У Вселенной есть конец — но только в теории

Согласно мнению ученых из Калининграда, подобный эффект наблюдается и на уровне всей Вселенной. Это происходит на границах ее существования, за пределами которых давление частиц исчезает. Давление же, действующее на границы с нашей стороны, то есть изнутри, и вызывает ускорение расширения Вселенной.

Мир в целом будет жить вечно: астроном Владимир Сурдин о конце нашей Вселенной и влиянии темной материи

Если спросить обыденного человека о том, что ожидает Землю и нашу Солнечную систему в будущем, скорее всего, он не сможет дать однозначный ответ. Однако достаточно распространена версия, согласно которой через N миллиардов лет Солнце станет красным гигантом и, возможно, поглотит Землю. На фоне таких предположений возникают различные догадки, создающие несколько сценариев возможных исходов. Случайные факторы и неизвестные обстоятельства вносят дополнительную неопределенность, так как существуют внеземные объекты, способные представлять угрозу для жизни на Земле, а также риск коллапса в самой Вселенной. Программа Хайтек провела репортаж с фестиваля Science Bar Hopping, где астроном и доцент МГУ Владимир Сурдин делился своими взглядами на будущее Земли и Солнечной системы, загадкой темной материи и теорию бесконечности Миров.

Читайте Хайтек в

У нас есть 5 миллиардов лет, прежде чем Солнце войдет в предсмертную стадию

Факторы, угрожающие нашей планете и Солнечной системе, можно условно разделить на две категории — неизбежные и случайные. С неизбежными угрозами мы более-менее ознакомлены, поскольку наблюдая за другими системами и планетами, можем проследить их развитие во времени и попытаться предсказать, что ожидать от Земли. Со случайными событиями дело обстоит иначе — они могут произойти в любой момент или никогда не случиться вовсе. Тем не менее, к ним необходимо быть готовыми, и, соответственно, нам следует изучать и эти аспекты.

В Солнечной системе имеется восемь крупных планет и множество более мелких объектов, известных как малые тела Солнечной системы. Эти мелкие объекты, представляющие собой хаотически движущиеся тела между планетами, могут привести к нежелательным встречам. Солнце превышает нашу планету по массе в 330 тысяч раз, и, если бы оно только прикинулось чихнувшим, Земля могла бы полностью исчезнуть. На текущий момент нам везет: мы перехватываем лишь одну миллиардную часть всей солнечной мощности. Однако представьте, каково было бы, если бы мы смогли найти рефлектор, способный сконцентрировать все излучение Солнца на Земле: уже через четыре минуты вода в океанах не просто закипит, а устроится на совершенно ином уровне — она просто испарится в космос, что фактически приведет к полной утрате водных ресурсов на планете. Всего через полторы недели от Земли останется лишь облако плазмы, настолько высока мощность излучения Солнца. За более чем миллиарды лет наш светило вело себя весьма благоразумно, но это вовсе не означает, что такое поведение продолжится вечно.

На сегодняшний день из земной атмосферы в космос утекает приблизительно 3 килограмма водорода в секунду. Из-за процессов расщепления воды на водород и кислород в верхних слоях атмосферы, водород уходит в бесконечность, а кислород взаимодействует с минеральными образованиями планеты, также исчезая. Если учесть такое соотношение со временем, мы можем прийти к выводу, что через 3 миллиарда лет не останется ни капли жидкой воды на Земле. Без воды жизнь на нашей планете невозможна. Однако это не означает, что жизнь прекратится окончательно: подземные источники все еще могут сохранить возможность существования. Поразительным является тот факт, что на глубине до 3 километров под землей обитают микроорганизмы, и их биомасса превосходит по величине всю жизнь, которая существует на поверхности. Но в конечном итоге не останется и этой жизни, поскольку Земля будет истощена до глубины 3 километров за довольно короткий период.

Спустя 5 миллиардов лет Солнце вступит в завершающую стадию своего существования, превратившись в красный гигант, и начнет расширяться, при этом его поверхность будет остывать. Солнце увеличится в размерах и окончательно поглотит Землю, которая, хотя и будет продолжать вращаться вокруг своей орбиты, утратит все условия для обитания. Размышляя об этом будущем, возможно, рано сдаваться, потому что сама ситуация не так уж плоха на фоне других вариантов. Да, Земля станет горячей, но в Солнечной системе существуют более удаленные планеты, как, например, Плутон. В момент, когда Солнце станет красным гигантом, температура на Плутоне останется в пределах нормального диапазона. С течением времени, когда Солнце начнет сгорать, оно сможет сделать Плутон теплым и потенциально пригодным для жизни.

В какой-то момент Земля прекратит удаляться от Солнца, начнет приближаться к нему и в итоге вольется в его недра, растаяв и исчезнув навсегда. Мы давно обдумываем эту концепцию, и ранние расчеты были не столь уверенными, однако в последние два-три года уверенность пришла. Начиная с последних миллионов лет, размеры Солнца возрастут, и хотя Земля будет несколько удаляться, ведь нарастая, Солнце теряет часть своего солнечного ветра и, соответственно, массу. Казалось бы, это могло бы исправить сценарий, ведь Земля вряд ли может коснуться поверхности Солнца, однако недавние открытия учета новых факторов, таких как приливные силы и замедление, показывают иное. Для Солнца поглощение Земли останется незамеченным, как перец в готовом супе. На сегодня можно утверждать, что этот процесс неизбежен: расчеты очень точны и надежны. В дальнейшем Солнце станет источником планетарной туманности, на самом же деле, оно станет просто умирающей звездой.

Как зарождалась Вселенная — короткий экскурс

Считается, что началом отсчета служит Большой взрыв, произошедший около 13,7 миллиардов лет назад, когда все вещество находилось сконцентрированным в одной точке, имеющей нулевые размеры. Эта субстанция обладала бесконечной плотностью и температурой, и с этого момента началось ее расширение.

Сначала возникли элементарные частицы, которые впоследствии дали жизнь протонам и нейтронам, образовав базу для легких ядерных изотопов. Появление первых звезд состоялось лишь 550 миллионов лет спустя после Большого взрыва, после чего они начали формироваться в галактики.

Что касается формирования Солнечной системы, то она начала возникать лишь спустя 9 миллиардов лет после Большого взрыва. Части одного из газопылевых облаков начали сжиматься в различных его частях, формируя шарообразные объекты. В центральной части произошло сжатие, которое вызвало загорание, благодаря чему возникло Солнце, а другие элементы стали планетами. На сегодняшний день Солнечная система находится в стабильном состоянии. Когда этот баланс будет нарушен, трудно сказать.

К примеру, по расчетам ученых, через 2,5 миллиарда лет от сегодня Млечный Путь столкнется с Галактикой Андромеды, но мы этого никогда не увидим. Почему? Примерно через миллиард лет наше Солнце незначительно увеличит свои размеры, но для жизни на Земле этого будет достаточно, чтобы она была уничтожена.

Сама звезда просуществует еще миллиарды лет, и по мере постоянного расширения, потратив все запасы водорода, в конце своего жизненного цикла она увеличится в размере в 250–300 раз относительно нынешних габаритов. Прежде чем стать белым карликом, Солнце успеет поглотить Землю — по оценкам, это произойдет примерно через 7,5 миллиардов лет.

Настанет эпоха угасания, во время которой Солнце, сократившись в размере, по-прежнему будет выглядеть как небольшая белая звезда, продолжая существовать еще миллиарды лет. Постепенно остывая, оно станет черным карликом, но будет ли оно когда-либо сверхновой — точного ответа пока нет.

Эпохи мироздания

Вселенная возникла в результате Большого взрыва, и, как считается, ее угасание будет происходить под звуки множества мелких всплесков. На данный момент мироздание переживает стадию равновесия — мы находимся в эпохе звезд. Эпох существует несколько:

• эпоха звезд, когда происходило активное образование множества планет и звезд. Завершение образования космических объектов обозначит исчерпание межзвездного газа в галактиках. В завершении этой эпохи маленькие звезды, известные как красные карлики, закончить свой жизненный цикл, потратив все запасы своего топлива;
• эпоха распада, когда солнечные звезды, подобные нашему светилу, исчерпав энергию, начнут превращаться в белых и коричневых карликов. Кроме того, в Вселенной будет оставаться незначительное количество нейтронных звезд и черных дыр. Основными процессами на этом этапе станут аннигиляция темной материи и рождения новых частиц при столкновении звезд;
• эпоха черных дыр, когда в большинстве пространств займут элементарные частицы, а нейтронные звезды будут находиться поодиночке. Из-за массивного присутствия черных дыр начнут происходить их столкновения, высвобождая огромное количество гравитационной энергии, создавая гравитационные волны. После этого могут произойти два варианта событий: излучение Хокинга, когда черные дыры теряют фотоны и в конце концов взрываются, или же образование гигантской черной дыры, которая может существовать вечно до момента разогрева, создавая новый Большой взрыв;
• эпоха вечной тьмы, когда начнется угасание остаточных продуктов всех описанных процессов. Последними остатками будут фотоны с большой длиной волны, электроны, позитроны и кварки.

Мыльный пузырь, который может лопнуть

Гипотеза о темной энергии порождает разнообразные теоретические концепции, которые по-своему объясняют как начало, так и конец Вселенной. Одновременно с этим, преподаватель из Калифорнийского университета Андреас Альбрехт предлагает довольно близкое к идеям учёных из Балтийского региона понимание: он придерживается мнения, что конец Вселенной имеет место, несмотря на её продолжающее расширение. Однако стоит отметить, что Альбрехт относится к группе ученых, предполагающих, что расширение в конечном итоге остановится. Более того, согласно его исследованиям, в момент достижения предела конечная Вселенная будет незначительно больше того пространства, которое мы можем увидеть сейчас. В числовом выражении это всего лишь 20% от текущего состояния. Также в своих размышлениях он не отказывается от идеи темной энергии.

Для более доступного объяснения своей теории Альбрехт рекомендует представить Вселенную как мыльный пузырь, который всегда будет иметь конечные размеры. Но всё же, как ученый, он не осмеливается утверждать, где именно располагается конец Вселенной и что находится за её пределами, справедливо указывая на дефицит информации.

Волновая теория конца вселенной

Обвинять Альбрехта в отсутствии данных нельзя, ведь космос имеет уникальное свойство — реликтовое излучение, которое образовалось на уровне первых атомов, согласно теории Большого Взрыва. Это излучение является естественным барьером, мешающим ученым наблюдать далекие галактики и их звезды, и таким образом заглянуть за пределы Вселенной, если таковые существуют.

Тем не менее, реликтовое излучение предоставляет возможность экспертам исследовать волновые спектры космоса. Исследования в качестве направлений на эту область привели ученых к гипотезе о том, что если Вселенная на самом деле бесконечна, то в ней должны находиться волны различных длин. Однако за девять лет своей работы аппарат WMAP, запущенный НАСА для исследования реликтового излучения, не смог обнаружить крупных волн. Таким образом, изученное космическое пространство является узким по своему спектру волн, что делает вероятным существование конца Вселенной.

На данный момент астрофизикам не удается точно удостовериться в форме и границах Вселенной. Однако исследования космических волн и их вибраций могут помочь в нахождении ответов на вопросы о конце Вселенной, её форме и границах. Теперь остается только терпеливо ждать, поскольку такие исследования часто продолжаются на протяжении многих лет.

Переменчивый космос

— Земля вращается вокруг Солнца. А Солнце стоит на месте?

— Действительно, Земля вращается вокруг Солнца с впечатляющей скоростью в 30 километров в секунду и совершает один полный оборот за 365 дней. Однако и само Солнце не остается неподвижным. Оно движется вместе с восемью планетами, которые оно удерживает в своей gravit реп, а также миллионами астероидов, по орбите вокруг центра нашей галактики Млечный Путь со скоростью 250 километров в секунду. При таких огромных скоростях на один полный оборот Солнца вокруг центра галактики уходит почти миллион лет. Даже сам Млечный Путь вращается в большем облаке вместе с Туманностью Андромеды и рядом других галактик вокруг определённого центра масс. Всё это взаимодействие происходит под воздействием гравитации, которая является определяющей силой во Вселенной.

— Почему Плутон лишили звания планеты?

— Этот казус не так уж сложен, как кажется. В 2006 году Плутон утратил статус планеты не из-за его размеров, как полагает большинство, а в силу правил, установленных Международным астрономическим союзом. Согласно этим правилам, на орбите планеты не должно быть других объектов. Так, у Земли, Венеры, и Юпитера нет никаких спутников, что дает им право называться планетами. Меркурий, хоть и мал, по своим размерам, также не имеет лишних объектов на своей орбите. На орбите Плутона, напротив, кружит множество других тел, что делает его недостаточно «чистым» в отличие от названных планет. Таким образом, небесное тело стало родоначальником нового класса карликовых планет, а объекты подобного типа теперь называют плутонидами.

— Можно ли полететь на самую большую планету Солнечной системы — Юпитер?

— Полеты к планетам-гигантам, таким как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, в принципе возможны, однако высадиться на них человек никогда не сможет, учитывая их физические свойства и атмосферные условия. Даже с самыми современными космическими кораблями, попытка приземлиться на планеты-гиганты будет эквивалентна попытке сесть на Солнце. В их атмосферах бушуют ураганы колоссальной силы, с ветрами, достигающими нескольких тысяч километров в час. На Юпитере, например, в течение как минимум четырехсот лет существует гигантский шторм, охватывающий объем, в который могли бы поместиться сразу три Земли. Другая опасность заключается в невероятном атмосферном давлении на этих планетах. Любой аппарат, попадающий под такое давление, будет скомкан, «раздавлен». Более того, в газовой среде невозможно достичь твердых частиц. Мы не сможем добраться до ядра таких планет, потому что его давление зашкаливает пределы.

Инфляция вселенских масштабов

Первое мгновение жизни Вселенной сыграло ключевую роль в ее дальнейшей эволюции. Ученые продолжают создавать сложные гипотезы относительно инфляции — очень короткого промежутка времени, который составляет менее секунды, за который Вселенная увеличилась в сотни триллионов раз. Большинство исследователей придерживается мнения, что расширение Вселенной продолжается и по сей день. На первый взгляд, концепция бесконечности космоса выглядит как логичное следствие идеи инфляции.

Компьютерная модель Вселенной

Однако у Энди Олбрахта, физика-теоретика Калифорнийского университета в Девисе, на этот счет есть другое мнение: хоть расширение Вселенной в действительности продолжается и сегодня, у этого процесса все же имеются свои пределы. Чтобы проиллюстрировать свою теорию, Энди использует образ мыльного пузыря. Традиционная теория инфляции допускает бесконечное rozувеличение этого пузыря, однако даже детей учат, что рано или поздно мыльный пузырь лопается. По мнению Олбрахта, как только будет достигнут максимальный предел, инфляция должна прекратиться. И этот максимум будет не так уж велик, как нам представляется. Он полагает, что Вселенная окажется лишь на 20% больше того, что видно нам сейчас. Конечно, переход от бесконечности к столь крошечному значению — всего лишь на 20% больше — звучит достаточно шокирующе и вызывает у него определенные опасения, что даже вызывает у него чувство клаустрофобии, что он и подчеркивает в шутливой форме. Безусловно, выводы Олбрахта вызывают дискуссии и нуждаются в фактической верификации, однако большинство астрономов считают, что инфляция затихнет еще очень нескоро.

Расширение Вселенной, кстати, представляется наиболее объяснительным в отношении движения галактик, наблюдаемого нами. Правда, некоторые особенности этого галактического перемещения вызывают недоумение. Группа специалистов NASA во главе с астрофизиком Александром Кашлинским, занимающаяся изучением микроволнового и рентгеновского излучения, обнаружила, что около восьмисот далеких галактических скоплений так же дружно направляются в одной стороне на скорости в тысячу километров в секунду, как будто их тянет какой-то притягивающий магнит. Этот межгалактический поток движения был назван темным потоком. По последним данным, он охватывает 1400 галактик, которые устремлены в область, находящуюся более чем в трех миллиардах световых лет от Земли. Ученые предполагают, что там, за пределами доступного нам наблюдения, расположена огромная масса, которая и притягивает материю к себе. Однако, согласно существующей теории, вещество после Великого взрыва, ставшего источником нашей Вселенной, распределилось по всей обширной области довольно равномерно, что исключает возможность глубоких концентраций масс с столь фантастической силой. Отсюда возниклый вопрос: что же там на самом деле?

Ответ на данный вопрос предоставила теоретик-физик Лаура Мерсини-Хофтан, возглавляющая группу исследователей из университета Северной Каролины. Она серьезно рассматривает гипотезу о существовании другой вселенной, которая соседствует с нашей. Её выводы, на первый взгляд кажущиеся невероятными, удачно гармонируют с высказанными Энди Олбрахтом размышлениями о инфляции как о мыльном пузыре, а также с темным потоком, выявленным Александром Кашлинским. В своей совокупности исследования этих ученых могли бы образовать целостную картину, схожую с пазлом. Таким образом, темный поток, наблюдаемый в нашем космическом пространстве, может быть результатом взаимодействия с одним из соседних пузырей — другой вселенной.

Множественность вселенных, согласно теории вероятности, объясняет сама Хофтан. Она считает, что возникновение нашего мира является чудом; он мог не возникнуть вовсе, так как вероятность его зарождения крайне мала — составляет 1 к 10 в степени 133.

Проводить размышления о происхождении Вселенной можно, имея в виду существование множественной структуры, в которых она образовалась — такие места и условия, которые способствовали ее появлению. Иными словами, могущественно предположить множество Больших Взрывов и, как следствие, множество вселенных, — отмечает Хофтан. Для иллюстрации она сравнивает эти благоприятные условия с комнатами в гостинице: Вселенная имеет возможность появиться лишь в свободном номере и обитать там в одиночестве. Однако это не отменяет возможности, что к ней в комнату могут заглянуть свои соседи. Однако если наша Вселенная представляет собой номер в гостинице, действительно ли мы можем слышать своих соседей? В 2007 году аппарат WMAP зафиксировал необычную область, характеризующуюся значительно низким фоном реликтового излучения, что свидетельствует о нехватке материи в этой области. По словам доктор Хофтан, единственным приемлемым объяснением данного аномального и абсолютно пустого пространства может быть действие каких-то других сил, возможно, присутствие другой Вселенной, чья огромная масса воздействует на соседние области. Несмотря на то, что эти чуждые объекты недоступны для нашего наблюдения, наша «соседка» тем не менее проявляет себя посредством определенных сигналов, таких как холодное пятно и поток галактических кластеров.