Большой Разрыв: Гипотеза о конечном состоянии Вселенной
Big Rip
Большой Разрыв: гипотетическая модель конца Вселенной, где расширение разрывает всё – от галактик до атомов. Ускорение расширения и сингулярность Хаббла.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Космологическая модель
Cosmological model
В физической космологии Большой Разрыв — гипотетическая космологическая модель, описывающая конечную судьбу Вселенной, в которой материя Вселенной, от звезд и галактик до атомов и субатомных частиц, и даже само пространство-время, будет постепенно разорвана расширением Вселенной в определенный момент в будущем, пока расстояния между частицами не станут бесконечно большими. Согласно стандартной космологической модели, масштабный фактор Вселенной ускоряется, и в будущей эре доминирования космологической постоянной будет возрастать экспоненциально. Однако это расширение одинаково для каждого момента времени (отсюда экспоненциальный закон – расширение локального объема происходит в одинаковое количество раз за один и тот же интервал времени) и характеризуется постоянной, но небольшой постоянной Хаббла, которая практически не влияет на любые связанные гравитацией материальные структуры. В отличие от этого, в сценарии Большого Разрыва постоянная Хаббла возрастает до бесконечности за конечное время. Возможность возникновения сингулярности разрыва возникает только для гипотетической материи (фантомной энергии) с маловероятными физическими свойствами.
In physical cosmology, the Big Rip is a hypothetical cosmological model concerning the ultimate fate of the universe, in which the matter of the universe, from stars and galaxies to atoms and subatomic particles, and even spacetime itself, is progressively torn apart by the expansion of the universe at a certain time in the future, until distances between particles will infinitely increase. According to the standard model of cosmology, the scale factor of the universe is accelerating, and, in the future era of cosmological constant dominance, will increase exponentially. However, this expansion is similar for every moment of time (hence the exponential law – the expansion of a local volume is the same number of times over the same time interval), and is characterized by an unchanging, small Hubble constant, effectively ignored by any bound material structures. By contrast, in the Big Rip scenario the Hubble constant increases to infinity in a finite time. The possibility of sudden rip singularity occurs only for hypothetical matter (phantom energy) with implausible physical properties.
Обзор
Истина гипотезы зависит от типа темной энергии, присутствующей в нашей Вселенной. Тип, который мог бы подтвердить эту гипотезу, – это постоянно возрастающая форма темной энергии, известная как энергия фантома. Если темная энергия во Вселенной возрастает без ограничений, она может преодолеть все силы, удерживающие Вселенную вместе. Ключевым параметром является уравнение состояния w – отношение между давлением темной энергии и ее плотностью энергии. Если −1 < w < 0, расширение Вселенной имеет тенденцию к ускорению, но темная энергия со временем рассеивается, и Большого Разрыва не происходит. Энергия фантома характеризуется w < −1, что означает, что ее плотность возрастает по мере расширения Вселенной. Вселенная, доминируемая энергией фантома, – это ускоряющаяся Вселенная, расширяющаяся со все возрастающей скоростью. Однако это подразумевает, что размер наблюдаемой Вселенной и космологический горизонт событий непрерывно сокращаются – расстояние, на котором объекты могут влиять на наблюдателя, становится все меньше, а расстояние, на котором могут распространяться взаимодействия, становится все короче. Когда размер горизонта становится меньше любой конкретной структуры, никакое взаимодействие посредством фундаментальных сил не может произойти между наиболее удаленными ее частями, и структура "разорвется на части". Прогресс времени остановится. Модель предполагает, что через конечное время наступит финальная сингулярность, называемая "Большим Разрывом", в которой наблюдаемая Вселенная в конечном итоге достигнет нулевого размера, а все расстояния станут бесконечно большими. Авторы этой гипотезы, под руководством Роберта Р. Колдуэлла из Дартмутского колледжа, вычисляют время от настоящего момента до Большого Разрыва по формуле:
The truth of the hypothesis relies on the type of dark energy present in our universe. The type that could prove this hypothesis is a constantly increasing form of dark energy, known as phantom energy. If the dark energy in the universe increases without limit, it could overcome all forces that hold the universe together. The key value is the equation of state parameter w, the ratio between the dark energy pressure and its energy density. If −1 < w < 0, the expansion of the universe tends to accelerate, but the dark energy tends to dissipate over time, and the Big Rip does not happen. Phantom energy has w < −1, which means that its density increases as the universe expands. A universe dominated by phantom energy is an accelerating universe, expanding at an ever increasing rate. However, this implies that the size of the observable universe and the cosmological event horizon is continually shrinking – the distance at which objects can influence an observer becomes ever closer, and the distance over which interactions can propagate becomes ever shorter. When the size of the horizon becomes smaller than any particular structure, no interaction by any of the fundamental forces can occur between the most remote parts of the structure, and the structure is "ripped apart". The progression of time itself will stop. The model implies that after a finite time there will be a final singularity, called the "Big Rip", in which the observable universe eventually reaches zero size and all distances diverge to infinite values. The authors of this hypothesis, led by Robert R. Caldwell of Dartmouth College, calculate the time from the present to the Big Rip to be
где w определено выше, H0 – постоянная Хаббла, а Ωm – текущее значение плотности всего вещества во Вселенной. Наблюдения за скоростями скоплений галактик, проведенные рентгеновской обсерваторией Чандра, позволяют предположить, что значение w находится в диапазоне примерно от −0,907 до −1,075, что означает, что Большой Разрыв нельзя окончательно исключить. (Исходя из приведенного выше уравнения, если наблюдения покажут, что значение w меньше −1, но больше или равно −1,075, Большой Разрыв произойдет примерно через 152 миллиарда лет в будущем в самом раннем случае.)
where w is defined above, H0 is Hubble's constant and Ωm is the present value of the density of all the matter in the universe. Observations of galaxy cluster speeds by the Chandra X ray Observatory seem to suggest the value of w is between approximately −0.907 and −1.075, meaning the Big Rip cannot be definitively ruled out. (Based on the above equation, if the observation determines that the value of w is less than 1, but greater than or equal to 1.075, the Big Rip would occur approximately 152 billion years into the future at the earliest)
Пример авторов
В своей статье авторы рассматривают гипотетический пример с w = −1.5, H0 = 70 км/с/Mpc и Ωm = 0.3, в котором Большой Разрыв произойдет примерно через 22 миллиарда лет от настоящего времени. В этом сценарии галактики впервые начнут разделяться друг от друга примерно за 200 миллионов лет до Большого Разрыва. Около 60 миллионов лет до Большого Разрыва галактики начнут разрушаться, поскольку гравитация станет слишком слабой, чтобы удерживать их вместе. Планетные системы, такие как Солнечная система, станут гравитационно несвязанными примерно за три месяца до Большого Разрыва, и планеты разлетятся в быстро расширяющуюся Вселенную. В последние минуты звезды и планеты будут разорваны на части, а рассеянные атомы будут уничтожены примерно за 10−19 секунд до конца (сначала атомы будут ионизированы из-за отрыва электронов, а затем произойдет распад атомных ядер). В момент наступления Большого Разрыва даже само пространство-время будет разорвано, а масштабный фактор станет бесконечным.
In their paper, the authors consider a hypothetical example with w = −1.5, H0 = 70 km/s/Mpc, and Ωm = 0.3, in which case the Big Rip would happen approximately 22 billion years from the present. In this scenario, galaxies would first be separated from each other about 200 million years before the Big Rip. About 60 million years before the Big Rip, galaxies would begin to disintegrate as gravity becomes too weak to hold them together. Planetary systems like the Solar System would become gravitationally unbound about three months before the Big Rip, and planets would fly off into the rapidly expanding universe. In the last minutes, stars and planets would be torn apart, and the now dispersed atoms would be destroyed about 10−19 seconds before the end (the atoms will first be ionized as electrons fly off, followed by the dissociation of the atomic nuclei). At the time the Big Rip occurs, even spacetime itself would be ripped apart and the scale factor would be infinity.
Наблюдаемая Вселенная
Доказательства указывают на то, что w в нашей Вселенной очень близко к −1, что делает w доминирующим членом в уравнении. Чем ближе w к −1, тем ближе знаменатель к нулю и тем дальше во времени находится Большой Разрыв. Если бы w было точно равно −1, Большой Разрыв не мог бы произойти, независимо от значений H0 или Ωm. Согласно последним доступным космологическим данным, погрешности все еще слишком велики, чтобы различить три случая: w < −1, w = −1 и w > −1. Более того, из-за статистических флуктуаций практически невозможно измерить w точно равным 1. Это означает, что измеренное значение w может быть сколь угодно близким к 1, но не точно равным 1, следовательно, самую раннюю возможную дату Большого Разрыва можно отодвинуть еще дальше с помощью более точных измерений, однако полностью исключить возможность Большого Разрыва крайне сложно.
Evidence indicates w to be very close to −1 in our universe, which makes w the dominating term in the equation. The closer that w is to −1, the closer the denominator is to zero and the further the Big Rip is in the future. If w were exactly equal to −1, the Big Rip could not happen, regardless of the values of H0 or Ωm. According to the latest cosmological data available, the uncertainties are still too large to discriminate among the three cases w < −1, w = −1, and w > −1. Moreover, it is nearly impossible to measure w to be exactly at 1 due to statistical fluctuations. This means that the measured value of w can be arbitrarily close to 1 but not exactly at 1 hence the earliest possible date of the Big Rip can be pushed back further with more accurate measurements but the Big Rip is very difficult to completely rule out.