Як загине Всесвіт? У науки з’явилися нові підказки

Який фінал насправді чекає на наш Всесвіт? І чому відповідь сьогодні залежить від однієї з найбільших загадок сучасної фізики — темної енергії?

Смерть Сонця за космічними мірками буде лише локальною катастрофою. Колись перестануть народжуватися нові зорі, згаснуть останні червоні карлики, далекі галактики зникнуть за космічним горизонтом, а через неймовірно довгий час можуть випаруватися навіть чорні діри. Але це лише один із можливих варіантів.

Всесвіт може бути розірваний власним розширенням. За сценарієм Великого розриву прискорене розширення зрештою здатне зруйнувати галактики, зоряні системи й навіть атоми. Або ж розширення Всесвіту може зупинитися і змінитися стисканням. Є й зовсім інший варіант — раптовий розпад вакууму. Який із цих сценаріїв найімовірніший, значною мірою залежить від того, що таке темна енергія і чи змінюються її властивості з часом.

Від чого залежить доля Всесвіту

Всесвіту приблизно 13,8 млрд років. Він еволюціонував із дуже гарячого й густого раннього стану і весь цей час розширювався. Одне з головних відкриттів сучасної космології було зроблене наприкінці XX століття, коли дві незалежні групи астрономів досліджували далекі наднові типу Ia. Науковці хотіли визначити, наскільки сильно гравітація сповільнює розширення Всесвіту. Логіка здавалася очевидною: речовина притягується, тому з часом космічне розширення мало б поступово гальмувати.

Проте спостереження показали протилежне. Далекі наднові виявилися тьмянішими, а отже — розташованими далі, ніж передбачали моделі Всесвіту зі сповільненим розширенням. Виявилося, що розширення Всесвіту прискорюється. За це відкриття Сол Перлмуттер, Браян Шмідт і Адам Рісс 2011 року отримали Нобелівську премію з фізики. Причину прискорення пов’язують із невідомою формою енергії, яку назвали темною енергією.

*Розширення Всесвіту не сповільнюється під дією гравітації, як раніше припускали астрономи, а прискорюється. Причину цього явища пов’язують із загадковою темною енергією, властивості якої можуть визначити майбутнє всього космосу.

Раніше вважалося, що майбутнє Всесвіту значною мірою визначає геометрія простору, тобто його загальна кривина, пов’язана із середньою густиною матерії та енергії. За достатньо великої густини гравітація теоретично могла б зупинити розширення та спричинити подальше стискання Всесвіту. За меншої густини розширення мало б продовжуватися необмежено. Але відкриття темної енергії зробило картину складнішою. Сучасні спостереження свідчать, що простір Всесвіту є майже плоским. Однак його подальша еволюція залежить уже не лише від геометрії, а насамперед від поведінки темної енергії.

Ми доволі добре можемо відновити минулу історію розширення Всесвіту. Дивлячись на об’єкти на різних відстанях, а отже — у різні епохи космічної історії, астрономи визначають, як змінювалася швидкість розширення протягом мільярдів років. Проблема виникає тоді, коли потрібно зазирнути у майбутнє. Щоб передбачити долю Всесвіту, потрібно знати, як поводитиметься темна енергія через мільярди, трильйони й значно більші проміжки часу. Чи залишиться вона незмінною? Чи посилиться? Чи, навпаки, ослабне або змінить свої властивості? Фактично космологи змушені екстраполювати відносно короткий відрізок відомої історії Всесвіту на майбутнє, яке може тривати практично безмежно.

Велике замерзання: повільна теплова смерть Всесвіту

Найбільш консервативний сценарій випливає зі стандартної космологічної моделі ΛCDM. У ній Всесвіт складається переважно з темної енергії, холодної темної матерії та звичайної речовини. Темна енергія описується космологічною сталою Λ — тобто її властивості не змінюються з часом. Ця модель дуже добре узгоджується, зокрема, з вимірюваннями космічного апарата Planck, який досліджував реліктове випромінювання. Якщо ΛCDM правильно описує Всесвіт і в дуже далекому майбутньому, на нас чекає Велике замерзання, або теплова смерть.

*Це своєрідна фотографія молодого Всесвіту, зроблена за допомогою космічного телескопа Planck. Різні кольори показують крихітні відмінності температури, які існували приблизно через 380 тис. років після Великого вибуху. Саме з цих неоднорідностей згодом почали формуватися галактики.

Назва «замерзання», утім, трохи вводить в оману. Йдеться передусім про поступове наближення Всесвіту до стану, в якому стає дедалі складніше використовувати енергію для виконання роботи. Це можна дуже спрощено порівняти з гарячою чашкою кави в холодній кімнаті. Поки між кавою та повітрям існує різниця температур, енергія переходить від гарячого до холодного. Коли температури зрівняються, енергія не зникне, але можливостей отримувати з цієї різниці корисну роботу вже не буде. У масштабах Всесвіту цей процес триватиме неймовірно довго.

Спочатку завершиться знайома нам зоряна епоха. Запаси холодного газу, з якого формуються нові зорі, поступово виснажуватимуться. Через трильйони років народження нових світил практично припиниться. Найдовше існуватимуть найменші червоні карлики. Деякі з них можуть світити близько 10 трлн років — у сотні разів довше, ніж Всесвіт існує зараз. Паралельно прискорене розширення дедалі сильніше ізолюватиме гравітаційно незв’язані області космосу.

Важливо, що розширення простору не розтягує все навколо однаково. Якщо темна енергія поводиться як космологічна стала, вона не розірве Землю, Сонячну систему або гравітаційно зв’язану галактику. Натомість далекі галактики віддалятимуться настільки швидко, що їхнє світло зрештою більше не зможе досягти нашої області Всесвіту. Приблизно через 100 млрд років більшість галактик, які ми можемо спостерігати сьогодні, опиняться за межами доступного нам космічного горизонту.

Парадоксально, але астрономи далекого майбутнього можуть знати про Всесвіт менше, ніж знаємо ми. Далекі галактики зникнуть із поля зору. Реліктове випромінювання через розширення Всесвіту зміщуватиметься до дедалі більших довжин хвиль, охолоджуватиметься й ставатиме надзвичайно слабким. Майбутнім цивілізаціям може бути значно важче встановити, що Всесвіт колись перебував у гарячому й густому стані.

Після згасання зореутворення зорі перетворюватимуться на білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри. Галактики повільно перебудовуватимуться: частина зоряних залишків залишатиме їх, а частина падатиме до центральних чорних дір. Але навіть чорні діри, ймовірно, не є вічними. У 1974 році Стівен Гокінг показав, що через квантові ефекти чорні діри можуть випромінювати енергію. Поступово втрачаючи її, вони втрачають і масу. Залежно від маси чорної діри, її випаровування може тривати приблизно від 10⁶⁵ до 10¹⁰⁰ років. Для порівняння, сучасний вік Всесвіту становить лише близько 1,4 × 10¹⁰ років.

Після цього настане те, що часто називають Темною ерою. У просторі залишатимуться фотони з величезними довжинами хвиль, нейтрино, електрони, позитрони та інші частинки. Деякі сценарії також передбачають розпад протонів, однак експериментально його досі не підтверджено. І тут не буде красивої фінальної миті, вибуху чи конкретної секунди, коли Всесвіт «помре». Просто процесів, здатних створювати складні структури й забезпечувати виконання роботи, ставатиме дедалі менше. Теплова смерть — це не стільки смерть у певний момент, скільки практично нескінченне згасання.

Великий розрив: коли розширення руйнує все

Теплова смерть передбачає, що темна енергія залишатиметься приблизно такою, якою ми спостерігаємо її зараз. Але що буде, якщо її властивості змінюються? Для опису темної енергії космологи використовують параметр w — відношення її тиску до густини енергії. Для космологічної сталої він дорівнює −1, а густина темної енергії залишається сталою. Але якщо w < −1, виникає зовсім інша ситуація. З розширенням Всесвіту густина такої темної енергії не зменшується, а зростає. Її називають фантомною темною енергією.

Якщо така поведінка триватиме необмежено, прискорене розширення стане настільки сильним, що почне долати сили, які утримують структури разом. Спочатку розпадатимуться скупчення галактик, потім — окремі галактики, а далі — зоряні системи. За достатньо екстремального сценарію розширення зрештою дістанеться навіть до молекул, атомів та атомних ядер. Цей сценарій називають Великим розривом.

У відомій роботі Phantom Energy and Cosmic Doomsday 2003 року автори показали один із прикладів такого майбутнього для w = −1,5. У цій конкретній моделі Великий розрив мав би відбутися приблизно через 22 млрд років. Руйнування почалося б раніше: приблизно за мільярд років до фіналу розпалися б скупчення галактик, за 60 млн років — Чумацький Шлях, за три місяці — Сонячна система, приблизно за пів години — Земля. В останню мить руйнування дісталося б до атомних масштабів.

Однак ці цифри не є прогнозом чи «календарем кінця Всесвіту». Це лише демонстрація того, що відбувалося б за одного конкретного й доволі екстремального значення параметра w. Доказів того, що темна енергія справді поводиться саме так, сьогодні немає.

Крім класичного Великого розриву, існують і проміжні моделі. Наприклад, у сценарії Малого розриву прискорення триває необмежено, але немає єдиного фінального моменту. З часом воно все одно може руйнувати дедалі міцніше зв’язані структури. У сценарії Псевдорозриву прискорення поступово виходить на певну межу, тому частина структур може бути зруйнована, а частина — вціліти.

Велике стискання: Всесвіт може піти у зворотний бік

Існує й протилежний сценарій. Якщо темна енергія не є сталою і її густина з часом почне достатньо сильно зменшуватися, прискорене розширення може припинитися. У деяких моделях Всесвіт досягає максимальної величини, після чого розширення змінюється стисканням. Галактики, які раніше віддалялися одна від одної, починають зближуватися. Реліктове випромінювання вже не охолоджується, а нагрівається. Густина речовини та випромінювання зростає. Зрештою Всесвіт може стиснутися до надзвичайно гарячого та щільного стану. Це сценарій Великого стискання, або Big Crunch.

У 2025 році троє фізиків дослідили одну з моделей, у якій темна енергія поступово слабшає. У ній розширення Всесвіту припинилося б приблизно через 11 млрд років, а ще через 9 млрд років відбулося б Велике стискання. Такі результати породили гучні заголовки про нібито «визначену дату смерті Всесвіту».

Проте робити такий висновок не можна. Цей термін є результатом конкретної теоретичної моделі. Для інших допустимих параметрів навіть у межах тієї самої роботи отримують інші часові масштаби. Тому Велике стискання сьогодні не вважають найімовірнішим фіналом Всесвіту. Але його не можна повністю відкидати, якщо з’ясується, що темна енергія справді змінюється.

Що відбудеться в самому кінці стискання — окреме питання. У межах класичної загальної теорії відносності воно завершується сингулярністю. Однак деякі моделі квантової космології передбачають Великий відскок: після надзвичайно сильного стискання квантові ефекти можуть запустити нову фазу розширення. У такому випадку смерть одного Всесвіту теоретично могла б стати початком іншого циклу. Поки це лише гіпотеза.

Чому всі знову говорять про DESI

Інтерес до сценаріїв зі змінною темною енергією останніми роками значно зріс через результати DESI — Dark Energy Spectroscopic Instrument. DESI створює масштабну тривимірну карту Всесвіту за розташуванням галактик і квазарів. У їхньому розподілі астрономи шукають сліди баріонних акустичних осциляцій — давніх звукових хвиль, які залишили характерний масштаб у структурі Всесвіту. Цей масштаб можна використовувати як своєрідну «космічну лінійку», щоб визначати, як змінювалося розширення Всесвіту. В одному з аналізів використали майже 15 млн галактик і квазарів, спостережених протягом перших трьох років роботи DESI.

Самі по собі дані DESI добре узгоджуються зі стандартною моделлю ΛCDM. Натяк на щось незвичайне з’являється, коли їх об’єднують з іншими космологічними даними — насамперед вимірюваннями реліктового випромінювання та наднових. Тоді деякі комбінації даних надають перевагу моделям, у яких темна енергія змінюється з часом. Статистична значущість такого результату становила приблизно 2,8–4,2 сигма залежно від використаного набору даних.

*Перед нами не звичайна фотографія космосу, а тривимірна карта розташування мільйонів галактик і квазарів. За їхнім розподілом астрономи можуть визначати, як розширювався Всесвіт протягом мільярдів років. Саме ці вимірювання дали нові підказки про те, що темна енергія, можливо, змінюється з часом.

Сигма в цьому випадку показує, наскільки складно пояснити результат випадковим статистичним відхиленням. У фізиці для оголошення впевненого відкриття зазвичай прагнуть рівня приблизно 5 сигма. Тому говорити про відкриття змінної темної енергії поки зарано.

У липні 2026 року DESI представив новий аналіз світла далеких квазарів. Під час подорожі до Землі це світло проходить крізь хмари міжгалактичного водню. Вони залишають характерні сліди у спектрі — так званий ліс Лайман-альфа. За цими структурами можна досліджувати розширення Всесвіту на дуже великих червоних зміщеннях. У цьому аналізі натяк на змінну темну енергію мав статистичну значущість близько 2,7 сигма, а після додавання даних наднових — приблизно 3,2 сигма. Інтрига зберігається, але до рівня відкриття це все ще не дотягує.

У квітні 2026 року DESI завершив запланований п’ятирічний огляд, під час якого спостеріг понад 47 млн галактик і квазарів. Перші результати повного п’ятирічного аналізу темної енергії очікуються у 2027 році. Саме вони можуть значно прояснити ситуацію.

Але навіть якщо DESI підтвердить, що темна енергія змінювалася протягом космічної історії, це ще не дозволить автоматично передбачити її поведінку через 20 млрд або трильйони років. Спостереження показують нам минуле. Сценарії загибелі Всесвіту потребують екстраполяції фізики далеко у майбутнє. Тому між твердженнями «темна енергія, можливо, еволюціонує» і «Всесвіт стиснеться через 20 млрд років» лежить величезна теоретична прірва.

Розпад вакууму: Всесвіт може не дочекатися свого природного фіналу

Велике замерзання, розрив і стискання мають дещо спільне: у всіх цих сценаріях Всесвіт продовжує еволюціонувати протягом надзвичайно тривалого часу. Але квантова фізика залишає ще одну можливість. Всесвіт може не дочекатися жодного із цих фіналів.

У квантовій теорії поля вакуум — це не просто порожній простір. Навіть за відсутності реальних частинок квантові поля нікуди не зникають і перебувають у певному енергетичному стані. Уявімо кульку, яка лежить не на самому дні долини, а у невеликій западині на схилі. Вона може залишатися там надзвичайно довго і здаватися цілком стабільною, хоча десь існує нижчий енергетичний стан. Аналогічний стан квантового поля називають метастабільним, або хибним вакуумом. Теоретично він може перейти у стан з нижчою енергією — це явище називають розпадом вакууму.

*Синя крива показує різні енергетичні стани вакууму, а зелені кульки — його можливі положення. Ліворуч вакуум перебуває у відносно стабільному стані, хоча існує ще нижчий енергетичний рівень праворуч. Завдяки квантовому тунелюванню вакуум теоретично може перейти в цей нижчий стан навіть без подолання енергетичного бар’єра звичайним способом. Такий перехід міг би докорінно змінити фізичні властивості простору.

Якщо наш вакуум є метастабільним, у певному місці теоретично може виникнути бульбашка стану з нижчою енергією. Вона почне розширюватися, змінюючи стан вакууму навколо себе. Усередині такої області властивості частинок і фундаментальних взаємодій можуть відрізнятися від звичних нам настільки, що матерія у сучасному вигляді, ймовірно, просто не зможе існувати.

Однак важливо не перетворювати цю можливість на сенсацію. Ми не знаємо напевно, чи є вакуум нашого Всесвіту стабільним або метастабільним. Відповідь залежить від точних значень фундаментальних параметрів, зокрема маси топ-кварка та характеристик сильної взаємодії. Крім того, фізика за межами Стандартної моделі може повністю змінити цю картину. Тому розпад вакууму — це не четвертий гарантований сценарій загибелі Всесвіту, а окрема квантова можливість.

То як найімовірніше загине Всесвіт?

На сьогодні найбільш консервативну відповідь дає стандартна модель ΛCDM. Якщо темна енергія справді є космологічною сталою і не змінюється з часом, Всесвіт не вибухне, не розірветься й не стиснеться. Він просто продовжить розширюватися. Далекі галактики поступово зникатимуть за космічним горизонтом. Зореутворення припиниться. Згаснуть останні зорі. Надзвичайно повільно випаруються чорні діри. Всесвіт ставатиме дедалі холоднішим, темнішим і порожнішим.

Це і є теплова смерть. Саме такий фінал сьогодні випливає з базової ΛCDM-моделі. DESI дав цікаві натяки на те, що темна енергія може змінюватися, але навіть результати 2026 року поки цього не довели.

І, можливо, найдивніше в усій історії про смерть Всесвіту полягає саме в цьому. Людство вже навчилося будувати фізичні моделі процесів, які можуть відбуватися через неймовірні 10¹⁰⁰ років. Водночас ми досі не знаємо, що саме становить більшу частину енергетичного вмісту сучасного Всесвіту — і чи залишаться властивості цієї загадкової темної енергії незмінними.

Саме від відповіді на це запитання залежить, чи Всесвіт повільно згасатиме у майже вічній темряві, одного дня знову почне стискатися — чи на нього чекає фінал, який сучасна фізика поки навіть не здатна правильно описати.

А якою насправді буде загибель Всесвіту? Прочитати про Великий розрив чи теплову смерть — це одне, а побачити, як згасають останні зорі, зникають галактики та руйнується сама структура космосу, — зовсім інше. У нашому відео ми візуалізували можливі сценарії кінця Всесвіту, щоб ви могли не лише зрозуміти, а й уявити масштаби цих неймовірних подій.

▶️ Побачте, як може загинути Всесвіт — відео Universe Space Tech