Wenn wir heute unser Universum betrachten, ist es sehr leicht, sich über das, was Sie sehen, zu freuen. Die Sterne in unserem Nachthimmel sind nur ein kleiner Bruchteil, einige Tausend von Hunderten von Milliarden von dem, was in unserer Milchstraße vorhanden ist. Die Milchstraße selbst ist nur eine der Billionen von Galaxien im beobachtbaren Universum, das sich über 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen erstreckt. Und alles begann vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren in einem heißen, dichten, schnell wachsenden Staat, der als Urknall bekannt ist.
Durch den Urknall erhalten wir die Gelegenheit, unser Universum als voller Materie und Strahlung zu beschreiben und die bekannten Gesetze der Physik zu verbinden, die die moderne Form des Kosmos erklären. Aber das Universum expandiert weiter. Neue Sterne erscheinen, der Raum entwickelt sich. Wie wird es enden? Fragen wir die Wissenschaft.
Was ist das Ende des Universums?
Wissenschaftler, die die Struktur und Entwicklung des Universums untersucht haben, haben lange Zeit drei Möglichkeiten in Betracht gezogen, die auf der einfachen Physik der allgemeinen Relativitätstheorie und dem Kontext der Expansion des Universums beruhen. Einerseits zieht die Schwerkraft aktiv alles zusammen; Es ist eine Anziehungskraft, die von Materie und Energie in all ihren Formen gesteuert wird, die im Universum vorhanden sind. Auf der anderen Seite gibt es eine anfängliche Expansionsrate, die alles auseinander zieht.
Der Urknall war ein Schuss, nach dem das größte Rennen aller Zeiten begann: zwischen der Schwerkraft und der Expansion des Universums. Wer wird am Ende gewinnen? Die Antwort auf diese Frage wird das Schicksal unserer Welt bestimmen.
Wir dachten, das Universum hätte folgende Möglichkeiten:
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- Das Universum wird in der Großen Kompression zusammenbrechen. Die Expansion beginnt schnell und große Mengen an Materie und Strahlung werden auseinandergerissen. Wenn es mehr als genug Materie und Energie gibt, wird sich das Universum auf eine bestimmte maximale Größe ausdehnen, die Expansion wird die Kontraktion umkehren und das Universum wird wieder zusammenbrechen.
- Das Universum wird sich für immer ausdehnen und zum Großen Einfrieren führen. Alles wird wie oben beginnen, aber diesmal wird die Menge an Materie und Energie nicht ausreichen, um der Expansion zu widerstehen. Das Universum wird sich für immer ausdehnen, wenn die Expansionsrate weiter sinkt, aber niemals Null erreicht.
- Die Expansion des Universums tendiert asymptotisch zu Null. Stellen Sie sich eine Grenzsituation zwischen den beiden obigen Beispielen vor. Noch ein Proton - und wir brechen zusammen; eins weniger - wir dehnen uns unendlich aus. In diesem kritischen Fall dehnt sich das Universum für immer aus, jedoch mit der niedrigstmöglichen Geschwindigkeit.
Um herauszufinden, welche Option richtig ist, mussten wir nur messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt und wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat. Der Rest ist eine Frage der Physik.
Dies war heute eine der größten Herausforderungen in der Astrophysik. Messen Sie die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnte, und finden Sie heraus, wie sich das Raumgefüge heute verändert. Messen Sie, wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat, und finden Sie heraus, wie sich die Raumstruktur in der Vergangenheit verändert hat.
Kombinieren Sie diese beiden Informationen und wie sich die Expansionsrate geändert hat und wie sie war, können Sie bestimmen, woraus das Universum besteht und in welchen Anteilen.
Soweit wir wissen, haben wir anhand dieser Messungen festgestellt, dass das Universum aus 0,01% Strahlung, 0,1% Neutrinos, 4,9% gewöhnlicher Materie, 27% dunkler Materie und 68% dunkler Energie besteht. Diese Suche, die für einige bereits in den 1920er Jahren begann, erhielt Ende der 1990er Jahre eine unerwartete Antwort.
Wenn also dunkle Energie die Expansion des Universums dominiert, was bedeutet das für unser Schicksal? Es hängt alles davon ab, wie - oder ob - sich dunkle Energie im Laufe der Zeit entwickelt. Hier sind fünf Optionen.
Dunkle Energie ist eine kosmologische Konstante, die die Expansion dominiert. Dies ist die Standardeinstellung und berücksichtigt unsere besten Daten. Während die Materie mit der Ausdehnung des Universums weniger dicht wird und sich mit der Ausdehnung des Volumens verdünnt, repräsentiert die Dunkle Energie die Energiemenge ungleich Null, die dem Gefüge des Raums selbst innewohnt. Während sich das Universum ausdehnt, bleibt die Dichte der dunklen Energie konstant, wodurch die Ausdehnung immer positiv bleibt.
Dies führt zu einem exponentiell expandierenden Universum und wird schließlich alles vorantreiben, was nicht Teil unserer lokalen Gruppe ist. Bereits 97% des sichtbaren Universums sind unter solchen Bedingungen unzugänglich.
Dunkle Energie ist dynamisch und wird mit der Zeit stärker. Dunkle Energie scheint eine neue Energieform zu sein, die dem Raum selbst innewohnt, was impliziert, dass er eine konstante Energiedichte hat. Es kann sich aber auch im Laufe der Zeit ändern. Eine der Möglichkeiten zur Veränderung besteht darin, dass sie allmählich zunimmt, was zu einer Beschleunigung der Expansionsrate des Universums führt.
Remote-Objekte entfernen sich nicht nur von uns, sondern tun dies immer schneller. Schlimmer noch, Objekte, die jetzt gravitativ gebunden sind - wie Galaxienhaufen, einzelne Galaxien, Sonnensysteme und sogar Atome - werden sich eines Tages lösen, wenn die dunkle Energie hart wird. In den letzten Augenblicken der Existenz des Universums werden subatomare Teilchen und das Gewebe der Raumzeit selbst auseinandergerissen. Dieses Schicksal - der Big Rip - ist unsere zweite Option.
Dunkle Energie ist dynamisch und schwächt sich mit der Zeit ab. Wie kann sich dunkle Energie sonst ändern? Anstatt zu stärken, kann es schwächer werden. Natürlich stimmt die Expansionsrate mit einer konstanten Energiemenge überein, die zum Raum selbst gehört, aber diese Energiedichte kann auch abnehmen.
Wenn es auf Null schwächer wird, wird alles zu einer der oben beschriebenen Möglichkeiten kommen: The Great Freeze. Das Universum wird sich ausdehnen, aber ohne genügend Materie und andere Energieformen, um es wieder zusammenbrechen zu lassen.
Wenn der Zerfall negativ wird, könnte dies zu einer anderen Möglichkeit führen: dem Big Shrink. Das Universum wird mit Energie gefüllt sein, die dem Raum innewohnt, was plötzlich die Zeichen ändert und dazu führt, dass sich der Raum zusammenzieht. Diese Option ist ebenfalls möglich.
Dunkle Energie wird sich in eine andere Energieform verwandeln, die das Universum verjüngt. Wenn sich die Dunkle Energie nicht auflöst, sondern konstant bleibt oder sich sogar verstärkt, ergibt sich eine andere Möglichkeit. Diese dem Raumgefüge innewohnende Energie bleibt möglicherweise nicht immer in dieser Form. Stattdessen kann es sich in Materie und Strahlung verwandeln, ähnlich wie zu dem Zeitpunkt, als die kosmische Inflation endete und der Urknall begann.
Wenn die Dunkle Energie bis zu diesem Punkt konstant bleibt, entsteht eine sehr, sehr kalte und diffuse Version des weißglühenden Urknalls, in der sich nur Neutrinos und Photonen selbst erzeugen können. Wenn jedoch die Intensität der dunklen Energie zunimmt, könnte dies zu einem inflationsähnlichen Zustand führen, gefolgt von einem neuen, wirklich glühenden Urknall. Dies ist der einfachste Weg, das Universum mit den angegebenen Parametern zu verjüngen.
Dunkle Energie ist mit der Nullenergie des Quantenvakuums verbunden und wird zerfallen und unser Universum zerstören. Dies ist die destruktivste Gelegenheit von allen. Was ist, wenn dunkle Energie nicht die wahre Menge an leerem Raum in den Konfigurationen mit der niedrigsten Energie ist, sondern das Ergebnis von Symmetrien im frühen Universum, als sie sich in einer Konfiguration mit einem falschen Minimum befanden?
Wenn ja, muss es eine Möglichkeit geben, einen Quantentunnel in einen Zustand niedrigerer Energie zu bringen, indem die Gesetze der Physik geändert und heute alle gebundenen Zustände (d. H. Teilchen) von Quantenfeldern beseitigt werden. Wenn das Quantenvakuum in diesem Sinne instabil ist, wird das Ergebnis überall dort, wo dieser Zerfall auftritt, die Zerstörung von allem im Universum durch eine Blase sein, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Wenn ein solches Signal uns erreicht, werden auch wir enden.
Obwohl wir nicht wissen, welche dieser Möglichkeiten für unser Universum gelten wird, stimmen die Daten einfach hektisch für die erste Option: Dunkle Energie ist in der Tat eine Konstante. Unsere Beobachtungen, wie sich das Universum entwickelt hat - insbesondere dank der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und der großräumigen Struktur des Universums - setzen dem Spielraum für die Veränderung der Dunklen Energie strenge Grenzen.
Ilya Khel
