Альтернативной существующим моделям вселенной, в том числе и Большому взрыву, появилась новая модель, которая предполагает совершенно другую ее «судьбу», связанную с Большим разрывом.
Как мы уже отмечалось выше все видимое (наблюдаемое) вещество во вселенной составляет всего около 5%. Большая же часть (95%) материи невидима и о свойствах её ничего не известно. Она состоит из 25% тёмной энергии и на 75% из тёмной материи.
О наличии тёмного вещества и тёмной энергии свидетельствуют гравитационные возмущения в движении звезд, галактик. Теоретически предполагается, что на роль этого вещества могут претендовать частицы, одной из которой является нейтрино. Однако исследования последствий взрыва Сверхновой-1987 установлено, что эта частица не может претендовать на роль темной (не излучающей) материи во вселенной, так как количество нейтрино составляет лишь небольшую его часть.
Другим претендентом на темное вещество предполагают суперсимметрию. Согласно теории суперсимметрии для каждой известной частицы существует «суперсимметричный» партнер, имеющий большинство ее свойств, за исключением значения спина. Такие частицы могут вести себя как тяжелое нейтрино. Наиболее перспективным кандидатом в невидимое вещество из суперсимметричных партнеров принадлежит фотино (суперсимметричный партнер фотона).
Наконец на роль экзотического темного вещества во вселенной может претендовать объект, называемый струной (нитью) Я.Б.Зельдовича (1980). Космические струны представляют собой протяженные топологические дефекты, которые могли возникать при нарушении симметрии в ранней вселенной 1. Эти образования отличаются длинными, тонкими изогнутыми трубами с постоянной очень большой плотностью энергии.
Поскольку основную массу вещества во вселенной представляет собой темное вещество и темную энергию, то появился соблазн всю ответственность за судьбу вселенной возложить на это загадочное «темное вещество» и «темную энергию».
Так и поступил профессор Р.Колдуэлл из Дартмутского колледжа (Нью-Хэмпшир, США) и группа физиков из Калифорнийского технологического университета, которые ввели в понятие существование некой фантомной энергии, которая связана с всевозрастающей темной энергией во вселенной.
Если вселенную заполняет фантомная энергия (w<-1), то ее масштабный фактор обращается в бесконечность за конечный интервал времени. Это событие вышеназванные авторы назвали Большим разрывом (Big Rip).
Согласно построенной модели Большого разрыва авторами фантомная энергия в будущем буквально разорвет вселенную: уничтожит галактики и все виды взаимодействий. Если в качестве примера взять w=-3/2, то при значении постоянной Хаббла Hо=71 км/с/Мпк Большой разрыв наступит через 22 млрд.лет, когда вселенной будет 35 млрд.лет. Также как и в сценарии с темной энергией удаленные объекты постепенно покидают наблюдаемую область, поскольку масштабный фактор быстро возрастает, а граница в обозримой области пространства приближается к нам (и все это происходит за конечное время). В этом сценарии плотность и абсолютная величина давления заполняющего пространство вещества (призрачной энергии) возрастают со временем и к моменту Большого разрыва обращаются в бесконечность. Таким образом, наступит обязательно момент, когда гравитационно связанная система с массой М и размером R будет неизбежно разорвана. Будут разорваны и все системы связанные с другими силами, только это произойдет позже, поскольку размеры негравитационно связанных систем меньше, а стягивающие их силы больше.
Для указанных выше параметров w=-3/2 и Hо=70 км/с/Мпк жизни вселенной от Большого Ввзрыва (Big Bang) до Большого разрыва (Big Rip) ситуация приведёт к исчезновению вселенной, таблица 2.4.5.
Таблица 2.4.5
Модельный сценарий от Большого взрыва до Большого разрыва
| Время | Событие |
|---|---|
| 0 | Большой взрыв |
| ~10-43 с | Планковская эпоха |
| ~10-36 с | Инфляция |
| ~100 с | Первичный нуклеосинтез |
| ~105 лет | Образование атомов |
| ~109 лет | Образование первых галактик |
| ~13 – 15·109 лет | Сегодня |
| trip-109 лет | Распад скоплений галактик |
| trip- 60·106 лет | Распад Млечного Пути* |
| trip- 3 месяца | Распад Солнечной системы |
| trip- 30 минут | Разрушение (взрыв) Земли |
| trip-10-19 с | Разрушение атомов |
| trip = 35∙109 | Большой разрыв |
*Когда начнется распад галактик, размер горизонта будет 70 Мпк. В этой сфере заключено достаточно много галактик, так что мы могли бы наблюдать их в будущем как они распадаются (с учетом задержки, связанной с конечностью скорости света)
К модели Большого разрыва приходят учёные, и не прибегая к загадочной «тёмной» материи и «тёмной» энергии. Новая теория позволяет объяснить феномен ускоренного расширения вселенной на основе предположения о существовании гигантских волн пространства-времени, масштаб которых превышает размер видимой части вселенной 2. Исследователи коллектива физиков из США, Канады и Италии говорят о том, что на протяжении короткой инфляционной фазы в Стандартной модели само пространство расширяется быстрее скорости света. А это приводит к квантовым флуктуациям, порождающим пространственно-временные волны, предсказанные еще Эйнштейном. На последующих стадиях эволюции они как бы «раздуваются», заполняя собой всю так называемую «глобальную» вселенную (Супермир), размеры которой намного больше видимой ее части. Учёные говорят, что достаточно ввести в общую теорию относительности этот ключевой элемент — гравитационную рябь на ранних стадиях развития вселенной, — чтобы объяснить наблюдаемое ускорение расширения вселенной, И не понадобится никакой необходимости изобретать таинственные фантомы типа «темной энергии».
По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение вселенной началось приблизительно 15 миллиардов лет назад (если считать возраст вселенной именно таким). Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).
Если ускоряющееся расширение вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление продолжат существовать, в то время, как вся остальная вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели вселенной с преобладанием материи.
Существуют и более экзотические гипотезы о будущем вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра, нуклоны и уничтожит вселенную в Большом разрыве.
С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на противоположное. В этом случае гравитация возобладает и приведёт вселенную к Большому хлопку. Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» вселенной. Хотя все эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы вселенной (развивающейся по теории Большого взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения или замедления расширения.
Ссылки
