Przyszłość rozszerzającego się wszechświata - Future of an expanding universe

Większość obserwacje sugerują, że ekspansja w uniwersum będzie trwać wiecznie. Jeśli tak, to popularna teoria głosi, że wszechświat będzie się ochładzał w miarę rozszerzania się, aż w końcu stanie się zbyt zimny, by podtrzymać życie . Z tego powodu ten przyszły scenariusz, niegdyś popularnie nazywany „ śmiercią upałów ”, jest obecnie znany jako „wielki chłód” lub „wielkie zamrożenie”.

Jeśli ciemna energia – reprezentowana przez stałą kosmologiczną , stałą gęstość energii wypełniającą jednorodnie przestrzeń lub pola skalarne , takie jak kwintesencja lub moduły , dynamiczne wielkości, których gęstość energii może zmieniać się w czasie i przestrzeni – przyspiesza ekspansję wszechświata, to przestrzeń między gromadami galaktyk będą rosły w coraz szybszym tempie. Redshift rozciągnie stare, nadchodzące fotony (nawet promienie gamma) do niewykrywalnych długości fal i niskich energii. Oczekuje się, że gwiazdy będą formować się normalnie przez 10 12 do 10 14 (1-100 bilionów) lat, ale ostatecznie zapasy gazu potrzebnego do formowania się gwiazd zostaną wyczerpane. Gdy istniejące gwiazdy wyczerpią się i przestaną świecić, wszechświat będzie powoli i nieubłaganie ciemnieć. Zgodnie z teoriami przewidującymi rozpad protonów , pozostawione pozostałości gwiezdne znikną, pozostawiając jedynie czarne dziury , które ostatecznie znikną, gdy wyemitują promieniowanie Hawkinga . Ostatecznie, jeśli wszechświat osiągnie równowagę termodynamiczną , stan, w którym temperatura zbliża się do jednolitej wartości, dalsze prace nie będą możliwe, co spowoduje ostateczną śmierć cieplną wszechświata.

Kosmologia

Nieskończona ekspansja nie określa ogólnej krzywizny przestrzennej wszechświata . Może być otwarta (z ujemną krzywizną przestrzenną), płaska lub zamknięta (dodatnia krzywizna przestrzenna), chociaż jeśli jest zamknięta, musi być obecna wystarczająca ilość ciemnej energii, aby przeciwdziałać siłom grawitacyjnym, w przeciwnym razie wszechświat zakończy się Wielkim Zgrzytem .

Obserwacje kosmicznego promieniowania tła wykonane przez sondę Wilkinson Microwave Anisotropy Probe i misję Planck sugerują, że Wszechświat jest przestrzennie płaski i posiada znaczną ilość ciemnej energii . W takim przypadku wszechświat powinien nadal rozszerzać się w coraz szybszym tempie. Przyspieszenie ekspansji Wszechświata potwierdzają również obserwacje odległych supernowych . Jeśli, tak jak w modelu skorowidzu z kosmologii fizycznej (N-zimno masy ciemne lub ΛCDM), ciemne energii w postaci stałej kosmologicznej ekspansja ostatecznie się wykładniczy, o wielkości świata podwajania przy stałej szybkości.

Jeśli teoria inflacji jest prawdziwa, wszechświat przeszedł epizod zdominowany przez inną formę ciemnej energii w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu; ale inflacja się skończyła, wskazując na równanie stanu znacznie bardziej skomplikowane niż te przyjmowane do tej pory dla dzisiejszej ciemnej energii. Możliwe, że równanie stanu ciemnej energii może się ponownie zmienić, powodując zdarzenie, które miałoby konsekwencje niezwykle trudne do sparametryzowania lub przewidzenia.

Przyszła historia

W latach 70. przyszłość rozszerzającego się wszechświata badali astrofizyk Jamal Islam i fizyk Freeman Dyson . Następnie w swojej książce z 1999 r. Pięć wieków wszechświata astrofizycy Fred Adams i Gregory Laughlin podzielili przeszłą i przyszłą historię rozszerzającego się wszechświata na pięć epok. Pierwsza, Era Pierwotna , to czas w przeszłości tuż po Wielkim Wybuchu, kiedy gwiazdy jeszcze się nie uformowały. Druga, era gwiezdnych , obejmuje współczesność oraz wszystkie obecnie widziane gwiazdy i galaktyki . Jest to czas, w którym gwiazdy powstają z zapadających się obłoków gazu . W kolejnej erze zdegenerowanej gwiazdy spłoną, pozostawiając wszystkie obiekty o masie gwiazdowej jako gwiezdne pozostałościbiałe karły , gwiazdy neutronowe i czarne dziury . W erze czarnych dziur białe karły, gwiazdy neutronowe i inne mniejsze obiekty astronomiczne zostały zniszczone przez rozpad protonów , pozostawiając jedynie czarne dziury. Wreszcie w epoce ciemności zniknęły nawet czarne dziury, pozostawiając jedynie rozrzedzony gaz fotonów i leptonów .

Ta przyszła historia i poniższa oś czasu zakładają dalszą ekspansję wszechświata. Jeśli przestrzeń we wszechświecie zacznie się kurczyć, kolejne wydarzenia na osi czasu mogą nie wystąpić, ponieważ nastąpi superweniu Wielki Zgrzyt , czyli zapadnięcie się wszechświata w gorący, gęsty stan podobny do tego po Wielkim Wybuchu.

Oś czasu

Era gwiezdna

Od teraźniejszości do około 10 14 (100 bilionów) lat po Wielkim Wybuchu

Obserwowalny wszechświat ma obecnie 1,38 × 10 10 (13,8 miliarda) lat. Tym razem jest w erze gwiezdnej. Około 155 milionów lat po Wielkim Wybuchu uformowała się pierwsza gwiazda. Od tego czasu, gwiazdy utworzona przez załamanie małych zwartych obszarach rdzenia w dużych zimno chmury molekularnych z wodoru gazowego. Na początku wytwarza to protogwiazdę , która jest gorąca i jasna z powodu energii generowanej przez skurcz grawitacyjny . Gdy protogwiazda kurczy się na chwilę, jej rdzeń może stać się wystarczająco gorący, aby stopić wodór, jeśli przekroczy masę krytyczną w procesie zwanym „zapłonem gwiazdowym”, a jego życie jako gwiazdy zacznie się prawidłowo.

Gwiazdy bardzo niskiej masie ostatecznie wyczerpać wszystkie swoje topliwą wodoru , a następnie stają się helu białych karłów . Gwiazdy o małej lub średniej masie, takie jak nasze Słońce , wyrzucą część swojej masy jako mgławica planetarna i ostatecznie staną się białymi karłami ; bardziej masywne gwiazdy eksplodują w postaci supernowej z zapadnięciem się jądra , pozostawiając gwiazdy neutronowe lub czarne dziury . W każdym razie, chociaż część materii gwiazdy może zostać zwrócona do ośrodka międzygwiazdowego , pozostanie zdegenerowana pozostałość , której masa nie zostanie zwrócona do ośrodka międzygwiazdowego. W związku z tym zapasy gazu dostępnego do formowania się gwiazd stale się wyczerpują.

Galaktyka Droga Mleczna i Galaktyka Andromedy łączą się w jedno

4-8 miliardów lat od teraz (17,8 – 21,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu)

Galaktyka Andromedy jest obecnie około 2,5 milionów lat świetlnych od naszej galaktyki, Drogi Mlecznej , a oni poruszają się względem siebie na około 300 kilometrów (186 mil) na sekundę. Około pięć miliardów lat od teraz, czyli 19 miliardów lat po Wielkim Wybuchu, Droga Mleczna i Galaktyka Andromedy zderzą się ze sobą i połączą się w jedną dużą galaktykę w oparciu o obecne dowody. Aż do 2012 roku nie było możliwości potwierdzenia, czy do kolizji dojdzie, czy nie. W 2012 roku naukowcy doszli do wniosku, że kolizja jest definitywna po użyciu Kosmicznego Teleskopu Hubble'a w latach 2002-2010 do śledzenia ruchu Andromedy. Powoduje to powstanie Milkdromedy (znanej również jako Milkomeda ).

22 miliardy lat w przyszłości to najwcześniejszy możliwy koniec Wszechświata w scenariuszu Wielkiego Rozdarcia , przy założeniu modelu ciemnej energii z w = -1,5 .

Fałszywy rozpad próżni może nastąpić za 20 do 30 miliardów lat, jeśli pole bozonu Higgsa jest metastabilne.

Koalescencja Grupy Lokalnej i galaktyk poza Supergromadą Lokalną nie są już dostępne

10 11 (100 miliardów) do 10 12 (1 bilion) lat

W galaktyk w Grupie Lokalnej , gromada galaktyk, która obejmuje Drogę Mleczną i Galaktyka Andromedy, są grawitacyjnie związane ze sobą. Oczekuje się, że za 10 11 (100 miliardów) i 10 12 (1 bilion) lat ich orbity ulegną rozpadowi i cała Grupa Lokalna połączy się w jedną wielką galaktykę.

Zakładając, że ciemna energia nadal powoduje rozszerzanie się wszechświata w coraz szybszym tempie, za około 150 miliardów lat wszystkie galaktyki poza Lokalną Supergromadą przejdą za kosmologicznym horyzontem . Wówczas niemożliwe będzie, aby wydarzenia w Supergromadzie Lokalnej wpłynęły na inne galaktyki. Podobnie niemożliwe będzie, aby zdarzenia po 150 miliardach lat, jak obserwowali obserwatorzy w odległych galaktykach, wpłynęły na zdarzenia w Supergromadzie Lokalnej. Jednak obserwator w Supergromadzie Lokalnej będzie nadal obserwował odległe galaktyki, ale obserwowane przez niego wydarzenia będą się gwałtownie przesuwać ku czerwieni, gdy galaktyka zbliża się do horyzontu, aż czas w odległej galaktyce wydaje się zatrzymywać. Obserwator w Supergromadzie Lokalnej nigdy nie obserwuje zdarzeń po upływie 150 miliardów lat czasu lokalnego, a ostatecznie całe światło i promieniowanie tła znajdujące się poza Supergromadą Lokalną będzie wydawało się mrugać, gdy światło staje się tak przesunięte ku czerwieni, że jego długość fali stała się dłuższa niż fizyczna średnica horyzontu.

Technicznie rzecz biorąc, minie nieskończenie dużo czasu, zanim wszelkie interakcje przyczynowe między lokalną supergromadą a tym światłem ustaną. Jednak z powodu przesunięcia ku czerwieni, wyjaśnionego powyżej, światło niekoniecznie będzie obserwowane przez nieskończoną ilość czasu, a po 150 miliardach lat nie zostanie zaobserwowana żadna nowa interakcja przyczynowa.

Dlatego po 150 miliardach lat międzygalaktyczny transport i komunikacja poza Lokalną Supergromadą stają się przyczynowo niemożliwe.

Jasności galaktyk zaczynają słabnąć

8 × 10 11 (800 miliardów) lat

Za 8 × 10 11 (800 miliardów) lat jasności różnych galaktyk, w przybliżeniu zbliżone do obecnych dzięki rosnącej jasności pozostałych gwiazd w miarę starzenia się, zaczną się zmniejszać, ponieważ mniej masywna czerwona gwiazdy karłowate zaczynają umierać jako białe karły .

Galaktyki poza lokalną supergromadą nie są już wykrywalne

2 × 10 12 (2 biliony) lat

Za 2 × 10 12 (2 biliony) lat wszystkie galaktyki poza Lokalną Supergromadą zostaną przesunięte ku czerwieni do takiego stopnia, że ​​nawet emitowane przez nie promienie gamma będą miały długości fal dłuższe niż rozmiar obserwowalnego Wszechświata w tamtym czasie. Dlatego galaktyki te nie będą już w żaden sposób wykrywalne.

Zdegenerowana Era

Od 10 14 (100 bilionów) do 10 40 (10 dudecylionów) lat

O 10 14 (100000000000000) lat od teraz, tworzenie gwiazda kończy, pozostawiając wszystkie gwiezdne obiekty w postaci zdegenerowanych pozostałości . Jeśli protony nie będą się rozpadać , obiekty o masie gwiazdowej będą znikać wolniej, co sprawi, że ta era będzie trwać dłużej .

Tworzenie się gwiazd ustaje

10 12-14 (1-100 bilionów) lat

Za 10 14 (100 bilionów) lat proces formowania się gwiazd zakończy się. Ten okres, znany jako „Epoka Zwyrodnienia”, będzie trwał do czasu, aż zdegenerowane resztki w końcu ulegną rozkładowi. Najdłużej zużywają swoje paliwo wodorowe najmniej masywnym gwiazdom (patrz ewolucja gwiazd ). Tak więc najdłużej żyjącymi gwiazdami we wszechświecie są małomasywne czerwone karły , o masie około 0,08 mas Słońca ( M ), których żywotność wynosi ponad 10 13 (10 bilionów) lat. Przypadkowo jest to porównywalne z czasem, w którym zachodzi formowanie się gwiazd. Gdy proces formowania się gwiazd dobiegnie końca, a najmniej masywne czerwone karły wyczerpią swoje paliwo, fuzja jądrowa ustanie. Czerwone karły o niskiej masie ostygną i staną się czarnymi karłami . Jedyny pozostały obiektów ponad masą planetarnej będzie brązowe karły , o masie mniej niż 0,08  M i zdegenerowane pozostałości ; białe karły , produkowane przez gwiazdy o masach początkowych od około 0,08 do 8 mas Słońca; oraz gwiazdy neutronowe i czarne dziury , produkowane przez gwiazdy o początkowych masach powyżej 8  M . Większość masy tej kolekcji, około 90%, będzie miała postać białych karłów. W przypadku braku jakiegokolwiek źródła energii, wszystkie te poprzednio świetliste ciała ostygną i staną się słabe.

Po wypaleniu się ostatnich gwiazd wszechświat stanie się niezwykle ciemny. Mimo to we wszechświecie wciąż może być okazjonalnie światło. Jednym ze sposobów oświetlania wszechświata jest połączenie dwóch białych karłów węglowo - tlenowych o łącznej masie większej niż granica Chandrasekhara wynosząca około 1,4 mas Słońca. Powstały obiekt przejdzie następnie niekontrolowaną fuzję termojądrową, wytwarzając supernową typu Ia i rozpraszając ciemność ery zdegenerowanej na kilka tygodni. Gwiazdy neutronowe mogą również zderzać się, tworząc jeszcze jaśniejsze supernowe i rozpraszając do 6 mas Słońca zdegenerowanego gazu w ośrodku międzygwiazdowym. Powstała materia z tych supernowych mogłaby potencjalnie stworzyć nowe gwiazdy. Jeśli łączna masa nie przekracza granicy Chandrasekhara, ale jest większa niż minimalna masa do stopienia węgla (około 0,9  M ), można by wyprodukować gwiazdę węglową o żywotności około 106 (1 milion) lat. Ponadto, jeśli zderzają się dwa białe karły helowe o łącznej masie co najmniej 0,3  M , może powstać gwiazda helowa o czasie życia kilkuset milionów lat. Wreszcie brązowe karły mogą tworzyć nowe gwiazdy zderzające się ze sobą, tworząc gwiazdę czerwonego karła , która może przetrwać 10 13 (10 bilionów) lat lub akreować gaz w bardzo wolnym tempie z pozostałego ośrodka międzygwiazdowego, aż będą miały wystarczającą masę, aby uruchomić wodór płonąc też jak czerwone karły. Ten proces, przynajmniej na białych karłach, może również indukować supernowe typu Ia.

Planety spadają lub są wyrzucane z orbit w wyniku bliskiego spotkania z inną gwiazdą

10 15 (1 biliard) lat

Z biegiem czasu orbity planet ulegną rozpadowi z powodu promieniowania grawitacyjnego lub planety zostaną wyrzucone ze swoich lokalnych układów przez perturbacje grawitacyjne spowodowane spotkaniami z inną pozostałością gwiezdną .

Gwiezdne pozostałości uciekają z galaktyk lub wpadają do czarnych dziur

10 19 do 10 20 (10 do 100 trylionów) lat

Z biegiem czasu obiekty w galaktyce wymieniają energię kinetyczną w procesie zwanym dynamiczną relaksacją , dzięki czemu ich rozkład prędkości zbliża się do rozkładu Maxwella-Boltzmanna . Relaksacja dynamiczna może następować albo przez bliskie spotkania dwóch gwiazd, albo przez mniej gwałtowne, ale częstsze spotkania odległe. W przypadku bliskiego spotkania dwa brązowe karły lub gwiezdne szczątki przejdą blisko siebie. Kiedy tak się dzieje, trajektorie obiektów biorących udział w bliskim spotkaniu zmieniają się nieznacznie, w taki sposób, że ich energie kinetyczne są prawie równe niż wcześniej. Po wielu spotkaniach lżejsze obiekty mają tendencję do zwiększania prędkości, podczas gdy cięższe ją tracą.

Dzięki dynamicznej relaksacji niektóre obiekty uzyskają wystarczającą ilość energii, aby osiągnąć galaktyczną prędkość ucieczki i opuścić galaktykę, pozostawiając za sobą mniejszą, gęstszą galaktykę. Ponieważ spotkania są częstsze w tej gęstszej galaktyce, proces przyspiesza. Wynik końcowy jest taki, że większość obiektów (90% do 99%) jest wyrzucanych z galaktyki, pozostawiając niewielką część (może 1% do 10%), która wpada do centralnej supermasywnej czarnej dziury . Sugerowano, że materia z upadłych szczątków utworzy wokół siebie dysk akrecyjny , który stworzy kwazar , o ile będzie tam wystarczająco dużo materii.

Możliwa jonizacja materii

>10 23 lata od teraz

W rozszerzającym się wszechświecie o malejącej gęstości i niezerowej stałej kosmologicznej gęstość materii osiągnęłaby zero, w wyniku czego większość materii z wyjątkiem czarnych karłów , gwiazd neutronowych , czarnych dziur i planet jonizowałaby i rozpraszała się w równowadze termicznej .

Przyszłość z rozpadem protonów

Poniższa oś czasu zakłada, że ​​protony się rozpadają.

Szansa: 10 34 (10 decylionów) – 10 39 lat (1 dudecylion)

Dalsza ewolucja wszechświata zależy od możliwości i szybkości rozpadu protonów . Dowody eksperymentalne pokazują, że jeśli proton jest niestabilny, jego okres półtrwania wynosi co najmniej 10 34 lata. Niektóre z teorii Grand Unified (GUT) przewidują długoterminową niestabilność protonów między 10 31 a 10 36 lat, z górną granicą standardowego (niesupersymetrii) rozpadu protonu wynoszącą 1,4 × 10 36 lat i ogólną górną granicę maksimum dla dowolnego rozpad protonu (w tym modele supersymetrii ) w wieku 6 × 10 39 lat. Najnowsze badania pokazują, proton życia (jeśli niestabilny) w lub przekraczającej 10 34 -10 35 zakres rok wyklucza prostszych wnętrzności i większość modeli nie supersymetria.

Nukleony zaczynają się rozpadać

Podejrzewa się również, że neutrony związane z jądrami ulegają rozpadowi z okresem półtrwania porównywalnym z protonami. Planety (obiekty podgwiazdowe) rozpadłyby się w prostym procesie kaskadowym z cięższych pierwiastków do czystego wodoru, emitując energię.

Jeśli proton w ogóle się nie rozpadnie, obiekty gwiezdne nadal znikną, ale wolniej. Zobacz Przyszłość bez rozpadu protonów poniżej.

Krótsze lub dłuższe okresy półtrwania protonów przyspieszą lub spowolnią proces. Oznacza to, że po 10 37 latach (maksymalny okres półtrwania protonu stosowany przez Adamsa i Laughlina (1997)), połowa całej materii barionowej zostanie przekształcona w fotony i leptony promieniowania gamma w wyniku rozpadu protonów.

Wszystkie nukleony ulegają rozpadowi

10 40 (10 dudecylionów) lat

Biorąc pod uwagę nasz zakładany okres połowicznego rozpadu protonu, nukleony (protony i związane neutrony) przejdą około 1000 okresów połowicznego rozpadu zanim Wszechświat osiągnie wiek 10 40 lat. Oznacza to, że będzie około 0,5 1000 (około 10 -301 ) więcej nukleonów; ponieważ we wszechświecie znajduje się obecnie około 10 80 protonów, żaden nie pozostanie pod koniec wieku zdegenerowanego. W efekcie cała materia barionowa zostanie zamieniona w fotony i leptony . Niektóre modele przewidują powstawanie stabilnych atomów pozytonu o średnicach większych niż obecna średnica obserwowalnego Wszechświata (w przybliżeniu 6 · 10 34 metry) za 10 85 lat, które z kolei ulegną rozpadowi na promieniowanie gamma za 10 141 lat.

W supermasywne czarne dziury to wszystko, co pozostaje z galaktyk, gdy wszystkie rozpad protonu, ale nawet te olbrzymy nie są nieśmiertelne.

Jeśli protony rozpadają się w procesach jądrowych wyższego rzędu

Szansa: od 10 65 do 10 200 lat

Jeśli proton nie rozpadnie się zgodnie z opisanymi powyżej teoriami, wtedy era zdegenerowana będzie trwała dłużej i będzie nakładać się lub przewyższać erę czarnej dziury. W skali czasowej 10 65 lat materia stała może potencjalnie zmienić swoje atomy i cząsteczki poprzez tunelowanie kwantowe i może zachowywać się jak ciecz i stać się gładkimi kulami z powodu dyfuzji i grawitacji. Zdegenerowane obiekty gwiezdne mogą potencjalnie nadal doświadczać rozpadu protonów, na przykład poprzez procesy obejmujące anomalię Adlera-Bella-Jackiwa , wirtualne czarne dziury lub supersymetrię o wyższym wymiarze, prawdopodobnie z okresem półtrwania poniżej 10 200 lat.

>10 139 lat od teraz

oszacowanie czasu życia Modelu Standardowego w 2018 r. przed upadkiem fałszywej próżni ; 95% przedział ufności wynosi od 10 58 do 10 241 lat, częściowo z powodu niepewności co do masy kwarka górnego .

>10 150 lat od teraz

Chociaż protony są stabilne w fizyce modeli standardowych, anomalia kwantowa może istnieć na poziomie elektrosłabym , co może powodować anihilację grup barionów (protonów i neutronów) w antyleptony poprzez przejście sfaleronowe . Takie naruszenia barionów/leptonów mają liczbę 3 i mogą wystąpić tylko w wielokrotnościach lub grupach po trzy bariony, co może ograniczyć lub zabronić takich zdarzeń. Nie zaobserwowano jeszcze żadnych eksperymentalnych dowodów na istnienie sfaleronów przy niskich poziomach energii, chociaż uważa się, że występują one regularnie przy wysokich energiach i temperaturach.

Fotonów , elektronowego , pozytonowa lub neutrinowy teraz ostatnie resztki świata jako ostatni z czarnych dziur odparować.

Era czarnej dziury

10 40 (10 dudecylionów) lat do około 10 100 (1 googol ) lat, do 10 108 lat dla największych supermasywnych czarnych dziur

Po 10 40  latach czarne dziury zdominują wszechświat. Będą powoli wyparowywać pod wpływem promieniowania Hawkinga .  Czarna dziura o masie około 1  M zniknie za około 2 × 10 66 lat. Ponieważ czas życia czarnej dziury jest proporcjonalny do sześcianu jej masy, rozpad masywniejszych czarnych dziur trwa dłużej. Supermasywna czarna dziura o masie 10 11 (100 miliardów) M wyparuje za około 2 × 10 99 lat.

Przewiduje się, że największe czarne dziury we wszechświecie będą nadal rosnąć. Większe czarne dziury do 10 14 (100 bilionów) M mogą powstawać podczas kolapsu supergromad galaktyk. Nawet one wyparowałyby w skali czasowej od 10 106 do 10 108 lat.

Promieniowanie Hawkinga ma widmo termiczne . Przez większość życia czarnej dziury promieniowanie ma niską temperaturę i występuje głównie w postaci bezmasowych cząstek, takich jak fotony i hipotetyczne grawitony . Gdy masa czarnej dziury maleje, jej temperatura wzrasta, stając się porównywalna do Słońca , zanim masa czarnej dziury spadnie do 10 19 kilogramów. Dziura następnie zapewnia tymczasowe źródło światła podczas ogólnej ciemności ery czarnej dziury. Podczas ostatnich etapów parowania czarna dziura będzie emitować nie tylko bezmasowe cząstki, ale także cięższe cząstki, takie jak elektrony , pozytony , protony i antyprotony .

Epoka Ciemności i Epoka Fotonowa

Od 10 100 lat (10 duotrigintillion lat lub 1 googol lat)

Po wyparowaniu wszystkich czarnych dziur (i po rozpadzie zwykłej materii złożonej z protonów, jeśli protony są niestabilne), wszechświat będzie prawie pusty. Fotony, neutrina, elektrony i pozytony będą latać z miejsca na miejsce, prawie nigdy się nie spotykając. Grawitacyjnie wszechświat będzie zdominowany przez ciemną materię , elektrony i pozytony (nie protony).

W tej epoce, gdy pozostanie tylko bardzo rozproszona materia, aktywność we wszechświecie dramatycznie spadnie (w porównaniu z poprzednimi epokami), z bardzo niskimi poziomami energii i bardzo dużymi skalami czasowymi. Elektrony i pozytony dryfujące w przestrzeni będą się spotykać i czasami tworzą atomy pozytonu . Struktury te są jednak niestabilne, a ich składowe cząstki muszą w końcu ulec anihilacji. Jednak większość elektronów i pozytonów pozostanie niezwiązana. Będą również miały miejsce inne wydarzenia związane z anihilacją na niskim poziomie, aczkolwiek bardzo powoli. Wszechświat osiąga teraz stan niezwykle niskoenergetyczny.

Przyszłość bez rozpadu protonów

Jeśli protony nie rozpadną się, obiekty o masie gwiazdowej nadal staną się czarnymi dziurami , ale wolniej. Poniższa oś czasu zakłada, że nie zachodzi rozpad protonu .

>10 139 lat od teraz

oszacowanie czasu życia Modelu Standardowego w 2018 r. przed upadkiem fałszywej próżni ; 95% przedział ufności wynosi od 10 58 do 10 241 lat, częściowo z powodu niepewności co do masy kwarka górnego .

Zdegenerowana Era

Materia rozpada się na żelazo

10 1100 do 10 32 000 lat od teraz

Za 10 1500 lat zimna fuzja zachodząca poprzez tunelowanie kwantowe powinna spowodować, że lekkie jądra w obiektach o masie gwiazdowej połączą się w jądra żelaza-56 (patrz izotopy żelaza ). Rozszczepienie i emisja cząstek alfa powinny spowodować rozpad ciężkich jąder na żelazo, pozostawiając obiekty o masie gwiazdowej jako zimne kule żelaza, zwane żelaznymi gwiazdami . Zanim to nastąpi, oczekuje się, że u niektórych czarnych karłów proces obniży ich limit Chandrasekhara, powodując powstanie supernowej za 10 1100 lat. Obliczono, że niezdegenerowany krzem przejdzie w żelazo w ciągu około 10 32 000 lat.

Era czarnej dziury

Zapadnięcie się żelaznych gwiazd w czarne dziury

10 10 26 do 10 10 76 lat od teraz

Tunelowanie kwantowe powinno również zamienić duże obiekty w czarne dziury , które (w tych skalach czasowych) natychmiastowo wyparują w cząstki subatomowe. W zależności od przyjętych założeń, czas, jaki ma to nastąpić, można obliczyć od 10 10 26 lat do 10 10 76 lat. Tunelowanie kwantowe może również spowodować, że gwiazdy żelazne zapadną się w gwiazdy neutronowe za około 10 10 76 lat.

Dark Era (bez rozpadu protonu)

10 10 76 lat od teraz

Po odparowaniu czarnych dziur praktycznie żadna materia nadal nie istnieje, wszechświat stał się prawie czystą próżnią (prawdopodobnie towarzyszy jej fałszywa próżnia ). Ekspansja wszechświata powoli schładza go do zera absolutnego .

Poza

Powyżej 10 2500 lat, jeśli nastąpi rozpad protonu, lub 10 10 76 lat bez rozpadu protonu

Możliwe, że wydarzenie Big Rip może nastąpić w odległej przyszłości. Ta osobliwość miałaby miejsce w skończonym współczynniku skali.

Jeśli obecny stan próżni jest fałszywą próżnią , próżnia może przejść w stan o niższej energii.

Przypuszczalnie ekstremalne stany niskoenergetyczne implikują, że zlokalizowane zdarzenia kwantowe stają się głównymi zjawiskami makroskopowymi, a nie pomijalnymi zdarzeniami mikroskopowymi, ponieważ najmniejsze perturbacje robią największą różnicę w tej epoce, więc nie wiadomo, co może się stać z przestrzenią lub czasem. Uważa się, że załamią się prawa „makrofizyki”, a zapanują prawa fizyki kwantowej.

Wszechświat mógłby prawdopodobnie uniknąć wiecznej śmierci cieplnej poprzez losowe tunelowanie kwantowe i fluktuacje kwantowe , biorąc pod uwagę niezerowe prawdopodobieństwo wytworzenia nowego Wielkiego Wybuchu za około 10 10 10 56 lat.

Przez nieskończoną ilość czasu może wystąpić spontaniczny spadek entropii , przez nawrót Poincarégo lub przez fluktuacje termiczne (patrz także twierdzenie o fluktuacjach ).

Masywne czarne karły mogą również potencjalnie eksplodować w supernowe po maksymalnie 10 32 000  lat , przy założeniu, że protony nie ulegają rozpadowi.

Powyższe możliwości oparte są na prostej formie ciemnej energii . Jednak fizyka ciemnej energii jest nadal bardzo aktywnym obszarem badań, a rzeczywista forma ciemnej energii może być znacznie bardziej złożona. Na przykład podczas inflacji ciemna energia wpłynęła na wszechświat zupełnie inaczej niż ma to miejsce obecnie, więc możliwe jest, że ciemna energia może wywołać kolejny okres inflacyjny w przyszłości. Dopóki ciemna energia nie zostanie lepiej zrozumiana, jej możliwe skutki są niezwykle trudne do przewidzenia lub sparametryzowania.

Graficzna oś czasu

Logarithmic scale

Zobacz też

Bibliografia