Филип Плейт - Смерть с небес. Наука о конце света

Мы знаем, что Солнце останется нормальной звездой еще несколько миллиардов лет, прежде чем превратится в красный гигант, зажарит Землю, потеряет свою внешнюю оболочку, а затем успокоится, превратившись в белый карлик (глава 7). Но продолжительность жизни звезды практически полностью зависит от ее массы. Звезда с массой гораздо больше массы Солнца съедает свои запасы топлива гораздо быстрее и может прожить всего от нескольких миллионов до миллиарда лет. Однако звезды с гораздо меньшей массой проживут дольше.

В настоящее время наименьшая возможная масса звезды составляет примерно 0,08 массы Солнца. При более низкой массе температура или давление в ядре будут недостаточно высокими и гелий не будет синтезироваться из водорода . Звезда такого типа — маленькая (1/10 диаметра Солнца), тусклая (1/1000 светимости Солнца), холодная (температура примерно 2760 °C) и красная. Неудивительно, что такие звезды называют красными карликами.

Представьте, что вы берете большую каменную глыбу и ударяете по ней кувалдой, разнося на куски. Среди этих кусков вы, возможно, увидите несколько крупных фрагментов, еще несколько меньшего размера и целую кучу мелких камешков и осколков. Похоже на естественное распределение звезд по размерам: когда газовое облако сжимается и из него образуются звезды, лишь несколько из них будут очень большими, некоторые будут меньшего размера, а многие еще меньше. Подавляющее большинство будет самых маленьких размеров; по оценкам, 75 % всех звезд во Вселенной являются красными карликами.

Хотя их масса составляет лишь небольшую долю массы Солнца, красные карлики невероятно скупо расходуют свое топливо и могут жить гораздо, гораздо дольше. Карлики с очень малой массой вполне могут сиять еще в течение нескольких триллионов лет.

Это дольше, чем любой другой тип звезд во Вселенной. Если мы переведем стрелки космических часов вперед, то увидим рождение последних звезд через несколько миллиардов лет. Очень скоро после этого все массивные звезды исчезнут, так как они живут недолго. Коллапс ядра последней сверхновой во Вселенной может произойти всего через 100 млн лет после рождения последней массивной звезды. Это одна секунда по сравнению с тем, сколько времени уже прошло во Вселенной.

Вскоре после того, в определенный момент, где-то во Вселенной звезда с массой чуть меньше, чем требуется для взрыва, состарится и умрет, раздувшись до красного гиганта, сбросив внешние оболочки и угаснув в виде белого карлика. Это лишь одно из длинной-длинной череды подобных событий: в нашей Вселенной 100 млрд галактик, и в каждой в среднем примерно 100 млрд звезд.

С течением времени триллионы звезд все меньшей и меньшей массы потухнут и умрут. Звезды с самой низкой массой продержатся дольше всего, но в определенный момент все они пересекут финишную черту.

Если подождать достаточно долго — ну, скажем, триллион лет, — всех звезд, подобных Солнцу, уже давно не будет, останутся только карлики с самой малой массой. Вы можете подумать, что тогда галактики будут тусклыми и красными, освещаемые лишь крошечными звездами. Что интересно, но в тот момент отдаленного будущего галактики, вполне возможно, будут такими же яркими, как сегодня. В главе 7 мы видели, что чем старше, тем ярче становится Солнце. Это происходит со всеми звездами, даже с красными карликами. Расчеты, выполненные авторами « Пяти возрастов Вселенной », Адамсом и Лафлином совместно с коллегой Женевьевой Грейвс, показывают, что звезда с 1/10 массы Солнца проживет примерно 10 трлн лет. По мере старения она становится все ярче и горячее. Сложив весь свет от всех звезд в галактике и смоделировав ее старение, они обнаружили, что общее количество света, излучаемое карликами, увеличивается ориентировочно с такими же темпами, с какими тускнеет свет от умирающих массивных звезд. Другими словами, суммарное количество света, излучаемое галактикой, останется примерно постоянным в течение нескольких сотен миллиардов лет, потому что постоянно увеличивающаяся яркость карликов компенсирует потери излучения от постепенно умирающих массивных звезд.

Когда красные карлики разогреваются, они также меняют свой цвет. Более горячая звезда приобретает более голубой оттенок, это произойдет и с красными карликами. Возможно, в течение нескольких десятков миллиардов лет галактика будет сиять демоническим красным светом, после чего постепенно изменит оттенок на более насыщенный голубой.

Но, как говорится, хорошенького понемножку. Со временем умрут даже карликовые звезды. В отличие от Солнца, ядерный синтез в котором может происходить только в ядре, в самых маленьких красных карликах топливо циркулирует. Подобно тому, как горячий воздух поднимается, а холодный опускается [132] Фактически происходит именно это: газ в карлике циркулирует как раз таким образом. , гелий, созданный в ядре, поднимается вверх и смешивается с веществом звезды. Ядра водорода, опускающиеся в ядро звезды, могут сливаться с образованием нового гелия, который снова смешивается с веществом звезды.

Со временем в звезде заканчивается водород — и в отличие от Солнца, в котором заканчивается доступный водород в ядре, водород в карлике заканчивается совсем. Его больше нет. Пропал. С концами. Все, что осталось в звезде, — это гелий, но его массы не хватает для того, чтобы запустился синтез углерода. Звезда остывает, гелий сжимается — и звезда превращается в вырожденный белый карлик из чистого гелия (подробней об этом причудливом квантовом состоянии см. в главе 7).

Через семь или восемь триллионов лет в Млечном Пути (ну, в Млекомеде, после того как мы столкнемся с галактикой Андромеды и, вероятно, также поглотим все мелкие галактики в Местной группе) последняя карликовая звезда превратится в белого карлика. В течение триллионов лет Галактика продолжит светиться красивым синим светом, но и это пройдет.

Интересно, но на этом последнем этапе Эпохи звезд некоторые звезды с еще более низкой массой будут по-прежнему сиять. Так как в звездах с большой массой создаются более тяжелые элементы, такие как железо и магний, звезды, образующиеся позднее, будут насыщены этими веществами. Более тяжелые элементы делают звезду горячее (они поглощают свет звезды, задерживая тепло внутри), поэтому звезды с более низкой массой — возможно, даже в таком легком весе, как 0,04 массы Солнца, — смогут запустить реакции синтеза в своем ядре. Но повторюсь, нам нужно учитывать продолжительность времени: даже если превращение таких звезд в белые карлики будет отсрочено на 15 трлн лет, этот момент все равно наступит. В определенное время все звезды во Вселенной исчезнут, превратятся в белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.