Wszechświat może zakończyć się za 33 miliardy lat

Praca ta łączy wyniki obserwacyjne z szeroko zakrojonych przeglądów kosmologicznych z konkretnymi ramami teoretycznymi. Grupa badawcza dopasowała model, w którym ultralekkie pole aksjonopodobne oddziałuje ze znaną stałą kosmologiczną (Λ w modelu ΛCDM). Ich najlepiej dopasowane parametry, w połączeniu z najnowszymi pomiarami równania stanu ciemnej energii, faworyzują w tym modelu ujemną efektywną stałą kosmologiczną. Ujemna Λ sprawia, że przyciąganie grawitacyjne wygrywa w skalach kosmologicznych, powodując odwrócenie ekspansji i ostateczny „Wielki Kolaps” (Big Crunch). Autorzy podają, że w tym modelu orientacyjny czas istnienia wszechświata wynosi około 33 miliardów lat.

Dlaczego nowe dane mają znaczenie

Przez dwie dekady standardowy obraz kosmologiczny był prosty i solidny: dodatnia stała kosmologiczna generuje przyspieszoną ekspansję, która trwa w nieskończoność, prowadząc do zimnej, pustej przyszłości zwanej często „Wielkim Chłodem” (Big Freeze). Jednak ostatnie publikacje dużych zbiorów danych — w szczególności tych mapujących barionowe oscylacje akustyczne, odległości supernowych i wielkoskalowe grupowanie galaktyk — otworzyły możliwość, że parametr równania stanu ciemnej energii w może różnić się od stałej wartości w = −1, oczekiwanej dla czystej energii próżni. Kilka niezależnych analiz wykazało łagodne, ale niepomijalne napięcia z czystą stałą kosmologiczną i to właśnie te napięcia pozwalają modelom dynamicznym, takim jak propozycja aksjonowa, na wygenerowanie jakościowo innego losu wszechświata w późnym czasie.

Jaką rolę odgrywają aksjony?

Liczby i skale czasowe w prostych słowach

• Obecny wiek wszechświata: ~13,8 miliarda lat.
• Modelowany całkowity czas istnienia w scenariuszu aksjon + ujemna Λ: ~33 miliardy lat od Wielkiego Wybuchu.
• Ekspansja trwałaby do osiągnięcia maksimum za około 11 miliardów lat; faza kurczenia się rozpoczęłaby się wtedy i zakończyłaby kolapsem za około 20 miliardów lat od teraz.

Ważne zastrzeżenia

Wynik ten przyciąga uwagę, ale daleko mu do rozstrzygającego werdyktu w sprawie losów kosmosu. Po pierwsze, wniosek o ujemnej stałej kosmologicznej pojawia się w ramach konkretnego modelu, który zawiera dodatkowy stopień swobody (aksjon). Inne parametryzacje lub modele mogą pasować do tych samych danych bez wymogu Λ<0. Po drugie, obecne pomiary równania stanu ciemnej energii wskazują na oznaki zachowania dynamicznego na poziomie kilku sigma w niektórych kombinacjach zbiorów danych, ale napięcia te są umiarkowane i zależne od modelu; nie są one jeszcze powszechnie uznawane za ostateczny dowód na to, że energia próżni jest zmienna w czasie. Po trzecie, degeneracje w estymacji parametrów kosmologicznych — gdzie różne kombinacje parametrów dają podobne wyniki obserwacyjne — oznaczają, że alternatywne wyjaśnienia pozostają prawdopodobne. Krótko mówiąc: interesujące i prawdopodobne, ale tymczasowe.

Inne możliwe scenariusze końca wszechświata

Kosmolodzy wciąż rozważają kilka jakościowo różnych scenariuszy późnego etapu istnienia wszechświata, w tym:

Kolaps wywołany aksjonem i ujemną Λ jest jedną z opcji w tym menu — wyrazistą i dramatyczną, ale nie jedyną. Każdy scenariusz zależy od założeń, które zostaną zweryfikowane przez trwające obserwacje i teorię.

Dlaczego to ważne — i co dalej

Określenie losu wszechświata to coś więcej niż ćwiczenie z kosmicznych ciekawostek: to badanie najgłębszej niewiadomej we współczesnej fizyce, natury ciemnej energii i jej związku z polami fundamentalnymi. Propozycja datowania końca wszystkiego na kilkadziesiąt miliardów lat jest przykładem tego, jak szybko poprawiające się zbiory danych pozwalają teoretykom zmieniać pytania wcześniej filozoficzne w hipotezy ilościowe, które można zweryfikować.

W ciągu najbliższych kilku lat zestaw eksperymentów i przeglądów wyostrzy ten obraz: oczekuje się, że dodatkowe dane z DESI, ponowne analizy próbek supernowych typu Ia oraz obserwacje z misji Euclid, SPHEREx i Vera Rubin Observatory zmniejszą niepewność parametrów i sprawdzą, czy dynamiczna ciemna energia jest rzeczywiście wymagana. Jeśli powtarzalne, modelowo niezależne rekonstrukcje historii ciemnej energii będą nadal wskazywać na odejście od czystej stałej kosmologicznej, mechanizmy typu aksjonowego będą wymagały większej uwagi; jeśli nie, standardowy obraz ΛCDM odzyska swoją dominującą pozycję.

Podsumowanie

Twierdzenie, że „wszystko zniknie” w określonym terminie, jest nadużyciem, gdy zostanie wyrwane z kontekstu. Nowa, dobrze udokumentowana analiza teoretyczna pokazuje, że w ramach wiarygodnego modelu aksjonu i stałej kosmologicznej, dopasowanego do najnowszych danych z przeglądów, wszechświat mógłby zawrócić i zakończyć się Wielkim Kolapsem za około 33 miliardy lat. Wniosek ten zależy jednak krytycznie od wyborów modelowych i danych, które pozostają przedmiotem wnikliwej analizy. Nadchodząca dekada obserwacji będzie decydująca dla odpowiedzi na pytanie, czy ten dramatyczny wniosek przesunie się ze sfery spekulatywnej możliwości do solidnej prognozy — czy też kosmos ma w zanadrzu inne, spokojniejsze przeznaczenie.

James Lawson jest dziennikarzem naukowym w Dark Matter, zajmującym się fizyką, kosmosem i nowymi technologiami. Posiada tytuł magistra komunikacji naukowej oraz licencjat z fizyki uzyskany na University College London i mieszka w Wielkiej Brytanii.