Темный век Вселенной, когда прекратится весь процесс слияния?

Я перечислил некоторые ссылки ниже. Наиболее полезным общим обзором является Адамс 1997, за исключением того, что он предшествует открытию темной энергии. Также есть статья в Википедии .

Настанет ли день, когда вселенная станет совершенно темной, когда все звезды сгорят?

Да. Водородное топливо, сжигаемое звездами главной последовательности, со временем только уменьшается и никогда не пополняется. Некоторое количество водорода окажется навсегда недоступным для звездообразования, например, в газовых гигантах. Последние сгоревшие звезды, вероятно, будут очень маленькими, тусклыми, «замороженными звездами», которые могут существовать только из-за высокой доли тяжелых элементов (Адамс, стр. 8). К$10^{14}$через несколько лет (возможно, раньше) все звездообразование прекратится, и все звезды превратятся в вырожденные объекты (Адамс, стр. 9).

Все ли охлажденные тела в конце концов столкнутся под действием гравитационных сил?

Нет. Гравитация обычно не заставляет вещи сталкиваться, она заставляет их вращаться вокруг друг друга. В масштабах времени$10^{19}$лет большинство звезд будет выброшено из галактики (Адамс, стр. 12). (Я нашел это нелогичным из-за сохранения энергии, но в гравитационном взаимодействии нет нижней границы отрицательной потенциальной энергии, которую вы можете достичь, поэтому это отличается от газа атомов.) Меньшая часть звезд не будет выброшена и может либо подвергаются случайным столкновениям (с временным масштабом$10^{22}$лет для коричневых карликов или намного дольше для вырожденных звезд) или постепенно мигрировать к галактическому ядру в масштабах времени$10^{24}$лет из-за рассеивания энергии в гравитационные волны (Адамс, стр. 13). В конце концов, около 1-10% звезд будут съедены центральной черной дырой, а остальные ускользнут из галактики (Адамс, стр. 17).

Будут ли черные дыры в конечном итоге доминировать во Вселенной?

Нет. Как описано выше, большинство звезд в конечном итоге становятся коричневыми карликами, белыми карликами или нейтронными звездами, которые выбрасываются из своих галактик. Тело, подобное коричневому карлику, постепенно потеряет свои атомы в межзвездной среде. Из-за некоторой парадоксальной термодинамики эти атомы, вероятно, в конечном итоге самопроизвольно ионизируются (Baez 2004). Баэз приводит общий аргумент, учитывающий космологическую среду, но чтобы получить основную идею, мне нравится следующий аргумент, приведенный Пайерлсом в 1979 году. Возьмем газ из атомов водорода. Сумма$Z=\Sigma_{n=0}^\infty e^{-\beta E_n}$расходится, поэтому в пределе малых концентраций, где$n$может быть сколь угодно высоким, вероятность любого дискретного состояния равна нулю. Хотя температура со временем также снижается, она достигает конечного предела, который устанавливается излучением Хокинга, связанным с космологическим горизонтом.

Эта ионизация превращает наши мертвые звезды в популяцию несвязанных массивных частиц, что добавляется к популяции таких частиц, которые просто никогда не подвергались гравитационному коллапсу в макроскопическое тело. (Если распад протона существует, то он несколько изменяет эту картину, например, нейтронные звезды эволюционируют определенным образом, но конечный результат должен быть тем же.)

В дополнение к этим частицам у нас есть популяция черных дыр. В достаточно длительных масштабах времени они испаряются в различные частицы, наиболее многочисленными из которых являются фотоны (но все возможные типы частиц создаются излучением Хокинга).

Итак, теперь у нас есть вселенная, единственными обитателями которой являются различные отдельные частицы: фотоны плюс массивные частицы. Поскольку Вселенная расширяется с масштабным коэффициентом$a$, плотность энергии массы из-за фотонов падает как$a^{-4}$, в то время как плотность массы-энергии из-за материальных частиц выглядит как$a^{-3}$. Разница в показателях объясняется тем, что фотоны космологически смещаются в красную сторону. Это приведет к тому, что фотоны в конечном итоге станут пренебрежимо малым компонентом с точки зрения их вклада в плотность массы-энергии.

Ускоряющееся космологическое расширение приводит к тому, что массивные частицы (вероятно, в основном это темная материя, нейтрино, электроны и позитроны) оказываются внутри своих собственных космологических горизонтов, поэтому они больше не могут взаимодействовать.

Вы можете получить некоторую вариацию в приведенной выше истории, если сделаете необычные предположения об уравнении состояния для темной энергии. Баэз, например, кажется, неявно предполагает, что темная энергия действует как космологическая постоянная, что сейчас является наиболее консервативной интерпретацией. Но, например, при других предположениях возможен сценарий « большого разрыва ».

Кажется, в Интернете есть огромное количество людей, которые верят, что вселенная далекого будущего будет состоять только из фотонов, поскольку вся материя будет переработана через черные дыры и излучение Хокинга. Вышеприведенный анализ показывает, что это просто не соответствует действительности, но это народное поверье, по-видимому, имеет такое же влияние на массовое сознание, как и другие ложные факты, такие как эскимосы,$n$слова для снега или вера в то, что люди должны выпивать восемь стаканов воды в день. Одна из причин, по которой мы можем быть уверены, что утверждение о фотонах неверно, заключается в том, что Роджер Пенроуз — очень умный парень, и у него была теория, называемая конформной циклической космологией (CCC), которая казалась жизнеспособной только в том случае, если он мог найти способ переработать всю материю в фотоны в далеком будущем. Это дало ему сильнейшую возможную мотивацию искать механизмы, чтобы это произошло, и после значительных (разрекламированных) усилий он потерпел неудачу.

Адамс и Лафлин, «Умирающая Вселенная: долгосрочная судьба и эволюция астрофизических объектов», 1997 г., http://arxiv.org/abs/astro-ph/9701131 .

Баез, Дж., 2004 г., «Конец Вселенной», http://math.ucr.edu/home/baez/end.html .

Дайсон, Время без конца: физика и биология в открытой вселенной, Reviews of Modern Physics 51 (1979), стр. 447–460, doi: 10.1103/RevModPhys.51.447.

Фриз и Кинни, 2002 г., Конечная судьба жизни в ускоряющейся Вселенной, http://www.arxiv.org/abs/astro-ph/0205279 .

Ху, Излучение Хокинга от космологического горизонта во вселенной FRW, http://arxiv.org/abs/1007.4044

Краусс и Старкман, 1999 г., Жизнь, Вселенная и ничто: жизнь и смерть в вечно расширяющейся Вселенной, http://arxiv.org/abs/astro-ph/9902189 .

Пайерлс, Сюрпризы в теоретической физике, раздел 3.2.

Это правда, что все звезды сгорят, и в какой-то момент звездообразование прекратится. В этот момент, конечно, все еще будут фотоны, путешествующие по Вселенной, но из-за космологического расширения они будут смещены в красную сторону в радиодиапазоне и до очень, очень низких энергий, а их числовая плотность также упадет (энергия плотность фотонов зависит от масштабного фактора$a$как$\propto a^{-4}$, где плотность вещества падает всего на$\propto a^{-3}$). Таким образом, станет ли Вселенная полностью «темной» — это вопрос определения, но для всех практических целей она определенно станет полностью темной.

Но Вселенная расширяется с ускоряющейся скоростью расширения. Это означает, что наш космологический горизонт событий — предел, за которым любое событие, происходящее сейчас, никогда не будет наблюдаемым, даже если мы все еще можем видеть прошлые события с такого расстояния — приближается к нам в сопутствующих координатах. Следствием этого является то, что все гравитационно несвязанные структуры в конце концов будут изолированы в каждом своем маленьком клочке Вселенной, за пределами которого они могут видеть только разворачивающуюся историю до определенного момента в прошлом. В зависимости от скорости ускорения космологического расширения это может даже разорвать скопления галактик или даже отдельные галактики (или их выгоревшие обломки).

Атомная материя

В любом масштабе мы получим изолированные островки материи , которые в конечном итоге, если они будут достаточно массивными, сольются в черные дыры , возможно, некоторые сверхмассивные. Эта материя либо сольется в черные дыры, либо через длинную цепь механизмов распада испарится в свободно плавающие электроны или позитроны. Но, обращаясь к комментарию @udiboy выше, вероятно, не будет новой физики из-за наличия такого количества черных дыр, поскольку их будущие световые конусы не будут перекрываться, и они не могут влиять друг на друга.

Но даже эти черные дыры также испарятся в виде излучения Хокинга , в конечном итоге оставив очень, очень разбавленную, гравитационно несвязанную смесь электронов, позитронов, нейтрино и фотонов с очень большой длиной волны. Согласно этому ответу на аналогичный вопрос, расстояние между отдельными частицами будет больше, чем текущий размер наблюдаемой Вселенной. Вселенная будет фактически холодной, темной и почти исключительно состоящей из темной энергии.

Неатмосферная материя

Но это просто обычное дело. Другие вклады в плотность материи вносят темная материя и нейтрино. Нейтрино составляют только вокруг$\lesssim 0.4 \%$плотности Материи-Энергии Вселенной, но пока они колеблются между своими ароматами, они, похоже, не распадаются на какие-либо другие формы материи, поэтому они все еще должны быть рядом, когда все черные дыры испарятся. Что касается темной материи, мы не знаем, как она работает, поэтому есть некоторая неопределенность. Наиболее популярная модель — это своего рода вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы), которые являются своими собственными античастицами и, таким образом, могут аннигилировать, если им случится столкнуться, что, очевидно, будет происходить очень и очень редко, поскольку мы не измеряем какую-либо значительную темную материю. свечение с нашими текущими инструментами. Было высказано предположение (см. документ, предложенный @BenCrowell выше), что могут существовать механизмы, в которых белые карлики и нейтронные звезды служат своего рода катализатором захвата и уничтожения темной материи. подобно тому, как пылинки могут стать катализаторами образования молекул в МЗС. Но поскольку столкновение и, следовательно, скорость распада DM чрезвычайно низки (если он вообще может самоаннигилировать), и учитывая, что катализаторы NS и WD были бы лишь преходящим явлением между всем, что разрывается на части, я думаю, что безопасно предположить, что темная материя все еще будет доминировать в плотности материи Вселенной в течение очень долгого времени.

Вакуум/темная энергия$\rightarrow$новая инфляция?

Некоторые люди (включая Андрея Линде, Макса Тегмарка и Алана Гута) предположили, что области в этом вакууме/Вселенной Темной Энергии могут в конечном итоге изменить уравнения состояния для Темной Энергии или вакуума (если это не одно и то же) и вызвать его распад. в инфляционное поле, вызывая рождение новых «пузырьковых вселенных» в этой огромной, пустой Вселенной. На самом деле, согласно гипотезе вечной инфляции , это уже происходит все время в огромной, заполненной вакуумом Вселенной (или фактически Мультивселенной II Уровня ), и то, что мы воспринимаем как «Вселенную», является лишь одной такой» «инфляционный пузырь» из бесчисленного, если не бесконечного множества, который со временем сгладится и станет единым целым с вакуумом, из которого он возник,