Koniec Wszechświata – kiedy nastąpi i jak będzie wyglądał?

Czy kiedykolwiek zastanawialiście się nad tym, jak skończy się nasz Wszechświat? Choć perspektywa końca wszechrzeczy jest trudna do ogarnięcia, najnowsze badania dają pewne wskazówki kiedy może nastąpić ten kres i jak może on wyglądać. Spokojnie – mamy jeszcze mnóstwo czasu, by cieszyć się kosmosem (i dokonać w nim wielkich rzeczy), zanim zapadnie kosmiczna ciemność. Niemniej już dziś, z pokorą i ciekawością, możemy zajrzeć w tę odległą przyszłość.

Kiedy nastąpi koniec Wszechświata?

Przez długi czas sądzono, że jeśli Wszechświat będzie się wiecznie rozszerzał, to nigdy nie doczekamy jego absolutnego końca – co najwyżej „Wielkiego Zamrożenia”, czyli stanu, gdy wszystko ostygnie i zgaśnie. Jednak słynny fizyk Stephen Hawking już w latach 70. zasugerował, że nawet najtrwalsze obiekty we Wszechświecie – czarne dziury – kiedyś przestaną istnieć, choć nastąpi to w niemal niewyobrażalnie odległej przyszłości.

A co z innymi kosmicznymi „nieśmiertelnymi”? Białe karły (czyli wypalone resztki małych gwiazd, takich jak nasze Słońce) oraz gwiazdy neutronowe (zapadłe jądra masywnych gwiazd) uchodziły dotąd za wieczne. Okazuje się jednak, że i one mogą powoli znikać na podobnej zasadzie co czarne dziury. W 2023 roku zespół naukowców z Uniwersytetu Radbouda w Nijmegen (Holandia) wykazał, że silna grawitacja tych obiektów również może generować procesy prowadzące do ich bardzo powolnego „parowania”.

Co to oznacza? Że gwiazdy we Wszechświecie nie tylko nie będą świecić wiecznie, lecz nawet ich kosmiczne truchła w końcu również wyparują. Badacze z Holandii, kierowani przez prof. Heino Falcke, obliczyli maksymalny teoretyczny czas życia takich ostatnich pozostałości po gwiazdach. Wynik robi wrażenie: około 10^78 lat. To jedynka z 78 zerami! Dla porównania, wcześniejsze szacunki (nie uwzględniające tego efektu „parowania” innych obiektów) sugerowały niewyobrażalnie większą liczbę – jedynkę z 1100 zerami (czyli 10^1100 lat). Nowe obliczenia przewidują więc, że ostateczny koniec Wszechświata nastąpi znacznie szybciej, niż myślano, choć w ludzkich kategoriach wciąż jest to kosmicznie długi czas.

Dla lepszego wyobrażenia sobie tych skal czasowych, poniżej zestawiamy kilka kamieni milowych na drodze ku końcowi kosmosu:

1. 5 miliardów lat – mniej więcej za tyle nasza gwiazda, Słońce, spuchnie do rozmiarów czerwonego olbrzyma i pochłonie Ziemię, a następnie odrzuci zewnętrzne warstwy i zamieni się w białego karła. Nasz Układ Słoneczny przestanie być przyjaznym miejscem na długo przed końcem całego Wszechświata.
2. 150–200 miliardów lat – ekspansja Wszechświata sprawi, że odległe galaktyki uciekną od Drogi Mlecznej tak daleko, iż staną się niewidoczne.
3. 17 bilionów lat (1,7 × 10^13) – tyle przetrwają najdłużej żyjące gwiazdy. Następnie Wszechświat pogrąży się w mroku, bo nowe gwiazdy już nie powstaną. Zostaną tylko zimne, martwe obiekty: białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne dziury.
4. 10^34–10^35 lat – to ostateczna granica „żywotności” materii, z której zbudowany jest Wszechświat. Protony (składniki jąder atomowych) będą się spontanicznie rozpadać, pozostawiając po sobie tylko promieniowanie. (Naukowcy wciąż nie zaobserwowali rozpadu protonu – ustalili jedynie, że jeżeli zachodzi, to jego czas połowicznego rozpadu musi przekraczać 10^34 lat).
5. 10^68–10^78 lat – w tym przedziale, według nowej teorii, wyparują ostatnie „martwe gwiazdy”. Gwiazdy neutronowe mogą potrzebować ok. 10^68 lat, a białe karły do ok. 10^78 lat, by całkowicie zniknąć wskutek powolnego parowania grawitacyjnego.
6. 10^96 lat – nawet najpotężniejsze czarne dziury zakończą żywot. Szacuje się, że supermasywne czarne dziury (takie jak w centrach galaktyk) mogą istnieć do około 10^96 lat, nim ostatecznie wyparują wypromieniowując całą swą energię.
7. Po 10^100 lat i dalej – nastaje epoka ciemności. W kosmosie nie ma już gwiazd ani czarnych dziur, tylko rozrzedzone promieniowanie i pojedyncze cząstki przemierzające pustkę. Wszechświat, jaki znamy, dobiegł kresu – pozostało zimne, rzadkie „echo” dawnych galaktyk.

Patrząc na powyższe liczby, można poczuć zawrót głowy. Trudno objąć wyobraźnią nawet ułamek z tych 10^78 lat, nie mówiąc o jeszcze większych przedziałach. Warto uświadomić sobie, że od Wielkiego Wybuchu minęło „zaledwie” ok. 13,8 miliarda lat – czyli 13,8 × 10^9 lat. Na skali przewidywanego czasu swego istnienia, nasz Wszechświat nie wyszedł jeszcze z pieluch. Mamy zatem przed sobą bezmiar czasu, w którym być może inteligentne życie (o ile takowe kiedyś powstanie w naszym Wszechświecie ;-P), zdoła dokonać rzeczy, o jakich nam się nie śniło.

Jak może wyglądać koniec Wszechświata?

Trudno w tym miejscu nie zadać wielce zasadnego pytania – jak ów koniec będzie wyglądał? Czy będzie to gwałtowne zdarzenie, czy raczej cichy proces? Astrofizycy rozważają różne scenariusze losów Wszechświata. Klasyczne koncepcje to m.in.:

• Wielki Crunch (Wielki Kolaps) – grawitacja zwycięża i ekspansja się odwraca. Wszechświat w dalekiej przyszłości przestaje się rozszerzać, po czym zaczyna zapadać w sobie, by ostatecznie skończyć w jednym punkcie (odwrotność Wielkiego Wybuchu). Obecnie ten scenariusz wydaje się mało prawdopodobny, bo obserwacje wskazują, że ekspansja nie zwalnia, lecz przyspiesza.
• Wielkie Rozdarcie (Big Rip) – ekspansja tak bardzo przyśpiesza, że z czasem rozrywa absolutnie wszystko. Galaktyki rozpadają się, następnie układy planetarne, gwiazdy, planety, aż w końcu (teoretycznie) nawet atomy i cząstki elementarne ulegają rozerwaniu, gdy przestrzeń między nimi rozszerza się z nieskończoną prędkością. Ten dramatyczny koniec nastąpi, jeżeli tajemnicza siła (ciemna energia) napędzająca rozszerzanie wszechświata będzie wciąż nabierać mocy.
• Wielkie (Wieczne) Zamrożenie – Wszechświat rozszerza się wiecznie, ale nie aż tak gwałtownie jak przy Wielkim Rozdarciu. Raczej powoli dąży do zimnej nicości. Galaktyki oddalają się od siebie, gwiazdy stopniowo gasną, czarne dziury po eonach wyparowują, a temperatura zbliża się do zera absolutnego. Nie ma jednego momentu końca – po prostu nastaje coraz bardziej martwa i chłodna pustka. Ten scenariusz nazywany jest też Epoką Wiecznej Ciemności.

Współczesna kosmologia ciągle ewoluuje, dając początek nowym, zaskakującym hipotezom. Jedna z nich proponuje coś w rodzaju „cichej wersji” Wielkiego Zamrożenia – nazwano to obrazowo „długim zamarznięciem” Wszechświata. Skąd taki pomysł?

Przełom nastąpił w latach 90., gdy astronomowie odkryli ze zdziwieniem, że ekspansja kosmosu przyspiesza, zamiast zwalniać. Żeby to wyjaśnić, wprowadzono koncepcję niewidzialnej siły przeciwnej do grawitacji – nazwano ją ciemną energią. Najprostsze wyjaśnienie tego zjawiska to tzw. stała kosmologiczna (wprowadzona niegdyś przez Einsteina), czyli stała wartość energii próżni, która popycha przestrzeń do rozszerzania się. Po dodaniu jej do równania i dorzuceniu składnika w postaci zimnej ciemnej materii, powstał tzw. model ΛCDM – obecnie standardowy model kosmologiczny opisujący budowę i ewolucję Wszechświata. Model ΛCDM zakłada, że ciemna energia (utożsamiana ze stałą kosmologiczną Λ) stanowi ok. 70% całej energii Wszechświata, a ciemna materia (niewidzialna materia stanowiąca rusztowanie grawitacyjne galaktyk) to ok. 25%. Pozostałe kilka procent to normalna materia, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my.

Czym jest ciemna energia?

To tajemnicza forma energii wypełniająca przestrzeń kosmiczną, odpowiedzialna za przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Choć stanowi około 70% energii Wszechświata, jej natura nie jest znana – wiemy o niej tylko tyle, że zachowuje się jak ujemna grawitacja, rozpychając przestrzeń coraz szybciej.

Model ΛCDM całkiem nieźle radzi sobie z opisem kosmosu, lecz w ostatnich latach pojawiły się drobne „pęknięcia” w tym obrazie. Przykładem jest tzw. napięcie Hubble’a – różnica między mierzonymi wartościami tempa ekspansji Wszechświata w pobliskim i dalekim (wczesnym) kosmosie. Takie nieścisłości sprawiają, że naukowcy zaczynają zastanawiać się, czy ciemna energia na pewno jest stała i czy nie kryje się za nią głębsza teoria. Jedna z bardziej niezwykłych propozycji sugeruje, że nasz Wszechświat działa na zasadzie… hologramu.

Holograficzna ciemna energia i „długie zamarznięcie”

Idea holograficznej ciemnej energii brzmi jak rodem z fantastyki naukowej, ale ma podstawy w poważnej fizyce teoretycznej. Wywodzi się z tzw. zasady holograficznej. Zasada ta sugeruje, że wszystko, co znajduje się w pewnej objętości przestrzeni, można opisać za pomocą informacji na powierzchni otaczającej tę objętość – tak jak trójwymiarowy obraz może być zapisany na dwuwymiarowej kliszy. Innymi słowy, nasza rzeczywistość 3D może być czymś w rodzaju projekcji 2D opartej na informacjach kwantowych.

Koncepcja holograficzna zastosowana do ciemnej energii zakłada, że to, co postrzegamy jako przestrzeń, czas, grawitację i energię, może wynikać z procesów zachodzących na odległej powierzchni granicznej Wszechświata. Zgodnie z tą teorią, ciemna energia nie bierze się znikąd – może być skutkiem tego, że przestrzeń nie może zawierać dowolnej ilości informacji. Tak jak istnieje limit bagażu w samolocie, tak i Wszechświat ma swoje ograniczenia – i te ograniczenia mogą wpływać na to, jak się rozszerza. Co to zmienia? Otóż w modelu holograficznej ciemnej energii ekspansja Wszechświata nie musi trwać wiecznie.

Niedawno przeprowadzone symulacje dla takiego modelu (autorzy oparli je na rozwiązaniach równań z zasadą holograficzną, pomijając dla prostoty zwykłą materię i ciemną materię) pokazały zaskakujący wynik: ekspansja może z czasem hamować. Początkowo Wszechświat zachowuje się podobnie jak w modelu standardowym – przyspiesza ekspansję. Ale bardzo daleko w przyszłości tempo rozszerzania coraz bardziej zwalnia, aż w końcu zupełnie ustaje! Wszechświat osiąga pewien skończony rozmiar i po prostu przestaje się powiększać. Ten wielki przystanek nazwano właśnie „długim zamarznięciem”.

Czym różni się długie zamarznięcie od zwykłego Wielkiego Zamrożenia? W klasycznym Wielkim Zamrożeniu przestrzeń rozszerza się w nieskończoność, a wszędzie zapada ciemność i chłód, podczas gdy galaktyki oddalają się wciąż dalej. W długim zamarznięciu ekspansja nie trwa wiecznie – zatrzymuje się na pewnym etapie. Nie dojdzie jednak do Wielkiego Kolapsu – Wszechświat po prostu utknie w maksymalnie rozległym, ale skończonym stanie.

Wszystkie gwiazdy i tak w końcu zgasną, a ich materia ulegnie degradacji, nowe się nie narodzą, galaktyki przestaną się od siebie oddalać, lecz odległości między nimi staną się przeogromne i nieprzekraczalne. Czas straci znaczenie, bo nic już nie będzie się działo. Brzmi ponuro, ale przebiega bez fajerwerków – raczej jako ciche wygaśnięcie niż spektakularna katastrofa. Cały proces można porównać do powolnego wygaszania się kosmicznego ogniska, aż pozostanie z niego tylko zimny popiół i wspomnienie dawnego blasku.

Taki spokojny finał to tylko jedna z możliwości. Czy tak się stanie naprawdę? Na razie nie wiemy. Model holograficznej ciemnej energii to wciąż hipoteza, choć atrakcyjna, bo łączy ze sobą dwie wielkie teorie – mechanikę kwantową i ogólną teorię względności – w poszukiwaniu odpowiedzi. Jeszcze ciekawsze jest to, że przyszłe obserwacje mogą zweryfikować te pomysły. Jeśli ciemna energia w rzeczywistości zacznie słabnąć z czasem (co sugerują pewne najnowsze pomiary), mogłoby to oznaczać, że natura faktycznie przygotowuje nam „długie zamarznięcie” zamiast wiecznej ekspansji.

Nowe informacje mogą przynieść planowane projekty naukowe, które w najbliższych latach dokładniej zmierzą tempo rozszerzania się kosmosu (jak np. misje teleskopów kosmologicznych DESI, Euclid i inne). Być może dowiemy się, czy Wszechświat czeka spokojna stagnacja, czy inny, nieznany jeszcze los.

„Timelapse Przyszłości” – podróż na koniec czasu z melodysheep

Jeżeli temat kosmicznej przyszłości budzi Waszą ciekawość, koniecznie obejrzyjcie genialny w swej formie film popularnonaukowy przedstawiający ewolucję Wszechświata aż do jego końca. „TIMELAPSE PRZYSZŁOŚCI: Wyprawa na koniec czasu” (ang. Timelapse of the Future: A Journey to the End of Time) dostępny jest na YouTube – ta 30-minutowa podróż w przyszłość wszechświata jest dziełem Johna D. Boswella, amerykańskiego muzyka i filmowca znanego na YT jako melodysheep.

John D. Boswell to zafascynowany nauką artysta, słynący z łączenia wiedzy naukowej z muzyką i efektowną oprawą wizualną. Na swoim kanale YouTube (mającym ponad 3 miliony subskrybentów) publikuje krótkie filmy popularnonaukowe, które często mają formę muzycznych kolaży. Ich zadaniem jest wzbudzanie fascynacji nauką i kosmosem swą atrakcyjną formą. „Wyprawa na koniec czasu” zdobyła ogromną popularność – po sześciu latach od premiery ma ponad 100 milionów wyświetleń. Film został również nagrodzony Webby Awards za najlepszą produkcję internetową.

„Wiem, że nic nie wiem”

Czy zatem znamy los Wszechświata? Jeszcze nie do końca. Mamy hipotezy, modele i coraz lepsze dane, ale kosmiczna przyszłość wciąż skrywa tajemnice. Być może czeka nas „długie zamarznięcie” w otchłani czasu, a może coś, czego jeszcze nie potrafimy sobie wyobrazić. Jedno jest pewne: w obliczu tak ogromnych czasów i przestrzeni warto zachować pokorę. Możemy jednak z fascynacją snuć te wizje – i cieszyć się, że żyjemy na samym początku tej epickiej historii, mając szansę ją poznawać. Ostatecznie, mamy przed sobą wiele biliardów lat, by dowiedzieć się więcej, zanim zgaśnie ostatnia gwiazda. Więc póki co, spójrzmy w gwiazdy i korzystajmy z kosmicznego spektaklu – do końca świata jeszcze daleka droga…

This is the way the world ends
This is the way the world ends
This is the way the world ends
Not with a bang but a whimper.
– T.S. Eliot

źródła: thebrighterside.news, sciencedaily.com, livescience.com, YouTube: melodysheep