Rien n'est éternel. Et notre univers, bien sûr, mourra aussi. La rumeur dit que ce sera une expansion éternelle et, à la fin, la mort par entropie. L'univers est en expansion et l'entropie grandit et continuera de croître jusqu'à ce que tout ce qui nous est cher meurt. Mais c'est un sentiment, et nous sommes des scientifiques humains, alors nous nous demandons à quoi ressemblera la fin de l'univers? De quoi sera-t-il accompagné? Non, eh bien, curieux.
Il n'y aura plus d'étoiles dans le ciel nocturne
Dans 150 milliards d'années, le ciel nocturne sur Terre sera très différent. Alors que l'univers tend vers sa mort thermique, l'espace se dilate plus vite que la vitesse de la lumière. Nous savons que la vitesse de la lumière est le limiteur de vitesse rigide pour tous les objets de l'univers. Mais cela ne s'applique qu'aux objets qui sont dans l'espace, pas au tissu de l'espace-temps lui-même. C'est difficile à comprendre à la volée, mais le tissu de l'espace-temps s'étend déjà plus vite que la vitesse de la lumière. Et à l'avenir, cela entraînera d'étranges conséquences.
Puisque l'espace lui-même s'étend plus vite que la lumière, il existe un horizon cosmologique. Tout objet qui dépasse cet horizon nous obligera à être en mesure d'observer et d'enregistrer des données le concernant à l'aide de particules voyageant plus vite que la lumière. Mais il n'y a pas de telles particules. Dès que les objets quittent l'horizon cosmologique, ils nous deviennent inaccessibles. Toute tentative de contact ou d'interaction avec des galaxies lointaines au-delà de cet horizon nécessitera de notre part une technologie capable de se déplacer plus rapidement que l'expansion de l'espace lui-même. Jusqu'à présent, seuls quelques objets sont en dehors de notre horizon cosmologique. Mais à mesure que l'énergie sombre accélère l'expansion, tout sera finalement hors de portée de nos yeux.
Qu'est-ce que cela signifie pour la Terre? Imaginez regarder dans le ciel nocturne dans 150 milliards d'années. La seule chose que l'on verra, ce sont quelques étoiles qui restent dans l'horizon cosmologique. À la fin, ils partiront également. Le ciel nocturne sera complètement clair, comme la tabula rasa. Les astronomes du futur ne pourront pas prouver qu'il existe un autre objet dans l'univers. Toutes les étoiles et galaxies que nous voyons maintenant disparaîtront. Pour nous, seul le système solaire restera dans l'univers entier. Certes, il est peu probable que la Terre soit à la hauteur de cela, mais plus d'informations ci-dessous.
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La vie après la mort du soleil ne disparaîtra pas
Tout le monde sait que les étoiles ne durent pas éternellement. Leur durée de vie commence avec leur formation, se poursuit tout au long de la phase de séquence principale (qui représente la majeure partie de la vie de l'étoile) et se termine avec la mort de l'étoile. Dans la plupart des cas, les étoiles gonflent jusqu'à plusieurs centaines de fois leur taille normale, mettant fin à la phase de séquence principale, et avec cela engloutissent toutes les planètes qui se rapprochent d'elles.
Cependant, pour les planètes qui gravitent autour de l'étoile à de grandes distances (en dehors de la «ligne de congélation» du système), ces nouvelles conditions peuvent en fait devenir suffisamment chaudes pour soutenir la vie. Selon une étude récente de l'Institut Carl Sagan de l'Université Cornell, cette situation dans certains systèmes stellaires pourrait durer des milliards d'années et conduire à l'émergence de formes complètement nouvelles de vie extraterrestre.
Dans environ 5,4 milliards d'années, notre Soleil sortira de la phase de séquence principale. Après avoir épuisé l'hydrogène combustible dans le cœur, les cendres d'hélium inerte qui s'y accumuleront deviendront instables et s'effondreront sous l'influence de leur propre poids. Cela conduira au fait que le noyau se réchauffe et devient plus dense, ce qui, à son tour, entraînera une augmentation de la taille du Soleil - l'étoile entrera dans la phase de la «branche des géantes rouges».
Cette période commencera lorsque notre Soleil deviendra une sous-géante et doublera lentement de taille sur environ un milliard et demi d'années. Il se développera à un rythme plus rapide pendant le demi-milliard d'années à venir, jusqu'à ce qu'il atteigne 200 fois sa taille actuelle et plusieurs milliers de fois plus lumineux. Ensuite, il deviendra officiellement une géante rouge et son diamètre sera d'environ 2 UA. e. - Le soleil ira au-delà de l'orbite actuelle de Mars.
Évidemment, la Terre ne survivra pas à l'apparition d'une géante rouge dans le système solaire, comme Mercure, Vénus ou Mars. Mais au-delà de la ligne de congélation, où il fait suffisamment froid pour que les composés volatils - eau, ammoniac, méthane, dioxyde de carbone et monoxyde de carbone - restent gelés, il y aura des géantes gazeuses, des géantes de glace et des planètes naines. Et un dégel total commencera.
Bref, lorsqu'une étoile se dilate, sa «zone habitable» fera de même, enjambant les orbites de Jupiter et de Saturne. Lorsque cela se produit, un endroit auparavant inhabité - comme les lunes de Jupiter et de Saturne - peut soudainement devenir résidentiel. Il en va de même pour de nombreuses autres étoiles de l'univers, destinées à devenir des géantes rouges à mesure qu'elles vieillissent et meurent.
Lorsque notre Soleil atteindra la phase rouge de la branche géante, il n'aura que 120 millions d'années de vie active. Ce temps n'est pas suffisant pour que de nouvelles formes de vie apparaissent et se développent, capables de devenir vraiment complexes (comme les humains et les autres espèces de mammifères). Mais selon une étude récemment publiée dans The Astrophysical Journal, certaines planètes proches d'autres géantes rouges de notre univers peuvent rester habitées beaucoup plus longtemps - jusqu'à neuf milliards d'années ou plus dans certains cas.
Pour que vous compreniez, neuf milliards d'années, c'est deux fois l'âge actuel de la Terre. En supposant que les mondes qui nous intéressent auront la bonne composition d'éléments, ils auront suffisamment de temps pour donner naissance à de nouvelles formes de vie complexes. L'auteur principal de l'étude, le professeur Lisa Kaltenneger, est également le directeur de l'Institut Carl Sagan. Elle sait de première main comment rechercher la vie dans l'Univers:
«À mesure qu'une étoile vieillit et devient plus brillante, la zone habitable se déplace vers l'extérieur et vous voyez essentiellement une seconde vie pour le système planétaire. Actuellement, les objets des régions extérieures sont gelés dans notre système solaire, comme Europa et Encelade, les lunes de Jupiter et de Saturne. Une fois que notre Soleil jaune s'est suffisamment développé pour devenir une géante rouge et transformer la Terre en un désert brûlé, il y aura encore des régions dans notre système solaire - et dans d'autres systèmes également - où la vie pourrait s'épanouir."
Au fur et à mesure qu'une étoile se dilate, elle perd de la masse et la pousse vers l'extérieur sous la forme du vent solaire. Les planètes qui gravitent autour d'une étoile ou qui ont une faible gravité de surface peuvent perdre leur atmosphère. En revanche, des planètes de masse suffisante (ou situées à une distance sûre) peuvent préserver cette atmosphère. Dans le contexte de notre système solaire, cela signifie que dans quelques milliards d'années, des mondes comme Europe et Encelade (qui peuvent déjà avoir la vie cachée sous des glaces) pourraient devenir un paradis pour la vie.
Notre soleil deviendra un nain noir
À l'heure actuelle, notre univers compte de nombreux types d'étoiles. Les naines rouges - des étoiles froides qui émettent de la lumière rouge - sont parmi les plus courantes. Il existe également de nombreuses naines blanches dans l'univers. Ce sont les restes stellaires d'étoiles mortes, constitués de matière dégénérée maintenue ensemble par des effets quantiques. Actuellement, les astronomes pensent que les naines blanches ont une durée de vie presque infinie. Mais après un certain temps, même ils mourront et deviendront des stars exotiques: des naines noires.
Un tel destin attend aussi notre Soleil. Dans un avenir lointain, notre Soleil éjectera ses couches externes et se transformera en une étoile naine blanche qui restera pendant des milliards d'années. Mais un jour, même les nains blancs commenceront à se refroidir. Après 10 ans (à la puissance de 100), ils refroidiront à une température égale à la température du rayonnement de fond des micro-ondes, quelques degrés au-dessus du zéro absolu.
Lorsque cela se produit, notre étoile deviendra une naine noire. Parce que ce type d'étoile est si froid, il sera invisible à l'œil humain. Pour quiconque essaie de trouver le Soleil qui nous a donné la vie, il sera impossible de le faire en utilisant des systèmes optiques. Il devra le chercher par effets gravitationnels. La plupart des étoiles que nous voyons dans le ciel nocturne deviendront des naines noires (une autre raison pour laquelle le ciel nocturne deviendra clair). Mais pour notre soleil chaud, c'est particulièrement offensant.
Étoiles étranges
Au moment où notre soleil devient une naine noire, l'évolution stellaire est déjà terminée. De nouvelles étoiles ne verront pas le jour. Au lieu de cela, l'univers sera inondé de restes d'étoiles froides. Et cela permettra à l'Univers de commencer à créer des étoiles étranges qui sont très différentes de ce que nous connaissons.
L'une d'elles est une étoile glacée ou froide. Lorsque les étoiles de l'univers brûlent leur combustible nucléaire, elles augmentent leur métallicité. En astronomie, c'est une mesure des éléments d'une étoile qui sont plus lourds que l'hélium - pratiquement tous les éléments, à commencer par le lithium. À mesure que la métallicité d'une étoile augmente, elles deviennent plus froides car les éléments plus lourds libèrent moins d'énergie pendant la fusion. Enfin, les étoiles deviendront si froides qu'elles auront une température de 0 degré, le point de congélation de l'eau.
En regardant plus loin dans l'avenir, il y aura une étoile encore plus étrange. Dans environ 10 ans (à la puissance de 1500) dans le futur, l'entropie fera des ravages et l'univers sera essentiellement mort. En ces temps froids, les effets quantiques régneront sur l'univers.
La tunnelisation quantique permettra aux éléments légers d'être synthétisés en une forme instable de fer. Il se désintègre à son tour en un isotope plus stable, émettant une petite quantité d'énergie. Ces étoiles de fer seront la seule forme d'étoile possible à ce moment. Mais ils ne se trouvent que dans des modèles dans lesquels les astronomes ne croient pas à la désintégration du proton, cette idée n'est donc pas la plus populaire.
Tous les nucléons se désintègrent
Revenons d'un point de 10 (à la puissance de 15) ans après le Big Bang à un point de 10 (à la puissance de 34) ans. Si la race humaine n'est pas morte à ce moment-là, nous ne survivrons certainement pas à cette époque. Comme mentionné ci-dessus, les astronomes se demandent constamment si le proton va se désintégrer à la fin des temps. Disons oui.
Les nucléons sont des particules dans le noyau d'un atome, des protons et des neutrons. On sait que les neutrons libres se désintègrent avec une demi-vie de 10 minutes. Mais les protons sont incroyablement stables. Personne n'a vu de visu la désintégration d'un proton. Mais vers la fin de l'univers, tout changera.
Les physiciens supposent que la demi-vie d'un proton est de 10 (à la puissance 37) ans. Nous n'avons pas vu cette décomposition car l'univers n'est pas encore assez vieux. À l'époque de la désintégration (10 (à la 34e puissance) - 10 (à la 40e puissance) ans), les protons commenceront finalement à se désintégrer en positrons et pions. À la fin de l'époque de désintégration, tous les protons et neutrons de l'Univers seront épuisés.
De toute évidence, la vie dans l'Univers commencera à avoir des problèmes. Si nous supposons que la race humaine a survécu au changement du Soleil et a migré vers des parties plus amicales de l'Univers, à un certain moment, les lois de la physique commenceront à dicter la mort de la race humaine. Notre corps et tous les objets interstellaires sont constitués de nucléons. Quand ils se désintègrent, toute vie prendra fin, puisque les atomes eux-mêmes cesseront d'exister. La vie ne pourra pas continuer à exister dans de telles conditions (et sous une telle forme) et l'Univers plongera dans l'ère des trous noirs.
Les trous noirs inonderont l'univers
Lorsque les nucléons disparaîtront, les trous noirs entreront en droit et régneront sur l'Univers de 10 (à la puissance de 40) ans après le Big Bang à 10 (à la puissance de 100) ans. A partir de ce moment, nous commençons à parler de temps si longs qu'il est totalement impossible de les comprendre avec notre esprit. Après un temps beaucoup plus long que l'âge actuel de l'univers, les trous noirs resteront les seules structures.
Lorsque les nucléons partiront, les principales particules subatomiques seront les leptons - électrons et positrons. Ils alimenteront les trous noirs. En absorbant les restes de matière dans l'Univers, les trous noirs eux-mêmes émettront des particules qui rempliront l'Univers de photons et de gravitons hypothétiques. Mais les trous noirs sont voués à mourir, comme l'a décidé Stephen Hawking.
Selon Hawking, les trous noirs s'évaporent en raison de leur rayonnement. Lorsqu'ils rayonnent, ils perdent de la masse sous forme d'énergie. Ce processus prend du temps, nous n'en savons donc pratiquement rien. Il faut 10 ans (à la puissance de 60) pour qu'un trou noir s'évapore complètement, donc ce processus ne s'est pas encore déroulé jusqu'à la fin depuis un siècle de notre Univers. Mais, comme nous l'avons dit, les trous noirs finiront par mourir aussi. Il n'en restera que des particules sans masse et quelques leptons dispersés, qui interagiront paresseusement et perdront leur énergie.
Un atome d'un nouveau type apparaîtra
Avec seulement quelques particules subatomiques de notre univers, il peut sembler qu'il n'y a plus rien à dire. Mais la vie peut apparaître même dans ce pire des mondes.
Pendant de nombreuses années, les chercheurs en particules ont parlé du positronium, la liaison en forme d'atome entre un positron et un électron. Ces deux particules ont des charges opposées. (Le positron est l'antiparticule de l'électron). Par conséquent, ils seront attirés électromagnétiquement. Lorsqu'une paire de ces particules commence à interagir, elles peuvent avoir des orbites rudimentaires et un comportement atomique.
Le positronium étant rare, ce modèle de «chimie» du positronium ne peut pas être qualifié de complet. Mais des choses très curieuses peuvent sortir de ces étranges "atomes". Premièrement, ils peuvent exister sur des orbites géantes qui couvrent l'espace interstellaire. Tant que les deux particules interagissent, elles pourront maintenir une paire quelle que soit la distance.
A l'ère des trous noirs, certains de ces "atomes" auront des diamètres s'étendant sur des distances supérieures à notre univers observable actuel. Les atomes de positronium composés de leptons survivront à la désintégration d'un proton et traverseront l'ère des trous noirs. De plus, les trous noirs créeront des atomes de positronium dans le processus de radiation. Après un certain temps, les paires positron-électron se désintègrent également. Mais avant cela, l'Univers peut donner naissance à une vie totalement indescriptible.
Tout va ralentir, même la pensée même
Lorsque l'ère des trous noirs prend fin et que même ces géants stellaires disparaissent dans les ténèbres, il ne reste que peu de choses dans notre univers, principalement des particules subatomiques diffuses et les atomes restants de positronium. Après cela, tout dans l'Univers se produira extrêmement lentement, tout événement peut durer des éons. Selon certains physiciens théoriciens, comme Freeman Dyson, la vie pourrait réapparaître dans l'univers à cette époque.
Après une très longue période, une évolution organique peut commencer à se développer à partir du positronium. Les créatures qui apparaîtront seront très différentes de tout ce que nous connaissons. Par exemple, ils peuvent être énormes, couvrant des distances interstellaires. Puisqu'il ne reste plus rien d'autre dans l'univers, ils auront où se retourner. Mais puisque ces formes de vie seront énormes, elles penseront beaucoup plus lentement que nous. En fait, cela peut prendre des milliards d'années pour qu'une telle créature crée ne serait-ce qu'une seule pensée.
Cela peut nous sembler étrange, mais comme ces créatures existeront à des intervalles de temps énormes, une telle pensée sera instantanée pour eux. Ils existeront pendant une période incroyablement longue, en regardant l'Univers voler à côté d'eux. Mais ils sombreront dans l'oubli.
La fin de la "macrophysique"
À ce moment-là, l'Univers atteindra presque l'état d'entropie maximum, c'est-à-dire qu'il deviendra un champ d'énergie homogène et plusieurs particules subatomiques. Ce sera après l'ère des trous noirs, bien plus tard après 10 ans (à la puissance 100). L'espace se développera tellement et l'énergie sombre deviendra si puissante que même les trous noirs cesseront d'exister et que l'univers perdra des objets massifs.
Il est difficile d'imaginer un tel univers. Pensez-y: les étoiles cesseront de se former, car les particules subatomiques qui composent la matière seront séparées par des distances telles qu'elles ne pourront en aucun cas se rencontrer, voyageant à la vitesse de la lumière. Même les atomes de positronium ne peuvent pas apparaître.
La physique prendra fin. Le seul modèle physique qui continuera à fonctionner sera la mécanique quantique. Les effets quantiques se produiront même à d'énormes distances interstellaires, dans un laps de temps gigantesque. Finalement, la température de l'univers tombera à zéro absolu: il ne restera plus d'énergie pour se transformer en travail. Dans certains modèles, l'expansion de l'espace augmentera, déchirant l'espace-temps. L'univers cessera d'exister.
Est-il possible d'échapper à tout cela?
Jusqu'à présent, notre voyage au bout de l'univers n'a été accompagné que d'événements sombres et déprimants. Mais les physiciens ne perdent pas leur optimisme et esquissent des moyens possibles pour l'humanité de survivre à la fin des temps et même de redémarrer notre univers.
Le moyen le plus prometteur d'échapper à notre univers avec une entropie maximale est d'utiliser des trous noirs jusqu'à ce que la désintégration des photons rende la vie impossible. Les trous noirs restent des objets très mystérieux, mais les théoriciens proposent de les utiliser pour entrer dans de nouveaux univers.
La théorie moderne suggère que les univers de bulles naissent constamment dans notre propre univers, formant de nouveaux univers avec la matière et la possibilité de vie. Hawking pense que les trous noirs peuvent être les portes d'accès à ces nouveaux univers. Mais il y a un problème. Une fois que vous avez franchi la frontière du trou noir, il n'y a pas de retour en arrière. Par conséquent, si l'humanité décide d'aller dans un trou noir, ce sera un aller simple.
Tout d'abord, vous devez trouver un trou noir en rotation suffisamment massif pour survivre au voyage à travers l'horizon des événements. Contrairement à la croyance populaire, les trous noirs massifs sont plus sûrs à traverser. Les voyageurs spatiaux du futur peuvent espérer que le voyage ne se terminera pas mal, mais ils ne pourront pas contacter leurs amis de ce côté du trou noir et les informer du résultat. Chaque trajet sera un acte de foi.
Mais il existe un moyen de s'assurer qu'un nouvel univers nous attend de l'autre côté. Selon Alan Guth, l'Univers nouveau-né n'a besoin que de 10 (à la puissance 89) protons, 10 (à la puissance 89) électrons, 10 (puissance 89) positrons, 10 (89 puissance) neutrinos, 10 (89 puissance) antineutrinos, 10 (à la puissance de 79) protons et 10 (à la puissance de 79) neutrons pour le début. Cela peut sembler beaucoup, mais au total, ce n'est rien de plus qu'une brique.
Les humains du futur pourraient générer un faux vide - une région de l'espace avec un potentiel d'expansion - en utilisant un champ gravitationnel super puissant. Dans un avenir lointain, les humains auraient pu acquérir la technologie pour créer un faux vide et créer leur propre univers. Puisque l'inflation initiale de l'univers dure une fraction de seconde, le nouvel univers s'étendra instantanément et deviendra une nouvelle maison pour les humains. Un saut rapide à travers le trou de ver et nous sommes sauvés.
Un tunnel quantique aléatoire pourrait redémarrer l'univers
Qu'arrivera-t-il à l'univers que nous avons laissé derrière nous? Au bout d'un moment, il atteindra enfin son entropie maximale et deviendra totalement inhabitable. Mais même dans cet univers mort, la vie aura une chance. Les chercheurs en mécanique quantique sont conscients de l'effet du tunnel quantique. C'est à ce moment qu'une particule subatomique peut entrer dans un état énergétique qui est classiquement impossible.
En mécanique classique, par exemple, la balle ne peut pas spontanément ramasser et rouler une colline. C'est un état énergétique interdit. Les particules élémentaires ont également des états d'énergie interdits du point de vue de la mécanique classique, mais la mécanique quantique bouleverse tout. Certaines particules peuvent «tunnel» dans ces états énergétiques.
Ce processus se déroule déjà dans les étoiles. Mais lorsqu'il est appliqué à la fin de l'univers, une étrange possibilité se présente. Les particules en mécanique statistique classique ne peuvent pas passer d'un état d'entropie supérieur à un état inférieur. Mais avec le tunnel quantique, ils le peuvent et le feront. Les physiciens Sean Carroll et Jennifer Chen ont proposé l'idée qu'au bout d'un certain temps, le tunnel quantique pourrait spontanément réduire l'entropie dans un univers mort, conduire à un nouveau Big Bang et redémarrer l'univers. Mais ne retenez pas votre souffle. Pour qu'une diminution spontanée de l'entropie se produise, vous devez attendre 10 ans (à la puissance 10) ^ (à la puissance 10) ^ (à la puissance 56).
Il existe une autre théorie qui nous donne l'espoir d'un nouvel univers - cette fois des mathématiciens. En 1890, Henri Poincaré publie son théorème de récurrence, selon lequel, après un temps incroyablement long, tous les systèmes reviennent à un état très proche de leur état d'origine. Cela s'applique également à la thermodynamique, dans laquelle des fluctuations thermiques aléatoires dans un univers à forte entropie peuvent le faire revenir à son état d'origine, après quoi tout recommencera. Le temps passera, et l'univers pourra se reformer, et les créatures qui y vivront n'auront pas la moindre idée qu'elles vivent dans notre univers.
ILYA KHEL