Конец всему

Это статья с Universe Today. Оригинал тут.

 

Тёмные века: нигде во Вселенной не светит ни одна звездаМожно сказать, что человек близорук. Мы озабочены концом лета, следующим учебным годом, возможно даже пенсией. Но в космических масштабах это не более чем один миг. Давайте действительно подумаем большими категориями, внимательно посмотрим вперёд сквозь время и задумаемся, что сулит Вселенной будущее. Посмотрим вперёд на миллионы, триллионы и даже на 10100 лет. Давайте обсудим конец всего.

Конец человечества — 10,000 лет

Нью-Йорк: там живёт множество людейСовременный человек появился в Африке примерно 200,000 лет назад. С тех пор мы заселили почти все уголки Земли. Но это временно. Подавляющее большинство видов, когда-либо обитавших на Земле, вымерли. Не будем так высокомерны, чтобы думать, что мы сможем избежать судьбы каждой прочей твари. Время нашей жизни ограниченно, как и любой жизни на Земле. Как долго мы просуществуем?

Есть много естественных и не очень причин, которые могут уничтожить нас. От удара астероида до пандемии, от глобального потепления до взрыва близлежащей сверхновой, — у нас есть много вариантов исчезнуть. Может быть, мы все погибнем в результате массового вымирания, подобного тому, что убило динозавров 65 миллионов лет назад, или "Великого вымирания", которое уничтожило 70% наземных и 96% морских видов 251 миллион лет назад.

Возможно, другие виды (разумные тараканы или крысы) победят нас в эволюционном соревновании. А может быть, мы сами разработаем себе замену в виде роботов.

Но вид может существовать и на протяжении десятков и сотен миллионов лет. Как мы можем предсказать, когда исполнится наше время?

Мы не можем это знать, но можно кое-что посчитать. Астрофизик Брендон Картер в 1983 году назвал это Доказательством Судного Дня. По Картеру, число людей, когда-либо живших, составляет примерно 60 миллиардов. Если предположить, что ещё такому же количеству предстоит родиться, наши высокие темпы роста населения дают нам всего около 9,000 лет в будущем. Или, более точно, его расчёт даёт 95-процентную вероятность того, что человечество закончит своё существование к 11,000 году.

Имеются и другие расчёты, но все они дают похожие результаты, от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет.

Это большой срок, но недостаточный по сравнению с тем, что приготовила для себя Вселенная.

Конец жизни — от 500 миллионов до 5 миллиардов лет

Пустыня Гоби (image credit: NASA)

Мы благодарны Солнцу за то, что оно даёт нам энергию. Без него на Земле не было бы жизни. Забавно, что именно Солнце со временем убьёт всю земную жизнь.

Это произойдёт потому, что Солнце постепенно разогревается.

Одна из самых захватывающих книг на эту тему  The Life and Death of Planet Earth by Peter Ward and Donald Brownlee. В ней рассказывается о том, что поток энергии, излучаемой Солнцем, медленно усиливается. Не далее чем через 500 миллионов лет температура на Земле станет так высока, что бόльшая часть нашего мира станет пустыней. Крупные животные смогут жить только в относительно прохладных приполярных областях.

В течение следующих нескольких миллиардов лет эволюция повернёт вспять. Наиболее крупные организмы, а также те, что наименее приспособлены к жаре, вымрут. Останутся разве что насекомые и бактерии. Наконец, на поверхности Земли станет так жарко, что океаны закипят и высохнут. На планете не останется мест, где можно будет скрыться от непомерной температуры. Выживут только организмы, уже миллиарды лет обитающие глубоко под землёй.

Конец Земли — 7.5 миллиарда лет

Красный гигант Бетельгейзе (image credit: HST)

Как отмечено выше, мы живём по милости Солнца. Но по мере приближения конца цикла развития наша звезда так или иначе разрушит нашу планету.

Примерно через 5 миллиардов лет Солнце вступит в последнюю стадию своей жизни, израсходовав всё своё водородное топливо. В это время гравитация заставит Солнце сжаться, а затем расшириться до размеров красного гиганта, последовательно поглощая внутренние планеты: сначала Меркурий, а затем Венеру, почти достигнув орбиты Земли.

Неясно, сожжёт красный гигант Солнце Землю или нет. По некоторым возможным сценариям, изменение плотности Солнца приведёт к удалению Земли от него по спирали, так что Солнце не захватит Землю. По другим, внешние оболочки Солнца окружат Землю. Дополнительно возникающее трение замедлит вращение Земли, что вызовет её погружение в недра Солнца по спирали.

В любом случае через 5 миллиардов лет Земля будет сожжена Солнцем.

Конец Солнца — от 7.5 миллиарда до 1 триллиона лет

Туманность Кольцо: будущее нашего Солнца

Превращение Солнца в красный гигант — это только начало его конца. По исчерпании запасов водорода Солнце начнёт термоядерную реакцию с использованием гелия, затем углерода и наконец кислорода. После этого солнечной гравитации станет недостаточно для поддержания реакции. Оно погаснет и сбросит свои внешние оболочки, превратившись в планетарную туманность, такую как туманность Кольцо, которую мы можем видеть на ночном небе. После этого оно успокоится и станет доживать свой век как белый карлик.

Оно сохранит бόльшую часть своей массы, но размерами не превзойдёт Землю. Сильно разогретое термоядерной реакцией, Солнце станет медленно остывать. Со временем его температура сравняется с температурой окружающего пространства, и оно станет холодным чёрным карликом, безжизненным скоплением вещества, дрейфующим в темноте пространства.

Сейчас даже старейшие чёрные карлики всё ещё имеют температуру в несколько тысяч градусов, поскольку Вселенная существует недостаточно долго для образования чёрных карликов. Но давайте подождёт ещё около триллиона лет, и Солнце станет холодным чёрным карликом.

Конец Солнечной системы

Диск вокруг белого карлика (рисунок, image credit обсерватория Gemini)

Хотя Солнце уже перестало гореть, планетная система всё ещё существует. Возможно, уцелела даже Земля. Юпитер, Сатурн и остальные внешние планеты вместе с объектами пояса Койпера наверняка могут остаться на своих орбитах очень долго.

Астрономы опубликовали в журнале Science сообщение о недавнем открытии быстро вращающегося вокруг белого карлика диска металлического материала. Исследователи построили модель, в которой гипотетические планеты вращаются вокруг умирающей звезды, и обнаружили, что гибель звезды разрушает стабильность планетной системы. Изменение массы звезды вызывает столкновение планет и изменение их орбит. Одни спускаются по спирали к своей звезде, другие выбрасываются в межзвёздное пространство.

По завершении этих гравитационных взаимодействий от солнечной системы останется только белый карлик в окружении быстро вращающегося диска из остатков планет. Всё остальное рассеется в межзвёздном пространстве.

Конец космологии — 3 триллиона лет

Тысячи галактик (Hubble Deep Field, image credit: HST)

Вселенная работает как естественная машина времени. Мы видим отдалённые объекты такими, какими они были в прошлом. Посмотрев на самый край видимой Вселенной, мы увидим свет, испущенный миллиарды лет назад, вскоре после Большого Взрыва.

Это удобно, но есть проблема. Эта таинственная тёмная энергия, которая ускоряет расширение Вселенной, заставляет самые далёкие галактики удаляться от нас всё быстрее и быстрее. Со временем они пересекут горизонт событий, и окажется, что они удаляются от нас быстрее света. С этого момента свет , излучаемый ими, перестанет достигать нас. Каждая галактика, пересекающая горизонт событий, исчезает из вида после того как последний фотон приходит от неё к нам. Это случится со всеми галактиками. Они исчезнут для нас навсегда.

Согласно результатам, полученных Лоуренсом М. Крауссом и Робертом Дж. Шеррером, будущие астрономы через 3 триллиона лет будут видеть на ночном небе только нашу собственную галактику.

Ускоренное расширение будет иметь и ещё одно следствие. Космическое микроволновое фоновое излучение, позволившее обнаружить свидетельства Большого Взрыва, также иссякнет. И не только это. Доли химических элементов, в точности соответствующие тем, что следуют из теории Большого Взрыва, будут изменены до неузнаваемости последующими поколениями звёзд.

Итак, через 3 триллиона лет от Большого Взрыва не останется никаких следов. У будущих космологов не будет никакой информации, чтобы понять, что наша Вселенная началась с одной точки и всё время расширялась. Вселенная будет казаться статичной и неизменной.

Конец Млечного Пути

Ядро Млечного Пути в инфракрасном диапазоне (image credit: Spitzer)

Галактики сталкиваются. Всё что надо, это просто посмотреть в телескоп, и мы увидим судьбу, предназначенную нашей галактике. В любом направлении мы видим гравитационно взаимодействующие галактики. Сначала столкновения неистовы. Галактики раздирают друг друга, отрывая вещество и порождая огромные полосы звездообразования. Дремлющие сверхмассивные чёрные дыры в их центрах внезапно просыпаются и становятся активными галактическими ядрами, пожирающими появившееся вещество.

Наш будущий партнёр по столкновению несётся к нам. Это Андромеда. Примерно через 2 миллиарда лет наши две галактики столкнутся, а затем разлетятся прочь. Затем они станут сталкиваться вновь и вновь, пока не сольются в новую ещё большую галактику Путь Андромеды. Две сверхмассивные черные дыры станут обращаться вокруг друг друга и со временем сольются в одну ещё более массивную чёрную дыру.

Наше положение в галактике тоже изменится. Вероятно, мы будем отброшены во внешнюю часть галактического гало на расстояние по крайней мере 100,000 световых лет от центра. Поскольку Солнцу ещё предстоит жить в течение миллиардов лет, представители какой-нибудь будущей формы жизни смогут увидеть всё это своими глазами.

Процесс слияния завершится примерно через 7 миллиардов лет от сегодняшнего дня.

Однако, это ещё не конец галактики. Она будет всё ещё оставаться островом в пространстве, состоящим из звёзд, вращающихся вокруг ядра. Так будет продолжаться долго, 1019 1020 лет, в течение которого галактика будет разрушаться, а её звёзды разлетаться в межгалактическое пространство.

Конец звёзд  100 триллионов лет

Белый карлик, окружённый рассеянной материей (image credit: STSCI)

Мы можем увидеть, как в глубине Млечного Пути повсюду формируются звёзды. Во Млечном Пути ещё достаточно пыли и газа для формирования целых поколений звёзд. Но если мы посмотрим дальше, то увидим множество старых эллиптических галактик, которые уже израсходовали свои запасы пыли и газа. Вместо ярких горячих звёзд, которые мы видим в областях звездообразования, эти стареющие красные галактики содержат остывающие звёзды.

Настанет день, когда молодых звёзд не останется совсем. А потом и день, когда последняя звезда израсходует своё водородное топливо, превратится в красный гигант, а затем и в белый карлик. И даже самые тусклые звёзды — красные карлики — израсходуют своё тепло, хотя это и может занять ещё десятки триллионов лет. Через 100 триллионов лет все звёзды станут чёрными карликами, безжизненными сгустками материи звёздной массы с температурой, равной температурному фону Вселенной.

Конец обычной материи  1030 лет

Чёрная дыра, рисунок (image credit: NASA)

Итак, теперь у нас есть Вселенная без звёзд, только с чёрными карликами. Правда, останутся ещё нейтронные звёзды и чёрные дыры, оставшиеся с тех времён, когда ещё были звёзды. Вселенная будет совершенно тёмной.

Будущий наблюдатель будет иногда замечать вспышки, когда объект будет взаимодействовать с чёрной дырой. Его вещество будет формироваться в аккреционный диск вокруг чёрной дыры, и в течение короткого времени он вспыхнет излучением. Но затем это вещество добавится к массе чёрной дыры, и снова погаснет.

Сгустки материи и чёрные карлики двойных систем будут сливаться, формируя новые чёрные дыры, которые будут пожирать другие чёрные дыры. Может случиться, что в далёком будущем вся материя соберётся в несколько действительно массивных чёрных дыр.

Но даже материя, избежавшая этой судьбы, обречена. Некоторые физические теории предсказывают, что протон не является абсолютно стабильной частицей. Вся материя, не поглощённая чёрными дырами, будет распадаться. Протоны распадутся в лёгкий туман электронов, позитронов, нейтрино и распространяющееся в пространство излучение.

Теоретики предсказывают распад всех протонов во Вселенной через 1030 лет.

Конец чёрных дыр  10100 лет

Чёрная дыра пожирает звезду
Чёрная дыра кажется похожей на улицу с односторонним движением: материя входит туда, но никогда не выходит обратно. Но прославленный астрофизик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) перевернул это представление своей теорией испаряющихся чёрных дыр. Понемногу и медленно, но чёрные дыры освобождают крошечные порции излучения.

По мере освобождения излучения чёрная дыра теряет массу, пока не испарится полностью. Интенсивность испарения увеличивается с уменьшением массы чёрной дыры. Возможно даже, что в момент полного исчезновения произойдёт мощный всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Будущий наблюдатель (как-то переживший распад своих протонов) сможет увидеть время от времени вспышки в темноте Вселенной.

Затем, примерно через 10100 лет, последняя чёрная дыра исчезнет. Останется одно только излучение.

Конец всего  10100 лет и далее

Тёмные века: нигде во Вселенной не светит ни одна звезда
После испарения последней чёрной дыры во Вселенной останутся только фотоны излучения и элементарные частицы, избежавшие поглощения чёрными дырами. Температура Вселенной достигнет почти абсолютного нуля.

Тёмная энергия может сыграть дополнительную роль в будущем, разгоняя элементарные частицы и отдаляя их друг от друга, пока они станут совершенно изолированными. Никакая гравитация никогда не соединит их вновь.

Возможно, однажды произойдёт новый Большой Взрыв. Возможно, Вселенная циклична, и весь процесс начнётся снова.

Возможно, и нет, и всех нас ждёт скучное будущее холодной мёртвой Вселенной. Это не очень радует, но давайте почувствуем благоговейное вдохновение, оценив долгое будущее, которое нам ещё суждено, и возблагодарим энергичный век, в котором мы живём сегодня.


<это конец американской статьи>

Излагая её, я подумал о том, что один из моих соотечественников задолго до Фридмана, Хаббла и Хокинга с Пенроузом смог изобразить и горячее начало, и холодный конец Вселенной с помощью своей кисти

;)

Вот эти изображения:

Казимир Малевич. Красный квадратКазимир Малевич. Чёрный квадрат

А вот ещё тот же автор на ту же тему:
Казимир Малевич. Супрематическая композиция номер не-помню-какой

 


А вот классное кино на ту же тему:

Для тех, кто не поймёт английских комментариев, перескажу в двух словах.

Сначала там идут мелкие события типа глобального потепления, очень скоро мы доходим до превращения Солнца в красный гигант. Нам придётся линять из Солнечной системы.
Но и это нам не поможет. Через невообразимое время во Вселенной останутся одни только чёрные дыры, места для какой-либо формы жизни не останется.
Однако такие промежутки времени невообразимы только для нас. Вселенная продолжит существовать. Более того, к этому моменту она будет ещё очень-очень молодой. Пройдёт только вот такая часть её жизни:

Всё остальное продолжится без свидетелей
На самом деле так далеко мы заглянуть вряд ли сможем, пока не узнаем, что есть тёмная материя. Судя по всему, именно она и будет управлять нашей теперешней Вселенной вплоть до конца времён.
Согласно сегодняшним представлениям, конец времён обязательно случится. Это произойдёт, когда испарится (по Хокингу) последняя чёрная дыра, и "вскоре после этого" температура оставшегося излучения приблизится к абсолютному нулю и все частицы разлетятся на триллионы световых лет друг от друга. Тогда никакие процессы не смогут происходить, и сама идея времени потеряет смысл.

Вот это и будет настоящий конец времён.

В принципе, никто не мешает нам загодя создать для себя резервную вселенную. Для этого потребуется всего лишь очень большая энергия, больше ничего не надо. Насколько большая? Это открытый вопрос. Для ответа надо, опять же, хотя бы знать, что такое тёмная энергия, а там посмотрим.

Итак, цели ясны, задачи поставлены. За работу, товарищи :)

Last modified 2020-12-30

--> в самое начало