Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

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.

Процесс захвата и аннигиляции темной материи служит жизненно важным источником энергии для белых карликов будущего. Эти звездные объекты являются остатками звезд, погибших после завершения реакций термоядерного синтеза в их недрах. В отсутствие дополнительного источника энергии белые карлики становились бы более холодными и тусклыми, пока их температура не сравнялась бы с фоновой температурой Вселенной. Однако благодаря энергии, которую они извлекают из аннигиляции темной материи, белые карлики могут излучать энергию на протяжении очень долгого времени. Полная мощность излучения одного белого карлика, обусловленная этим процессом аннигиляции, составляет приблизительно один квадрильон (1015) ватт. И хотя эта незначительная мощность примерно в сто миллиардов (1011) раз меньше мощности излучения Солнца, именно этот механизм производства энергии будет править Вселенной в будущем. Такая выработка энергии может продолжаться, пока галактическое гало остается целым — примерно на протяжении двадцати космологических декад 1020 лет) или в десять миллиардов раз дольше того периода, на протяжении которого Солнце будет сжигать водород.

Частицы темной материи, захваченные белыми карликами, в конечном итоге, аннигилируют в излучение, которое, в конце концов, начинает преобладать в фоновом поле излучения Вселенной. Однако, прежде чем покинуть звезду, это излучение переходит в диапазон более длинных волн, а значит, и более низких средних значений энергии. Фотоны покидают поверхность звезды, имея характеристическую длину волны около пятидесяти микрон (одна двадцатая миллиметра) — значение, в сто раз превышающее длину волны света, испускаемого Солнцем. Это излучение невидимо для человеческого глаза, но современная аппаратура без особого труда улавливает эти инфракрасные фотоны. Температура поверхности звезды невысока — всего 63 градуса Кельвина — чуть ниже температуры жидкого азота.

В эту эпоху будущей истории Вселенной галактики будут выглядеть совсем не так, как сегодня. Типичная галактика будущего содержит миллиарды звездных остатков, каждый из которых излучает энергию вследствие процессов захвата и аннигиляции темной материи. При этом полная мощность излучения целой галактики таких звездных остатков сравнима с мощностью излучения одного нашего Солнца. Среди этих тлеющих остатков разбросано порядка сотни более традиционных звезд, образовавшихся в результате столкновений коричневых карликов. И хотя, по современным меркам, эти маленькие звезды светят довольно тускло, в непроглядной тьме будущего они будут истинными маяками. Совокупная мощность излучения, вырабатываемого этими немногочисленными настоящими звездами, затмит миллиарды белых карликов.

Жизнь в атмосфере белого карлика

Несмотря на то, что известные нам формы жизни вполне могут оказаться под угрозой гибели, занятная возможность для жизни в будущем существует в атмосферах старых белых карликов. Не будем забывать, что любое обсуждение будущих форм жизни непременно уводит нас в область предположений. Однако следующая цепочка суждений не только вызывает определенный интерес, но и ясно описывает физические условия, которые будут существовать внутри белых карликов в далеком будущем.

После смерти исходной звезды белый карлик быстро остывает, пока его главным источником энергии не станет захват и последующая аннигиляция частиц темной материи. Как только это произойдет, белый карлик переходит в более или менее устойчивое состояние, в котором он будет находиться до тех пор, пока не закончится вся темная материя, имеющаяся в галактическом гало, или пока сама звезда не будет исторгнута из галактики в процессе ее динамической релаксации. В любом случае типичные белые карлики имеют около двадцати космологических декад (1020 лет) на то, чтобы в пределах их атмосферы развилась жизнь. Этот огромный временной промежуток в сто миллиардов раз превышает время, которое потребовалось для развития жизни на Земле. При наличии столь долгого времени возможность биологической эволюции какого-либо типа становится весьма правдоподобной, а возрастание сложности, — быть может, даже вероятным.

В некоторых аспектах сценарий для жизни на белом карлике смутно напоминает жизнь на Земле. Белый карлик имеет приблизительно такой же радиальный размер, что и Земля. Как земные формы жизни ограничиваются областями, расположенными вблизи поверхности нашей планеты, так и любые возможные формы жизни в атмосфере белого карлика тоже будут находиться во внешних слоях звезды. Внутренняя часть звезды состоит из вырожденного вещества, и химические реакции в недрах звезды не происходят. Интересная химия может быть связана только с внешним слоем. Источником энергии для белого карлика служит поле излучения, нагревающее поверхностные слои изнутри, тогда как Земля получает тепло сверху — от Солнца. Самое важное различие состоит в том, что жизнь на Земле основана на наличии жидкой воды, тогда как в атмосфере белого карлика жидкой воды практически не будет. В окружающей среде белого карлика самое большее, на что можно надеяться, — это существование химических реакций какого-нибудь типа.

Первым требованием для существования жизни является надлежащая смесь химических элементов. Белые карлики с более высокой массой естественно содержат большие количества двух самых важных для земных организмов элементов — углерода и кислорода. Самые маленькие белые карлики, масса которых не превышает и половины солнечной, напротив, состоят практически из одного гелия. Гелий практически абсолютно химически инертен, а потому не желателен для окружающей среды, в отношении которой мы питаем надежду на возникновение жизни. Таким образом, у более крупных белых карликов шансы приютить на себе биосферу значительно выше.

На протяжении долгого промежутка времени температура поверхности белого карлика равна примерно 63 градусам Кельвина, что очень близко к температуре жидкого азота. В недрах звезды несколько погорячее, хотя и ненамного. Основная часть внутренних областей белого карлика заполнена вырожденным веществом, в силу чего тепло легко распространяется из внутренних областей к наружным. Благодаря этому относительно легкому переносу тепла, звезда достигает почти постоянной температуры на протяжении практически всей своей внутренней области. Однако внешние слои звезды, близкие к ее поверхности, состоят не из вырожденного, а из обычного вещества.

Самый верхний слой звезды, в принципе, способен поддерживать химические реакции и имеет доступ к обширному диапазону энергий фотонов, которые эти реакции запускают. Аннигиляция темной материи, которая происходит в ядре звезды, производит высокоэнергетическое излучение — гамма-лучи, энергия которых достигает миллиардов электрон вольт. Пока это излучение добирается до верхних слоев звезды, его волны становятся длиннее, а энергия фотонов, соответственно, уменьшается. На внешней поверхности звезды энергия фотонов, в среднем, составляет некоторую долю электронвольта. Для сравнения скажем, что в химических реакциях типичные значения энергии на частицу составляют несколько электронвольт. Таким образом, в атмосфере белого карлика имеется именно тот диапазон энергий фотонов, который необходим для запуска химических реакций.

А как насчет совокупного энергетического запаса такой звезды? Белый карлик, существующий за счет аннигиляции темной материи, вырабатывает энергию, равную порядка 1015 ватт. Эта мощность излучения мала по сравнению со светимостью современного Солнца, но достаточно велика по сравнению с совокупной мощностью, которую вырабатывает вся человеческая цивилизация. В качестве другого сравнения отметим, что доля солнечной энергии, которую воспринимает Земля, составляет около 1017 ватт. Другими словами, мощность, необходимая для запуска биологической эволюции в атмосфере белого карлика, составляет один процент от полной мощности, доступной земной биосфере в наши дни.