Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Глава 5

Эпоха вечной тьмы

η > 101

Практически умирающая Вселенная борется с космологической тепловой смертью и сталкивается с возможностью фазовых переходов, способных преобразовать ее до неузнаваемости.

Сто восемьдесят пятая космологическая декада:

Это пришло молча, без каких бы то ни было предупреждений. Каждая космическая структура, которой оно коснулось, утрачивала свою форму и теряла вид. Это разрушение пугало как своей жуткой стремительностью, так и полным опустошением, которое несло.

Ударная волна зарождалась в какой-то определенной, но достаточно незаметной точке пространства-времени и распространялась с невероятной скоростью, быстро приближающейся к скорости света. Затем расширяющийся пузырь охватывал все увеличивающуюся часть Вселенной. Из-за своей феноменальной скорости эта ударная волна вторгалась в области пространства без предупреждения. Ни световые сигналы, ни радиоволны, ни какое-либо причинное сообщение не могли опередить надвигающийся фронт и предупредить о грядущей кончине. Готовиться было как невозможно, так и бесполезно.

Внутри этого пузыря законы физики, а следовательно, и сам характер Вселенной изменялись до неузнаваемости. Значения физических постоянных, величины фундаментальных сил и массы элементарных частиц были совсем другими. В этом мире «Алисы в стране чудес» правили новые физические законы. Старая Вселенная с ее старой версией физических законов попросту прекратила свое существование.

Эту гибель и разрушение старой Вселенной можно было бы оплакивать. Но, с другой стороны, этот естественный ход событий можно было бы счесть недурным поводом для празднования. Ведь внутри этого пузыря, с его новыми физическими законами и, соответственно, новыми возможностями для развития сложности и структуры, Вселенная обрела новое начало.

После того как через излучение Хокинга испарились черные дыры, Вселенная вновь изменяет свой «имидж». Когда, начиная, вероятно, с сотой космологической декады или около того, на Вселенную опускается вечная всеобъемлющая ночь, она выглядит совсем не так, как в любую из предыдущих эпох. В эту холодную эпоху Вселенная состоит только из самых мелких разновидностей элементарных частиц и излучения с крайне низкой энергией и большой длиной волны. Давным-давно распались протоны, а с их уходом исчезло и обычное барионное вещество.

Эта маломощная Вселенная несет в себе некоторое сходство с очень ранней Вселенной, с первой секундой истории космоса, когда единственными его составляющими были элементарные частицы и излучение. Однако в случае очень ранней Вселенной фоновые энергии были слишком высокими, чтобы позволить существование каких-либо сложных структур типа звезд или даже тяжелых ядер. В отдаленном будущем Вселенная не содержит сложных структур по совсем другой причине: она настолько стара, что все традиционные сложные объекты уже давно распались.

На протяжении большей части космической истории Вселенную питал непрерывный ряд звездных объектов. Сначала энергию поставляли обычные звезды, существовавшие за счет ядерных реакций, протекавших в их недрах. В следующую эпоху всем распоряжались вырожденные звездные объекты, которые захватывали частицы темной материи для аннигиляции, служившей источником энергии. В конце концов, вырожденные остатки использовали в качестве топлива даже составляющие их протоны и нейтроны. Наконец, оставшиеся черные дыры пожертвовали своей массой-энергией и испарились. После окончательной гибели этого величественного звездного механизма Вселенная вынуждена довольствоваться лишь жалкими разреженными парами.

На фоне этого пустынного космологического ландшафта Вселенная сталкивается с возможностью тепловой смерти, т. е. достижения статического состояния с однородной температурой, в котором более невозможны интересные события. Однако, несмотря на кажущуюся простоту этой поздней эпохи, в этот космический конец игры может произойти множество захватывающих событий. Космологический фазовый переход, описанный в начале этой главы, — лишь одна из возможных катастроф, ожидающих того часа, когда наша умирающая Вселенная вступит в эпоху вечной тьмы.

Тени эпохи вечной тьмы

Рассмотрение содержимого Вселенной в начале эпохи вечной тьмы, скажем в сотую космологическую декаду, — предприятие неопределенное. Общее правило гласит, что, чем в более отдаленное будущее мы экстраполируем физический закон, тем менее точные предсказания мы получаем. И все же мы в состоянии дать разумную оценку типов и относительных количеств частиц и излучения, имеющихся в эту будущую эпоху. Несмотря на то, что нам хотелось бы знать больше, замечательно уже то, что современная наука хоть что-то может сказать об этом будущем периоде времени, столь отдаленном от настоящего момента.

Элементарные частицы

Главными составляющими эпохи вечной тьмы являются электроны и позитроны. Откуда возьмутся эти частицы? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется рассмотреть прошлую историю Вселенной вплоть до этого времени. Заселить эту будущую эпоху могут несколько различных астрономических источников позитронов, электронов и других частиц.

Одно важное ограничение на список частиц будущего состоит в том, что природа, судя по всему, строго следует закону сохранения заряда. Другими словами, во Вселенной содержатся равные количества положительно и отрицательно заряженных частиц. Из-за этой фундаментальной симметрии между положительным и отрицательным каждый сохранившийся позитрон (имеющий положительный электрический заряд) должен иметь парный электрон где-то во Вселенной.

В настоящее время наиболее привычный нам тип вещества, барионное вещество, состоит, главным образом, из водорода. Когда внутри водородного атома распадается протон, он часто оставляет после себя позитрон. Электрон водородного атома изначально остается нетронутым, поэтому в конечном итоге образуется электрон-позитронная пара. Однако большая часть вещества, относящегося к этому барионному типу, перерабатывается в звездах и, в конце концов, оседает в вырожденных недрах белых карликов и прочих звездных остатков. Когда эти объекты медленно испаряются в ходе протонного распада, оставшиеся позитроны оказываются в плотной среде. Продукты распада окружает густое электронное облако, в силу чего позитроны получают более чем достаточную возможность для аннигиляции. Таким образом, почти вся масса-энергия обычного барионного вещества превращается в излучение, состоящее, главным образом, из фотонов и нейтрино.

И только неизрасходованные протоны — те, что не заканчивают свою жизнь в звездах, — могут дать позитроны, способные дожить до отдаленного будущего Вселенной. Поскольку звезды образуются не со стопроцентной эффективностью, какая-то доля водорода и других элементов остается в виде размытого сгустка газообразных отходов. Однако то, что в одну эпоху считается никуда не годными отходами, в будущую эпоху может стать самым ценным товаром. Когда распадутся протоны в этой рассеянной среде, произведенные ими позитроны будут иметь гораздо более высокие шансы избежать аннигиляции и дожить до эпохи вечной тьмы. Даже несмотря на то, что большая часть барионного вещества оказывается запертой в вырожденных звездных остатках, большинство позитронов будущего появляются из газообразного «мусора», оставшегося после образования звезд.

Свой вклад в реестр частиц будущего вносит и небарионная темная материя современной Вселенной. Это слабо взаимодействующее вещество в настоящее время находится в галактических гало, скоплениях галактик и других крупных астрофизических структурах. Немалую часть этой темной материи, как мы уже описывали в третьей главе, захватят вырожденные звездные остатки. Захваченные частицы аннигилируют, а продукты их аннигиляции термализуются в плотных недрах звезд. Итогом этого процесса становится превращение значительной части массы темной материи в излучение, которое опять-таки состоит, в основном, из фотонов и нейтрино.

Однако захват частиц темной материи происходит не со стопроцентной эффективностью. Некоторой доле счастливчиков удается его избежать и дожить до далекого будущего. В долгосрочной перспективе судьба этих выживших частиц темной материи не определена. Поскольку точная природа темной материи нам не известна, не знаем мы и время жизни этих «находящихся в самовольной отлучке» частиц. Разрешенное время жизни таких частиц может быть длиннее или короче времени, оставшегося до начала эпохи вечной тьмы, в силу чего сами частицы темной материи могут до нее дожить, а могут и не дожить. Однако даже если частицы темной материи распадаются, продукты их распада могут внести интересный вклад в будущую Вселенную.