Masa depan alam semesta yang meluas

Evolusi alam semesta saat ini ditentukan oleh antara alam semesta yang meluas dan tarikan gravitasi yang pada akhirnya akan memperlambat laju pengembangan. Laju perluasan saat ini diukur dengan konstanta Hubble, sedangkan kekuatan gravitasi bergantung kepada kepadatan dan tekanan materi di alam semesta.

Untuk meramalkan takdir alam semesta, para ilmuwan harus memahami alam; Bentuk Alam Semesta, Konstanta Kosmologis, Umur Alam Semesta, Bagaimana bintang pertama terbentuk, Apa sifat partikel di Dentuman Besar, Tentang materi gelap dan terakhir energi gelap dan partikel Higgs.

Metode 
Menggunakan pergerakan bintang dan galaksi yang jauh untuk memprediksi kemungkinan masa depan melibatkan lebih banyak spekulasi. Nasib alam semesta bergantung pada apakah perluasan itu berlanjut, dipercepat atau mundur.

Perluasan alam semesta 

Jika tekanan materi rendah, seperti yang terjadi pada sebagian besar bentuk materi yang diketahui, maka nasib alam semesta akan bergantung pada kepadatan. Gravitasi dapat memperlambat laju muai dari waktu ke waktu, tetapi untuk kerapatan, di bawah kerapatan kritis, tarikan gravitasi material tidak akan cukup untuk menghentikkan atau membalikkan muai ke luar. Ini juga dikenal sebagai Big Chill, Big Freeze atau Kematian panas karena alam semesta akan mendingin dan mengembang hingga akhirnya terlalu dingin dan tidak dapat menopang kehidupan apapun. Massa partikel dasar bertambah dan konstanta gravitasi berkurang seiring waktu kosmik, sedangkan gaya tarik Newtonian tetap tidak berubah. Jika ini benar, maka energi gelap akan kekuatan pendorong utama di balik nasib alam semesta dan akan berkembang selamanya secara eksponensial.

Pengamatan supernova tipe Ia pada tahun 1990, digunakan sebagai lilin standar, menunjukkan bahwa alam semesta teramati mengalami percepatan perluasan, sebuah fenomena yang secara historis dikaitkan dengan energi gelap. Energi gelap hipotetis tidak terlihat, dan dapat dianggap sebagai properti intrinsik ruang waktu daripada materi biasa (energi stres) yang merupakan sumber kelengkungan ruang waktu. Terdapat tiga teori yang mengusulkan apa yang terjadi setelah perluasan alam semesta dan semuanya berhubungan. Masing-masing ialah pendinginan besar, pembekuan besar dan robekan besar.

Teori pendinginan besar 
Teori pendinginan besar pertama kali dicetuskan oleh tim fisikawan teoretis di Universitas Melbourne dan Universitas RMIT. Menurutnya, awal mula alam semesta harus dimodelkan bukan sebagai Dentuman Besar tetapi lebih seperti air yang membeku mrnjadi es. Mereka berpendapat bahwa dengan menyelidiki celah dan retakan yang umum pada semua kristal - termasuk es - pemahaman tentang sifat alam semesta dapat direvolusi.

Alam semesta pada awalnya adalah cair, kemudian saat alam semesta mendingin, ia "mengkristal" menjadi tiga dimensi spasial dan satu waktu yang dilihat hari ini. Dengan teori seperti ini, saat alam semesta mendingin, mereka berharap bahwa retakan akan terbentuk, mirip dengan cara retakan terbentuk dalam es.

Teori pembekuan besar dan kematian panas 
Teori pembekuan besar atau kematian panas alam semesta (Kematian Panas, adalah salah satu skenario yang mungkin diprediksi oleh para ilmuwan di mana alam semesta akan berakhir. Ini adalah konsekuensi langsung dari alam semesta yang terus berkembang.

Istilah Heath Death berasal dari gagasan bahwa, dalam sistem yang terisolasi (alam semesta menjadi contoh yang sangat besar), entropi akan terus meningkat hingga mencapai nilai maksimum. Saat itu terjadi, panas dalam sistem akan didistribusikan secara merata, sehingga tidak ada ruang untuk energi yang dapat digunakan (atau panas) untuk ada - maka istilah "kematian panas". Artinya gerakan dalam sistem tidak mungkin lagi dilakukan.

Dalam skenario ini, alam semesta terus mengembang dan secara bertahap "turun" ke keadaan energi bebas termodinamika nol di mana ia tidak dapat mempertahankan gerak atau kehidupan. Hanya dalam waktu triliunan tahun dari sekarang, alam semesta akan berkembang sedemikian rupa sehingga tidak ada galaksi jauh yang akan terkihat dari Bima Sakti, yang akan lama bergabung dengan tetangganya. Akhirnya dalam skala waktu 1014, (seratus triliun tahun atau lebih), ia mencapai keadaan entropi maksimum pada suhu yang sangat mendekati nol absolut, di mana alam semesta menjadi terlalu dingin untuk menopang kehidupan, dan semua itu akan terjadi. Semua pembentukan bintang akan berhenti, mengakhiri Era Stelliferous yang sudah berjalan tidak lama setelah alam semesta pertama kali terbentuk. Yang tersisa adalah bintang yang terbakar, planet mati dingin dan lubang hitam.

Jauh kemudian, dalam apa yang disebut Era Degenerasi, galaksi akan lenyap dan semua materi yang tersisa akan dikunci di lubang hitam. Pada akhirnya, atom-atom penyusun materi yang tersisa akan terdegenerasi dan hancur, karena proton dan neutron meluruh menjadi positron dan elektron, yang seiring waktu akan bertabrakan dan memusnahkan satu sama lain. Bergantung pada laju perluasan alam semesta saat itu, ada kemungkinan bahwa elektron dan positron akan membentuk atom yang ganjil dalam ukuran miliaran tahun cahaya, yang dikenal sebagai positronium, dengan partikel-partikel yang jauh saling mengorbit di sekitar satu sama lain sehingga membutuhkan waktu jutaan tahun lagi untuk bergerak satu sentimeter. Setelah mungkin 10166 tahun, bahkan positronium akan runtuh dan partikel-partikel akan saling memusnahkan.

Dengan cara ini, semua materi perlahan-lahan akan menguap sebagai energi yang lemah, menyisakan lubang hitam, semakin tersebar luas di alam semesta yang mengembang. Faktanya lubang hitam akan menjadi penghuni alam semesta terakhir yang masih hidup seperti yang diketahui. Di Era Lubang Hitam, mereka akan menjadi satu-satunya materi "normal" yang tersisa. Lubang hitam itu sendiri pada akhirnya akan rusak, perlahan-lahan akan membocorkan "radiasi Hawking", pertama lubang hitam bermassa matahari kecil akan lenyap, dan dengan googol bertahun-tahun ke depan (angka satu diikuti seratus nol), radiasi Hawking bahkan akan membunuh semua lubang hitam supermasif, hingga, setelah 10200 tahun, alam semesta akan ada hanya sebagai ruang kosong dan radiasi lemah pada suhu yang sangat jauh di atas nol absolut. Tidak akan ada materi normal yang akan tetap di "Era Kegelapan" terakhir alam semesta ini, yang akan bertahan jauh lebih lama dari semua yang datang sebelumnya. Di ujung alam semesta, waktu itu sendiri akan kehilangan semua makna karena tidak akan ada peristiwa apapun, dan ikeh karena itu tidak ada kerangka acuan untuk menunjukkan perjalanan waktu atau bahkan arahnya.

Big Rip 
Big Rip adalah hipotesis kosmologis yang memprediksi bahwa semua materi beserta ruang-waktu universal semakin terkoyak selama alam semesta mengembang. Dari atom dan partikel sub atom hingga planet, bintang, hingga galaksi. Bukti eksperimental mengisyaratkan bisa mendapatkan kekuatan yang pada akhirnya dapat mempersenjatai dengan kekuatan untuk memisahkan objek termasuk galaksi, sistem bintang, planet, dan objek lain yang disatukan oleh gaya elektromagnetik. Akhirnya materi gelap akan mengalahkan semua kekuatan alam semesta lainnya, sehingga melucuti alam semesta dan menbuatnya tidak ada.

Kehancuran diri 

Jika massa jenis lebih besar daripada massa jenis kritis (alam semesta Friedmann), maka gravitasi pada akhirnya akan menang dan alam semesta akan runtuh kembali dengan sendirinya, yang disebut Big Crunch. Model alam semesta yang runtuh seperti ini menunjukkan bahwa, pada awalnya, alam semesta akan menyusut lebih atau kurang merata, karena, dalam skala besar, materi didistribusikan secara konsisten. Di alam semesta ini, terdapat cukup massa untuk memperlambat perluasan hingga berhenti, dan akhirnya menyusut menjadi singularitas dan menghentikannya pada waktu yang terbatas. Dalam fase Big Crunch, partikel yang didistribusikan setelah Dentuman Besar secara acak, mencapai radius maksimum, kemudian ditarik ke dalam suatu titik hingga kepadatan materi menjadi tak terhingga. Suhu mulai meningkat secara eksponensial, bintang-bintang akan meledak atau menguap, dan akhirnya atom dan bahkan inti atom akan pecah dalam kinerja yang berlawanan dari tahap-tahap awal setelah Big Bang.

Saat alam semesta dipadatkan menjadi volume yang sangat kecil, sedikit ketidakteraturan akan semakin membesar dan, pada tahap akhir, keruntuhan mungkin akan sangat kacau, dan gravitasi dan lengkungan ruang-waktu akan sangat bervariasi tergantung pada arahnya. Singularitas didekati oleh tubuh yang jatuh. Menurut beberapa prediksi, sangat dekat dengan singularitas, lengkungan ruang-waktu akan menjadi begitu panas dan kacau sehingga ruang dan waktu akan benar-benar "pecah" menjadi "tetesan" dan semua konsep waktu. Jarak dan arah saat ini akan sangat tidak berarti.

Model ini menawarkan kemungkinan yang menarik tentang alam semesta yang berosilasi atau siklik (Big Bounce), di mana Big Crunch digantikan oleh Big Bang dari alam semesta baru, dan seterusnya, berpotensi tanpa batas. Big Bounce (Pantulan Besar) adalah teori kosmologis yang memprediksi alam semesta berkontraksi dari keadaan mengembang, dan sebaliknya, hingga singularitas - suatu massa ketika alam semesta adalah satu titik dengan kepadatan tak berhingga -. Namun, berdasarkan temuan tahun 1990-an, alam semesta mengalami percepatan. Ini tidak lagi dianggap sebagai hasil yang paling mungkin.

Kosmologi 

Kosmologi saat ini sedang menghadapi misteri mendalam tentang perluasan alam semesta yang teramati. Lebih dari 95% alam semesta hadir dalam bentuk terselubung energi gelap dan materi gelap yang tidak dapat dijelaskan atau dideteksi secara langsung. Bersama-sama kedua entitas gelap ini (atau tekanan gelap) memainkan pertempuran kosmik dengan proporsi epik, dengan gravitasi materi gelap perlahan-lahan menarik struktur di alam semesta bersama-sama, dan energi gelap memicu perluasan alam semesta, membuat struktur tersebut sulit untuk tumbuh dan mengatur sifat dinamis akhir zaman alam semesta. Namun, sifat fisik kedua kedua fenomena ini tetap menjadi misteri, dengan asumsi bahwa keduanya jika bersatu akan membentuk massa negatif. Energi gelap Seiring waktu, lingkaran cahaya terbentuk saat beberapa gumpalan materi gelap menarik diri dari perluasan alam semesta karena gravitasi mereka yang sangat besar.

Penemuan pergeseran merah dalam spektrum bintang jauh mengungkapkan fakta penting bahwa alam semesta berada dalam keadaaan perluasan seragam, yang dimulai beberapa ribu juta tahun yang lalu tepatnya pada suatu periode yang disebut inflasi kosmik, dari keadaan homogen dengan kepadatan dan suhu yang tinggi yang menetapkan kondisi awal untuk evolusi alam semesta selanjutnya. Pengamatan supernova tipe Ia dengan pergeseran merah mengungkapkan bahwa jarak antar galaksi semakin jauh. Ini menunjukkan bahwa alam semesta berkembang, tumbuh lebih besar dan dingin, dan alam semesta berevolusi secara permanen.

Garis waktu

Era Stelliferous

Bumi 

Bumi terbentuk sekitar 4,6 miliar tahun yang lalu, kira-kira sama dengan matahari dan planet lain di Tata surya. Kehidupan yang paling awal adalah organisme mikrokospis yang diperkirakan muncul 3,7 miliar tahun yang lalu. Bumi memiliki atmosfer, sebagian besar terbuat dari nitrogen dan memiliki banyak oksigen untuk dihirup. Suhu permukaan rata-rata planet telah meningkat sekitsr 2,05° Fahrenheit (1,14 °C) sejak akhir abad ke-19, perubahan yang sebagian besar didorong oleh peningkatan karbondioksida dan emisi buatan lainnya oleh manusia ke atmosfer. Model iklim memproyeksikan, peningkatan suhu global rata-rata diharapkan berada di kisaran 0,5 °F hingga 8,6 °F pada tahun 2100, dengan kemungkinan peningkatan setidaknya 2,7 °F untuk semua skenario terkecuali skenario yang mewakili mitigasi paling agresif dari emisi gas rumah kaca.

Dalam 1000 tahun mendatang, ilmuwan memprediksi, komputer tidak hanya akan menyamai kecepatan komputasi otak manusia, manusia juga akan mengembangkan kecerdasan buatan yang dapat berbicara, berinteraksi, mendengarkan, dan mengingat. Dan seiring pertumbuhan komputer yang semakin menjadi manusia, manusia juga akan lebih terintegrasi dengan robot, meski hal ini diragukan oleh Stephen Hawking, karena mungkin manusia tidak bisa bertahan sejauh itu. Pada tahun 1 juta, benua bumi akan terlihat kurang lebih sama seperti sekarang dan matahari akan bersinar seperti saat ini. Tetapi manusia bisa sangat berbeda sehingga manusia hari ini tidak akan mengenalinya. Diperkirakan bahwa superbenua baru akan terbentuk dalam 200-250 juta tahun, jadi saat ini bumi tengah berada sekitar setengah dari fase tersebar dari siklus superbenua saat ini.

Dalam 1,1 miliar tahun dari sekarang, matahari akan 10% lebih terang dari sekarang, dan peningkatan luminositas ini juga berarti peningkatan energi panas, yang akan diserap atmosfer bumi. Ini akan memicu efek rumah kaca lembab yang mirip dengan pemanasan tak terkendali di Venus menjadi lingkungan neraka. Dalam 3,5 miliar tahun dari sekarang, Matahari akan 40% lebih terang dari hari ini. Peningkatan ini akan menyebabkan lautan mendidih, lapisan es mencair secara permanen, dan semua uap air di atmosfer hilang di luar angkasa. Dalam kondisi seperti ini, kehidupan yang dikenal tidak akan mampu bertahan di permukaan manapun. Singkatnya, planet Bumi akan menjadi Venus yang panas dan kering.

Tata surya 

Dalam waktu kurang lebih 5 miliar tahun, matahari akan memulai proses pembakaran helium, perubahan karakteristik skala panjang konveksi permukaan dan berubah menjadi bintang raksasa merah. Ketika mengembang, lapisan luarnya akan akan membengkak dari sekitar 1 AU hingga mungkin 2 AU atau lebih. Ini berarti matahari akan memakan Merkurius dan Venus, mencapai Bumi serta Mars kemungkinan besar juga akan ditelan. Inti matahari ketika selubungnya 1 AU hanya akan berada pada urutan 10 jari-jari Bumi, atau faktor yang lebih kecil dari 2.000 kali lebih kecil dari selubungnya. Para ilmuwan masih memperdebatkan apakah Bumi akan ditelan atau tidak, atau apakah akan mengorbit sangat dekat dengan bintang redup.

Namun, matahari yang berubah dapat dapat memberikan harapan ke planet lain. Saat bintang berubah menjadi raksasa merah, mereka mengubah zona laik huni di dalamnya. Karena sebuah bintang tetap menjadi raksasa merah selama kurang dari 1 miliar tahun, kehidupan bisa saja muncul di benda-benda di tata surya bagian luar, yang akan lebih dekat ke matahari.

Namun, saat matahari dan bintang lainnya menyusut kembali menjadi katai putih, cahaya pemberi kehidupan akan menghilang. Dan supernova dari bintang yang lebih besar dapat menimbulkan masalah kelaikhunian lainnya.

Tabrakan Bima Sakti-Andromeda 

Telah diketahui bahwa Bima Sakti dan Andromeda adalah dua anggota besar Grup Lokal. Dengan mempertimbangkan jumlah massa difus yang akan sebanding dengan untuk mengisi volume Grup Lokal, para ilmuwan menemukan bahwa kedua galaksi akan bertabrakan dalam beberapa miliar tahun - dalam masa hidup Matahari. Gagasan ini didukung oleh gerakan relatif yang diamati antara dua galaksi terbesarnya; yaitu Bima Sakti dan Andromeda bergerak satu sama lain pada ~ 120 kms-1.

Selama interaksi, ada kemungkinan Matahari akam ditarik menjauh dari orbitnya dan berada di ekor pasang surut yang memanjang. Kemungkinan hasil ini semakin meningkat saat penggabungan berlangsung, ada kemungkinan kecil bahwa Matahari akan terikat lebih dekat ke Andromeda daripada ke Bima Sakti sebelum penggabungan terakhir. Akhirnya, setelah penggabungan selesai, Matahari kemungkinan besar akan tersebar ke lingkaran luar dan berada di radius yang jauh lebih besar (> 30 Kpc). Profil kepadatan bintang, gas, dan materi gelap dalam hasil penggabungan mirip dengan galaksi elips. Tetapi, gerak orbit kedua galaksi sangat bergantung pada kondisi awal, tetapi semua skenario yang dapat diandalkan menyiratkan pendekatan dekat pertama dalam 3 - 5 miliar tahun berikutnya.

Era Degenerasi

Pembentukan bintang berhenti 
Pembentukan bintang adalah salah satu peristiwa terpenting dalam siklus hidup galaksi. Catatan fosil yang tercetak pada kelimpahan unsur bintang yang dipelajari di sekitar matahari dan sebagai bagian dari survei APOGEE mengungkapkan memang bahwa dalam waktu kurang dari ~ 2 Giga tahun (dari 10 hingga 8 giga tahun lalu) laju pembentukan bintang di Bima Sakti turun dalam ukuran besarnya. Para astronom mengatakan mekanisme internal yang menghentikan pembentukan bintang termasuk lubang hitam dan arus keluar bintang. Mereka menunjukkan bahwa Bima Sakti, kemungkinan besar suatu hari akan berhenti membentuk bintang.

Adams dan Laughlin berhipotesis bahwa itu akan terjadi antara 1015 dan 1039 tahun setelah Dentuman Besar. Pada akhirnya alam semesta dipenuhi oleh bintang-bintang degenerasi (katai putih, bintang neutron) dan lubang hitam raksasa, sisa inti galaksi.

Peluruhan proton 
Alam semesta akan berkembang menjadi sub bintang katai hitam yang sangat banyak kecuali untuk proses yang dikenal sebagai peluruhan proton. Proton adalah salah satu partikel dasar paling stabil, namun proton pun meluruh menjadi positron dan meson dalam urutan sekali per 1032 tahun. Dengan demikian, proton yang menyusun bintang katai hitam dan planet akan membusuk dan bintang dan planet akan larut menjadi lepton bebas. Ini semua membutuhkan waktu sekitar 1037 tahun.

Era Lubang Hitam 

Semua proton di alam semesta akan membusuk menjadi lepton, satu-satunya unit yang terorganisir adalah lubang hitam. Dari radiasi Hawking, diketahui bahwa lubang hitam pun tidak stabil dan menguap menjadi elektron dan proton. Hal ini terjadi ketika sepasang partikel bermunculan terus-menerus di sekitar lubang hitam, ada kemungkinan salah satunya akan ditarik ke dalam lubang hitam sebelum dihancurkan dan yang lainnya akan kabur ke luar angkasa. Energi untuk ini berasal dari lubang hitam, sehingga lubang hitam perlahan-lahan energi dan massa.

Proses ini sangat lambat, berbanding terbalik dengan massa lubang hitam. Untuk lubang hitam bermassa terendah, penguapan terjadi paling cepat, untuk lubang hitam bermassa galaksi, waktu larutnya bisa bertahan hingga 10100 tahun. Segala sesuatu yang dimakan lubang hitam di alam semesta hingga saat itu jumlahnya akan kurang dari 0,1% dari semua materi yang ada di alam semesta saat ini. Hasilnya adalah sekumpulan foton, yang perlahan mendingin di alam semesta yang meluas.

Era Kegelapan 
Setelah semua lubang hitam menguap, alam semesta terdiri dari lautan yang mengembang dengan foton dan neutrino panjang gelombang yang sangat panjang. Ini adalah sistem ketidakteraturan maksimum, tidak ada struktur atau objek yang koheren. Tidak ada sumber energi, dan tidak ada sink juga. Sisa waktu hanyalah penurunan energi terus-menerus sampai keadaan vakum kuantum tercapai. Lalu, jauh di kegelapan di alam semesta, terdapat sebuah ledakan dahsyat yang disebut supernova katai hitam, ledakan yang akan menjadi tanda kegelapan abadi. Supernova ini terbentuk melalui proses kuantum yang dikenal sebagai fusi piknonuklir, dan akan membutuhkan waktu 101.100 dan 1032.000 tahun, yang akan menjadi cahaya dan peristiwa terakhir alam semesta. Dan, alam semesta pada saat ini akan sunyi dan mati. Perluasan alam semesta akan menarik semua objek yang tersisa begitu jauh sehingga tidak akan ada yang pernah melihat yang lain meledak. Bahkan tidak akan pernah terjadi, secara fisik mungkin bagi cahaya untuk melakukan perjalanan sejauh itu.

Referensi

Lihat pula 
 Big Rip
 Big Crunch
 Big Bounce
 Big Bang
 Entropi (panah waktu)
 Multisemesta
 Kematian panas alam semesta
 Garis waktu jauh pada masa depan
 Nasib akhir alam semesta

Kosmologi fisik
Artikel yang berisi garis waktu grafis
perluasan alam semesta
Skenario kiamat
Takdir akhir alam semesta