Osud vesmíru

Jak se bude náš vesmír vyvíjet v blízké a vzdálené budoucnosti? Jakým směrem se bude ubírat osud galaxií? Vesmír bude umírat pomalu a … potmě.

Galaxie jsou vesmírné ostrovy hmoty, ve kterých z mezihvězdného plynu neustále vznikají a zanikají hvězdy a planety. Jsou usazeny uprostřed shluků tzv. „temné hmoty“, která je k sobě kdysi přitahla a pomáhá je svou gravitací udržet pohromadě.

Původní vesmírný mezihvězdný plyn se skládá převážně z vodíku a helia. Tyto dva nejlehčí chemické prvky vznikly v prvních fázích existence našeho vesmíru. Zhušťováním tohoto plynu se pak tvořily první generace hvězd. Spalovaly vodík na helium a později ve svých jádrech vytvářely i těžší chemické prvky. 

Hvězdy různých kategorií a velikostí prožívaly své kariéry, které skončily stádiem bílého nebo hnědého trpaslíka, neutronové hvězdy, nebo (v extrémním případě) jako stelární černé díry. Před koncem svého života tyto hvězdy zpravidla stačily obohatit mezihvězdný prostor o část své původní hmoty i o prvky, které vznikly v průběhu jejich života v jejich nitrech.

Díky tomuto procesu ve vesmíru neustále ubývá vodík a helium a přibývají těžší chemické prvky.

Velké a hodně masivní hvězdy spalují vodík a helium daleko rychleji a efektivněji než menší exempláře, žijí tedy kratší dobu. Naopak lehčí hvězdy, například s 1/10 hmoty Slunce čeká až 100x delší kariéra, než jakou zažije naše Slunce.

Budoucnost vesmíru 

Budoucnos vesmíru bude podílet především temná energie – tajemná síla, o které zatím nemáme téměř žádné informace. Jediné, co o ní víme - je to síla, která urychluje jeho rozpínání.

Zatímco sousední galaxie letí vesmírem směrem k nám, vzdálené objekty, které pozorujeme pozemskými teleskopy, se pohybují výhradně směrem od nás. První jev (přibližování objektů) způsobuje gravitace, která působí na blízké galaxie a v budoucnu je promísí s tou naší. Druhý jev (vzdalování objektů) je o to intenzivnější, oč vzdálenější je pozorovaná galaxie. Ta se ve skutečnosti nepohybuje z místa na místo, jak by se mohlo zdát, na vině jejího vzdalování je  prostor, který se rozpíná a neustále zvětšuje. Podobně by se od sebe vzdalovaly hypotetické židle v hypotetické místnosti, kdyby mezi nimi vznikaly na podlaze stále nové a nové dlaždice, které by místnost zvětšovaly. 

Vesmír  se vyprázdní

Zásluhou tohoto jevu (rozpínání vesmíru) se dostává více a více galaxií vně kosmologického horizontu pozorovatelnosti – pomyslné hranice, která nás dělí od té části vesmíru, která se od nás vzdaluje tak rychle, že ani rychlost světla s tímto vzdalováním neudrží krok. Za tímto horizontem pro nás zmizí po uplynutí 2 bilionů let také téměř všechny galaxie, které dnes pozorujeme. Pokud v té době bude existovat inteligentní život, bude se mu zdát, že celý vesmír se skládá jen z objektů, které dnes pozorujeme jako místní kupu galaxií.

Konec éry hmoty

Stadium, ve kterém se dnes vesmír  nachází, nazýváme "éra hmoty". Podívejme se do daleké budoucnosti, do doby, ve které bude všechno trochu jinak. 

Od velkého třesku uplynulo 1000 bilionů let. Téměř všechna hmota vesmíru mezitím prošla v galaxiích různými stadii vývoje hvězd. Na jeho konci se v galaxiích nachází několik typů objektů, které byly dříve zářícími hvězdami.

Nejmenší a nejlehčí hvězdy, tzv. „hnědí trpaslíci“ nikdy neměly dostatek hmoty na to, aby zažehly termonukleární reakci. V jejich jádře sice může dočasně probíhat syntéza helia z deuteria (těžkého vodíku), ale teplota a tlak nestačí na to, aby mohlo dojít k syntéze těžších prvků z (běžného) lehkého vodíku. Hnědí trpaslíci mění své složení jen velmi pozvolna, mají tedy dlouhou životnost, která jim umožňuje přetrvávat ve stejném stavu i ve velmi vzdálené budoucnosti. 

Kromě nich se v galaxiích nacházejí tzv. „černí trpaslíci“ – objekty, které vznikly vychladnutím tzv. bílých trpaslíků, zbytků explozí středně velkých hvězd (například Slunce).

Další komponentou budoucích galaxií jsou vychladlé neutronové hvězdy, zbytky vývoje hmotných hvězd. Výčet doplňují černé díry, výsledky vývoje extremně hmotných hvězdných objektů. Kromě pozůstatků minulých hvězd se tu nacházejí samozřejmě i jejich bývalé planety, pokud se jim podařilo přežít závěrečné gigantické exploze, kterým jejich centrální hvězda prošla na konci svého vývoje.

Většina hmoty se v této fázi vývoje vesmíru nachází ve formě degenerovaného plynu – v černých trpasličích hvězdách a v neutronových hvězdách – odtud název „éra degenerované hmoty“.

Degenerovaná hmota má tak vysokou hustotu, že se její fyzikální vlastnosti se v důsledku kvantových efektů podstatně odlišují od vlastností normální hmoty. Kinetická energie částic a tlak degenerovaného plynu například nezávisí na teplotě, ale jen na jeho hustotě, t. j. od počtu částic v jednotkovém objemu. Hustota, při které se plyn degeneruje, závisí od hmotnosti částic plynu: Čím je hmotnost částic vyšší, tím vyšší hustota podmiňuje vznik degenerovaného plynu. Při hustotách okolo 5000 g.cm-3 nastává degenerace elektronového plynu (elektronová degenerace), která se vyskytuje např. v bílých trpaslících. Při hustotách okolo 1 000 000 000 000 g.cm-3 nastává degenerace neutronového plynu (neutronová degenerace), vzniklého "vtlačení" elektronů do jader atomů, čím se v jádrech atomů mění protony na neutrony. Tento stav degenerovaného plynu se vyskytuje v neutronových hvězdách.

O úklid se v galaxiích postará gravitace

Zbytky hvězd, které se i v této době pohybují galaxií na svých původních oběžných drahách, se občas dostávají do vzájemné blízkosti. Fyzikální zákony způsobí, že ty lehčí budou při vzájemných setkáních statisticky spíše urychlovány, budou opouštět galaxie a dostávat se do volného mezihvězdného prostoru. Těžší objekty se při setkání naopak zpomalí. Menší oběžná rychlost bude mít za následek změnu jejich oběžné dráhy. Ta je teď dříve nebo později přivede do centra galaxie, kde skončí svou existenci pádem do supermasivní černé díry.

Poslední šance pro život, jak ho známe

Část hnědých trpaslíků, velice lekhkých hvězd, které v galaxiích "zbyly" z dřívějších dob, teď dostane šanci na další vývoj. Jakkoliv jsou jejich vzájemné srážky nepravděpodobné, přesto se budou konat. Postarají se o vznik posledních, „skutečných“ hvězd. Kolizí dvou malých hnědých trpaslíků může dokonce vzniknout i hvězda typu našeho Slunce, která dokáže vyvinout svůj vlastní planetární systém.

Běžná galaxie bude schopna vyprodukovat odhadem 1000 takových hvězd. Budou existovat dostatečně dlouhou dobu na to, aby se na jejich planetách, stejně jako tomu bylo kdysi na Zemi, vyvinul inteligentní život.

Z pohledu tamních astronomů bude noční nebe téměř prázdné a beze hvězd. Vesmír, který budou pozorovat jejich vědci,  bude díky neustále probíhajícímu rozpínání časoprostoru jiný než ten, který pozorujeme dnes. Vzdálenosti mezi galaxiemi budou daleko větší než dnes a viditelná část vesmíru jich bude obsahovat daleko méně, než je tomu nyní.

Viditelná část vesmíru je ohraničená tzv. „horizontem událostí“. Horizont událostí je ta část prostoročasu, která pro daného pozorovatele vymezuje oblast, ze které ho nemůže dosáhnout žádné elektromagnetické záření (světlo). Díky neustálému a rovnoměrnému rozpínání prostoročasu se od nás vzdalují objekty tím rychleji, čím vzdálenější jsou. Je to způsobeno tím, že mezi námi a daným objektem neustále a stejnoměrně vzniká nový prostor. Následkem rozpínání jsou pak od nás velice vzdálené oblasti odnášeny rychlostí, která překračuje rychlost světla. Nikdy už o nich nezískáme žádné informace, ty se totiž mohou pohybovat právě jen maximální rychlostí – světelnou. Tyto oblasti prakticky zmizely z našeho (nám dostupného) vesmíru, ztratily se za horizontem událostí. 

V centru galaxií objeví budoucí hypotetická inteligentní civilizace supermasivní černé díry. Vznikly kdysi při kolizích galaxií a při dalších kolizích se neustále zvětšovaly. Vesmírná hmota, která se dostane do jejich blízkosti, tvoří rotující disk, nahřátý na několik milionů stupňů. Tvoří tak nepřehlédnutelný highlight v jinak tmavém a netečnému vesmíru.

Bude to trvat zhruba 10+24 až 10+30 let, než černé díry uprostřed galaxií pohltí veškeré hvězdy, které se předtím nestihly vzájemným gravitačním působením katapultovat do mezihvězdného prostoru.

Rozpad protonů

Protony jsou elementární částice, které se vytvořily krátce po velkém třesku z tehdy existující kvark-gluonové kaše. Teorie, která vysvětluje jejich vznik, předpokládá také jejich rozpad. Protony jsou sice velice stabilní částice, ale nejsou „nesmrtelné“. Vědci odhadují jejich životnost na 10+33 – 10+37 let.

Kdyby mělo skutečně dojít k rozpadu protonů,  „rozpustí“ se i veškerá baryonická (zářivá) hmota vesmíru. Přestanou existovat všechny zbytky planet i hvězd. Ve vesmíru zbude jen jeden druh objektů – černé díry.

V případě, že z nějakého důvodu rozpad protonů nenastane, ovlivní budoucnost vesmíru tzv. „kvantově-tunelový efekt“. V průběhu nekonečných 10+1500 let promění veškerou baryonickou hmotu na železo. Stejný efekt pak povede k přeměně železa na neutronové hvězdy a černé díry.

Éra černých děr

Tak nebo tak – jedno dne ve velmi vzdálené budoucnosti se nachází ve vesmíru už jen početné černé díry. Část z nich pochází z explozí supermasivních hvězd, zatímco druhá část leží uprostřed bývalých galaxií a disponuje mnohokrát vyšší hmotou než předchozí druh.

Ani černé díry ale nežijí neomezeně dlouhou dobu. Americký vědec Stephen Hawking objasnil mechanismus, který vede k tzv. „vypařování“ a tím i jejich zániku.

Vakuum vesmíru není inaktivní. Neustále v něm vznikají páry částic a antičástic, kterým říkáme virtuální, protože se prakticky okamžitě znovu spárují, takže se ničím neprojevují. Pokud tyto částice vzniknou na okraji černé díry a jedna z nich podlehne její gravitaci, stane se z druhé částice reálná hmota s reálnou hmotností a impulsem. Protože ale ve vesmíru energie nevzniká ani nezaniká, musí výsledná hmota a impuls někde chybět. Chybí – v černé díře. Mechanismus dostal název Hawkingovo záření. Čím lehčí černá díra, tím rychleji se tímto způsobem vypařuje.

Stelární černé díry jsou schopny se takovýmto způsobem vypařit během 10+67 let. Supermasivní černé díry v centrech bývalých galaxií budou potřebovat zhruba 10+100 let.

Éra temna

Po vypaření poslední černé díry se vesmír ponoří do tmy. Pokud nedojde předtím k rozpadu protonů, budou se ve vesmíru nacházet jen jednotlivé, izolované železné nebo neutronové objekty. Rozpínání časoprostoru mezitím totiž pokročilo do té míry, že se všechny objekty navzájem dostaly za hranici viditelnosti.

Fotony mění díky rozpínání vesmíru svou vlnovou délku a ztrácejí energii. Ve vzdálené budoucnosti jejich vlnová délka přesáhne vzdálenost vesmírného horizontu, takže prakticky přestanou existovat.

Vesmír se tak dostane do stavu, který vědci nazývají tepelnou smrtí, který ale nemusí být nutně jeho koncem.

… a ještě jednou od samého začátku

Některé teorie totiž připouštějí možnost vzniku tzv. „falešného“ vakua, stavu, který se nápadně podobá Velkému Třesku. Expandující časoprostorová bublina by mohla naplnit prostor novým zářením, mohla by dát vzniknout novým fyzikálním konstantám a tím i novému vesmíru.

Spontánní vznik nového vesmíru z fluktuací vakua předpověděla teorie pro neuvěřitelně vzdálenou dobu 10+1056 let. Pro názornost: je to

1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000  let.