Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

Поскольку Вселенная после Большого взрыва продолжает расширяться, резонно задаться вопросом о ее будущем. Если расширение Вселенной замедляется под действием собственной гравитации, хватит ли начальной взрывной энергии, чтобы продолжать расширяться, или же это расширение «выдохнется» и гравитация заставит Вселенную сжаться обратно в точку? Недавние исследования говорят нам, что ни одна из этих гипотез не верна. Расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Прежде гравитацию считали единственной силой, действующей на большие расстояния, она должна была бы замедлять скорость расширения Вселенной (и, возможно, привести к ее сжатию) под действием собственной массы. Ускоренное расширение Вселенной стало немалым сюрпризом и свидетельством действия не обнаруженной до сих пор силы. Создающее ее энергетическое поле фактически создает и давление, разгоняющее Вселенную все быстрее. Это поле назвали темной энергией. («Темная энергия» и «темная материя» называются темными не потому, что они как‑то похожи друг на друга, а потому, что их нельзя увидеть с помощью света.) Темная энергия – сверхдальнодействующая сила, которая обнаруживается только на уровне сверхскоплений галактик. Вероятно, она не играла особой роли, пока Вселенная не расширилась до достаточно больших размеров. Преобладание темной материи над гравитацией (и наблюдающееся в результате расширение Вселенной), предположительно началось около 4 млрд лет назад, после формирования Солнечной системы. В некотором смысле расширение Вселенной похоже на то, как вода постепенно заполняет таз, пока не доходит до краев и не выливается с другой стороны.

Учитывая объем Вселенной, в котором имеется темная энергия, можно сделать вывод, что она занимает примерно 70 % содержимого (вместе взятых массы и энергии) Вселенной, при этом темная материя составляет 25 % объема, а оставшиеся 5 % – это обычная барионная материя, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами. (Хотя бóльшая часть этой материи по‑прежнему представлена водородом и гелием.) Темная материя и темная энергия дают о себе знать только в масштабах галактик и их скоплений – совсем не те уровни, которые мы могли бы как‑то чувствовать, наблюдать или понять интуитивно. Гравитация, пожалуй, единственная сила, которую мы физически ощущаем и с которой постоянно сталкиваемся – например, когда встаем с кровати, поднимаемся по лестнице или наливаем кофе. А будь мы размером с букашку или микроба, для нас важнее было бы электромагнитное излучение, которое вызывает статическое электричество и поверхностное напряжение воды. Гравитация была бы для нас менее важна и едва заметна. (Муравей легко взбирается вверх по стене и ничуть не пострадает, упав с высотного здания.) В общем, пока мы находимся на крайне низком, микроскопическом уровне понимания природы темной материи и темной энергии.

Темные века ранней Вселенной закончилась, когда огромные облака водорода и гелия (и темной материи), сжимаясь под воздействием собственного гравитационного притяжения, начали формировать первые звезды, а затем и галактики. Похожее звездообразование происходит и сейчас, одним из примеров является туманность Орла в нашей Галактике, которая до сих пор «штампует» новые звезды и звездные системы. Как мы уже отмечали, первые такие газовые облака состояли только из диффузной космической материи (если не считать темную материю), в основном в виде водорода и гелия, и потому не содержали ничего, из чего могли бы сформироваться планеты. Формирование первых и последующих за ними звезд обусловило появление более тяжелых элементов, из которых были созданы планеты и все живущее на них.

Когда протосолнечное облако начинает сжиматься под воздействием собственного гравитационного притяжения, молекулы устремляются к его центру с возрастающей скоростью – как шарик, катящийся с горки. Ускоряясь, они сталкиваются и отскакивают друг от друга, и энергия их движения преобразуется в тепло. Это повышает температуру и давление облака и в конце концов останавливает сжатие. (Размеры, формы и эволюцию этих облаков мы обсудим в следующей главе.)

Облако не может долго сжиматься под воздействием собственных гравитационных сил, в какой‑то момент коллапс останавливается. Это зависит от размера. Не слишком массивное облако вообще не сжимается, а чем больше его масса, тем больше внутренняя гравитация, такое облако уплотнится еще до того, как внутри него станет слишком горячо.

Некоторые процессы помогают облаку избежать коллапса. Бóльшая часть облака – это водород, молекулы которого состоят из двух связанных между собой атомов водорода. Если центр коллапсирующего облака становится достаточно горячим, чтобы молекулы водорода смогли распасться на атомы, этот распад поглотит энергию и не даст облаку нагреваться, позволяя ему продолжить существование.

Это похоже на фазовый переход, который происходит в кипящей воде (мы использовали такую аналогию при описании Большого взрыва). Тепловая энергия плиты передается воде, и вода закипает. Но превращение воды в пар поглощает энергию, и температура кипящей воды остается неизменной, пока вся вода не выкипит. Таким же образом превращение молекулярного водорода в атомарный поглощает тепловую энергию уплотняющегося облака и сохраняет его температуру стабильной, пока конверсия – в той части облака, которая стала достаточно горячей, – не завершится. То же происходит позже и в центре облака, где среда еще горячее и температура достаточно высока, чтобы атомы водорода испускали электроны и становились ионами. Это происходит по принципу «фазового перехода», выравнивающего температуру.

Поэтому только очень большие молекулярные облака могут коллапсировать сами по себе. Первые звезды, которые полностью состояли из водорода и гелия (их называют звездами населения III, сегодня это «исчезнувший вид»), формировались в облаках, в тысячи и даже миллионы раз более массивных, чем Солнце, и были в сотни раз тяжелее его. Небольшим облакам, чтобы они продолжили сжатие, после того как станут достаточно плотными, необходим триггер, воздействие извне (к примеру, смерть гигантских звезд, которая часто сопровождается вспышками сверхновых). Распространяющиеся при этом ударные волны могут задеть молекулярное облако и запустить его коллапс. С такого стечения обстоятельств началось формирование первых малых звезд, которые живут очень давно и являются одними из основных доказательств возраста Вселенной. Части метеоритной пыли содержат доказательство того, что Солнечная система образовалась именно так. Мы еще вернемся к этому вопросу.

Если все условия выполнены и коллапсирующее облако достигает пика температуры (10 млн градусов по Цельсию), начинается рождение звезды. При такой температуре ядра ионизованного водорода начинают двигаться достаточно быстро, преодолевают электрическое отталкивание друг от друга (на этой стадии ядра представляют собой протоны, они несут положительный заряд и потому взаимно отталкиваются) и соединяются с гелием, ядра которого, как правило, состоят из двух протонов и двух нейтронов. При ядерном синтезе выделяется огромное количество энергии за счет перехода массы в энергию. Мы уже упоминали известное уравнение Эйнштейна E = mc ², где Е – это энергия, m – масса, с – скорость света, равная примерно 300 000 км/с (и достаточная, чтобы за секунду восемь раз облететь вокруг Земли). С учетом огромной величины c ² превращения всего 1 мг (масса крохотной таблетки) в энергию будет достаточно, чтобы испарить 40 000 л воды, а преобразование в энергию 60 мг массы (небольшая упаковка таблеток) полностью превратит в пар воду олимпийского бассейна. Процесс термоядерной реакции был открыт в 1920–1930‑е гг. и впоследствии использовался для разработки теории звездного ядерного синтеза (в основном физиком Хансом Бете и астрофизиком Фредом Хойлом, хотя ранее идею нуклеосинтеза высказывал астроном Артур Эддингтон). Эту теорию мы здесь и излагаем.