Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Более яркое и горячее Солнце имеет серьезные последствия для жизни на Земле. Как только возрастет поток солнечной энергии, попадающей на Землю, усилится глобальное потепление вместе с его неприятными побочными эффектами. Как только потеплеет вода в океанах, в ней уменьшится содержание растворенного диоксида углерода (углекислого газа). Снижение содержания диоксида углерода в воде приведет к возрастанию его содержания в воздухе. И хотя содержание углекислого газа в атмосфере незначительно, такое увеличение его концентрации будет иметь серьезные последствия.

Когда солнечный свет достигает Земли, некоторая часть его энергии отражается назад в космическое пространство. Солнечный свет, достигающий Земли, нагревает ее поверхность, которая после этого излучает обратно инфракрасный свет. Атмосфера с повышенным содержанием углекислого газа и водяного пара весьма прозрачна для видимого солнечного света, но почти непроницаема для исходящего инфракрасного излучения. Результирующее влияние попадания в атмосферу избыточного количества углекислого газа в некотором смысле аналогично помещению крышки на кастрюлю с кипящей водой. Тепло, поступающее в кастрюлю, никак не может найти выхода из нее.

Этот так называемый парниковый эффект может превратиться в порочный круг. В результате нагревания океанов высвобождается углекислый газ и образуется водяной пар, что приводит к дальнейшему потеплению, которое, в свою очередь, выбрасывает еще большее количество газа в атмосферу. Развивается неустойчивость. Как только этот стремительный парниковый эффект усиливается, океаны испаряются полностью и ошпаривают Землю, стерилизуя ее атмосферу. И хотя теплолюбивые бактерии могут пережить начальные стадии наступающей жары, вымирание, в конечном итоге, грозит всем формам жизни. Тяжелая туча, нависшая над Землей, может отразить достаточное количество солнечного света, чтобы отсрочить надвигающуюся катастрофу, но массовое вымирание неизбежно. Через несколько миллиардов лет наш мир, сейчас такой зеленый и цветущий жизнью, станет весьма похож на современную Венеру с жуткой атмосферой, созданной стремительным парниковым эффектом.

Оптимизм вселяет лишь тот факт, что, когда Земля и ее климат погибнут от перегрева, Марс будет медленно нагреваться и превратится в более гостеприимное место. Через шесть миллиардов лет количество солнечной энергии, поглощаемое поверхностью Марса, вырастет до того уровня, который получает Земля в наши дни.

Несмотря на то, что уже двукратного увеличения яркости Солнца, вероятно, будет достаточно, чтобы жизнь на Земле погибла в пару, это скромное увеличение мощности — всего лишь начало огненной старости Солнца. После того как весь водород, содержащийся в недрах Солнца, будет преобразован в гелий, процесс термоядерного синтеза продолжится в том слое материала, который находится как раз над центральной частью Солнца. Поскольку температура центра Солнца слишком мала, чтобы переплавлять гелий в более тяжелые элементы, его ядро утратит источник энергии, в силу чего оно не сможет более выдерживать вес поверхностных слоев Солнца. Гравитационная катастрофа, которая произойдет в результате, будет сжимать ядро до тех пор, пока центральное давление не уступит непрерывному стремлению к сжатию. Когда ядро сожмется, температура центральной области, соответственно, повысится. Тепло, высвобожденное более горячим ядром, перейдет в верхние слои, где ускорятся реакции термоядерного синтеза. Истощенное гелиевое ядро продолжит сжиматься, и мощность излучения Солнца будет неуклонно расти.

Как ни парадоксально, по мере увеличения светимости Солнца температура его поверхности снижается. Сегодня температура поверхности Солнца достигает почти шести тысяч градусов Кельвина. Однако когда Солнце раздуется до размеров красного гиганта, температура его поверхности упадет почти до трех тысяч градусов Кельвина, а его цвет станет таким же красным, как у пожарной машины. Это охлаждение поверхности происходит потому, что избыточная энергия, выработанная вблизи солнечного ядра, частично остается в средних его слоях. Эти слои вынуждены расширяться, и Солнце эволюционирует, становясь ярче, больше, краснее и холоднее, чем тот желтый шар, который мы видим сегодня.

Поскольку выработка энергии Солнцем непрерывно возрастает, эта недавно увеличившаяся звезда создает сильные ветры. С солнечной поверхности исторгаются потоки энергетических частиц. Эти ветры напоминают более скромный солнечный ветер, наблюдаемый в наши дни, но они уносят куда больше вещества. Когда Солнце превратится в красного гиганта, из-за этого мощного ветра оно, возможно, потеряет более четверти своей массы. По мере испарения Солнца сила его гравитационного притяжения ослабнет и Земля постепенно отодвинется на орбиту большего радиуса, загибающуюся где-то неподалеку от современного положения Марса. Остальные планеты тоже соскользнут на большие орбиты.

Примерно через миллиард лет после того, как в центре Солнца закончатся запасы водорода, его истощенное ядро станет настолько плотным, что основное давление будет создавать вырожденный электронный газ. Термин «вырожденный» употребляется здесь в квантово-механическом смысле. Вырождение электрона — это, прежде всего, следствие принципа неопределенности Гейзенберга. Когда электроны вынуждены занимать меньшие объемы, чем прежде, возрастают их скорости и увеличивается создаваемое ими давление. Звездный объект, существующий благодаря такому давлению вырожденного газа, называют белым карликом; его размер приблизительно равен радиальному размеру Земли. Расширяющийся красный гигант, в сущности, состоит из центрального белого карлика, окруженного чрезвычайно насыщенной и разреженной звездной атмосферой. Крошечный белый карлик в центре имеет значительную массу — почти половину массы Солнца. Таким образом, ядро достигает абсолютно невероятной плотности, приблизительно в миллион раз превышающей плотность воды.

Сильному сжатию ядра, создающему столь неестественно плотное состояние, способствуют два любопытных свойства вырожденного вещества. Во-первых, если к белому карлику добавляется некоторая масса, то этот дополнительный материал приводит к уменьшению радиуса белого карлика. Такое поведение в корне отличается от поведения обычного вещества. Если к планете типа Земли, которая, в сущности, представляет собой большой камень, добавить вещество, то это дополнительное вещество увеличит радиус планеты. В случае же с белым карликом все происходит наоборот: по мере того как к нему добавляется больше массы, его радиус неизменно уменьшается.

Второе необычное свойство появляется при нагревании вырожденного вещества. Повышение температуры не вызывает ни расширения этого вещества, ни увеличения давления. Подобное поведение опять-таки полностью противоречит поведению обычных газов, которые при нагревании увеличивают свое давление и стремятся расшириться. Нагревание вырожденного ядра до более высоких температур не приводит ни к чему, что хоть как-то снизило бы чрезвычайно высокие плотности газа.

Когда температура в центре красного гиганта достигает ста миллионов градусов, в вырожденном ядре начинается новая цепочка термоядерных реакций. Ядра гелия превращаются в углерод. Скорость этого образования углерода чрезвычайно чувствительна к температуре. Совсем небольшое повышение температуры приводит к огромному увеличению скорости протекания термоядерных реакций. Эта острейшая чувствительность, вкупе с нежеланием вырожденного ядра увеличивать давление, приводит к тому, что превращение гелия в углерод выходит из-под контроля. Ядро красного гиганта быстро превращается в колоссальную гелиевую бомбу. На короткий промежуток времени энергопроизводительность красного гиганта становится сравнимой с совокупной мощностью излучения всех звезд Галактики. Этот гигантский всплеск энергии, называемый гелиевой вспышкой, обладает такой мощностью, что переводит плотное ядро из состояния вырожденности в более крупную и устойчивую конфигурацию.

После того как гелиевая вспышка выведет солнечное ядро из состояния вырожденности, Солнце вступит в относительно устойчивую фазу, когда превращение гелия в углерод остается под контролем. Из-за энергии, образовавшейся в результате гелиевой вспышки, центральная область Солнца больше не будет сжатой и вырожденной. В этом новом состоянии Солнце не может поддерживать конфигурацию раздутого красного гиганта. На пике фазы красного гиганта Солнце будет светить в две тысячи раз ярче, чем сегодня. Однако как только воспламенится гелий, уменьшатся размеры Солнца и его светимость, но увеличится его температура. Относительно спокойный период горения гелия продолжается около ста миллионов лет. В это время Солнце будет светить в сорок-пятьдесят раз ярче, чем сегодня, а его поверхность будет на тысячу градусов холоднее. Температура на Земле вновь снизится до нескольких сотен градусов Цельсия, и поверхность нашей планеты, возможно, вновь затвердеет. На новой земной коре вряд ли останутся какие-то следы геологии, биологии и цивилизаций, которые когда-то украшали поверхность этой планеты.