Es gibt mehrere Fragen, die uns nachts wach halten und sich auf das endgültige Schicksal des gesamten Kosmos beziehen. Sterne leuchten auf, sie werden durch neue ersetzt, sie brennen ebenfalls aus und alles wiederholt sich, bis das Universum keinen Treibstoff mehr hat. Die Galaxien verschmelzen und werfen Materie aus, und der Raum zwischen Gruppen und Galaxienhaufen wird sich für immer ausdehnen. Dunkle Energie bewirkt, dass diese Expansion nicht nur unaufhaltsam ist, sondern sich auch beschleunigt. Aber wird dies das Ende sein? Könnte diese "große Lücke" (wenn alles in unendlich weitem Abstand voneinander endet) zu einem neuen "Urknall" führen? Wenn sich das Universum schnell genug ausdehnt, um die Atome auseinander zu reißen und die Quarks von ihnen zu trennen … Wird eine Quark-Gluon-Suppe gebildet?
Auf dem Spiel steht das Schicksal des Universums, was auch immer man sagen mag.
Was erwartet das Universum am Ende?
Wenn Sie eine entfernte, zufällige Galaxie im Universum betrachten, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Sie feststellen, dass ihr Leuchten röter ist als das der Sterne, die in unserer Galaxie leuchten. In den 1920er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass dieses Muster insgesamt fortbesteht: Je weiter die Galaxie von Ihnen entfernt ist, desto röter wird ihr Licht. Im Kontext der allgemeinen Relativitätstheorie wurde schnell klar, dass dies auf die Ausdehnung des Raumgefüges selbst im Laufe der Zeit zurückzuführen ist.
Der nächste Schritt bestand darin, zu quantifizieren, wie schnell sich das Universum ausdehnte und wie sich diese Rate im Laufe der Zeit änderte. Der Grund, warum dies aus theoretischer Sicht wichtig war, ist, dass die Geschichte der Expansion des Universums bestimmte, was darin war. Wenn Sie wissen möchten, woraus Ihr Universum besteht, hilft es Ihnen, zu messen, wie sich das Universum im Laufe der kosmischen Zeit ausgedehnt hat.
Wenn Ihr Universum mit Materie gefüllt ist, würden Sie erwarten, dass die Expansionsrate proportional zur Menge der verdünnten Materie abnimmt. Wenn es mit Strahlung gefüllt ist, sinkt die Expansionsrate noch mehr, da die Strahlung selbst rot verschoben ist und zusätzliche Energie verliert. Ein Universum mit räumlicher Krümmung, kosmischen Strings oder Energie, die dem Raum selbst innewohnt, wird sich je nach Verhältnissen aller Energiekomponenten immer noch anders entwickeln.
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Basierend auf den vollständigen Messungen, die wir durchführen konnten, einschließlich variabler Sterne, Galaxien verschiedener Typen und Eigenschaften und Supernovae vom Typ Ia sowie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der Galaxienhaufen und -korrelation, konnten wir genau bestimmen, woraus das Universum besteht. Insbesondere besteht es aus:
- 68% aus dunkler Energie;
- 27% dunkle Materie;
- 4,9% aus gewöhnlicher Materie;
- 0,09% Neutrinos;
- 0,01% Strahlung.
Plus oder Minus einer Anpassung von jeweils einigen Zehntel Prozent.
Unser Universum, das von dunkler Energie dominiert wird, ist besonders interessant, weil diese Komponente im Universum nicht existierte, geschweige denn seine Vorherrschaft. Und doch sind wir hier, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, und leben in einem Universum, in dem dunkle Energie die Expansion des Universums vorantreibt.
Es gibt so viele Fragen rund um dunkle Energie. Was ist ihre Natur? Woher kommt das? Ist es konstant oder ändert es sich im Laufe der Zeit? Es gibt keine endgültigen Antworten, aber alles deutet darauf hin, dass dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist. Mit anderen Worten, es verhält sich wie eine neue Energieform, die dem Raum selbst innewohnt. Wenn sich das Universum ausdehnt, entsteht ein neuer Raum, der dieselbe gleichmäßige Menge an dunkler Energie enthält.
Auf jeden Fall ist dies unsere bisher beste Aussicht. Aus theoretischer Sicht gibt es mehrere bekannte Wege, um die kosmologische Konstante zu erzeugen, und daher wird diese Erklärung - solange die Daten damit übereinstimmen - die bevorzugte bleiben. Aber es gibt keinen Grund, warum dunkle Energie nicht komplexer sein könnte.
Es kann etwas sein, das im Laufe der Zeit erodiert und immer weniger dicht wird, wenn auch ein wenig. Es könnte etwas sein, das in ferner Zukunft das Vorzeichen ändert und zur Neuschöpfung des Universums in einem großen Druck führt. Es könnte auch etwas sein, das mit der Zeit stärker wird und das Universum mit der Zeit beschleunigt und erweitert. Es ist diese Variante, die zum Big Rip-Szenario führt.
Wenn wir über eine Energiekomponente im Universum sprechen, sprechen wir über ihre Zustandsgleichung, die beschreibt, wie sie sich im Universum im Laufe der Zeit entwickelt. Astrophysiker verwenden hierfür den Parameter w, wobei w = 0 der Materie entspricht, w = 1/3 der Strahlung entspricht, w = -1 der kosmologischen Konstante entspricht.
Dunkle Energie scheint w = -1 zu haben, aber dies ist nicht genau. Zum Beispiel haben neue Arbeiten aus der Subaru Hyper Suprime-Cam-Zusammenarbeit der Zustandsgleichung der dunklen Energie neue Einschränkungen hinzugefügt. Während dunkle Energie ziemlich überzeugend mit w = -1 übereinstimmt, gibt es auch Spekulationen, dass sie noch negativer sein könnte. Wenn es wirklich so ist - wenn sich herausstellt, dass w <-1 und nicht gleich -1 ist - dann ist der Big Rip unvermeidlich.
Wenn der große Riss unmittelbar bevorsteht, beschleunigen nicht nur das expandierende Universum, sondern auch entfernte Objekte mit der Zeit immer schneller von uns (aufgrund der dunklen Energie). Aber Objekte, die durch eine fundamentale Kraft zusammengehalten werden, werden schließlich durch die zunehmende Kraft der dunklen Energie auseinandergerissen.
In vielen Milliarden Jahren in der Zukunft wird unsere lokale Gruppe sehen, wie die Sterne am Stadtrand in den Weltraum geworfen werden, da sie durch die Gravitation von unserer zukünftigen fernen Galaxie gelöst werden: Milkomed. Im Laufe der Zeit werden immer mehr Sterne nach außen geworfen, bis die Strukturen, die wir als Galaxien kennen, zusammenbrechen und zu einer Ansammlung von Milliarden nicht verwandter Sterne und Sternkörper werden.
Mit der Zeit werden die Planeten aus ihren Sonnensystemen ausgestoßen, da die dunkle Energie zunimmt und dann sogar die Planeten selbst auseinandergerissen werden. In den letzten Augenblicken werden Objekte, die von atomaren und molekularen Kräften gehalten werden, auseinandergerissen, Elektronen werden aus ihren Atomen herausgerissen, Atomkerne werden zerbröckeln und sogar die Quarks selbst werden getrennt. Und dann werden sie platzen.
Warten wir auf einen neuen Urknall?
Wenn der Big Rip ein korrektes Modell für die Entwicklung des Universums ist, wird alles im Universum auf die grundlegendsten Komponenten reduziert, was in gewisser Weise stark den ersten Stadien des Urknalls entspricht.
Dieses Quark-Gluon-Plasma wird sich jedoch von dem unterscheiden, was es während des Urknalls war. Erstens ist der Urknall heiß und dicht, und der Urknall wird extrem kalt und diffus sein. Zweitens ist der Urknall durch die Tatsache gekennzeichnet, dass alle Materie und Energie im Universum in einem winzigen Raumvolumen komprimiert sind, aber im Urriss werden sie über Billionen von Lichtjahren verteilt. Darüber hinaus stellt der Urknall einen Zustand relativ niedriger Entropie dar, aber im Urknall ist die Entropie zehnmal (hoch 35) höher als im Urknall.
Aber es gibt Hoffnung.
Vielleicht kann die dunkle Energie, die zum Big Rip führt, das Universum neu starten. Wenn die Stärke der Dunklen Energie zunimmt, ist diese Dunkle Energie dem Raumgefüge selbst inhärent, was bedeutet, dass sie völlig analog zu der frühen Periode in der Geschichte unseres Universums sein kann, als sich der Raum mit einer enormen Geschwindigkeit ausdehnte: der kosmischen Inflation. Die Inflation eliminiert alle bereits vorhandenen Materien und Energien im Universum und lässt nur das Raumgefüge zurück. Nach einer Inflationsperiode wird Energie irgendwie in Partikel, Antiteilchen und Strahlung umgewandelt, was zum Urknall führt. Dieses Szenario wurde bereits in Betracht gezogen und ist als verjüngtes Universum bekannt.
Wenn der Big Rip das wahre Szenario des Endes des Universums ist, wird er einfach alle Materie auseinander reißen und das Universum wird sehr leer sein, aber mit einer enormen Menge an Energie, die dem Raum selbst innewohnt. Wenn die Energie sehr groß ist, ist es möglich, dass das Raumgefüge platzt - aber dies ist ein völlig anderes Szenario.
Ilya Khel
