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The Five Ages of the Universe

Cat: SCIPub:

Fred Adams and Greg Laughlin


The Five ages of the Universe


Fred Adams & Greg Laughlin





  • This book gives us an answer to the primitive question since our childhood: "Where are we from, and where are you going?"
  • This is a biography of the universe; a detailed scientific inquiry into the universe of the future, including the stars, galaxies, etc.
  • Biography needs a certain kind of bio-existence. It is also appealing for us to imagine the future of life, though they may be totally unlike us, but might be our descendant.
  • この本には子供の頃からの基本的な疑問に対する一つの答えがある。それは「我々はどこから来て、どこへ行こうとしているのか?」という疑問である。
  • これは宇宙の年代記であり、星や銀河を含む未来の宇宙に対する詳細な科学的な研究である。
  • 年代記にはある種の生命の存在が必要である。また生命の未来を想像することは興味をそそるものである。たとえそれが我々と全く似ていなくとも。それらは我々の子孫かも知れないから...

0. Introduction:

  • Four windows to the universe:
    Our biography of the universe plays out on four important size scales planets, stars, galaxies, and the universe as a whole. Each of these scales provides a different type of window to view the properties and evolution of nature.
    • Continued expansion:
      The key question is whether the universe will continue to expand forever or halt its expansion and recollapse at some future time. Current astronomical data strongly suggest that the fate of our universe lies in continued expansion.
    • Structure of the universe:
      Some aggregates of galaxies have enough mass to be bound together by gravitational forces, and these galaxy clusters can be considered as independent astrophysical objects in their own right. In addition to belong to clusters, galaxies are loosely organized into even larger structure that rather resemble filaments, sheets, and walls. (the large scale structure of the universe)
    • Extreme emptiness:
      It is difficult to comprehend the vast emptiness of our universe. A typical galaxy fills only about on-millionth of the volume of space that contains the galaxy, ant the galaxies themselves are extremely tenuous. The universe is expanding but the galaxies are not. Decoupled from the overall expansion of the universe, the galaxies exit in relative isolation.
    • Chances of stars:
      Very little of the galactic volume is actually filled by the stars, although galaxies contains billions of them. If you were to drive a spaceship to a random point in our galaxy, the chances of landing within a star are extremely small, about 10^-22.
    • Interstellar medium:
      The space between the stars in not entirely empty. Our Milky Way is permeated with gas of varying densities and temperatures. The average density is only about one particle (one proton) per cubic centimeter.
    • Planet of other stars:
      For the first time in history, planets in orbit about other stars have been unambiguously detected. we now know with certainty that planets are relatively commonplace in the galaxy, and not jut the outcome of some rare or special event which occurred in our solar system. Planets are important because they provide the most likely environments for life to evolve.
  • Four forces of nature:
    Nature can be described by four fundamental forces which ultimately drive the dynamics of the entire universe; gravity, electromagnetic force, strong nuclear force, and weak nuclear force.
    • Gravity:
      It is actually the weakest of the four. Since it has a long range and is always attractive, gravity dominates the other forces on sufficiently large size scales.
    • Electromagnetic force:
      On small size scales, in particular within atoms, the electromagnetic force plays a vitally important role. It is ultimately responsible for most of atomic and molecular structure. It is a whopping 10^40 times stronger than the gravitational force. With only gravity to bind an electron to a proton, a hydrogen atom would be larger than the entire observable portion of our universe.
    • Strong nuclear force:
      It is responsible for holding atomic nuclei together. The protons and the neutrons are held together in the nucleus by this force. Without the strong force, atomic nuclei would explode in response to the repulsive electric forces between the positively charged protons. The range of it is about the size of a large atomic nucleus, about 10^-12 cm.
    • Weal nuclear force:
      This rather mysterious weak force mediates the decay of neutrons into protons and electrons, and also plays a role in nuclear fusion, radioactivity, and the production of the elements in stars. A substantial fraction of the total mass of the universe is most likely made up of weakly interacting particles. Such particles tend to interact on very long time scales, they play an increasingly important role as the universe slowly cranks through its future history.
  • War between gravity and entropy:
    The great war between gravity and entropy determines the long-term fate and evolution of astrophysical objects such as stars and galaxies. Gravity pulls the star inwards, whereas the tendency for increasing entropy favors dispersal of the stellar material. If gravity wins this battle, the universe must eventually halt its expansion and begin to recollapse some time in the future. On the other hand, if gravity loses the battle, the universe will continue to expand forever. Which one of these fates lies in our future path depend on the total amount of mass and energy contained within the universe.
  • Cosmological decades:
    We must take up the formidable challenge of establishing a time line which depicts the universally interesting events that are likely to transpire over the next 10^100 years. The number 10^100 is big; attempting to visualize.
    • The number of grains of sand in the world: 10^23
    • The number of stars in all the galaxies in our observable universe: 10^22
    • The total number of protons in all galaxies: 10^78
  • τ= 10^η years
    where ηis some number. The exponent ηis the number of cosmological decades.
    • For example, the universe is currently only about 10^10 years or η=10 cosmological decades.
    • One year after the big bang corresponds to 10^0 years, or the zeroth cosmological decade. One-tenth or 10^-1 year is thus cosmological decade -1, and so on.
    • The beginning of time corresponds to τ=0 when the big bang itself took place; in terms of cosmological decades, the big bang corresponds to negative infinity.
  • Copernican Time Principle:
    it states quire simply that the current cosmological epoch has no special place in time. In other words, interesting things will continue to happen as the universe evolves and changes. Although the available levels of both energy and entropy production become increasingly lower, this effect is compensated by the increasingly long time scales available in the future.


  • 宇宙を覗く4つの窓:
    • 永遠の膨張:
    • 宇宙の構造:
    • 極端な空虚:
    • 恒星の割合:
    • 星間物質:
      星間の空間は全く空という訳ではない。天の川には様々な密度と温度をもったガスで満たされている。その平均密度は1立方cmの中に粒子 (陽子) が1個である。
    • 太陽系外惑星:
  • 自然の4つの力:
    • 重力:
    • 電磁気力:
    • 強い核力:
    • 弱い核力:
  • 重力とエントロピーの戦い:
  • 宇宙年:
    • 世界中の砂粒の数:10^23
    • 観測可能な宇宙にあるすべての銀河にある恒星の数:10^22
    • すべての銀河中にある陽子の数:10^78
  • τ= 10^η 年
    • 例えば宇宙の現在の年齢は10^10年、即ち10宇宙年という訳だ。
    • ビッグバンの1年後は10^0年、即ち0宇宙年に相当する。その10分の1は-1宇宙年となり、以下同様である。
    • 時間の始まりは、ビッグバン自体が起きた時のτ=0に相当し、宇宙年でいえばマイナス無限大の宇宙年ということになる。
  • コペルニクスの時間原理:

1. (-50<η<5): The Primordial Era:

  • First 10^-35 seconds:
    Imagine what it would be like to witness the beginning of time. We would first notice that the universe is expanding and cooling at a fantastic rate. During the first 10^-35 seconds or so, the universe expands so fast that adjacent point of space rush away from each other at incomprehensible speeds. The size of a small dot inflates to become large than the entire observable universe of today.
  • First microseconds:
    In the extreme heat of the first microseconds, the temperature is too hot for molecules, atom, and nuclei to be bound together. Even protons and neutrons cannot exist. The universe is swarming with mysterious elementary particles called quarks.
    • The radiation field that was present at the beginning is still with us today. It forms a sea of photons that fills all of space and is called the cosmic background radiation.
    • The quarks are made of both ordinary matter and antimatter, with a slight excess of the former. For every 30 million antimatter quarks, the universe contains 30 million and one quarks made of matter. As the universe evolves and cools, the quarks and the antiquarks annihilate with one another. Only the tiny excess fraction of matter survives the process, eventually makes up all the matter that we see in the universe today.
  • After 30 microseconds:
    The leftover quarks begin to condense into protons and neutrons. After about 30 microseconds, no free quarks are left.
  • After 1 second:
    Next, as the universe continue to cool, protons and neutrons begin fusing into helium and other light nuclei. This process starts when the universe is about one second old and ends rather abruptly after a few minutes. The universe expands much too quickly for large nuclei to com together.
  • Inflation:
    This period of superluminal expansion inflated the size of the universe by an enormous factor, perhaps a 10^30. After this short but universe-altering epoch, the cosmos settle down into a state of more ordinary expansion.
    This figure shows the size of the universe in both the standard big bang theory and in the inflationary model. This smaller universe could have been in causal contact with itself at some early time in history and thereby produce the extreme uniformity that we observe in our universe today.
  • Vacuum energy:
    The uncertainty principle has important consequences for the concept of a vacuum. The vacuum cannot really be empty. This apparently empty space is filled with particles flickering briefly in and out of existence. The energy required to make these particles is borrowed form the vacuum and then quickly repaid when the particles annihilate each other and subsequently disappear back into nothingness. These particle are called virtual particles. They live on borrowed time and always annihilate just after their spontaneous appearance out of the vacuum.
  • Negative pressure:
    As Einstein's famous formula E=m*c^2 illustrates, energy is equivalent to mass, and these large vacuum energies must have correspondingly large gravitational effects. The vacuum energy, however, has the curious property of exhibiting a negative pressure. This negative pressure is larger than the mass energy and hence the press effects dominate the expansion.
  • Horizon problem:
    One important property of our universe is that it look the same in all directions. In particular, the temperature of the cosmic background radiation is nearly identical in different directions in the sky. And this communication must have taken place before the universe was 300,000 years old, when this radiation last interacted. Without inflation, such regions are not able to communicate each other and the universe suffers from the horizon problem.
    • The background radiation was last able to interact with matter during 300,000 years old and the background photons we see today have been streaming freely since that time. These region have expanded to a size of about 300 million light-years at the present epoch. However we are sampling regions separated by the size of the entire observable universe today, distances larger than 20 billion light-years, yet the observed temperatures of the cosmic background radiation are virtually identical, the same to a few parts in 100,000. There is no easy why the temperature of regions which were completely out of contact should be so uniform. The dilemma constitutes the horizon problem.
  • Expanding universe:
    The expansion and evolution of the universe is described by Einstein's theory of general relativity, which incorporated gravity into a fundamental description of space-time. Einstein went so far as to unnecessarily complicate his theory to allow for a static universe. After the expansion was discovered, however, cosmologists quickly understood that the original, unmodified equations provided the best description of our continually growing universe.
  • Cosmic background radiation:
    The entire universe is pervaded by a background sea of radiation. As the universe expands and cools, the radiation is stretched out to lower energy and eventually ceases to interact.
    • How do we know that this faint background of microwaves is actually a fossil signature of the big bang?
    • When equilibrium is attained, the spectrum of the radiation, the amount of energy emitted at each wavelength, approaches a particular form known as a black body.
    • Another property of the observed background radiation was imprinted in the blazing past of the early universe.
      (cosmological principle: universe is homogeneous and isotropic.)

1.(-50<η<5) 原始時代

  • 最初の10^-35秒:
  • 最初のマイクロ秒
    • 宇宙の始まり頃に存在していた放射は、今でも残存している。それは宇宙空間のすべてを満たす光子の海を形成し宇宙背景放射と呼ばれている。その有効温度は絶対温度2.7度まで下がってしまった。
    • クォークは通常の物質と反物質の両方で作られているが、宇宙には3千万個に1個の割合で物質のクォークの方が反物質のクォークより多く存在していた。宇宙が進化し冷えると、クォークと反クォークは衝突して消滅する。ほんの少し多い物質だけが消滅を免れて生き残り、結果的にすべての物質を作っている。
  • 30マイクロ秒後:
  • 1秒後:
  • インフレーション:
  • 真空エネルギー:
  • 負の圧力:
  • 地平線問題:
    • 背景放射は、30万年後までの時期に、最後に物質と相互作用して以来、今見られる背景の光子は自由に跳び続けてきた。この領域は今や3億光年にまで広がった。しかしながら我々は、観測可能な宇宙全体の大きさ、つまり200億光年以上の距離を隔てた領域をサンプリングしている。にもかかわらず宇宙背景放射の観測された温度は実質的に全く同じで、誤差は10万分の1しかない。なぜ全く接触の範囲外にある領域の温度が極めて一様なのかの理由は簡単ではない。このジレンマが地平線問題である。
  • 膨張する宇宙:
  • 宇宙背景放射:
    宇宙全体に放射の背景の海が広がっている。宇宙が膨張し冷えるにつれて放射はより低いエネルギーにまで引き延ばされ 、ついには粒子との相互作用をやめてしまう。
    • この微弱なマイクロ波背景がビッグバンの化石的な痕跡であることがなぜわかるのか。
    • 平衡状態に達すると放射のスペクトル即ち各波長で放出されるエネルギー両は、黒体と呼ばれる特殊な形態に近づく。
    • もう一つの特質は、初期の宇宙の炎につつまれた過去に刻印されたものである。(宇宙原理:宇宙が一様で等方であること)
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  • Quark and Antiquarks:
    During the first microsecond of cosmic history, the matter content of the universe lived in the form of quarks and their antimatter counterparts called antiquarks.
    • In rough terms, our universe contains about 10^78 protons and neutrons, with a relatively negligible admixture of antiprotons and other antimatter particles. Both matter and antimatter are fundamentally on an equal footing.
    • Back in the earliest moments of cosmic history, physical processes that do not conserve baryon (like protons and neutrons) number began to operate. The ensuing microscopic reactions produce a net excess of quarks in some regions of the universe.
    • The reactions must be able to sense or follow the direction of time, which is defined by the expanding universe. Thus, in order to generate a net excess of matter, the universe must provide reactions that violate baryon number, take place out of equilibrium, and are not time reversible.
    • This change of phase occurs as the universe falls through a temperature of one trillion degrees kelvin and attains the density of nuclear matter, one quadrillion times the density of water. With these background conditions, protons and neutrons burst into existence.
  • The first 3 minutes:
    About one second after the big bang, the background temperature dropped to 10 billion degrees K. With a density 200,000, the universe was cool enough to begin fusing protons and neutrons into light atomic nuclei. A great deal of helium was synthesized, with smaller admixtures of deuterium and lithium. This nuclear activity continued for about 3 minutes. At this juncture, the temperature fell to one billion degrees K and the density to only 20 times the density of water. Nuclear reactions then abruptly shut down.
    • Most of the universe, about 75% by mass, emerged unprocessed in the form of protons (hydrogen).
    • If nucleosynthesis in the early universe had continued indefinitely, all of the protons and neutrons would have eventually fused into iron.
  • Dark Matter:
    The total amount of stellar mass in the universe appears to be surprisingly small, however, less than 1% of the closure density. In light of stellar observations and the theory of nucleosynthesis, the universe must contain 2 to 8 times more mass in baryons than is accounted for in ordinary stars.
    • Astronomers measure the speed at which stars are orbiting about the centers of other galaxies. The larger the observed orbital speed, the more mass required. This accounting procedure implies that most of the mass contained in galaxies resides in the outer galactic halos; perhaps 100 times more mass than the stars themselves. The total mass of galactic halos thus accounts for about 10% of the closure density.
    • Observations also determine the amount of mass distributed over regions the size of galaxy clusters. In this case, we measure how fast the galaxies themselves are orbiting about the cluster centers. Although somewhat uncertain, these measurements indicate that galaxy clusters contain roughly 30% of the mass required for closure. This large reservoir of material is 4 to 15 times more massive than the total amount of baryonic matter; substantial fraction of the matter in the universe must reside in nonbaryonic form.
    • Two different dark matters:
      The first regime includes particle with masses of about 10 to 100 times the mass of a proton. Such heavy particles are relatively slow moving and are generally known as cold dark matter.
    • The second possible regime includes lighter particles, with approximately a billion times less mass. These light particles have relativist speeds and are known as hot dark matter.
  • クォークと反クォーク:
    • 我々の宇宙には、10^78の陽子と中性子があり、ほとんど無視できる分量の反陽子と他の反物質素粒子がほんの少しだけ混ざっている。物質と反物質とはどちらも基本的には対等の資格をもっている。
    • 宇宙誕生から1マイクロ秒経つずっと前、 (陽子や中性子のような) バリオン数を保存しない物理プロセスが働いていた。続いて起きたミクロの世界の反応が宇宙のある領域でクォークの過剰をもたらした。
    • 反応は、膨張する宇宙によって決まる時間の方向を感知し、それに沿ったものでなければならない。このように正味の質量増加を生じさせるためには、バリオン数を破り、平衡状態から離れた反応が起き、時間逆転できないように進むことが必要である。
    • 宇宙の温度が1兆度に下がり、水の密度の10^15倍にあたる核物質の密度になる時に相変化が起こる。こうした背景の条件で陽子と中性子が突然存在し始める。
  • 最初の3分間
    • 宇宙の大部分、質量で約75%は、陽子(水素) のまま反応しないで残る。
    • もし初期宇宙の元素合成が限りなく続いていたら、陽子と中性子のすべては最終的に融合して鉄になっていただろう。
  • 暗黒物質:
    • 天文学者は他の銀河を周回している星の速度を測定する。周回速度が大きいほどより多くの質量が必要になる。この計算によって銀河に含まれる質量の大部分は外側の銀河ハローに存在しており、おそらく星の100倍もの質量がある。このように銀河ハローの全質量は、宇宙が閉じる質量の約10%を占める。
    • また観測結果から銀河団規模の領域に分布している質量を推定できる。我々は、銀河がどの位の速さで、その銀河団の中心を回っているかを測定する。多少不確実だが、銀河団は宇宙が閉じるのに必要な質量の約30%を含んでいる。この貯蔵量は、バリオン物質総量の4ー15倍も多い。このことは宇宙物質のかなりの部分が非バリオンの形態で存在していることを意味している。
    • 2種類の暗黒物質:
    • 二番目のグループにはおよそ10億分の1の質量の軽い粒子が含まれる。これらの軽い粒子は相対論的速度をもっており、熱い暗黒物質と呼ばれている。

2. (6<η<14): The Stelliferous Era

  • Galaxy formation:
    After the fireworks of the first 3 minutes, for the next 300,000 years, space was filled with a nearly featureless sea of hydrogen and helium nuclei, photons, and free electrons, all in a state of constant interaction known as thermal equilibrium.
    • When the universe cooled down to a temperature of about 3000K, electrons and atomic nuclei combines to form ordinary atoms, mostly hydrogen. As the radiation temperature plummets, the photons suddenly lack the energy required to separate electrons from the nuclei, and the particles combine to form neutral atoms. Then newly complete hydrogen and helium atoms are then free to collapse under the influence of gravity. The ensuing collapse produces vast aggregations of stars, gas, and galaxies.
  • Star formation:
    The first stars were born at about the same time as the first galaxies. At the present epoch, stars from within molecular clouds, vast aggregations of molecular gas residing in galactic disks. These clouds, which often contain the mass of a million Suns, are much denser and colder than the surrounding interstellar gas. Stars are born out of the collapse of molecular cloud cores, small subcondensations which are scattered throughout the much larger volume of a cloud.
    • These core regions are threaded by magnetic fields, which provide a vital source of pressure to help support the cores against gravitational collapse. The magnetic fields gradually diffuse outward and the central regions grow increasingly concentrated. Soon after the inevitable catastrophe of collapse begins, a small pressure-supported protostar appears at the very center of the collapse flow.
    • These cores spin extremely slowly, about one rotation per million years. This slow rotation imbues the system with a substantial amount of angular momentum. As a result, not all of the mass falls directly onto the nascent star. This nebular disk of gas and dust provides a friendly environment for making planets.
    • During the main collapse phase, the central protostar and its nebular disk are surrounded by an inward flow of gas and dust. This infalling envelope is thick enough to largely obscure an outside view of the forming star. The original visible radiation emitted by the central star is reprocessed so that forming stars can on be observed at infrared wavelength. For this reason, bona fide forming stars were not unambiguously identified until the 1980s.
    • At the beginning, stars derive most of their energy from gravitational contraction. As the star shrinks, its central core heats up, and hydrogen fusion is eventually initiated. Once sustained nuclear fusion reactions finally begin, the star is fully formed.
  • Right here right now:
    Imagine shrinking Sun down to the size of a grain of sand. Earth and its orbit traces a circle about an inch in diameter. The distance to Pluto shrinks to 2 ft. At this scale, the nearest star system (Alpha Centauri) is 2 miles away. One can hardly overemphasize the relentless emptiness of our present-day galaxy. And the galaxy is a million times denser than the universe as a whole.
  • Cast of stellar characters:
    To sustain nuclear reactions in their interiors, gaseous celestial bodies must contain at least 8% of the solar mass. The Stelliferous era is rife with failed stars (brown dwarfs) that are too small to generate nuclear power. Brown dwarfs effectively store away unprocessed hydrogen fuel. When the Degenerate Era arrives, this investment finally pays off.
    • Stars live in galaxies which have masses of about 10^11 solar masses, and stars are made of hydrogen atoms of about 10^-24 grams or about 10^-57 solar masses.
    • Since the stars visible to the naked eye are almost exclusively more massive than the Sun, one might think that the Sun is a rather small star. This conjecture is simply not true. Of the 50 nearest known stars, the Sun ranks a very respectable 4th and is thus relatively large. The lower mass stars, mostly red dwarfs with less than half the mass of our Sun, completely dominate the stellar population by number.

2.(6<η<14): 星多き時代

  • 銀河の誕生:
    • 宇宙が約3000度Kまで下がった時、電子と原子核が結合し、通常の原子を形作る。そのほとんどは水素である。放射の温度が急に下がると、光子は電子を原子核から分離するのに必要なエネルギーを持たなくなり、粒子同士が結合して中性の原子が生まれる。新しくできた水素とヘリウムの原子は重力の影響で自由に合体するようになる。銀河の誕生である。沢山の粒子がくっつくと、星やガスや銀河が生まれる。
  • 星の誕生:
    • この中心核の領域は磁場によって織りなされており、それによって中心核が重力崩壊を防ぐ圧力になっている。磁場は徐々に外部に消散し、中心領域はどんどん凝縮していく。やがて避けられない崩壊のカタストロフィーが始まるとすぐに、圧力に支えられた小さな原始星が、崩壊流の中心に現れる。
    • 中心核は、数百万年に1回転位のゆっくりした速度で回転している。この遅い回転によって、かなりの角運動量が系に行き渡る。その結果、すべての質量が発生しようとする星に直接落下することはない。このガスと塵の星雲状円盤が惑星を作るのに好環境になる。
    • 本格的な崩壊段階になると、中心の原始星と星雲状円盤は、ガスと塵の内側への流れによって囲まれる。この落下するエンべロープは厚いので、形成されつつある星を外からは見えなくなる。中央の星からの本来の可視放射は再処理され、形成れつつある星は赤外線の波長によって観察できる。この理由で、形成されつつある星は1980年代までははっきりと識別されなかった。
    • 誕生直後、星はエネルギーはほとんどを重力収縮からもらっている。星が収縮すると、その中心核は加熱し、やがて水素の融合がはじまる。一旦、継続する核融合反応が始まると、星はようやく一人前になる。
  • 現時点の位置関係:
  • 恒星の役者たち:
    • 星は太陽質量の約10^11の質量を持った銀河の中に存在する。そして星は、約10^-24gで、太陽質量の10^-57倍に相当する水素元素からできている。
    • 肉眼で見える星々はほとんどが太陽より重いので、太陽はどちらかというと小さな星だと考えるに違いない。この推測は正しくない。我々の近くにある50個の星の中で、太陽はいみじくも4番目にランクされており、比較的大きいのである。低質量の星はほとんどが赤色矮星だが、星の数としては圧倒的に多い。
  • The fate of the Sun:
    Radioactive dating tells us that the oldest meteorites were formed 4.5 billion years ago. After the genesis of our solar system, the Sun contracted over the next few millions years until its core became hot enough for hydrogen fusion to take place. These nuclear reactions have thus been powering the Sun for the last 4.5 billion years. At the center of the Sun, the temperature is 16 million degrees K. So far, about half of the hydrogen at the center has been burned into helium. Enough hydrogen remains in the extended core to keep the Sun shining for another 6 billion years. Nevertheless, in 6 billion years, the Sun will be about twice as bright as it is today.
    • The brighter and hotter Sun presents grave consequences for life on Earth. The greenhouse effect can develop into a vicious cycle. Warming oceans release carbon dioxide and water vapor, which lead to further heating which in turn released even more gas into the atmosphere. As this runaway greenhouse effect gather momentum, the oceans evaporate entirely and scald Earth with a sterilizing atmosphere. Within a few billion years, our world now green and flowering with life will closely resemble the present-day Venus, with a hellish atmosphere fueled by a runaway greenhouse effect.
    • After the hydrogen in the solar core has been entirely converted to helium, a shell of material just above the core continues the fusion process. Because the central temperature is too cool to fuse helium into heavier elements, the core lacks an energy source and cannot support the weight of the overlying bulk of the Sun. As the core shrinks, the temperature of the central region increased accordingly. The spent helium core continue to shrink, and the power output of the Sun steadily rises. Paradoxically, as the Sun becomes more luminous, its surface grow cooler (from 6,000K to 3,000K) This surface cooling comes about because the excess energy produced near the core is partially deposited in the middle layers of the Sun. The Sun evolves to become brighter, large, redder, and cooler than the yellow orb we see today.
    • A billion years or so after hydrogen is first depleted in the center of the Sun, the exhausted central core becomes so dense that most of the pressure is provide by degenerate electrons. A stellar object supported by this degeneracy pressure is called a white dwarf and is about the radial size of Earth. An expanding red giant basically consists of a central white dwarf surrounded by an extremely deep and diffuse stellar atmosphere. The central core reaches about one million times denser than water. Two curious properties of degenerate material are:
      • More mass is piled onto the white dwarf, it radius steadily shrinks.
      • When degenerate matter is heated, an increase in temperature produces neither expansion nor an increase in pressure.
    • The core of a red giant is rapidly transformed into a colossal helium bomb. This tremendous ensuing burst of energy, known as the helium flash, is so powerful that it heaves the dense core out of degeneracy and into a more expanded and stable configuration. At the peak of its red giant phase, the Sun will be 2,000 times brighter than it is now.
  • 太陽の運命:
    • より明るく熱い太陽は、地球上の生命に重大な影響を与える。温室効果が悪循環を引き起こす。温暖化した海洋は二酸化炭素と水蒸気を放出し、それがさらに加熱を進め、これまでにない多くのガスが大気中に放出される。手に負えなくなった温室効果が勢いを増すにつれて、海洋は完全に蒸発し、地球は灼熱の大気で焦がされて不毛の地となる。数十億年以内に緑と命の花が咲く我々の地球は、手に負えない温室効果で煽られた地獄のような大気をもつ現在の金星によく似た姿になるだろう。
    • 太陽の中心核の水素がすべてヘリウムに転換された後、中心核のすぐ上の物質の殻が融合を続ける。中心温度がヘリウムを融合させて重い元素を作るには中心の温度が低すぎるので、中心核はエネルギー源が不足となり、かさばった太陽の容積の重さを支えきれなくなる。中心核が縮小すると、それに応じて中心領域の温度は上昇する。ヘリウムの中心核はさらに縮小を続け、太陽のパワーは着実に増加する。矛盾するようだが、太陽の輝きが増すにつれてその表面温度は冷えてくる(6000度Kから3000度Kへ)この表面の冷却は中心核付近で作られる過剰なエネルギーが一部、太陽の中間層に蓄積するからである。太陽は進化して、今我々が見ている黄色い天球より明るく大きく赤くそして冷たくなる。
    • 太陽の中心で水素が枯渇してから10億年も経つと、使い尽くされた中心核は非常な高密度になり、圧力の大部分は縮退した電子によって供給される。この縮退圧によって支えられた天体は白色矮星と呼ばれ、地球の半径ほどの大きさである。膨張していく赤色巨星は、中心にある白色矮星の周囲に極度に厚い星の大気が拡がったものである。中心核は、密度は水の100万倍に達する。縮退物質には2つの奇妙な特質がある。
      • 白色矮星にさらに質量を詰め込むと、その半径は着実に縮小する。
      • 縮退物質を加熱して温度が上がっても、膨張もせず圧力も上がらない。
    • 赤色巨星の中心核は、急速に巨大なヘリウム爆弾に変身する。赤色巨星のエネルギー生成率は、銀河のすべての星が生むパワーにも匹敵する。ヘリウムフラッシュとよばれる猛烈なエネルギーの噴出は非常に強力で、高密度の中心核を縮退から解き放ってもっと膨張した安定な形態に移行させる。赤色巨星のピーク時には、太陽は今より2,000倍も明るくなるだろう。
  • Lost in space:
    As the Sun churns through its life cycle, Earth's biosphere is scheduled to be completely destroyed by a runaway greenhouse effect in about 2 billion years.
    • Computer simulation shows Earth, the Moon, and the Sun reacting to a visit from a red dwarf with 1/4 of a solar mass. The simulation predicts that Earth would be ejected from the solar system at high speed. However, the chances of such an event taking place before the Sun turns into a red giant are slim: 1 in 10^5.
    • With this speed, earth crosses the orbit of Pluto within a few years and leaves the solar system. Soon, the entire planet is plunged into a permanent deep freeze,. At 77 degrees K, the nitrogen falls as rain onto the frigid snowy surface. The oxygen from the atmosphere also rains out of the frozen skies. Geological activity is driven by heat from the decay of radioactive elements and lasts for billions of years, longer than the remaining lifetime of the Sun.
  • The fate of massive stars:
    The nature of stellar death depends on stellar mass. Single stars that contain more than half of solar-mass, but less than 8 times are destined to share the same fate. At the end of their lives, they disgorge huge quantities of hot gases (called planetary nebulae) and leave behind white dwarfs composed primarily of carbon and oxygen.
    • 15-solar-mass star:
      The stellar lifetime is very short; the star burns its central stores of hydrogen into helium within only 10 million years. The temperature in this core is more than 100 million degrees and the density is about 1,000 times that of water.
    • One reason why stars spend most of their lives in the hydrogen-burning phase is because the fusion of hydrogen into helium is the most exothermic nuclear reaction.
    • After carbon burning has run its course, the structure of a massive evolving star bears a vague resemblance to an onion.
  • The diagram of a supernova:
    This diagram shows the schematic structure of a very evolved star of high mass, just a few minutes before a supernova explosion.
    Each 'onion skin' represents a layer of nuclear burning near the central inert iron core. Only the central region of the star is shown here, the rest of the star consists of a thick envelope of unburned hydrogen.
    • The fusion of iron into even heavier elements (silver or gold) does not lead to the release of energy, but rather requires the absorption of energy.
    • When the core density approaches 10^14 grams per cm3, free electrons and protons combine to produce neutrons and neutrinos. This thick soup of neutrons resembles a single gigantic nucleus.
    • Supernova:
      The collapse of an iron core in a massive star, followed by the bounce at nuclear densities and the ensuing shock wave, is called a supernova. The shock wave is strong enough to completely blow apart the outer layers of the star. Heavy elements (including gold, lead, and uranium) are synthesized within the shock itself. At the center of the supernova explosion, the dense core of neutrons can remain behind as a neutron star.
    • Alternatively, of the core is heavier than a few times the solar mass, it may collapse into a black hole. If a sufficiently massive star explodes violently and is efficient at expelling stellar material, then so stellar remnant of any kind is left behind.
    • Supernovae are the most dramatic phenomena in stellar evolution. For a single second, the amount of energy produced by a supernova rivals the total energy emitted by all of the stars within the visible universe. For days the residual explosion shines as brightly as the entire galaxy that the dying star called home.
  • The fate of low-mass stars:
    • In Johannesburg in 1916 an astronomer reported an unremarkable star, far too faint to be seen with the naked eye, attracted his attention because it was slowly changing its position; Proxima Centauri, just one out of billion of red dwarfs in our galaxy.
    • Proxima has about 15% of Sun's mass, an density several time that of lead, and a power rating 400 dimmer than our Sun. Proxima must resort to convection, a process in which the turbulent motion of stellar gas physically carries energy away from the center.
    • Complete convention, couple with an underwhelming power output, allows red dwarfs to survive almost unaltered, long after the higher mass stars have turned into white dwarfs or self-destructed in supernova explosions.
  • 宇宙の迷子:
    • コンピュータ・シミュレーションによれば、太陽質量の1/4の質量の赤色矮星の来訪による地球と月と太陽の反応を示す。地球は高速で太陽系から投げ出されるだろうことを予測している。しかしこのような事象が、太陽が赤色巨星になる前に起こる確率は、約10万分の1に過ぎない。
    • このスピードだと地球は数年以内に冥王星の軌道を横切って太陽系を飛び出してしまう。まもなく惑星全体は永久凍結の状態に入る。77度Kでは窒素が雨となって極寒の雪に覆われた地表に降り注ぐ。大気中の酸素もまた凍りついた空から雨となって降る。地質学的な活動は放射性元素の崩壊からの熱によって行われており、太陽の残り寿命より長く数十億年に亘って持続する。
  • 重い星の運命:
    • 15倍の太陽質量の星:
    • なぜ星はその寿命の大半を水素燃焼の局面で過ごすのかの理由は、水素からヘリウムへの融合がもっとも発熱の激しい核反応だからである。
    • 炭素の燃焼プロセスのあとに、質量の大きな星の構造はタマネギにどことなく似てくる。
  • 超新星の断面:
    • 鉄がさらに重たい元素(銀や金など)に融合するにはエネルギーの放出にはならず、むしろエネルギーの吸収が必要になる。
    • 中心核の密度が10^14g/cm3にちかづくと自由電子と陽子は融合して中性子とニュートリノを作り出す。この中性子の厚いスープは一個の巨大な原子核のようになる。
    • 超新星:
    • もし中心核は太陽質量より数倍も重い場合には、それは潰れてブラックホールになる。もし十分重たい星が激しく爆発し星の物質を効率よく吹き飛ばしてしまう場合には、星の残骸が後に何も残らない。
    • 超新星は星の進化の中で最も劇的な出来事である。ほんの1秒の間、超新星によって放出されるエネルギーは見える範囲の宇宙にあるすべての星から放出さる全エネルギーに相当する。爆発の残骸は、何日もの間死にゆく星が棲んでいた銀河全体と同じくらいの明るさで輝く。
  • 軽い星の運命:
    • 1916年ヨハネスブルグで、一人の天文学者が目立たない星の発見を報告した。それは肉眼で見るには光が弱すぎるが、ゆっくりとその位置を変えていることが興味を引いたのである。それがケンタウルス座プロキシマであり、我々の銀河にある何十億となる赤色矮星の一つであった。
    • プロキシマは、太陽質量の15%しかなく、鉛の数倍の密度ももち、エネルギー出力は太陽の1/400である。プロキシマ星は対流に頼っており、星のガスの乱流運動によって物理的にエネルギーを中心から運び出している。
    • 完全な対流は、その圧倒的に小さなエネルギー出力と相まって、赤色矮星をほとんど姿を変えずに生き延びさせ、質量の大きな星が白色矮星や超新星爆発で自滅した後もずっと長く生き続ける。
  • Extraterrestrial life:
    A planet orbiting a relatively massive star - such as Deneb in Cygnus - is not likely to harbor an alien civilization. A 10-solar mass star lives for only 10 million years before destroying itself in a supernova.
    • Two lines of evidence suggest that a long time is require for advanced civilizations to arise. In the one example we know, the evolution of intelligence required billions of years.
    • We have no indications that any other civilizations exist. In particular, no extraterrestrial societies have contacted us. If technological civilizations could easily arise in short periods of time, then we might expect some relatively nearby star to broadcast detectable signals.
    • With moderate confidence, we estimate that the galaxy contains roughly one billion habitable planets.This history of life on Earth suggests that once the evolution of life begins, the development of complexity, intelligence, and even technology is reasonably likely. We suggest that roughly one in ten thousand of the habitable planet develop life. Assuming that civilizations with technological capabilities do not readily destroy themselves, we estimate that the total number of civilizations in the galaxy is roughly 1,000.
    • The isolation imposed by the enormous distances between stars is vast and profound. Suppose that the nearest intelligent civilization is 3,000 light-years away. For comparison, our current census of nearby stars is complete out to a distance of only 15 light-years.
    • Although a thousand civilizations could conceivably live within our galaxy, a great deal of luck is necessary to establish contact.
  • Colonization of the galaxy:
    To estimate the time required to travel the length of the galaxy by a random walk, we can assume that the galaxy is 30,000 light-years across, and the step length travel by a life-carrying meteor is a few light-years, the typical distance between stars. The meteors or comets travel at about 30 km/sec. Given the relative youth of the universe and the galaxy spontaneous life appears to be much more likely than life propagated through random processes.
    • As relatively heavy stars like the Sun begins to burn out and turn into red giants, intelligent civilizations living around these dying stars might find it attractive to colonize the planetary system of nearby stars which are still actively generating energy through nuclear fusion.
    • An alternative possibility exits. The ascent of life may be essential automatic and life may arise naturally on any suitable planet. It may also turn out that evolution always produces intelligent species of roughly comparable quality. In this case, the life that arises naturally on any habitable planet would be "just as good" as that of any civilization that could migrate there. Once these concepts are understood, any thinking civilization would simply stay at home.
  • The end of star formation:
    Even the longest-lived stars die after trillions of years. Because stars have finite lifetimes, galaxies can maintain their present status only as long as they continue to manufacture new stars. How long can a galaxy sustain normal star formation before it runs out of raw material?
    • The galaxy will deplete its gas reserves in another ten billion years, roughly comparable to the current gas of the universe.
    • Purely by coincidence, both star formation and stellar evolution draw to a close at approximately the same cosmological decade.
    • During the 13th cosmological decade, stars are shining brightly and the universe is an energetic place. After the 14th cosmological decade, the stars have gone out and the universe will appear much darker to human eyes.
  • 地球外生命:
    • 2つの証拠が進歩した文明が起こるには長い時間が必要なことを示している。その一つの例は、知能の進化には数十億年という年数が必要だった。
    • 次には、他の文明が存在する兆候が全く見られないことである。特に地球外の文明から我々への接触は全くない。
    • もし技術文明が短い期間で簡単に起こるのだれば、比較的近い星のいくつから検知できる信号が送られてくるのを期待ができよう。
    • 相当な自信をもって、我々は銀河には約10億の棲める惑星が存在すると予測できる。この地球上の生命の歴史を見ると、一旦生命の進化が始まると、複雑性、知能、さらには技術の進歩がそれなりに起きそうなことを示している。我々は、棲める惑星の1万分の1が生命を発達させると推測している。技術的な能力を有する文明は、簡単には自滅しないと仮定して、銀河の中の文明の総数はほぼ千個と予測している。
    • 星の間の距離による孤立状態は気が遠くなるほどだ。最も近い知的文明が3,000光年だけ離れていると仮定してみる。現在の近くの星に関する調整は15光年だけ終わったに過ぎない。
    • 我々の銀河には千もの文明が存在しているかもしれないが、彼らとの接触を図るには大変な幸運が必要となる。
  • 銀河の植民地化:
    • 太陽のように相対的に重い星が燃え尽きて赤色巨星に変わっていくので、こうした死にゆく星の周辺の知識文明は、まだ核融合で活発にエネルギーを称している星の惑星系を植民地化する魅力を感じるかも知れない。
    • この代わりの可能性もある。生命の誕生は本質的に自動的で、生命はあらゆる適した惑星上で自然に発生するだろう。またほぼ同じような能力の知的な種を生み出すだろう。その場合、すべての棲める惑星上で発生した生命は、そこに移住可能な文明と大して違わない状態になるだろう。こうした概念が理解されると、すべての思慮ある文明はそのままその故郷に留まるだろう。
  • 星の形成が終わる時:
    • 宇宙にある現在のガスに匹敵する量の、ガスの蓄えを銀河が枯渇させるまでになお百億年かかる。
    • 全く偶然だが、星の形成と星の進化とはほぼ同じ宇宙年に終わりに近づく。
    • 第13宇宙年の間、星々は明るく輝き、宇宙は活気あふれる場所だった。第14宇宙年になると、星々の明かりは消えてゆき、宇宙は人間の目にずっと暗くなってしまう。

3. (15<η<39): The Degenerate Era:

  • What happens when the stars have stopped shining? As the universe enters the Degenerate Era, the effects of change are quite evident. Conventional hydrogen-burning stars have given way to stellar remnants; brown dwarfs, white dwarfs, neutron stars, and black holes.
  • Relative number of stars:
    The left pie chart shows the relative number of stars born in different ranges of mass.
    1. Brown dwarfs: 0.01 - 0.08 solar masses.
    2. Red dwarfs: 0.08 - 0.43 solar masses
    3. Sunlike stars: 0.43 - 1.2 solar masses
    4. Massive stars: 1.2 - 8 solar masses
    5. Supermassive stars: > 8 solar masses
  • The right pie chart show the distribution of stellar remnants, the objects left over after stellar evolution has run its course.
    1. The brown dwarfs remain as brown dwarfs.
    2. But most stars (< 8 solar masses) end their lives as white dwarfs.
    3. Only tiny fraction of stars (> 8 solar masses) can become black holes and neutron stars.
  • Brown dwarfs:
    Brown dwarfs are larger than planets, smaller than regular stars, and represent the lightest type of degenerate remnant. They are stellar failures in the sense that they are unable to achieve nuclear ignition of hydrogen in their interiors.
    • Small stars must contract more drastically in order to achieve a central temperature of 10 million degrees K. But, if the central density becomes too large, degeneracy pressure dominates over ordinary thermal pressure and supports the star before the temperature reaches the requisite ten million degrees.
    • Because they don't actually do anything, these substellar slackers retain precisely the elemental abundance they are born with (hydrogen).
  • White dwarfs:
    The vast majority of stars, including our Sun, end their lives as white dwarfs. Although a dim 0.08-solar-mass star is 100 times lighter than a tempestuous 8-solar-mass star that shines with light of 3000 Suns, both are destined to finish their evolution by becoming white dwarfs. The Sun will give rise to a white dwarf with about 0.6 solar masses.
    • A white dwarf with a typical mass of 0.25 solar masses has a radius of 14,000 km. A one-solar-mass white dwarf has a radius of only 8,700 km. More massive objects are smaller, because their matter is degenerate. This odd behavior is in direct contrast to ordinary matter.
    • A stellarlike object thus has a minimum mass required in order to be degenerate. This mass is approximately 1/1,000 of the mass of the Sun, about the same mass as Jupiter.
  • Neutron stars:
    Although white dwarfs are incredibly dense, a neutron star embodies an even more compact form of stellar matter.
    • The typical density of a white dwarf is only about 1 million times the density of water. The nuclei of atoms are much denser, about a quadrillion (10^15) times denser than water, or a billion times denser than a white dwarf. The neutron star is very much like a single gigantic atomic nucleus.
    • Within a highly evolved star, the central region becomes a degenerate iron core that collapse to initiate a supernova, often leaving behind a neutron star as a remnant. Neutron stars are relatively rare. Only about one out of 400 stars are born large enough to achieve detonation and leave behind a neutron star.
    • The typical mass of a neutron star is about 1.5 times that of the Sun. Neutron stars are rather small, only about 10km in radius.
  • Black holes:
    The fourth possible fate of a dying star is to end up as a black hole. After they explode and expire, the most massive stars may leave behind a remnant larger than the maximum mass for a neutron star, between two and three solar masses. A sufficiently massive stellar remnant cannot be supported by degeneracy pressure and must collapse to become a black hole.
    • Black holes are strange beasts, with gravitational fields so strong that light itself cannot escape. Because of Einstein's relativistic speed limit, no particles or radiation are allowed to leave a black hole. However, because of Heisenberg's uncertainty principle, in the very long term, black holes must eventually surrender their tightly held masses, but not until long after the Degenerate Era has ended.
    • Black holes are incredibly compact. A black hole with the mass of the Sun is only a couple of kilometers in radius. As another benchmark, ab black hole the size of a baseball has about five times the mass of Earth.
    • Black holes are found at the centers of galaxies. They weigh in anywhere from 1 million to a few billion solar masses.

3.(15<η<39): 縮退する時代:

  • 星が輝きをやめたら何が起こるのか。宇宙が「縮退する時代」になると、その変化は明白になる。従来の水素を燃焼する星々は、それらの残骸である褐色矮星、白色矮星、中性子星、およびブラックホールが主役となる。
  • 星の相対的な数の変化:
    1. 褐色矮星:太陽質量の0.01 - 0.08
    2. 赤色矮星:太陽質量の0.08 - 0.43
    3. 太陽級の星:太陽質量の0.43 - 1.2
    4. 重量星:太陽質量の1.2 - 8
    5. 超重量星:太陽質量の8倍以上
  • 図の右円グラフは星のしかるべき進化の後の残骸、すなわち星の屍としての分布である。
    1. 褐色矮星はそのまま褐色矮星として残る
    2. 太陽質量の8倍以上のほとんどの星は白色矮星になる。
    3. 太陽質量の8倍以上のごく一部の星がブラックホールや中性子星になる。
  • 褐色矮星:
    • 小さな星は、1,000万度Kの中心温度を達成するために激しく収縮しなくてはならない。もし中心密度が高くなりすぎると、縮退圧が通常の熱圧力を上回り、中心核が1,000万度に達する前に星を内部から支えてしまう。
    • この怠慢な褐色矮星は何もしないので、生まれたままの豊富な元素(水素)を保持している。
  • 白色矮星:
    • 太陽質量の1/4の典型的な質量をもつ白色矮星の半径は14,000kmである。太陽質量と同じ白色矮星の半径の半径は8,700kmしかない。重いと小さいのである。その物質が縮退しているからだ。この奇妙がふるまいは通常の物質と正反対である。
    • 星のような単体には、縮退するための最小限の質量がある。この質量は太陽質量のおよそ1/1,000で、ほぼ木星の質量と同じである。
  • 中性子星:
    • 白色矮星の典型的な密度は百万に過ぎないが、原子核はこれより遙かに高密度で、約10^15倍もあり、白色矮星の十億倍も高密度である。中性子星は単一の巨大が原子核と非常によく似ている。
    • 高度に進化した星の内部では、中心領域が縮退した鉄の中心核になり、それが崩壊して超新星となり、その後に残骸として中性子星が残る。
    • 中性子星の典型的な質労は太陽の約1.5倍である。中性子星はむしろ小さくその直径は約10kmに過ぎない。
  • ブラックホール:
    • ブラックホールは奇妙な天体である。その重力場はあまりにも大きいので光でさえ脱出できない。アインシュタインの相対論による速度の限界のために、いかなる粒子も放射もブラックホールから去ることはできない。しかし、ハイセンベルグの不確定性原理によって、非常に長期間には、ブラックホールはその堅い質量もついに手放すことになるが、それは縮退の時代が終わってからしばらくはやってこない。
    • ブラックホールは信じられないほど高密度である。太陽質量のブラックホールはその半径が数kmに過ぎない。もう一つの表現をすれgば、野球のボールの大きさのブラックホールは地球の5倍の質量になる。
    • ブラックホールは、銀河の中心にも見つかっている。それらは太陽に百万倍から数十億倍の質量がある。
  • >Top
  • Galaxies in collision:
    Our galaxy, the Milky Way, now contains a 100 billion shining stars. In the Degenerate Era, the sky will appear pitch black. But the largest galaxies, held together by the gravity of cold dead stars and dark matter, will remain intact.
    • The most imminent threat facing ordinary galaxies is not the death of their constituent stars, but rather a disruptive collision with another galaxy. Galaxies usually live in clusters or groups. Clusters are held together by gravity, and each galaxy traces its own orbit through the cluster.
    • Galactic collisions will affect the universe of the relatively near future. When galaxies collide, the stars belonging to the two original galaxies intermingle to forma a larger, but more disorganized, composite galaxy.
    • Galactic collisions are frequently associated with powerful burst of star formation. Large clouds of gas within the galaxies merge during such collisions and produce new stars at prodigious rates. The most noticeable consequence for an Earthlike planet would be the gradual doubling of the number of stars visible in the night sky.
    • The neighboring Andromeda galaxy (M31) is presently directed on a collision course with the Milky Way. As the two galaxies orbit around each other, and energy is lost to dynamical friction, a future merger becomes almost inevitable.
  • Galaxies in relaxation:
    As the Degenerate Era gets underway collisions and near collins between stars become increasingly important.
    • Over the course of time, many scatterings take place, and their effects slowly accumulate. The smaller and lighter stars tend to pick up speed and gain orbital energy, whereas the heavier stars tend to lose their orbital energy.
    • When a large number of stars participate in this redistribution of wealth, the galactic structure slowly changes in a process of dynamical relaxation. As time goes on, more and more stars evaporate from the dying galaxy, and are sent hurtling into intergalactic space at speed of 300 km/sec.
    • Since the stars that leave have the highest energies, the stars left behind have less energy on average. Energy is thus drained away. In response to the mounting energy crisis, the galaxy is compelled to grow smaller and denser.
    • An unpleasant prospect awaits the low-energy stars that sink to the galactic center, where nearly every galaxy is thought to harbor a supermassive black hole.
    • Galaxies will persist for billion of times longer than he present age of the universe. During the next 19 to 20 cosmological decades, most of the dead stars in a galaxy will escape through the process of stellar evaporation. After this process of dynamical relaxation has run its course, the life of a galaxy effectively comes to an end.
  • Long-term future of planets:
    During the near term, planets will be pummeled by comets and asteroids, which cause global climatic changes and general cataclysmic destruction. Afterwards, the inner planets will be scorched and sterilized when heir parent stars swell to red giant proportions. Any surviving planets will then be forcibly removed from their solar systems and sent off alone into the darkness of interstellar space.
  • Close encounter:

  • This diagram shows the response of two stars to a close encounter. After the interaction, each star has a new direction, energy, and hence velocity. A very large number of these encounters will dynamically relax the galaxy and thereby change its structure over vast expansions of time.
  • Degenerate stellar collisions:
    As the universe grows older than several hundred billion years, collusion will begin to add up During the 15th cosmological decade, hundreds to thousand of stellar collisions will rock the galaxy.
    • The collisions between two brown dwarfs are of immediate astronomical, geological and perhaps even biological interest. If its combined mass is above the threshold for stardom, the interaction product can contract and heat up until sustained hydrogen fusion lights up the newly formed stellar core. The star will turn on.
    • A collision between two of the typical white dwarfs produces a somewhat large stellar object made of helium. If the final collision product has a mass greater than 0.3 solar masses, the object can in principle ignite helium in its interior. These stars live for only a few hundred million years, but a mere blink of an eye compared to their long formation time.
    • If the collision product a heavier than 0.9 solar massed, but smaller than the Chandrasekahar mass, the new object can, in principle, sustain carbon fusion in its central core. These brightly burring candles only last for a million years.
  • 衝突する銀河:
    我々の銀河 (天の川)には、現在10億の輝く星がある。縮退の時代には、空は真っ黒に見えるだろう。しかし死んだ星と暗黒物質の重力によって結びつけられた最も大きな銀河はそのまま残るだろう。
    • 普通の銀河の直面する脅威は、その構成員である星の死ではなく、むしろ他の銀河との破壊的な衝突である。銀河は通常銀河団 (クラスター)を形成している。銀河団は重力で結びつけられており、それぞれの銀河は 銀河団の中で固有の軌道を描いている。
    • 銀河の衝突は、しばしば星形成の激しい爆発を伴う。銀河内部のガスの大きな雲はこの衝突の際に合流し、驚異的な速さで新しい星を作り出す。地球のような惑星にいて、目立つ影響としては、夜空に見える星の数が徐々に倍増していくことだろう。
    • 隣のアンドロメダ銀河(M31)が、今のところ天の川との衝突コースを進んでいる。2つの銀河は互いの周りを回っておりエネルギーが力学的な摩擦で失われているので、将来の合併は避けられない。
  • リラックス (力学的緩和) する銀河:
    • 時間の経過につれて、多くの散乱が起き、その影響が次第に蓄積する。小さくて軽い星は速度を上げ、軌道エネルギーを獲得する傾向がある。逆に重たい星は自らの軌道エネルギーを失う傾向がある。
    • 多くの星がこの富の再分配に関わってくると、銀河の構造は徐々に力学的緩和 (リラクゼーション) の過程でゆっくり変化する。さらに時間が過ぎて、もっと多くの星が死にゆく銀河から蒸発するように、時速300kmで、銀河間の宇宙空間へ放り出される。
    • 離れていく星は、最も高いエネルギーをもっているので、後に残された星には平均劇により少ないエネルギーしか残らない。こうしてエネルギーは徐々に失われる。高まるエネルギー危機に対応して、銀河は小さくなり密度が高くならざるを得なくなる。
    • 低エネルギーの星にとっては銀河中心に落ち込んでいくという不愉快な予測が待ち受けている。そこには超高質量のブラックホールが潜んでいる。
    • 銀河は、現在の宇宙年齢より数十億倍も長く存在する。第19から20宇宙年の間に、銀河の死んだ星の大部分は蒸発過程を通して脱出するだろう。この力学的緩和のプロセスが進行すると、銀河の寿命は事実上終焉に至る。
  • 惑星の長期的な未来:
  • 星の接近:
  • 縮退した星の衝突:
    • 2つの褐色矮星同士の衝突は天文学的、地質学的、そしておそらく生物学的な関心事である。まして複合した星の合計質量がスターダムにのしあがるのに十分であれば、新しい星は収縮し、加熱、新たに形成された星の中心核で水素融合が持続的に起こる。星が誕生するのだ。
    • 2つの典型的な白色矮星の衝突は、やや大きいヘリウムで作られた星状の天体が生まれる。最後の衝突で作られた天体が太陽質量の3割より大きければ、その天体は内部のヘリウムに点火することができる。このような星は数億年しか存続しない。その長い形成時間に比べれば一瞬の瞬きに過ぎない。
    • もし衝突の生成物が太陽質量の9割より重く、チャンドラセカール質量より軽い場合は、新しい天体はその中心核で炭素の融合を持続できる。この明るく燃えるロウソクはわずか百万年しか続かない。
  • >Top
  • Annihilation of dark matter:
    Galactic halos are composed largely of dark matter (nonbaryonic particles) One of the leading candidates for the dark matter has been named weakly interacting massive particles. These rather strange particles, weighing in at 10 -100 times the mass of the proton, interact only through the weak nuclear force and gravity. They have no electric charge. They also have no interacts via the strong force, and thus cannot be bound into nuclei.
    • Since dark matter accounts for a large fraction of the mass budget of the universe, the annihilation products from dark matter interactions provide an important part of the inventory of the universe at late times (20-40th cosmological decades) The residual products from direct annihilation events in galactic halos provide a rich variety of particles; photons, neutrinos, electrons, positrons, protons, and antiprotons.
    • Dark matter is captured by stellar remnants such as white dwarfs. The dark matter of the galactic halo provides a background sea of particles that are continually streaming through space.
    • Over vast expanses of time, the population of these dark matter particles gradually builds up inside the object. In the long run, the star reaches a steady state in which annihilation occurs within the stellar remnant at the same rate that particles are captured form the galactic halo.
    • The total power produced by a single white dwarf through this annihilation process is about 10^15 watts; power output is about 10^11 times smaller than that of the Sun. Such energy generation can continue as long as the galactic halo remains intact (20th cosmological decades).
  • Life in white dwarf atmospheres:
    The scenario for life in a white dwarf atmosphere is vaguely similar to life on Earth.
    • A white dwarf is about the same radial size as Earth. Just as life on Earth is confined near the planetary surface, any possible life in a white dwarf atmosphere is confined to the outer layers of the star.
    • In the white dwarf, the energy source is a radiation field heating the surface layers from below, whereas Earth is heated from above by light from the Sun. Earth is based on liquid water. In the white dwarf setting, chemical reactions of some type will take place.
    • The first requirement for life is a proper mix of elements. White dwarfs of higher mass naturally contain large amounts of carbon and oxygen.
    • A white dwarf has a surface temperature of approximately 63 degrees K. At the outer stellar surface, the photons have an average energy of a small fraction of an electron volt.
    • A white dwarf powered by the annihilation of dark matter generates energy at a rate of 10^15 watts. (=1% of the total power accessible to Earth's biosphere)
    • For lower temperatures, the effective pace of life is slower, and it takes longer for a creature to experience the same number of instants of consciousness. Compared to life on earth, life in white dwarf atmospheres thus lose a factor of 5 for having a slower metabolic rate and loses another factor of 100 for having less power. This loss of a factor of 500 is more than made up by the time available, which is 100 billion times longer. We estimate that life in a white dwarf atmosphere has a numerical advantage is 100 million times.
    • We have no general guarantee that time, energy, and chemistry are sufficient for biological emergence.
  • Proton Decay:
    One of the surprises coming out of particle physics in 20th century is that the proton will not live forever.
    • Many theories of physics forbids the decay of protons. This law can be concisely stated; baryon number is conserved. Each proton or neutron contains one unit of baryon number. Particles like electron, positron have zero baryon number, as do photons. So if a proton decays into a positron, some baryon number is lost in the process.
    • The newer versions of particle theories; protons will decay over extremely long spans of time, much longer than the current age of the universe. The time required for proton decay is about 30 cosmological decades.
    • To detect the decay process, one needs a large number of particles. If we get a large box containing 10^32 protons (20m x 5m x 2m pool), then one proton per year would decay within the experimental apparatus. We don't need to wait 10^32 years to find out the answer.
    • In the early universe, some process involving baryon number violation produced the matter that we see in the universe today.
    • The quarks inside a proton do not sit around at rest. If the quarks are close enough together, they can coalesce into a microscopic black hole. This process is poorly understood.
  • One of the Proton Decay:

One of the possible channels for proton decay is depicted here. In this case, the end result of the proton decay is a positron and neutral pion. The pion is highly unstable and quickly decays into radiation (ie, photons). If the decay occurs in a dense environment like a white dwarf, the positron will quickly annihilate with an electron, producing two more high-energy photons.

  • Ultimate fate of degenerate remnants:
    The final chapter of stellar evolution plays itself out as the protons decay. We adopt a representative proton lifetime of 37 cosmological decades.
    • During the evolutionary phase when protons decay, the chemical makeup of a white dwarf changes completely. The original carbon nuclei are reduced to a single particle and the star ends its life as pure hydrogen.
    • As a white dwarf continues to lose mass through proton decay, its structure changes markedly. A white dwarf expand in radial size as it withers away. The star consists of a frozen array of hydrogen atoms - a large ball of hydrogen ice.
    • The neutron stars evaporate in a similar fashion. During the 37th cosmological decades, neutron stars softly glowing at 3 degrees K will be among the hottest objects in the universe. When the neutrons are no longer degenerate, they transform themselves into protons, electrons, and antineutrons.
    • By the 40th cosmological decade, nearly all of the protons in the universe have decayed and the degenerate stellar remnants are gone. The seemingly resolute and indestructible stellar remnants have given way to a diffuse sea of radiation, mostly photons and neutrinos, with a small admixture of positrons and electrons.
  • 暗黒物質の消滅:
    銀河のハロ-はほとんど暗黒物質 (非バリオン粒子) からなる。暗黒物質の筆頭候補の一つは、弱い相互作用をする質量のある粒子である。この奇病な粒子は、弱い核力と重力だけに反応し、陽子の10ー100倍の質量がある。これらには電荷がなく、強い核力と反応しないので、原子核の中に結合されることはない。
    • 暗黒物質は宇宙の質量の中の大部分を占めるので、暗黒物質の相互作業による消滅の派生物は、後の段階で宇宙の在庫にとって重要となる。(第20ー40宇宙年) 銀河ハローでの直接的な消滅現象による派生物には、光子、ニュートリノ、電子、陽電子、陽子、反陽子など多彩な粒子が生まれる。
    • 暗黒物質は白色矮星のような星の残骸によって捕獲される。銀河ハローの暗黒物質は背景の海となり、常に宇宙空間を流れる。
    • 悠久の時間をかけて、これらの暗黒物質の粒子は徐々にこれらの物体の内部に集積してくる。長期的には、それらの粒子は星の屍内部での消滅と銀河ハローからの捕獲とで安定した状態に達する。
    • 一つの白色矮星がこの消滅過程によって得る全パワーは10^15ワットであり、これは太陽の10^11分の1のパワー出力である。このようなエネルギー生成は銀河ハローがある限り第20宇宙年も続く。
  • 白色矮星の大気圏内生命:
    • 白色矮星は、ぼぼ地球と同じサイズである。地球上の生命が惑星表面に限られているように、白色矮星に生命があるとしたらその星の外部の層に限定される。
    • 白色矮星では、エネルギー源は地下から表面の層を暖められる放射場である。地球では太陽の光によって上から暖められる。地球では水が基盤だが、白色矮星では、何らかの化学反応が起きる。
    • 生命の最初の必要条件は元素がほどよく混合していることである。高質量の白色矮星は大量の炭素と酸素を含む。
    • 白色矮星の表面温度は約63度Kである。星の外部層では光子のエネルギーレベルは1電子ボルトに満たない。
    • 白色矮星は暗黒物質の消滅によって10^15ワットのパワーを得ており、これは地球の生物圏が利用できる全パワーの1%に相当する。
    • 低温では生命の実質的なペースは遅くなり、生物が同じ数の意識の瞬間を経験するのにはより長い時間がかかる。地球上の生命に比べて、白色矮星の大気中の生命はより緩慢な代謝率をもっているので5倍も損をし、かつ低パワーしか利用できないので100倍存する。この500倍の損失も利用可能な時間が1,000億倍も長いことで埋め合わせられる。結局、白色矮星の大気中の生命は数字的には約1億倍も有利な条件にあると推測できる。
    • 但し時間とエネルギーと化学反応があれば生命が出現する保証はされていない。
  • 陽子崩壊:
    • 物理学の多くの理論は、陽子は崩壊しないとしている。この法則は簡潔に表現するれば、「バリオン数は保存される」というものである。陽子や中性子はぞれぞれ1つのバリオン数をもつ。電子や陽電子は、光子と同様にバリオン数はゼロである。従った陽子が崩壊して陽電子になるとその過程でバリオン数は失われる。
    • 新しい素粒子理論によれば、陽子は、現在の宇宙の年齢より遙かに長いような時間で崩壊するだろう。この陽子崩壊に必要な時間は約30宇宙年である。
    • 崩壊過程を検知するには、大量の粒子を必要とする。10^32個の粒子を容器 (20m x 5m x 2m のプール) を考えると年に1個の陽子が実験装置内で崩壊するだろう。我々はその答えを見つけるために10^32年も待つ必要はない。
    • 初期宇宙では、バリオン数が破れて現在の宇宙に見られる物質を生成した。
    • 陽子内のクォークはその場所に留まっているのではない。もしクォークがあまりにも接近しすぎると、合体してミクロのブラックホールになる。但しこの過程はよくわかっていない。
  • 陽子崩壊の一例:
    左図は陽子崩壊の過程の一つを描いている。陽子崩壊の結果、陽電子と中性パイ中間子が生成される。パイ中間子は非常に不安定なのですぐに放射線 (光子) に変わる。もしこの崩壊が白色矮星のような高密度の環境で起こると、陽電子はすぐに電子と衝突して消滅し、2つのさらに高エネルギーの光子を生成するだろう。
  • 縮退した残骸の究極の運命:
    • 陽子が崩壊する進化の段階で、白色矮星の化学構造は一変する。元の炭素の原子核は単一の粒子となり星はその生涯を純粋な水素となって終わることになる。
    • 白色矮星が陽子崩壊によって質量を失い続けるに従ってその構造は著しく変化する。白色矮星は衰退するに従ってその半径は膨らんでいく。その星は凍った水素原子で構成され、巨大な水素の氷となる。
    • 中性子星も同様に蒸発する。第37宇宙年の間に中性子星は徐々に3度Kとなるが、その宇宙でも最も熱い物体の中に入る。中性子星がもはや縮退しなくなると、陽子と電子と反ニュートリノになる。
    • 第40宇宙年になると宇宙にあるほとんどの陽子は崩壊し、縮退した星の屍は消えてゆく。一見堅固で崩壊しないと思われていた星の屍も、おもに光子とニュートリノ、それに陽電子と電子が少し混ざった放射線だけの海にとって代わる。

4. (40<η<100): The Black Hole Era

  • When the universe reached its 40th cosmological decade, the black holes reign supreme. They provide the light, the heat, and the dynamics to keep thins interesting.
    • Schwarzschild radius:
      At a well-defined radius, the escape speed finally exceeds the speed of light. This point of no return mark the location of a effective surface for the black hole.The Schwarzschild radius of a one-solar-mass black hole is a few km. A-million-solar-mass black hole has a radius of 3 million km, about 4 times large than the present-day Sun. If Earth were compacted down to form a black hole, it would be about the size of a marble. Since no information can travel out of this local region, it is effectively separated from the rest of the universe. (event horizon)
    • Independent of the production mechanism, once a particular black hole has formed, its characteristics are completely described by only three : the mass, electric charge, and rotation rate (angular momentum). A black hole has no hair. Except for these 3 defining quantities, nothing remains of a black hole's history. A relative nearby black hole candidate, Cygnus X-1, has a mass about 10 times that of the Sun, and a radium of roughly 30km.
    • Supermassive black hole which anchors the core of a galaxy: billion of solar masses, and have Schwarzschild radii larger than the size of Jupiter's orbit. Quasars: as gas funnels into the central black hole, friction heats up the disk and powers a brightly shining quasar.
    • Primordial black holes: they must have been created shortly after the big bang. That are also likely to be very small, much less massive than stars.
    • In spite of their inviolable reputation, black holes will not last forever. Larger, more massive black holes live much longer than smaller ones.
  • Basic black hole weirdness:
    In the Black hole era, general relativity and black holes reign supreme.
    • Einstein realized that the equivalence between gravity and acceleration is extraordinarily profound. (Statement of equivalence)
    • Another far-out possibility is to place an observer near a black hole in an orbit subject to extreme time dilation. The observer could then effectively "travel" into the future.
    • Black holes distort the structure of space just as severely as they warp the passage of time.
    • Near a black hole, the local curvature of space is so strong that the distance to the center of the black hole is infinitely longer than the distance around the circumference. The curvature creates the event horizon, the curvature causes the extreme differences in the passage of time for different observers, and the curvature bestows on large black holes the fortitude to last into the extremely distant future.
    • By the 40th cosmological decade, the galaxies are completely destroyed. The sole legacy of each galaxy is one supermassive black hole and about one million stellar black holes. The horizon is 10^30 times farther away than it is now. If the large scale geometry of space-time is flat, the observable universe will contain about 10^40 black holes with supermassive status, and nearly 10^46 stellar black holes.
  • Gravitational radiation:
    As the Black Hole Era progresses, energy is slowly drained out of orbiting gastronomical systems due to the dissipative effects of gravitational radiation.
    • Because gravity is so weak, the amount of energy carried in gravitational waves is generally very small.
  • Hawking radiation and decay of black holes:
    Black holes are not completely black. Over vast expanses of time, they radiate heat into space at an extraordinarily slow rate. So an object that generates heat must also be slowly losing mass.
    • Black hole evaporation is one of the few calculable results that fall in the realm of quantum gravity. The quantum mechanical process that causes black hole evaporation was discovered by Stephen Hawking in 1974.
    • Since black holes radiate heat (energy), they must also have a temperature. Every black hole is slightly hotter than absolute zero. A black hole with the mass of Sun has only 10^-7 degrees K. Larger black holes hold onto their mass energy more tightly, radiate much less efficiently, and have even lower temperature.
    • The universe is immersed in a bath of radiation left just after the big bang. (about 3 degrees K)
    • If the universe is flat, the temperature of the sky becomes colder than the temperature of a one-solar-mass back hole during the 21st cosmological decade. Similarly, black holes with one billion solar masses begin to evaporate during the 35th cosmological decade.
  • Inside black holes:
    What is actually inside a black hole?
    • Roger Penrose proved a theorem which shows that every black hole must contain a singularity. While quantum gravity undoubtedly determines the true nature of the singularity within a black hole, a definitive description is currently unavailable.
  • Life in the black hole era:
    • The metabolic rate of an abstract creature is proportional to its operating temperature. This slowing down of metabolic rates and thought processes is more than compensated by the huge increase in the amount of available time.
    • A human being has an effective complexity value of 10^23. To obtain this value, we use the power output of about 200 watts for a person operation at a temperature of about 300 degrees K. Suppose that we consider a stellar black hole to be a living creature. It would have an effective complexity value of only about 10^13.
  • The final moments:
    A black hole's last seconds are dramatic.
    • As a black hole shrinks in mass and size, its temperature and evaporation rate gradually increase. After shedding 95% more of its mass, the black hole surface is as hot as the Sun. It persists for 10^32 years. During most of this span, the evaporating hole primarily emits massless particles such as neutrinos and photons.
    • As the end draws near, the black hole becomes blindingly bright, and the final vanishing point arrives with a certifiable explosion. As it expires, the black hole produced more than just massless particles including electrons, positron, protons, and antiprotons.

4. (40<η<100): ブラックホールの時代

  • 第40宇宙年になることにはブラックホールが君臨している。それらは、光、熱、そして物事をおもしろくする動力学を与えてくれる。
    • シュヴァルツシルド半径:
      明確に定義された半径では、脱出速度が光速を超える。この後戻りできなくなる地点が、ブラックホールの表面になっている。太陽質量の大きなのブラックホールの半径 (シュヴァルツシルド半径)は数kmである。太陽質量の百万倍のブラックホールの半径は300万kmで現在の太陽の約4倍である。もし地球が圧縮されてブラックホールになったとすれば、ビー玉のサイズになるだろう。この局所的な領域からはどんな情報も伝わってこない。それは事実上宇宙の他の部分から切り離されている。(事象の地平線)
    • 生成メカニズムにかかわらず、一旦ブラックホールが形成されると、その特徴は質量・電荷・角運動量の3つの量によって完全に記述される。ブラックホールには毛がない。この3つの量以外にブラックホールの歴史を示すものは何も残らない。比較的近くのブラックホール候補は白鳥座のX-1星であり、それは太陽質量の10倍で半径は約10kmである。
    • 超高質量ブラックホールは銀河の中心に錨のように存在しており、それは太陽質量の数十億倍もあり、シヴァルツシルド半径は木星軌道よりも大きい。クェイサーは、中心のブラックホールに向かってガスが集められる際の摩擦によって円盤が熱せられ非常に明るいクェイサーにエネルギーが与えられている。
    • 原始のブラックホールは、ビッグバンの直後に作られてものに違いない。それらは非常に小さく星よりもずっと軽いに違いない。
    • その犯しがたい名声にもかかわらずブラックホールも永久には存続しない。より大きくて重たいブラックホールは小さいものよりもずっと長生きする。
  • ブラックホールの奇妙な点:
    • アインシュタインは重力と加速度の等価が極めて重要であることに気づいていた。(等価原理)
    • もう一通の常識はずれの可能性は、観測者をブラックホール近くの極度に時間の間延びを受ける軌道に乗せることであろう。観測者は事実上未来へ旅することができる。
    • ブラックホールは、時の経過を歪めるのとおなじように、宇宙空間の構造も歪ませる。
    • ブラックホールに近くでは空間の局所的な曲がりがあまりにも大きいのでブラックホールの中心までの距離はその周辺より無限に長くなる。その曲がり具合は事象の地平線を作り、異なる観測者に対する時の刻みに極端な違いを生じさせる。そしてその歪み具合が大きなブラックホールに遙かな未来まで存続するのに耐える力を与える。
    • 第40宇宙年までに銀河が完全に崩壊してしまい、それぞれの銀河の唯一の遺産は一つの超高質量ブラックホールと約百万個の星のブラックホールである。地平線は現在よりも10^30倍も遠くにまで拡がっている。もし時空間が幾何学的に平らであるならば、観測可能な宇宙は10^40の超高質量級のブラックホールと10^46個の星のブラックホールを含んでいる。
  • 重力放射:
    • 重力は非常に弱いので、重力波が運ぶエネルギーの量は非常に小さい。
  • ホーキング放射とブラックホールの崩壊:
    • ブラックホールの蒸発は量子重力の領域の計算によって予測できる結果の一つである。ブラックホールに蒸発を引き起こす量子力学的なプロセスは1974年にスティーブン・ホーキングによって発見された。
    • ブラックホールは熱 (エネルギー)を放出する。それらには温度があるに違いない。どのブラックホールも絶対零度よりほんの少し熱い。太陽質量のブラックホールの温度は10^-7度Kである。大きなブラックホールはより強固に質量を保持し、熱放射の効率は劣るのでより低温を保っている。
    • 宇宙はビッグバン直後から残された放射の浴槽に浸かっている。(約3度K)
    • もし宇宙が平坦ならば、第21宇宙年には、空の温度は太陽質量と同じブラックホールの温度より低くなる。同様に第35宇宙年には太陽質量の百万倍のブラックホールは蒸発し始める。
  • ブラックホールの内側:
    • ロジャー・ペンローズは「すべてのブラックホールには特異点がある」という定理を証明した。量子力学は間違いなくブラックホールの特異点の真の性質を決めているが、決定的な記述は今のところ入手できない。
  • ブラックホール時代の生命:
    • 抽象的な生命の退社率はその稼働する温度に異例する。代謝率や意識のプロセスはそれが活用できる時間が圧倒的に延びることで補える。
    • 人間は10^23という実質的な複雑性をもっている。この値を得るために、我々は一人当たり200ワットのパワーを300度Kで利用している。星のブラックホールを生き物と見なしたとしても、それは10^13の複雑性の価値しかもっていない。
  • 最後の瞬間:
    • ブラックホールが質量と大きさを減らして行くにつれて、その温度も蒸発率も徐々に増加する。その質量の95%を失うと、ブラックホールの表面温度は太陽と同じになる。それは10^32年間も存在し続け、その間蒸発していくブラックホールは、ニュートリノや光子のような重さのない粒子を放出する。
    • 終わりが近づくにつれて、ブラックホールはまぶしく輝き、最後の消えゆく段階には爆発を伴う。消えゆくにつれて、ブラックホールは重さのない粒子以外の電子、陽電子、陽子、反陽子を放出する。

5. Black apocalypse:

  • Let's consider the rather dismal scenario in which Earth collides with a black hole.
    • The intruding black hole formed during the death of a massive star in the disk of our galaxy. It rushes toward Earth with a speed of several km/sec. The first indirect hints of the encroaching black hole come millennia before the actual collision.
    • As the tiny behemoth passes through the Oort cloud, it dislodges comets from their orbits. Some are thrown into deep space, large numbers are enlisted into orbit around the back hole.
    • Centuries before the black hole's arrival, astronomers notice sizable changes in the orbits of the outer planets as they respond to the black hole's gravitational influence.
    • A star of two solar masses charging through the outer reaches of of the Oort clouds would appear as bright as a streetlight a few blocks away.
    • Viewed from afar, a black hole acts like a lens because its gravity warps space-time so as to magnify and distort the images of objects lying along the line of sight.
    • As the black hole crosses the orbit of Pluto, the planets engage in wild deviations from their normal orderly courses. Jupiter and Uranus are captured by the black hole, while Saturn and Neptune are flung out to uncharted realms of interstellar space.
    • From Earth's unfortunate vantage point, the black hole approached from the opposite side of the Sun. The combined gravity of the Sun and the black hole pull the earth through a distorted echo of an ordinary year. Now, over the course of a few final days, all that orderly clockwork is ruined.
    • The end falls quickly. Observed through a telescope, the black hole appears like a psychedelic comet, surrounded by faintly glowing gas and warped images of background stars and galaxies. As the tidal forces of the black hole take hold, the side of Earth facing the back hole is pulled with greater force. Stresses mount in the crust and earthquakes rock the surface. Tsunamis wash over the continents. The planetary crust rips apart along old fault lines. Earth is pulled like taffy into a disk of vaporized rock which forms a whirlpool in its stampede to enter the impinging black hole. The energy released during the final demise is visible far beyond the galaxy.


  • 地球がブラックホールと衝突する惨めなシナリオを想定してみよう。

    • 侵入してくるブラックホールは、我々の銀河の中の重たい星の死から生じたものである。それは地球に向かって秒速数kmの速度で突進してくる。侵入してくるブラックホールの最初の兆候は実際の衝突の千年も前から間接的な兆しが見られる。
    • 小さいグロテスクな怪獣がオールトの雲を通り過ぎると、彗星群を軌道から追い払う。一部は深宇宙へ投げ出され、多くはブラックホールの軌道に引き寄せられる。
    • ブラックホールの到着する何世紀も前から天文学者は外惑星がブラックホールの引力の影響をうけて軌道に大きな変化が生じているのに気づく。
    • 太陽の2倍の質量をもつ星は、オールトの雲の外部領域に到達すると、数ブロック先の街灯のように明るく見えるだろう。
    • 遠くから見るとブラックホールは重力で時空を歪めて、視線にそった天体の像を拡大し歪めて見えるレンズのように振る舞う。
    • ブラックホールが冥王星の軌道を横切ると、惑星はその 規則的な進路から大きくずらされる。木星と天王星はブラックホールに捕獲され、土星と海王星は星間の未知の領域へ投げ飛ばされる。
    • 地球の立場からはブラックホールは太陽の反対側から近づいてくる。太陽とブラックホールの結合した引力が普通の一年の間中、地球を引っ張り続ける。今や最後の数日の内に、規則正しい時計の動きは終わりを告げる。
    • 終焉は急にやってくる。望遠鏡で観察するとブラックホールはサイケ調の彗星のようであり、ぼんやりした輝くガスと、背景の星や銀河がゆがんで見える。ブラックホールの朝夕力が支配すると地球のブラックホールに面した側はより大きな力で引っ張られる。地殻の中でのひずみが高まり地震が地面を揺らす。津波が大陸を洗い流す。地殻は古い断層線によって引き裂かれる。地球は飴のように引っ張られ蒸発した岩石の盤状となり衝突するブラックホールに落ち込むように殺到して渦状を形成する。この最後の断末魔から放出されるエネルギーは銀河を越えた遠方からも見える。

6. (101<η): The Dark Era:

  • At the present time, the density of protons in the universe is about one particle per cubic meter.
    • For a flat universe, which expands forever but slow down as it does so, the universe grows by a facto of 10^60 from now until the start of the Dark Era. Future density of the positrons is about one particle for every 10^182 cubic meters.
    • Consider that the entire observable universe of today has a volume of only about 10^78 cubic meters. The positron density of the Dark Era would be about one particle within a volume that is 10^104 times larger than the universe to today.
    • At the present time, the cosmic background radiation left over from the big bang is the most energetically interesting This radiation has 3 degrees K and characteristic wavelength of 1-2 mm. A flat universe, grows by the huge factor of 10^60 between now and the star of the Dark era.
    • The background sea of stellar radiation will eventually overwhelm the radiation left over from the big bang during the 12th cosmological decade. As the relatively near future unfolds, this radiation will be predominantly produced by red dwarfs, which are the smallest, most common, and longest-lived stars.
    • Heat Death:
  • Various processes to the radiation of the universe:
    The contribution of various processes to the radiation background of the universe are shown here as a function of time, for cosmological decades 5 to 90. The vertical axis presents the relative energy in radiation from several sources; radiation left over from the primordial universe, starlight, dark matter annihilation, proton decay, and black hole evaporation.
  • Heat Death:
    A continually expanding universe never reaches true thermodynamic equilibrium because it never reaches a constant temperature.
    • The background temperature of the universe continues to decrease because of the expansion. However, the expanding universe can become purely adiabatic; still become a dull and lifeless place with no ability to do physical work. (Cosmological heat death)
  • Life and death of positronium:
    Perhaps the most lively feature of the Dark Era will be processes involving positronium atoms.
    • With no protons or neutrons left, conventional atoms become impossible constructions. Electrons and positrons can be cast into atomic structures that are analogous to conventional hydrogen atoms. (known as positronium)
    • the typical size of positronium forged during the Dark Era is trillions of light-years, larger than the entire observable universe of today. The electron and the positron slowly circle each other and gradually give up extraordinarily small amounts of radiation as their orbits become ever smaller.
    • With their enormous starting sizes, the positronium atoms take a rather long time to decay, about 145 cosmological decades.
  • Never-ending annihilation:
    The annihilation rate slows down markedly as the universe expands, but particle annihilation continues as long as the universe exists.
    • This conservation practice underscores the energy crisis of the future and defines exactly what it means for the universe to slow down as it gets older.
    • Paul davies has described this late phase of evolution of the universe as an "eternal death." This ever dying universe continues to evolve and continues to slow down, but never reaches a final moment of deathlike closure.
  • Tunneling processes and phase transitions:
    • The most optimistic scenario arises when the cosmological constant is currently positive and the universe tunnels into a new vacuum state with exactly zero vacuum energy. In this fortuitous case, the new universe, with its new physical laws, has a chance to develop new stars for complexity and perhaps even new starts for life.
      • On the other hand, if the cosmological constant of is already exactly zero and the new vacuum state has a negative value, then a far more serious apocalypse takes place.
    • A future phase transition sweeping over the entire universe through the action of quantum tunneling is one of the more speculative topics. Nevertheless, the act of tunneling from a false vacuum into a true vacuum changes the nature of the universe more dramatically than just about any other physical process.
    • It is even possible for the universe spontaneously to create new "child universe" through a quantum tunneling process. In this case, a bubble of the higher energy false vacuum nucleates in an otherwise empty space-time, in the true, lowest energy vacuum state.
      • The newly created bubble becomes a new and separate universe (child universe)
      • Observers living within the bubble see their local universe in a state of exponential expansion, much like the inflationary phase of our universe in its earliest moments.
      • Observers situated outside the bubble, those left behind in the empty space-time background of our present universe, see the newly created universe as a collapsing black hole that quickly become causally disconnected from our universe.

6.(101<η): 暗黒の時代:

  • 現在は、宇宙の陽子の濃度は1立方mに約1個である。
    • 平坦な宇宙の場合、宇宙は無限に膨張するにつれてその速度は遅くなるものの、暗黒の時代の時代が始まるまでには10^60倍にまで膨張する。将来の陽電子は10^182立方mに1つという密度になる。
    • 今日観測可能な宇宙全体の大きさは10^78立方mに過ぎない。暗黒時代の陽電子の密度は、現在の宇宙よりも10^104倍もの体積の中に1個という割合になる。
    • 現在、ビッグバンの残存である宇宙の背景放射は、エネルギー的に最も興味深い出来事である。この放射は3度Kでその波長は1-2mmである。平坦な宇宙では、現在と暗黒の時代とでは10^60倍にも拡大するのである。
    • 星の放射による背景の海は、第12宇宙年からはビッグバンの残存の放射を結果的に圧倒することになる。比較的近い未来では、この放射はもっとも小さくごぐありふれた最も長寿の星である赤色矮星によって放射されるものによって占められる。
  • 宇宙放射の各プロセス(左図)
  • 熱的死:
    • 宇宙の背景温度は膨張するにつれて引き続き下がり続ける。膨張宇宙は断熱的な状態になり得る。この場合宇宙は物理的な仕事をする能力のない沈滞した生命のない場所になる。(宇宙論的な熱死)
  • ポジトロニウムの生と死:
    • 陽子も中性子もないので、従来の原子は作られない。電子と陽電子が従来の水素原子に似た原子構造を形作る。(ポジトロニウム)
    • 暗黒時代に作られるポジトロニウムの典型的な大きさは数兆光年であり、現在観察可能な宇宙全体よりも大きい。電子と陽電子は互いにゆっくりと周回し非常に少量の放射をしながく徐々にその軌道を小さくしていく。
    • このようなポジトロニウムは当初から異常な大きさなので崩壊するのにほぼ145宇宙年かかる。
  • 終わりなき消滅:
    • この節約のやり方は未来のエネルギー危機の特徴で、宇宙が年をとるにつれて宇宙がゆっくり変化していくことの意味の定義となっている。
    • ポール・デービスは宇宙進化の最終段階を「永遠の死」と表現している。この品詞の宇宙はさらに進化とつづけ衰え続けるが決して死という最期の瞬間を迎えることはない。
  • トンネル過程と相転移:
    • 最も楽天的なシナリオは宇宙常数が現在は正で、宇宙が正確にゼロの真空エネルギーをもつ新しい真空状態へトンネルする場合である。この幸運な場合は、新しい物理法則に従う新しい宇宙は複雑性や新たな生命のスタートのチャンスともなり得る。
      • 反面、宇宙常数がすでに正確にゼロで、新たな真空状態が負の場合はずっと厳しい破局が生じる。
    • 未来の相転移は量子トンネル作用を通じて宇宙全体を掃き捨てることであり、最も推理的な話である。にもかかわらず虚の真空から真の真空へのトンネル作用は、宇宙の性格を他の物理プロセスより劇的に変えてしまう。
    • 量子トンネル過程を通じて新たな「子供宇宙」を自発的に作ることさえ可能になる。この場合高エネルギーの虚の真空バブルか、あるいは空の時空で真の真空の低エネルギー状態の中に核を形成する。
      • 新たに作られるバブルは新しい独立の宇宙となる (子供宇宙)
      • 観測者がバブルの中にいれば、彼らの局所宇宙は、我々の宇宙の初期のインフレーションによく似たような指数関数的な膨張となる。
      • 観測者がバブルの外側にいれば、現在の宇宙のは空の時空に取り残され、新たなに作られる宇宙は、崩壊しつつあるブラックホールのように我々の宇宙からすぐに因果的に切り離されていく。
  • The chlonolgy of the univese is a never ending story. As we, a living creature, have the end story, we will be attracted by such a story.
  • Furthermore the universe is full of surprise and creativity. We must have more imagination to understand our universwe.
  • 宇宙の物語はまさに終わりのない物語である。我々生物は終わりがあるからこそ、終わりのない物語に惹かれるのかも知れない。
  • それと宇宙には意外性と創造性が詰まっている。我々ももっと想像力を発揮して我々の宇宙を理解する必要がある。

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