Еволюція Всесвіту
Джеймс Піблс, Девід Шрамм, Едвін Тернер, Річард Крон
Приблизно 12 мільярдів років тому Всесвіт виник з гарячого, густого моря речовини та енергії. Розширюючись та охолоджуючись, він породив галактики, планети і життя.
Про авторів
Джеймс Піблс, Девід Шрамм, Едвін Тернер і Річард Крон кожен зокрема заслуговує найбільшої поваги за їхні праці на тему еволюції Всесвіту. Піблс — професор фізики в Прінстонському університеті, де в 1958 р. розпочав свою визначну кар’єру з гравітаційної фізики. Більшість вільного часу проводить з трьома внуками. Тернер — завідувач кафедри астрофізичних наук у Прінстоні і директор 3,5-метрового телескопа АКС в Нью-Мексико. Він особисто цікавиться Японією, особливо, її культурою і релігією. З 1978 р. Крон працював на факультеті астрономії та астрофізики в університеті Чикаго, є членом групи з експериментальної астрофізики при Національній лабораторії прискорювача ім. Фермі. Він із задоволенням спостерігає далекі галактики та керує обсерваторією Єркес біля Женевського озера, штат Вісконсин. Шрамм, котрий був почесним професором Льюїса Блока з фізичних наук і віце-президентом з досліджень в університеті Чикаго, загинув у авіакатастрофі.
Джерело: Світ Науки, №2 (8) 2001, спецвипуск: Величний Космос, с. 84—89.
Вміщено на Українському астрономічному порталі з дозволу Олександра Завадки, Видавничий Дім «НАУТІЛУС».
КРАТНЕ ЗОБРАЖЕННЯ віддаленої галактики, що проявляється у вигляді слабих голубих овалів, є наслідком ефекту, знаного як гравітаційне лінзування. Ефект виникає тоді, коли світло од віддаленого тіла відхиляється гравітаційним полем об’єкта, поряд з яким проходить. У такому випадку скупчення червоних галактик, зосереджене посередині малюнка, утворює викривлене зображення більш віддаленої галактики, що розміщена за червоними галактиками. Фотографія отримана Космічним телескопом ім. Габбла.
У певну мить, приблизно 12 мільярдів років тому, вся речовина і енергія, що ми можемо спостерігати, вміщалася в області розмірів копійки, та почала розширюватись й охолоджуватися з неймовірно великою швидкістю. З часом температура впала до позначки, що у 100 мільйонів разів перевищує температуру ядра Сонця, взаємодії природи набули їхніх теперішніх властивостей, і елементарні частинки, які називаються кварками, блукали вільно в морі енергії. Коли Всесвіт розширився ще в 1000 разів, уся речовина, яку ми зараз можемо спостерігати, заповнювала область розміром у Сонячну систему.
На цей час вільні кварки були захоплені у нейтрони і протони. Після того як Всесвіт виріс ще в 1000 разів, протони та нейтрони об’єдналися у ядра атомів, включаючи більшість ядер гелію та дейтерію, що є тепер. Усе це трапилося у першу хвилину розширення. Однак середовище було все ще надто гарячим для того, щоби атомні ядра змогли захопити електрони. Нейтральні атоми з’явилися у великій кількості тільки після того, як розширення тривало ще 300 тис. років і Всесвіт досягнув розмірів однієї тисячної від сучасних. Нейтральні атоми тоді почали об’єднуватися в газові хмари, які пізніше перетворилися у зорі. Аж коли Всесвіт розширився до однієї п’ятої теперішнього розміру, зорі утворили групи, в яких можна впізнати молоді галактики.
Коли Всесвіт набув розмірів, що становили половину сучасних, внаслідок ядерних реакцій у зорях утворилася більшість важких елементів, із яких складаються планети, подібні на Землю. Наша Сонячна система відносно молода: вона сформувалася 5 мільярдів років тому, коли розміри Всесвіту становили дві третини від сучасних. З часом, формування зір вичерпало всі запаси газу в галактиках, і тому їх заселення зорями зменшилося. Через п’ятнадцять мільярдів років зорі типу нашого Сонця будуть відносно рідкісними, і це зробить Всесвіт набагато менш гостинним місцем для таких спостерігачів, як ми.
Те, що ми розуміємо, як Всесвіт виник та еволюціонував, є одним із найбільших досягнень XX століття. Потрібні були десятиліття для проведення новітніх експериментів та розробок теорій, щоб зібрати ці відомості. Сучасні телескопи на Землі й у космосі реєструють світло від галактик, віддалених на мільярди світлових років, показуючи нам, як Всесвіт виглядав у часи своєї молодості. Прискорювачі частинок апробують основи фізики процесів у високоенергетичному середовищі раннього Всесвіту. Супутники реєструють космічне фонове випромінювання, що залишилося з ранніх стадій розширення, даючи зображення Всесвіту у найбільших масштабах, які ми здатні спостерігати.
У теорії, відомій як стандартна космологічна модель, або космологія Великого Вибуху, вділено наші найкращі досягнення щодо пояснення цього багатства даних. Основним твердженням цієї теорії є те, що, при усередненні у великих масштабах, Всесвіт розширюється приблизно однорідно від початкового стану з високою густиною. Тепер нема серйозних сумнівів у теорії Великого Вибуху, хоча в ній самій, звичайно, залишаються і нерозв’язані питання. Наприклад, астрономи не знають ще напевно, яким саме чином галактики утворюються, хоча й немає вагомих підстав вважати, що цей процес не міг відбуватися у рамках Великого Вибуху. І дійсно, до нині передбачення цієї теорії витримали багато випробувань.
Але, поза перевагами моделі Великого Вибуху, є і багато фундаментальних загадок. Як виглядав Всесвіт перед розширенням? (Жодне зі здійснених нами спостережень не дає змоги заглянути далі моменту початку розширення.) Що трапиться у віддаленому майбутньому, коли останні із зірок виснажать запаси ядерного палива? Ніхто ще не знає відповідей.
На наш Всесвіт можна дивитися з різних точок зору — містиків, теологів, філософів або науковців. У науці ми сповідуємо шлях ретельності: приймаємо тільки те, що апробовано експериментом або спостереженнями. Альберт Ейнштейн дав нам загальну теорію відносності, тепер вже добре перевірену і визнану, яка встановлює співвідношення між масою, енергією та простором і часом. Ейнштейн показав, що однорідний розподіл речовини у просторі добре відповідає його теорії. Він, апріорі, припустив: Всесвіт є статичним, незмінним при великомасштабному усередненні (див., наприклад, статтю Стефана Браша «Як космологія стала наукою» в журналі «Scientific American» за серпень 1992 р.).
У 1922 році російський теоретик Олександр Фрідман довів, що Всесвіт Ейнштейна нестійкий і найменші збурення спричинять його розширення або стиснення. Уже в той час Весто Слайфер з обсерваторії Ловелл збирав перші докази того, що галактики таки дійсно віддаляються. Потім, у 1929 році видатний астроном Едвін Габбл дійшов висновку: швидкість, з якою галактика віддаляється від нас, приблизно пропорційна відстані до неї.
Існування Всесвіту, який розширюється, означає, що космос розвинувся із надгустого стану речовини до сучасного великомасштабного розподілу галактик. Англійський космолог ФредХойл першим назвав цей процес Великим Вибухом. Хойл мав намір висміяти таким чином цю теорію, але назва виявилася настільки причіпливою, що здобула популярність. Хоча було б помилкою описувати розширення як вибух речовини з певної точки у просторі.
Це виглядає зовсім не так: у Всесвіті Ейнштейна поняття простору і розподілу матерії внутрішньо пов’язані між собою, у спостережуваному розширенні системи галактик проявляється розгортання самого простору. Істотною рисою теорії є те, що середня просторова густина спадає в міру розширення Всесвіту і розподіл речовини не має видимого краю. У вибусі найшвидші частинки рухаються в порожній простір, а в космології Великого Вибуху частинки однорідно заповнюють увесь простір. Розширення Всесвіту мало впливає на розміри галактик або навіть скупчень галактик, бо вони зв’язані гравітацією, простір просто розкривається між ними. В певному сенсі розширення схоже на тісто з родзинками, що росте на дріжджах. Простір нагадує тісто, а скупчення галактик — родзинки. З підніманням тіста родзинки віддаляються. Більше того, швидкість, з якою дві родзинки віддаляються, прямо пов’язана з кількістю тіста, що їх розділяє.
ОДНОРІДНІСТЬ РОЗПОДІЛУ ГАЛАКТИК добре видно на карті, що містить об’єкти на відстанях від 300 мільйонів до 1000 мільйонів світлових років. Єдина неоднорідність — прогалина біля центральної лінії — спричинена тим, що частина неба закрита Молочним Шляхом. Майкл Страус (тепер працює у Прінстонському університеті) створив цю карту, використовуючи дані інфрачервоного астрономічного супутника.
Докази розширення Всесвіту збиралися впродовж 60 років. Першим важливим доказом є червоне зміщення. Галактика випромінює або поглинає певні довжини хвиль світла сильніше, аніж інші. Якщо галактика віддаляється від нас, ці особливості у випромінюванні чи поглинанні зсуваються в бік довших довжин хвиль, тобто червонішають при зростанні швидкості віддалення.
Закон Габбла
Вимірювання Габбла вказували на те, що червоне зміщення віддаленішої галактики більше за червоне зміщення ближчої до Землі галактики. Це співвідношення, тепер відоме як закон Габбла, властиве саме Всесвітові, що однорідно розширюється. Закон Габбла стверджує: швидкість віддалення галактики рівна відстані, помноженій на величину, яку називають постійною Габбла. Ефект червоного зміщення в найближчих галактиках відносно слабкий і вимагає доброго обладнання для його реєстрування. І навпаки, червоне зміщення дуже віддалених об’єктів — радіогалактик і квазарів — дивовижне явище; деякі з них віддаляються зі швидкостями, що становлять понад 90 відсотків від швидкості світла.
Габбл зробив вклад у ще одну важливу частину цієї картини. Він порахував кількість видимих галактик у різних напрямках на небі і виявив, що вони розподілені досить однорідно. Виглядало так, що значення сталої Габбла однакове у всіх напрямках, а це є прямим наслідком однорідного розширення. Сучасні огляди підтверджують цей основоположний принцип, за яким Всесвіт є однорідним у великих масштабах. Хоча на картах розподілу ближніх галактик помітна скупченість, глибші огляди виявляють суттєву однорідність.
Молочний Шлях, наприклад, міститься в групі з двох десятків галактик, які, у свою чергу, є частиною комплексу галактик, що виділяється з так званого Місцевого Надскупчення. Ієрархія скупчування простежується аж до розмірів 500 мільйонів світлових років. Відхилення від середньої густини зменшуються зі зростанням масштабу структури, котру розглядають. На картах, які охоплюють масштаби практично до межі спостережуваного, середня густина речовини змінюється від точки до точки менше ніж на десять відсотків.
Для перевірки закону Габбла астрономам необхідно вимірювати відстані до галактик. Як один із методів градуювання відстаней використовується спостереження видимої яскравості галактик. Якщо певна галактика слабша учетверо за іншу галактику, тоді оціночно вона розміщена удвічі дальше. Це припущення перевірялося у всьому видимому діапазоні відстаней.
Деякі критики теорії вказували на можливість того, що менша й слабша галактика може насправді і не бути більш віддаленою. На щастя, існують прямі свідчення: об’єкти з більшим червоним зміщенням таки дійсно знаходяться дальше. Доказ цього випливає зі спостережень ефекту, знаного як гравітаційне лінзування (див. ілюстрацію на початку статті). Такий масивний та компактний об’єкт, як галактика, може діяти подібно до необробленої лінзи, створюючи спотворене, підсилене зображення (або навіть багато зображень) будь-якого джерела випромінювання, розміщеного на задньому тлі за ним. Такий об’єкт робить це, викривляючи шлях світлових променів та іншого електро¬магнітного випромінювання. Отже, якщо галактика розміщена на лінії зору між Землею і деяким віддаленим об’єктом, вона вигинатиме світлові промені настільки, що це можна буде спостерігати (див., наприклад, статтю Едвіна Тернера «Гравітаційні лінзи» в журналі «Scientific American» за липень 1988 р.). Протягом останнього десятиліття астрономи відкрили близько двох десятків гравітаційних лінз. Об’єкти поза лінзами завжди мали більше червоне зміщення, аніж самі лінзи, що підтверджує кількісні передбачення закону Габбла.
Закон Габбла має величезне значення не тільки тому, що описує розширення Всесвіту, але й тому, що його можна використати для розрахунку його віку. Якщо бути точним, час, що минув від Великого Вибуху, є функцією теперішньої величини постійної Габбла та швидкості її зміни. Астрономи визначили приблизно швидкість розширення, але ніхто поки не здатен виміряти точно другу величину — швидкість зміни сталої Габбла.
Все ж можна оцінити цю величину, знаючи середню густину Всесвіту. Вважається, що гравітація протидіє розширенню і галактики мали би розбігатися тепер повільніше, ніж вони робили це у минулому. Тому швидкість зміни темпу розширення пов’язана з гравітаційною дією усього Всесвіту, яка визначається його середньою густиною. Якщо тільки видимий матеріал у галактиках і навколо них визначає густину, тоді вік Всесвіту, ймовірно, перебуває між 10—15-ма мільярдами років.
Однак багато дослідників переконано в тому, що густина більша за цю мінімальну величину. Надлишок зумовлений так званою темною матерією. Добре обґрунтовані аргументи свідчать на користь того, що Всесвіт достатньо щільний, аби у віддаленому майбутньому його розширення уповільнилося майже до зупинки. В межах такого припущення вік Всесвіту зменшується до діапазону 7—13 мільярдів років.
Багато астрономів задіяно в інтенсивних дослідженнях із вимірювання відстаней до галактик та густини Всесвіту з метою уточнення цих оцінок. Оцінки часу розширення дають нам важливий тест для моделі Всесвіту Великого Вибуху. Якщо теорія правильна, то все у видимому Всесвіті повинно бути молодшим за час розширення, розрахований за законом Габбла.
Виявляється, що ці два часових масштаби таки дійсно перебувають принаймні у приблизній відповідності. Наприклад, найстарші зорі в диску Молочного Шляху мають вік приблизно дев’ять мільярдів років згідно з оцінкою, визначеною за швидкістю охолодження зір — білих карликів. Зорі у гало Молочного Шляху дещо старші — приблизно 12 мільярдів років: таке значення випливає з методів радіоактивного датування. Науковці у лабораторіях вивели ці оцінки віку з даних атомної та ядерної фізики. Варте уваги те, що ці результати узгоджуються, принаймні приблизно, з віком, визначеним астрономами за вимірюваннями розширення.
Ще одна теорія, теорія стаціонарності, також досягла успіху в поясненні розширення та однорідності Всесвіту. Три фізики з Англії — Хойл, Герман Бонді та Томас Голд — запропонували таку космологію в 1946 р. За їхньою теорією Всесвіт завжди розширюється, а матерія створюється самовільно для заповнення пустот. Вони припустили, що нові зорі формуються в міру накопичення речовини і заміщують старі. Така гіпотеза стаціонарності передбачає, що ансамблі ближніх до нас галактик статистичне повинні виглядати так само, як і дуже віддалені. Космологія Великого Вибуху передбачає інше: якщо всі галактики формуються давно, то віддалені галактики повинні виглядати молодшими за ближні, тому що світло потребує більше часу, аби досягнути до нас від віддалених галактик. Такі галактики мають містити більше короткоживучих зір і більше газу, з якого і будуть утворюватися наступні покоління зір.
Перевірка гіпотези стаціонарності
ВІДДАЛЕНІ ГАЛАКТИКИ видно на цьому збільшеному зображенні глибокого поля Габбла. Окреслена квадратом група знаходиться на відстані 10,6 мільярда років, отже, видно її такою, якою вона була коли вік Всесвіту становив 12 відсотків від теперішнього. Деякі з інших галактик, показаних тут, ближчі до Землі, а отже, на одному зображенні міститься багато галактик на дуже різних відстанях, що просто потрапили на лінію зору. Такі зображення надають нам важливу інформацію про те, як галактики еволюціонують від невизначених, неправильних форм у минулому до більш упорядкованих форм у сучасну епоху. (Астрономи часто розглядають негативи, як і цей, на яких фон е світлим, а зорі темними, бо так краще видно дрібні деталі.)
Цей тест концептуально простий, але астрономам потрібні були десятиліття, щоб розробити достатньо чутливі детектори для докладного вивчення віддалених галактик. Коли астрономи вивчають ближні галактики, вони бачать в оптичному діапазоні відносно округлу систему зір. З іншого боку, віддалені радіогалактики, як виявилось, мають видовжену і деколи неправильну будову. Окрім того, в більшості віддалених радіогалактик, на відміну від ближніх, розподіл світла переважно повторює картину радіовипромінювання.
Астрономи виявляють аналогічні відмінності між ближніми та віддаленими скупченнями при вивченні населення масивних, густих скупчень галактик. Віддалені скупчення містять голубі зорі і проявляють ознаки активного процесу утворення зір. Подібні скупчення неподалік від нас містять галактики з червонуватими зорями; у них зореутворення припинилося уже давно. Спостереження з космічного телескопа ім. Габбла підтверджують, що, принаймні частково, посилене зореутворення в цих молодших скупченнях може бути результатом зіткнень між галактиками — членами скупчення, а таке в сучасну епоху трапляється значно рідше.
Отже, якщо галактики віддаляються одна від іншої і еволюціонують від раніших форм, то, логічно, колись вони були скупчені разом у щільному морі речовини та енергії. І дійсно, в 1927 році, коли ще небагато було відомо про віддалені галактики, бельгійський космолог і священик Георг Леметр висунув ідею, що розширення Всесвіту можна б зворотно відстежити до надзвичайно щільного стану, який він назвав первинним «супер-атомом». Він думав, що навіть можливо детектувати залишкове випромінювання від цього первинного атома. Але ж які особливості мусило би мати це випромінювання?
Коли Всесвіт був дуже молодим і гарячим, випромінювання не могло надто далеко вільно поширюватися, не зазнаючи поглинання і перевипромінювання певними частинками. Цей неперервний обмін енергією підтримував стан теплової рівноваги, за якого малоймовірно аби певна область стала гарячішою чи холоднішою за середнє значення. Коли між речовиною і енергією встановлюється такий стан, то формується так званий тепловий спектр, у якому інтенсивність випромінювання на кожній довжині хвилі є певною функцією температури. Тому випромінювання, що походить від гарячого Великого Вибуху, можна впізнати за його спектром.
І дійсно, це термічне фонове випромінювання було детектовано. Займаючись побудовою радара в 1940-х рр., Роберт Діке, тодішній працівник Массачусетського технологічного інституту, винайшов мікрохвильовий радіометр, прилад, здатний реєструвати випромінювання на низьких рівнях сигналу. В 1960 рр. лабораторії Белла використали радіометр у телескопі, який мав відстежувати перші комунікаційні супутники Ехо-1 та Телстар. Інженер, котрий сконструював цей інструмент, виявив несподіване випромінювання. Арно Пензіас і Роберт Вілсон ототожнили сигнал з космічним фоновим випромінюванням. Цікаво, що Пензіаса та Вілсона наштовхнули на таку думку новини, у яких сповіщалось про те, що Діке запропонував використати радіометр для пошуків космічного фону.
Тепер астрономи вже докладно вивчили це випромінювання, застосовуючи супутник СОВЕ (Сosmic Background Explorer) — дослідник космічного фону та ряд експериментів на ракетах, повітряних кулях і Землі. Космічне фонове випромінювання має дві характерні властивості. По-перше, воно приблизно однакове у всіх напрямках. (Як показала у 1992 р. команда СОВЕ, очолювана Джоном Матером з Центру космічних польотів ім. Годдарда Національного управління з аеронавтики та космосу США, відмінності становлять всього одну стотисячну.) Цей факт пояснюється тим, що випромінювання однорідно заповнює простір, як і передбачено у космології Великого Вибуху. По-друге, спектр є дуже близьким до спектра тіла, що перебуває в термодинамічній рівновазі при температурі 2,726 Кельвінів над абсолютним нулем. Точніше, космічне фонове випромінювання утворилось, коли Всесвіт був набагато гарячіший за 2,726 Кельвінів, але дослідники правильно передбачили, що спостережувана температура випромінювання буде низькою. В 1930 рр. Річард Толмен з Каліфорнійського технологічного інституту довів, що температура космічного фону повинна зменшуватися внаслідок розширення Всесвіту.
Космічне фонове випромінювання подає прямі докази того, що Всесвіт дійсно розширився зі щільного, гарячого стану, адже такий стан є умовою, необхідною для утворення випромінювання. В густому, гарячому ранньому Всесвіті термоядерні реакції спродукували елементи, важчі за водень, включаючи дейтерій, гелій і літій. Вражає те, що теоретично розрахований склад суміші легких елементів узгоджується зі спостережуваними концентраціями. Отже, всі докази вказують на те, що легкі елементи були утворені у гарячому юному Всесвіті, а важчі елементи з’явилися пізніше як продукт термоядерних реакцій, що постачають енергію зорям.
ГУСТИНИ НЕЙТРОНІВ І ПРОТОНІВ У ВСЕСВІТІ визначені як відносні концентрації певних елементів. Для Всесвіту при високих енергіях розрахована концентрація гелію дещо відмінна і помітно нижча розрахована концентрація дейтерію. Заштрихована область відповідає спостереженням, змінюючись від концентрації 24 відсотки для гелію до 1/1010 — для ізотопу літію. Ця кількісна узгодженість теорії і спостережень є найбільшим досягненням космології Великого Вибуху.
Теорія походження легких елементів виникла в часи активізації наукових досліджень після закінчення Другої світової війни. Джордж Гамов і студент старших курсів Ральф Альфер з університету Джорджа Вашингтона, Роберт Герман з лабораторії прикладної фізики університету Джона Гопкінса та інші використали дані ядерної фізики, отримані з військових досліджень, щоб передбачити, які види ядерних процесів могли відбуватися в ранньому Всесвіті і які елементи утворитися. Альфер та Герман також виявили, що залишок первинного розширення все ще можна детектувати у Всесвіті, який існує тепер.
Незважаючи на те, що суттєві деталі цієї передової роботи були помилковими, вона встановила зв’язок між ядерною фізикою і космологією. Автори продемонстрували, що ранній Всесвіт можна розглядати як термоядерний реактор. І фізики тепер уже точно розрахували концентрації легких елементів, утворених у Великому Вибусі, та те, яким чином ці величини змінилися внаслідок наступних подій у міжзоряному середовищі і ядерних процесів у зорях.
Складаючи мозаїку докупи
Наше розуміння умов, що панували у ранньому Всесвіті, не дає нам повного уявлення про те, як саме утворюються галактики. А втім, ми вже маємо декілька шматочків мозаїки. Гравітація спричинює ріст флуктуацій густини в розподілі речовини, бо вона уповільнює розширення щільних областей, і далі вони іще ущільнюються. Такий процес спостерігається у рості найближчих скупчень галактик, і самі галактики, ймовірно, теж скупчилися через аналогічний процес у менших масштабах.
Росту структури в ранньому Всесвіті перешкоджав тиск випромінювання, але ситуація змінилася, коли Всесвіт розширився до розміру приблизно 0,1 відсотка від сучасного. У цей момент температура була близько 3000 Кельвінів, тобто достатньо холодною, щоби дозволити іонам та електронам скластися (рекомбінувати) у нейтральний водень і гелій. Нейтральна речовина змогла тепер проходити крізь випромінювання й утворила газові хмари, які могли колапсувати в скупчення зір. Спостереження показують, що до часу, коли Всесвіт становив одну п’яту від сучасного розміру, речовина зібралася в газові хмари достатніх розмірів, щоб їх можна було вважати юними галактиками.
Тепер нагальною потребою є узгодження спостережуваної однорідності раннього Всесвіту з грудкуватим розподілом галактик у сучасному Всесвіті. Астрономам відомо, що у ранньому Всесвіті густина не змінювалася дуже сильно від точки до точки, бо вони спостерігають тільки невеликі неоднорідності в космічному фоновому випромінюванні. Поки що було легко побудувати теорію, яка б відповідала наявним вимірюванням, але більш критичні випробування ще грядуть. Зокрема, різні теорії утворення галактик передбачають досить відмінні флуктуації у космічному фоновому випромінюванні на кутових масштабах менше одного градуса. Вимірювання таких мізерних флуктуацій ще не здійснені, але генерація експериментів, які зараз уже проводяться, можуть це втілити. Цікаво буде довідатися, чи хоч одна з тих теорій, що нині розглядаються, пройде ці тести.
Сучасний Всесвіт дає широкі можливості для розвитку життя у формі, яку ми знаємо, бо в спостережуваній частині Всесвіту існує близько 100 мільярдів зір, подібних до Сонця. Однак космологія Великого Вибуху припускає, що життя можливе лише на обмеженому проміжку часу: Всесвіт був надто гарячим у далекому минулому і має обмежені можливості у майбутньому. Більшість галактик усе ще продукує нові зорі, але деякі вже вичерпали свої запаси газу. Через тридцять мільярдів років галактики стануть значно темнішими, наповненими мертвими або близькими до загибелі зорями, а отже, буде набагато менше планет, здатних підтримувати життя у тому вигляді, в якому воно зараз існує.
Всесвіт може розширюватися вічно, у такому випадку галактики і зорі врешті-решт стануть темними і холодними. Альтернативою цього «великого охолодження» є «великий стиск». Якщо маса Всесвіту достатньо велика, гравітація зрештою розверне розширення, і вся матерія та енергія возз’єднаються. Протягом наступного десятиліття,в міру того як дослідники удосконалять свої методи для вимірювання маси Всесвіту, ми зможемо визначити, куди прямує теперішнє розширення: у бік «великого холоду» чи «великого стиску».
У найближчому майбутньому ми очікуємо на нові експерименти, щоб краще зрозуміти Великий Вибух. Нові вимірювання швидкості розширення і віку зір починають підтверджувати те, що зорі таки справді молодші за Всесвіт. Нові телескопи, наприклад, 10-метровітелескопи-двійники ім. Кека на Гавайях, 2,5-метровий космічний телескоп ім. Габбла, інші нові телескопи на Південному полюсі та нові супутники, що спостерігають фонове випромінювання, разом з новими фізичними експериментами, у яких шукають «темну матерію», можливо, дозволять нам вияснити, як саме маса Всесвіту діє на кривизну простору-часу, яка, в свою чергу впливає на наші спостереження віддалених галактик.
Ми також продовжуватимемо вивчення питань, до яких космологія Великого Вибуху не звертається. Ми не знаємо, чому стався Великий Вибух і що було до нього. Ми не знаємо, чи наш Всесвіт має братів, тобто інші області, що розширюються і віддалені від отої нашої, котру ми маємо змогу спостерігати. Ми не розуміємо, чому фундаментальні константи природи мають саме такі значення. Прогрес у фізиці частинок підказує деякі можливі відповіді на ці запитання, та завданням залишається знайти експериментальні підтвердження цих ідей.
Після цього обговорення різних тем у космології треба пам’ятати, що всі фізичні теорії є наближеннями до реальності і можуть не діяти при поширенні їхніх висновків надто далеко. Фізична наука здійснює свій поступ через включення попередніх теорій, що отримали експериментальне підтвердження, у більші, місткіші рамки. Теорія Великого Вибуху підтримується великою кількістю доказів: вона пояснює космічне фонове випромінювання, концентрації легких елементів і розширення Габбла. Отже, нова космологія обов’язково включатиме картину Великого Вибуху. Що би поступ прийдешніх десятиліть не приніс, космологія просунулась із галузі філософії в фізичну науку, в якій гіпотези перевіряються спостереженнями та експериментом.
