Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Нынешний статус Сириуса А как самой яркой звезды на земном небосводе недолговечен — естественно, по космическим масштабам. Через 67 000 лет он (разумеется, вместе с компаньоном) сократит дистанцию до Солнца с нынешних 8,5 световых лет приблизительно до 7,6. Его звездная величина вместо современной –1,41 станет равной –1,6 (видимая яркость звезды или планеты тем больше, чем меньше ее звездная величина, так уж этот параметр определен в астрономии). Сириус А блеском сравняется с Юпитером — но лишь в фазе максимального удаления Юпитера от Земли. Позднее расстояние между системой Сириуса и Солнцем начнет расти, и через 3 млн лет некогда ярчайшее светило земного неба превратится во вполне рядовую звездочку пятой величины. Соответственно уменьшится и видимая яркость Сириуса В.

Возраст системы Сириуса известен достаточно точно. Эта пара возникла в ходе гравитационного сгущения газопылевого облака совсем недавно, всего-то 238 млн (±13 млн) лет назад. Солнце тогда светило уже больше 4 млрд лет, а наша планета проходила через середину триасового периода — времени господства динозавров. Юные Сириусы выглядели совсем иначе, нежели сегодня. Это были яркие звезды, обращавшиеся относительно барицентра всего за девять с небольшим лет (а не за пятьдесят, как ныне). Среднее расстояние между ними тоже было довольно скромным, где-то 8–9 а.е. — чуть больше, чем от Солнца до Сатурна.

Иерархия членов этой пары также не соответствовала сегодняшней. Сириус В появился на свет бело-голубой звездой спектрального класса В (скорее всего, B6V). Его масса превосходила солнечную пятикратно, полная светимость — приблизительно в 630 раз, а температура поверхности приближалась к 14 000 K. Сириус А был, как и сегодня, белой звездой класса А0 двойной солнечной массы, нагретой на поверхности почти до 10 000 K. В терминах бизнеса Сириус В был тогда старшим партнером, а Сириус А — младшим. То ли дело сегодня!

Впрочем, жалеть его не стоит. Сириус А светил и светит в прежнем режиме. А вот Сириус В за какую-то сотню миллионов лет сжег водородное топливо, прошел все положенные катаклизмы с непременным временным превращением в красного гиганта и сбросом внешних оболочек и 124 миллиона лет назад (на Земле был тогда меловой период) скукожился до белого карлика. Его поверхностная температура за это время упала почти впятеро, с тогдашних 120 000 K до нынешних 25 000 K. Дистанция между Сириусами (и, соответственно, их орбитальный период) возросла до нынешней из-за сброса Сириусом В расположенных над ядром слоев с потерей 80 % массы.

Современные методы расчета процессов остывания белых карликов позволяют довольно точно вычислить нынешний и будущий температурный режим Сириуса В. Со времени его открытия отцом и сыном Кларками он охладился на 0,009 K и сократился в радиусе приблизительно на 0,3 мм. Через 1 млрд лет его водородная оболочка остынет до 13 100 K и эволюция Сириуса В достигнет стадии пульсаций с периодами от 1 до 20 минут и колебаниями яркости от 0,1 до 20 % (механизм подобных пульсаций был рассмотрен выше). Астрономы называют этот этап фазой ZZ Кита, по имени белого карлика, чьи колебания блеска очень тщательно мониторили c 1970-х гг.

Пульсации некоторых белых карликов класса DA отличаются исключительным постоянством. Многолетние фотометрические наблюдения ZZ Кита показали, что длительность периода основной моды его пульсаций, которая сейчас равна 213 секунд, чрезвычайно мало увеличится и за сотни миллионов лет. Это позволяет считать ZZ Кита одним из самых стабильных естественных эталонов времени во Вселенной.

Сириус А тоже обречен стать космическим компактом, хотя по несколько иному сценарию, нежели Сириус В. Примерно через 700 млн лет он превратится в белый карлик с массой 0,6 массы Солнца. После того как это произойдет, обе звезды, как и раньше, будут обращаться вокруг своего барицентра, но с возросшим периодом — примерно 180 лет. Естественно, они будут охлаждаться и дальше — Сириус В быстрее, Сириус А с меньшей скоростью. Через 4 млрд лет, считая от нашей эпохи, температуры их оболочек сравняются на 6000 K. По цвету они не будут отличаться от нынешнего Солнца, чья атмосфера нагрета до такой же температуры. Затем оба белых карлика достигнут стадии кристаллизации своих недр — об этом процессе я уже рассказывал. И наконец, через 10 млрд лет Сириус А и Сириус В остынут до 3000 K, покраснеют, а позднее вообще перестанут излучать в оптическом диапазоне. Подобно Солнцу, где-то через 1 трлн лет оба они превратятся в черные карлики.

Возникновение белых карликов сильно отстало по времени от эры появления первых звезд. Процессы звездообразования и формирования звездных скоплений во времена юности нашей Вселенной стали изучать совсем недавно. И это неслучайно. Еще четверть века назад известна была лишь горсточка галактик, возникших около 7 млрд лет назад (этот порог соответствует космологическому красному смещению, превышающему единицу). Некоторые ученые открыто сомневались, что столь древние звездные скопления существуют в значительных количествах.

Устранению этого заблуждения помог случай. В 1995 г. руководитель научных программ «Хаббла» Роберт Уильямс попросил у нескольких авторитетных астрономов совета, как лучше использовать ту долю наблюдательного времени, которой он мог распорядиться по своему усмотрению. Часы горячих споров ни к чему не привели — все участники встречи отчаянно боролись за собственные программы. И тогда кто-то предложил направить телескоп в любую точку небесной сферы и «просверлить в ней максимально глубокую дыру» (именно так).

Эта идея оказалась на редкость плодотворной. В рамках нового проекта HDF (The Hubble Deep Field) орбитальная обсерватория больше 10 суток наблюдала участок небесной сферы площадью в 5,25 квадратных угловых минут. В результате было обнаружено несколько тысяч сверхдалеких галактик, часть которых (с красным смещением порядка 6) возникла лишь спустя 1 млрд лет после Большого взрыва. Тут уж стало совершенно ясным, что процесс возникновения звезд и звездных скоплений шел полным ходом, когда Вселенная была в 20 раз моложе, чем сейчас. Дальнейшие наблюдения в рамках проектов HDF-South и Great Observatories Origins Deep Survey подтвердили эти выводы. Уже в январе 2011 г. астрономы из Нидерландов, США и Швейцарии сообщили о вероятной идентификации галактики с более чем десятикратным красным смещением, возникшей не позднее 480 млн лет после Большого взрыва. Можно надеяться, что уже в следующем десятилетии космические и наземные телескопы отловят звездный свет с двадцатикратным красным смещением, который ушел в космос, когда Вселенной было не больше 300 млн лет.

Отдельные звезды первого поколения, в отличие от древнейших галактик, пока не обнаружены. Это и понятно — их излучение приходит на Землю в виде чрезвычайно слабых потоков фотонов, отодвинутых красным смещением в дальнюю инфракрасную зону. Однако за несколько сотен миллионов лет от момента появления на свет эти звезды (их называют звездами населения III) настолько повлияли на состав межгалактического вещества, что есть надежда увидеть вызванные ими изменения в современные телескопы. С другой стороны, теоретики пока не очень хорошо разбираются в процессах, которые больше 13 млрд лет назад первыми запустили рождение звезд и звездных скоплений.