Какое будущее ждет Вселенную?

Какой будет Вселенная через 10100 лет? При ее неограниченном расширении все протоны распадутся,
галактики превратятся в черные дыры, а сами черные дыры «испарятся». Если Вселенная в будущем коллапсирует, то процессы ее расширения и сжатия могут циклически повторяться…

В последние годы успехи в изучении взаимодействий элементарных частиц при высоких энергиях способствовали значительному прогрессу в космологии. Попытки описать все основные силы природы как различные проявления одной фундаментальной силы частично оказались успешными в так называемых объединенных теориях взаимодействия элементарных частиц.

Такие теории позволяют хотя бы приближенно описать основные физические процессы в температурном интервале, начиная от крайне низких температур, близких к абсолютному нулю, до температур порядка 1032 К. Они дают возможность составить общее представление о свойствах материи при плотностях, представляющих космологический интерес — от значений меньше 10-300 г/см3 до величин, превышающих 10100 г/см3. Экстремальные условия, свойственные границам указанных интервалов, могут преобладать либо на очень ранних, либо на самых поздних стадиях эволюции Вселенной.

Сравнительно недавно несколько физиков и космологов, в том числе и авторы настоящей статьи, попробовали экстраполировать процесс развития Вселенной в далекое будущее, вплоть до того времени, когда ее возраст достигнет 10100 лет.

Теория Большого взрыва

В основе метода экстраполяции лежит модель Большого взрыва. Согласно этой модели, началом расширения Вселенной послужил взрыв исключительно плотного компактного образования, произошедший
10-20 млрд. лет назад. В настоящее время считается общепризнанным, что эволюцию Вселенной определили первые моменты с начала ее расширения.

Использование терминологии, связанной со взрывом, объясняется тем, что материя и энергия в наблюдаемой Вселенной представляются как бы разлетающимися в пространстве. Правда, термин «Большой взрыв» не совсем удачный, поскольку ассоциируется с наблюдением взрыва как бы со стороны. Наблюдать же «со стороны» взрывное расширение Вселенной, включающей в себя все сущее, в прин-
ципе невозможно.

Само пространство тоже расширяется в том смысле, что все галактики удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными расстоянию между ними. Наблюдателю, находящемуся в нашей Галактике, другие галактики представляются «разбегающимися» от него. Чем дальше галактика, тем с большей скоростью она удаляется от нас.  С увеличением расстояния на 1 млн. световых лет эта скорость возрастает на 17 км/с. Математической основой модели Большого взрыва являются уравнения общей теории относительности Эйнштейна.

Примерно через три минуты после начала расширения Вселенной ядерные реакции привели к синтезу гелия, а также других легких элементов, хотя и в гораздо меньших количествах. Однако Вселенная охладилась слишком быстро, для того чтобы успели образоваться углерод и другие более тяжелые элементы. Поэтому значительная часть водорода сохранилась и послужила ядерным горючим для звезд.

Наблюдаемый избыток вещества по сравнению с антивеществом, возможно, обусловлен реакциями, протекавшими всего через 10 ~ 38 с. после начала расширения. Именно на основе этого предположения большинство объединенных теорий взаимодействия элементарных частиц предсказывают возможность
распада любой ядерной материи.

Из-за недостаточности наших представлений о самых ранних стадиях расширения Вселенной пока нельзя ответить на важнейший вопрос космологии: будет ли Вселенная постоянно расширяться или силы гравитации остановят ее расширение и увлекут пространство и время вновь к состоянию изначального
«огненного шара» ?

Поскольку с помощью экспериментов и наблюдений пока не удается решить вопрос о замкнутости Вселенной, при прогнозировании ее далекого будущего приходится принимать во внимание обе возможности — и ее замкнутость, и открытость.

Открытая Вселенная

Сначала предположим, что критическая плотность не достигается и Вселенная открыта. Что произойдет с ее крупномасштабной структурой (т.е. каково будущее геометрических свойств Вселенной) и локальными образованиями (от протонов до галактик) ?

Согласно современным представлениям, эволюция локальных образований открытой Вселенной должна пройти шесть основных этапов.

  • Первый из них займет 1014 лет после Большого взрыва. За это время у всех звезд выгорит их «горючее». Основным ядерным горючим на протяжении почти всей жизни звезды является водород, который в ее недрах превращается в гелий. После того как большая часть водородного горючего исчерпана, размеры
    звезды быстро увеличиваются в несколько раз, и она становится красным гигантом. На этой стадии гелий превращается в углерод и другие более тяжелые элементы.

Термоядерные реакции в этих процессах «работают» в таком направлении: водород превращается в гелий, гелий в углерод, а углерод в более тяжелые элементы. Эта последовательность превращений обычно
завершается образованием железа. Ядра железа имеют самую низкую полную энергию на единицу массы по
сравнению с указанными элементами, так что при достижении «железного предела» энергия ядерного горючего Вселенной полностью исчерпывается.

  • Второй этап эволюции Вселенной состоит в потере всеми звездами своих планет. Если к звезде, вокруг которой обращается планета (или планеты), приблизится другая звезда на расстояние, не превышающее радиус планетной орбиты, то последняя будет сильно изменена гравитационным полем приблизившейся звезды и планета может улететь в межзвездное пространство. Средний промежуток времени, в течение которого возможна подобная встреча, зависит от концентрации звезд в данной области пространства, радиуса планетных орбит и от скорости сближения звезд.

Концентрацию звезд в пространстве можно оценить по объему, в котором содержится по крайней мере одна звезда. Звезда с обращающейся вокруг нее планетой «заметает» в пространстве цилиндр, размер которого зависит от размера орбиты планеты и от скорости звезды.

Средний интервал времени между звездными сближениями равен времени, необходимому для того, чтобы объем этого цилиндра стал равен объему, содержащему по крайней мере одну звезду. Концентрация звезд в типичной галактике равна примерно одной звезде на 35 кубических световых лет пространства.

По оценке Ф. Дайсона (Институт высших исследований в Принстоне, США), средний радиус орбиты планеты примерно равен 100 млн. км, а скорость движения звезды в пространстве составляет 50 км/с. Объем цилиндра, «заметаемого» движущейся планетной системой, окажется по прошествии 1015 лет равным 35 кубическим световым годам, поэтому встреча с другой звездой в течение этого промежутка времени вполне возможна.

На основании этого можно предположить, что примерно через 100 подобных сближений звезда лишится всех своих планет; следовательно, за время, равное 100 * 1015 лет, т.е. за 1017 лет, все звезды потеряют свои планеты.

  • Третий этап эволюции Вселенной — результат еще больших сближений звезд. Когда две звезды проходят близко друг от друга, гравитационное взаимодействие между ними способно передать кинетическую энергию от одной звезды к другой. При достаточно большом сближении одна из звезд может приобрести настолько высокую скорость, что «вылетит» из галактики. В силу закона сохранения
    энергии кинетическая энергия второй звезды при этом соответственно уменьшится. В итоге эта звезда приблизится к ядру галактики.

Этот этап может быть назван этапом испарения галактик. Взаимодействие звезд воспроизводит в гигантском
масштабе взаимодействие молекул, испаряющихся с поверхности жидкости. Сходный по характеру обмен энергией, возможно, приведет к тому, что не только звезды, но и значительная часть межзвездного газа также покинет галактики.

После того как примерно 90 % массы галактик испарится, гравитационное поле станет «собирать» оставшиеся звезды и вещество в ядро с возрастающей плотностью. Галактики, которые мы наблюдаем в настоящее время, по-видимому, имеют в центре сверхмассивную черную дыру — область пространства, которую не могут покинуть ни вещество, ни излучение (не принимая во внимание особый случай, связанный с законами квантовой механики).

Даже если никакой черной дыры в центре галактики не существует, плотность ее ядра, вероятно, возрастет настолько, что гравитационные силы преодолеют сопротивление, оказываемое давлением газа, и ядро катастрофически быстро сожмется (коллапсирует). В результате образуется сверхмассивная черная дыра.

Расчеты, аналогичные проведенным нами для случая потери планет звездами, показывают, что испарение звезд из галактик, сопровождающееся коллапсом последних, произойдет к тому времени, когда возраст Вселенной достигнет 1018 лет.

  • Четвертый и пятый этапы эволюции открытой Вселенной — это космологические явления в поздних ее стадиях, предсказываемые большинством объединенных теорий взаимодействия элементарных частиц. Правда, эти явления не играют существенной роли, пока возраст Вселенной после эпохи коллапса галактик не увеличится по меньшей мере еще в 100 раз.

Если протон подвержен распаду, то процесс этот окажет существенное влияние на те звезды, которые не будут поглощены черными дырами в центре галактик. Это звезды, испарившиеся из галактик. Распад протонов и нейтронов будет поддерживать температуру звездного вещества, гораздо более высокую по сравнению с межзвездной средой.

Если предположить, что время жизни протона составляет 1030 лет, то скорость распада в звезде размером с
Солнце должна быть порядка 1027 протонов в год. Распад каждого протона порождает ливень энергетических электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Все эти дочерние частицы, за исключением нейтрино, поглощаются звездой, и поглощенная энергия поддерживает высокую температуру звездного вещества.

Точное значение температуры звезды в эпоху протонного распада можно определить следующим образом. Предположим, что интенсивность излучения звезды равна количеству тепловой энергии, выделяемой в единицу времени при распаде протонов. В этом равновесном состоянии температура зависит от массы звезды, площади поверхности, с которой излучается тепло, энергии покоя и времени жизни протона.

Вычисления показывают, что равновесная температура составляет 100 К для самых массивных «мертвых» звезд (которые, как это ни парадоксально, имеют наименьшие размеры) и примерно 3 К для больших по
размеру и менее массивных звезд.

Звезды охладятся до равновесной температуры к тому времени, когда возраст Вселенной составит 1020 лет,
после этого их температура будет оставаться примерно постоянной до тех пор, пока большая часть протонов не распадется. Возраст Вселенной к этому времени достигнет 1030 лет.

Интенсивность излучения звезд будет относительно невысокой, но отнюдь не ниже интенсивности фонового излучения, связанного с Большим взрывом. Температура, соответствующая фоновому излучению, зависит от свойств открытой расширяющейся Вселенной. Если плотность Вселенной меньше критической, то к тому времени, когда ее возраст достигнет 1030, эта температура уменьшится до 10-20 К.

С другой стороны, если плотность в точности равна критической, то Вселенная будет расширяться медленнее и температура, соответствующая фоновому излучению, уменьшится до 10-13 К. Таким образом, она будет на 13 — 20 порядков ниже температуры «мертвых» звезд.

  • Шестой и последний этап в эволюции открытой Вселенной — это распад черных дыр. Как следует из эйнштейновской теории гравитации, ничто — ни вещество, ни излучение — не может выйти из черной дыры. Существует граница, называемая «горизонтом событий», на которой скорость, необходимая для ухода от черной дыры, оказывается равной скорости света.

Поэтому никакая частица, находящаяся за горизонтом событий, не может приобрести скорость, достаточную для пересечения этой границы. Однако в 1974 г. С. Хокинс из Кембриджского университета (Англия) показал, что в силу законов квантовой механики черная дыра может отдать всю энергию, связанную с ее массой, в результате чего она исчезнет.

Хокинс показал, что интенсивность излучения черной дыры обратно пропорциональна квадрату ее массы.
Сначала эта интенсивность невелика, но по мере уменьшения массы черной дыры она возрастает. Отсюда следует, что все черные дыры должны в конце концов исчезнуть, иначе говоря «испаряться».

К тому времени, когда возраст Вселенной достигнет 10100 лет, все сверхмассивные черные дыры — результат коллапса галактик — испарятся. Эти процессы испарения, в особенности их последние стадии, будут сопровождаться все более нарастающей эмиссией фотонов. Таким образом, в возрасте 10100 лет Вселенная будет состоять из крайне разреженного газа электронов и позитронов, нейтрино и фотонов малой энергии, испущенных задолго до испарения черных дыр, а также многочисленных расширяющихся сфер, состоящих из фотонов высокой энергии, родившихся в процессе испарения черных дыр.

Замкнутая Вселенная

 

Все высказанные выше предположения относятся к открытой Вселенной. Попробуем заглянуть в будущее Вселенной, предположив, что существует достаточное количество несветящейся материи, для того чтобы силы гравитации остановили расширение Вселенной и привели к ее сжатию.

Чем ближе средняя плотность к критическому зна-чению, тем дольше фаза расширения замкнутой Вселенной. Однако мы не знаем таких причин, в силу которых средняя плотность была бы достаточно близкой к критической, для того чтобы Вселенная расширялась в течение времени, достаточного для распада большей части протонов.

Поэтому в фазе максимального расширения замкнутая Вселенная, как и при расширении открытой Вселенной, вероятно, будет состоять из «мертвых» звезд, сверхмассивных черных дыр — остатков галактик, а также нейтрино и фотонов малой энергии.

Основные события в фазе расширения замкнутой Вселенной происходят в той же последовательности, как и события при расширении открытой Вселенной. (Коллапс открытой Вселенной, разумеется, невозможен.) С изучением коллапса связаны работы нескольких исследователей, включая М. Риса из Кембриджского университета (Англия).

По мере увеличения энергии фотонов при сжатии Вселенной они нагревают «мертвые» звезды, что приводит к их быстрому «сгоранию», взрыву или испарению. В процессе возрастания ее плотности черные
дыры поглощают вещество и при столкновении друг с другом сливаются.

Можно рассчитать, что во Вселенной, в которой на каждую галактику приходится по одной сверхмассивной
черной дыре, «мертвые» звезды поглощаются черными дырами вскоре после того, как из них начинает испаряться вещество. Все черные дыры в конце концов сливаются в одну гигантскую черную дыру (коллапс Вселенной).

Что же ждет нашу Вселенную?

Что касается будущего Вселенной, для человека наиболее важным, по-видимому, является вопрос о будущем жизни и разума. Сможет ли разум постоянно поддерживать условия, благоприятные для жизни ?

Несколько космологов, в том числе Дайсон и С. Фраучи из Калифорнийского технологического института, предпринимают в настоящее время попытки анализа путей энергообеспечения жизни в далеком будущем, а также проблем связи при освоении цивилизацией все более удаленных областей космического пространства.

Дайсон полагает, что материальными носителями жизни и сознания совсем не обязательно должны быть
только клетки с их ДНК. Существенной особенностью сознания является определенная сложность структуры, которая в принципе может быть реализована в любом «подходящем материале». Тем самым он полагает, что идея о мыслящем компьютере или о мыслящем облаке не может быть отброшена из общих соображений, как философски неприемлемая.

С учетом этих предположений, изменения космической среды, вызванные гибелью или остыванием звезд и их испарением из галактик, не обязательно будут разрушительными для систем, которые можно считать «живыми» и «разумными».

Например, энергию в принципе, можно «добывать» из гравитационного поля сверхмассивной черной дыры. Однако распад протонов и нейтронов возможно приведет к фундаментальным изменениям, ибо кажется маловероятным, что разум может быть основан на системе из электронов и позитронов. Кроме того,
если Вселенная замкнута, то условия, необходимые для жизни, могут существовать только в определенные периоды в течение каждого цикла.

В открытой Вселенной «границы жизни» иные. С испарением черных дыр наступает космический энергетический кризис, поскольку по мере расширения Вселенной оставшиеся частицы вещества и фотоны теряют свою энергию. Любая постоянная скорость потребления энергии произвольными формами жизни в конце концов окажется недостаточной.

С другой стороны, Дайсон полагает, что увеличивающиеся периоды «гибернации», во время которых энергия не потребляется, могут сопровождаться периодами ее потребления. Таким образом, для очень долгого существования цивилизаций в открытой Вселенной потенциальная возможность имеется.

Жми «Нравится» и получай только лучшие посты в Facebook ↓

Какое будущее ждет Вселенную?