Примерно через 5 миллиардов лет Солнце умрет, и Земля вместе с ним. Примерно в то же время (плюс минус миллиард лет) Туманность Андромеды, которая уже приближается к нам, столкнется с нашим Млечным Путем. Но будет ли Вселенная вечно расширяться? Или же весь небосвод в конце концов сколлапсирует и будет раздавлен, и все в мире постигнет та же судьба, что и неосторожного астронавта, упавшего на черную дыру?
Ответ зависит от того, насколько космическое расширение будет замедлено гравитационным притяжением, которое каждое тело оказывает на все окружающее. Легко вычислить, что расширение может быть остановлено, если в среднем в каждом кубическом метре пространства содержится около пяти барионов - это так называемая критическая плотность. (Барион - это общий термин для протонов и нейтронов, тяжелых составляющих всех атомов.) Это не кажется очень большой плотностью. Но если разобрать все галактики и равномерно размазать все содержащиеся в них звезды и газ в пространстве, то получится еще более пустой вакуум - один барион на 10 кубических метров. Добавим к этому вещество диффузного межгалактического газа, которого, по-видимому, примерно столько же - и полученная плотность составит 0.2 бариона на кубический метр.
Это в 25 раз меньше критической плотности, что на первый взгляд означает вечное расширение. Но в действительности ситуация не такая однозначная. Астрономы обнаружили, что галактики и даже целые скопления галактик распались бы, если бы их не удерживало гравитационное притяжение вещества, масса которого от 5 до 10 раз больше видимого вещества. Это знаменитая загадка "темной материи".
Есть много кандидатов на роль темной материи. Ранние идеи включали очень слабые звезды (известные как "коричневые карлики"), или остатки массивных звезд. Однако большинство космологов предполагает, что темное вещество состоит не из барионов, а из экзотических частиц, оставшихся после Большого взрыва.
Для этого есть два основания. Во-первых, содержание гелия и дейтерия, рассчитываемое в рамках модели Большого взрыва, чувствительно к барионной плотности и не будет согласовываться с наблюдениями, если средняя барионная плотность будет равна, скажем, 1 или 2, а не 0.2 на кубический метр. Дополнительное темное вещество в экзотических частицах, которые не участвуют в ядерных реакциях, однако, не нарушит согласия, которое достигается при плотности барионов 0.2 на кубический метр.
Во-вторых, образование галактик трудно объяснить, если вся их масса является барионной. Небарионное вещество может более эффективно скучиваться в ранней Вселенной, потому что оно не испытывает противоположного воздействия давления излучения. Если бы Вселенная состояла только из барионов, трудно было бы согласовать ее настоящее структурированное состояние с малыми амплитудами первоначальных флуктуаций, определяемыми по анизотропии реликтового излучения.
Загадка темной материи может не выдержать атаки с трех направлений:
1. Прямое обнаружение. Поиск кандидатов в темное вещество, включающих тяжелые нейтральные частицы и аксионы, ведется в подземных лабораториях с чувствительными детекторами.
2. Прогресс в физике элементарных частиц. Если бы мы больше знали о типах частиц, которые могли существовать в сверхранней Вселенной, мы могли бы надежно вычислить, сколько их должно пережить первые микросекунды Большого взрыва и сколько темной массы они могут образовать.
3. Моделирование образования галактик и крупномасштабных структур. Когда и как галактики формируются и образуют скопления, зависит от того, что является доминирующим источником гравитационных сил. Возможно моделировать формирование галактик на компьютере, делая различные предположения о темной материи. Если одно из предположений даст результат, который будет лучше других соответствовать реальным галактикам, это будет по крайней мере подкрепляющим свидетельством в пользу одного из вариантов.
Космологи обозначают отношение действительной плотности к критической как . Наверняка темного вещества достаточно, чтобы = 0.2. До недавнего времени мы не могли исключить, что вещества в пространстве между скоплениями галактик в несколько раз больше, и значение = 1 вполне допустимо. Сейчас кажется, что атомы и темное вещество вместе дают не более 30% критической плотности.
Конечно, мы не можем знать, что произойдет в будущем: может появиться новая физика, и не наблюдаемые пока области Вселенной могут существенно отличаться от той ее части, которую мы видим. Но с этими оговорками, все же больше шансов в пользу вечного расширения. Галактики будут рассеиваться и угасать, так как все их звезды умрут и вещество окажется заключенным в белых карликах, нейтронных звездах и черных дырах.
