800億年後,神秘能量可能會撕裂宇宙

2020-12-13 火星科普

宇宙學中最重大的發現之一出現在20世紀末,即1998年。當時,通過觀察遙遠的Ia型超新星,天文學家能夠確定宇宙不僅在膨脹,而且在加速。這意味著宇宙中肯定不止物質、輻射和空間曲率。

宇宙中需要有一種新的能量形式導致遙遠的星系加速遠離我們,天文學家將其稱之為「暗能量」。這種神秘的暗能量可能是宇宙常數,它也許會改變宇宙的命運,導致宇宙大撕裂。

大撕裂中的膨脹超過所有其他力,那它可能是我們宇宙的未來嗎?贊成或反對的理由是什麼?如果會發生大撕裂,它將如何展開,會發生什麼?

當我們觀察遙遠的宇宙時,我們發現它充滿了光發射和吸收源。有恆星、星系、類星體、星系群和一個巨大的宇宙結構網;還有塵埃、中性氣體、離子化等離子體、暗物質以及結構之間巨大的宇宙空洞;有各種各樣類型的輻射;有中微子、還有黑洞。

如果把所有這些加起來,它只佔宇宙總能量的三分之一,我們所知的受引力作用的「物質」是宇宙中實際存在的一小部分。通過宇宙的膨脹歷史,天文學家了解到這一點。大約在60億年前,遙遠的星系開始加速遠離我們,也就是說宇宙在加速膨脹。根據我們對它們現在運動的觀察,以及對宇宙微波背景、大規模結構和其他跡象的觀察,我們已經確定宇宙的68%是由暗能量組成。

與物質和輻射不同,這種能量密度似乎不會隨著宇宙空間的膨脹而下降。隨著宇宙體積增加,物質變得越來越稀疏,輻射也會紅移至更長,能量更少的波長,而暗能量是空間本身固有的能量。隨著新空間的產生,暗能量密度保持不變。

從理論上講,這讓我們可以預測宇宙的命運。如果暗能量真的是一種恆定的能量,不隨宇宙膨脹而改變,那麼宇宙就會永遠膨脹下去。哈勃膨脹率將接近於一個恆定的有限值,約為70 km/s/Mpc。隨著遙遠的星系越來越遠,從10 Mpc(Mpc為百萬秒差距,1Mpc等於326萬光年)到100 Mpc到1 Gpc(Gpc為十億秒差距),退行速度將上升到700 km/s,7000 km/s,然後是70000 km/s。

就我們目前的觀察結果來看,宇宙將繼續以這種恆定速度在未來繼續加速膨脹。宇宙的宿命應該會是寒冷、空蕩和孤獨的,只有那些如今已經被引力束縛的天體才會保持一定距離,不會被分開。

這種情況是假設暗能量是一個真正的宇宙常數,假定它在強度和密度上不會增加或減少,不會改變符號,而且不會在空間中變化。我們有合理的證據證明這是事實,主要是通過觀察星系是如何在最大尺度上聚集的。

但是即使有了最好的觀測結果,我們也不能確定暗能量是宇宙常數。它可以隨著時間推移而變化,不超過一定數量上增加或減少。我們量化暗能量可以變化多少的方式是用一個叫做w的參數,如果恰好w=-1,它就是一個宇宙常數。從觀察上看,w=-1.00±0.08左右。我們完全有理由相信它的值是-1。

如果暗能量不是一個常數,那麼它的變化方式有兩種主要的可能性。如果隨著時間推移,w朝正數發展,那麼暗能量就會失去力量,甚至有可能逆轉它的符號。如果是這樣的話,宇宙將停止加速,膨脹速率將降至零。如果它的符號逆轉,宇宙甚至可能會再次坍縮,註定要發生宇宙大收縮。

沒有明確的證據表明會發生上述情況,但是像大口徑全景巡天望遠鏡(LSST)、廣域紅外巡天望遠鏡(WFIRST)和歐幾裡得探測器(EUCLID)這樣的下一代望遠鏡應該能夠測量w至精確度為1%到2%,比我們目前提高很多。這些天文臺在本世紀20年代應該都會開始工作,歐幾裡得探測器計劃首先投入使用,它將於2021年發射。

當然總有一種可能,w隨著時間推移會變得越來越負,在-1以下,並保持在那裡。如果是這樣的話,就會發生一些奇妙的事情,宇宙將經歷一個被稱為大撕裂的命運。

如果暗能量真的是恆定的,那麼,太陽系、銀河系,甚至是我們的本星系群(由銀河系、仙女座、三角座星系、麥哲倫星雲和幾十個小矮星系組成)在數萬億年後的遙遠未來也會在引力的作用下結合在一起。

但是如果暗能量的力量增加了,即如果w<-1,那麼加速率不僅使遙遠的星系遠離我們,還會導致這些大規模的結構隨時間推移而變得不受引力束縛。隨著時間的推移,暗能量將變得越來越強,這將對構成我們今天宇宙所有事物的命運產生可怕的後果。

當暗能量的能量密度增加到現在的十倍時,它就足以阻止銀河系與仙女座星系合併。這個「大撕裂」場景將會把我們的鄰近星系從我們身邊趕走,就像宇宙中所有其他遙遠的星系一樣。同樣消失的還有三角座星系和絕大多數其他的矮星系。但這不是結束,暗能量的力量將繼續增加。

暗能量的能量密度提高到其當前值的100倍,銀河系外圍的恆星將開始從我們的星系中飛離。空間膨脹的度規將能夠克服我們本地所有物質的引力,無論是正常物質還是暗物質。

如果暗能量的強度增加到現在值的200或300倍,我們的太陽就會和那些銀河系外圍恆星一起從銀河系中被分離出來。我們的太陽系將孤獨地穿越星系際空間。

但這不會是大撕裂的終極結局。如果暗能量的能量密度將繼續上升,最終,這將不僅威脅到我們太陽系的存在,還有宇宙中的每一個恆星系統。當暗能量變得足夠強時,包括地球在內的太陽系天體都會脫離太陽的引力束縛。

奧爾特雲將先離開,然後是離散盤和柯伊伯帶,接著是海王星、天王星、土星和木星。小行星帶會緊隨其後,其次是火星。當暗能量密度達到現在值的1000億倍時,地球就會被扔出軌道。

最後,在地球上,終極災難將降臨到任何一個被遺留的人身上。隨著暗能量密度繼續增加到無限量,人類將與地球引力分離,單個細胞、分子、原子和原子核將被分裂。據推測,甚至是時空本身的基本結構最終也會被撕裂。

值得慶幸的是,由於現今暗能量的約束值,w=-1.00±0.08,我們還有時間。如果宇宙最終會以大撕裂結束,那將是800億年後才會降臨到我們身上的終極命運,幾乎是現在宇宙年齡的六倍。星系之間的束縛解脫,是通往大撕裂的第一步,但這最快也要在幾百億年後才會發生。

據我們所知,沒有任何強有力的數據支持暗能量的增加。然而可以肯定的是,無論證據表明什麼,在本世紀20年代,我們將以史無前例的精度測量出暗能量參數,希望地球、太陽、銀河和本星系群都能安然無恙地從這一命運中走出來。雖然不排除大撕裂,但至少在未來很長一段時間內不會發生。

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