Nakon gotovo 13,8 milijardi godina neprekidnog širenja, svemir bi se uskoro mogao zaustaviti, a zatim polako početi skupljati, sugerira novo istraživanje objavljeno u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, piše Live Science.
U novom radu, troje znanstvenika pokušali su modelirati prirodu tamne energije - tajanstvene sile koja se čini da uzrokuje sve brže širenje svemira - na temelju prošlih promatranja kozmičke ekspanzije. U njihovu modelu, tamna energija nije stalna sila prirode, već entitet nazvan kvintesencija, koji se može raspasti tijekom vremena.
Istraživači su otkrili da, iako se širenje svemira ubrzava milijardama godina, odbojna sila tamne energije bi mogla slabiti. Prema njihovu modelu, akceleracija svemira mogla bi brzo završiti u sljedećih 65 milijuna godinam, kada bi se, unutar 100 milijuna godina, svemir mogao potpuno prestati širiti. Umjesto širenja mogao bi ući u eru sporog skupljanja koja će milijardama godina od sada završiti sa smrću — ili možda ponovnim rođenjem — vremena i prostora.
Dogodit će se nevjerojatno brzo?
Sve bi se to moglo dogoditi "nevjerojatno" brzo, rekao je koautor studije Paul Steinhardt, direktor Centra za teorijske znanosti Princeton na Sveučilištu Princeton u New Jerseyju. "Vraćajući se u prošlost 65 milijuna godina, tada je asteroid Chicxulub udario u Zemlju i eliminirao dinosaure", rekao je Steinhardt za Live Science. "U kozmičkim razmjerima, 65 milijuna godina je nevjerojatno kratko."
Ništa o ovoj teoriji nije kontroverzno ili nevjerojatno, rekao je za Live Science Gary Hinshaw, profesor fizike i astronomije na Sveučilištu British Columbia koji nije bio uključen u studiju. Međutim, budući da model oslanja samo na prošla promatranja širenja - i zato što je sadašnja priroda tamne energije u svemiru tolika misterija - predviđanja u ovom radu trenutno je nemoguće testirati. Za sada ostaju samo teorije.
Energija praznine
Od 1990-ih znanstvenici su shvatili da se širenje svemira ubrzava; prostor između galaksija sada se širi brže nego prije milijardi godina. Znanstvenici su tajanstveni izvor ovog ubrzanja nazvali tamnom energijom - nevidljivim entitetom koji djeluje suprotno gravitaciji, gurajući najmasivnije objekte svemira dalje, umjesto da ih spaja.
Iako tamna energija čini otprilike 70% ukupne mase-energije svemira, njezina svojstva ostaju potpuna misterija. Popularna teorija, koju je uveo Albert Einstein, je da je tamna energija kozmološka konstanta - nepromjenjivi oblik energije koji je utkan u tkivo prostor-vremena. Ako je to slučaj, a sila tamne energije nikada se ne može promijeniti, tada bi se svemir trebao nastaviti širiti (i ubrzavati) zauvijek.
Međutim, konkurentska teorija sugerira da tamna energija ne mora biti konstantna da bi se slagala s promatranjima prošlog kozmičkog širenja. Umjesto toga, tamna energija može biti nešto što se zove kvintesencija - dinamičko polje koje se mijenja tijekom vremena. (Steinhardt je bio jedan od trojice znanstvenika koji su tu ideju predstavili u radu iz 1998. u časopisu Physical Review Letters.)
Za razliku od kozmološke konstante, kvintesencija može biti ili odbojna ili privlačna, ovisno o omjeru njezine kinetičke i potencijalne energije u danom trenutku. Tijekom posljednjih 14 milijardi godina, kvintesencija je bila odbojna. Veći dio tog razdoblja, međutim, u usporedbi sa zračenjem i materijom neznatno je pridonijela širenju svemira. To se promijenilo prije oko pet milijardi godina kada je kvintesencija postala dominantna komponenta, a njezin učinak gravitacijskog odbijanja prouzročio je ubrzanje širenja svemira.
"Pitanje koje postavljamo u ovom radu je: 'Mora li ovo ubrzanje trajati zauvijek?'", rekao je Steinhardt. "A ako ne, koje su alternative i koliko brzo bi se stvari mogle promijeniti?"
Smrt tamne energije
U svojoj studiji, Steinhardt i njegovi kolege, Anna Ijjas sa Sveučilišta New York i Cosmin Andrei s Princetona, predvidjeli su kako bi se svojstva kvintesencije mogla promijeniti tijekom sljedećih nekoliko milijardi godina. Tim je stvorio fizički model kvintesencije, koji pokazuje njezinu odbojnu i privlačnu moć tijekom vremena, kako bi se uklopio s prošlim promatranjima širenja svemira. Nakon što je model mogao pouzdano reproducirati povijest širenja svemira, proširili su svoja predviđanja u budućnost.
"Na njihovo iznenađenje, tamna energija u njihovom modelu može propasti s vremenom", rekao je Hinshaw. "Njezina snaga može oslabiti. A ako dođe do toga na određeni način, onda na kraju antigravitacijsko svojstvo tamne energije nestane i ona se vrati u nešto što je više nalik običnoj materiji."
Prema modelu tima, odbojna sila tamne energije mogla bi biti u srži brzog opadanja koji je potencijalno započeo prije milijardi godina. U ovom scenariju, ubrzano širenje svemira se već danas usporava. Ubrzo, možda unutar otprilike 65 milijuna godina, to bi ubrzanje moglo potpuno prestati. Tada bi, za samo 100 milijuna godina od sada, tamna energija mogla postati privlačna te tako uzrokovati da se cijeli svemir počne skupljati. Drugim riječima, nakon gotovo 14 milijardi godina rasta, prostor bi se mogao početi smanjivati.
"To bi bila vrlo posebna vrsta kontrakcije koju nazivamo sporom kontrakcijom", rekao je Steinhardt. "Umjesto da se širi, prostor se skuplja vrlo, vrlo sporo." U početku bi stezanje svemira bilo toliko sporo da bilo koji hipotetski ljudi koji su još živi na Zemlji ne bi ni primijetili promjenu, rekao je Steinhardt. Prema modelu tima, bilo bi potrebno nekoliko milijardi godina sporog skupljanja da svemir dosegne otprilike polovicu veličine koju je ima danas.
Kraj svemira?
Jedna od dvije stvari bi se mogla dogoditi, rekao je Steinhardt. Ili će se svemir skupljati sve dok se ne uruši sam u sebe u velikom "zbijanju", što bi označilo kraj prostor-vremena kakvo poznajemo, ili će se svemir skupiti tek toliko da se vrati u stanje slično svojim izvornim uvjetima, nakon čega bi uslijedio još jedan Veliki prasak ili veliko "odbijanje", koje bi stvorilo novi svemir iz pepela starog.
U tom drugom scenariju (koji su Steinhardt i još jedan kolega opisali u radu iz 2019. u časopisu Physics Letters B), svemir slijedi ciklički obrazac širenja i skupljanja, zbijanja i odbijanja, u kojemu se neprestano urušava i iznova stvara. Ako je to točno, onda naš trenutni svemir možda nije ni prvi ni jedini svemir, već samo najnoviji u beskonačnom nizu svemira koji su se širili i skupljali prije našeg, rekao je Steinhardt. A sve ovisi o promjenjivoj prirodi tamne energije.
Koliko je to plauzibilno?
Hinshaw je rekao da je tumačenje kvintesencije u novom znanstvenom članku "savršeno razumna pretpostavka o tome što je tamna energija". Budući da sva naša opažanja kozmičke ekspanzije potječu od objekata koji su milijunima do milijardama svjetlosnih godina udaljeni od Zemlje, trenutni podaci mogu samo informirati znanstvenike o prošlosti svemira, a ne o njegovoj sadašnjosti ili budućnosti, dodao je. Dakle, svemir bi vrlo lako mogao krenuti prema zbijanju, a da mi to ne znamo sve dok ne bi počela faza kontrakcije.
"Mislim da se to zapravo samo svodi na to koliko uvjerljivom smatrate ovu teoriju i, što je još važnije, koliko smatrate da je provjerljiva?" dodao je Hinshaw.
Nažalost, ne postoji dobar način da se provjeri je li kvintesencija stvarna ili je kozmička ekspanzija počela usporavati, priznao je Steinhardt. Za sada je samo pitanje usklađivanja teorije s prošlim zapažanjima — a autori to u svom novom radu dobro rade. Čeka li naš svemir budućnost beskrajnog rasta ili brzog propadanja, samo će vrijeme pokazati, piše Live Science.
