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宇宙最终会在大撕裂中毁灭吗?

宇宙学中最重大的发现之一出现在20世纪末,即1998年。当时,通过观察遥远的Ia型超新星,天文学家能够确定宇宙不仅在膨胀,而且在加速。这意味着宇宙中肯定不止物质、辐射和空间曲率。

宇宙中需要有一种新的能量形式导致遥远的星系加速远离我们,天文学家将其称之为“暗能量”。这种神秘的暗能量可能是宇宙常数,它也许会改变宇宙的命运,导致宇宙大撕裂。

大撕裂中的膨胀超过所有其他力,那它可能是我们宇宙的未来吗?赞成或反对的理由是什么?如果会发生大撕裂,它将如何展开,会发生什么?

当我们观察遥远的宇宙时,我们发现它充满了光发射和吸收源。有恒星、星系、类星体、星系群和一个巨大的宇宙结构网;还有尘埃、中性气体、离子化等离子体、暗物质以及结构之间巨大的宇宙空洞;有各种各样类型的辐射;有中微子、还有黑洞。

如果把所有这些加起来,它只占宇宙总能量的三分之一,我们所知的受引力作用的“物质”是宇宙中实际存在的一小部分。通过宇宙的膨胀历史,天文学家了解到这一点。大约在60亿年前,遥远的星系开始加速远离我们,也就是说宇宙在加速膨胀。根据我们对它们现在运动的观察,以及对宇宙微波背景、大规模结构和其他迹象的观察,我们已经确定宇宙的68%是由暗能量组成。

与物质和辐射不同,这种能量密度似乎不会随着宇宙空间的膨胀而下降。随着宇宙体积增加,物质变得越来越稀疏,辐射也会红移至更长,能量更少的波长,而暗能量是空间本身固有的能量。随着新空间的产生,暗能量密度保持不变。

从理论上讲,这让我们可以预测宇宙的命运。如果暗能量真的是一种恒定的能量,不随宇宙膨胀而改变,那么宇宙就会永远膨胀下去。哈勃膨胀率将接近于一个恒定的有限值,约为70 km/s/Mpc。随着遥远的星系越来越远,从10 Mpc(Mpc为百万秒差距,1Mpc等于326万光年)到100 Mpc到1 Gpc(Gpc为十亿秒差距),退行速度将上升到700 km/s,7000 km/s,然后是70000 km/s。

就我们目前的观察结果来看,宇宙将继续以这种恒定速度在未来继续加速膨胀。宇宙的宿命应该会是寒冷、空荡和孤独的,只有那些如今已经被引力束缚的天体才会保持一定距离,不会被分开。

这种情况是假设暗能量是一个真正的宇宙常数,假定它在强度和密度上不会增加或减少,不会改变符号,而且不会在空间中变化。我们有合理的证据证明这是事实,主要是通过观察星系是如何在最大尺度上聚集的。

但是即使有了最好的观测结果,我们也不能确定暗能量是宇宙常数。它可以随着时间推移而变化,不超过一定数量上增加或减少。我们量化暗能量可以变化多少的方式是用一个叫做w的参数,如果恰好w=-1,它就是一个宇宙常数。从观察上看,w=-1.00±0.08左右。我们完全有理由相信它的值是-1。

如果暗能量不是一个常数,那么它的变化方式有两种主要的可能性。如果随着时间推移,w朝正数发展,那么暗能量就会失去力量,甚至有可能逆转它的符号。如果是这样的话,宇宙将停止加速,膨胀速率将降至零。如果它的符号逆转,宇宙甚至可能会再次坍缩,注定要发生宇宙大收缩。

没有明确的证据表明会发生上述情况,但是像大口径全景巡天望远镜(LSST)、广域红外巡天望远镜(WFIRST)和欧几里得探测器(EUCLID)这样的下一代望远镜应该能够测量w至精确度为1%到2%,比我们目前提高很多。这些天文台在本世纪20年代应该都会开始工作,欧几里得探测器计划首先投入使用,它将于2021年发射。

当然总有一种可能,w随着时间推移会变得越来越负,在-1以下,并保持在那里。如果是这样的话,就会发生一些奇妙的事情,宇宙将经历一个被称为大撕裂的命运。

如果暗能量真的是恒定的,那么,太阳系、银河系,甚至是我们的本星系群(由银河系、仙女座、三角座星系、麦哲伦星云和几十个小矮星系组成)在数万亿年后的遥远未来也会在引力的作用下结合在一起。

但是如果暗能量的力量增加了,即如果w<-1,那么加速率不仅使遥远的星系远离我们,还会导致这些大规模的结构随时间推移而变得不受引力束缚。随着时间的推移,暗能量将变得越来越强,这将对构成我们今天宇宙所有事物的命运产生可怕的后果。

当暗能量的能量密度增加到现在的十倍时,它就足以阻止银河系与仙女座星系合并。这个“大撕裂”场景将会把我们的邻近星系从我们身边赶走,就像宇宙中所有其他遥远的星系一样。同样消失的还有三角座星系和绝大多数其他的矮星系。但这不是结束,暗能量的力量将继续增加。

暗能量的能量密度提高到其当前值的100倍,银河系外围的恒星将开始从我们的星系中飞离。空间膨胀的度规将能够克服我们本地所有物质的引力,无论是正常物质还是暗物质。

如果暗能量的强度增加到现在值的200或300倍,我们的太阳就会和那些银河系外围恒星一起从银河系中被分离出来。我们的太阳系将孤独地穿越星系际空间。

但这不会是大撕裂的终极结局。如果暗能量的能量密度将继续上升,最终,这将不仅威胁到我们太阳系的存在,还有宇宙中的每一个恒星系统。当暗能量变得足够强时,包括地球在内的太阳系天体都会脱离太阳的引力束缚。

奥尔特云将先离开,然后是离散盘和柯伊伯带,接着是海王星、天王星、土星和木星。小行星带会紧随其后,其次是火星。当暗能量密度达到现在值的1000亿倍时,地球就会被扔出轨道。

最后,在地球上,终极灾难将降临到任何一个被遗留的人身上。随着暗能量密度继续增加到无限量,人类将与地球引力分离,单个细胞、分子、原子和原子核将被分裂。据推测,甚至是时空本身的基本结构最终也会被撕裂。

值得庆幸的是,由于现今暗能量的约束值,w=-1.00±0.08,我们还有时间。如果宇宙最终会以大撕裂结束,那将是800亿年后才会降临到我们身上的终极命运,几乎是现在宇宙年龄的六倍。星系之间的束缚解脱,是通往大撕裂的第一步,但这最快也要在几百亿年后才会发生。

据我们所知,没有任何强有力的数据支持暗能量的增加。然而可以肯定的是,无论证据表明什么,在本世纪20年代,我们将以史无前例的精度测量出暗能量参数,希望地球、太阳、银河和本星系群都能安然无恙地从这一命运中走出来。虽然不排除大撕裂,但至少在未来很长一段时间内不会发生。

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