От момента Большого взрыва до наших дней Вселенная прошла через множество эр. Тёмная энергия предвещает последнюю.
Сегодня Вселенная уже не та, что была вчера. С каждым мгновением происходит множество тонких, но важных изменений, даже если многие из них незаметны на измеримых человеческих временных шкалах. Вселенная расширяется, а это значит, что расстояния между крупнейшими космическими структурами со временем увеличиваются.
Секунду назад Вселенная была немного меньше, через секунду она будет немного больше. Но эти тонкие изменения накапливаются в течение больших космических временных масштабов и влияют не только на расстояния. По мере расширения Вселенной меняется относительная значимость излучения, материи, нейтрино и тёмной энергии. Меняется температура Вселенной. И то, что вы увидите в небе, тоже сильно изменится. Всего, существует шесть различных эр, на которые можно разделить Вселенную, и мы уже живём в последней из них.
Причину этого можно понять из приведённого выше графика. Всё, что существует в нашей Вселенной, обладает определённым количеством энергии: материя, излучение, тёмная энергия и т. д. По мере расширения Вселенной объём, занимаемый этими формами энергии, меняется, и плотность энергии в каждой из них будет изменяться по-разному. В частности, если мы определим наблюдаемый горизонт через переменную a, то:
плотность энергии материи будет изменяться как 1/a3, поскольку (для материи) плотность — это отношение массы к объёму, а масса может быть легко преобразована в энергию по формуле E = mc2;
плотность энергии излучения будет изменяться как 1/a4, поскольку (для излучения) плотность числа — это число частиц, делённое на объём, а энергия каждого отдельного фотона растягивается по мере расширения Вселенной, добавляя дополнительный фактор 1/a по отношению к материи;
тёмная энергия — это свойство самого пространства, поэтому её плотность энергии остаётся постоянной (1/a0), независимо от расширения Вселенной или её объёма.
Вселенная, которая существует дольше, расширилась сильнее. В будущем она будет более холодной, а в прошлом — более горячей; в прошлом она была гравитационно более однородной, а сейчас — более комковатой; в прошлом она была меньше, а в будущем будет намного, намного больше.
Применяя законы физики к Вселенной и сравнивая возможные решения с полученными наблюдениями и измерениями, мы можем определить, откуда мы произошли и куда направляемся. Мы можем экстраполировать нашу историю в прошлое вплоть до начала горячего Большого взрыва и даже раньше, до периода космической инфляции. Мы можем экстраполировать нашу нынешнюю Вселенную в далёкое будущее и предсказать конечную судьбу, которая ожидает всё сущее.
Когда мы проводим во времени разделительные линии, основанные на том, как ведёт себя Вселенная, мы обнаруживаем, что существует шесть различных эр:
Инфляционная эра: предшествовала горячему Большому взрыву и стала его началом.
Эра первобытного супа: от начала горячего Большого взрыва до окончательного преобразования ядерных и частичных взаимодействий в ранней Вселенной.
Эра плазмы: от окончания нерассеивающих ядерных взаимодействий и взаимодействий частиц до охлаждения Вселенной, достаточного для стабильного формирования нейтральной материи.
Эра тёмных веков: от образования нейтральной материи до появления первых звёзд и галактик, которые полностью реионизируют межгалактическую среду Вселенной.
Звёздная эра: от конца реионизации до прекращения гравитационного формирования и роста крупномасштабных структур, когда плотность тёмной энергии преобладает над плотностью материи.
Эра тёмной энергии: заключительный этап развития нашей Вселенной, когда расширение ускоряется, а разъединённые объекты необратимо удаляются друг от друга.
Мы уже вступили в эту финальную эру миллиарды лет назад. Большинство важных событий, которые определят историю нашей Вселенной, уже произошло.
Инфляционная эра.
До горячего Большого взрыва Вселенная не была наполнена ни материей, ни антиматерией, ни тёмной материей, ни излучением. Она не была заполнена частицами никакого типа. Вместо этого она была наполнена формой энергии, присущей самому пространству: формой энергии, которая заставила Вселенную расширяться чрезвычайно быстро и неустанно, по экспоненте.
Она растягивала Вселенную, переводя её из первоначальной формы, какой бы она ни была, в состояние, неотличимое от пространственно плоского.
Она расширила небольшой, причинно связанный участок Вселенной до гораздо большего, чем видимая нами сейчас Вселенная: больше, чем текущий причинный горизонт.
Она забрала все частицы, которые могли тогда существовать, и расширила Вселенную так быстро, что ни одна из них не осталась внутри области размером с нашу видимую Вселенную.
Квантовые флуктуации, происходившие во время инфляции, заложили семена структуры, из которых возникла наша сегодняшняя огромная космическая паутина.
А затем, внезапно, около 13,8 миллиарда лет назад, инфляция закончилась. Вся эта энергия, некогда присущая самому пространству, превратилась в частицы, античастицы и излучение. С этим переходом инфляционная эра закончилась, и начался горячий Большой взрыв.
Эра первобытного супа.
Как только расширяющаяся Вселенная наполнится материей, антиматерией и излучением, она начинает остывать. При столкновении частиц образуются любые пары частица-античастица, разрешённые законами физики. Основное ограничение исходит только от энергии столкновений, поскольку их поведение управляется уравнением E = mc2.
По мере остывания Вселенной энергия падает, и создавать более массивные пары частица-античастица становится всё труднее, но аннигиляции и другие реакции частиц продолжаются без остановки. Через 1-3 секунды после Большого взрыва антиматерия исчезает, оставляя после себя только материю. Через три-четыре минуты после Большого взрыва может образоваться стабильный дейтерий, и происходит нуклеосинтез лёгких элементов. И после некоторых радиоактивных распадов и нескольких последних ядерных реакций всё, что у нас осталось, — это горячая (но остывающая) ионизированная плазма, состоящая из фотонов, нейтрино, атомных ядер и электронов.
Эра плазмы.
После образования лёгких ядер они становятся единственными положительно (электрически) заряженными объектами во Вселенной, и они находятся повсюду. Разумеется, их уравновешивает равное количество отрицательного заряда в виде электронов. Ядра и электроны образуют атомы, и поэтому может показаться вполне естественным, что эти два вида частиц сразу же найдут друг друга, образуя атомы и прокладывая путь образованию звёзд.
К несчастью для них, их значительно меньше — более чем в миллиард раз — чем фотонов. Каждый раз, когда электрон и ядро сцепляются друг с другом, появляется фотон достаточно высокой энергии и разрывает их. И только когда Вселенная значительно охлаждается — с миллиардов до тысяч градусов — нейтральные атомы могут наконец образоваться. (И даже тогда это возможно только благодаря особому атомному переходу).
В начале плазменной эры в энергетическом составе Вселенной преобладает излучение. К концу в ней преобладает обычная и тёмная материя. Эта третья фаза заканчивается спустя 380 000 лет после Большого взрыва.
Эра тёмных веков.
Наполненная нейтральными атомами, гравитация наконец-то может начать процесс формирования структуры во Вселенной. Но если бы вокруг были все эти нейтральные атомы, то мы не могли бы видеть тот свет, который видим сегодня.
Почему? Потому что нейтральные атомы, особенно в виде космической пыли, отлично блокируют видимый свет.
Чтобы покончить с этими тёмными веками, межгалактическая среда должна быть реионизирована. Для этого необходимо огромное количество звёздообразования и огромное количество ультрафиолетовых фотонов, а для этого нужны время, гравитация и начало космической паутины. Первые крупные регионы реионизации появляются через 200-250 миллионов лет после Большого взрыва, но реионизация не завершается, в среднем, до тех пор, пока возраст Вселенной не достигнет 550 миллионов лет. В это время скорость звёздообразования всё ещё растёт, и первые массивные скопления галактик только начинают формироваться.
Звёздная эра.
После окончания тёмных веков Вселенная становится прозрачной для звёздного света. Стали доступны великие глубины космоса: звёзды, звёздные скопления, галактики, скопления галактик и огромная, растущая космическая паутина — всё это ждёт своего открытия. Во Вселенной преобладает тёмная материя и нормальная материя, а гравитационно связанные структуры продолжают становиться все больше и больше.
Темпы звёздообразования растут и растут, достигая своего пика примерно через 3 миллиарда лет после Большого взрыва. В этот момент формируются новые галактики, существующие галактики продолжают расти и сливаться, а скопления галактик притягивают к себе всё больше и больше материи. Но количество свободного газа внутри галактик начинает уменьшаться, поскольку огромные объёмы звёздообразования израсходовали значительную его часть. Медленно, но неуклонно скорость звёздообразования падает.
Со временем скорость гибели звёзд будет превышать скорость их рождения, и этот факт усугубляется следующим сюрпризом: по мере того как плотность материи падает в расширяющейся Вселенной, начинает появляться и доминировать новая форма энергии — тёмная энергия. Примерно через 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва далёкие галактики перестают замедляться в своём удалении друг от друга и снова начинают ускоряться. Наступает ускорение расширения Вселенной. Чуть позже, через 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва, тёмная энергия становится доминирующим компонентом энергии во Вселенной. В этот момент мы вступаем в последнюю эру.
Эра тёмной энергии.
Как только тёмная энергия берёт верх, происходит нечто странное: крупномасштабная структура Вселенной перестаёт расти. Объекты, которые были гравитационно связаны друг с другом до прихода тёмной энергии, останутся связанными, но те, которые ещё не были связаны к началу эры тёмной энергии, никогда не станут связанными. Вместо этого они просто разлетаются друг от друга с ускорением, и будут вести одинокое существование в великой пустоте небытия.
Отдельные связанные структуры, такие как галактики и группы галактик, в конце концов сольются в одну гигантскую эллиптическую галактику каждая. Существующие звёзды умрут, образование новых звёзд замедлится и прекратится, а гравитационное взаимодействие выбросит большую часть из них в межгалактическую бездну. Планеты будут вращаться по спирали в своих родительских звёздах или звёздных остатках из-за распада под действием гравитационного излучения. Даже чёрные дыры, обладающие необычайно долгим временем жизни, в конце концов распадутся под действием излучения Хокинга.
В конце концов, в пустом, постоянно расширяющемся космосе останутся только звезды-чёрные карлики и изолированные звёзды с массой, слишком малой для ядерного синтеза, малонаселённые и отделённые друг от друга. Эти трупы будут существовать ещё гуголы лет, сохраняясь, пока тёмная энергия остаётся доминирующим фактором в нашей Вселенной. Пока стабильные атомные ядра и сама ткань пространства не подвергнутся какому-то непредвиденному распаду и пока тёмная энергия будет вести себя идентично космологической константе, которой она кажется, эта судьба неизбежна.
Последняя эра господства тёмной энергии уже началась. Тёмная энергия стала играть важную роль в расширении Вселенной 6 миллиардов лет назад и начала доминировать в энергетическом содержании Вселенной примерно в то время, когда зарождались наше Солнце и Солнечная система. Вселенная может иметь шесть уникальных стадий, но за всю историю Земли мы уже находимся на последней из них. Внимательно посмотрите на окружающую нас Вселенную. Она никогда больше не будет такой богатой на зрелища и такой легкодоступной.
