Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Столкновения белых карликов могут вызвать еще более яркий, хотя и более краткий, фейерверк. Если столкнутся и сольются два белых карлика и если масса вновь образовавшегося объекта окажется больше предела Чандрасекара, давление вырожденного газа не сможет удержать продукт этого слияния от гравитационного коллапса. Тогда недавно родившаяся, но чрезмерно тяжелая звезда должна будет вспыхнуть в сверхновую. Приблизительно одно из десяти столкновений белых карликов завершится вспышкой сверхновой. Таким образом, Галактике, покуда она остается в целости и сохранности, на протяжении примерно двадцати космологических декад суждено переживать одну такую вспышку каждые триллион лет. Вспышки сверхновых и сегодня весьма эффектны, но в убогом окружении умирающей Галактики эпохи распада они будут воистину впечатляющими.

Однако наиболее вероятным исходом редкого столкновения двух белых карликов является не вспышка сверхновой, а образование звезды странного нового типа. Большинство белых карликов происходят от звезд низкой массы и практически полностью состоят из гелия. В результате столкновения двух таких типичных белых карликов образуется звездный объект несколько большего размера, состоящий из гелия. Если масса итогового продукта столкновения превышает 0,3 массы Солнца, гелий в его недрах, в принципе, может воспламениться. Такие звезды способны переплавлять гелий в более тяжелые элементы точно так же, как и развитые (старые) звезды с более высокой массой (что мы уже описывали в предыдущей главе). Однако чтобы звезда начала сжигать гелий, столкновение должно наделить ее достаточно большой тепловой энергией, что весьма напоминает обыденную для нас ситуацию, когда мы используем теплоту горящей спички, чтобы поджечь лист бумаги. Если температура звезды недостаточно высока, чтобы сжигать гелий, она сожмется и превратится в очередного белого карлика, блуждающего по Галактике в ожидании либо нового столкновения, либо изгнания в межгалактическое пространство.

По сравнению с их обыкновенными двойниками, существующими за счет горения водорода, эти звезды, сжигающие гелий, горячее, ярче, плотнее и живут куда меньше. Радиус типичной звезды, масса которой равна половине солнечной, в десять раз меньше радиуса Солнца, а ее светимость в десять раз больше. Поверхность такой звезды невероятно горяча: ее температура равна 35000 градусов Кельвина, что примерно в шесть раз превышает температуру поверхности Солнца. В ядре звезды условия еще более экстремальные: температура в сто миллионов (108) градусов и плотность почти в 10 000 граммов на кубический сантиметр. Эти звезды живут всего несколько сотен миллионов лет — долгий период по человеческим меркам, но всего лишь мгновение по сравнению с продолжительным временем их образования. Даже если вокруг этих звезд образуются планетарные системы, они, судя по всему, не успеют увидеть развития на них сложной жизни в силу краткости своего существования. Если провести экстраполяцию по времени, которое потребовалось для развития сложных форм жизни на Земле, жизнь в этих системах вряд ли поднимется выше самых примитивных форм, представленных вирусами и одноклеточной биотой.

При столкновении несколько более тяжелых белых карликов может возникнуть звезда другого странного типа. Если масса продукта столкновения превысит 0,9 массы Солнца, но не достигнет предела Чандрасекара (в силу чего не взорвется), новый объект, в принципе, сможет поддерживать в своем ядре синтез углерода. Звезда, которая сжигает углерод, имеет еще более экзотические свойства, чем звезда, сжигающая гелий. Углеродная звезда с массой, равной солнечной, примерно в тысячу раз ярче Солнца, а ее поверхность кипит 140 000 градусами Кельвина. По звездным меркам радиус такая звезда имеет крошечный — чуть больше радиуса Земли. В ядре звезды температура приближается к миллиарду градусов, а его плотность в сто тысяч раз превышает плотность камня. Эти ярко горящие свечи живут всего миллион лет. Любые сопутствующие им планеты все еще будут находиться на самых ранних стадиях формирования, когда звезда истощит запасы своего ядерного топлива и погаснет. Вряд ли за это время сможет развиться хотя бы самая примитивная биосфера.

Аннигиляция темной материи

Гало галактик состоят главным образом из темной материи, большая часть которой, видимо, существует в виде частиц небарионного вещества. Вспомним, что барионное вещество состоит, главным образом, из протонов и нейтронов, вследствие чего оно составляет большую часть того, что мы считаем обычным веществом. Как мы уже говорили в первой главе, современные астрономы полагают, что большая доля массы Вселенной должна приходиться на небарионное вещество. Причем считается, что значительное количество этой необычной материи находится в галактических гало.

Один из кандидатов на роль темной материи получил название слабо взаимодействующих массивных частиц. Эти довольно странные частицы, масса которых в десять-сто раз превышает массу протона, взаимодействуют только посредством слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Они не несут электрического заряда, вследствие чего безразличны к действию электромагнитной силы. Они также не восприимчивы к сильному взаимодействию, в силу чего не связываются друг с другом и не образуют ядер. Поскольку эти частицы взаимодействуют очень слабо, в рассеянных областях типа гало галактик они могут жить очень долго. В частности, они могут прожить куда дольше современного возраста Вселенной. Однако по истечении достаточно продолжительных промежутков времени эти частицы взаимодействуют с обычным веществом, что приводит к их взаимной аннигиляции.

Аннигиляция темной материи происходит при двух различных обстоятельствах. В первом случае, когда две частицы встречаются в галактическом гало, они могут вступить во взаимодействие, что приведет к их прямой взаимной аннигиляции. Во втором случае частицы захватываются остатками звезд, например белыми карликами, и впоследствии аннигилируют друг с другом уже внутри звездного ядра. Оба этих механизма играют важную роль в будущем Галактики и Вселенной.

В галактическом гало частицы темной материи имеют низкую плотность: порядка одной частицы на кубический сантиметр, — и достаточно большие скорости: около двухсот километров в секунду. Поскольку эти частицы ощущают только слабое взаимодействие, вероятность аннигиляции чрезвычайно мала. Однако по истечении двадцати трех космологических декад (1023 лет) из-за этих взаимодействий популяция частиц темной материи, населяющих гало, претерпит значительные изменения. При аннигиляции частицы темной материи обычно оставляют после себя более мелкие частицы с релятивистскими скоростями — настолько большими, что частицам удается преодолеть гравитационное притяжение Галактики. Таким образом, конечным результатом процесса аннигиляции является излучение массы-энергии галактического гало в межгалактическое пространство.

Поскольку наличием темной материи объясняется большая доля общей массы Вселенной, продукты аннигиляции от взаимодействий темной материи служат важной частью содержимого Вселенной в поздние эпохи, особенно между двадцатой и сороковой космологическими декадами. Остаточные продукты прямых аннигиляционных событий в галактических гало обеспечивают огромное разнообразие частиц, включая фотоны, нейтрино, электроны, позитроны, протоны и антипротоны.

Темную материю захватывают звездные остатки типа белых карликов. Темная материя галактических гало обеспечивает фоновое море частиц, непрерывно текущих сквозь космическое пространство. Эти частицы также проходят через все объекты, имеющиеся в галактике: звезды, планеты и, в настоящую космологическую эпоху, людей. Порядка ста миллиардов (1011) таких частиц пронизывают тебя, читатель, ежесекундно. Однако в силу того, что эти частицы взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, а оно действительно очень слабое, они пронизывают все типы вещества, не оказывая на нее, в сущности, никакого воздействия. Однако время от времени частица темной материи вступает во взаимодействие с ядром какого-нибудь атома и тем самым лишает его некоторой доли энергии.

Если такое взаимодействие произойдет в недрах белого карлика, частица темной материи может остаться в гравитационной связи со звездой. По прошествии длительного времени популяция таких частиц внутри звездного объекта постепенно увеличивается. Время, необходимое для того, чтобы темная материя была захвачена в ходе именно такого процесса, много длиннее водородной части жизни звезд, которые почти все это время ведут жизнь звездных остатков. По мере увеличения в звездном ядре концентрации частиц темной материи возрастает вероятность аннигиляции этих частиц. В конце концов, звезда достигает устойчивого состояния, в котором аннигиляция в звездном остатке происходит с той же скоростью, с которой частицы захватываются из галактического гало.