Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Вот как это работает. Если мы измерим красное смещение галактики, мы будем точно знать, насколько быстро она удаляется от нас, а с помощью закона Хаббла-Леметра мы можем выяснить расстояние до нее. Однако поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, и нам известна его скорость, знание расстояния также говорит нам о том, как долго свет был в пути. Это означает, что измерение красного смещения галактики позволяет понять, как давно свет ее покинул. А поскольку нам известен текущий возраст Вселенной, мы можем выяснить, сколько лет ей было в тот момент, когда данная галактика испустила свет, который мы видим.

Принимая все это во внимание, астрономы могут использовать красное смещение для обозначения более ранних эпох Вселенной. «Высокое значение красного смещения» говорит о давнем времени, когда Вселенная была очень молодой; «низкое значение красного смещения» соответствует более позднему периоду. Нулевое красное смещение характерно для локального участка современной Вселенной; красное смещение, равное 1 – для периода, имевшего место семь миллиардов лет назад. Красное смещение, равное 6, соответствует Вселенной в возрасте около одного миллиарда лет, а в самом ее начале, если бы мы могли это увидеть, красное смещение было бы равно бесконечности.

Итак, галактика с большим красным смещением – это далекий объект, который существовал на заре Вселенной, а галактика с маленьким красным смещением – это сравнительно близкий объект, существующий в «современном» космосе.

Взаимосвязь между расстоянием, возрастом и красным смещением имеет в космологии огромное значение. Однако она опирается на тот факт, что скорость удаления всегда и предсказуемым образом увеличивается с расстоянием. Но что если процесс расширения внезапно замедлится? Что если он остановится и обратится вспять? В этом случае наши правила измерения расстояний перестанут работать, что расстроит очень многих астрономов. Другим, почти столь же важным последствием, – в зависимости от того, кого вы спросите, – будет гарантированная гибель Вселенной и всего, что в ней находится.

С тех пор, как мы выяснили, что (1) Вселенная началась с Большого взрыва и (2) в настоящее время она расширяется, нас интересует вопрос, может ли этот процесс обратиться вспять и закончиться катастрофическим Большим сжатием. Исходя из некоторых очень простых и разумных предположений, мы можем выделить всего три варианта развития событий для расширяющейся Вселенной, и все они являются прямыми аналогами того, что может случиться с мячом, подброшенным в воздух.

Представьте, что вы выходите на улицу на планете Земля и подбрасываете бейсбольный мяч прямо вверх. У вас нечеловечески сильная рука, а сопротивление воздуха не имеет значения. Что произойдет?

В обычном случае в течение некоторого времени мяч поднимается вверх, повинуясь заданному вами первичному импульсу, однако, покинув вашу руку, он сразу начинает замедляться под воздействием силы земного притяжения[31]. В конце концов, он остановится и начнет двигаться к вам и планете, на которой вы стоите. Но если бы вам удалось бросить мяч невероятно быстро – со скоростью 11,2 км/с (вторая космическая скорость или скорость убегания), вы могли бы придать мячу достаточный импульс для того, чтобы он покинул Землю и остановился лишь в бесконечно далеком будущем после длительного постепенного замедления (или при столкновении с каким-либо объектом). Если бы вы бросили мяч еще быстрее, он мог бы двигаться вечно, не испытывая никакого гравитационного воздействия со стороны Земли.

Физика расширяющейся Вселенной основана на очень похожих принципах. Есть первоначальный импульс (Большой взрыв), который запустил процесс расширения, и с этого момента гравитация всех объектов во Вселенной (галактик, звезд, черных дыр и т. д.) работает против этого расширения, пытаясь замедлить его и снова собрать все воедино. Гравитация представляет собой очень слабую силу – самую слабую из всех сил природы, однако она действует на любом расстоянии, поэтому даже отдаленные галактики должны притягиваться друг к другу. Как и в примере с бейсбольным мячом, вопрос сводится к тому, был ли первоначальный импульс достаточно сильным, чтобы преодолеть всю эту гравитацию. Нам даже не нужно знать, каким именно был этот импульс; если мы измерим текущую скорость расширения, а также количество вещества во Вселенной, мы выясним, достаточно ли гравитации для остановки процесса расширения. Кроме того, если мы выясним скорость расширения в далеком прошлом, то сможем понять, как развивается этот процесс с течением времени, сравнив полученное значение с текущей скоростью расширения[32].

Если бы наша Вселенная была обречена на Большое сжатие, то намек на это мы могли бы обнаружить с помощью именно такой экстраполяции. Еще до начала самого процесса мы заметили бы, что в прошлом расширение происходило быстрее и с тех пор замедлилось. Со временем мы выявляли бы все более красноречивые признаки надвигающегося коллапса – еще за много миллиардов лет до его официального начала.

Однако, прежде чем приступить к анализу данных, давайте остановимся и поговорим о том, как может выглядеть переход на стадию сжатия Вселенной и дальнейший апокалипсис. В конце концов, именно для этого вы и взяли в руки данную книгу.

В настоящий момент чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он удаляется и, следовательно, тем больше его красное смещение (закон Хаббла – Леметра). В обреченной на сжатие Вселенной эта закономерность будет сохраняться вплоть до полного прекращения процесса расширения. Однако поскольку конечная скорость света не позволяет нам видеть всю Вселенную одновременно, отдаленные объекты, которые уже начали двигаться в обратную сторону, еще долго будут казаться нам удаляющимися. Несмотря на то что в некотором глобальном смысле самые отдаленные объекты несутся к нам быстрее, чем близлежащие, поначалу мы будем наблюдать противоположное явление. Нам станет казаться, что галактики, находящиеся в близлежащем участке космоса, медленно движутся в нашу сторону. Как и в случае с галактикой Андромеды, их спектр будет иметь синее смещение. Объекты, расположенные за ними, покажутся неподвижными, в то время как более отдаленные объекты будут иметь красное смещение и выглядеть удаляющимися от нас. Со временем скорость приближения соседних галактик увеличится, как и радиус области, содержащей объекты, кажущиеся нам неподвижными. Вскоре мы перестанем беспокоиться о том, что происходит с удаленными объектами, поскольку стремительное вторжение соседних галактик в нашу область космоса будет невозможно или, по крайней мере, крайне нежелательно, игнорировать.