Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Черные дыры также делают свой вклад в содержимое Вселенной в эпоху вечной тьмы, извергая в космическое пространство частицы в процессе испарения Хокинга, описанного в четвертой главе. Этот механизм разрушения превращает большую часть массы черной дыры в излучение: главным образом, нейтрино и фотоны, с небольшой примесью гравитонов. В самом конце жизни черной дыры ее температура становится достаточно высокой, чтобы по мере ускорения испарения начали образовываться более тяжелые частицы. В частности, черная дыра производит немалые количества электрон-позитронных пар. И все же из рассеянного водорода — газа, не переработанного в звездах в конце эпохи звезд, — электронов и позитронов образуется намного больше, чем при испарении черных дыр.

В последние мгновения жизни черной дыры, непосредственно перед ее финальным взрывом, температура ее поверхности настолько высока, что образуются частицы практически любого вида, хотя и в относительно небольших количествах. Таким образом, черные дыры производят смесь элементарных частиц, которые могут дожить до эпохи вечной тьмы. Ассортимент вновь созданных массивных частиц содержит протоны — строительные кирпичики, составляющие современное обычное вещество. Однако этим протонам суждено распасться в ходе того же процесса, который бессчетное число лет назад обозначил конец эпохи распада. В результате эти протоны оказывают относительно малое влияние на эпоху вечной тьмы.

Этот беглый взгляд в будущее предлагает крайнюю перемену перспективы. Время жизни протона, измеряемое часами человеческой жизни, или даже настоящим возрастом Вселенной, равным десяти миллиардам лет, настолько велико, что мы обычно считаем, что протоны живут вечно. Однако когда протоны образуются в процессе испарения черных дыр, время их жизни так мало, по сравнению с возрастом будущей Вселенной, что они вполне могли бы распасться мгновенно.

Плотность Вселенной в эту будущую эпоху невероятно мала, настолько мала, что это сложно представить даже в общих чертах, не говоря уже о том, чтобы полностью понять. Ради ясности, остановимся на плотности позитронов. Плотность электронов должна быть точно такой же, так как физический закон требует сохранения заряда. Других частиц ожидается еще меньше, поэтому их плотность будет еще ниже.

В настоящее время плотность протонов во Вселенной составляет приблизительно одну частицу на кубический метр. Это очень средняя цифра, которая учитывает все протоны в чрезвычайно больших масштабах, превышающих галактики. Теперь предположим, что эффективность образования звезд составляет девяносто девять процентов, и лишь один процент этих протонов остается в виде рассеянных газообразных отходов. Если бы Вселенная не расширялась, она осталась бы примерно с одним позитроном на каждые сто кубических метров: низкая плотность — ничего не скажешь, но такую плотность мы хотя бы можем себе представить.

Но Вселенная расширяется, и к началу эпохи вечной тьмы она расширится довольно значительно. В случае плоской Вселенной, которая расширяется вечно, хотя это расширение со временем замедляется, Вселенная увеличивается в 1060 раз от настоящего момента до начала эпохи вечной тьмы. При таком большом коэффициенте расширения будущая плотность позитронов составляет примерно одну частицу на каждые 10182 кубических метров. Чтобы получить хоть какое-то ощущение невероятного размера этого объема, вспомним, что вся видимая сегодня Вселенная имеет объем «всего» в 1078 кубических метра. Другими словами, плотность позитронов в эпоху вечной тьмы составила бы около одной частицы на объем, в 10104 раз превышающий современную Вселенную.

В другом возможном случае — открытой Вселенной, которая расширяется еще быстрее, — плотность будет еще ниже. К началу эпохи вечной тьмы открытая Вселенная увеличивается в 1090 раз. При таком громадном коэффициенте расширения, в 1030 раз превышающем рассмотренный выше, плотность открытой Вселенной в 1090 раз меньше плотности плоской Вселенной. Один-единственный позитрон будет обитать в объеме, в 10194 раз превышающем объем современной Вселенной. Подобную необъятность, как ни старайся, крайне сложно представить визуально.

Фоновые излучения

Другой важной составляющей будущей Вселенной является излучение, причем поля этого излучения генерирует множество разных источников. По мере старения космоса в фоновом излучении Вселенной в различные космологические декады будут по очереди доминировать разные поля излучения. Каждому отдельному классу излучения суждено ослабевать, по мере того как Вселенная расширяется и составляющие его фотоны последовательно смещаются сначала к красному краю спектра, а потом и вовсе выходят за его пределы (см. рис. 22).

Рис. 22. На данном рисунке вклад, который различные процессы вносят в фоновое излучение Вселенной, изображен как функция времени для космологических декад от пятой до девяностой. Вертикальная ось представляет относительную энергию в излучении от нескольких источников: излучения, оставшегося от первичной Вселенной, света звезд, аннигиляции темной материи, распада протона и испарения черных дыр

По мере расширения Вселенной увеличивается длина волны излучения. Эта существенная особенность определяет будущую эволюцию и влияние космического фонового излучения. Излучение можно понимать как совокупность «частиц излучения», которые мы называем фотонами. Когда Вселенная расширяется, ее объем увеличивается, а численная плотность фотонов падает. Но при этом увеличивается также и длина волны фотонов, а следовательно, уменьшается энергия каждого фотона. Из-за этого дополнительного увеличения длины волны, также именуемого красным смещением, фотоны в расширяющейся Вселенной теряют энергию быстрее обычных массивных частиц.

В настоящее время космическое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, — это самое интересное, с точки зрения энергии, и самое важное для космологии поле излучения. Сейчас фактическая температура этого излучения составляет три градуса Кельвина, а характеристические длины его волн — от одного до двух миллиметров. В будущем, с расширением Вселенной, длина волны этого излучения значительно увеличивается. Плоская Вселенная, например, между настоящим моментом и началом эпохи вечной тьмы вырастает в 1060 раз. Это расширение вытягивает космическое фоновое излучение до колоссальных длин волн, равных 1041 световых лет — много больше размера видимой сегодня Вселенной.

По мере старения Вселенной большую важность приобретают другие источники фонового излучения. В наше время звезды непрерывно выдают энергию в виде своего света, тогда как космическое фоновое излучение остается «в тени» из-за эффекта красного смещения. Фоновое море звездного излучения, в конечном итоге, воспреобладает над излучением, оставшимся после Большого взрыва; это произойдет в двенадцатую космологическую декаду. В относительно близком будущем это излучение будут производить преимущественно красные карлики — самые маленькие, многочисленные и долго живущие звезды. Эти относительно прохладные звезды испускают излучение с характеристической длиной волны около одного микрона — одной миллионной метра. С расширением Вселенной растягивается и это излучение, так что к началу эпохи вечной тьмы длина его волны увеличивается почти до 1037 световых лет.

Захват и аннигиляция частиц темной материи в белых карликах служит еще одним важным источником излучения в будущей Вселенной. В результате этого процесса значительная доля массы-энергии галактических гало превращается в излучение, которое становится доминирующим фоном в семнадцатую космологическую декаду. Когда в эпоху распада это излучение испускают поверхности белых карликов, длина его волны равна порядка пятидесяти микрон, или одной двадцатой миллиметра. По мере дальнейшего увеличения Вселенной длина волн этих фотонов тоже увеличивается.

Конец эпохи распада отмечен распадом протонов и превращением обычного барионного вещества в излучение. Учитывая предполагаемое время жизни протона, этот источник лучистой энергии начинает доминировать в универсальном фоне в тридцать первую космологическую декаду. Характеристическая длина волны этого излучения начинается примерно с одного дюйма и в процессе беспрестанного расширения Вселенной со временем увеличивается.

Наконец, где-то в районе шестидесятой космологической декады испаряются черные дыры, и их масса покоя, в конце концов, преобразуется в фотоны и нейтрино, которые на кое-то время преобладают в общем фоне излучения. Черные дыры с массами звезд испускают излучения с характеристической длиной волны в несколько километров, что сравнимо с их радиальным размером. Черные дыры с более высокой массой имеют, соответственно, более низкие температуры и излучение с более длинными волнами. «Чудовища», которые весят как миллиард Солнц, — черные дыры, в настоящее время обитающие в центрах активных галактик, — имеют характеристические длины волн в миллиарды километров, что приблизительно равно размеру нашей Солнечной системы. Все это излучение, ясное дело, вытягивается в процессе непрерывного расширения фонового пространства-времени Вселенной.