Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Хотя массивные черные дыры в центрах галактик приближаются к естественному пределу, смерть массивных звезд по-прежнему формирует новые черные дыры малой массы. Звездная эволюция – это битва между силами света и тьмы: энергия термоядерного синтеза поддерживает распухание звезды, а гравитация пытается заставить ее сжаться. Как мы видели, в Солнце эти силы будут в равновесии следующие 5 млрд лет, затем гравитация победит и сожмет ядро в белый карлик. Массивные звезды эволюционируют быстрее, и после победы гравитации от них остаются нейтронные звезды или черные дыры.

Вселенная катится во тьму. Первые звезды образовались примерно через 100 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенная была в 30 раз меньше и горячее, чем сейчас. Пик строительства галактик и формирования звезд произошел примерно через 3 млрд лет после Большого взрыва, и с тех пор наблюдается спад. Уровень формирования звезд в настоящее время составляет от 30 до 40 % от пикового, и спад продолжится, поскольку новым звездам доступно все меньше газа. Даже если мы будем ждать вечно, количество новых звезд оставит всего 5 % от числа возникших на данный момент [400]. Это средние показатели: в любую эпоху в более массивных и богатых газом галактиках темпы формирования звезд выше, чем в менее массивных и бедных газом. Уменьшение количества доступного газа будет долгое время компенсироваться звездами, которые в конце жизни выбрасывают часть своей массы или гибнут как сверхновые.

Наряду со снижением темпов звездообразования все большая доля звездной массы всех галактик будет находиться в состоянии коллапсировавших остатков. Когда формирование звезд полностью завершится и возникнет последняя черная дыра примерно через 100 трлн лет от нынешнего времени, – гравитация одержит окончательную победу [401]. Так совпало, что это ожидаемая продолжительность жизни красных карликов наименьшей массы – холодных звезд лишь чуть массивнее порогового значения, что позволяет поддерживать термоядерный синтез: 0,08 солнечных масс. Временной размах впечатляет. Мы пока находимся в самой ранней фазе жизни Вселенной, озаренной звездами, – в масштабах человеческой жизни это возраст младенца недели от роду.

В отдаленном будущем, по окончании звездной эры, 400 млрд звезд Млекомеды поровну разделятся на белые и коричневые карлики, дополненные малочисленным населением нейтронных и черных дыр. Звезды более 0,08 и менее 8 солнечных масс коллапсируют приблизительно до размеров Земли и излучат оставшуюся энергию в космос, став белыми карликами. Несостоявшиеся звезды – от 0,01 до 0,08 солнечных масс (10–80 масс Юпитера) – коллапсируют в коричневые карлики, возможно, синтезирующие гелий из дейтерия в минимальных объемах [402]. Нейтронные звезды составят 0,3 % всех звездных остатков Млекомеды, а черные дыры буду равны ничтожным 0,03 %.

По прошествии необозримого времени белые и коричневые карлики настолько остынут, что их излучение сместится в невидимые инфракрасные частоты. Какое-то время черные дыры в двойных системах будут ярко сиять благодаря газу, оттягиваемому у компаньонов, но постепенно и компаньоны станут звездными остатками, и газовый источник истощится. Галактики постепенно погрузятся во тьму.

Описанное нами отдаленное будущее ждет не только Млекомеду, но и каждую из сотен миллиардов галактик наблюдаемой Вселенной. На их звезды действуют те же законы астрофизики, что и на звезды в нашей системе. Однако наши потомки не смогут увидеть, как погаснут все другие галактики. Причина – в темной энергии.

Темная энергия – главная тайна космологии. В 1995 г. астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется из-за неизвестной силы, противодействующей силе гравитации, которая должна была бы замедлять этот процесс. Космический «пирог» состоит на 25 % из темной материи, на 70 % из темной энергии и на 5 % из нормальной материи. На большие и маленькие черные дыры приходится до 0,005 % Вселенной, так что это очень малозначительный компонент [403]. Из-за темной энергии наблюдаемые сейчас галактики постепенно исчезнут из виду, поскольку будут удаляться прочь быстрее скорости света. Через 100 млрд лет, что в десять раз больше нынешнего возраста Вселенной, все галактики, кроме Млекомеды, покинут наш горизонт событий [404]. Нам останется, образно выражаясь, смотреть на собственный пупок. Конец звездной эры и последующие события можно будет наблюдать только в Галактике, в которой мы обитаем.

После того как Млекомеда станет темной, ее ждет испарение и распад. Со временем звезды галактики начнут обмениваться энергией: более легкие станут получать энергию, а более тяжелые – терять. Вспомните сравнение с горшком, заполненным мраморными и деревянными шариками одинакового размера: если его встряхнуть, мраморные шарики перемещаются на дно. Некоторые звезды получат достаточно энергии, чтобы покинуть Млекомеду, и галактика станет меньше и плотнее. При этом частота взаимодействий между звездами увеличится и процесс ускорится. В то же время разрушение звездных орбит вследствие излучения гравитационных волн заставит звезды переместиться внутрь галактики. Примерно через 10 19лет 90 % звездных остатков будет извергнуто. Млекомеда испарится, последние 10 % остатков упадут в сверхмассивную черную дыру. После слияния Млечного Пути с Андромедой центральная черная дыра будет приблизительно в 200 млн раз массивнее Солнца. Постепенно она дорастет до 10 млрд солнечных масс [405]. Если бы теперешний возраст Вселенной составлял первую неделю вашей жизни, вам нужно было бы прожить еще 10 млн лет, чтобы увидеть, как все это случится.

Еще более отдаленное будущее туманно, остаются только догадки. Физики выходят за рамки Стандартной модели физики частиц, чтобы объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, и попытаться объединить электромагнитную силу со слабым и сильным ядерными взаимодействиями. Эти модели называются теориями Великого объединения (Grand Unified Theories, GUT), и многие предсказывают распад протона. Если протоны распадаются, нормальная материя теряет стабильность. Эта форма распада никогда не наблюдалась, и на сегодня время жизни протона при наличии распада оценивается в 10 34лет, что исключает некоторые, но не все, теории Великого объединения [406]. Если распад протона существует, то все остатки звезд, кроме черных дыр, развалятся на электроны, нейтрино и фотоны [407].

Окончательное исчезновение Вселенной займет невероятно много времени. Если предположить, что нормальная материя распадется, то останутся только черные дыры – звездной массы и сверхмассивные. Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры испускают небольшое количество низкоэнергетического излучения, из-за чего медленно испаряются. Важно понимать, что это умозрительная конструкция, поскольку излучение Хокинга никогда не наблюдалось и не имеется технологии наблюдения. Процесс испарения остатков массивной звезды занимает 10 76лет. Сверхмассивная черная дыра в центре Млекомеды испарится за 10 100лет. Никакие сравнения с повседневностью и близко не могут передать этой бездны времени, почти вечности. Однако и это лишь промежуточная станция на пути к окончательной тепловой смерти Вселенной (илл. 67).