Эволюция Вселенной

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия "иерархическая теория". Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магелланово облако), но со временем они сливаются, образуя все большие галактики. 

В последние  время верность теории поставлена под  вопрос и не в малой степени  этому способствовал downsizing. Однако в теоретических исследованиях  эта теория является доминирующей. Наиболее яркий пример подобного  изыскания — Millennium simulation (Millennium run) 
 

Часть 3

Теоретическая судьба Вселенной 

Долгосрочный  расчёт будущего Вселенной напрямую зависит от процесса расширения Вселенной: будет ли он бесконечно долго ускоряться, или скорость его расширения будет  постоянной на протяжении значительного времени, или же в какой-то момент Вселенная начнет сжиматься. Считается, что это зависит от средней плотности Вселенной (т.н. критической плотности). Если плотность равна критической (вариант плоской Вселенной), то расширение идет с одинаковой скоростью, если больше, то Вселенная в конце концов схлопнется (вариант замкнутой Вселенной), если меньше то будет расширяться с всё большем ускорением, что в итоге приведет к Большому Разрыву (вариант открытой Вселенной).

Сценарий  Большого Разрыва 

Данные  по сверхновым Ia говорят, что в данный момент расширение Вселенной ускоряется, а значит, скорее всего, будет ускоряться и впредь. Следом за Ф. Адамс и Г. Лайфлин для более удобного описания будущего введем понятие космологической декады (η) — десятичный показатель степени возраста Вселенной в годах:

τ = 10η  лет

Эпоха звёзд  

Нынешняя  эпоха, эпоха активного рождения звёзд закончится ровно в тот  момент, когда галактики исчерпают  все запасы межзвёздного газа, в  это же время закончат свой путь и маломассивные звёзды — красные карлики — полностью исчерпав свои источники горения. 

Гораздо раньше потухнет Солнце. Но сначала  оно превратится в красный  гигант, поглотив Меркурий и Венеру. Земля же, если не разделит их судьбу, раскалится настолько, что будет представлять собой сплошной сгусток лавы.

Эпоха распада  

Если  в предыдущей стадии основное население  Вселенной это звёзды, подобные нашему Солнцу, то в эпоху распада —  белые и коричневые карлики, и  совсем немного нейтронных звёзд  и чёрных дыр. Обычных звёзд нет вообще, они все дошли до конечного этапа своей эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. 

Если  в прошлой стадии горение водорода было самым распространённым процессом, то в эту эпоху его место  в коричневых карликах, да и идет гораздо-гораздо медленнее. Ныне главенствуют процессы аннигиляции тёмной материи и распад протона. 

Галактики также сильно отличаются от нынешних: все звёзды уже неоднократно сталкивались друг с другом. Да и размер галактик значительно больше: все галактики, входящие в состав локального скопления, слились в одну.

Эпоха чёрных дыр 

На этом этапе фактически всё вещество представляет собой море элементарных частиц. И  лишь в некоторых уголках Вселенной  продолжают жить нейтронные звёзды. На первую роль выходят чёрные дыры. 

За предыдущие декады они аккрецировали на себя вещество. В эту эпоху они только излучают. Основных механизма тут  два — столкновение двух чёрных дыр и последующее слияние  высвобождают значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является Излучение Хокинга: благодаря своей квантовой природе некоторым фотонам удаётся пробираться за горизонт событий. Вместе с фотоном чёрная дыра теряет и массу, а потеря массы ведет к ещё большему потоку фотонов. В какой-то момент гравитация больше не может удерживать фотоны света под горизонтом событий, и чёрная дыра взрывается, выкидывая последние остатки фотонов. 

Однако  возможен и другой сценарий. Если Вселенная  открытая или плоская, то, подобно  современным галактикам, чёрные дыры могут образовывать свои скопления и сверхскопления, и точно также они будут сливаться. В итоге образуется гигантская чёрная дыра, которая будет жить фактически вечно. Возможно, под действием гравитации она разогреется до Планковской температуры и достигнет Планковской плотности и станет причиной очередного Большого взрыва, дав начало новой вселенной.

Эпоха вечной тьмы

Это время  уже без каких-либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых  декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны и позитроны. Температура стремительно приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония, долгосрочная судьба их — полная аннигиляция. 

Если  в эту эпоху Вселенная продолжает расширяться, то её дальнейшая судьба непредсказуема. Известная нам физика в этот момент времени уже не работает. Это ещё больше усиливает сходство с первыми мгновениями Большого взрыва: море элементарных частиц, высокая однородность и полная неприменимость современных законов физики.

Сценарий  Большого Сжатия 

На самом  деле наблюдения сверхновых типа Ia не совсем исключают возможность замедления расширения. Можно дать верхнее ограничение  на среднюю плотность вещества в  две критические величины, т.е. минимальное время до Большого сжатия 50 млрд. лет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

Вселенная будет напоминать современную вплоть до момента, когда её радиус не станет в пять раз меньше современного. В этот самый момент все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также происходят рождения звёзд, всё также вспыхивают сверхновые и, возможно, развивается биологическая жизнь. Всему этому придет конец, когда Вселенная ужмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше чем сейчас, в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику. 

Температура реликтового фона достигнет 274К и  на планетах земного типа начнет таять  лед. Дальнейшее сжатие приведет к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетарной системы, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся и сами звёзды, либо будут разорваны на куски, подобную участь разделят и планеты. В тот момент Вселенная будет похожа на ту молодую, что была в первые годы своего рождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны, начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки, происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва перестают работать известные нам законы физики и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно.