2. Конечные этапы эволюции Вселенной

Соотношение между плотностью вещества _â и критической плотностью _ê определяет судьбу Вселенной. Если _âê, то Вселенная будет расширяться все время, е¸ объем будет возрастать неограниченно. Такую Вселенную называют открытой. Если _â>_ê, то гравитационное притяжение будет замедлять расширение и оно, в конце концов, прекратится, сменившись постепенно ускоряющимся сжатием. Размеры Вселенной в этом случае будут конечными. Такую Вселенную называют закрытой (рис. 15.3).

Ðèñ. 15.3

Мы еще не знаем, какова Вселенная, открытая или закрытая. Критическая плотность _ê10^-29 ã/ñì³, а средняя плотность вещества Вселенной (включая скрытую материю) _â10^-30-10^-29 ã/ñì³. Более точный учет скрытой материи может привести к соотношению _â>_ê. Такой (небарионной) ненаблюдаемой материей могут быть, например, нейтрино или неизвестные слабо взаимодействующие массивные частицы, предсказываемые суперсимметричными версиями Стандартной Модели. Другими (барионными) видами такой трудно наблюдаемой материи могут быть большие планеты (типа Юпитера) или очень маленькие звезды, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза (они слабо светятся за счет освобождающейся гравитационной энергии), или маленькие черные дыры, оставшиеся от эпохи горячей Вселенной.

Реальная плотность вещества Вселенной _â определяет геометрию пространства - е¸ кривизну C (или радиус кривизны L=). Общая теория относительности дает для радиуса кривизны следующую формулу

, (15.3)

где c - скорость света, а H - постоянная Хаббла. Если _â=_ê, то L=, а C=0. Пространство в этом случае плоское, а геометрия такого пространства Евклидова. Если _â>_ê, кривизна пространства положительна и радиус кривизны L конечен. При _â<_ê, радиус кривизны L тоже конечен (и мнимый), а кривизна C отрицательна.

Наглядно представить “кривое” (неевклидово) трехмерное пространство невозможно, поэтому приходится для иллюстрации обращаться к двумерным объектам - поверхностям. Евклидова геометрия в двумерном варианте отвечает плоскости. Кратчайшими (т.е. геодезическими) линиями на плоскости являются прямые, а сумма углов треугольника, образуемого геодезическими линиями на плоскости, строго равна (180^o).

Пусть теперь двумерной поверхностью будет сфера (рис. 15.4а). Геодезическими (кратчайшими) линиями на сфере являются дуги больших кругов (меридианов). Очевидно, сумма углов треугольника, образованного на сфере тремя такими дугами, будет больше (следствие выпуклости сферы). На седлообразной (вогнутой) поверхности (рис. 15.4б) сумма углов треугольника будет меньше . Чисто геометрически кривизну в данной точке поверхности определяют следующим образом

, (15.4)

где ™™™ - сумма углов треугольника, а S - его площадь (S0). При этом радиус кривизны . Сферическая (выпуклая) поверхность имеет положительную кривизну, седлообразная (вогнутая) - отрицательную, а плоская - нулевую.

à	á

Ðèñ. 15.4

Если наш мир и неевклидов, то в среднем чрезвычайно мало от него отличается. Пусть, например, его плотность _â=2_ê, тогда из (15.3) имеем L 310⁹ парсек 10²³ км. Очевидно “почувствовать” столь ничтожную искривленность Вселенной в целом невозможно (локальная искривленность вблизи, например, черной дыры может быть большой).

Если Вселенная положительно искривлена, т.е. является закрытой, то е¸ ждет остановка расширения и сжатие в точку (рис.15.3). Что последует за этим? Может быть новый Большой Взрыв. Таким образом, закрытая Вселенная возможно является циклической (или пульсирующей) - рис. 15.5.

Ðèñ. 15.5

Даже если наша Вселенная - закрытая, то (учитывая, что никаких признаков быстрого замедления нет) до начала е¸ сжатия по меньшей мере десятки миллиардов лет.

Рассмотрим, что произойдет со Вселенной, если она открыта. Сначала погаснут звезды. Так Солнце через 5 млрд лет превратится в белый карлик. Ещ¸ раньше погаснут более массивные звезды, превратившись в нейтронные звезды и черные дыры. Звезды менее массивные, чем Солнце, проживут дольше. Процесс образования новых звезд происходит и в наше время. Однако наступит эпоха, когда новые звезды не будут рождаться. Запасы ядерной материи, из которой может возникнуть звезда, будут исчерпаны. Звездный этап Вселенной завершится через 10¹⁴ ëåò.

Через 10¹⁸-10¹⁹ лет прекратят сво¸ существование галактики. Около 90% звездной материи галактик будет рассеяно в межгалактическом пространстве, а около 10% будет затянуто в черные дыры. Последние также будут сливаться и, в конце концов, на месте каждой галактики останется одна сверхмассивная черная дыра.

Рассеянная в пространстве ядерная материя исчезнет за счет распада внутриядерных нуклонов, вызванного переносчиками сил Великого объединения - бозонами X и Y (Лекция 13). Этот процесс закончится через 10³³-10³⁵ лет. Продуктами распада нуклонов являются электроны, позитроны, фотоны и нейтрино. Из-за крайней разреженности вещества к этому моменту электроны и позитроны не будут аннигилировать.

В конце концов из “тяжелых” объектов во Вселенной останутся только сверхмассивные галактические черные дыры. Они будут сливаться, образуя ещ¸ более массивные супергалактические черные дыры. И, наконец, сами эти черные дыры будут испаряться. Этот процесс крайне медленный и завершится через 10¹⁰⁰ лет. При этом во Вселенной останется, главным образом, сильно разреженный газ электронов, позитронов, фотонов и нейтрино.