Белые карлики. Будущее Вселенной

Когда Вселенной стукнуло 50 000 лет, она впервые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого пронизывающие плазму фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам, — рентгеновскими). К 200 000-летней возрастной отметке цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 000 лет стал оранжевым, а по достижении 1 млн лет сделался темно-красным. В возрасте 5 млн лет температура Вселенной упала до 600 K, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону, и в космическом пространстве настала беспросветная тьма. Она стала рассеиваться лишь после появления первых звезд.

Казнер был блестящим популяризатором науки — его книгу «Математика и воображение», написанную в соавторстве с Джеймсом Ньюманом, переиздают и читают и поныне. В одной из глав появляется число 10¹⁰⁰ (девятилетний племянник Казнера придумал этому числу название — Googol, а уж вовсе невообразимо исполинское число, 10Googol, окрестил термином Googolplex). Когда стэнфордские аспиранты Ларри Пейдж и Сергей Брин пытались найти имя своему поисковику, их приятель Шон Андерсон порекомендовал всеобъемлющий Googolplex. Однако Пейджу больше понравился более скромный Googol, и Андерсон немедленно взялся проверять, можно ли использовать его в качестве интернетного домена. В спешке он сделал опечатку и отправил запрос не на Googol.com, а на Google.com. Это имя оказалось свободным и настолько полюбилось Брину, что они с Пейджем тут же зарегистрировали его — 15 сентября 1997 г. Случись по-иному, мы бы не гуглили!

Наше светило за время жизни уже успело сжечь немалую часть своего водорода. Солнечное ядро постепенно сжимается и разогревается. Это увеличивает светимость Солнца, которая после его превращения из протозвезды в звезду главной последовательности уже выросла на 25–30 % — а процесс идет и будет идти. Через 5,4 млрд лет горение водорода в центральной зоне Солнца прекратится, поскольку водорода там уже не будет, но он продолжит гореть в прилегающем слое. Давление в этой зоне быстро увеличится, Солнце потеряет гидростатическую устойчивость и начнет расширяться, превращаясь в красный гигант. Этот процесс займет около 2 млрд лет и приведет к тому, что солнечный радиус вырастет примерно в 250 раз, светимость увеличится в 2700 раз, а температура поверхности упадет до 2600 K. В этой фазе многократно возрастет интенсивность солнечного ветра, в результате чего Солнце потеряет около 30 % массы.
На этом изменения не закончатся. Когда возраст Солнца немного превысит 12 млрд лет, температура ядра достигнет сотни миллионов кельвинов, и в его центре загорится гелий — с образованием углерода и кислорода. В это время ставшее красным гигантом Солнце сожмется примерно в 20 раз, так что его радиус составит 11 радиусов стабильного периода. Температура поверхности вновь повысится, хотя и не до прежнего уровня — только до 4770 K (так что Солнце из красного станет оранжевым).
Стадия гелиевого горения будет не слишком продолжительной, примерно 100 млн лет. На периферии ядра в это время будет дожигаться водород, причем зона его сгорания вновь сдвинется по направлению к поверхности. К концу этой эпохи гелий загорится вокруг ядра, в то время как в самом ядре реакции синтеза уже прекратятся. Солнце опять потеряет стабильность, его внешние слои вторично раздуются практически до прежнего максимума, и оно превратится в так называемую звезду асимптотической ветви гигантов (АВГ) с температурой поверхности около 3500 K.
Жизненный срок этого исполина окажется совсем коротким, всего лишь 30 млн лет. В центре его ядра быстро накопится большое количество углерода и кислорода, которые вспыхнуть не смогут — не хватит температуры. Внешний гелиевый слой будет продолжать гореть, постепенно расширяясь и в силу этого охлаждаясь. Скорость термоядерного сгорания гелия чрезвычайно быстро растет с повышением температуры и падает с ее снижением. Поэтому внутри звезды АВГ начнутся мощные пульсации, которые выбросят ее атмосферу в космос со скоростью в десятки километров в секунду. Разлетающаяся звездная оболочка под действием ионизирующего ультрафиолетового излучения нижележащих звездных слоев ярко засияет едва ли не всеми цветами радуги и станет тем, что астрономы называют планетарной туманностью. Через тысячи или в максимуме десятки тысяч лет туманность остынет, потемнеет и рассеется в пространстве.
Что касается ядра, то там превращение элементов прекратится вовсе, и оно будет светить лишь за счет накопленной тепловой энергии, все больше и больше угасая и остывая. Сжаться в нейтронную звезду или черную дыру оно не сможет — не хватит массы. Поэтому Солнце даст начало типичному углеродно-кислородному белому карлику с массой чуть больше половины (точнее, 54 %) нынешней массы нашего светила. Где-то через 1 трлн лет он остынет до десятков кельвинов, практически перестанет излучать тепло и превратится в черный карлик.

Сейчас установлено, что в центре большинства галактик лежат одиночные черные дыры с массой в миллионы и даже миллиарды солнечных масс. Общая светимость галактики сильно зависит от того, что происходит в пространстве вблизи центральной дыры. Если там нет или почти нет направленных к дыре потоков вещества, она проявляет себя вовне почти что только своим притяжением (именно это и происходит в центре нашей собственной Галактики). Напротив, если в этой области много частиц свободного газа и пыли, они притягиваются дырой и закручиваются в окружающем пространстве, образуя аккреционный диск. В нем происходят сложные и не до конца понятные процессы, которые влекут за собой интенсивную генерацию электромагнитного излучения. В этом случае галактика имеет так называемое активное ядро. Квазары — это особо активные галактические ядра, порождающие излучение максимальной мощности в широких частотных диапазонах. В таких ядрах из обеих полярных областей черной дыры вырываются мощные плазменные струи, которые движутся почти со скоростью света (они называются релятивистскими джетами). Иногда по воле случая один из джетов оказывается направленным на нашу Галактику (а второй, естественно, в противоположную сторону). Квазары с такой ориентацией джетов называют блазарами.

Почти все космологи согласны, что наше мироздание возникло как результат Большого взрыва сверхмикроскопического (диаметром не более 10–33 см) пузырька первичной квантовой «пены», о природе которой мало что известно. Поначалу размер Вселенной удваивался примерно каждые 10–34 с. (эта стадия называется инфляционной), но после пары сотен таких «тик-таков» он стал увеличиваться много медленней. После акта рождения (или творения, если кому-то так больше нравится) прошло около 13,8 млрд лет, и все это время Вселенная непрерывно увеличивалась. Сначала материя отличалась высокой степенью однородности, затем под действием гравитации стала стягиваться в упорядоченные космические структуры (звезды, галактики, скопления галактик, планеты и т. п.).

Первые звезды навсегда изменили состав межгалактической среды. Они практически уничтожили молекулярный водород, стопроцентно ионизировали водород атомарный и запустили синтез элементов тяжелее гелия и лития, которые до того в природе не существовали. Звездное население той далекой эпохи погибло в ранней юности, но оставило после себя обновленный космос, где возникли условия формирования крупных галактик и звезд умеренной массы, обладающих планетными системами. Одна из них красуется на нашем небосводе. По этой же причине оказалось возможным появление белых карликов, которое началось (и продолжается до сих пор) вскоре после образования звезд с массами не больше 10–11 солнечных.