Eine der größten Überraschungen in der Physik ereignete sich Ende des 20. Jahrhunderts, nämlich 1998. Mit Blick auf eines der am weitesten entfernten Phänomene eines einzelnen Sterns (es war eine Supernova vom Typ 1A) konnten wir feststellen, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern sich mit Beschleunigung ausdehnt. Es ist wahrscheinlich nicht nur mit Materie, Strahlung und der Krümmung des Raumes gefüllt.
Es wurde eine neue Energieform benötigt, die entfernte Galaxien von uns weg beschleunigen lässt. Diese mysteriöse dunkle Energie sollte eine kosmologische Konstante sein, aber es könnte etwas Interessanteres daran sein. Eine merkwürdige Option könnte das Schicksal des gesamten Universums verändern und zum Big Rip führen. Ken Blackman fragt:
„Ist der Big Rip, in dem die Expansion alle anderen Kräfte überwiegt, noch eine mögliche Zukunft für unser Universum? Was sind die Vor- und Nachteile? Und wenn ja, wie wird alles passieren und was wird passieren?"
Lass es uns herausfinden.
Wenn wir entfernte Teile des Universums betrachten, stellen wir fest, dass es voller Quellen ist, die Licht emittieren und absorbieren. Es gibt Sterne, Galaxien, Quasare, Galaxienhaufen und ein riesiges kosmisches Netz von Sternensystemen. Es gibt auch Staub, neutrales Gas, ionisiertes Plasma, dunkle Materie und riesige Hohlräume zwischen den Strukturen. Es gibt eine Vielzahl von Strahlungsarten; Es gibt Neutrinos und Schwarze Löcher.
Aber wenn Sie alles zusammenfügen, macht es nur ein Drittel der Gesamtenergie im Universum aus. "Substanz", die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft so bewegt, wie wir sie kennen, macht einen kleineren Teil dessen aus, was sich im Universum befindet.
Wir wissen dies daran, wie sich das Universum im Laufe seiner Geschichte erweitert hat. Vor ungefähr sechs Milliarden Jahren begannen sich entfernte Galaxien von uns weg zu beschleunigen. Das Universum beschleunigte sich. Basierend auf Beobachtungen, wie sie sich jetzt bewegen, sowie Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der großräumigen Struktur und anderer Indikatoren haben wir festgestellt, dass das Universum zu 68% aus dunkler Energie besteht.
Die Dichte dieser Energie nimmt offenbar nicht ab, wenn sich das Universum ausdehnt, im Gegensatz zu Materie und Strahlung. Während Materie mit zunehmendem Volumen des Universums weniger dicht wird und sich die Strahlung zu längeren und weniger energetisch gesättigten Wellenlängen verschiebt, ist dunkle Energie Energie, die dem Raum selbst innewohnt. Wenn neuer Raum entsteht, bleibt die Energiedichte unverändert.
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Theoretisch können wir so das Schicksal des Universums vorhersagen. Wenn dunkle Energie tatsächlich Energie eines konstanten Typs wäre, die sich mit der Expansion des Universums nicht ändert, würde sich das Universum einfach auf unbestimmte Zeit ausdehnen. Die Hubble-Expansionsrate hätte einen konstanten und endlichen Wert von etwa 55 km / s pro Megaparsec. Mit der Entfernung entfernter Galaxien von 10 bis 100 Megaparsec und dann bis zu 1 Gigaparsec würde sich die Entfernungsgeschwindigkeit auf 550 km / s, dann auf 5.500 km / s und dann auf 55.000 km / s erhöhen.
Im Gegensatz zu einem Szenario, in dem es keine dunkle Energie gibt, expandiert das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit. Wie unsere Beobachtungen zeigen, wird es in ferner Zukunft seine willkürlich beschleunigte Expansion mit konstanter Geschwindigkeit fortsetzen. Das Schicksal des Universums wird nicht beneidenswert sein: kalt, leer und einsam. Und in der Zone der gegenseitigen Reichweite bleiben nur Körper übrig, die noch miteinander verbunden sind.
Dies setzt natürlich voraus, dass die Dunkle Energie tatsächlich eine kosmologische Konstante ist. Das heißt, ihre Stärke, Dichte nimmt nicht zu oder ab, ihre Gesichtszüge ändern sich nicht und sie selbst ändert sich nicht im Raum. Wir haben viele Beweise dafür, dass dies der Fall ist. Dies sind hauptsächlich Beobachtungsdaten der größten Galaxienhaufen.
Aber selbst mit den besten Beobachtungsdaten können wir nicht mit Sicherheit sagen, dass dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist. Im Laufe der Zeit kann es sich erheblich ändern und um nicht mehr als einen bestimmten Betrag abnehmen oder zunehmen. Wir haben einen Parameter "w", der dem Verhältnis des Drucks des Mediums zur Dichte seiner Energie entspricht, und mit seiner Hilfe können wir quantifizieren, wie viel dunkle Energie sich ändern kann. Wenn w = -1 ist, haben wir eine kosmologische Konstante. Aber beobachtend ist w = -1,00 ± 0,08 oder so. Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass sein Wert genau -1 ist.
Wenn die Dunkle Energie nicht konstant ist, gibt es zwei Hauptmöglichkeiten, wie sie sich ändern kann. Wenn w mit der Zeit positiver wird, verliert die dunkle Energie ihre Stärke und kann sogar ihr Vorzeichen in das Gegenteil ändern. Wenn ja, dann hört das Universum auf zu beschleunigen und die Expansionsrate sinkt auf Null. Wenn sich das Zeichen in das Gegenteil ändert, kann das Universum sogar wieder "zusammenbrechen" und zur Großen Kompression verurteilt werden.
Wir haben keine eindeutigen Beweise dafür, dass dies der Fall sein wird, aber Teleskope der neuen Generation wie LSST (Large Observation Telescope), WFIRST (Wide Range Infrared Telescope) und Euclid (EUCLID) können den Parameter w mit einer Genauigkeit von 1 messen -2%. Dies ist viel genauer als heute. Solche Observatorien sollen in den 2020er Jahren erscheinen, und der Start von Euklid ist für 2021 geplant.
Natürlich kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Wert von w mit der Zeit negativ wird, unter -1 fällt und dort bleibt. In diesem Fall erwartet das Universum etwas Erstaunliches: den Big Rip.
Wenn die Dunkle Energie wirklich konstant ist, werden in diesem Fall unser Sonnensystem, unsere Galaxie und sogar unsere lokale Galaxiengruppe, bestehend aus der Milchstraße, Andromeda, der Triangulum-Galaxie, den Magellanschen Wolken und mehreren Dutzend kleinen Zwerggalaxien, viele Billionen und Billionen von Jahren durch die Schwerkraft gebunden sein …
Wenn jedoch die Dunkle Energie an Stärke gewinnt (was stattfindet, wenn w <-1 ist), bewegt die Beschleunigungsrate nicht nur entfernte Galaxien von uns weg. Mit der Zeit werden diese großräumigen Strukturen ihre Gravitationsverbindung mit uns verlieren.
Dunkle Energie wird mit der Zeit stärker und dies wird die negativsten Konsequenzen für alles haben, was unser heutiges Universum ausmacht.
Wenn die Energiedichte der Dunklen Energie um das Zehnfache ihres aktuellen Wertes zunimmt, reicht dies aus, um zu verhindern, dass die Milchstraße mit Andromeda verschmilzt. Stattdessen wird sich nach dem Big Rip-Szenario unsere benachbarte Galaxie wie alle anderen entfernten Galaxien im Universum von uns entfernen. Wir werden uns von der Dreiecksgalaxie sowie den meisten Zwerggalaxien entfernen. Dies ist jedoch nicht das Ende, denn die dunkle Energie wird weiter an Stärke gewinnen.
Wenn die energetische Dichte der dunklen Energie um das 100-fache ihres aktuellen Wertes zunimmt, fliegen Sterne am Rande der Milchstraße aus unserer Galaxie heraus. Die metrische Ausdehnung des Raums wird sogar die Gravitationskraft aller nahegelegenen Materie überwinden, sowohl gewöhnlicher als auch dunkler.
Und wenn die Stärke der dunklen Energie im Vergleich zum heutigen Wert um das 200- oder 300-fache zunimmt, wird sich unsere Sonne den Sternen vom Stadtrand anschließen und sich von unserer Galaxie lösen. Und unser Sonnensystem wird in trauriger Einsamkeit durch den intergalaktischen Raum fliegen.
Aber das ist nicht alles. Im Big Rip-Szenario haben wir noch etwas zu verlieren. Die Energiedichte der Dunklen Energie wird weiter zunehmen und im Laufe der Zeit nicht nur unser Sonnensystem, sondern alle Systeme im Universum bedrohen. Wenn die dunkle Energie genügend Kraft gewinnt, beginnen die Planeten selbst, von der Sonne wegzufliegen.
Die Oort-Wolke fliegt zuerst ab, gefolgt vom Kuipergürtel, gefolgt von Neptun, Uranus, Saturn und Jupiter. Nach ihnen werden Asteroiden gehen, und dann wird der Mars abgehen. Die Erde wird aus der Umlaufbahn geworfen, wenn die Dichte der dunklen Energie das 100-Milliarden-fache ihres aktuellen Wertes beträgt.
Und dann wird eine schreckliche Katastrophe alles treffen, was auf der Erde übrig bleibt. Die Menschen werden von der Schwerkraft der Erde befreit, Zellen, Moleküle, Atome und Kerne werden in Stücke gerissen und die Dichte der dunklen Energie wird weiter bis ins Unendliche wachsen. Es ist davon auszugehen, dass selbst das Grundgewebe der Raumzeit am Ende reißen wird.
Glücklicherweise wird die Dunkle Energie heute in Grenzen gehalten, da w = -1,00 ± 0,08 ist und wir Zeit haben. Wenn das Universum immer noch dazu bestimmt ist, seine Existenz mit dem Big Rip zu beenden, dann erwartet uns ein solches Schicksal frühestens 80 Milliarden Jahre später. Dies ist heute fast das Sechsfache des Alters des Universums. Die Trennung der Galaxien voneinander, die selbst im pessimistischsten Szenario der erste spürbare Schritt auf dem Weg zum Big Rip sein wird, wird in vielen zehn Milliarden Jahren erfolgen.
Soweit wir wissen, gibt es derzeit keine verlässlichen Daten, um die Zunahme der Stärke der Dunklen Energie zu bestätigen und die Tatsache zu widerlegen, dass sie konstant ist. Aber um das sicher herauszufinden, brauchen wir sehr empfindliche Instrumente. Eines wissen wir aber schon. Was auch immer die wissenschaftlichen Erkenntnisse vermuten lassen, in den 2020er Jahren werden wir die Stärke der dunklen Energie viel genauer als zuvor messen können. Und weiter. Für die Erde, die Sonne, die Galaxie und die lokale Gruppe von Galaxien wird ein solch trauriges Schicksal viele Milliarden Jahre lang nicht eintreten. Die große Lücke kann nicht ausgeschlossen werden, ist aber immer noch sehr, sehr weit entfernt.
Ethan Siegel
