Жак Поль – Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты (страница 38)
☛ СМ. ТАКЖЕ
Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)
Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)
Коллапс Местной группы (через 300 миллиарда лет)
Через 7,5 миллиарда лет
Солнце становится красным гигантом
Термоядерные конвульсии раздувают солнечную оболочку. В небе раскаленной, давно покинутой человечеством Земли сияет гигантский красный шар: люди отправились обживать другие миры.
Через десять с половиной миллиарда лет после своего рождения Солнце переживает нарушение гидростатического баланса в своем ядре, до того исправно обеспечивавшем регулярное производство энергии за счет ядерной реакции превращения водорода в гелий. Теперь в ядре Солнца водорода больше нет. Без «ядерного топлива» термоядерные реакции резко замедлились: ядро звезды почти полностью превратилось в гелий. Оно сжалось и сильно разогрелось.
В следующей фазе солнечной эволюции на периферийных участках ядра появляются зоны синтеза водорода. Эти участки формируют активную оболочку, которая постепенно распространяется вовне в поисках все новых запасов водорода. Рост температуры в центральной зоне, вызванный сжатием солнечного ядра, стимулирует ядерные реакции внутри оболочки. Всплеск активности, следующий за этими процессами, ведет к росту давления в наружных слоях Солнца: оно увеличивается в размерах, его светимость растет, температура на поверхности падает, и Солнце заметно краснеет. Звезда вступает в фазу эволюции, хорошо изученную астрофизиками: становится красным гигантом. Чтобы представить себе, во что превратится Солнце через пять с лишним миллиарда лет, можно посмотреть на Капеллу, самую яркую звезду созвездия Возничего, расположенную на расстоянии чуть больше сорока световых лет от Солнечной системы.
Фаза красного гиганта для Солнца продлится более миллиарда лет. Наша звезда будет постепенно раздуваться, ее радиус достигнет весьма внушительной величины: три четверти астрономической единицы, что в сто шестьдесят раз больше, чем ее сегодняшний радиус. К концу фазы она будет излучать в две тысячи раз больше энергии, чем сегодня. В результате, в зоне обитания Солнечной системы окажутся луны газовых гигантов. Солнце потеряет значительную часть своей массы – за счет все более и более мощного солнечного ветра. Сохранение углового момента Солнечной системы потребует увеличения радиусов планетных орбит, и поэтому, несмотря на новые огромные размеры, Солнце поглотит только Меркурий. Пока огромное красное Солнце царит на небосводе горячей Земли, превратившейся в сплошное море лавы, человечество процветает на пригодных для жизни планетах новой эллиптической галактики Милкомеда, образовавшейся в результате слияния Млечного Пути и Мессье 31.
☛ СМ. ТАКЖЕ
Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)
Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)
Слияние Млечного Пути с туманностью Андромеды (Через 4 миллиарда лет)
Конец Солнца (Через 7,8 миллиарда лет)
Через 7,8 миллиарда лет
Конец Солнца
Солнце потеряло половину своей массы, и в его недрах завершаются реакции ядерного синтеза. Ядро постепенно сжалось до состояния белого карлика, окруженного сброшенными Солнцем оболочками.
Через двенадцать миллиарда лет после рождения Солнца завершается фаза красного гиганта. В результате ядерного выгорания водорода в солнечных недрах образуется гелиевое ядро. Давление излучения, создаваемого ядерными реакциями, слабеет, ядро сжимается и разогревается до сотен миллионов кельвинов. Это приводит к тому, что ядра гелия начинают слипаться в ядра углерода в результате тройного альфа-процесса – цепочки термоядерных реакций, которая создает из трех ядер гелия – альфа-частиц – одно ядро углерода. Этот процесс сильно зависит от температуры и начинается с резкого скачка скорости реакций, который астрофизики называют «гелиевой вспышкой». Внезапный приток энергии перестраивает центральные области звезды: ядро Солнца расширяется, а оболочка сжимается. Начинается очередная устойчивая фаза, напоминающая эпоху синтеза водорода, но гораздо короче – всего около ста миллионов лет.
Запасы гелиевого топлива быстро истощаются – синтез гелия в ядре прекращается. Аналогично тому, как это происходило в предшествующей фазе, гелиевый синтез перемещается в окружающие ядро оболочки; серия гелиевых вспышек заставляет эти оболочки расширяться. Солнце вновь становится красным гигантом. За время, прошедшее с момента первой гелиевой вспышки, его радиус увеличивается до целой астрономической единицы. Но из-за того, что во время предшествующих процессов Солнце утратило значительную часть своей массы, по закону сохранения углового момента, радиус земной орбиты растет и Земле довольно долго удается избегать поглощения Солнцем. Однако приливные силы, которыми Солнце воздействует на планету, подталкивают ее обратно к красному гиганту. Окруженная облаками газа из сброшенных Солнцем оболочек, Земля постепенно по спиральной траектории опускается в недра Солнца и испаряется.
Солнце расширяется с каждой гелиевой вспышкой; его внешние слои постепенно расходятся в пространстве в виде огромной планетарной туманности. Это немного сбивающее с толку название предложил в конце XVIII века Уильям Гершель для обозначения небесных тел, которые, по его мнению, своим видом напоминали планеты, например Уран, который он незадолго до этого открыл. Потеряв половину своей массы, Солнце превращается в сверхплотный шар, лишь немногим больше нынешней Земли, однако в двести тысяч раз массивнее. Разогревшись в процессе образования до температуры в сто шестьдесят тысяч кельвинов, белый карлик будет светить еще миллиарды лет.
☛ СМ. ТАКЖЕ
Будущая сверхновая (–14 тысяч)
Солнце становится красным гигантом (Через 7,5 миллиарда лет)
Через 20 миллиарда лет
Большой разрыв?
Плотность темной энергии постепенно возрастает и расширение Вселенной ускоряется до такой степени, что все ее структуры, от скоплений галактик до атомных ядер, разлетаются на части.
Исследования фонового космологического излучения, выполненные европейским космическим зондом «Планк» с 2009 по 2013 год, показали, что основной компонент Вселенной – темная энергия. Эта гипотетическая форма энергии, заполняющая равномерно все пространство, определяет его повсеместное расширение – впервые к этому выводу пришли американские физики Перлмуттер, Шмидт и Рисс, в 2011 году получившие за это открытие Нобелевскую премию по физике. Судьба Вселенной, согласно этой теории, зависит прежде всего от ее главной составляющей: темной энергии. Однако об этой загадочной субстанции ничего или почти ничего не известно, кроме того, что именно она – единственный фактор, способный ускорять расширение Вселенной. Не будь темной энергии, Вселенная неизбежно должна была бы в конце концов сжаться под действием гравитации всей заключенной в ней материи.
Многие астрофизики считают, что, в отличие от материи, плотность которой в расширяющейся Вселенной уменьшается со временем, плотность темной энергии остается постоянной. Наблюдения за скоплениями галактик, расположенными на очень разных расстояниях, пока подтверждают вывод о том, что темная энергия заполняет все пространство и ее плотность не зависит ни от расстояния, ни от времени. Темная энергия, таким образом, заставляет вспомнить о космологической постоянной – параметре, который Эйнштейн в 1917 году ввел в систему уравнений общей теории относительности, чтобы привести теорию в соответствие с концепцией статической Вселенной. В рамках общей теории относительности введение космологической константы было эквивалентно заполнению всего пространства отрицательной энергией, способной уравновесить гравитацию и обеспечить стабильность Вселенной. После открытия на рубеже 1930-х годов расширения Вселенной Эйнштейн назвал введение космологической постоянной «самой большой глупостью в своей жизни».
Согласно опубликованным в 2003 году работам американского физика-теоретика Роберта Колдуэлла и его коллег, Вселенная может быть заполнена темной энергией, называемой еще фантомной, плотность которой возрастает по мере расширения Вселенной. Фантомная энергия со временем увеличивается, и в бесконечной временной перспективе ее плотность тоже стремится к бесконечности. Превзойдя по силе воздействия все иные процессы, способные обеспечить сцепление структур Вселенной, призрачная энергия разорвет все связи, и через двадцать миллиарда лет Вселенной придет конец в виде Большого разрыва. За сотни миллионов лет до Большого разрыва начнется распад галактических скоплений, а потом и самих галактик. За несколько лет до Разрыва придет очередь планетных систем, а за несколько минут – звезд. И наконец, в последнюю долю секунды распадутся атомы.
☛ СМ. ТАКЖЕ
Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)
Через 100 миллиарда лет
Большое сжатие?
Нельзя исключить и ситуацию, в которой рост темной энергии со временем замедлится, а потом сменится спадом. Она объединится с гравитацией и ускорит общий коллапс Вселенной.
Будущее Вселенной, раздираемой гравитационными силами взаимного притяжения и отталкивающим воздействием темной энергии, несомненно, зависит от того, как эта последняя поведет себя со временем. Помимо того, что она оказывается основным содержанием Вселенной и играет ключевую роль в ускорении ее расширения, физики практически ничего об этой загадочной субстанции не знают. Очень многие ученые идентифицируют ее со знаменитой космологической постоянной, которую Эйнштейн вынужден был ввести в уравнения общей теории относительности. Но есть и другие – те, кто считает, что она представляет собой динамическую величину, изменяющуюся во времени и пространстве. Они называют ее «квинтэссенцией», в честь «пятого элемента», дорогого сердцу философов античной Греции. Американский космолог Роберт Колдуэлл полагает, что эта фантомная энергия приведет Вселенную к состоянию Большого разрыва, в котором все структуры будет разорваны…