Dunkles Zeitalter des Universums, wenn alle Fusionsprozesse aufhören?

Nachfolgend habe ich einige Referenzen aufgelistet. Das nützlichste allgemeine Übersichtspapier ist Adams 1997, außer dass es vor der Entdeckung der Dunklen Energie liegt. Es gibt auch einen Wikipedia-Artikel .

Wird es einen Tag geben, an dem das Universum komplett dunkel wird, wenn alle Sterne ausbrennen?

Ja. Der von Hauptreihensternen verbrannte Wasserstoffbrennstoff nimmt mit der Zeit nur ab und wird nie wieder aufgefüllt. Ein Teil des Wasserstoffs wird dauerhaft für die Sternentstehung nicht verfügbar sein, zB in Gasriesen. Die letzten brennenden Sterne werden wahrscheinlich sehr kleine, schwache „eingefrorene Sterne“ sein, die nur wegen des hohen Anteils an schweren Elementen existieren können (Adams, S. 8). Von$10^{14}$Jahren (möglicherweise früher) wird jegliche Sternentstehung aufgehört haben und sich alle Sterne zu degenerierten Objekten entwickelt haben (Adams, S. 9).

Kollidieren schließlich alle gekühlten Körper aufgrund von Gravitationskräften?

Nein. Die Schwerkraft lässt Dinge normalerweise nicht kollidieren, sie bringt sie dazu, sich gegenseitig zu umkreisen. Auf Zeitskalen von$10^{19}$Jahr werden die meisten Sterne aus der Galaxie ausgestoßen (Adams, S. 12). (Ich fand dies aufgrund der Energieerhaltung kontraintuitiv, aber bei einer Gravitationswechselwirkung gibt es keine Untergrenze für die negativen potenziellen Energien, die Sie erreichen können, also unterscheidet es sich von einem Gas aus Atomen.) Eine Minderheit von Sternen wird nicht ausgestoßen und kann entweder zufällige Kollisionen (mit einer Zeitskala von$10^{22}$Jahre für Braune Zwerge oder viel länger für entartete Sterne) oder wandern allmählich auf Zeitskalen von in Richtung des galaktischen Kerns$10^{24}$yr aufgrund der Dissipation von Energie in Gravitationswellen (Adams, S. 13). Am Ende werden etwa 1-10 % der Sterne vom zentralen Schwarzen Loch gefressen, während der Rest der Galaxie entkommt (Adams, S. 17).

Werden Schwarze Löcher irgendwann das Universum beherrschen?

Nein. Wie oben beschrieben, enden die meisten Sterne als Braune Zwerge, Weiße Zwerge oder Neutronensterne, die aus ihren Galaxien ausgestoßen werden. Ein Körper wie ein Brauner Zwerg wird nach und nach seine Atome an das interstellare Medium abgeben. Aufgrund einiger kontraintuitiver Thermodynamik werden diese Atome wahrscheinlich schließlich spontan ionisiert (Baez 2004). Baez gibt ein allgemeines Argument, das die kosmologische Umgebung berücksichtigt, aber um die Grundidee zu verstehen, gefällt mir das folgende Argument von Peierls 1979. Nehmen Sie ein Gas aus Wasserstoffatomen. Die Summe$Z=\Sigma_{n=0}^\infty e^{-\beta E_n}$divergiert, also in der Grenze niedriger Konzentration, wo$n$beliebig hoch werden kann, ist die Wahrscheinlichkeit für jeden diskreten Zustand null. Obwohl die Temperatur mit der Zeit ebenfalls sinkt, erreicht sie eine endliche Grenze, die durch die mit dem kosmologischen Horizont verbundene Hawking-Strahlung festgelegt wird.

Diese Ionisierung verwandelt unsere toten Sterne in eine Population von ungebundenen massiven Teilchen, was zu der Population solcher Teilchen hinzukommt, die einfach nie einem Gravitationskollaps in einen makroskopischen Körper unterzogen wurden. (Wenn es einen Protonenzerfall gibt, verändert er dieses Bild etwas, z. B. entwickeln sich Neutronensterne auf bestimmte Weise, aber das Endergebnis sollte dasselbe sein.)

Zusätzlich zu diesen Teilchen haben wir eine Population von Schwarzen Löchern. Auf ausreichend langen Zeitskalen verdampfen diese zu einer Vielzahl von Teilchen, von denen die zahlreichsten Photonen sind (aber jede mögliche Art von Teilchen wird durch Hawking-Strahlung erzeugt).

Wir haben also jetzt ein Universum, dessen einzige Bewohner verschiedene einzelne Teilchen sind: Photonen plus massive Teilchen. Wenn sich das Universum um einen Skalierungsfaktor ausdehnt$a$, die Masse-Energie-Dichte aufgrund von Photonen fällt ab als$a^{-4}$, während die Masse-Energie-Dichte aufgrund von materiellen Partikeln geht wie$a^{-3}$. Der Exponentenunterschied liegt darin, dass Photonen kosmologisch rotverschoben werden. Dadurch werden die Photonen schließlich zu einer vernachlässigbaren Komponente in Bezug auf ihren Beitrag zur Masse-Energie-Dichte.

Die Beschleunigung der kosmologischen Expansion führt dazu, dass die massiven Teilchen (wahrscheinlich hauptsächlich dunkle Materie, Neutrinos sowie Elektronen und Positronen) innerhalb ihres eigenen kosmologischen Horizonts landen, sodass sie nicht mehr interagieren können.

Sie können eine gewisse Variation in der obigen Geschichte erhalten, wenn Sie ungewöhnliche Annahmen über die Zustandsgleichung für dunkle Energie machen. Baez zum Beispiel scheint implizit davon auszugehen, dass dunkle Energie wie eine kosmologische Konstante wirkt, was derzeit die konservativste Interpretation ist. Aber zB ist es unter anderen Annahmen möglich, ein " Big Rip "-Szenario zu haben.

Es scheint eine große Anzahl von Menschen im Internet zu geben, die glauben, dass das Universum der fernen Zukunft nur noch aus Photonen bestehen wird, da alle Materie durch Schwarze Löcher und Hawking-Strahlung recycelt worden sein wird. Die obige Analyse zeigt, dass dies einfach nicht wahr ist, aber dieser Volksglaube scheint das Volksbewusstsein genauso fest im Griff zu haben wie andere falsche Faktoide wie die der Eskimos$n$Wörter für Schnee oder der Glaube, dass Menschen täglich acht Gläser Wasser trinken sollten. Ein Grund, warum wir sehr sicher sein können , dass die Behauptung über Photonen nicht wahr ist, ist, dass Roger Penrose ein sehr kluger Kerl ist und er eine Theorie namens konforme zyklische Kosmologie (CCC) hatte, die nur realisierbar zu sein schien, wenn er einen Weg dazu finden könnte Lassen Sie in ferner Zukunft alle Materie in Photonen recyceln. Dies gab ihm die größtmögliche Motivation, nach Mechanismen zu suchen, um dies zu erreichen, und nach beträchtlichen (publizierten) Bemühungen scheiterte er.

Adams und Laughlin, „A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects“, 1997, http://arxiv.org/abs/astro-ph/9701131

Baez, J., 2004, „Das Ende des Universums“, http://math.ucr.edu/home/baez/end.html

Dyson, Zeit ohne Ende: Physik und Biologie in einem offenen Universum, Reviews of Modern Physics 51 (1979), S. 447–460, doi:10.1103/RevModPhys.51.447.

Freese und Kinney, 2002, Das ultimative Schicksal des Lebens in einem sich beschleunigenden Universum, http://www.arxiv.org/abs/astro-ph/0205279

Hu, Hawking-Strahlung vom kosmologischen Horizont in einem FRW-Universum, http://arxiv.org/abs/1007.4044

Krauss und Starkman, 1999, Life, The Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever-Expanding Universe, http://arxiv.org/abs/astro-ph/9902189

Peierls, Überraschungen in der Theoretischen Physik, Abschnitt 3.2

Es ist wahr, dass alle Sterne ausbrennen werden und dass die Sternentstehung irgendwann aufhören wird. Zu diesem Zeitpunkt werden natürlich noch Photonen im Universum herumlaufen, aber aufgrund der kosmologischen Expansion werden diese im Radio rotverschoben und auf sehr, sehr niedrige Energien, während ihre Anzahldichte ebenfalls sinkt (die Energie Die Photonendichte hängt vom Skalierungsfaktor ab$a$als$\propto a^{-4}$, wo die Materiedichte nur abfällt$\propto a^{-3}$). Ob das Universum also vollständig "dunkel" wird, ist eine Frage der Definition, aber für alle praktischen Zwecke wird es definitiv vollständig dunkel.

Aber das Universum dehnt sich mit einer sich beschleunigenden Expansionsrate aus. Das bedeutet, dass unser kosmologischer Ereignishorizont – die Grenze, jenseits derer jedes Ereignis, das jetzt passiert, niemals beobachtbar sein wird, auch wenn wir vielleicht noch vergangene Ereignisse aus dieser Entfernung sehen können – in sich mitbewegenden Koordinaten näher an uns heranrückt. Die Folge ist, dass alle gravitativ ungebundenen Strukturen schließlich in jeweils ihrem eigenen kleinen Fleck des Universums isoliert werden, jenseits dessen sie die Entfaltung der Geschichte nur bis zu einem bestimmten Punkt in der Vergangenheit sehen können. Abhängig von der Beschleunigungsrate der kosmologischen Expansion kann dies sogar Galaxienhaufen oder sogar einzelne Galaxien (oder ihre ausgebrannten Chars) zerreißen.

Atomare Materie

Unabhängig von der Größenordnung werden wir mit isolierten Materieinseln enden, die schließlich, wenn sie massiv genug sind, zu Schwarzen Löchern verschmelzen , möglicherweise einigen supermassereichen. Diese Materie wird entweder zu Schwarzen Löchern verschmelzen oder durch eine lange Kette von Zerfallsmechanismen verdampfen und frei schwebend werden Elektronen oder Positronen. Aber um auf den obigen Kommentar von @udiboy einzugehen, wird es aufgrund der Anwesenheit so vieler schwarzer Löcher wahrscheinlich keine neue Physik geben, da sich ihre zukünftigen Lichtkegel nicht überlappen und sie sich nicht gegenseitig beeinflussen können.

Aber selbst diese Schwarzen Löcher werden auch als Hawking-Strahlung verdampfen und schließlich eine sehr, sehr verdünnte, gravitationsungebundene Suppe aus Elektronen, Positronen, Neutrinos und sehr langwelligen Photonen zurücklassen. Laut dieser Antwort auf eine ähnliche Frage wird der Abstand zwischen einzelnen Teilchen größer sein als die aktuelle Größe des beobachtbaren Universums. Das Universum wird effektiv kalt, dunkel und fast ausschließlich aus dunkler Energie bestehen.

Nicht-atmische Materie

Aber das ist nur gewöhnlich. Andere Beiträge zur Materiedichte sind Dunkle Materie und Neutrinos. Neutrinos bilden sich nur herum$\lesssim 0.4 \%$der Materie-Energie-Dichte des Universums, aber während sie zwischen ihren Geschmacksrichtungen oszillieren, scheinen sie nicht in andere Formen von Materie zu zerfallen, also sollten sie immer noch da sein, wenn alle Schwarzen Löcher verdampft sind. Was die Dunkle Materie betrifft, wissen wir nicht wirklich, wie sie funktioniert, daher gibt es einige Unsicherheiten. Das am häufigsten favorisierte Modell ist eine Art WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), die ihre eigenen Antiteilchen sind und daher vernichten können, wenn sie zufällig kollidieren, was offensichtlich sehr, sehr selten passieren würde, da wir keine signifikante Dunkle Materie messen glühen mit unseren aktuellen Instrumenten. Es wurde vorgeschlagen (siehe das oben von @BenCrowell vorgeschlagene Papier), dass es Mechanismen geben könnte, bei denen Weiße Zwerge und Neutronensterne als eine Art Katalysator für das Einfangen und die Vernichtung von Dunkler Materie dienen. ähnlich wie Staubkörner zu Katalysatoren für die Bildung von Molekülen im ISM werden können. Aber da die Kollisions- und damit Zerfallsrate von DM so extrem niedrig ist (wenn es sich überhaupt selbst vernichten kann) und da der NS- und WD-Katalysator nur ein vorübergehendes Phänomen wäre, zwischen dem alles auseinandergerissen wird, denke ich, dass dies sicher ist gehen davon aus, dass Dunkle Materie noch sehr lange die Materiedichte des Universums dominieren wird.

Vakuum/Dunkle Energie$\rightarrow$neue Inflation?

Einige Leute (darunter Andrei Linde, Max Tegmark und Alan Guth) haben spekuliert, dass Regionen in diesem Vakuum/Dunkelenergie-Universum schließlich die Zustandsgleichungen für Dunkle Energie oder Vakuum (falls das nicht dasselbe ist) ändern und zerfallen könnten in ein inflationäres Feld, wodurch neue "Blasenuniversen" in diesem riesigen, leeren Universum geboren werden. Tatsächlich geschieht dies gemäß der Hypothese der ewigen Inflation bereits ständig in einem riesigen, vakuumgefüllten Universum (oder tatsächlich einem Level-II-Multiversum ), und was wir als „Das Universum“ wahrnehmen, ist nur ein solches „ inflationäre Blase" aus unzähligen, wenn nicht unendlich vielen, die sich schließlich glätten und eins werden wird mit dem Vakuum, aus dem sie entstanden ist,