Soarta Universului-moartea termică, Marea Ruptură (Big Rip) sau conştiinţa cosmică?

Pe baza cunoştinţelor acumulate până în prezent, cosmologii încearcă să înţeleagă evoluţia viitoare a Universului. Din păcate, concluziile la care au ajuns oamenii de ştiinţă nu sunt bune. Se pare că procesul de formare a stelelor va înceta și găurile negre vor deveni majoritare în Univers. Într-un final chiar şi acestea se vor evapora. S-ar putea ca la orizont să se întrevadă chiar şi „Marea Ruptură”, iar peste 10¹⁰⁵⁰ ani s-ar putea produce o serie de evenimente bizare.

Singurele obiecte rămase în Universul aflat în moarte termică sunt găurile negre. Credit: NASA/ESA/wikimedia

Înainte însă de a ne referi la evenimentele aleatorii dintr-un viitor foarte îndepărtat, să începem cu ceea ce se cunoaşte despre trecut și prezent.

Trecutul

Putem cunoaşte cum a evoluat Universul în trecut deoarece, în anumite privințe, astronomia este similară cu arheologia. Cu cât privim mai departe în spaţiul cosmic, cu atât mai mult privim în trecutul Universului. Și atunci când privim înapoi în timp observăm că galaxiile sunt mai aproape unele de altele decât sunt în prezent. Dacă ţinem cont de această observație şi de teoria relativității generale a lui Einstein, dar şi de alte dovezi acumulate până în prezent, rezultă că Universul a început în urma unui eveniment Big Bang și de atunci s-a extins.

Prezentul

La sfârșitul secolului trecut una dintre cele mai presante probleme din cosmologia modernă a fost aceea de a măsura rata de decelerare a expansiunii Universului. Având în vedere cantitatea de masă observată în Univers, cosmologii credeau că aceasta ar putea fi suficientă pentru a provoca o eventuală reducere a ratei de expansiune a Universului.

Cu toate acestea, două echipe independente de oameni de știință au descoperit exact contrariul. Universul se extinde accelerat. Pentru această importantă descoperire s-a acordat Premiul Nobel pentru Fizică în anul 2011. Implicaţiile acestei constatări nu sunt încă pe deplin elucidate.

Pentru a putea descrie un Univers care se extinde accelerat s-a emis ipoteza că trebuie să existe un fel de material (sau câmp) care umple Universul şi care exercită o presiune negativă (sau o gravitaţie repulsivă). Aceasta este energia întunecată.

În decursul timpului s-au efectuat diferite experimente independente pentru a verifica dacă accelerarea Universului este cauzată de energia întunecată. Din anul 2006 am fost implicat în WiggleZ Dark Energy Survey – un experiment științific al cărui scop a fost de a verifica, în mod independent, accelerarea expansiunii Universului. Nu numai că s-a dovedit că Universul se extinde accelerat, dar s-au găsit dovezi convingătoare că aceasta este cauzată într-adevăr de energia întunecată. Am observat că energia întunecată este cea care determină reducerea ratei de creştere a clusterelor galactice.

Rata de creştere a clusterului galactic Virgo a reprezentat o dovadă a existenţei energiei întunecate. Credit: Andrew Z. Colvin/wikimedia, CC BY-SA

Prin urmare, s-a sugerat că energia întunecată este reală. Dacă conceptul de energie întunecată și gravitaţia repulsivă asociată acesteia vi se par prea ciudate, atunci ne-am putea gândi, ca o alternativă, că teoria gravitației trebuie să fie modificată. Acest lucru s-ar putea face într-un mod similar celui prin care relativitatea generală a înlocuit gravitația newtoniană, dar pentru aceasta avem nevoie de o nouă fizică care să ne ofere o altă explicaţie pentru gravitaţie.

Viitorul

Înainte de a vorbi despre ce s-ar putea întâmpla într-un viitor foarte îndepărtat, voi menționa un alt studiu relevant: GAMA. Pe baza acestui studiu s-a constatat că Universul este deja „pe moarte”. Aceasta înseamnă că epoca de vârf a formării stelelor a trecut, iar Universul a intrat deja într-o fază de reducere a strălucirii.

Peste 5 miliarde de ani Soarele va intra în faza de gigant roșu, iar peste 7 miliarde de ani va înghiţi Pământul.

În continuare efectul energiei întunecate şi modul cum energia întunecată variază în timp devin importante. Cu cât energia întunecată este mai puternică, cu atât este mai probabil ca Universul să sfârşească într-un Big Rip. Pe scurt, Big Rip se produce atunci când forța de respingere datorată energiei întunecate învinge forţa de atracţie gravitațională. Obiectele legate gravitațional (cum ar fi clusterul galactic local, propria noastră galaxie Calea Lactee, Sistemul Solar și, eventual, noi înşine) sunt sfâșiate și tot ceea ce rămâne în urma lor este (probabil) vidul.

Datele obţinute în urma studiului WiggleZ și a altor experimente nu exclud ipoteza Big Rip, dar acest eveniment ar avea loc într-un viitor extrem de îndepărtat.

O altă ipoteză privind soarta Universului este moartea termică. Datorită expansiunii Universului, peste 100 de milioane de ani nu vom mai putea observa galaxiile din afara grupului nostru local. Procesul de formarea a stelelor va înceta peste aproximativ 1-100 trilioane de ani. Deși vor mai exista stele în Univers, acestea vor rămâne fără combustibil peste aproximativ 120 trilioane ani. În acel moment în Univers vor exista doar resturi stelare: găuri negre, stele neutronice sau pitice albe. Peste 10²⁰ ani cele mai multe dintre aceste obiecte vor fi înghițite de găurile negre supermasive din centrul galaxiilor.

În acest fel, Universul va deveni tot mai întunecat. Ce se va întâmpla în continuare depinde de cât de repede se descompune materia din Univers. Se crede că protonii, cei care alături de neutroni și electroni formează atomii, se dezintegrează spontan în particule subatomice după un timp foarte lung. S-a calculat că materia obișnuită va dispare după 10⁴⁰ ani. În continuare vor rămâne numai găurile negre. Și chiar şi ele se vor evapora după aproximativ 10¹⁰⁰ ani.

În acest moment Universul va fi aproape un vid. Datorită expansiunii Universului, particulele rămase, cum ar fi electronii şi fotonii, sunt foarte îndepărtate unele de altele și interacționează rareori între ele. Această fază este denumită „moartea termică” a Universului.

Ideea de moarte termică a Universului provine de la a doua lege a termodinamicii care afirmă că entropia – o măsură a gradului de „dezordine”, crește mereu. Orice sistem, inclusiv Universul, ajunge în cele din urmă într-o stare de dezordine maximă. Când toată energia din Cosmos devine uniform răspândită, nu va mai exista căldură sau energie liberă pentru a alimenta procesele care consumă energie, cum ar fi viața.

Creierele Boltzmann și noile Big Bang-uri

Toate cele de mai sus compun o perspectivă foarte sumbră asupra Universului. De aceea voi încheia acest articol cu o ipoteză mai optimistă, foarte speculativă, imposibil de testat şi, probabil, greșită.

Conform mecanicii cuantice, diferite lucruri aleatorii pot apărea din vid. Aici nu este vorba de o predicţie matematică: prezenţa unor particule care apar și apoi dispar a fost evidenţiată în mod constant în experimentele din fizica particulelor. În consecinţă, s-ar putea ca așa-numitele „fluctuații cuantice” să dea naștere la un moment dat unui atom.

S-a speculat că astfel s-ar putea forma un „creier” denumit creier Boltzmann. Când s-ar putea forma un astfel de lucru? Ei bine, s-a calculat că după 10¹⁰⁵⁰ ani.

Când se va produce un nou Big Bang? Cosmologii cred că peste 10¹⁰¹⁰⁵⁶ ani.

Traducere şi adaptare după The fate of the universe: heat death, Big Rip or cosmic consciousness?