Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής Κοσμολογία

Πόσο μεγάλο θα γίνει το σύμπαν και πότε;

Written by Δ.Μ.

τεράστιο, αληθινά τεράστιο, μέρος γεμάτο αστέρια, γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών και τεράστια κοσμικά κενά μεταξύ τους. Με το πέρασμα του χρόνου, η βαρύτητα θα συνεχίσει να έλκει μεταξύ τους αυτές τις μεγάλες συγκεντρώσεις ύλης, αλλά η διαστολή του Σύμπαντος λειτουργεί με τρόπο που τις οδηγεί σε απομάκρυνση. Πριν από 20 χρόνια, ανακαλύψαμε την τελική μοίρα του Σύμπαντος: ο ρυθμός διόγκωσης, χάρη στη σκοτεινή ενέργεια, θα νικήσει τη βαρύτητα, πράγμα που σημαίνει ότι το Σύμπαν μας δεν θα επιστρέψει ποτέ πίσω. Καθώς όμως συνεχίζει να μεγαλώνει, πόσο μεγάλο θα γίνει το Σύμπαν και πότε;

Share

Το σύμπαν μας, όπως το παρατηρούμε σήμερα, είναι ένα τεράστιο, αληθινά τεράστιο, μέρος γεμάτο αστέρια, γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών και τεράστια κοσμικά κενά μεταξύ τους. Με το πέρασμα του χρόνου, η βαρύτητα θα συνεχίσει να έλκει μεταξύ τους αυτές τις μεγάλες συγκεντρώσεις ύλης, αλλά η διαστολή του Σύμπαντος λειτουργεί με τρόπο που τις οδηγεί σε απομάκρυνση. Πριν από 20 χρόνια, ανακαλύψαμε την τελική μοίρα του Σύμπαντος: ο ρυθμός διόγκωσης, χάρη στη σκοτεινή ενέργεια, θα νικήσει τη βαρύτητα, πράγμα που σημαίνει ότι το Σύμπαν μας δεν θα επιστρέψει ποτέ πίσω. Καθώς όμως συνεχίζει να μεγαλώνει, πόσο μεγάλο θα γίνει  το Σύμπαν και πότε;

Timeline_Universe

Η τρέχουσα εκτίμηση για τη διάμετρο του σύμπαντος είναι 93 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Με την τρέχουσα επιτάχυνση του σύμπαντος που μετράται με την μετατόπιση προς το ερυθρό και με τη μελλοντική εκθετική επιτάχυνση, πόσο καιρό χρειάζεται το σύμπαν μέχρι να “χτυπήσει” μια διάμετρο 100 δισεκατομμυρίων ετών φωτός;

Για να μάθετε την απάντηση σε αυτή τη συγκεκριμένη ερώτηση και πολλά άλλα, ας ρίξουμε μια ματιά στο τι είναι το Σύμπαν μας σήμερα.

startswithabang

Το Εξαιρετικά Βαθύ Πεδίο Hubble, η βαθύτερη εικόνα που έχουμε για το Σύμπαν σήμερα, που αποκαλύπτει γαλαξίες από τότε που το Σύμπαν ήταν μόνο το 3-4% της τρέχουσας ηλικίας του.

Σε κοντινή απόσταση, το Σύμπαν είναι γεμάτο από γαλαξίες που συσσωρεύονται και κάνουν σμήνη μαζί. Όσο πιο μακριά βλέπουμε, σε απόσταση, τόσο πιο μακριά πίσω στον χρόνο το βλέπουμε. Μέσα στον δικό μας Γαλαξία, ένα αστέρι που είναι 10 έτη φωτός μακριά το βλέπουμε όπως ήταν πριν από 10 χρόνια: χρειάζονται 10 χρόνια για το φως, που κινείται με την ταχύτητα του φωτός, για να διασχίσει αυτή την απόσταση. Αλλά σε εξαιρετικά μεγάλες αποστάσεις, η διαστολή του Σύμπαντος παίζει και αυτή ένα σπουδαίο ρόλο. Ένας γαλαξίας του οποίου το φως φτάνει μετά από ένα ταξίδι 10 δισεκατομμυρίων ετών, θα είναι μακρύτερα από τα 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός σήμερα. Η απόσταση του σήμερα θα είναι πάνω από 16 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας. Ο λόγος γι ‘αυτό; Το φως εκπέμπεται, ταξιδεύει δια μέσου του διαστήματος, αλλά ο διασταλμένος χώρος σπρώχνει όλα τα μη δεσμευμένα μεταξύ τους αντικείμενα μακριά το ένα από το άλλο. Αυτό περιλαμβάνει σχεδόν κάθε μακρινό γαλαξία έξω από την τοπική ομάδα γαλαξιών.

galaxy-away

Δεν είναι απλώς ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς προκαλώντας έτσι τη γνωστή ερυθρή μετατόπιση στο φως των γαλαξιών, αλλά ότι ο ίδιος ο χώρος ανάμεσα στον εαυτό μας και τους γαλαξίες μετατοπίζει προς το ερυθρό το φως κατά το ταξίδι του από αυτό το μακρινό σημείο στα μάτια μας. Καθώς το Σύμπαν συνεχίζει να επεκτείνεται, τα αντικείμενα που εκπέμπουν το φως συνεχώς απομακρύνονται.

Έχουμε καταφέρει να προσδιορίσουμε με επιτυχία από τι αποτελείται το σύμπαν και επίσης μετρήσαμε ποιός είναι ο ρυθμός διαστολής  σήμερα. Με συνδυασμό των δύο αυτών στοιχείων μαζί στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας και έτσι οι νόμοι της φυσικής καθορίζουν αυτόματα τον τρόπο με τον οποίο το Σύμπαν διαστέλλεται κατά την διάρκεια της ζωής του και πώς θα επεκταθεί στο πολύ απώτατο μέλλον. Βάσει όσων γνωρίζουμε μέχρι στιγμής, το μέρος του Σύμπαντος που είναι προσβάσιμο σήμερα, δηλαδή 13.8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, βρίσκεται τώρα σε μία ακτίνα 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός. 46 billions year old

Το παρατηρούμενο σύμπαν θα μπορούσε να είναι 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις από τη δική μας οπτική γωνία, αλλά σίγουρα υπάρχει περισσότερο, αδιαφανές σύμπαν, ίσως ακόμη και ένα άπειρο ποσό, ακριβώς όπως το δικό μας πέρα ​​από αυτό.

Υπάρχει πιθανά πολύ περισσότερο Σύμπαν, σε όλες τις κατευθύνσεις, πέρα ​​από αυτό το σημείο. Όπου βρισκόμαστε, όμως, μπορούμε να παρατηρήσουμε μόνο τα μέρη εκείνα όπου το φως είχε αρκετό χρόνο για να φτάσει σε μας από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης. Με βάση τον παρατηρούμενο ρυθμό διαστολής  και το γεγονός ότι γνωρίζουμε ότι το σύμπαν μας αποτελείται από:

  • 68% σκοτεινή ενέργεια , η οποία ενεργεί σαν μια κοσμολογική σταθερά λ (που αναγκάζει συνεχώς το σύμπαν να διαστέλλεται),
  • 27% σκοτεινή ύλη , η οποία αραιώνεται όσο μεγαλώνει ο όγκος καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται,
  • 4.9% φυσιολογική ύλη , η οποία δρα σαν τη σκοτεινή ύλη αλλά, επίσης, συγκρούεται με τον εαυτό της,
  • 0,1% νετρίνα , τα οποία ενεργούν σαν ύλη σήμερα αλλά σαν ακτινοβολία όταν αυτή κινείται κοντά στην ταχύτητα του φωτός, και
  • 0.01% φωτόνια , τα οποία αραιώνονται όσο μεγαλώνει ο όγκος του Κόσμου και επίσης τα μήκη κύματος τους τεντώνονται και ψύχονται καθώς το σύμπαν επεκτείνεται,

Έτσι, μπορούμε να εξηγήσουμε ποιά στοιχεία καθορίζουν το ρυθμό διαστολής σε ολόκληρη την ιστορία του Σύμπαντος.

energy-universe

Η σχετική σημασία των διαφόρων ενεργειακών συνιστωσών στο Σύμπαν σε διάφορες χρονικές στιγμές στο παρελθόν

Σημειώστε ότι, πολύ πρόσφατα, η σκοτεινή ενέργεια έχει γίνει κυρίαρχη. Καθώς προχωρούμε στο μέλλον, θα είναι ο μοναδικός καθοριστικός παράγοντας για το ρυθμό επέκτασης του Σύμπαντος. Καθώς το Σύμπαν συνεχίζει να αναπτύσσεται, η πυκνότητα της ύλης – τόσο της κανονικής όσο και της σκοτεινής – συνεχίζει να πέφτει, αλλά η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας θα παραμείνει σταθερή. Επειδή ο ρυθμός επέκτασης (διαστολής) είναι ανάλογος με την ενεργειακή πυκνότητα του Σύμπαντος, αυτό σημαίνει ότι η σταθερή πυκνότητα που έχει η σκοτεινή ενέργεια, σημαίνει ότι ο ρυθμός διαστολής προχωρά ασυμπτωτικά προς μία σταθερά. Με βάση τον τρέχοντα ρυθμό διαστολής, όπως παρατηρήθηκε από την απόστολή Planck, ήτοι 67 km / s / Mpc, αυτό σημαίνει δύο μεγάλα πράγματα για το μέλλον:

  1. ο ρυθμός διαστολής ασυμπτωτικά θα φτάσει  στα 55 km / s / Mpc, μόνο όταν η σκοτεινή ενέργεια είναι σημαντική, και
  2. αυτή η ταχύτητα διαστολής  θα αναγκάσει τα μακρινά αντικείμενα να  απομακρύνονται με μία επιτάχυνση και το Σύμπαν θα διαστέλλεται τότε εκθετικά.

(Σημειώστε ότι 1 Mpc είναι μια αστρονομική μονάδα απόστασης που ισοδυναμεί με περίπου 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός.)

future-universe

Οι αναμενόμενες μοίρες – προοπτικές του Σύμπαντος (τρεις πρώτες απεικονίσεις) αντιστοιχούν σε ένα Σύμπαν όπου η ύλη και η ενέργεια καταπολεμούν τον αρχικό ρυθμό διαστολής. Στο παρατηρούμενο σύμπαν μας όμως, μία κοσμική επιτάχυνση προκαλείται από κάποιο είδος σκοτεινής ενέργειας, που μέχρι τώρα είναι ανεξήγητη. Όλα αυτά τα 4 Σύμπαντα διέπονται από τις εξισώσεις Friedmann.

Σκεφτείτε γιατί συμβαίνει αυτό: γιατί ένας σταθερός ρυθμός διαστολής σημαίνει ότι τα μακρινά αντικείμενα επιταχύνουν και ότι το Σύμπαν επεκτείνεται εκθετικά. Φανταστείτε ένα γαλαξία κάπου 10 Mpc μακριά. Αν ο ρυθμός επέκτασης είναι 55 km / s / Mpc, τότε φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς με μία ταχύτητα 550 km / s λόγω της διαστολής του σύμπαντος. Με την πάροδο του χρόνου, κινείται ολοένα και μακρύτερα. Πόσο γρήγορα όμως φαίνεται να υποχωρεί;

  • Όταν είναι 10 Mpc μακριά, υποχωρεί με  550 km / s.
  • Όταν είναι 20 Mpc μακριά, υποχωρεί με  1100 km / s.
  • Όταν είναι 40 Mpc μακριά, υποχωρεί με 2200 km / s.
  • Όταν είναι 80 Mpc μακριά, υποχωρεί με 4400 km / s.

Και ούτω καθεξής. Όσο περισσότερος χρόνος περνάει και όσο πιο μακριά είναι ο γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνεται από ο βλέμμα μας. Αλλά εδώ πρέπει κάτι να συνειδητοποιήσετε: ο χρόνος από 10 έως 20 Mpc είναι ο ίδιος που πρέπει να περάσετε από 20 σε 40 ή 40 έως 80 ή 1000 έως 2000 και ούτω καθεξής. Σε ένα Σύμπαν που κυριαρχείται από σκοτεινή ενέργεια, αυτό οφείλεται στον τρόπο που λειτουργεί η εκθετική διαστολή.

future-spacetime

Αυτό το διάγραμμα δείχνει, σε κλίμακα, πώς ο χωροχρόνος εξελίσσεται / διαστέλλεται σε ίσες χρονικές μεταβολές,  αν το σύμπαν κυριαρχείται από την ύλη, την ακτινοβολία ή την ενέργεια που είναι εγγενής στο ίδιο το διάστημα, με το τελευταίο να αντιστοιχεί στο σύμπαν μας που κυριαρχεί τ σκοτεινή ενέργεια.

Αν λοιπόν θέλαμε να σχεδιάσουμε ποιό είναι το φαινόμενο μέγεθος του σύμπαντος, σε ακτίνα ως συνάρτηση του χρόνου, το μόνο που θα έπρεπε να κάνουμε είναι να τρέξουμε τα μαθηματικά. Τα αποτελέσματα είναι απλά, απλά και εύκολα να διαβαστούν. Αν κρατάτε ένα μοιρογνωμόνιο, μπορείτε να δείτε ότι στο πολύ μακρινό παρελθόν η γραμμή έχει μια συγκεκριμένη κλίση που δείχνει την κυριαρχία της ακτινοβολίας. Στο πιο πρόσφατο παρελθόν, όπου στο Σύμπαν κυριάρχησε η ύλη, η κλίση της γραμμής αλλάζει. Και τότε η γραμμή αλλάζει προς μία εκθετική καμπύλη, όταν η σκοτεινή ενέργεια αναλαμβάνει τα ηνία από την ύλη καθώς η πυκνότητα της ύλης πέφτει περισσότερο. Εκεί μόλις αρχίσαμε να ζούμε σήμερα.

visible-universe

Ένα γράφημα log-log του μεγέθους / της κλίμακας του παρατηρούμενου Σύμπαντος ως προς τον κοσμικό χρόνο. Σημειώστε την πρώιμη εποχή που κυριαρχούσε η ακτινοβολία, την πρόσφατη εποχή που κυριαρχεί η ύλη και τις επόμενες εκρηκτικές εποχές που επεκτείνεται εκθετικά το σύμπαν

log-space-universe

Το παρατηρούμενο Σύμπαν μας, όπως το γνωρίζουμε τώρα, έχει διάμετρο 92 εκατομμύρια έτη φωτός, με μία πραγματική ηλικία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.   Μια καλλιτεχνική απεικόνιση της λογαριθμικής κλίμακας για το παρατηρούμενο σύμπαν. Σημειώστε ότι έχουμε ένα περιορισμό ως προς το πόσο μπορούμε να δούμε πίσω από το χρονικό διάστημα που συνέβη το καυτό Big Bang: 13,8 δισεκατομμύρια έτη, ή (συμπεριλαμβανομένης της επέκτασης του σύμπαντος) 46 δις έτη φωτός. Όποιος ζει στο σύμπαν μας, σε οποιαδήποτε θέση, θα δει σχεδόν ακριβώς το ίδιο πράγμα από την δική τους πλεονεκτική θέση.

Πότε το σύμπαν θα φτάσει τα 100 δισεκατομμύρια έτη φωτός σε διάμετρο; Όταν έχουν περάσει 14,9 δισεκατομμύρια έτη από το Big Bang, μόλις 1,1 δισεκατομμύρια χρόνια από τώρα. Σε αυτό το σημείο, το σύμπαν θα έχει σκοτεινή ενέργεια 73% και ο ρυθμός επέκτασης θα έχει πέσει στα 65 km / s / Mpc. Δεν είναι μεγάλη αλλαγή. Αλλά καθώς προχωρούμε με μεγάλα βήματα, οι αλλαγές θα γίνονται πολύ δραματικές.

Με την πάροδο του χρόνου όταν το Σύμπαν θα είναι 24,5 δισεκατομμυρίων ετών, λίγο περισσότερο από 10 δισεκατομμύρια χρόνια από τώρα, θα είναι 94% σκοτεινή ενέργεια, ο ρυθμός  διαστολής θα γίνει  57 km / s / Mpc, Αλλά το παρατηρούμενο σύμπαν θα έχει διάμετρο 200 ​​δισεκατομμύρια έτη φωτός!

Και σε ηλικία 37,6 δισεκατομμυρίων ετών, το σύμπαν θα αποτελείται από 99,4% σκοτεινή ενέργεια, ο ρυθμός διαστολής  θα είναι 55,4 km / s / Mpc, και τότε το σύμπαν θα έχει διάμετρο 400 δις έτη φωτός.

Και τώρα, κάθε 12,2 δισεκατομμύρια χρόνια μετά από αυτό, το μέγεθος του Σύμπαντος θα διπλασιάζεται, με το ρυθμό επέκτασης στα 55,4 km / s / Mpc. Αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν θα έχει  διάμετρο 1 τρισεκατομμύριο έτη φωτός όταν θα είναι 54 δισεκατομμύρια ετών. 10 τρισεκατομμύρια έτη φωτός σε 86 δισεκατομμύρια έτη. 100 τρισεκατομμύρια έτη φωτός σε 118 δισεκατομμύρια χρόνια. και ένα τετράκις έτη φωτός σε διάμετρο στα 149 δισεκατομμύρια χρόνια. Τώρα που το Σύμπαν έχει διάμετρο δέκα φορές την τρέχουσα ηλικία του, θα είναι σχεδόν  δέκα χιλιάδες φορές το σημερινό του μέγεθος. Αυτή είναι η δύναμη της εκθετικής διαστολής.

future-universe2

Οι διαφορετικές πιθανές μοίρες του Σύμπαντος, με την πραγματική, επιταχυνόμενη μοίρα μας, να εμφανίζεται στα δεξιά. Με το πέρασμα του χρόνου, τα αντικείμενα θα απέχουν εκθετικά πιο μακρυά το ένα από το άλλο.

Σήμερα, το παρατηρούμενο Σύμπαν περιέχει περίπου 2 τρισεκατομμύρια γαλαξίες. Καθώς προχωράμε στο πολύ μακρινό μέλλον, όλα αυτά που δεν είναι μέρος της τοπικής μας ομάδας θα υποχωρήσουν από εμάς προς αυτούς τους μακρινούς ορίζοντες του Σύμπαντος. Αυτά που περιέχονται τώρα σε μια σφαίρα με διάμετρο 93 δις έτη φωτός θα επεκταθεί σε ολοένα μεγαλύτερους και μεγαλύτερους όγκους, οδηγώντας σε ένα Σύμπαν όπου η μέση πυκνότητα τελικά πέφτει στο μηδέν και θα γίνει τόσο γρήγορα. Εάν γεννηθήκατε όταν το μήκος του σύμπαντος ήταν δέκα φορές την τρέχουσα ηλικία του, Ο Γαλαξίας μας που θα ενωθεί με την Ανδρομέδα, που θα ενταχθεί στην τοπική μας ομάδα, θα ήταν ο μοναδικός γαλαξίας που θα μπορούσατε να δείτε στο Σύμπαν για τρισεκατομμύρια έτη φωτός. Απολαύστε το σύμπαν μας με τον τρόπο που κάνουμε ενώ είμαστε εδώ με προνομιακό τρόπο.

Ethan Siegel, αστροφυσικός

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share