Може би най-голямото откритие за Вселената, което направихме в края на миналия век, когато открихме една от най-странните космически истини: далечните галактики не само отлитат от нас с течение на времето, но и летят все по-бързо и по-бързо. Откриването на ускоряващото се разширяване на Вселената като част от космологичния проект Supernova с помощта на екипа за търсене на High-z Supernova спечели учени Нобелова награда по физика. Докато това е едно от най-странните и необичайни явления във Вселената.
Факт е, че Вселената не винаги се ускоряваше, летейки далеч от нас. За милиарди години разрастването се забави и за някой, който живее преди десет милиарда години, може да изглежда, че се свива. Какво стана?
През 20-те години на миналия век бяха представени четири доказателства - три наблюдателни и едно теоретично - че Вселената се разширява. Ето ги и тях:
1. Открих, че спиралните мъглявини на нощното небе са истински галактики или „островни вселени“, съдържащи милиарди звезди и разположени далеч отвъд Млечния път.
2. Измерването на червените и сините смени на тези галактики от Весто Слифер показа колко бързо тези галактики или се отдалечават от нас (червено изместване), или се приближават до нас (блушинг) и огромното мнозинство следва първия сценарий.
3. Измерванията на разстоянието до всяка от тези галактики бяха извършени от Едвин Хъбъл и неговия асистент Милтън Хъмсън. В комбинация със наблюденията на Slipher те разкриха ясна връзка: колкото по-далече беше галактиката, толкова по-бързо изглеждаше да се отдалечава от нас.
4. И накрая, мощен теоретичен скок, направен от общата теория на относителността на Айнщайн: осъзнаването, че Вселената, която е изпълнена с галактики с приблизително еднаква плътност във всички посоки, трябва да е нестабилна, освен ако не се разширява или свива.
Това доведе до картина на Вселената от 1929 г.: тя беше по-гореща, по-плътна и се разширяваше по-бързо в миналото, а след това става по-студено, не толкова плътно и се разширява с времето по-бавно.
Промоционално видео:
Това е съвсем логично от гледна точка на Големия взрив. Представете си Големия взрив като стартов пистолет на голямото космическо състезание, състезание между първоначалното разширение от едната страна, което беше много бързо в началото, и гравитацията от другата страна, което дърпа всичко заедно. Лесно е да си представим три различни варианта, всеки от които води до различно темпо на Вселената:
1. Голяма компресия. Може би първоначалната скорост на разширение беше доста висока, но силата на гравитацията беше по-силна. Разширението трябва да се забави и да спре. Вселената трябва да достигне максималния си размер и да започне да се свива. И накрая трябва да се срине отново, връщайки се в държавата преди Големия взрив.
2. Голямо замръзване. Това е обратният сценарий с предишния: при който разширяването започва бързо и гравитацията го забавя, но не е достатъчно. Разширяването трае вечно, гравитацията го забавя през цялото време, но не може да го спре. Този сценарий е известен като Топлата смърт на Вселената: Голямото замръзване.
3. Критична Вселена. Съществува и възможността да се окажете в средата, когато скоростта на разширение и гравитацията се изравнят взаимно, а скоростта на разширяване ще се забави с времето. Една частица по-малко, още една частица във Вселената - и получавате първия или втория сценарий. Но тази частица не съществува. Сценарият на „критичната вселена“би довел до най-бавната възможна топлинна смърт.
За милиарди години изглеждаше, че критичният вариант ще спечели. Виждате ли, че когато живеете във Вселената и гледате различни галактики, можете не само да измерите текущата скорост на разширяване, но като разгледате най-отдалечените галактики, можете също да измерите скоростта на разширение в началото на историята на Вселената.
Това изображение показва галактики, които вече са недостижими за нас.
За милиарди години - точно седем милиарда - изглеждаше, че живеем в критична вселена. Експанзията започва в ерата на радиация (фотони и неутрино) и тогава всичко се охлажда достатъчно, за да започне ерата на материята (както обикновена, така и тъмна). Докато Вселената продължи да се разширява, плътността на материята намаляваше и намаляваше, докато обемът на материята се увеличаваше, а масата оставаше същата.
Но в един момент плътността на материята спадна до толкова ниска стойност, че се появи друг, по-фин принос към енергийната плътност на Вселената: тъмна енергия. За около седем милиарда години стойността на тъмната материя достига няколко процента от общата плътност на енергията, а по времето, когато Вселената е на 7,8 милиарда години, плътността на тъмната енергия е достигнала важна стойност: 33% от общата плътност на енергията във Вселената. Това е важно, защото това количество тъмна енергия е необходимо, за да започне скоростта на разширяване.
Оттогава, преди около 6 милиарда години, плътността на материята започва да намалява, докато тъмната енергия остава постоянна. В момента тъмната материя представлява около 68% от общата енергия на Вселената, а материята е спаднала до 32% общо (27% тъмна материя и 5% обикновена материя). С течение на времето в бъдеще плътността на материята ще продължи да пада, докато плътността на тъмната енергия ще остане постоянна, тъмната енергия ще бъде все по-разпространена.
Енергийна плътност във Вселената в различни периоди от миналото си
За отделните галактики това ще означава, че галактика, която започна да се отдалечава от нас по времето на Големия взрив по-бързо от другите, ще демонстрира очевидно намаляване на скоростта (от наша гледна точка) през първите 7,8 милиарда години. Тогава скоростта на забавяне ще спре да пада и ще остане непроменена за известно време. Тогава той ще започне да расте и галактиката ще започне да се отдалечава от нас още по-бързо от преди, тъй като пространството между нас и далечните галактики се разширява с огромна скорост. В един момент - и това е страшно, защото се отнася за 97% от галактиките във видимата ни вселена - всяка галактика извън нашата локална група ще се отдалечи със скорост, превишаваща скоростта на светлината, като по този начин ще стане извън обсега ни поради физически ограничения.
Жълто очертано е текущият размер на видимата вселена: 46 милиарда светлинни години; Размерът, който можем да постигнем, е в розово: 14,5 милиарда светлинни години
Доколкото можем да кажем, Вселената винаги е имала количеството тъмна енергия, което сега е присъща на самия Космос. Но са били нужни 7,8 милиарда години или цялата история на Вселената една и половина милиарда години преди да се е образувала нашата Слънчева система, за да спадне плътността на материята до такова ниво, че тъмната енергия пое разширяването на Вселената. Оттогава всички галактики извън нашата местна група се оттеглят от нас и ще продължат да се оттеглят, докато последната изчезне. Вселената се разширява през последните шест милиарда години и ако се бяхме появили по-рано, може би нямаше да надминем тези три възможности, предлагани от нашата интуиция. В най-добрия случай можехме само да гадаем каква точно е Вселената. И това би било най-голямата ни награда.