Алексей Левин. Белые карлики. Будущее Вселенной. М.: Альпина нон-фикшн, 2021. Содержание
Все это не может продолжаться вечно
Казалось бы, какое дело неспециалистам до белых карликов?
Они не столь завораживающе непонятны, как черные дыры, выворачивающие наизнанку пространство и время. Не такие пугающие, как очередной якобы стремительно приближающийся к Земле астероид, на который можно отвлечься, чтобы не думать о насущных проблемах.
Что они нам, эти карлики? Была звезда и нету. Горела — и перестала, теперь медленно умирает. Да, мы знаем, что Солнце тоже когда-нибудь станет белым карликом. Мы прочитали об этом в интернете. Но это будет так нескоро, что до этого не дотянут даже прапраправнуки нынешних трансгуманистов, которые к тому времени сделают все человечество практически бессмертным. Поэтому не будоражит. «Пугает, а мне не страшно».
Возможно, именно по этой причине рецензируемая книга — первая фундаментальная работа по белым карликам на русском языке, в которой дается пусть и не исчерпывающий, но более чем достаточный для пропедевтической миссии объем информации.
«Я не видел ни единой отечественной или же переводной научно-популярной книги, посвященной белым карликам. Честно говоря, я даже не знаю русскоязычных монографий по этой теме, предназначенных для специалистов», — пишет Алексей Ефимович Левин.
Как мы уже сказали, белый карлик — это звезда в процессе «умирания». Он длится миллиарды лет. Человек тоже не сразу умирает. Даже если остановилось дыхание и сердце уже не бьется, мозг еще живет какое-то время, измеряемое минутами (на эту тему — memento mori — есть обстоятельная презентация, добавьте в закладки).
Вернувшись к «миру неживой природы», а именно — к элементарным частицам, скажем, что «жизнь» свободного нейтрона составляет порядка 15 минут (частица устойчива только в составе атомных ядер, свободный нейтрон распадается). Протоны же, напротив, долгое время считались частицами абсолютно устойчивыми. Но, как выяснилось, время их «жизни» хотя и колоссально, но все же конечно — 1032-37 лет (1010— это 10 млрд).
Это все к тому, что живое/неживое, микромир/макромир, планеты, звезды, галактики, Вселенная — все это не может продолжаться вечно. И «Белые карлики...» не только дают это понимание — в книге представлено несколько конкретных сценариев светопреставления. Но о них скажем позже — какое-то время у нас еще есть.
Хроники агонизирующего Солнца
Звезды «живут» чрезвычайно долго, особенно если оценивать по шкале, хотя бы отдаленно схватываемой человеческим сознанием. Нашему Солнцу, например, отведено чуть больше 12 млрд лет (для сравнения: возраст Вселенной — примерно 13 млрд 700 млн лет, то есть всего-то без малого на 2 млрд больше).
Человечество всегда существовало и существует в условиях стабильного Солнца. Сейчас светило находится примерно в середине «жизненного» пути — умеренно яркая звезда в самом расцвете сил. Ей около 4,5 млрд лет.
Когда Солнцу исполнится 8 млрд лет (+3,5 млрд от настоящего времени), его яркость возрастет до 40%. Тогда вода с поверхности Земли полностью испарится, что приведет к полному уничтожению жизни на нашей планете.
Дальше водородное топливо в ядре Солнца будет выгорать, его внешняя оболочка расширяться, ядро — сжиматься и нагреваться. А когда водород в ядре закончится (Солнцу стукнет ~ 10,9 млрд лет; +6,4 млрд от настоящего времени), термоядерные реакции прекратятся — зажжется водород в слоях вокруг ядра, где к этому времени температура повысится до 10–15 млн К. Солнце будет раздуваться и превратится в красный гигант. Этот процесс займет около 2 млрд лет.
Когда его возраст превысит 12 млрд лет, температура ядра достигнет сотни миллионов кельвинов. Тогда в его центре загорится гелий — с образованием углерода и кислорода. В это время ставшее красным гигантом Солнце сожмется примерно в 20 раз, а температура его поверхности повысится до 4 770 K.
Примерно через 100–110 млн лет гелий закончится, Солнце опять начнет разбухать (в 300–400 раз) и вторично превратится в красного гиганта, но уже другого типа — в асимптотического гиганта.
Если на этапе первого разбухания граница поверхности Солнца (солнечная плазма) не дойдет до Земли, то при вторичном превращении в красного гиганта еще как дойдет (по одной версии, Землю поглотит Солнце; по другой — наша планета избежит этого, перейдя на более дальнюю орбиту еще задолго до этих знойных процессов; в любом случае, даже если Земля избежит поглощения солнечной плазмой, она превратится в выжженный шар).
Следующие ~ 30 млн лет будут происходить очень бурные колебательные процессы между ядром и поверхностью асимптотического гиганта. Внутри бывшей звезды начнутся мощные пульсации, которые выбросят ее атмосферу в космос со скоростью в десятки километров в секунду.
Останется планетарная туманность (разлетающаяся звездная оболочка) — и белый карлик.
Давайте же посмотрим, каков он.
Остывающие останки с «алмазной» начинкой
Он очень горячий (~ 120 000 К), очень плотный и очень маленький — в случае с Солнцем он будет размером примерно с Землю.
Долгое время считалось, что белому карлику остается лишь остывать, как куску раскаленного железа. Но нет — происходящие в недрах процессы куда более интересны:
«...при достаточном охлаждении вещество белого карлика радикально изменяет свою структуру.
<...> атомы в центре белого карлика теряют электроны, которые полностью обобществляются. Таким образом возникает чрезвычайно плотный электронный газ, „омывающий” ионы углерода и кислорода. Электроны заполняют все возможные квантовые состояния, <...> плотность электронного „моря” постоянна и практически не зависит от движения ионов.
<...> Погруженные в электронное „море“ ионы образуют правильную периодическую решетку — то есть перестраиваются в кристаллическую структуру. <...> Этот процесс в принципе ничем не отличается от замерзания воды при нулевой температуре».
Часто СМИ пишут, что ядро «стареющего» белого карлика превращается в алмаз. Это скорее метафора — хотя бы потому, что атомы углерода внутри останков бывшей звезды выстраиваются в объемно-центрическую решетку, а не в кубическую, как у алмаза.
Белые и черные, красные и коричневые
Большинство (90–95%) ныне существующих и будущих звезд со временем превратится в белых карликов. Судьба остальных ~ 5% звезд покрупнее — еще прозаичнее. Они «живут» намного меньше (некоторые сверхмассивные — десятки миллионов или даже просто миллионы лет), а потом либо превращаются в нейтронные звезды или в черные дыры, либо взрываются без остатка. То, из чего они состояли, разносится по космосу — из этого вещества теоретически когда-то могут образоваться новые звезды или планеты.
Но не мечтайте о «вечном возвращении» — скоро узнаете почему.
Также вследствие других процессов могут вспыхнуть сверхновые звезды (но оставим в данном случае эти подробности).
Кроме белых карликов, есть еще красные и коричневые (они же бурые).
Красные карлики могут «жить» сотни миллиардов лет — это самые легкие звезды (начальная масса — от 8 до 30% солнечной) с температурой поверхности 3 000–4 000 К. Они чрезвычайно медленно выжигают водород, а когда он все-таки кончается, «кормятся» легким изотопом гелия.
Коричневые (бурые) карлики — это так называемые субзвезды, или недозвезды. На этапе формирования звезды начинаются термоядерные реакции, которые в случае более тяжелого космического объема (0,070–0,075 солнечных масс) поддерживали бы относительно стабильную температуру ядра в течение миллиардов лет. В случае же бурого карлика, давления, создаваемого гравитацией, не хватает, чтобы разогреть кандидата в звезды до такого состояния. Поэтому коричневый карлик медленно тлеет, пока не кончится вещество, участвующее в термоядерной реакции.
Наконец, есть еще черные карлики — остывшие белые карлики, звездный прах.
Справив тризну по конкретным космическим объектам, поговорим о последних днях галактики, Вселенной, да и самой материи.
Пути распада
Алексей Левин пишет об американских физиках Фреде Адамсе и Грегори Лафлине, разделивших эволюцию Вселенной на четыре стадии — эры.
Звездная эра (~ через 100 млн лет после Большого взрыва). Во Вселенной происходит интенсивная генерация энергии (и 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 существуют красные карлики. Процесс звездообразования завершится, когда Вселенной исполнится 1014 лет. К этому времени в космосе не останется свободного рассеянного вещества, способного стянуться под действием гравитации в газопылевые облака, дающие начало новым звездам.
Эра вырождения (~1015-1037 лет после Большого взрыва). Во Вселенной больше нет звезд с активными термоядерными топками. Только белые и коричневые карлики, нейтронные звезды, пережившие звездные взрывы планеты, планетоиды и «прочая космическая мелочь». В космосе много черных дыр, среди которых дыры-супергиганты, продолжающие «глотать» вещество и все увеличивающиеся. Начинается постепенное разрушение космических скоплений всех рангов — от планетных систем до галактик. В промежутке 1030-1033 лет дыры пожирают и галактики, и галактические скопления.
Оставив подробности, скажем, что в конце Эры вырождения обычное вещество превратится в излучение.
Эра черных дыр (~1038-10100 лет после Большого взрыва). Исчезнут практически все барионы (протоны и нейтроны), и единственными макрообъектами Вселенной останутся черные дыры. Однако и они за счет квантовых процессов постепенно превратятся в излучение и погибнут во взрывах. Сверхмассивная дыра, успевшая заглотить крупную галактику (порядка 100 млрд солнечных масс), может протянуть еще ~1098 лет...
Темная эра (более 10100 лет после Большого взрыва). От материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти нулевой температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны). Некоторые электроны и позитроны смогут образовать связанные пары, поперечник которых составит триллионы световых лет. Оставшиеся в неимоверно разбухшем космосе свободные электроны и позитроны практически никогда не встретятся, потому и не исчезнут. Это и есть космологическая тепловая смерть. Поскольку энергия вакуума никуда не исчезнет, температура реликтовых фотонов не упадет ниже определенного положительного предела (10–27 K). Эта величина невообразимо мала, но все же больше нуля. Поэтому космологическая тепловая смерть не означает полного охлаждения, пишет Алексей Левин.
Пульсирующее мироздание или Большой разрыв Вселенной?
Есть и альтернативный прогноз — вселенский антиколлапс из-за возрастания темной энергии через каких-то 20 млрд лет. За 1 млрд лет до этого скорость расширения пространства увеличится настолько, что скопления галактик потеряют устойчивость и начнут разрушаться (Большой разрыв Вселенной). Распад Млечного Пути начнется за 60 млн лет до финала. Послесолнечный белый карлик потеряет способность удерживать оставшиеся планеты, и меньше чем за час расширяющееся пространство разорвет и их. А дальше придет очередь пылевых частиц, атомов, атомных ядер, а также протонов и нейтронов, которые превратятся в кварки и глюоны.
«Существует также сценарий, согласно которому конец света может наступить хоть завтра. <...> Согласно квантовой теории поля, вакуум — не абсолютная пустота, а весьма сложная динамическая система со множеством степеней свободы. В нем отсутствуют реальные частицы, однако (в силу квантовых соотношений неопределенностей) постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. Если вакуум пребывает в состоянии с минимально возможной энергией, его называют истинным. Однако вакуум может обладать и возбужденными состояниями с более высокими значениями энергии».
Ранее считалось, что вакуум нашего мира является истинным и обладает нулевой энергией. Однако американские ученые Сидни Коулман и Фрэнк Де Лучия предположили, что вакуум находится в чрезвычайно долгоживущем (или метастабильном) возбужденном состоянии с положительной энергией. Такой вакуум называется ложным. Ученые показали, что механизм квантового туннелирования делает возможным спонтанное превращение ложного вакуума в истинный — в крошечной области пространства.
«Родившийся пузырек истинного вакуума будет расширяться, порождая внутри себя материю с абсолютно новыми физическими свойствами и полностью уничтожая наш ложно-вакуумный мир. Где бы такой пузырь ни возник, до нас он доберется со скоростью света и, следовательно, без всякого предупреждения».
Как отмечает Алексей Левин, также существует сценарий пульсирующего мироздания, многократно возрождающегося из сингулярностей, претерпевающего расширение и сжатие, и вновь гибнущего в коллапсе (каждый цикл — около 1 трлн лет). Вакуум многократно переходит на все более и более низкие энергетические уровни, что и служит причиной катаклизмов. В конце концов плотность вакуумной энергии доходит до истинного минимума — и Вселенная коллапсирует окончательно и бесповоротно.
***
Журналистский штамп «время покажет, чем все закончится» в данном контексте звучит особенно иронично. Обхохочешься.