Каким может быть конец Вселенной

Призрак бродит по Вселенной, призрак конца света. Вроде все как всегда: те же звезды, те же планеты, те же галактики и те же черные дыры. Но механизмы, которые приводят их в движение, радикально перестраиваются. Как будто невидимая рука неизвестного режиссера вмешивается в ход истории — и направляет наш мир к неизбежному финалу.

«Мы живем в переломную эпоху», — утверждает Пол Стейнхардт, профессор Принстонского университета (США) и один из ведущих космологов современности, специалист по строению и эволюции Вселенной. Он проанализировал данные, собранные в ходе астрономических наблюдений за последние десять лет. И пришел к выводу: новые открытия заставляют «переосмыслить будущее Вселенной».

Хотя «заставлять», конечно, никого не нужно. Эти вопросы и так испокон веков волнуют человечество. Как и когда закончится жизнь? Какая судьба ждет гигантские галактики с их миллиардами звезд? И неважно, что ни нам, ни кому-либо из разумных существ Вселенной (даже если они существуют) не суждено дожить до этого финала.
Может быть, дело в том, что человек разумный хочет узнать, какая роль отведена ему в космической эволюции. И понять, что представляет собой породившая нас эпоха: мимолетный эпизод в истории Вселенной или важная веха?

Другими словами: какое место занимаем мы в системе мироздания?

Эсхатология — так называется наука о конце света. Большую часть истории человечества она была уделом философов и богословов. Современные физики подхватили эстафету у древних пророков и астрологов. Вооружившись накопленными знаниями о прошлом и настоящем Вселенной, они тоже берутся предсказать ее будущее. Но теперь уже на научной основе.

Что так подстегивает их воображение? И почему Пол Стейнхардт называет нашу эпоху переломной? Ключевую роль играет одно открытие, за которое была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 года. А именно: Вселенная расширяется, причем в ускоряющемся темпе. Материя космоса раздувается, как воздушный шар, все быстрей и быстрей. И все дальше раздвигает пределы пространства. Словно какая-то мощная сила распирает изнутри ее структуры. И поскольку физическая природа этой загадочной, невидимой энергии пока неизвестна, ученые называют ее «темной».

Сам факт расширения Вселенной установил еще в 1920-е годы американский астроном Эдвин Хаббл. Тогда ученые объяснили это явление инерцией от Большого взрыва, который положил начало пространству и времени. Но долгое время считалось, что сила тяготения материи противодействует этому импульсу и постепенно тормозит расширение. Причем допускалось два варианта развития событий — в зависимости от количества материи во Вселенной. Если ее недостаточно для торможения, то мировое пространство будет расширяться до бесконечности. Если же ее много, то рано или поздно гравитация возьмет верх. И тогда Вселенная начнет сжиматься обратно.

Теперь уже известно, что первый толчок к расширению действительно дал Большой взрыв. Но около пяти миллиардов лет назад под влиянием какой-то неизвестной силы этот процесс стал ускоряться. И с тех пор набирает обороты.

Современным исследователям повезло. По космическим меркам нынешняя эпоха — это всего лишь мгновение. Но зато мгновение на редкость удачное для научных наблюдений. «В ранней Вселенной наглядно проявлялось действие притяжения материи, но влияние силы отталкивания темной энергии было почти незаметным, — говорит Стейнхардт. — Через пару миллиардов лет налицо будет лишь эффект темной энергии. Есть лишь один короткий период в истории Вселенной, когда можно наблюдать действие обеих сил».

Это наше время.

С момента открытия феномена ускоряющегося расширения Вселенной представления о ее будущем изменились. Спрашивается: куда она разлетается?

Ответ на этот вопрос зависит от природы темной энергии, говорят космологи. Что таит в себе эта странная субстанция, обладающая свойством антигравитации и способная разгонять материю? Это, наверное, и есть величайшая загадка астрофизики. Ученые выдвигают разные гипотезы. Одни считают ее «квинтэссенцией», своего рода «пятым элементом» — динамическим полем, равномерно пронизывающим все космическое пространство. Причем плотность этого поля может возрастать и снижаться с течением времени. Для других это просто неотъемлемое свойство вакуума, пустоты, абсолютного ничто. «Космологическая константа» — постоянная сила, которая действует с момента Большого взрыва и останется неизменной вечно.

Шаг за шагом исследователи подбираются к разгадке этой тайны. Им уже удалось определить скорость удаления взорвавшихся сверхновых от Земли. Они сумели замерить фоновое излучение — слабые электромагнитные колебания, которые расходятся по космосу как эхо Большого взрыва. Их вывод: сейчас темная энергия составляет уже семьдесят два процента массы Вселенной. И судя по всему, на протяжении миллиардов лет ее плотность остается неизменной. А если и варьируется, то лишь незначительно. Правда, пока предел допустимых погрешностей в этих измерениях слишком велик, чтобы решить, какой из трех возможных сценариев будущего Вселенной наиболее вероятен: безграничное расширение, большой разрыв или бесконечный цикл расширения и сжатия.

Большинство астрономов предпочитают самый простой вариант. Зачем все усложнять, говорят они. Скорее всего, темная энергия обладает постоянной плотностью и с неизменной силой распирает пространство.

На этом строится гипотеза американского астронома Фреда Адамса. Обобщив знания из разных областей астрономии, он построил свою модель эволюции Вселенной. Рано или поздно ей суждено превратиться в пустое темное пространство, предсказывает ученый, уже заработавший себе репутацию гуру космического апокалипсиса. «Если Вселенная продолжит расширяться с возрастающей скоростью, — заявляет он, — то когда-нибудь все галактики разлетятся за пределы видимости и исчезнут с нашего звездного неба». Останутся только отдельные звездные скопления, которые находятся рядом с Млечным Путем. Например, туманность Андромеды и Магелланово Облако. Они так прочно связаны гравитацией с нашей галактикой и друг с другом, что смогут устоять перед силой расширения.

Потеря «визуального контакта» между галактиками объясняется тем, что расстояние между ними будет увеличиваться быстрее скорости света. А потому даже его лучи не успеют дойти от одной галактики до другой.

Изоляция галактик произойдет через 100 миллиардов лет, предсказывает Адамс. Земля к тому времени уже исчезнет. А если на других планетах и останутся наши братья по разуму, то возможности изучения космоса у них будут сильно ограничены. Рассмотреть разлетающиеся галактики в телескоп уже не удастся. Невозможно будет заметить и признаки разбегания звезд, по которым сейчас ученые судят о темпах расширения Вселенной. Из черноты космоса будут мерцать лишь светила Млечного Пути и ближайших к нему галактик. На вид Вселенная будет казаться неизменной. Хотя на самом деле она продолжит стремительно раздуваться. Явные следы ее яркого прошлого — рождения в горниле Большого взрыва — будут постепенно исчезать из поля зрения исследователей 

Первая полная обзорная карта Вселенной, составленная обсерваторией Планка, ЕКА.

В самом центре карты расположен основной диск нашей галактики, сразу за ним — газопылевые облака, которые в реальности расположены чуть дальше Млечного Пути. По бокам снимка отчетливо видны сети из других звезд и галактик. Однако самое интересное — это верх и низ карты. Здесь изображены самые дальние регионы нашей видимой Вселенной. Большая часть изображений здесь — это так называемые CMBR или cosmic microwave background radiation (космическая микроволновая фоновая радиация) — излучение, которое идет с момента рождения Вселенной около 13,7 млрд лет назад.

При помощи этого излучения можно понять, как выглядела наша Вселенная на начальном этапе ее существования. По словам ученых, данный фон представляет собой как бы отпечаток Вселенной после ее рождения. Строго говоря, микроволновое излучение идет от любых мощных космических объектов — галактик, квазаров, черных дыр. Но наиболее ценный, с научной точки зрения, фон — это так называемый реликтовый фон.

Галактики будут все дальше разлетаться во тьму, которая постепенно поглотит все звезды. Они погаснут одна за другой, как огни ночного города. Галактический запас водорода, который служит топливом для звездных термоядерных реакторов, рано или поздно истощится. И в космосе больше не вспыхнет ни одна звезда.

А что будет с Землей? Она перестанет существовать задолго до этого. Ее будущее легко спрогнозировать на примере звезд размером с Солнце, гибель которых астрономы наблюдали во многих частях Млечного Пути. Через три миллиарда летСолнце станет на 40 процентов ярче. Океаны испарятся. Все живое погибнет. Еще через несколько миллиардов лет наша звезда так раздуется, что ее внешняя оболочка достигнет нынешней околосолнечной орбиты Земли. И Голубая планета сгорит дотла, как листок бумаги в костре.

Звездная эпоха закончится. Космическое пространство будет заполнено «останками» некогда ярких светил. В том числебелыми карликами — одними из самых горячих космических тел. Эти остывающие ядра выгоревших звезд лишены собственной термоядерной энергии и излучают свет только за счет остаточного тепла. Нейтронными звездами — сверхплотными сгустками материи, оставшимися после взрыва сверхновых. Черными дырами, сила притяжения которых настолько велика, что они затягивают в себя даже свет. И коричневыми карликами, состоящими из облаков водорода. Из-за своих малых размеров эти газовые звезды практически не светятся.

Иногда два коричневых карлика будут сталкиваться, сливаясь воедино. Благодаря увеличению массы в недрах нового образования запустится термоядерная реакция. И оно начнет испускать слабое свечение. Но, по расчетам Фреда Адамса, это будет происходить крайне редко. На целую галактику наберется от силы две такие звезды.

Допустим, вопреки предсказаниям пессимистов нам не грозит гибель в обозримом будущем. Как долго сможет просуществовать человечество в условиях меняющейся Вселенной?

На случай катастрофических изменений в Солнечной системе физики предлагают гипотетический маршрут миграции на другие планеты. Примерно через миллиард лет, когда Солнце начнет разогреваться, человечество может переселиться с Земли на более удаленный от нашего светила Марс. Воды на соседней планете предостаточно. И она могла бы стать для нас второй родиной еще на пять миллиардов лет.

Когда раздувшееся Солнце приблизится и к Красной планете, можно спастись бегством на спутник Юпитера Европу, под ледяным панцирем которой предположительно скрыта вода в жидком виде.

Еще через 100 миллионов лет Солнце сожмется и превратится в белый карлик.Температура резко снизится.Тогда нам не останется ничего иного, как искать спасения за пределами Солнечной системы. Например, направиться к звезде Проксима Кентавра, относящейся к классу красных карликов. Такие звезды меньше и холоднее нашего Солнца, а потому период «выгорания» у них в 400 раз дольше.Там мы сможем найти надежное убежище еще на несколько триллионов лет. Если только на ее орбите окажется пригодная для колонизации планета. Впоследствии люди могут при необходимости мигрировать из одной солнечной системы с красным карликом в центре в другую. Но по мере разлета космической материи находить для себя очередное пристанище будет все труднее. Для заселения могут подойти планеты на орбитах светил, образующиеся в результате столкновения коричневых карликов, хотя эти столкновения происходят крайне редко. И звезды, родившиеся в итоге, недостаточно массивны, чтобы светить, как наше солнце. Но когда-нибудь и им придет конец. И тогда в порыве отчаяния человечество сможет нырнуть в черную дыру: эх, была не была.

Время от времени могут сталкиваться и сверхтяжелые белые карлики, образуя невероятно массивные объекты. Они будут «схлопываться» под собственным весом, на миг озаряя яркими вспышками сверхновых тьму галактик, напоминающих плывущие в ночи галеоны с мерцающими масляными фонарями. Совсем не то, что нынешние сияющие галактические диски, дрейфующие в черноте космоса как залитые огнями круизные лайнеры.

Еще через 1033 лет Вселенная погрузится в абсолютный мрак.

И тогда начнется процесс, только предсказанный теоретической физикой, но ни разу не наблюдавшийся «вживую»: распад протонов — элементарных частиц, из которых состоят атомы вещества. Когда они рассеются, из мирового пространства исчезнет вся видимая материя, включая химические элементы от водорода до Урана.

Пережить распад протонов смогут только черные дыры, говорит Фред Адамс. Но и их гибель неизбежна. По парадоксальным законам квантовой механики, описанным британским физиком Стивеном Хокингом, даже они не только засасывают материю, но и испускают энергию в форме элементарных частиц. И теряют массу. Хотя и очень медленно. Небольшая черная дыра с массой нашего Солнца «испаряется» за 1066 лет. Гигантская черная дыра размером с гравитационную воронку, которая вращается в центре нашей галактики Млечный Путь, будет умирать 1086 лет.

По человеческим меркам, это целая вечность.

Через 10100 лет после окончательного распада всех материальных структур во Вселенной останется лишь огромное пустое пространство. На каждую уцелевшую элементарную частицу его будет приходиться в 10194 раз больше всего объема нынешней Вселенной. Температура в этой безграничной пустоте, не согреваемой светом звезд, упадет почти до абсолютного нуля.

Большой разрыв. Но все может произойти и по-другому. Так предполагает, например, Роберт Колдуэлл. Плотность темной энергии не обязательно должна оставаться неизменной вечно, считает специалист по космологии из Дартмутского колледжа в американском Ганновере, уже долгие годы изучающий движущие силы космической эволюции. Данные о скорости удаления сверхновых в глубины космоса допускают разные толкования. Так что от этой загадочной субстанции можно ожидать любых сюрпризов. Его сценарий будущего Вселенной основан на предположении, что со временем плотность темной энергии будет увеличиваться. «При этом пространство расширится так быстро, что вся материя во Вселенной буквально разорвется на части, причем в пределах ограниченного периода времени», — говорит он.

Правда, и в этом случае человечеству не стоит тревожиться о том, что послезавтра земля уйдет из-под ног. По расчетам Колдуэлла, до Большого разрыва осталось еще два триллиона лет. Этот срок во много раз превышает возраст нашей Вселенной. Но ничто в сравнении с вечностью, которая предстоит ей в том случае, если плотность темной энергии неизменна.

Что же конкретно сулит нам такое будущее?

В начале произойдет то же самое, что предсказывает Фред Адамс. Со звездного неба исчезнут галактики, которые сейчас можно наблюдать в телескоп. Но затем энергия расширения пространства наберет такую мощь, что преодолеет силу притяжения между звездами и планетами. И разорвет целые галактики. Млечный Путь рассеется. Со временем придет черед и нашей Солнечной системы. «Земля, если к тому времени от нее еще что-то останется, не улетит в космос в одночасье», — объясняет Колдуэлл. Ее околосолнечная орбита будет расширяться. И в какой-то момент планета просто сорвется с орбиты. Это и будет началом конца.

За три часа до Большого разрыва Земля взорвется. В конце концов темная энергия превзойдет силу притяжения между молекулами и атомами. В последние доли секунды они тоже распадутся.

По сценарию Колдуэлла, Вселенная не будет умирать целую вечность, тихо угасая и погружаясь во тьму. Ей уготован яркий конец — нечто вроде Большого взрыва, с которого все началось. После этого она перейдет в трудноописуемое состояние - космологической сингулярности — с бесконечной плотностью и температурой вещества.

Для увеличения нажмите на картинку

Во Вселенной преобладает загадочная темная энергия, сохраняющая постоянную плотность и действующая как антигравитация - сила взаимного отталкивания материи. Пространство расширяется все быстрее. Материя разрежается. Так будет продолжаться целую вечность. Но в конце концов все материальные структуры распадутся.

13,6 миллиарда лет назад 
Большой взрыв - рождение Вселенной 
13,2 миллиарда лет назад 
Формируются первые галактики 
13,6 миллиарда лет назад 
Зажигаются первые звезды 
Пять миллиардов лет назад 
Во Вселенной начинает превалировать темная энергия, которая распирает космическую материю изнутри и вызывает ее ускоряющийся разлет 
Наше время 
Пик Звездной эры 
Через 1011 (сто миллиардов) лет 
Разгоняемые темной энергией скопления галактик разлетаются за пределы видимости 
Через 1014 лет 
Вселенная наполнена только черными дырами и «останками» звезд: нейтронными звездами, коричневыми и белыми карликами. Время от времени при столкновении двух коричневых карликов темное пространство озаряет вспышка нового светила. 
Через 1040 лет 
Происходит распад протонов - «строительных кирпичиков» ядер атомов. В космосе остаются лишь черные дыры. За счет квантовых эффектов они тоже испускают энергию в процессе вращения и медленно «испаряются» 
Через 10100 лет 
В мировом пространстве сохраняются только сверхдлинноволновое электромагнитное излучение и элементарные частицы типа электронов и нейтрино. Температура в абсолютно темной и невероятно раздувшейся Вселенной приближается к абсолютному нулю.

Насколько вероятен этот сценарий?

Судя по экспериментальным данным, плотность темной энергии, скорее, величина постоянная. А значит, модель Фреда Адамса ближе к действительности. Но некоторые отклонения в замерах скорости удаления взорвавшихся звезд и фонового излучения, сохранившегося после Большого взрыва, оставляют простор для альтернативных гипотез, говорит Колдуэлл. У теории Большого разрыва есть все шансы, считает он. Хотя и не сомневается, что во всех подобных сценариях слишком много допущений. Их составление для космологов — что-то вроде игры. Они запускают идеи, как мыльные пузыри. И смотрят, сколько те продержатся, прежде чем лопнуть, наткнувшись на очередное открытие. Вставка

При всех различиях сценарии Адамса и Колдуэлла роднит одна общая идея: у Вселенной было начало — момент, когда из ничего возникло нечто: пространство, время и материя. «Но если Вселенная когда-то начала существовать, то нужно объяснить, почему и при каких условиях это произошло», — говорит физик Пол Стейнхардт.

Именно поэтому Альберт Эйнштейн и многие другие космологи того времени отдавали предпочтение теории циклической Вселенной, которая раз за разом погибает и рождается заново. В начале 1920-х годов в физических теориях, на которых строилась эта гипотеза, обнаружились фундаментальные противоречия. Поэтому она уступила место линейной модели Большого взрыва.

Но не была забыта. И в конце 1990-х годов ею увлекся американский исследователь Пол Стейнхардт. За это время ему удалось обойти подводные камни, на которые наткнулись его предшественники. И разработать новую модель бесконечно перерождающейся Вселенной, у которой нет ни начала, ни конца.

Решающее влияние на него оказала теория струн, согласно которой первооснова нашего мира — это не элементарные частицы, а ультра-микроскопические вибрирующие «квантовые струны». Их колебания и определяют такие свойства материи, как электрический заряд и масса. К этой необычной идее исследователи пришли в 1970-е годы при попытке создать «единую теорию поля», обобщающую все известные формы взаимодействия физических сил. В результате была разработана сложная математическая модель, которая согласуется со многими наблюдаемыми явлениями. Однако некоторые ее ключевые положения, например идея существования дополнительных измерений пространства, пока не получили экспериментального подтверждения.

Для увеличения нажмите на картинку

За триллионы лет плотность темной энергии возрастает до такой степени, что она разрывает галактики, звезды и даже атомы. Вселенная «взрывается». Весь процесс займет гораздо меньше времени, чем предусматривает первый сценарий.

Наше время 
До Большого разрыва осталось два триллиона лет 
За шесть миллиардов лет до Большого разрыва 
Скопления галактик, связанные силой взаимного притяжения, начинают разлетаться 
За 420 миллионов лет до Большого разрыва 
Звезды в галактике Млечный Путь разлетаются в разные стороны 
За два года до Большого разрыва 
Планеты срываются со своих околозвездных орбит 
За три часа до Большого разрыва 
Планеты, в том числе и Земля, взрываются 
За доли секунды до Большого разрыва 
Молекулы и атомы разрываются. Даже ядра атомов не в состоянии выдержать чудовищную силу антигравитации

Предполагается, что одномерные, нитевидные квантовые струны образуют многомерные структуры. Ученые называют их мембранами. Или сокращенно — «бранами». Эта идея и вдохновила Стейнхардта на создание его модели. Как признает сам автор, вообразить себе это довольно сложно. Наша Вселенная может представлять собой трехмерную мембрану, отделенную микроскопической прослойкой четвертого измерения от параллельной трехмерной Вселенной. Ученые сравнивают эту структуру с сэндвичем. Две половинки булки сверху и снизу — это браны, а вместо начинки между ними — четвертое измерение. «Мы не можем проникнуть в четвертое измерение, а потому не в состоянии ни увидеть соседнюю Вселенную, ни соприкоснуться с ней», — говорит он. Мы подобны муравьям, которые ползают по плоскости и даже не подозревают о существовании третьего измерения.

Темная энергия действует и в бранах, заставляя параллельные Вселенные все быстрее раздуваться. Галактики разлетаются, квантовые струны растягиваются, складки на мембранах разглаживаются. И космическая материя разрежается. За пару триллионов лет космическое пространство почти пустеет и становится идеально плоским.

Затем в дело вступает другая сила. Силовое поле между мембранами начинает притягивать их друг к другу, словно натянутая пружина. В итоге они сталкиваются. При этом выделяется энергия в виде фонтана раскаленных элементарных частиц и излучения. Этот ливень наполняет Вселенную первозданной материей. Мир возрождается.

При столкновении мембраны отскакивают друг от друга как резиновые мячи. И разлетаются в противоположные стороны. Космическая эволюция начинается заново. Горячая материя постепенно остывает и сгущается. Рождаются звезды, формируются галактики, вступают в силу известные нам физические законы. Вокруг светил начинают вращаться планеты. Вселенная ширится, материя разрежается. И так продолжается до следующего столкновения с соседней мембраной.

«В этой модели Большой взрыв — это не начало Вселенной. Ему всегда что-то предшествует», — говорит Стейнхардт. И любит цитировать по памяти американского поэта Томаса Элиота: «Конец — это то, с чего все начинается».

Для увеличения нажмите на картинку

Большой взрыв не был началом Вселенной. Мировое пространство проходит повторяющиеся циклы рождения и гибели. Современный вариант этого древнего учения основан на теории струн.

1. Наша Вселенная - это гигантская трехмерная мембрана, сотканная из одномерных струн и отделенная микроскопической прослойкой четвертого измерения от параллельной трехмерной Вселённой, которую нельзя увидеть и куда невозможно проникнуть. 
2. Вселенная с ускорением расширяется. Обе параллельные мембраны растягиваются и разглаживаются. 
3. Параллельные вселенные становятся пустыми и плоскими. 
4. Силовое поле между мембранами начинает притягивать их друг к другу, словно натянутая пружина. На них образуются складки. 
5. Параллельные вселенные сталкиваются. Рождаются новая материя и световая энергия. Начинается очередной цикл длиной в триллионы лет. 
6. После столкновения вселенные разлетаются. Плотная, горячая материя остывает, образуя звезды.

Лучший хэппи-энд — это когда «продолжение следует». Циклическая модель не только позволяет объяснить прежнюю эволюцию Вселенной с учетом загадочной темной энергии. У нее есть еще один большой плюс, считает Стейнхардт. Она придает особую ценность той космической эпохе, в которую нам довелось жить. Эпохе звезд и галактик, газовых туманностей и шаровых скоплений. Если в классической модели время звездных миров — это лишь краткий миг между взрывным прошлым и ледяной вечностью, то, по сценарию Стейнхардта, наша Вселенная почти до самого момента перерождения будет выглядеть так, как сейчас. Знакомый нам мир, которым мы так дорожим, предстает более закономерным, комфортным и логичным.

К тому же такое будущее внушает больше оптимизма. С каждым новым циклом пространство опять наполняется материей, галактиками, звездами, планетами, жизнью. Разумной жизнью? «Почему бы ей не зарождаться заново с каждым циклом», — говорит Стейнхардт.

«Трудно что-либо загадывать, особенно на будущее», — сказал как-то датский физик Нильс Бор. Но идеи космологии — это уже не чистые гипотезы. «Теперь у нас есть возможность проверить их экспериментальным путем», — говорит с энтузиазмом Стейнхардт.

Сейчас многие научные проекты дают астрономам возможность изучить природу темной энергии. Они определяют взаимное расположение галактик в пространстве, скорость удаления сверхновых, изменение амплитуды реликтового излучения, наполняющего Вселенную как эхо Большого взрыва. И через пять-десять лет рассчитывают собрать достаточно точные данные.

Тогда мы сможем получить более детальное представление о заключительном акте вселенской эпопеи. Что это будет — кромешная тьма, Большой разрыв или очередное перерождение? Первые главы истории нашего мира были очень увлекательными. Тем более что за это время на космической сцене появились мы сами — зрители и участники этой грандиозной феерии. И до самого конца космос не перестанет нас удивлять.