Välkommen tillbaka till den tredje och sista delen av Cosmology 101. Hittills har vi täckt universums historia fram till nuvarande ögonblick. Men vad händer nu? Hur slutar vårt universum? Och hur kan vi vara så säkra på att det är så historien utvecklades?
Robert Frost skrev en gång, ”Vissa säger att världen kommer att sluta i eld. vissa säger på is. ” På samma sätt har vissa forskare postulerat att universum kan döda antingen en dramatisk, kataklysmisk död - antingen en "Big Rip" eller en "Big Crunch" - eller en långsammare, mer gradvis "Big Freeze." Vårt kosmos slutliga öde har mycket att göra med sin form. Om universum var öppet, som en sadel, och energitätheten för mörk energi ökade utan bunden, kosmosens expansionshastighet skulle så småningom bli så stor att även atomer skulle rivas isär - en Big Rip. Omvänt, om universum stängdes, som en sfär, och tyngdekraftens styrka dunkte inverkan av mörk energi, kosmos utvidgning skulle så småningom stoppa och vända, och kollapsade på sig själv i en Big Crunch.
Trots eldens poetiska skönhet föredrar emellertid aktuella observationer ett isigt slut på vårt universum - en Big Freeze. Forskare tror att vi lever i ett rumsligt platt universum vars expansion accelererar på grund av närvaron av mörk energi; emellertid är den totala energitätheten i kosmos troligen mindre än eller lika med den så kallade "kritiska densiteten", så det kommer inte att finnas någon Big Rip. Istället kommer universums innehåll slutligen att driva oöverkomligt långt borta från varandra och värme- och energiutbyte upphör. Kosmos kommer att ha nått ett tillstånd av maximal entropi, och inget liv kommer att kunna överleva. Deprimerande och lite antiklimaktisk? Kanske. Men det kommer förmodligen inte att märkas förrän universum är minst två gånger sin nuvarande ålder.
Just nu skriker du: ”Hur vet vi allt detta? Är det inte bara spännande spekulationer? ” Tja, för det första vet vi utan tvekan att universum expanderar. Astronomiska observationer visar konsekvent att ljus från avlägsna stjärnor alltid är förskjutna relativt oss; det vill säga dess våglängd har sträckts på grund av kosmos. Detta leder till två möjligheter när du spolar tillbaka klockan: antingen det expanderande universum har alltid existerat och är oändligt i ålder, eller så började det utvidgas från en mindre version av sig själv vid en viss tidpunkt tidigare och har således en fast ålder. Under lång tid godkände förespråkare för Steady State Theory den tidigare förklaringen. Det var inte förrän Arno Penzias och Robert Wilson upptäckte den kosmiska mikrovågsbakgrunden 1965 som big bang-teorin blev den mest accepterade förklaringen för universums ursprung.
Varför? Något så stort som vårt kosmos tar en stund att svalna helt. Om universum faktiskt började med den typ av blåsande energier som big bang-teorin förutspår, borde astronomer fortfarande se lite restvärme idag. Och de gör: en enhetlig 3K-glöd jämnt spridd på varje punkt på himlen. Inte bara det - men WMAP och andra satelliter har observerat små inhomogeniteter i CMB som exakt matchar det ursprungliga spektrumet av kvantfluktuationer som förutses av big bang-teorin.
Vad annars? Ta en titt på de relativa överflödet av ljuselement i universum. Kom ihåg att under de första minuterna av kosmos unga liv var omgivningstemperaturen tillräckligt hög för att kärnfusion skulle inträffa. Termodynamikens lagar och den relativa densiteten för baryoner (dvs protoner och neutroner) bestämmer tillsammans exakt hur mycket deuterium (tungt väte), helium och litium som skulle kunna bildas vid denna tidpunkt. Som det visar sig finns det mycket mer helium (25%!) I vårt nuvarande universum än vad som kunde skapas av nukleosyntes i stjärnorna. Samtidigt ger ett hett tidigt universum - som det som postuleras av big bang-teorin - upphov till exakt andelar av ljuselement som forskare observerar i Space Magazine.
Men vänta, det finns mer. Fördelningen av storskalig struktur i universum kan kartläggas extremt bra baserat enbart på observerade anisotropier i CMB. Dessutom ser dagens storskaliga struktur väldigt annorlunda ut än vid hög rödskift, vilket innebär ett dynamiskt och utvecklande universum. Dessutom verkar åldern för de äldsta stjärnorna vara förenlig med åldern på kosmos som ges av big bang-teorin. Som alla teorier har det sina svagheter - till exempel horisontproblemet eller platthetsproblemet eller problemen med mörk energi och mörk materia; men totalt sett matchar astronomiska observationer förutsägelserna av big bang-teorin mycket närmare än någon rivaliserande idé. Tills det ändras verkar det som om big bang-teorin är här för att stanna.
