставно убрзати удаљавати један од другог, водећи усамљена постојања у великом пространству ништавила.

Појединачне везане структуре, попут галаксија и група/јата галаксија, на крају ће се спојити и формирати једну џиновску елиптичну галаксију. Постојеће звезде ће умрети; формирање нових звезда ће се успорити до цурења, а затим престати; гравитационе интеракције ће избацити већину звезда у међугалактички понор. Планете ће се спирално увијати у своје родитељске звезде или остатке звезда, због распадања услед гравитационог зрачења. Чак и црне рупе, са изузетно дугим животним веком, на крају ће се распасти од Хокинговог зрачења.

На крају ће остати само црне патуљасте звезде и изоловане масе које су премале да запале нуклеарну фузију, ретко насељене и неповезане једна од друге у овом празном космосу који се стално шири. Ови лешеви у коначном стању ће постојати чак и гоогол годинама надаље, опстојећи јер тамна енергија остаје доминантан фактор у нашем Универзуму. Све док стабилна атомска језгра и ткиво самог свемира не буду подвргнути некој врсти непредвиђених распада, и све док се тамна енергија понаша идентично космолошкој константи каква изгледа да јесте, ова судбина је неизбежна.

Ова последња ера, доминације тамне енергије, већ је почела. Тамна енергија је постала важна за ширење Универзума пре 6 милијарди година и почела је да доминира енергетским садржајем Универзума у ​​време када су се родили наше Сунце и Сунчев систем. Универзум може имати шест јединствених фаза, али за читаву историју Земље, ми смо већ били у последњој. Погледајте добро Универзум око нас. Никада више неће бити овако богат - или тако лако доступан.