Niets is eeuwig. En ons universum zal natuurlijk ook sterven. Het gerucht gaat dat het eeuwige expansie zal zijn en uiteindelijk de dood door entropie. Het universum breidt zich uit en entropie groeit en zal blijven groeien totdat alles wat we dierbaar zijn, sterft. Maar dit is sentiment, en we zijn menselijke wetenschappers, dus we vragen ons af hoe het einde van het universum eruit zal zien? Waar gaat het bij? Nee, nou ja, nieuwsgierig.
Er zullen geen sterren meer aan de nachtelijke hemel zijn
Over 150 miljard jaar zal de nachtelijke hemel op aarde er heel anders uitzien. Terwijl het heelal streeft naar zijn thermische dood, breidt de ruimte zich sneller uit dan de lichtsnelheid. We weten dat de lichtsnelheid de starre snelheidsbegrenzer is voor alle objecten in het universum. Maar dit is alleen van toepassing op objecten die zich in de ruimte bevinden, niet op het weefsel van ruimte-tijd zelf. Het is moeilijk om er meteen achter te komen, maar het weefsel van de ruimtetijd breidt zich al sneller uit dan de snelheid van het licht. En dat zal in de toekomst vreemde gevolgen hebben.
Omdat de ruimte zelf sneller uitdijt dan het licht, is er een kosmologische horizon. Elk object dat deze horizon overschrijdt, vereist dat we in staat zijn om gegevens erover te observeren en vast te leggen met behulp van deeltjes die sneller dan licht reizen. Maar er zijn geen dergelijke deeltjes. Zodra objecten de kosmologische horizon verlaten, worden ze voor ons ontoegankelijk. Elke poging om contact te maken met of interactie te hebben met verre sterrenstelsels voorbij deze horizon, vereist technologie van ons die sneller kan bewegen dan de uitbreiding van de ruimte zelf. Tot dusverre bevinden slechts enkele objecten zich buiten onze kosmologische horizon. Maar als donkere energie de expansie versnelt, zal alles uiteindelijk buiten het bereik van onze ogen zijn.
Wat betekent dit voor de aarde? Stel je voor dat je over 150 miljard jaar naar de nachtelijke hemel kijkt. Het enige dat zal worden gezien, zijn een paar sterren die binnen de kosmologische horizon blijven. Uiteindelijk zullen ze ook vertrekken. De nachtelijke hemel zal helemaal helder zijn, net als de tabula rasa. Astronomen van de toekomst zullen niet kunnen bewijzen dat er een ander object in het universum is. Alle sterren en sterrenstelsels die we nu zien, zullen verdwijnen. Voor ons blijft alleen het zonnestelsel in het hele universum. Toegegeven, de aarde zal dit waarschijnlijk niet waarmaken, maar daarover hieronder meer.
Promotie video:
Het leven na de dood van de zon zal niet verdwijnen
Iedereen weet dat sterren niet eeuwig duren. Hun levensduur begint met hun vorming, gaat door gedurende de fase van de hoofdreeks (die het grootste deel van het leven van de ster vertegenwoordigt) en eindigt met de dood van de ster. In de meeste gevallen zwellen sterren op tot een paar honderd keer hun normale grootte, waardoor de hoofdreeksfase wordt beëindigd en daarmee alle planeten die dicht bij hen komen opslokken.
Voor planeten die op grote afstanden in een baan om de ster draaien (buiten de "ijskoude lijn" van het systeem), kunnen deze nieuwe omstandigheden in feite warm genoeg worden om leven te ondersteunen. Volgens een recente studie van het Carl Sagan Instituut aan de Cornell University kan deze situatie in sommige stellaire systemen miljarden jaren aanhouden en leiden tot de opkomst van volledig nieuwe vormen van buitenaards leven.
Over ongeveer 5,4 miljard jaar zal onze zon de hoofdreeksfase verlaten. Nadat de waterstofbrandstof in de kern is opgebruikt, zal de as van inert helium die zich daar zal verzamelen onstabiel worden en instorten onder invloed van hun eigen gewicht. Dit zal ertoe leiden dat de kern opwarmt en dichter wordt, wat op zijn beurt zal leiden tot een toename van de grootte van de zon - de ster zal de fase van de "tak van rode reuzen" ingaan.
Deze periode begint wanneer onze zon een onderreus wordt en in ongeveer anderhalf miljard jaar langzaam in omvang zal verdubbelen. Het zal de komende een half miljard jaar sneller groeien, totdat het 200 keer zo groot is als zijn huidige grootte en duizenden keren helderder. Dan wordt het officieel een rode reus en zal de diameter ongeveer 2 AU bedragen. e. - De zon zal voorbij de huidige baan van Mars gaan.
Het is duidelijk dat de aarde de verschijning van een rode reus in het zonnestelsel, zoals Mercurius, Venus of Mars, niet zal overleven. Maar buiten de vrieslijn, waar het koud genoeg is om vluchtige stoffen - water, ammoniak, methaan, kooldioxide en koolmonoxide - bevroren te laten blijven, zullen gasreuzen, ijsreuzen en dwergplaneten zijn. En een totale dooi zal beginnen.
Kortom, wanneer een ster zich uitbreidt, zal zijn "bewoonbare zone" hetzelfde doen en de banen van Jupiter en Saturnus overspannen. Wanneer dit gebeurt, kan een voorheen onbewoonde plaats - zoals de manen van Jupiter en Saturnus - plotseling een woonplaats worden. Hetzelfde geldt voor veel andere sterren in het universum, die voorbestemd zijn om rode reuzen te worden naarmate ze ouder worden en sterven.
Wanneer onze zon de rode fase van de gigantische tak bereikt, zal hij slechts 120 miljoen jaar actief leven hebben. Deze tijd is niet genoeg om nieuwe levensvormen te laten verschijnen en ontwikkelen, die echt complex kunnen worden (zoals mensen en andere zoogdiersoorten). Maar volgens een studie die onlangs in The Astrophysical Journal is gepubliceerd, kunnen sommige planeten in de buurt van andere rode reuzen in ons universum veel langer bewoond blijven - in sommige gevallen tot negen miljard jaar of langer.
Om te begrijpen dat negen miljard jaar twee keer zo oud is als de huidige leeftijd van de aarde. Ervan uitgaande dat de werelden die voor ons van belang zijn de juiste samenstelling van elementen hebben, zullen ze voldoende tijd hebben om nieuwe complexe levensvormen te doen ontstaan. De hoofdauteur van de studie, professor Lisa Kaltenneger, is ook de directeur van het Carl Sagan Institute. Ze weet uit de eerste hand hoe ze naar leven in het heelal moet zoeken:
“Naarmate een ster ouder en helderder wordt, beweegt de bewoonbare zone zich naar buiten en zie je in wezen een tweede leven voor het planetaire systeem. Momenteel zijn objecten in de buitenste regionen bevroren in ons zonnestelsel, zoals Europa en Enceladus, de manen van Jupiter en Saturnus. Nadat onze gele zon voldoende is uitgezet om een rode reus te worden en de aarde in een verschroeide woestijn verandert, zullen er nog steeds gebieden in ons zonnestelsel zijn - en ook in andere systemen - waar het leven zou kunnen gedijen."
Als een ster uitzet, verliest hij massa en duwt hij hem naar buiten in de vorm van de zonnewind. Planeten die dicht bij een ster draaien of een lage zwaartekracht hebben, kunnen hun atmosfeer verliezen. Aan de andere kant kunnen planeten met voldoende massa (of op veilige afstand gelegen) deze atmosfeer behouden. In de context van ons zonnestelsel betekent dit dat werelden als Europa en Enceladus (die misschien al leven onder ijsschelpen hebben) over een paar miljard jaar een paradijs voor het leven kunnen worden.
Onze zon zal een zwarte dwerg worden
Op dit moment heeft ons universum veel verschillende soorten sterren. Rode dwergen - koele sterren die rood licht uitstralen - behoren tot de meest voorkomende. Er zijn ook veel witte dwergen in het universum. Dit zijn de stellaire overblijfselen van dode sterren, bestaande uit gedegenereerde materie die bij elkaar wordt gehouden door kwantumeffecten. Momenteel geloven astronomen dat witte dwergen een bijna oneindige levensduur hebben. Maar na een bepaalde tijd zullen zelfs zij sterven en exotische sterren worden: zwarte dwergen.
Zo'n lot wacht ook onze zon. In de verre toekomst zal onze zon zijn buitenste lagen uitstoten en veranderen in een witte dwergster die miljarden jaren zal blijven bestaan. Maar op een dag zullen zelfs witte dwergen beginnen af te koelen. Na 10 (tot de macht van 100) jaar zullen ze afkoelen tot een temperatuur gelijk aan de temperatuur van de microgolfachtergrondstraling, enkele graden boven het absolute nulpunt.
Wanneer dit gebeurt, wordt onze ster een zwarte dwerg. Omdat dit type ster zo koud is, is het onzichtbaar voor het menselijk oog. Voor iedereen die de zon probeert te vinden die ons leven heeft geschonken, zal het onmogelijk zijn om dit te doen met optische systemen. Hij zal ernaar moeten zoeken door zwaartekrachtseffecten. De meeste sterren die we aan de nachtelijke hemel zien, worden zwarte dwergen (nog een reden waarom de nachtelijke hemel helder wordt). Maar voor onze warme zon is het vooral beledigend.
Vreemde sterren
Tegen de tijd dat onze zon een zwarte dwerg wordt, is de evolutie van de sterren al voltooid. Nieuwe sterren zullen niet worden geboren. In plaats daarvan zal het universum worden overspoeld met koude sterresten. En hierdoor kan het heelal vreemde sterren gaan creëren die aanzienlijk verschillen van wat we weten.
Een daarvan is een ijzige of koude ster. Wanneer sterren in het universum hun nucleaire brandstof verbranden, vergroten ze hun metaalgehalte. In de astronomie is het een maat voor de elementen in een ster die zwaarder zijn dan helium - vrijwel alle elementen, te beginnen met lithium. Naarmate de metalliciteit van een ster toeneemt, worden ze kouder naarmate de zwaardere elementen minder energie vrijgeven tijdens fusie. Ten slotte worden de sterren zo koud dat ze een temperatuur krijgen van 0 graden, het vriespunt van water.
Als we verder in de toekomst kijken, zal er een nog vreemdere ster zijn. Over ongeveer 10 (tot de kracht van 1500) jaar in de toekomst, zal entropie zijn tol eisen en zal het universum in wezen dood zijn. In deze koude tijden zullen kwantumeffecten het universum beheersen.
Met kwantumtunneling kunnen lichte elementen worden gesynthetiseerd tot een onstabiele vorm van ijzer. Het zal op zijn beurt vervallen tot een stabielere isotoop en een zwakke hoeveelheid energie uitstoten. Deze ijzeren sterren zullen op dit moment de enige stervorm zijn die mogelijk is. Maar ze worden alleen gevonden in modellen waarin astronomen niet in protonverval geloven, dus dit idee is niet het meest populair.
Alle nucleonen zullen vervallen
Laten we terugspoelen van een punt van 10 (tot de macht van 15) jaar na de oerknal naar een punt van 10 (tot de macht van 34) jaar. Als het menselijk ras tegen die tijd niet dood is, zullen we dit tijdperk zeker niet overleven. Zoals hierboven vermeld, discussiëren astronomen constant over de vraag of het proton tegen het einde der tijden zal vervallen. Laten we ja zeggen.
Nucleonen zijn deeltjes in de kern van een atoom, protonen en neutronen. Van vrije neutronen is bekend dat ze vervallen met een halfwaardetijd van 10 minuten. Maar protonen zijn ongelooflijk stabiel. Niemand heeft uit de eerste hand het verval van een proton gezien. Maar tegen het einde van het universum zal alles veranderen.
Natuurkundigen gaan ervan uit dat de halfwaardetijd van een proton 10 (tot de macht van 37) jaar is. We hebben dit verval niet gezien omdat het universum nog niet oud genoeg is. In het vervalperiode (10 (tot de macht van 34) - 10 (tot de macht van 40) jaar), zullen de protonen eindelijk beginnen te vervallen tot positronen en pionen. Tegen het einde van het vervalperiode zullen alle protonen en neutronen in het heelal op zijn.
Het is duidelijk dat het leven in het heelal problemen zal krijgen. Als we aannemen dat het menselijk ras de verandering van de zon heeft overleefd en naar vriendelijkere delen van het universum is gemigreerd, zullen op een bepaald punt de wetten van de fysica de dood van het menselijk ras gaan dicteren. Ons lichaam en alle interstellaire objecten zijn gemaakt van nucleonen. Wanneer ze uiteenvallen, zal elk leven eindigen, aangezien de atomen zelf ophouden te bestaan. Het leven zal onder dergelijke omstandigheden (en in een dergelijke vorm) niet kunnen blijven bestaan en het universum zal in het tijdperk van zwarte gaten storten.
Zwarte gaten zullen het universum overspoelen
Wanneer de nucleonen verdwijnen, zullen zwarte gaten de wet worden en het universum regeren van 10 (tot de kracht van 40) jaar na de oerknal tot 10 (tot de kracht van 100) jaar. Vanaf dit moment beginnen we zo lang over tijden te praten dat het volkomen onmogelijk is om ze met onze geest te begrijpen. Na een veel langere tijd dan de huidige leeftijd van het heelal, zullen zwarte gaten de enige structuren blijven.
Als de nucleonen verdwenen zijn, zijn de belangrijkste subatomaire deeltjes leptonen - elektronen en positronen. Ze zullen zwarte gaten van brandstof voorzien. Door de restanten van materie in het heelal te absorberen, zullen zwarte gaten zelf deeltjes uitzenden die het heelal zullen vullen met fotonen en hypothetische gravitonen. Maar zwarte gaten zijn voorbestemd om te sterven, zoals Stephen Hawking besloot.
Volgens Hawking verdampen zwarte gaten door hun straling. Als ze uitstralen, verliezen ze massa in de vorm van energie. Dit proces duurt lang, dus we weten er praktisch niets van. Het duurt 10 (tot de macht van 60) jaar voordat een zwart gat volledig is verdampt, dus dit proces is nog niet tot het einde van een eeuw van ons universum doorgegaan. Maar, zoals we al zeiden, uiteindelijk zullen ook zwarte gaten afsterven. Alleen massaloze deeltjes en een paar verspreide leptonen zullen van hen overblijven, die lui met elkaar in wisselwerking treden en hun energie verliezen.
Er verschijnt een atoom van een nieuw type
Met nog maar een paar subatomaire deeltjes van ons universum, lijkt het misschien alsof er niets meer is om over te praten. Maar zelfs in deze ergste wereld kan leven verschijnen.
Deeltjesonderzoekers hebben het jarenlang gehad over positronium, de atoomachtige binding tussen een positron en een elektron. Deze twee deeltjes hebben tegengestelde ladingen. (Het positron is het antideeltje van het elektron). Daarom zullen ze elektromagnetisch worden aangetrokken. Wanneer een paar van dergelijke deeltjes begint te interageren, kunnen ze rudimentaire banen en atomair gedrag hebben.
Aangezien positronium zeldzaam zal zijn, kan dit model van positronium "chemie" niet compleet worden genoemd. Maar er kunnen zeer merkwaardige dingen uit deze vreemde "atomen" komen. Ten eerste kunnen ze bestaan in gigantische banen die de interstellaire ruimte bestrijken. Zolang twee deeltjes op elkaar inwerken, kunnen ze een paar behouden, ongeacht de afstand.
Tijdens het tijdperk van zwarte gaten zullen sommige van deze "atomen" diameters hebben die grotere afstanden overspannen dan ons huidige waarneembare universum. Positroniumatomen die zijn samengesteld uit leptonen, zullen het verval van een proton overleven en door het tijdperk van zwarte gaten gaan. Bovendien zullen zwarte gaten positroniumatomen creëren tijdens het bestralingsproces. Na een bepaalde tijd zullen ook de positron-elektronenparen vervallen. Maar daarvoor kan het universum een volkomen onbeschrijfelijk leven baren.
Alles zal vertragen, zelfs de gedachte zelf
Wanneer het tijdperk van zwarte gaten ten einde loopt en zelfs deze sterrenreuzen in duisternis verdwijnen, zullen er maar een paar dingen in ons universum overblijven, voornamelijk diffuse subatomaire deeltjes en de resterende atomen van positronium. Daarna zal alles in het universum extreem langzaam gebeuren, elke gebeurtenis kan eonen duren. Volgens sommige theoretische natuurkundigen, zoals Freeman Dyson, zou het leven op dit moment weer in het universum kunnen verschijnen.
Na een lange, lange tijd kan organische evolutie zich vanuit positronium beginnen te ontwikkelen. De wezens die zullen verschijnen, zullen heel anders zijn dan alles wat we weten. Ze kunnen bijvoorbeeld enorm zijn en interstellaire afstanden overspannen. Omdat er niets anders meer in het universum is, zullen ze hebben waar ze zich kunnen omdraaien. Maar aangezien deze levensvormen enorm zullen zijn, zullen ze veel langzamer denken dan wij. In feite kan het triljoenen jaren duren voordat zo'n wezen ook maar één gedachte heeft gecreëerd.
Het lijkt misschien vreemd voor ons, maar aangezien deze wezens met grote tijdsintervallen zullen bestaan, zal zo'n gedachte onmiddellijk voor hen zijn. Ze zullen ongelooflijk lang bestaan, kijkend naar het universum dat langs hen vliegt. Maar ze zullen in de vergetelheid raken.
Het einde van "macrofysica"
Tegen die tijd zal het universum bijna de maximale staat van entropie bereiken, dat wil zeggen, het zal een homogeen energieveld worden en verschillende subatomaire deeltjes. Dit zal zijn na het tijdperk van zwarte gaten, veel later na 10 (tot de macht van 100) jaar. De ruimte zal zoveel uitbreiden en donkere energie zal zo krachtig worden dat zelfs zwarte gaten ophouden te bestaan en het universum enorme objecten zal verliezen.
Zo'n universum is moeilijk voor te stellen. Denk er maar eens over na: sterren zullen zich niet meer vormen omdat de subatomaire deeltjes waaruit materie bestaat, op zodanige afstand van elkaar zullen worden gescheiden dat ze elkaar op geen enkele manier kunnen ontmoeten en reizen met de snelheid van het licht. Zelfs positroniumatomen kunnen niet verschijnen.
De natuurkunde zal eindigen. Het enige fysieke model dat zal blijven werken, is de kwantummechanica. Kwantumeffecten zullen zelfs op grote interstellaire afstanden optreden, in een gigantisch tijdsbestek. Uiteindelijk zal de temperatuur van het heelal dalen tot het absolute nulpunt: er zal geen energie meer over zijn om in werk te veranderen. In sommige modellen zal de uitbreiding van de ruimte toenemen, waardoor de ruimtetijd uit elkaar wordt getrokken. Het universum zal ophouden te bestaan.
Is het mogelijk om hieraan te ontsnappen?
Tot dusverre ging onze reis naar het einde van het universum alleen gepaard met duistere en deprimerende gebeurtenissen. Maar natuurkundigen verliezen hun optimisme niet en schetsen mogelijke manieren waarop de mensheid de eindtijd kan overleven en zelfs ons universum opnieuw kan opstarten.
De meest veelbelovende manier om met maximale entropie aan ons universum te ontsnappen, is door zwarte gaten te gebruiken totdat het verval van fotonen het leven onmogelijk maakt. Zwarte gaten blijven zeer mysterieuze objecten, maar theoretici stellen voor om ze te gebruiken om nieuwe universums binnen te gaan.
De moderne theorie suggereert dat bellen-universums constant in ons eigen universum worden geboren en nieuwe universums vormen met materie en de mogelijkheid van leven. Hawking gelooft dat zwarte gaten de toegangspoorten tot deze nieuwe universums kunnen zijn. Maar er is een probleem. Als je eenmaal de grens van het zwarte gat bent gepasseerd, is er geen weg meer terug. Daarom, als de mensheid besluit om naar een zwart gat te gaan, zal het een enkele reis zijn.
Eerst moet je een draaiend zwart gat vinden dat groot genoeg is om de reis langs de waarnemingshorizon te overleven. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn enorme zwarte gaten veiliger om doorheen te reizen. Ruimtereizigers van de toekomst hopen misschien dat de reis niet slecht zal aflopen, maar ze zullen geen contact kunnen opnemen met hun vrienden aan deze kant van het zwarte gat en hen over het resultaat kunnen informeren. Elke rit zal een sprong in het diepe zijn.
Maar er is een manier om ervoor te zorgen dat er aan de andere kant een nieuw universum op ons wacht. Volgens Alan Guth heeft het pasgeboren universum slechts 10 (tot de kracht van 89) protonen, 10 (tot de kracht van 89) elektronen, 10 (tot de kracht van 89) positronen, 10 (tot de kracht van 89) neutrino's, 10 (tot de kracht van 89) antineutrino's, 10 nodig (tot de macht van 79) protonen en 10 (tot de macht van 79) neutronen voor de start. Het lijkt misschien veel, maar in totaal is het niet meer dan een baksteen.
De mensen van de toekomst zouden een vals vacuüm kunnen genereren - een gebied in de ruimte met het potentieel voor uitbreiding - met behulp van een supersterk zwaartekrachtveld. In de verre toekomst hadden mensen de technologie kunnen verwerven om een vals vacuüm te creëren en hun eigen universum te beginnen. Aangezien de aanvankelijke inflatie van het universum een fractie van een seconde duurt, zal het nieuwe universum onmiddellijk uitbreiden en een nieuw thuis voor mensen worden. Een snelle sprong door het wormgat en we zijn gered.
Willekeurige kwantumtunneling zou het universum kunnen herstarten
Wat gebeurt er met het universum dat we hebben achtergelaten? Na een tijdje zal het eindelijk zijn maximale entropie bereiken en volledig onbewoonbaar worden. Maar zelfs in dit dode universum krijgt het leven een kans. Onderzoekers in de kwantummechanica zijn zich bewust van het effect van kwantumtunneling. Dit is wanneer een subatomair deeltje een energietoestand kan binnengaan die klassiek onmogelijk is.
In de klassieke mechanica kan de bal bijvoorbeeld niet spontaan een heuvel oppakken en oprollen. Dit is een verboden energietoestand. Elementaire deeltjes hebben ook verboden energietoestanden vanuit het oogpunt van de klassieke mechanica, maar de kwantummechanica zet alles op zijn kop. Sommige deeltjes kunnen in deze energietoestanden "tunnelen".
Dit proces vindt al plaats in de sterren. Maar wanneer toegepast op het einde van het universum, doet zich een vreemde mogelijkheid voor. Deeltjes in de klassieke statistische mechanica kunnen niet van een hogere entropie naar een lagere. Maar met kwantumtunneling kunnen en zullen ze. Natuurkundigen Sean Carroll en Jennifer Chen stelden het idee voor dat kwantumtunneling na een bepaalde tijd de entropie in een dood universum spontaan zou kunnen verminderen, tot een nieuwe oerknal zou kunnen leiden en het universum opnieuw zou kunnen starten. Maar hou je adem niet in. Om een spontane afname van entropie te laten plaatsvinden, moet je 10 (tot de macht 10) ^ (tot de macht 10) ^ (tot de macht van 56) jaar wachten.
Er is nog een theorie die ons hoop geeft op een nieuw universum - dit keer van wiskundigen. In 1890 publiceerde Henri Poincaré zijn herhalingstheorema, volgens welke, na een ongelooflijk lange tijd, alle systemen terugkeren naar een staat die zeer dicht bij hun oorspronkelijke staat ligt. Dit geldt ook voor de thermodynamica, waarbij willekeurige thermische fluctuaties in een heelal met hoge entropie ervoor kunnen zorgen dat deze terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, waarna alles opnieuw begint. De tijd zal verstrijken en het universum kan zich weer vormen, en de wezens die erin zullen leven, zullen niet het minste idee hebben dat ze in ons universum leven.
ILYA KHEL
