Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Однако это еще не все. Пусть в очень отдаленном будущем космос окажется заполнен одним лишь электромагнитным излучением и одиночными стабильными частицами, значительно отдаленными друг от друга и посему не вступающими ни в какие союзы. Из-за разбухания Вселенной это излучение распределится по все возрастающему объему и поэтому охладится. Если скорость расширения Вселенной будет и дальше увеличиваться, как это происходит в нашу эпоху, то этот процесс еще больше усилится. Формально такое состояние (его принято называть космологической тепловой смертью) не тождественно прогнозам Гельмгольца и Клазиуса, однако фактически на них похоже. Многие сценарии эволюции расширяющейся Вселенной имеют именно такой финал. Поэтому по существу классики оказались правы, на то они и классики.

Еще лет тридцать назад в космологии доминировали две модели эволюции космоса, основанные на ОТО. В открытой модели Вселенная расширяется вечно, но скорость ее расширения монотонно сокращается и стремится к положительному пределу. В закрытой модели расширение сменяется сжатием, практически стягивающим Вселенную в точку. Выбор между этими вариантами определяется тем, какова будет в начале процесса расширения средняя плотность энергии космической материи — больше или меньше некоего критического значения. При абсолютно строгом и потому физически невозможном равенстве Вселенная опять-таки вечно увеличивается, но скорость ее расширения стремится к нулю. Еще в 1980-е гг. данные астрономических наблюдений позволили прийти к выводу, что отношение суммы средней энергетической плотности всех известных видов вещества и излучения и гипотетической темной материи к критическому показателю не превышает 0,3.

Эту простую схему пересмотрели после того, как в самом конце прошлого века было доказано, что расширение Вселенной вот уже в течение 5 млрд лет происходит с ускорением. Эту возможность рассматривали и раньше, но чисто теоретически. Сейчас считают, что полная плотность энергии составляет не 30 % критического значения, а практически равна ему, вернее немногим его меньше. В определение этой полной плотности нужно добавить еще одно слагаемое — темную энергию (например, энергию вакуума). Эта энергия противостоит силе тяготения и, следовательно, вызывает расширение пространства. По последним данным, она не была особенно важна в течение первой половины жизни Вселенной, но потом начала доминировать. Точнее, Вселенная перешла от замедляющегося расширения к ускоренному приблизительно 5 млрд лет назад, когда плотность темной энергии превысила половину плотности барионного вещества и темной материи.

Чтобы вакуум действовал как антигравитатор, плотность его энергии должна быть положительной, в противном случае она усилит действие тяготения. Наблюдение за дальними сверхновыми показало, что Вселенная ускоряет свое расширение очень медленно. Это означает, что плотность энергии вакуума лишь немного больше нуля. Если эта ситуация сохранится и в будущем, то Вселенная до скончания веков будет расширяться с чрезвычайно плавным ускорением. Но есть и альтернатива — темная энергия наберет силу, темпы расширения резко возрастут, и Вселенная буквально взорвется, причем за относительно короткое время. Вариант со спокойным расширением (с темной энергией или без нее) называют Большой заморозкой (Big Freeze), вариант с переходом к взрывоподобному расширению — Большим разрывом (Big Rip).

Наиболее подробно «морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин в 1997 г., как раз накануне открытия ускоренного расширения Вселенной. Вакуумную энергию они в расчет не принимали и производили свои вычисления на основании стандартной открытой модели. Они подразделили настоящее и будущее нашей Вселенной на четыре эры.

ЗВЕЗДНАЯ ЭРА началась где-то через сотню миллионов лет после Большого взрыва. В этой фазе во Вселенной происходила интенсивная генерация энергии (и, естественно, энтропии) за счет термоядерного синтеза в звездных недрах. Звезды с различными начальными массами проживают разные сроки, но в конце концов или взрываются сверхновыми, или превращаются в белые карлики. Дольше всего в активном состоянии существуют красные карлики, самые легкие звезды с начальной массой от 8 до 30 % массы Солнца и температурой поверхности 3000–4000 K. Они очень медленно выжигают водород, а после его истощения ухитряются «кормиться» легким изотопом гелия, гелием-3. Постепенно они тоже сжимаются, сильно разогревают поверхность и голубеют. Такие звезды живут до триллиона (10 12) лет, но в результате и они превращаются в белые карлики.

Адамс и Лафлин вычислили, что процесс звездообразования завершится, когда Вселенной исполнится 10 14лет. К этому времени в космическом пространстве не останется свободного рассеянного вещества, способного стянуться под действием гравитации в газопылевые облака, дающие начало новым звездам. Тогда же прекратятся ядерные реакции в последних красных карликах. Звездная эра закончится.

ЭРА ВЫРОЖДЕНИЯ охватывает промежуток 10 15–10 37лет после Большого взрыва. На этом этапе космической истории во Вселенной больше не будет звезд с активными термоядерными топками. В космическом пространстве останутся белые карлики, нейтронные звезды и коричневые карлики (плюс пережившие звездные взрывы планеты, планетоиды и прочая космическая мелочь). И конечно, в космосе будет много черных дыр. Дыры-супергиганты, сформировавшиеся в звездную эру в активных ядрах большинства галактик, продолжат глотать вещество и увеличивать свои размеры и массу. К ним добавятся дыры звездного масштаба, наследницы наиболее массивных светил. Некоторые дыры сольются друг с другом и с нейтронными звездами и раздуются еще сильнее. В конце прошлого века такой прогноз казался чисто теоретическим, но сейчас, после начала Революции многоканальности, он доказан данными гравитационной астрономии.

Дальше — больше. Во время Эры вырождения начнется постепенное разрушение космических скоплений всех рангов — от планетных систем до галактик. Некоторые тела под действием тяготения соседей наберут скорость и вылетят в свободный космос (этот механизм называется гравитационной пращой). Конечно, такое случалось и раньше, но очень редко, поскольку гравитационные возмущения крайне медленны. Однако время возьмет свое, и, когда возраст мироздания достигнет 10 20лет, число связанных систем значительно сократится. Остатки погасших звезд, обращающихся вокруг центров галактик, постепенно потеряют кинетическую энергию из-за испускания гравитационных волн и упадут в галактические черные дыры. В промежутке 10 30–10 33лет эти дыры пожрут и галактики, и галактические скопления. Гравитационное излучение приведет к гибели двойные звезды и пары околозвездных планетных систем. Одиночные тела, которым посчастливится не стать пищей для черной дыры, продолжат свой путь сквозь пустеющий расширяющийся космос.