Что ожидает вселенную в будущем
Далёкое будущее нашей Солнечной системы
Если привести историю Вселенной с момента Большого взрыва и до сегодняшнего дня к масштабу «одного вселенского года», как бы тогда выглядело наше будущее?
Чтобы полюбить что-либо, необходимо представить, что вы можете это потерять.
— Г. К. Честертон
Один из самых интересных связанных со Вселенной фактов состоит в том, что несмотря на небольшой срок наблюдений, всего несколько сотен лет, люди, изучавшие основные компоненты и силы, составляющие нас и остальную Вселенную, смогли точно разобраться в ней.
Законы природы почти полностью поняты. Мы знаем, что возраст нашей Вселенной составляет примерно 13,8 миллиардов лет, несмотря на то, что длительность наших наблюдений варьировалась от нескольких долей секунды до нескольких лет. Наши исследования законов природы позволяют нам заглянуть в отдалённую историю Вселенной и понять, какой она была 13,8 миллиардов лет назад, и как она пришла к такому состоянию.
Это тем более впечатляюще, если мы перейдём на логарифмическое мышление. В отдалённом прошлом Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет, было ещё слишком горячо для того, чтобы могли сформироваться нейтральные атомы. Это мы видим в остаточном свечении Большого взрыва – в реликтовом излучении! Это было в то время, когда возраст Вселенной составлял 0,0028% от сегодняшнего, или 1/36 300 долю сегодняшнего возраста.
Недавно я сделал картинку, показывающую важные события в истории не только на логарифмической шкале, но и на сжатой линейной шкале: как выглядела бы наша история, если вместо 13,81 млрд лет сжать её до календарного года. Результат оказался потрясающим и очень хорошо демонстрирует временные перспективы, которые мы можем оценить.
Некоторые события со шкалы:
• 1 января в 0:14 испускается реликтовое излучение, и формируются первые нейтральные атомы
• 3 января появляются первые звёзды
• 13 января испускает свет самая далёкая из видимых нами галактик
• 14 февраля начинают формироваться крупномасштабные структуры
• 6 марта появляются первые сформировавшиеся галактические скопления
• 3 сентября формируются Солнце и протопланетный диск
• 21 сентября на Земле появляются первые формы жизни
• 12 октября погибает Марс, теряя атмосферу
• 2 декабря на Земле появляются первые организмы, размножающиеся половым путём
• 30 декабря в 6:25 утра происходит последнее Великое вымирание, включающее и динозавров
• 31 декабря в 23:53 появляются первые люди
• 31 декабря в 23:59:59 люди выходят в космос
Но эта картинка рассказывает только о прошедшей истории. А что насчёт нашего будущего? Как сказал известный физик Нильс Бор, очень сложно делать предсказания, особенно касающиеся будущего.
Могу сказать, что ничего особенно приятного нас не ждёт. Лично я проживу примерно до 00:00:00.1 1 января «второго Вселенского года». Известные нам созвездия будут более-менее узнаваемыми до 0:02, а через несколько минут начнётся следующий ледниковый период.
Но это всё происходит так быстро из-за очень сильного сжатия временной шкалы. Зачем отвлекаться на такие мелкомасштабные события, если мы можем думать по-крупному? Наши законы физики позволяют нам проводить экстраполяцию не только в прошлое, но и в будущее. И мы можем начать с крупнейшего по угловому размеру объекта в нашем ночном небе: галактики Андромеды.
Как столкнутся Млечный путь и Андромеда
Из-за гравитации локальная группа галактик в результате сольётся с нами, но из-за тёмной энергии все остальные галактики и скопления – не связанные с нами сегодня – убегут от нас и покинут наблюдаемую часть Вселенной через миллиарды или сотни миллиардов лет.
Но, ни ускоренное расширение Вселенной, ни столкновение галактик не повлияют на нашу Солнечную систему. Кстати, вы знаете, сколько звёзд, скорее всего, столкнутся друг с другом из-за слияния двух крупнейших галактик нашей локальной группы? Всего шесть штук, из триллиона! Так что лучше мы сфокусируемся на нашем уголке космоса в Солнечной системе и посмотрим, что будет происходить конкретно у нас.
Солнце будет разогреваться с возрастом и вскипятит океаны примерно через 1-2 миллиарда лет – то есть 8 февраля 2 года, плюс-минус 2 недели – и уничтожит жизнь на Земле. Через 5-7 миллиардов лет в ядре Солнца закончится горючее, из-за чего оно превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий и Венеру. Это случится 8 июня, плюс-минус месяц. Из-за особенностей звёздной эволюции система Земля/Луна будет выброшена наружу, и мы будем избавлены от судьбы наших внутренних соседей.
После сжигания оставшегося ядерного горючего – в основном, гелия – Солнце отбросит верхние слои, из-за чего появится планетарная туманность, а его ядро сожмётся и превратится в белого карлика. Такова судьба почти всех звёзд в нашей Вселенной. Но планеты всё так же будут вращаться вокруг холодного и тусклого звёздного трупа, и этот процесс завершится через 9,5 млрд лет, или 8 сентября 2 года.
Всё это время Земля продолжит вращаться вокруг Солнца, а Луна – притягиваться к Земле. Именно из-за этого и существует вращательный момент – из-за воздействия внешней силы на вращающийся объект. В результате Луна отдалится от Земли, одновременно замедляя скорость её вращения. Замедление будет трудно заметить – продолжительность дня уменьшается всего на 1,4 миллисекунды за сто лет. Но время у нас есть.
И после 50 миллиардов лет период обращения Луны составит уже 47 дней (по сравнению с сегодняшними 27,3), а наш 24-часовой день тоже замедлится, и станет равным 47 сегодняшним дням. В этот момент Земля и Луна будут приливно связаны друг с другом, то есть будут сохранять то же самое положение в небе друг у друга. Это произойдёт 14 августа «5-го вселенского года».
Белые карлики, в конце концов, станут чёрными, остыв и излучив всю энергию. Это займёт очень много времени: порядка 10 16 лет по моим прикидкам, или примерно в миллион раз дольше текущего возраста Вселенной. Все их атомы будут на своих местах, просто их температура будет чуть выше, чем абсолютный ноль. В это время ночное небо будет чёрным, поскольку все звёзды нашей локальной группы выгорят. Это случится примерно в 724 000 вселенском году!
Примерно так будет выглядеть небо. Да, очень тёмным.
Галактика превратится в довольно жестокое место. Звёзды крайне малы по сравнению с расстояниями между ними – существует лишь 0,1% шанс того, что звезда типа Солнца на протяжении своего существования столкнётся с другой звездой. Но между нами, Андромедой и другими членами локальной группы существует порядка триллиона звёзд и звёздных останков. В этом хаосе типичная звёздная система может существовать очень долго без столкновений с чем-либо, но время у нас есть.
После примерно 10 21 лет чёрный карлик в центре Солнечной системы столкнётся с ещё одним чёрным карликом, что приведёт к появлению сверхновой типа Ia, и уничтожит остатки Солнечной системы. Это случится примерно в 100-миллиардном вселенском году – что во вселенских годах уже больше, чем сегодняшний возраст Вселенной в земных годах!
По крайней мере, это может случиться. Это может быть концом жизненного пути многих звёзд нашей локальной группы, но не всех. Ведь существует ещё один процесс, который, по моим подсчётам, более вероятен в нашем случае – это гравитационный выброс звезды из локальной группы, известный, как «резкая разрядка» [violent relaxation]. В присутствии множества тел на хаотичных орбитах иногда одно из них резко покидает орбиту, а остальные оказываются связанными ещё более сильно.
Это периодически происходит в шаровых скоплениях и объясняет как их компактность, так и большое число отдельно живущих голубых звёзд – или старых звёзд, объединившихся в группу – в ядре этих древних реликтов!
Если нас выбросит, что тогда? Будут ли оставшиеся планеты вращаться вокруг мёртвой звезды в центре Солнечной системы вечно?
Если это случится, то у Вселенной будет достаточно времени, чтобы решить, что делать с нашей системой. И мы бы оставались в таком состоянии вечно, если бы не это ужасное гравитационное излучение!
Наши орбиты будут очень медленно уменьшаться со временем. Это может занять очень долго, порядка 10 150 лет, но в итоге Земля, и все планеты, уменьшат свои орбиты и по спирали упадут на центральную массу Солнечной системы. В это время разница между обычными годами и вселенскими годами будет уже не принципиальной – просто отнимите 10 от степени, и получите 10 140 вселенских лет.
Ещё больше времени, 10 200 лет, если не больше, заняло бы спиральное падение последних нескольких звёзд локальной группы на центральную массу, оставшуюся от слияния Млечного пути и Андромеды. Но эта возможность меня уже не волнует.
Ведь этого не произойдёт! Поскольку находящаяся там чёрная дыра уже испарится благодаря излучению Хокинга! Оно устранит даже самые сверхмассивные чёрные дыры во Вселенной всего за 10 100 лет, а чёрные дыры солнечной массы – за 10 67 лет. Так что, если не существует иных механизмов разрушения, это самые большие временные промежутки, на которых может сохраниться то, что напоминает звёзды, галактики, чёрные дыры и солнечные системы.
Вот такое оно, далёкое будущее нашей Солнечной системы, основанное на известных нам сегодня законах физики!
Что ждет нашу Вселенную в будущем?
Судьба Вселенной определена законами природы, контролирующими и направляющими все события, которые в ней происходят. Будучи разумным и весьма и любопытным видом, мы поставили перед собой задачу узнать все эти законы, хотя и понимаем, что не в состоянии их изменить.
Наши нынешние знания в области астрономии помогают нам предположить, какие интересные события произойдут во Вселенной в далеком будущем. Итак, начнем:
Красный сверхгигант — звезда Антарес настолько велика, что если ее разместить в центре нашей Солнечной системы, она поглотит орбиту Марса.
Через 300 000 лет: возможный поток гамма-лучей, который может уничтожить жизнь на Земле
Одна из звезд в звездной системе WR 104, расположенной 7500 световых лет от нас, находится на стадии, предшествующей появлению сверхновой. Существует вероятность того, что звезда при переходе в состояние сверхновой может создать плотно сфокусированный луч высокоэнергетических гамма-лучей с обоих своих полюсов. Такие гамма-всплески (GRB) признаны явлением с наибольшей энергетикой, присущей известным космическим объектам.
Представление художника о взрывающейся звезде, излучающей гамма-всплеск (GRB). Источник: ESO
Сфокусированные гамма-лучи могут легко уничтожить всю жизнь на нашей планете, даже если придут с относительно большого расстояния. Изучив свойства этой звезды, мы предполагаем, что GRB может произойти в направлении, которое приблизительно ориентировано на Землю. Существует очень небольшая вероятность того, что направление GRB будет именно таким, которое мгновенно уничтожит всю жизнь на Земле.
Через 1 миллиард лет: Солнце становится все больше и ярче
Прежде чем стать красным гигантом, Солнце увеличит свою яркость на 10%. Это в конечном итоге приведет к снижению уровня углекислого газа, что сделает невозможным фотосинтез. Более высокая светимость также увеличит среднюю температуру на Земле до таких значений, при которых испарятся все океаны. Добро пожаловать на Марс!
Иллюстрация художника о бесплодной Земле, лишенной океанов. Источник: Public Domain Pictures
С этого момента сложная жизнь на Земле станет практически невозможна. Земли, которую мы знаем сегодня, больше не будет. По мере того, как Солнце будет становиться все больше и ярче, вся жизнь на Земле постепенно погибнет, и средняя температура поверхности нашей планеты преодолеет отметку в тысячу градусов.
Через 4 миллиарда лет: столкновение галактик Андромеда и Млечный путь
Галактика Андромеда столкнется с галактикой Млечный Путь. Это будет великолепный гравитационный танец из триллионов звезд Андромеды и более 200 миллиардов звезд Млечного Пути. Но из-за огромных расстояний между каждой звездой очень маловероятно, что любые две звезды столкнуться в ходе этого процесса.
Столкновение двух галактик
Однако такое столкновение галактик создаст новые звезды из-за повышения плотности газообразного водорода. Объединенная галактика, скорее всего, будет эллиптической, и будет называться, к примеру, Андро-Путь. Ну или Млечномеда. Две сверхмассивные черные дыры (SBHs) в центре каждой из бывших галактик сольются в поистине гигантскую черную дыру, имеющую массу
1 миллиард масс Солнца!
Через 100 миллиардов лет: все солнцеподобные звезды мертвы, жизнь вокруг таких звезд невозможна
Временная диаграмма, показывающая жизненный цикл солнечных звезд. Источник: Википедия
Максимальная продолжительность жизни таких звезд составляет не более
10 миллиардов лет, после чего они становятся умирающими белыми карликами, неспособными поддерживать жизнь вокруг себя.
Через 100 миллиардов лет все существующие солнцеподобные звезды будут долгожителями.
Вряд ли какие-либо новые звезды, подобные Солнцу, будут созданы после этого срока. Это связано с замедлением скорости звездообразования в галактике.
1 триллион лет: красные карлики — единственные звезды, которые еще существуют
Звезды, которые меньше Солнца, красные карлики, расходуют топливо еще медленнее. Продолжительность жизни таких звезд составляет
1-20 трлн. лет, что по крайней мере в 100 раз больше, чем жизнь солнцеподобных звезд. Известно, что около 75% из 200 миллиардов звезд в нашей галактике являются красными карликами, что делает их наиболее распространенным типом звезд. Таким образом красные карлики являются единственной надеждой на поддержание жизни в будущем.
Сравнение размеров звезды красного карлика с нашим Солнцем. Источник: НАСА
Поскольку звезды типа красного карлика довольно малы и распространены, в сочетании с их впечатляюще долгим «срокам службы», они будут существовать около100 трлн. лет. По сравнению с младенческим возрастом нашей Вселенной (
13,8 миллиарда лет), 100 триллионов лет возможного развития жизни вокруг красных карликовых звезд является довольно серьезным преимуществом в пользу этих маленьких звездочек.
Однако, как это не печально, примерно через 100 триллионов лет даже стойкие красные карлики умрут, не оставив звезд, способных сохранять жизнь.
Ближайшая звезда к Солнцу, Proxima Centauri, является красным карликом и находится всего в 4,3 световых годах от нас. Мы знаем, что делать, чтобы спасти себя.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Будущее Вселенной
Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.
Что мы знаем о Вселенной?
Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии наблюдаемую область Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.
Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.
Возможные сценарии развития нашего мира
В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.
Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.
Космологические эпохи Вселенной
В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:
Конец эпохи распада в представлении художника. Пространство без звезд выглядит пугающе.
Для того, чтобы получить позитроний сегодня, ученым нужна массивная сложная аппаратура. Но в конце он будет единственным, что может существовать.
Будущее Вселенной
Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Что ждет Вселенную
Наше печальное будущее
Будущее теперь уже не то, что раньше.
Бейсболист Йоги Берра
В каком-то смысле обнаружить, что живешь во Вселенной, где всем правит ничто, интересно и восхитительно. Структуры, которые мы видим, вроде звезд и галактик, возникли из ничего в результате квантовых флуктуаций. В среднем полная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта во Вселенной равна — ничему. Наслаждайтесь этой мыслью, пока есть возможность, поскольку, если все это правда, мы живем чуть ли не в самой худшей из вселенных, по крайней мере с точки зрения будущего всех живых организмов.
Вспомним, что всего 100 лет назад Эйнштейн разработал ОТО. Тогда все считали, что наша Вселенная неизменна и вечна. Более того, Эйнштейн не просто высмеял Леметра за предположение о Большом взрыве, но даже выдумал космологическую постоянную, лишь бы сохранить стационарную модель Вселенной.
Сейчас, по прошествии века, мы, ученые, можем гордиться, что открыли столько фундаментального — и расширение Вселенной, и реликтовое излучение, и темное вещество, и темную энергию.
Но что таит в себе будущее?
А будущее наше очень поэтично. Если можно так выразиться.
Вспомним: вывод о том, что в расширении нашей Вселенной доминирует энергия пустого на первый взгляд пространства, делается на основании того факта, что расширение происходит с ускорением. И, как и ранее обстояло с инфляцией и как описано в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная стоит на пороге расширения со скоростью больше скорости света. А со временем из-за расширения с ускорением все станет только хуже.
Это означает, что чем дольше мы будем ждать, тем меньше сможем видеть. Галактики, которые мы видим сейчас, в один прекрасный день начнут удаляться от нас со сверхсветовой скоростью, а это значит, что они станут для нас невидимыми: свет, который они испускают, не сможет преодолеть расширяющееся пространство и никогда до нас не долетит. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
Произойдет это не совсем так, как вы, возможно, себе представляете. Галактики не то чтобы вдруг погаснут и вмиг исчезнут с ночного неба. Просто по мере приближения скорости их удаления к скорости света будет увеличиваться красное смещение. В конце концов весь видимый свет от них сдвинется в инфракрасное, микроволновое, затем радиоизлучение и так далее до тех пор, пока длина волны света, который они испускают, не станет больше размера видимой Вселенной, и в этот момент их можно будет официально признать невидимыми.
Можно посчитать, сколько времени это займет. Поскольку галактики в нашем скоплении связаны взаимным гравитационным притяжением, они не удаляются от нас в связи с фоновым расширением Вселенной, которое открыл Хаббл. Галактики за пределами нашей группы находятся примерно на 1/5000 расстояния до той точки, где скорость удаления объектов приближается к световой. Чтобы туда добраться, у них уйдет около 150 млрд лет, примерно в 10 раз больше нынешнего возраста Вселенной, и тогда весь свет от звезд в этих галактиках сдвинется в красную сторону примерно в 5000 раз. Примерно через 2 трлн лет их свет сдвинется в красную сторону настолько, что длина его волны станет равна размеру видимой Вселенной — и вся остальная часть Вселенной буквально исчезнет.
Казалось бы, 2 трлн лет — большой срок. Так и есть. Однако с космической точки зрения это отнюдь не вечность. Самые долгоживущие звезды главной последовательности (у которых такая же эволюционная история, как и у нашего Солнца) проживут гораздо дольше Солнца и через 2 трлн лет будут еще вовсю светить (в то время как наше Солнце погибнет всего через 5 млрд лет). Так что в отдаленном будущем на планетах вокруг этих звезд вполне могут быть цивилизации, черпающие энергию от своих светил, с водой и органическими соединениями. И астрономы с телескопами тоже вполне могут быть. Посмотрят они в космос — а там все, что мы видим сейчас, все 400 млрд галактик, составляющих на сегодня нашу видимую Вселенную, возьмут и исчезнут!
Обложка книги Издательство: Альпина нон-фикшн
Я пытался донести этот довод до Конгресса, чтобы убедить его увеличить финансирование космологических исследований прямо сейчас, пока у нас еще есть время наблюдать все это. Однако для конгрессмена даже два года — долгий срок, а уж на 2 трлн лет вперед он заглянуть просто не в состоянии.
Так или иначе астрономов далекого будущего ждал бы большой сюрприз, если бы только они знали, что теряют. Но этого они знать не будут. Как несколько лет назад выяснили мы с коллегой Робертом Шеррером из Университета Вандербильта, исчезнет не только вся остальная Вселенная — по существу, исчезнут и все свидетельства, которые говорят нам сегодня, что мы живем в расширяющейся Вселенной, начавшейся с Большого взрыва, вместе со всеми свидетельствами существования в пустом пространстве темной энергии, которую можно было бы обвинить в этой пропаже.
А ведь не прошло и 100 лет с тех пор, когда все считали, что Вселенная неизменна и вечна, то есть звезды и планеты появляются и исчезают, но на больших масштабах Вселенная остается как была. Получается, что в далеком будущем, когда от нашей планеты и цивилизации, скорее всего, не останется даже праха на свалке истории, иллюзия, которую наша цивилизация разделяла до 1930-х гг., вернется и отомстит за себя сторицей.
К эмпирическому доказательству Большого взрыва привели три основные вехи — три наблюдения, благодаря которым, даже если бы на свете не было ни Эйнштейна, ни Леметра, нам все равно волей-неволей пришлось бы признать, что Вселенная в самом начале была плотной и горячей. Это наблюдения расширения Вселенной, которые проделал Хаббл; это наблюдения космического микроволнового фона; это соответствие наблюдаемой распространенности во Вселенной легких элементов — водорода, гелия и лития — тем количествам, которые должны были возникнуть в первые несколько минут истории Вселенной.
Начнем с хаббловского расширения Вселенной. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измерили скорость удаления далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Но, когда все видимые объекты вне нашего галактического скопления (в котором все мы связаны узами гравитации) исчезнут за горизонтом, не останется никаких следов расширения, которые наблюдатели могли бы зарегистрировать, — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже огромных газовых облаков. Расширение достигнет таких масштабов, что вынесет из нашего поля зрения все объекты, которые от нас удаляются.
Более того, на масштабе менее 1 трлн лет все галактики в нашей местной группе слипнутся в своего рода огромную сверхгалактику. Наблюдатели в далеком будущем увидят примерно то же самое, что мы могли увидеть в 1915 г.: одну-единственную галактику, в которой находится их звезда и их планета, окруженную обширным пустым и неизменным пространством.
Напомню также, что все свидетельства того, что пустое пространство обладает энергией, мы получаем из наблюдений темпа, с которым ускоряется расширение нашей Вселенной. А без признаков расширения понять, что оно еще и ускоряется, будет невозможно. Вообще-то по странному совпадению мы живем в ту единственную эпоху истории Вселенной, когда наличие темной энергии, наполняющей пустое пространство, в принципе довольно легко зарегистрировать. Конечно, эта эпоха длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной это всего лишь мгновение космического ока.
Если мы предположим, что энергия пустого пространства относительно постоянна, как было бы в случае космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии вещества и излучения значительно превосходила бы плотность энергии пустого пространства — просто потому, что при расширении Вселенной плотность вещества и излучения снижается, поскольку растет расстояние между частицами, поэтому в заданном объеме остается меньше объектов. В более ранние времена, скажем 5 – 10 млрд лет назад, плотность вещества и излучения была гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной тогда и раньше преобладали вещество и излучение со своим гравитационным притяжением. Расширение Вселенной в те ранние времена замедлялось, а гравитационное воздействие энергии пустого пространства невозможно было бы зарегистрировать.
По тем же соображением в далеком будущем, когда Вселенной исполнится несколько сотен миллиардов лет, плотность вещества и излучения станет еще меньше, и можно подсчитать, что средняя плотность темной энергии будет превосходить плотность всего оставшегося во Вселенной вещества и излучения намного более, чем в тысячу миллиардов раз. К этому времени она будет полностью управлять гравитационной динамикой Вселенной на больших масштабах. Однако в эту позднюю эпоху ускоренное расширение Вселенной станет невозможно пронаблюдать. В этом смысле энергия пустого пространства по самой своей природе обеспечивает определенный, конечный отрезок времени, в который его можно наблюдать, и мы, что примечательно, живем именно в этот космологический момент.
А как же другой краеугольный камень теории Большого взрыва — реликтовое излучение, которое показывает нам прямо-таки фотографию Вселенной во младенчестве? Во-первых, поскольку Вселенная будет расширяться еще быстрее, температура этого излучения будет снижаться. Когда наблюдаемая сейчас Вселенная увеличится примерно в 100 раз, температура реликтового излучения упадет в 100 раз, а его интенсивность, то есть плотность заключенной в нем энергии, понизится в 100 млн раз, а значит, зарегистрировать его будет в 100 млн раз труднее, чем сейчас.
Но ведь мы все-таки сумели зарегистрировать космическое микроволновое излучение среди всего электронного шума на Земле и можем представить себе, что наблюдатели в далеком будущем будут в 100 млн раз умнее тех, которыми человечество имеет счастье располагать в наши дни. Быть может, не все так безнадежно? Увы, оказывается, что даже самый блестящий наблюдатель с самым чувствительным оборудованием все равно в далеком будущем обречен на провал. Дело в том, что в нашей Галактике (или супергалактике, которая образуется, когда Галактика сольется с соседками, в первую очередь с Туманностью Андромеды, что произойдет уже через 5 млрд лет) между звездами есть горячий газ, и этот газ ионизирован, то есть содержит свободные электроны, а следовательно, ведет себя как плазма. А такая плазма, как я уже писал, непрозрачна для многих видов излучения.
Существует так называемая «плазменная частота», ниже которой излучение не может пройти сквозь плазму без поглощения. На основании наблюдаемой сейчас плотности свободных электронов в нашей Галактике мы можем оценить плазменную частоту — и обнаружим, что к тому моменту, когда Вселенная станет примерно в 50 раз больше нынешнего, основная часть реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, будет растянута до таких длинных волн (а следовательно, до таких низких частот), что они окажутся ниже плазменной частоты нашей Галактики (супергалактики). После этого фоновое излучение, в сущности, не сможет проникнуть в нашу супергалактику и даже самому дотошному наблюдателю нечего будет наблюдать. Так что и реликтовое излучение тоже исчезнет.
Я понимаю, что на первый взгляд картинка очень сложная, но на самом деле она показывает прогноз относительной распространенности гелия, дейтерия, гелия-3 и лития-7 по сравнению с водородом на основании нашего нынешнего представления о Большом взрыве. Верхняя кривая, которая уходит вправо и вверх, показывает прогноз количества (по весу) гелия, второго по распространенности элемента во Вселенной по сравнению с водородом (самым распространенным элементом). Две другие кривые, которые уходят вправо вниз, отражают прогноз количества дейтерия и гелия-3 соответственно, но не по весу, а по числу ядер по сравнению с водородом. Наконец, последняя, нижняя, кривая отражает прогноз распространенности следующего по весу элемента — лития — опять же по числу ядер.
Прогноз распространенности показан как функция предполагаемой полной плотности обычного (состоящего из атомов) вещества в нынешней Вселенной. Если бы ни при каком значении плотности не получалось той комбинации предсказанного обилия элементов, что соответствует нынешним наблюдениям, это было бы сильным доводом против того, что они возникли в результате сверхвысоких температур при Большом взрыве. Обратите внимание, что предсказанная распространенность этих элементов колеблется в пределах почти 10 порядков.
Прямоугольники на каждой кривой отражают допустимый диапазон реальной первичной распространенности этих элементов по оценкам, основанным на наблюдениях старых звезд и горячего газа в нашей Галактике и за ее пределами.
Вертикальная темная полоса показывает область параметров, где все предсказания согласуются с наблюдениями. Трудно представить себе более конкретный довод, нежели соответствие предсказаний и наблюдений для элементов, количество которых может варьироваться на 10 порядков, в пользу того, что все легкие элементы возникли в «печке» Большого взрыва.
Пожалуй, стоит проговорить более четко, какие выводы следуют из этого примечательного соответствия. Только в первые горячие секунды Большого взрыва, при условии что первоначальное количество протонов и нейтронов было именно таким, чтобы в видимых галактиках получилась наблюдаемая сейчас плотность вещества или очень близкая к ней, и что плотность излучения была именно такой, чтобы получилась наблюдаемая сейчас интенсивность реликтового излучения, могли идти те ядерные реакции, которые дали в точности такую распространенность легких элементов — водорода, дейтерия, гелия и лития, которая, как мы полагаем, составила основной строительный материал звезд, заполняющих сегодня ночное небо.