Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Когда Вселенная вступает в эпоху распада, перемены становятся довольно-таки очевидными. Обычные звезды, существующие за счет горения водорода, превратились в звездные остатки: коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. И хотя эти объекты могут показаться холодными и жалкими, именно они будут источником действия и волнения во Вселенной. Часы, измеряющие скорость развертывания событий, идут гораздо медленнее. Начинают происходить астрофизические события, которые из-за жестких временных ограничений никогда не могли бы произойти в современной Вселенной.

Познакомимся с вырожденными звездными остатками

Масса звездных остатков служит некой «заначкой» для эпохи распада. Мы уже встречались с этой кастой вырожденных объектов в предыдущей главе. Во всей этой коллекции звездных остатков итогом звездной эволюции, продолжавшейся триллионы лет, служат четыре обычных класса: коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры (см. рис. 13). Однако, полноты ради, нельзя забывать и о возможности существования пятого варианта. Когда в достаточно массивной обычной звезде возникнет неустойчивость, результирующая вспышка сверхновой иногда может быть настолько мощной, что все звездное вещество рассеется в космическом пространстве. Другими словами, не останется ничего. Такой исход является быстрой и решительной победой термодинамики в ее сражении с силой гравитации. В остальных четырех случаях гравитация так легко не сдается.

Рис. 13. На левой диаграмме изображено относительное количество звезд, рождающихся в различных диапазонах массы. Самый большой сектор предназначен для коричневых карликов, массы которых находятся в диапазоне от 0,01 до 0,08 массы Солнца. Другой большой сектор отводится под красных карликов, массы которых лежат между 0,08 и 0,43 солнечной массы. Следующий большой сектор содержит средние по весу звезды, находящиеся в диапазоне от 0,43 до 1,2 солнечной массы Массивные звезды попадают в диапазон от 1,2 до 8 солнечных масс, а самый маленький сектор предназначен для тяжелых звезд, масса которых превышает восемь солнечных. На правой диаграмме приводится распределение звездных остатков — объектов, оставшихся по завершении звездной эволюции. Коричневые карлики остаются коричневыми карликами, но большинство звезд (масса которых меньше восьми масс Солнца) завершают свою жизнь в виде белых карликов. И лишь крошечная часть звезд, масса которых превышает восемь солнечных, могут превратиться в черные дыры и нейтронные звезды. Размер сектора, отведенного под черные дыры и нейтронные звезды, преувеличен ради ясности

Коричневые карлики

Коричневые карлики крупнее планет, но мельче обыкновенных звезд и представляют собой самую легкую разновидность вырожденных остатков. Это звезды-неудачники — в том смысле, что в их недрах не может произойти ядерное возгорание водорода. Им недоступен обычный источник звездной энергии, вследствие чего с самого момента рождения и впредь им суждено вести скромную жизнь остывания и сжатия.

В основе неспособности коричневых карликов превратиться в звезды лежат несколько физических причин. Одна из важнейших состоит в том, что скорости протекания ядерных реакций чрезвычайно чувствительны к переменам температуры. Малейшее увеличение температуры в недрах звезды вызывает гигантский всплеск энергии, вырабатываемой в процессе водородного синтеза. В результате этого температура, при которой в звездах происходит синтез водорода, всегда близка к десяти миллионам градусов Кельвина. (Как только ядро звезды становится горячее, увеличение избыточной энергии заставляет его расширяться и остывать.) Далее, поскольку температура постоянно остается равной десяти миллионам градусов, по мере уменьшения массы звезды возрастает плотность ее недр. Маленькие звезды должны сжиматься сильнее, чтобы достигнуть центральной температуры в десять миллионов градусов, вследствие чего они значительно плотнее более массивных. Последней же каплей становится то, что давление, создаваемое вырожденным материалом, быстро растет с увеличением плотности. То есть если вы попытаетесь сжать кусок вырожденного вещества, он окажется очень жестким и будет сопротивляться сжатию.

Если связать все вышеописанные явления воедино, становится ясно, почему звезды, для того чтобы сжигать водород, должны иметь массу, превышающую некоторый определенный минимум. Как только уменьшается масса звезды, увеличивается плотность ее внутренних областей. Однако, если эта плотность достигает слишком большого значения, давление вырожденного газа доминирует над обычным тепловым давлением и поддерживает звезды до того момента, когда температура достигает требуемых десяти миллионов градусов. Таким образом, возникновение давления вырожденного газа создает максимальную температуру центра, которой способна достичь звезда данной массы. Максимальная температура центра достаточно маленьких звезд не достигает десяти миллионов градусов — значения, при котором происходит горение водорода. Если объект, стремящийся стать звездой, имеет слишком низкую массу, он не может сжигать водород, а потому никогда не станет настоящей звездой.

Самые маленькие звезды, способные поддерживать реакции ядерного синтеза, имеют массу порядка восьми процентов от массы Солнца. Звездные объекты, масса которых не дотягивает до этого минимума, являются коричневыми карликами. Радиальный размер коричневого карлика приблизительно сравним с размером обычной маленькой звезды — одной десятой размера Солнца или примерно десятью размерами Земли. Заключительной важной характеристикой коричневых карликов является их химический состав. В силу того что они фактически ничего не делают, эти полузвездные лодыри практически полностью сохраняют то изобилие элементов, с которым рождаются. Следовательно, они состоят, главным образом, из водорода.

В последние несколько лет астрономы обнаруживали все новых и новых коричневых карликов, и, действительно, ученые полагают, что их во Вселенной достаточно много. Галактика размером с Млечный Путь, вероятно, содержит миллиарды коричневых карликов. И хотя пока что коричневые карлики не оказали на космос большого влияния, эти неудавшиеся звезды еще покажут себя, когда Вселенная станет старше. В эпоху распада именно в коричневых карликах будет содержаться большая часть несгоревшего водорода, который к тому моменту останется во Вселенной.

Белые карлики

Огромное количество звезд, включая наше собственное Солнце, в конце своей жизни превращаются в белых карликов. Несмотря на то, что тусклая звезда, масса которой равна всего восьми процентам солнечной, в сто раз легче горячей звезды с массой в восемь солнечных, испускающей свет, равный свету трех тысяч солнц, и той, и другой в конце их эволюции суждено превратиться в белых карликов. К моменту завершения эпохи звезд в нашей Галактике будет содержаться почти один триллион белых карликов и примерно столько же коричневых карликов. Белые карлики по отдельности имеют гораздо большую массу, поэтому в них будет содержаться наибольшая часть обычного барионного вещества Вселенной.

Среднее значение диапазона масс белых карликов несколько меньше массы Солнца. Самые маленькие звезды-прародители по мере своей эволюции и превращения в белых карликов теряют очень малую долю своей массы. Маленький красный карлик на заключительном этапе эволюции превращается в белый карлик почти такой же массы. Звезды типа Солнца, которым суждено раздуться в красных гигантов, теряют значительно большую долю исходной массы. Солнце породит белый карлик с массой, равной 0,6 солнечной. Более крупные звезды, превращаясь в белых карликов, напротив, теряют основную часть своей массы. Например, звезда с массой в восемь солнечных в конце своей жизни превратится в белого карлика с массой в 1,4 массы Солнца. Остальную массу унесет звездный ветер, когда звезда будет находиться в фазе красного гиганта. Это звездное вещество вернется в межзвездную среду, где будет использована повторно.

Те белые карлики, которых мы видим в небе сегодня, относятся к верхней половине диапазона возможных масс этих звезд. Из-за относительно юного возраста Вселенной и ее звездного содержимого пока что успели погибнуть только те звезды, масса которых превышает 0,8 массы Солнца. Более мелких звезд намного больше, и живут они гораздо дольше. Самые маленькие звезды (масса которых находится вблизи минимума, равного 0,08 массы Солнца) еще только начали свою эволюцию. Однако в далеком будущем даже эти звезды выгорят и превратятся в белых карликов. К началу эпохи распада самые распространенные белые карлики будут иметь относительно небольшие массы.