Что общего у начала и конца нашей Вселенной?
Есть что-то общее у начала нашей Вселенной, периода космической инфляции, и виновника ее конечной судьбы: ускоряющей расширение темной энергии, что не может не приводить к мысли о том, что они связаны. И вот вам вопрос: если гипотеза вечной инфляции верна, может ли темная энергия предшествовать возвращению в это изначальное состояние?
Мало того, что это возможно, она может даже не потребовать вечной инфляции. Давайте начнем с разговора о сцене, которая предшествовала рождению известной и любимой Вселенной: космическая инфляция.
Когда появилась Вселенная - полная материи и излучения - она появилась с несколькими странными свойствами: она была пространственно плоской, имела одну температуру повсюду, не имела реликтов чрезвычайно высокой энергии и обладала весьма выраженным набором регионов с повышенной и пониженной плотностью. Возможно, Вселенная уже началась при таком наборе условий, но идея космической инфляции заключается в том, что Вселенная началась с периода экспоненциального расширения, в котором огромное количество энергии было присуще самому пространству, а потом этот период закончился и породил Большой Взрыв со всеми этими условиями. Потребовалось несколько лет, чтобы точно выработать все последовательности, и еще больше времени, чтобы найти флуктуации космического микроволнового фона, которые ее подтвердили, но космическая инфляция теперь железная теория, с которой мы начинаем историю Вселенной.
Вечная инфляция - это такое ответвление инфляции, основанное на свойстве, о котором мы задумываемся нечасто. Обычно, когда вы встречаете природный переход - вроде кастрюли с горячей водой, которая переходит из жидкого в газообразное состояние - он начинается в разных местах, постепенно расширяясь и сливаясь в одно. В случае с кипящей водой, мы называем это перколяцией, просачиванием, когда небольшие пузырьки появляются и сливаются, создавая крупные пузыри уже на поверхности. Но в инфляции есть проблема: в некоторых регионах инфляция не остановилась в определенный момент и продолжается, что препятствует перколяции в регионах, где инфляция остановилась. Отсюда следует, что наша наблюдаемая Вселенная должна находиться в одном пузыре, в котором инфляция завершилась, а не состоять из множества пузырьков, которые просачиваются вместе.
Иллюстрация вечной инфляции: там, где появляется красный крест, инфляция заканчивает и дает начало Большому Взрыву; где остались голубые кубики, инфляция продолжается. Математически, чтобы позволить инфляции создать нашу Вселенную, инфляцию нужно продолжать бесконечно в будущем
На другом конце спектра у нас есть тот факт, что расширение Вселенной ускоряется. Лучшим объяснением этого, со всей доступной нам точностью, будет то, что самому пространству присущ небольшой энергетический компонент: мы называем его темной энергией. Этот компонент энергии присутствует всюду - во всех точках пространства - и очень мал: если превратить его в массу по формуле Эйнштейна E = mc 2, он будет эквивалентен одному протону на кубический метр Вселенной. Но пространство в космосе не просто огромно, оно еще и расширяется. Так что по мере течения времени эта темная энергия становится все более важной. Через 8 миллиардов лет от начала Вселенной она привела к тому, что расширение стало ускоряться, а позже - стало доминирующим компонентом энергии Вселенной.
Два этих периода могут показаться очень разными: инфляция и ускоренное расширение, которое пришло со временем. В действительности, величина этих энергетических масштабов различается в 10 120 раз, а это много. Но они оба представляют энергию, присущую самому пространству, оба заставляют ткань пространства экспоненциально расширяться и при условии достаточного времени - долей секунды для инфляции и триллионов лет для темной энергии - возьмет все, что не связано во Вселенной в единую структуру, и разорвут на части. Существует целый класс моделей, известный в общем как квинтэссенция, которые пытаются объединить инфляцию и темную энергию.
Какова вероятность того, что наша Вселенная «переработает» себя, замкнет цикл? Вот два неплохих варианта.
- Если темная энергия действительно является космологической константой, она может быть остаточной, реликтовой энергией инфляционного периода, с которого все началось. И если это так, то нет никаких причин, почему бы при прошествии достаточного времени ей не перейти в гораздо более низкое энергетическое состояние. Возможно, этот переход приведет к тому, что множество маломассивых частиц - нейтрино, аксионов или еще более экзотических частиц - будут сливаться в собственные аналоги звезд, планет или даже людей. Если нам это недоступно, это не значит, что невозможно, и это одна из возможных судеб нашей Вселенной в далеком будущем, даже если пройдут гуголы лет.
- Темная энергия может не быть космологической постоянной, а может увеличиваться в силе с течением времени. Если это так, она будет расти и расти, пока не приведет к сценарию «большого разрыва», когда каждая связанная структура во Вселенной в итоге разорвется на части. Но по сценарию, разработанному Эриком Гавизером, возможно, что в конечный момент - перед тем, как само пространство треснет к чертям - эта энергия, присущая пространству, неотличимая уже в инфляционных сценариях, перейдет... в горячий Большой Взрыв. Такой сценарий «омоложения Вселенной» может не только быть возможным в далеком будущем, но и существенно состаривает нашу Вселенной - возможно, она бесконечно старая.
Пока что наши лучшие доказательства указывают на то, что темная энергия все же является космологической константой, тем самым исключая второй сценарий. Если не существует никакого низкоэнергетического состояния для ее перехода, первый сценарий тоже можно исключить, но мы знаем недостаточно, чтобы исключить оба.
Ответы на эти вопросы нам должны помочь найти миссии EUCLID, NASA WFIRST и LSST (большой обзорный телескоп).
