Конец Вселенной может наступить «гораздо раньше, чем ожидалось», предупреждают астрономы
Вселенная, которую часто считают местом вечной космической стабильности, вместо этого может находиться на медленном, но неотвратимом пути к распаду, который может наступить гораздо раньше, чем считалось ранее.
В новом исследовании, в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, физики из Университета Радбоуда (Нидерланды) приводят убедительные доказательства того, что даже самые устойчивые звездные остатки, такие как нейтронные звезды и белые карлики, не застрахованы от испарения в результате образования гравитационных пар.
Это открытие может пересмотреть наши представления о далеком будущем космоса и стабильности самой материи.
«Окончательный конец Вселенной наступит гораздо раньше, чем ожидалось», — сказал в своем заявлении ведущий автор работы, профессор радиоастрономии и физики астрочастиц Университета Радбоуда доктор Хайно Фальке. «Но, к счастью, это все еще занимает очень много времени».
Потрясение основ долголетия и космического распада
До сих пор преобладала теория, согласно которой только черные дыры в конечном итоге испаряются за невообразимые периоды времени благодаря излучению Хокинга - явлению, при котором квантовые флуктуации вблизи горизонта событий создают частицы, медленно истощающие массу черной дыры. Для сравнения, нейтронные звезды и белые карлики считались фактически вечными, а их плотная материя - стабильной на космологических временных масштабах.
Однако исследователи из Университета Радбауд оспаривают эту точку зрения. Используя передовую ковариантную теорию возмущений, они рассчитали, как гравитационная кривизна (а не наличие горизонта событий) может создавать виртуальные пары частиц, которые не аннигилируют, а уносят энергию, медленно уменьшая массу даже у объектов без горизонта.
Проще говоря, экстремального искривления пространства-времени вокруг сверхплотных объектов достаточно, чтобы разорвать пары виртуальных частиц, превратив их в реальные частицы, которые уходят в космос.
Этот эффект, аналогичный известному эффекту Швингера в сильных электрических полях, может означать медленную, но неизбежную гибель даже самых, казалось бы, постоянных объектов во Вселенной.
Тикающие часы для звездных остатков
Расчеты команды показали, что временные рамки испарения зависят от плотности объекта, следуя простой, но глубокой зависимости: чем плотнее объект, тем быстрее он распадается.
Нейтронные звезды, плотность которых превышает 10¹⁴ граммов на кубический сантиметр, имеют продолжительность жизни порядка 10⁶⁸ лет. Это примерно сопоставимо с небольшими звездными черными дырами, которые, как когда-то считалось, на огромные периоды переживают нейтронные звезды. Для сравнения, сверхмассивные черные дыры, такие как та, что находится в центре галактики M87, проживут поразительные 10⁹⁶ лет, прежде чем полностью испарятся.
По расчетам команды, последним звездным остаткам, а именно самым плотным белым карликам, потребуется около 10⁷⁸ лет, чтобы полностью испариться — цифра значительно короче, чем ранее предполагаемый верхний предел в 10¹⁰⁰ лет, предложенный более ранними моделями.
Эта корректировка знаменует собой значительное уточнение в нашем понимании космического долголетия, указывая на то, что даже самая долговечная материя во Вселенной рано или поздно исчезнет.
Однако эти цифры — не просто мрачный долгосрочный прогноз. Они устанавливают верхнюю границу того, как долго материя может существовать в любой форме, прежде чем будет возвращена квантовой тканью пространства-времени.
Интересно, что, согласно исследованию, когда нейтронные звезды и белые карлики достигнут критической точки в потере массы, они могут катастрофически дестабилизироваться, что закончится взрывным выбросом высокоэнергетических частиц и нейтрино. Хотя это событие лежит немыслимо далеко в будущем, оно предлагает дразнящее теоретическое окно в последний фейерверк умирающей Вселенной.
Последствия для космического распада в нашей Вселенной
Хотя прямое наблюдение за этим процессом, скорее всего, невозможно, его последствия распространяются на такие разные области, как квантовая гравитация, космология и даже спекулятивная теория мультивселенной.
Исследование предполагает, что никакие стабильные объекты с плотностью выше примерно 3×10⁵³ граммов на кубический сантиметр не могли сохраниться до наших дней. Этот порог плотности фактически исключает возможность выживания гипотетических реликтов планковского масштаба из предыдущей вселенной.
Более того, эта концепция может вдохновить на новые размышления о космическом информационном парадоксе и конечной судьбе данных, закодированных в материи. Механизм также позволяет обойти необходимость распада протонов — гипотетического процесса, который никогда не наблюдался в лабораторных условиях, — чтобы объяснить, как барионная материя может в конечном итоге исчезнуть.
Кроме того, эта работа подкрепляет предположения о том, что «ископаемые» нейтронные звезды из предыдущего космического цикла могли бы существовать, если бы они были каким-то образом защищены от этого процесса распада. Однако исследователи признают, что даже если бы такие объекты существовали, их обнаружение было бы почти непреодолимой проблемой.
«Если бы они существовали, ископаемые нейтронные звезды сейчас росли бы за счет аккреции из межгалактической среды и космического микроволнового фона, а не уменьшались», — пишут исследователи. «Если только какая-то нестабильность не заставит их все-таки претерпеть такой фазовый переход».
Хотя испарение звездных остатков через производство гравитационных пар остается теоретическим и не подтверждается наблюдениями, представленные расчеты предлагают интригующую и внутренне непротиворечивую структуру для предсказания долгосрочной гибели компактных объектов.
Как и оригинальная работа Стивена Хокинга, это исследование раздвигает границы нашего понимания того, как квантовые эффекты взаимодействуют с гравитационными явлениями. Оно также подчеркивает возможности современных теоретических инструментов для исследования космических временных масштабов, которые находятся далеко за пределами досягаемости экспериментов.
Хотя надежда на прямое измерение этого эффекта невелика, авторы исследования надеются, что их работа послужит теоретическим маяком, который поможет нам ориентироваться в неизведанном будущем космоса.
«Задавая подобные вопросы и рассматривая экстремальные случаи, мы хотим лучше понять теорию и, возможно, однажды разгадаем тайну излучения Хокинга», — сказал соавтор работы, профессор математики Университета Радбоуда доктор Вальтер ван Суйлеком.