Текст книги "Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса"

Автор книги: Уильям Уоллер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 13 страниц)

Это стало неопровержимым свидетельством, подтвердившим, что ранняя Вселенная радикально отличалась от той, которую мы видим сегодня. Еще в 1940-х годах физики предсказали, что это остаточное излучение должно было сохраниться от горячего зарождения Вселенной. Они также признавали, что в результате расширения Вселенной длины волн излучения должны были бы растянуться – иными словами, тому, что начиналось как оранжевое свечение ионизированной плазмы при температуре в несколько тысяч градусов, со временем предстояло превратиться в слабое микроволновое «шипение» при очень низкой температуре, всего на несколько градусов превышающей величину абсолютного нуля. Именно его обнаружили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работая с 15-метровой рупорной антенной в городке Холмдейл, штат Нью-Джерси, на вершине холма Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Вильсон, ученые из лаборатории Белла, тестировали антенну для нужд спутниковой связи и немного занимались радиоастрономией. Сначала они подумали, что сигнал – это шум, исходящий от какой-то части устройства, и только устранив все возможные источники шума, в том числе и птичий помет внутри антенны, они пришли к выводу, что сигнал исходил из космоса. Это «фоновое» излучение, охватывающее все небо, с тех пор было признано остаточным свечением от Большого взрыва – так свершилось удивительное открытие, которое принесло Пензиасу и Вильсону Нобелевскую премию по физике 1978 года.

С момента открытия космический микроволновый фон измеряли и описывали все точнее. Его спектр соответствует спектру идеального теплового излучателя (черного тела) при эквивалентной температуре 2,725 К (рис. 9.1). Астрофизики считают, что это излучение наиболее соответствует Вселенной, которая с тех пор, за 13,8 млрд лет, расширилась в 1100 раз. То, что находят наши детекторы – это излучение вещества, которое лишь недавно остыло из состояния ионизированной плазмы и перешло в нейтральное атомное состояние. В ту критически важную эпоху рекомбинации, наступившую всего через 380 000 лет после Большого взрыва, Вселенная стала прозрачной для собственного излучения, и фотоны получили возможность свободно преодолевать пространство, благодаря чему наши приборы теперь могут их обнаруживать. Наиболее точная оценка постоянной Хаббла (72 [км/с]/Мпк), соответствующее хаббловское время (13,6 млрд лет) и соответственно более юный возраст старейших шаровых скоплений (12,7 млрд лет) прекрасно согласуются с возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет, рассчитанным на основе космического микроволнового фона, – и это убеждает астрофизиков в том, что они на правильном пути.

Рис. 9.1. Спектр космического микроволнового фона, измеренный обсерваторией COBE в начале 1990-х годов. Он идентичен спектру абсолютно черного тела при температуре 2,725 К. (Материалы любезно предоставлены C. Bennett, DMR, COBE, GSFC, NASA.)

Чтобы получить истинную картину космического микроволнового фона, астрофизики тщательно вычли другие микроволновые «наложения», исходящие из Млечного Пути и из множества других галактик. Кроме того, им пришлось вводить поправки на доплеровское смещение излучения черного тела по всей небесной сфере, вызванное, во-первых, движением Солнечной системы вокруг Млечного Пути, а во-вторых, движением нашей Галактики относительно космической системы отсчета. Оказалось, что оставшийся космический микроволновый фон необычайно однороден – степень его флуктуации составляет примерно 1 часть на 100 000. Такие показатели однородности характерны для только что уложенного ледового катка. Большинство флуктуаций происходит в угловом размере, составляющем около 1° на небесной сфере (рис. 9.2).

Рис. 9.2.Вверху: карта космического микроволнового фона на всей небесной сфере, полученная с помощью космического аппарата NASA WMAP, после удаления всех «наложений» от Млечного Пути и других галактик. Внизу: слева крупным планом – снимок, сделанный WMAP; справа – карта того же региона, сделанная более поздним спутником «Планк». На обеих картах видна похожая рябь с угловым размером в 1° – в соответствии с отпечатком акустических волн, проходящих через ионизированную плазму как раз в тот момент, когда расширяющийся космос остывал до нейтрального атомного состояния. Участки повышенной плотности в плазме проявляются в виде сравнительно более темных областей. (Материалы любезно предоставлены: ESA; Planck Collaboration; Научная группа NASA/WMAP.)

Этот характерный угловой размер, а также другие, не столь заметные пики в распределении расстояний говорят астрофизикам о том, что Вселенная исключительно «плоская». Это означает, что два лазерных луча, выпущенных в небо параллельно друг другу, никогда не сойдутся и не разойдутся. Если бы угловые расстояния в космическом микроволновом фоне оказались больше, лучи бы сошлись, подобно меридианам на глобусе, а если меньше – то разошлись бы, как линии на седловой поверхности, расширяющейся книзу (рис. 9.3). Этот почти идеально плоский характер пространства, в свою очередь, указывает на то, что в нашей Вселенной доминирует некий вид темной энергии. В ином случае предполагаемого количества обычной материи, обладающей тяготением, и темной материи не хватило бы на то, чтобы сделать Вселенную плоской. Возможно, интереснее всего то, что распределение угловых расстояний свидетельствует о первозданных условиях, когда Вселенная только возникла из квантового вакуума. Даже тогда космос должен был быть исключительно плоским, одинаковым во всех направлениях (изотропным) и невероятно однородным. И эти ограничения представляют серьезные проблемы для любого космолога, который пытается выяснить, как все началось.

Рис. 9.3. Двумерные аналогии кривизны космоса и их влияние на траектории световых лучей. Вверху: на сферической, или «замкнутой», поверхности две изначально параллельные линии сойдутся в одной точке. С изначально параллельными лазерными лучами произошло бы то же самое. В середине: на плоской поверхности параллельные линии и лазерные лучи останутся параллельными бесконечно. Внизу: на расширяющейся книзу, или «открытой», поверхности и линии, и лазерные лучи, изначально параллельные, будут расходиться. (По источнику: Discovering the Universe, N. F. Comins and W. J. Kaufman III, 4th edition, W. H. Freeman [1997].)

Ключевые эпохи

Если принять во внимание расширение Вселенной и перевести стрелки часов назад, к самым ранним временам, мы можем вообразить себе космос, который был намного плотнее и горячее; Георгий Гамов в 1952 году называл его первичным огненным шаром. Физики поступили именно так – и обнаружили переломные эпохи в раскрывающейся перед нами Вселенной пространства, времени, материи, излучения и других, все еще загадочных форм материи-энергии (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Схематическая временная шкала ранней Вселенной. Показаны ключевые эпохи в расширяющейся и охлаждающейся метасистеме материи– энергии. (По источнику: A. Guth, “Infl ation and the New Era of High-precision Cosmology”, MIT Physics Annual [2002].)

Планковская эпоха

Время ≈ 10^–43 с, температура ≈ 10³² К

Здесь водятся драконы ^[6]. Мы мало что знаем об этой эпохе, поскольку пространство и время еще не возникли как отдельные измерения и космические часы еще не начали тикать. Более того, все известные взаимодействия, признанные сегодня (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), были едины. Только после того, как наступила эта эпоха, пространство, время и гравитация смогли «вымерзнуть» из хаоса и подготовить декорации для развития Вселенной. Пытаясь представить, что могло в ней происходить, физики воображают лишь картину, на которой из квантовой «пены» возможностей внезапно появляются и исчезают из бытия фундаментальные частицы и античастицы, – и, собственно, на этом все. Возможно, когда-нибудь у нас будет жизнеспособная теория квантовой гравитации. Но до тех пор планковская эпоха будет оставаться за пределами нашего понимания.

Эпоха инфляции

Время ≈ 10^–35 с, температура ≈ 10²⁷ К

Как только Вселенная расширилась и остыла, выйдя из непознаваемой «черной дыры», которую мы называем планковской эпохой, ее заполнил «бульон» из фундаментальных частиц. Это были кварки, глюоны, лептоны и аналогичные им античастицы, а также фотоны – и все это взаимодействовало и преображалось. Полагают, что в эту эпоху появилось много других экзотических частиц, в том числе аксионы, магнитные монополи, стерильные нейтрино и гравитоны, но пока ни одну из них не удалось обнаружить. Тем временем Вселенная стала достаточно прохладной, чтобы сильное взаимодействие отделилось от предшествующего смешения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий (фундаментальных сил, управляющих поведением частиц, ядер и атомов). Считается, что это привело к резкому раздуванию Вселенной, в результате чего она увеличилась в 150 с лишним раз менее чем за 10^–33 секунд (рис. 9.4). Так ультрамикроскопическая вспышка превратилась в макроскопический космос, который был на 50 порядков больше. (С тех пор эта область размером с грейпфрут выросла еще на 30 порядков и стала сегодняшней наблюдаемой Вселенной, только это заняло намного больше времени.) Кроме того, отделение сильного взаимодействия ускорило образование элементарных частиц и фотонов – и это придало Большому взрыву его энергичность и силу.

Космологи благосклонны к этому инфляционному сценарию, поскольку он решает ряд проблем, связанных с теорией Большого взрыва. Во-первых, он резко раздувает наблюдаемый космос, так что можно спорить о том, какой пространственной кривизной он обладал до этого момента, и так решается проблема плоскостности. Во-вторых, этот сценарий гарантирует, что все направления в наблюдаемом космосе имеют одинаковую структуру, и тем самым мы избавляемся от проблем, связанных с изотропией и однородностью. Более того, он предсказывает, что квантовые флуктуации, происходившие в течение этой эпохи, могли перерасти в акустическую запись флуктуаций плотности и температуры, проявленную в космическом микроволновом фоне. На момент написания этой книги астрономы искали в нем другие указания, способные еще яснее свидетельствовать об эпохе инфляции, но решающего довода они пока не получили. И если это произойдет, то авторы теории, скорее всего, заслужат Нобелевскую премию.

Эпоха частиц

Время ≈ 10^–12 с, температура ≈ 10¹⁵ К

До этой эпохи элементарные частицы и их античастицы были вовлечены в экзистенциальный танец созидания и взаимного уничтожения. Но как только Вселенная достаточно расширилась и остыла, смогли появиться стабильные частицы. Эпоха частиц началась с адронной эпохи, когда кварки связывались в протоны, нейтроны и мезоны. Каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков, каждый мезон – из двух, а глюоны удерживают их вместе. В то же время объединенное «электрослабое» взаимодействие раздвоилось на электромагнитное и слабое, что еще больше способствовало возникновению из хаоса W– и Z-бозонов. А очень незначительное превышение доли вещества по сравнению с антивеществом (около 1 части на миллиард) в конечном счете привело к возникновению нашей сегодняшней материальной Вселенной.

Стабилизация частиц продолжалась и в следующую эпоху, названную лептонной (время ≈ 10^–4 с, температура ≈ 10¹¹ К), когда на свободу из «трясины» вырвались электроны, нейтрино и другие относительно легкие частицы. Этот важный период подошел к концу примерно через секунду после Большого взрыва.

Эпоха первичного нуклеосинтеза

Время ≈ 10² с, температура ≈ 10⁹ К

Как только расширяющаяся Вселенная остыла до температуры в миллиард кельвинов, ее протоны и нейтроны начали соединяться в различные атомные ядра. К ним относились стабильные ядра дейтерия (1 протон + 1 нейтрон), гелия-3 (2 протона + + 1 нейтрон), гелия-4 (2 протона + 2 нейтрона) и лития-7 (3 протона + 4 нейтрона). Этот период нуклеосинтеза длился около 20 минут, после чего все свободные нейтроны распались обратно на протоны и электроны, тем самым прекратив дальнейшие реакции. Одно из величайших достижений теории Большого взрыва состоит в том, что она точно предсказывает относительную распространенность этих атомных ядер, возникших за отведенное время. Еще до того, как звезды стали создавать свои собственные элементы, ранняя Вселенная уже содержала 75 % водорода-1

(атомное ядро которого состоит из одного протона), около 25 % гелия-4, 0,01 % дейтерия и гелия-3 и ультрамалое количество (порядка 10^–10) лития-7.

Эпоха вещества

Время ≈ 10¹¹ с – 10⁴ лет, температура ≈ 10⁵ К

До этой эпохи в энергетическом балансе Вселенной преобладали фотоны, но непрестанное расширение космического пространства изменило это положение. Вселенная раздувалась, и концентрация как фотонов, так и материальных частиц уменьшалась в соответствии с увеличением объема – иными словами, с увеличением размера в кубе (R³). Между тем уменьшалась и энергия в расчете на фотон, поскольку соответствующая длина волны каждого фотона растягивалась вместе с расширяющейся Вселенной, то есть как размер (R). По причине того, что концентрация фотонов в пространстве снизилась, а энергия каждого фотона сократилась, плотность их энергии уменьшалась в соответствии с четвертой степенью возрастания размера (R⁴), а концентрация вещества – в соответствии с кубом возрастания размера (R³). Потребовалось около 10 000 лет космического расширения, чтобы плотность энергии фотонов упала ниже плотности материальных частиц – и так мы унаследовали Вселенную, в которой преобладает материя.

Эпоха атома

Время ≈ 10¹³ с – 4 ∙ 10⁵ лет, температура ≈ 3 ∙ 10³ К

Эта эпоха следует сразу за рекомбинацией электронов и атомных ядер с образованием атомов без суммарного заряда. Подробные данные о космическом микроволновом фоне позволили космологам– наблюдателям рассчитать время наступления этой эпохи (380 000 лет после Большого взрыва), ее температуру (3000 К) и то, во сколько раз с тех пор расширилась Вселенная (1100). Слабое микроволновое свечение, распространенное по всей небесной сфере, ученые интерпретируют как «поверхность последнего рассеивания» от первичной плазмы, которая как раз в тот миг нейтрализовалась и стала прозрачной для фотонов. Разумная аналогия – видимая поверхность Солнца: мы не можем заглянуть сквозь нее в более глубокие слои солнечной плазмы, и остается довольствоваться тем, что мы видим поверхность ее последнего рассеивания, где плотность снизилась в достаточной мере для того, чтобы высвободились фотоны. Точно так же космический микроволновый фон считается свидетельством того переломного момента, когда электроны обрели возможность связываться с атомными ядрами и тем самым образовывать нейтральные атомы. Плазмы, с которой взаимодействовали фотоны, пронизывающие космический простор, больше не существовало, и теперь они могли распространяться сквозь пространство и время – чтобы через 13,8 млрд лет попасть на наши детекторы.

Завершающий пассаж

Теория Большого взрыва объясняет очень многое из того, что астрономы узнали о Вселенной, в том числе:

1. Космическое расширение. «Обратная перемотка» этого расширения к началу приведет нас в космос, который был намного плотнее и горячее нынешнего. Наиболее точные оценки возраста расширения составляют около 13,8 млрд лет.

2. Парадокс Ольберса. Причина темного облика ночного неба заключается в том, что возраст Вселенной конечен. Свет от чего-либо за пределами соответствующего аберрационного времени в 13,8 млрд световых лет до нас еще не дошел.

3. Содержание элементов в космосе. Наблюдаемая относительная распространенность водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7 соответствует рассчитанному результату нуклеосинтеза, проходившего в первые двадцать минут после Большого взрыва.

4. Космический микроволновый фон. Это свечение всего неба понимается как излучение, испущенное Вселенной в то время, когда она только остывала и переходила из состояния ионизированной плазмы в нейтральное атомное состояние. Это происходило примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.

Сама по себе теория Большого взрыва не может объяснить необычайную плоскостность, изотропность и однородность Вселенной, на которые нам указывает характер космического микроволнового фона. И здесь на сцену выходит эпоха инфляции. Резко увеличив пылинку пространства-времени на самой ранней стадии возникновения Вселенной, космическая инфляция сгладила и вещество, и излучение, которым предстояло эволюционировать в нашу сегодняшнюю Вселенную. Она еще не подтверждена экспериментально, но многие астрофизики полагают, что эту проблему решат будущие измерения поляризации волн в космическом микроволновом фоне.

Эта глава заканчивается эпохой атома, когда Вселенная состояла из нейтральных атомов и потока видимых фотонов, а ее температура составляла около 3000 К. Однако не стоит пренебрегать вечно таинственной темной материей и темной энергией. И более того, возникает впечатление, что формирование галактик, а также галактических скоплений и сверхскоплений из крошечных сверхплотностей, проявленных в космическом микроволновом фоне, особенно зависит от расположения темной материи. В следующей главе, посвященной образованию галактик, мы поговорим о ее гравитирующей роли, а также обсудим еще несколько важных вопросов.

10. Возникновение галактик

В любом хаосе есть космос и в любом беспорядке – скрытый порядок.

Карл Юнг. Современный человек в поисках души

Сложности, связанные с формированием галактик, проявляются уже в крошечных флуктуациях, заметных в космическом микроволновом фоне. Если интерпретировать их как избыточную или недостаточную плотность вещества, составляющую всего несколько частей на 100 000, то как эти намеки на структуру могли появиться в гораздо более плотных галактиках, скоплениях галактик и сверхскоплениях, населяющих сегодняшнюю Вселенную? Кроме того, расширение должно было произойти очень стремительно. Изображение небольшой области в созвездии Большой Медведицы, полученное при помощи телескопа «Хаббл», и сверхчеткие снимки, сделанные в дальнейшем, позволили выявить галактики с красным смещением 5 и более – а это значит, что они сформировались по прошествии менее чем миллиарда лет после Большого взрыва. Как столь резкое сгущение вещества могло произойти так быстро?

К сожалению, нам еще только предстоит построить телескопы, мощности которых хватило бы для исследования так называемых Темных веков – эпохи, которая началась спустя 400 000 лет после Большого взрыва и завершилась по прошествии миллиарда лет после него. Снимки, сделанные «Хабблом», позволили нам мельком заглянуть в эту черную бездну и предположить, что первые галактики были относительно маленькими и причудливыми – и безудержно рождали новые звезды. Этот «наблюдательный тупик» слегка разрешится в следующем десятилетии, когда мы задействуем космический телескоп «Джеймс Уэбб» (наблюдающий в ИК-диапазоне), радиоинтерферометр SKA (наблюдающий в радиодиапазоне) и другие передовые телескопы.

Моделируемые сценарии

За последнее десятилетие команды астрофизиков, создающие численные модели, добились огромных успехов. Используя самые мощные суперкомпьютеры, многочисленные группы ученых воображали самые разные сценарии, пытаясь понять, как из расширяющегося и остывающего «бульона» темной материи и атомов возникли галактики (рис. 10.1). Как правило, эти сценарии начинаются с темной материи, поскольку под воздействием притяжения она могла начать сливаться в единое целое еще до эпохи рекомбинации. В то время обычное вещество по-прежнему пребывало в состоянии ионизированной плазмы, и поэтому стремительные потоки фотонов, продолжавшие с ней взаимодействовать, не давали ему застыть. Напротив, темная материя, не испытывавшая никаких влияний, могла пойти своим путем и гравитационно откликаться на любые первичные флуктуации, которые в это время распространялись по космосу. Предполагаемое сгущение темной материи в огромные кластеры и нити могло бы подготовить декорации для появления космической паутины, а также для формирования галактик внутри ее прядей и узлов.

Рис. 10.1. Графическое представление эволюционирующей Вселенной, включая Темные века, эпоху формирования галактик, реионизацию и последующие преобразования в текущую эпоху. (Материалы любезно предоставлены NASA.)

Как только Вселенная остыла настолько, что электроны смогли воссоединиться (рекомбинировать) с ионами и тем самым сформировать нейтральные атомы, фотоны утратили способность взаимодействовать с обычным веществом. Атомы водорода, гелия и других легких изотопов, получив свободу, устремились к центрам притяжения, впервые установленным темной материей. Еще в конце XX века теоретики говорили о том, что после рекомбинации плотность окружающей среды и температура Вселенной должны были оказаться наиболее благоприятными для возникновения относительно небольших сгустков протяженностью в несколько сотен световых лет и массой около миллиона масс Солнца. Будь эти сгустки хоть немного меньше, их собственной гравитации уже не хватило бы для противодействия всепроникающему давлению газа; а также, что значительно важнее, уменьшились бы шансы при помощи тяготения отделить столь огромное облако от расширяющейся среды.

Численное моделирование, основанное на представлении разных сочетаний холодной темной материи, обычной материи и темной энергии (модель Лямбда-CDM [ΛCDM]), предоставило нам впечатляюще подробную картину зарождения космической паутины, а также галактик и галактических скоплений, сгустившихся в ней. Ни один отдельно взятый код не в состоянии охватить невероятный динамический диапазон пространственных масштабов и ассоциируемых с ними структур, поэтому большинство моделей специализируются на определенной области. В совокупности они показали, что первые галактики, по всей вероятности, походили не на диски и сфероиды, известные нам сегодня, а скорее на маринованные корнишоны. Может быть, именно их мы и видим на снимках «Хаббла» и в других глубоких обзорах неба. Кроме того, благодаря моделям мы узнали, что спиральные галактики по завершении своего формирования оказываются более упругими, чем ожидалось. Возможно, предстоящее столкновение Млечного Пути с галактикой Андромеды, до которого еще примерно 4 млрд лет, не будет таким катастрофическим, как полагали прежде.

И самое главное, численное моделирование выявило в галактиках сильную чувствительность к энергетической «обратной связи» от новорожденных звезд. В частности, самые массивные звезды производят интенсивное ультрафиолетовое излучение, порождают сильные ветры и, наконец, вызывают вспышки сверхновых, которые приводят к возмущениям в гравитирующих скоплениях темной и обычной материи. Возможно, этот сильный звездный «отклик» помогает замедлять формирование звезд, одновременно уменьшая общее число скоплений. И в то время как расчеты, связанные с образованием галактик в стандартной модели ΛCDM, предсказывают появление огромного роя «карликов» вокруг гигантской галактики, подобной Млечному Пути, добавление звездной «обратной связи», по всей видимости, устраняет эту проблему.

Реионизация космоса

Численные модели формирования галактик в окончательном итоге завершаются появлением «звездных кузниц». Однако до того, как в звездах начали создаваться элементы тяжелее гелия, самим звездам было очень сложно появиться в том виде, в каком они сегодня известны нам. При температурах в несколько сотен кельвинов атомы водорода и гелия излучают очень слабо и не могут избавиться от гравитационной энергии, унаследованной после коллапса родительских облаков, а значит, ни о каком дальнейшем охлаждении не может идти и речи. Учитывая такое положение дел, астрофизики предположили, что первые звезды в силу необходимости обладали невероятной массой и светимостью. Только очень массивное родительское облако могло бы иметь тяготение, способное противодействовать высоким температурам и давлениям, которые поддерживались бы в уплотняющемся водородно-гелиевом облаке.

Эти звезды первого поколения, обладавшие расчетными массами в несколько сотен солнечных масс и светимостью в ультрафиолетовом диапазоне, эквивалентной светимости многих миллионов солнц, должны были бы ионизировать весь окружающий газ в галактиках-хозяйках и, более того, по всей вероятности, сделали бы то же самое с любым разреженным межгалактическим газом. Астрофизики назвали этот переломный момент эпохой реионизации, а астрономы стали искать ее подтверждения. На сегодняшний день они увидели, что спектры квазаров, аберрационное время которых старше этой эпохи, вырождаются из-за поглощения промежуточных нейтральных атомов водорода и гелия, в то время как при меньшем аберрационном времени свидетельств такого вырождения в спектрах квазаров нет. Это связано с тем, что в последнем случае свет мог бы проходить через повторно ионизированные водород и гелий без какого-либо дальнейшего поглощения. В 2015 году астрономы заявили, что им удалось обнаружить настоящие звезды первого поколения в молодой галактике COSMOS Redshift 7. Эта необычно яркая галактика наблюдалась в аберрационном времени, составляющем примерно 13 млрд лет, когда она излучала в основном в ультрафиолетовом диапазоне. Более того, нам не удалось выявить никаких намеков на выбросы или поглощение элементов тяжелее гелия, и это согласуется с представлением о том, что в первом поколении звездное население было не очень большим.

Наша ионизированная межгалактическая среда – это наследие эпохи реионизации. Кроме того, от первого поколения звезд нам досталось довольно много тяжелых элементов. После своей короткой, но яркой жизни эти звезды-первопроходцы взорвались, став сверхновыми, и выбросили залпы «выкованных» в их недрах элементов в свои галактики и за их пределы. Обогатившись этими тяжелыми элементами, галактические облака смогли испустить гравитационную энергию, охладиться и сжаться в более «нормальные» звезды, привычные нам.

Слияние и объединение

Как только небольшие сгустки галактик отделились от непрестанного расширения, они под влиянием тяготения начали собираться в более крупные структуры. Стоит помнить, что 13 млрд лет назад наша наблюдаемая Вселенная была в 5 раз меньше и, следовательно, в 125 раз плотнее (5³ = 125), чем сейчас. Частота столкновений между субгалактическими сгустками должна была соразмеряться с плотностью, и поэтому в переполненной ранней Вселенной тесные взаимодействия и слияния, скорее всего, были в порядке вещей.

Что же возникло за это время? Возможно, сначала образовались более крупные сфероиды, а вслед за ними – диски в тех объединявшихся системах, которые обладали значительным угловым моментом. На самом деле у астрономов нет ответа. Однако нам известно, что гигантские галактики появились поразительно быстро. Примерно через 1,5 млрд лет после Большого взрыва эти исполины уже вышли на космическую сцену. Они были в 10 раз массивнее нашего Млечного Пути и полыхали, рождая новые звезды. Как они могли сформироваться за столь краткий срок? Этот вопрос до сих пор остается серьезной проблемой для астрофизиков.

Всесторонние исследования галактик в диапазоне красных смещений и предполагаемого аберрационного времени выявили довольно четкую эволюцию среднего темпа звездообразования (рис. 10.2). Большинство галактик, и в том числе Млечный Путь, начали рождать новые звезды более 12 млрд лет назад – менее чем через 1,8 млрд лет после Большого взрыва. Затем темп звездообразования достиг пика, заметного при красном смещении около 4, что соответствует аберрационному времени примерно в 2–3 млрд лет. Сейчас средняя активность формирования звезд в галактиках – это лишь тень себя прежней.

Рис. 10.2. История космического формирования звезд, где темп звездообразования в расчете на единицу совместно расширяющегося объема отображается как функция красного смещения и соответствующего аберрационного времени, равного примерно 10 млрд лет. (По источнику: P. Madau and M. Dickinson, “Cosmic Star Formation History”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics [2013], База данных внегалактических объектов NASA/IPAC.)

То же самое заметно в том, как развивалась в этих галактиках ядерная активность. В данном случае появление блистающих квазаров и других мощных ядерных феноменов приписывают присутствию в этих галактиках сверхмассивных черных дыр, выросших в их ядрах. Пик активности при красном смещении около 4 указывает на то, что в ту особую эпоху эти новорожденные «чудовища» только и делали, что поглощали все вокруг, а образование звезд и массивных черных дыр в галактических центрах, по всей вероятности, было созависимым. Ряд астрономов (и в том числе я) считают, что вместе с расширением внутренних галактических областей возрастали и черные дыры в ядрах этих галактик. Другие предполагают, что черные дыры появились первыми, а потом возле них скопились остатки галактического газа и звезды.

Взгляд в будущее

Вселенная, в которой мы живем, украшена гигантскими эллиптическими и спиральными галактиками, «неправильными» галактиками, уступающими первым в размерах, и даже «карликами» самых разных форм, похожими на эллипсы, сфероиды и многое другое. В восьмой главе мы уже говорили об их характеристиках и эволюционной истории, но я бы хотел добавить еще кое-что. С учетом того, что наша Вселенная непрестанно расширяется, расстояния между группами галактик, скоплениями и сверхскоплениями будут возрастать. Однако внутри этих кластерных структур галактики будут взаимодействовать друг с другом во временных масштабах от миллиардов до десятков миллиардов лет, и непременно будут победители и проигравшие, причем после всех этих слияний и объединений общее число галактик, по всей вероятности, сократится.

Между тем количество газа, доступного для образования новых звезд, будет уменьшаться с каждой новой звездой малой и средней массы. Эти звезды не взрываются и поэтому поглощают бо́льшую часть вещества, ушедшего на их образование. Постепенно в галактиках будет рождаться все меньше звезд. Если расширение Вселенной не обратится вспять или если из космической паутины – либо из космического вакуума – не появятся новые источники вещества, способного притягиваться к астрономическим объектам, циклы рождения и гибели звезд в оставшихся галактиках завершатся сами собой, и в конце концов галактический театр погрузится во тьму. Означает ли это, что само наше существование в качестве людей на Земле, согретой Солнцем, – это совершенно особый период в расширяющемся и эволюционирующем космосе? Да, это вполне возможно. И в свете размышлений о нашем далеком будущем еще более драгоценными кажутся те физические условия, благодаря которым возникли звезды, подобные Солнцу, и такие планеты, как Земля. В следующей главе мы подробнее поговорим о том, в какой обстановке рождаются эти звезды и планеты, а также об их ранней эволюции.