يمكن أن ينهار الكون يوم واحد؟

أحد أهم إنجازات القرن العشرين كانتعريف دقيق لمدى كون الكون كبير وواسع وضخم. مع وجود ما يقرب من 2 تريليون من المجرات في دائرة نصف قطرها 46 مليار سنة ضوئية ، يسمح لنا الكون الذي يمكن ملاحظته بإعادة بناء التاريخ الكامل لكوننا ، حتى الانفجار الكبير ، وربما قبل ذلك بقليل. ولكن ماذا عن المستقبل؟ ماذا سيكون الكون؟ هل سيكون؟

معدل التوسع في الكون في بعضتعتمد اللحظة على عاملين فقط: كثافة الطاقة الكلية الموجودة في الزمكان ، ومقدار انحناء الفضاء الحالي. إذا فهمنا قوانين الجاذبية وكيف تتطور أنواع الطاقة المختلفة بمرور الوقت ، فيمكننا استعادة كل ما حدث في مرحلة معينة في الماضي. يمكننا أيضًا النظر إلى العديد من الكائنات البعيدة على مسافات مختلفة وقياس كيفية تمدد الضوء بسبب زيادة المساحة. كل مجرة ​​، مستعر أعظم ، سحابة غاز جزيئي ، وما إلى ذلك - كل شيء يمتص الضوء أو ينبعث منه - سوف يخبر التاريخ الكوني بكيفية امتداد الفضاء الذي امتدته من لحظة ولادة الضوء حتى اللحظة التي لاحظناها فيه.

من خلال العديد من الملاحظات المستقلة ، استطعنا أن نستنتج ما يتكون منه الكون مباشرة. لقد صنعنا ثلاث سلاسل مستقلة كبيرة من الملاحظات:

• في خلفية الميكروويف الكونية ، توجد تقلبات في درجة الحرارة تشفر معلومات حول انحناء الكون والمادة الطبيعية والمادة المظلمة والنيوتريونات والكثافة الكلية.
• الارتباط بين المجرات على أكبرهاتوفر المقاييس - المعروفة باسم الاهتزازات الصوتية الباريونية - قياسات صارمة للغاية لكثافة المادة الكلية ، ونسبة المادة الطبيعية والمادة المظلمة ، وكيف تغير معدل التمدد مع مرور الوقت.
• وتخبرنا الشموع المعيارية البعيدة والمضيئة في الكون ، المستعرات العظمى Ia ، عن معدل التمدد والطاقة المظلمة ، وكيف تغيرت مع مرور الوقت.

هذه السلاسل من الأدلة ، كلها ، تعطينا صورة متسقة للكون. يخبروننا بما هو موجود في الكون الحديث ، ويعطينا علم الكونيات الذي:

• 4.9٪ من طاقة الكون ممثلة في المادة الطبيعية (البروتونات والنيوترونات والإلكترونات) ؛
• يوجد 0.1٪ من طاقة الكون على شكل النيوتريونات الضخمة (التي تعمل كمسألة حديثة وتعمل كإشعاع في الأوقات المبكرة) ؛
• يوجد 0.01٪ من طاقة الكون في صورة إشعاع (مثل الفوتونات)
• 27 ٪ من طاقة الكون موجودة في شكل مادة مظلمة.
• 68 ٪ من الطاقة متأصلة في الفضاء نفسه: الطاقة المظلمة.

كل هذا يعطينا الكون المسطح (مع انحناء0٪) ، كون بدون عيوب طوبولوجية (أحاديات مغنطيسية أو سلاسل كونية أو جدران مجال أو قوام فضاء) ، كون له تاريخ معروف من التمدد.

معادلات النسبية العامة هي جداالحتمية في هذا المعنى: إذا كنا نعرف ما يتكون الكون اليوم وقوانين الجاذبية ، فنحن نعرف بالتأكيد مدى أهمية كل مكون في كل فترة فردية من الماضي. في البداية ، سيطر الإشعاع والنيوتريونات. مليارات السنين ، أهم مكونات المادة المظلمة والمادة الطبيعية. على مدار المليارات من السنين القليلة الماضية - وهذا سوف يزداد سوءًا بمرور الوقت - أصبحت الطاقة المظلمة هي العامل المهيمن في توسع الكون. هذا يجعل الكون يتسارع ، ومنذ تلك اللحظة ، يتوقف الكثير من الناس عن فهم ما يحدث.

هناك شيئان يمكننا قياسهمانحن نتحدث عن توسع الكون: سرعة التمدد والسرعة التي تدخل بها المجرات الفردية من وجهة نظرنا. إنهم متصلون ، لكن لا يزالون مختلفين. يشير معدل التمدد ، من ناحية ، إلى كيفية امتداد نسيج الفضاء نفسه بمرور الوقت. يتم تعريفها دائمًا على أنها السرعة لكل وحدة مسافة ، وعادةً ما يتم تحديدها بالكيلومترات في الثانية (السرعة) لكل ميغابارسك (المسافة) ، حيث يبلغ حجم الميجابارسك حوالي 3.26 مليون سنة ضوئية.

إذا لم يكن هناك طاقة مظلمة ، والسرعةسوف ينخفض ​​التوسع مع مرور الوقت ، ويقترب من الصفر ، لأن كثافة المادة والإشعاع ستنخفض إلى الصفر مع زيادة الحجم. ولكن مع الطاقة المظلمة ، يظل معدل التوسع هذا يعتمد على كثافة الطاقة المظلمة. إذا كانت الطاقة المظلمة ، على سبيل المثال ، ثابتة في علم الكونيات ، فإن معدل التمدد يعادل القيمة الثابتة. ولكن في الوقت نفسه ، سيتم تسريع المجرات الفردية الابتعاد عنا.

تخيل سرعة التوسع لبعضالقيم: 50 كم / ثانية / MPC. إذا كانت المجرة تقع على مسافة 20 Mpc منا ، فمن الواضح أنها تنحسر منا بسرعة 1000 كم / ثانية. لكن أعطها بعض الوقت ، ومع توسع نسيج الفضاء ، ستكون هذه المجرة في النهاية أبعد منا. بمرور الوقت ، سوف يصل إلى ضعف: 40 Mpc ، وسرعة الإزالة ستكون 2000 كم / ثانية. سوف يمر وقت آخر ، وستكون 10 مرات أخرى: 200 Mpc ، وسرعة إزالة تبلغ 10000 كم / ثانية. بمرور الوقت ، سوف يتحرك بعيدًا على مسافة 6000 متر مكعب منا وسيبتعد بسرعة 300000 كم / ثانية ، وهو أسرع من سرعة الضوء. مع مرور الوقت ، كلما تركتنا المجرة بشكل أسرع. هذا هو السبب في أن الكون "يتسارع": معدل التوسع آخذ في الانخفاض ، ولكن سرعة الركود في المجرات الفردية تنمو فقط منا.

كل هذا يتوافق مع أفضل القياسات لدينا: الطاقة المظلمة هي كثافة طاقة ثابتة متأصلة في الفضاء نفسه. مع امتداد الفضاء ، تظل كثافة الطاقة المظلمة ثابتة ، وينتهي الكون بـ "التجمد الكبير" ، عندما يختلف كل شيء غير متصل ببعضه عن طريق الجاذبية (مثل مجموعتنا المحلية ، المجرة ، المجموعة الشمسية). إذا كانت الطاقة المظلمة هي في الحقيقة ثابتة كونية ، فإن هذا التمدد سوف يستمر إلى أجل غير مسمى حتى يصبح الكون باردًا وخاليًا.

ولكن إذا كانت الطاقة المظلمة ديناميكية - ما هو ممكنمن الناحية النظرية ، ولكن يبقى بدون أدلة رصدية - يمكن أن ينتهي كل شيء بضغط كبير أو كسر كبير. في الإنضغاط الكبير ، ستضعف الطاقة المظلمة وستعكس تدريجيا عملية تمدد الكون بحيث تبدأ في الانكماش. قد ينشأ الكون الدوري ، حيث يؤدي "الانكماش" إلى الانفجار الكبير الجديد. إذا تم تعزيز الطاقة المظلمة ، فإن مصيرًا آخر ينتظرنا ، عندما يتم تمزيق الهياكل المتصلة بسبب زيادة معدل التوسع تدريجياً. ومع ذلك ، يشير كل شيء اليوم إلى أن التجمد الكبير ينتظرنا ، عندما يتوسع الكون إلى الأبد.

الأهداف العلمية الرئيسية للمراصد المستقبلية مثلتشمل Euclid ESA أو WFIRST التابعة لناسا قياس ما إذا كانت الطاقة المظلمة هي ثابت كوني. على الرغم من أن النظرية الرائدة تتحدث عن طاقة مظلمة ثابتة ، من المهم أن نفهم أنه قد توجد إمكانيات لا تستبعدها القياسات والملاحظات. تحدث تقريبًا ، لا يزال بإمكان الكون الانهيار ، وهذا غير مستبعد. بحاجة الى مزيد من البيانات.