Этот сценарий, созданный усилиями нескольких групп ученых, объясняет, почему звезды первого поколения принципиально отличались от современных звезд. Они не только весили гораздо больше, чем Солнце, но и светили в миллионы раз ярче его. Это излучение пронизывало мощную пелену газа, окружавшую звезду, и разогревало ее. Каждая из этих звезд была окружена раскаленным газовым пузырем, порой достигавшим в поперечнике 15 тысяч световых лет. Диаметр нашей Галактики сейчас всего в несколько раз больше, чем диаметр одной-единственной звезды, которую обволакивал этот гигантский шлейф.
События, протекавшие тогда, недоступны наблюдению астрономов. Однако, как явствует из исследования отдаленных квазаров, эпоха первых звезд завершилась примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. И еще одно выяснили ученые. Уже в эпоху первых звезд та смесь водорода и гелия, что заполняла космическое пространство, стала обогащаться всеми известными нам сегодня тяжелыми элементами, которые возникали после взрывов отдельных звезд.
Но как протекали эти взрывы? Были ли они похожи на взрывы современных сверхновых? Как показывают, например, компьютерные модели, звезда, чья масса лежала в диапазоне от 140 до 260 солнечных масс, взрывалась из-за особого феномена, который называется «нестабильностью пар». Первая сверхновая этого типа – SN 2007bi – была обнаружена лишь в 2007 году в карликовой галактике, расположенной на расстоянии 1,6 миллиарда световых лет от Земли. Механизм, приводивший к подобным взрывам, таков.
В течение нескольких миллионов лет в недрах звезды поддерживалось равновесие. Мощная сила гравитации стремилась ее сжать, а интенсивный поток излучения, исходивший из ее недр, не давал это сделать. Фотоны непрестанно сталкивались с атомными ядрами, создавая силу давления, распиравшую звезду. Когда же горючее в ее топке заканчивалось, она начинала сжиматься. При этом давление в ее недрах достигало такой громадной величины, что фотоны – по знаменитой формуле Эйнштейна, связывающей энергию и массу, – превращались в вещество. Каждая пара фотонов порождала другую пару – электрон и его античастицу, позитрон. Наконец в недрах звезды не оставалось фотонов. Теперь ничто не препятствовало дальнейшему коллапсу. Температура и давление в недрах звезды стремительно нарастали, вновь вспыхивала термоядерная реакция. В результате почти половина всей ее массы превращалась в тяжелые элементы. Следовал мощнейший взрыв, который астрономы сравнивают со взрывом водородной бомбы.
Почти все, что мы знаем о подобных звездах, – это результат компьютерного моделирования. Однако даже современные компьютеры могут ошибаться. Лишь наблюдения, которые будут проводиться с помощью космических телескопов нового поколения, дадут окончательный ответ на вопрос, что же происходило в эпоху первых звезд.
Каким космологи представляют себе «Конец Света»?
Астрономические открытия конца ХХ века показали, что наша Вселенная расширяется все быстрее. Наука решительно перечеркнула привычные еще недавно картины вселенской катастрофы – «всемирного конца света», рисовавшие, как по прошествии многих миллиардов лет Вселенная снова станет сжиматься и исчезнет, уничтоженная «Последним взрывом» (С. Хокинг).
Но вечность мироздания отнюдь не означает вечности наполняющих его творений. В своей работе «Умирающая Вселенная» американские космологи Фред Адамс и Грегори Лафлин попробовали описать судьбу вечно расширяющегося мира. По их мнению, нашей Вселенной суждено пережить шесть эпох.
Первая из них длилась буквально мгновение: 10—32 секунды. За этот миг Вселенная успела возникнуть в пламени Большого взрыва и стремительно разрастись.
Затем наступила «эпоха излучения». В ту пору Вселенная была заполнена густой, раскаленной смесью протонов и электронов. Постепенно эта смесь остыла до 3000 °C, а бурлившие в ней элементарные частицы соединились в атомы. Вселенная стала прозрачна. Теперь электромагнитное излучение беспрепятственно распространялось в ней.
В процессе гибели Вселенной плотность вещества снизится так сильно, что распадутся галактики
Минули сотни миллионов лет. Из почти равномерно рассеянного газообразного вещества сформировались звезды, галактики и даже целые скопления галактик. Сегодня мы живем в середине так называемой «эпохи звезд» – третьей по счету эры, переживаемой мирозданием. Со временем Солнце превратится в красного гиганта. На нашей планете все будет выжжено дотла.
Через триллионы лет та же катастрофа повторится в глобальном масштабе. Скопления галактик расплавятся, образуя громадные аморфные сгустки материи. В конце концов останутся лишь такие долгоживущие объекты, как красные карлики. Именно в их окрестности могут сохраниться последние островки жизни в нашей Вселенной. Впрочем, по прошествии 100 триллионов лет «сгорят» последние звезды. Их эпоха прекратится.
Начнется «эпоха распада». Вселенная будет пуста и холодна. Бессчетные поколения звезд исчерпают все запасы своего топлива – водорода и гелия. Исключения составят лишь коричневые карлики, чья масса была слишком мала, чтобы поддерживать термоядерную реакцию в звездной «топке». Они-то свое топливо сохранят, и потому при случайном слиянии двух подобных объектов образуется красный карлик. Впрочем, событие это будет очень редким. За весь огромный период времени – начиная с 1014 и заканчивая 1020 годами – на участках пространства размером с нашу Галактику образуется всего-навсего от десяти до ста новых звезд.
В ту же эпоху плотность вещества снизится так сильно, что распадутся галактики. Одни погасшие звезды, случайно сближаясь, будут сливаться друг с другом. Другие от соударений вылетят далеко за положенные им пределы и затеряются в межгалактическом пространстве. Все прочие глыбы, бывшие некогда звездами, провалятся в черные дыры, расположившиеся посредине прежних галактик. В этой кромешной тьме канет каждая десятая звезда.
После этой эпохи наше мироздание «окажется на перепутье». По одним теориям, описывающим судьбу Вселенной, протоны – основные элементы атомных ядер – со временем утратят стабильность и по прошествии 1033—1041 лет распадутся. Если это так, то вся материя превратится в электроны, позитроны, пи-мезоны, нейтрино и гамма-излучение. «Эпоха распада» окончится, облик нашей Вселенной радикально изменится.
Теперь единственными крупными объектами в ней останутся черные дыры. Начнется их эпоха. Одни из них будут сродни крохотным кляксам, расплесканным во Вселенной. Другие окажутся огромными безднами, их масса будет в миллиарды раз больше массы Солнца. Но и они не вечны. Они тоже теряют свое содержимое. За счет квантовых эффектов они испарятся, превратившись в излучение Хокинга. Сжавшись до размеров атома, черные дыры исчезнут из нашей Вселенной, выдав напоследок вспышку лучистой энергии. Последние из них, некогда обретавшиеся посредине галактик, рассеются, словно морок, по прошествии 10100 лет. Лишь резкий отсверк гамма-лучей станет «эпитафией миллиардам почивших звезд, галактик и черных дыр», – отмечает австралийский астрофизик Пол Дэвис.
Итак, во Вселенной не останется даже мало-мальски заметных скоплений вещества. Только пары из позитронов и электронов будут кружиться по своим орбитам, чей радиус, возможно, окажется больше размеров всей нашей нынешней Вселенной. Это и немудрено: к тому времени размеры мироздания увеличатся в 1040 раз.
Электронно-позитронная идиллия продлится, на наш взгляд, «бесконечно долго», но и ей положен предел. Вселенная, скатываясь вниз по вечной лестнице времени, теряет последние капли своего содержимого, словно отброшенный кем-то сосуд, кем-то великим и непостижимым. Но сам сосуд, повторимся, вечен! Нам же по прошествии 10117 лет после Большого взрыва пришла пора попрощаться с этими электронами и позитронами, устроившими круговерть вселенских масштабов. Со временем, ибо оно отпущено им с лихвой, частицы, составившие эти пары, будут сталкиваться друг с другом и аннигилировать.
Что же останется, когда не останется даже элементарных частиц? Во Вселенной пребудут еще кванты света – фотоны. Сохранится также и некоторое количество нейтрино. Эту эпоху исследователи окрестили «вечной тьмой». Провидеть дальнейший ход событий не берутся и они. Впору лишь задаться вопросом: не превратится ли Вселенная в конце концов в ту самую Пустоту, которая порождает новые Вселенные?
Мы же вернемся на наше «перепутье мироздания». Мы предположили гибель протонов, и с их исчезновением, пережив эоны аннигиляции, погрузились в вечную тьму. Посмотрим же и другой сценарий. Что если протоны окажутся стабильными? Почему бы и нет? До сих пор науке не известен ни один случай распада протонов. Если крепость их и впрямь незыблема, то судьба мироздания окажется совершенно иной. Погаснут последние вспышки аннигилировавших черных дыр, но еще долго после этого события по Вселенной будут носиться оледенелые остовы звезд и планет. Пройдут эоны времени, пока их атомы вследствие реакций распада или холодных термоядерных реакций не превратятся в железо – элемент с самой благоприятной конфигурацией энергии. По оценке Фримана Дайсона, через 101500 лет все звезды, эти некогда ярко-огненные, раскаленные небесные тела, станут ледяными шарами, отлитыми из безупречно гладкого металла.
