1.4. Вселенная в будущем

Будущее Вселенной определяется ее геометрией и свойствами темной энергии.

Мы увидим, что вклад пространственной кривизны в эффективную плотность энергии обратно пропорционален квадрату масштабного фактора. Поэтому для расширяющейся Вселенной с ненулевой пространственной кривизной наступит такой момент, когда вклад кривизны в энергию станет доминировать над вкладом нерелятивистской материи.

В перспективе конкурировать будут вклады пространственной кривизны и темной энергии. Если последняя зависит от времени, и в далеком будущем достаточно быстро произойдет ее релаксация до нуля, то для Вселенной с положительной кривизной (замкнутая Вселенная) расширение начнет постепенно замедляться, потом сменится сжатием, и жизнь Вселенной завершится коллапсом. Для Вселенной с отрицательной кривизной (открытая Вселенная) расширение будет продолжаться вечно, хотя его темп будет постепенно замедляться. Скопления галактик будут все дальше и дальше «разлетаться» друг от друга. Такая же судьба постигнет галактики, не входящие в состав скоплений. Все гравитационно несвязанные структуры исчезнут. Аналогично выглядит судьба пространственно-плоской Вселенной с нулевой темной энергией (правда, расширение в этом случае будет происходить медленнее).

Если же темная энергия не зависит от времени (как это имеет место для энергии вакуума. Мы не обсуждаем здесь возможность фазового перехода во Вселенной, который мог бы изменить баланс между различными составляющими полной энергии и таким образом повлиять на всю дальнейшую космологическую эволюцию.), или эта зависимость слабая, то именно темная энергия и будет определять будущее. Положительная энергия вакуума приведет к экспоненциально раздувающейся Вселенной; Вселенная будет вечно расширяться с постоянным ускорением.

Не исключена и возможность того, что плотность темной энергии в далеком будущем станет отрицательной и постоянной во времени. В этом случае отрицательная темная энергия сначала вызовет замедление расширения Вселенной, а потом и сжатие — эволюция завершится коллапсом.

Если при интерпретации современных экспериментальных данных использовать простейшие космологические модели, то вполне вероятной перспективой является сценарий экспоненциально расширяющейся Вселенной. Действительно, вклад кривизны в эффективную плотность энергии уже сейчас не превышает 2 %, причем он уменьшается с ростом масштабного фактора. Основную роль играет темная энергия, и если ее вклад постоянен во времени, то он и будет поддерживать экспоненциальное расширение. Вселенная будет существовать вечно.

Подчеркнем, что уверенно предсказать судьбу Вселенной в далеком будущем на основании только космологических наблюдений невозможно в принципе. Эти наблюдения позволяют, вообще говоря, выяснить зависимость (или независимость) от времени темной энергии в прошлом, и на их основании о поведении темной энергии ? будущем можно строить лишь более или менее правдоподобные гипотезы. Для предсказания далекого будущего Вселенной необходимо знание природы темной энергии (или, в более широком контексте, природы ускоренного расширения Вселенной в современную эпоху). Можно ли получить такое знание, и если да — то на каком пути, сегодня сказать трудно.

В литературе обсуждается и возможность того, что эффективная плотность темной энергии в будущем будет расти. Если этот рост будет достаточно быстрым, то Вселенную ожидает «большой разрыв» (Big Rip): через конечное время масштабный фактор станет равным бесконечности, взаимодействия между частицами (даже электромагнитные и сильные) будут недостаточны для удержания их в связанном состоянии, и все связанные системы, включая атомы и ядра, развалятся на свои составляющие, которые улетят на бесконечное расстояние друг от друга.

В то же время, сегодня можно достаточно уверенно экстраполировать эволюцию Вселенной на ближайшие 10-20 миллиардов лет. В течение этого времени Вселенная будет расширяться, причем темп ее расширения будет сравним с современным.