Хроніка гісторыі нашага Сусвету, які можна назіраць Звярніце ўвагу, што дыяметр Сусвету павялічваецца, а тэмпы павелічэння ў цяперашні час павялічваюцца. Гэта мае глыбокія наступствы для таго, як ён будзе расці далёка ў будучыні. (НАСА / WMAP навуковая каманда)

Спытаеце Этана: Наколькі вялікай будзе Сусвет?

Цёмная энергія азначае, што пашырэнне Сусвету паскараецца. Але наколькі вялікі ён атрымаецца і як хутка?

Наша Сусвет, як мы яе назіраем сёння, - гэта велізарнае, велізарнае месца, поўнае зорак, галактык, навалы галактык і велізарных касмічных пустэч. З цягам часу гравітацыя будзе працягваць цягнуць гэтыя вялікія канцэнтрацыі матэрыі адзін да аднаго, але пашырэнне Сусвету працуе на тое, каб разбіць іх. 20 гадоў таму мы выявілі канчатковы лёс Сусвету: хуткасць пашырэння, дзякуючы цёмнай энергіі, разграміць гравітацыю, гэта значыць, што наша Сусвет ніколі не паварочваецца і ўспамінаецца. Аднак, як мы працягваем расці, наколькі вялікую Сусвет атрымае і калі? Вось што хоча ведаць Рудзі Зігель на гэтым тыдні "Спытай Этан":

Цяперашняя ацэнка дыяметра Сусвету складае 93 мільярды светлавых гадоў. З улікам цяперашняга паскарэння Сусвету, які вымяраецца чырвоным зрухам, і будучага экспанентнага паскарэння, колькі часу "мы" ўдарым у дыяметр 100 мільярдаў светлавых гадоў?

Каб знайсці адказ на гэтае канкрэтнае пытанне і многае іншае, давайце паглядзім, як выглядае наш Сусвет сёння.

Глыбокае поле Hubble eXtreme - наш глыбокі погляд Сусвету на сённяшні дзень, які паказвае галактыкі з таго часу, калі Сусвет складала ўсяго 3–4% ад свайго цяперашняга ўзросту. (NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, P. Oesch, Каліфарнійскі ўніверсітэт, Санта-Крус; R. Bouwens, Leiden University; і каманда HUDF09)

Сусвет побач з галактыкамі, якія згрупаваны і згрупаваны разам. Чым далей мы глядзім, тым больш адлегласць, тым далей назад мы таксама шукаем час. У нашай уласнай галактыцы бачна зорка, якая знаходзіцца за 10 светлавых гадоў, як і 10 гадоў таму: для праходжання гэтай адлегласці светлавым рухам са хуткасцю святла спатрэбіцца 10 гадоў. Але на вельмі вялікіх адлегласцях пашырэнне Сусвету гуляе пэўную ролю. Галактыка, святло якой паступае пасля 10 мільярдаў гадоў, будзе сёння больш, чым 10 мільярдаў светлавых гадоў; гэта будзе больш падобна на 16 мільярдаў светлавых гадоў. Прычына гэтага? Святло выпраменьваецца, падарожнічае па прасторы, але пашыраецца прастора рассоўвае ўсе незвязаныя прадметы. Сюды ўваходзіць практычна кожная далёкая галактыка па-за межамі лакальнай групы.

Не проста тое, што галактыкі аддаляюцца ад нас, выклікае чырвоны зрух, а хутчэй, што прастора паміж намі і галактыкай змяняе святло на сваім шляху ад той далёкай кропкі да нашых вачэй. Па меры таго, як Сусвет працягвае пашырацца, аб'екты, якія выпраменьваюць святло, накручваюцца далей, чым нават колькасць гадоў, якія праляцела святло, калі яно прыбыло. (Лары Макніш / цэнтр Калгары RASC)

Нам удалося паспяхова вызначыць, з чаго ствараецца Сусвет, і мы таксама вымералі, што такое хуткасць пашырэння сёння. Аб'яднайце гэтыя два звесткі разам у рамках агульнай адноснасці, і законы фізікі аўтаматычна вызначаюць, як Сусвет пашырылася за сваю гісторыю і як яна будзе бясконца пашырацца ў будучыні. Зыходзячы з таго, што мы ведаем да гэтага часу, частка Сусвету, даступная нам сёння, 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, зараз у радыусе 46 мільярдаў светлавых гадоў.

З нашага пункту гледжання Сусвет, які можна назіраць, можа мець 46 мільярдаў светлавых гадоў ва ўсіх напрамках, але, безумоўна, ёсць і больш, не назіраецца, магчыма, нават бясконцая колькасць, як і наша. (Фрэдэрык Міхель і Эндру З. Колвін, анатацыя Е. Зігеля)

Верагодна, Сусвет ва ўсіх напрамках значна большы за яго кропку. Тым не менш, дзе мы знаходзімся, мы можам назіраць толькі яго часткі, дзе светла было дастаткова часу, каб дасягнуць нас пасля Вялікага выбуху. Зыходзячы з назіранай хуткасці пашырэння і таго, што мы ведаем, наша Сусвет складаецца з:

  • 68% цёмнай энергіі, якая дзейнічае як касмалагічная пастаянная,
  • 27% цёмнай матэрыі, якая разводзіць аб'ёмам па меры пашырэння Сусвету,
  • 4,9% нармальнай матэрыі, якая дзейнічае як цёмная матэрыя, але таксама сутыкаецца з самой сабой,
  • 0,1% нейтрына, які дзейнічае як рэчыва сёння, але любіць выпраменьванне, калі яно рухаецца блізка да хуткасці святла і
  • 0,01% фатонаў, якія разводзяцца з аб'ёмам і таксама маюць даўжыні хваль, якія расцягваюцца і астываюць, калі Сусвет пашыраецца,

мы можам экстрапаляваць, якія кампаненты вызначалі хуткасць пашырэння на працягу ўсёй гісторыі Сусвету.

Адноснае значэнне розных кампанентаў энергіі ў Сусвеце ў розныя перыяды мінулага. (Э. Зігель)

Звярніце ўвагу, што зусім нядаўна цёмная энергія стала пераважаць. Калі мы будзем рухацца наперад, гэта будзе адзіным вызначальным фактарам хуткасці пашырэння Сусвету. Па меры таго, як Сусвет працягвае пашырацца, шчыльнасць матэрыі - як нармальная, так і цёмная - працягвае падаць, але шчыльнасць цёмнай энергіі застанецца пастаяннай. Паколькі хуткасць пашырэння (у квадраце) прапарцыйная шчыльнасці энергіі Сусвету, гэта азначае пастаянную шчыльнасць, якую дае вам цёмная энергія, асімптоты хуткасці пашырэння да пастаяннай. Зыходзячы з цяперашняй хуткасці пашырэння, якую назірае Планк, 67 км / с / мпк, гэта азначае дзве вялікія рэчы ў будучыні:

  1. хуткасць пашырэння будзе асімптотай да 55 км / с / мпк, калі важна толькі цёмная энергія
  2. такая хуткасць пашырэння прымусіць паскораныя адступленні аддаленых аб'ектаў, а Сусвет пашырыцца ў геаметрычнай прагрэсіі.

(Звярніце ўвагу, што Mpc - гэта мегапарсек, астранамічная адзінка адлегласці, якая роўная прыблізна 3,26 млн светлавых гадоў.)

Чаканыя лёсы Сусвету (тры лепшыя ілюстрацыі) адпавядаюць Сусвету, дзе матэрыя і энергія змагаюцца з пачатковай хуткасцю пашырэння. У нашай назіральнай Сусвеце касмічнае паскарэнне выклікана нейкай цёмнай энергіяй, якая да гэтага часу невытлумачальная. Усе гэтыя Сусветы кіруюцца ўраўненнямі Фрыдмана. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Падумайце, чаму так: чаму пастаянная хуткасць пашырэння азначае, што аддаленыя аб'екты паскараюцца, а Сусвет пашыраецца ў геаметрычнай прагрэсіі. Уявіце сабе галактыку ў 10 Мп. Калі хуткасць пашырэння складае 55 км / с / Мпк, то яна, здаецца, адыходзіць ад нас са хуткасцю 550 км / с за кошт пашырэння Сусвету. З цягам часу яна адыходзіць усё далей і далей. Як хутка, здаецца, адступіць?

  • Калі ён знаходзіцца ў 10 Мп, ён адыходзіць са хуткасцю 550 км / с.
  • Калі ён знаходзіцца ў 20 Мп, ён адыходзіць на хуткасці 1100 км / с.
  • Калі ён знаходзіцца ў 40 Мп, ён праходзіць пры хуткасці 2200 км / с.
  • Калі ён знаходзіцца ў 80 Мп, ён праходзіць з хуткасцю 4400 км / с.

І гэтак далей. Чым больш праходзіць час і чым далей галактыка, тым хутчэй яна адыходзіць ад гледжання. Але вось што вы павінны ўсвядоміць: колькасць часу, каб перайсці ад 10 да 20 Мпц, гэта тое ж самае, каб перайсці ад 20 да 40, альбо 40 да 80, альбо 1000 да 2000, і гэтак далей. У Сусвеце, дзе пераважае цёмная энергія, менавіта так працуе экспанентная экспансія.

Гэтая дыяграма паказвае, у маштабе, як прасторавы час развіваецца / пашыраецца за аднолькавыя крокі часу, калі ў Вашай Сусвеце пераважаюць рэчыва, выпраменьванне ці энергія, уласцівая самому космасу, прычым апошняя адпавядае нашай Сусвеце, дзе пераважае цёмная энергія. (Э. Зігель)

Такім чынам, калі б мы хацелі высветліць, які ў радыусе ўяўны памер Сусвету, як функцыя часу, усё, што нам трэба зрабіць, гэта выканаць матэматыку. Вынікі простыя, простыя і зручныя для счытвання. Калі вы трымаеце лінейку да графіка, вы бачыце, што ў вельмі далёкім мінулым лінія мае пэўны нахіл, які сведчыць пра панаванне радыяцыі. У больш познім мінулым у Сусвеце панавала матэрыя, дзе змяняецца нахіл лініі. І тады лінія мяняецца ў экспанентную крывую, калі цёмная энергія пераймае з матэрыі, калі шчыльнасць рэчывы падае далей. Вось тут мы толькі пачалі жыць сёння.

Графік велічыні / маштабу назіральнай Сусвету супраць праходжання касмічнага часу. Гэта адлюстроўваецца ў маштабе часопіса з некалькімі асноўнымі вехамі памеру / часу. Звярніце ўвагу на ранняе эпоху, дзе пераважаюць радыяцыі, нядаўнія эпохі, дзе пераважаюць рэчывы, і эпоху, якая пашыраецца ў цяперашні час і ў будучыні, якая пашыраецца. (Э. Зігель)

Наша назіральная Сусвет, як мы яе ведаем цяпер, у дыяметры складае 92 мільярды светлавых гадоў. Ва ўзросце 13,8 мільярда гадоў, менавіта так нам удалося зайсці.

Лагарыфмічная канцэпцыя мастака пра назіральную Сусвет. Звярніце ўвагу, што мы абмежаваныя тым, наколькі далёка мы можам бачыць час, які адбыўся пасля гарачага Вялікага выбуху: 13,8 мільярда гадоў або (уключаючы пашырэнне Сусвету) 46 мільярдаў светлавых гадоў. Кожны, хто жыве ў нашым Сусвеце, у любым месцы, убачыў бы практычна тое самае са свайго пункту гледжання. (Карыстальнік Вікіпедыі Пабла Карлас Будасі)

Калі Сусвет дасягне 100 мільярдаў светлавых гадоў у дыяметры? Калі яму 14,9 мільярда гадоў, усяго 1,1 мільярд гадоў. У гэты момант у Сусвеце з'явіцца 73% цёмнай энергіі, а хуткасць пашырэння знізіцца да 65 км / с / Мпк. Не так шмат змен. Але калі мы ідзем вялікімі крокамі наперад, змены становяцца вельмі драматычнымі.

Да таго часу, калі Сусвету будзе 24,5 мільярда гадоў, у будучыні крыху больш за 10 мільярдаў гадоў, гэта будзе 94% цёмнай энергіі, хуткасць пашырэння складзе 57 км / с / Мпк, але назіральная Сусвет будзе 200 мільярдаў святла гадоў у дыяметры.

Ва ўзросце 37,6 мільярда гадоў Сусвет будзе мець 99,4% цёмнай энергіі, хуткасць пашырэння складзе 55,4 км / с / Мпк, а цяпер Сусвет будзе мець дыяметр 400 мільярдаў светлавых гадоў.

І зараз кожныя 12,2 мільярда гадоў пасля гэтага памер Сусвету падвойваецца, а хуткасць пашырэння зніжаецца на ўзроўні 55,4 км / с / Мп. Гэта азначае, што Сусвет будзе мець 540000 гадоў святла ў дыяметры, калі яму 54 мільярды гадоў; 10 трыльёнаў светлавых гадоў на 86 мільярдаў гадоў; 100 трыльёнаў светлавых гадоў на 118 мільярдаў гадоў; і чатыры мільёны светлавых гадоў у дыяметры 149 мільярдаў гадоў. Па часе Сусвет у дзесяць разоў перавышае сучасны ўзрост, гэта амаль у дзесяць тысяч разоў перавышае ягоны памер. У гэтым сіла экспанентнай экспансіі.

Розныя магчымыя лёсы Сусвету, з нашага сапраўднага, паскаральнага лёсу, паказанага справа. З цягам часу ўсё ідзе ў геаметрычнай прагрэсіі адзін ад аднаго. (НАСА і ЕКА)

На сённяшні дзень Сусвет, які назіраецца, утрымлівае каля 2 трыльёнаў галактык. Калі мы рухаемся наперад у вельмі далёкае будучыню, усё гэта, што не ўваходзіць у нашу мясцовую групу, будзе адыходзіць ад нас да гэтых далёкіх гарызонтаў Сусвету. Тое, што зараз змяшчаецца ў сферы, дыяметрам 93 мільярда светлавых гадоў, будзе расцягнута на вялікія і вялікія аб'ёмы, што прывядзе да Сусвету, дзе сярэдняя шчыльнасць у рэшце рэшт апускаецца да нуля, і гэта робіцца нязручна хутка. Калі б вы нарадзіліся, калі Сусвет была ў дзесяць разоў большай за яе сучасны ўзрост, Мілкдрамеда, у якую ўваходзіць наша мясцовая група, была б адзінай галактыкай, якую вы маглі бачыць у Сусвеце за трыльёны светлавых гадоў. Атрымлівайце асалоду ад нашага Сусвету такім, якім ён ёсць, пакуль мы тут, таму што з кожным момантам, які праходзіць, ён пашыраецца ад нас такой экспанентнай хуткасцю.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".