Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Мухин Лев Михайлович

Однако в астрофизике существует так называемая проблема скрытой массы — трудно наблюдаемых форм вещества в космосе. Эта масса может находиться как в скоплениях галактик, так и в пространстве между скоплениями. Оценки скрытой массы поднимают значение средней плотности вещества Вселенной почти до ее критического значения. К самой серьезной переоценке _ср (плотности с учетом скрытой массы) привели результаты экспериментов, проведенных в Советском Союзе группой исследователей под руководством В. Любимова. Физика опять столкнулась с ситуацией, когда мир элементарных частиц снова во весь голос заявил о своем прямом воздействии на космологию.

В

институте экспериментальной и теоретической физики долгое время изучалось поведение нейтрино, которые до последнего времени считались безмассовыми частицами. Но вот в 1980 году группа В. Любимова опубликовала поистине ошеломляющий результат. Масса покоя нейтрино оказалась отличной от нуля! Очень малой, но все-таки не нуль! Оценки дали значение массы нейтрино около 5 · 10^–32 грамма. Нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона.

На первый взгляд это открытие важно лишь для физики элементарных частиц. Но только на первый взгляд. Все дело в том, что нейтрино очень много во Вселенной, не меньше, чем фотонов, а их несколько сот «штук» в одном кубическом сантиметре пространства. Сразу же возникает желание проделать элементарный расчет: умножить вес одного нейтрино на число их в кубическом сантиметре. Результат получается поразительным: _нейтр. = 10^–29 г/см³, то есть плотность нейтрино примерно равна критической. А тут еще надо учесть, что масса была определена лишь у одного типа нейтрино, а их как минимум четыре. Предполагается, что массы остальных типов нейтрино могут быть больше, чем масса электронного нейтрино, определенная физиками из ИТЭФ.

Если учесть все эти соображения, то средняя плотность материи во Вселенной заведомо больше критической, и, следовательно, расширение должно обязательно смениться сжатием. Чтобы этот вывод не звучал слишком категорично, сделаем оговорку, смысл которой состоит в том, что безусловно следует подождать подтверждения экспериментальных результатов группы Любимова. Если они будут подкреплены независимыми данными, то окажется, что мы живем в нейтринной Вселенной и очень многие ее свойства определяются присутствием в нашем мире этих частиц. Масса обычного вещества в этой Вселенной составляет лишь 3 процента от массы всех нейтрино.

Тем не менее имеющаяся все-таки на сегодняшний день неопределенность в значении средней плотности Вселенной дает нам моральное право рассмотреть альтернативный сценарий ее будущего.

Итак, пусть _ср < _кр.

Что случится в этом случае с пространством и веществом? Будущую жизнь мира можно разделить на шесть основных этапов. Первый из них займет примерно 10¹⁴ лет. Почему?

Мы знаем из школьных курсов астрономии, что видимое вещество вселенных сосредоточено в основном в галактиках и звездах. Для простоты не будем говорить сейчас о пыли, газе и других формах вещества в космосе. О происхождении галактик и звезд, их дальнейшей судьбе у нас пойдет подробный разговор в следующих разделах книги, а сейчас мы постараемся «сжать» масштаб времени и посмотреть, что с ними будет через сто тысяч миллиардов лет.

Хорошо известно, что звезды светят за счет происходящих в них термоядерных реакций. Но для прохождения этих реакций необходимо топливо. Водород — главное горючее в термоядерных реакциях, а запасы его не беспредельны. Кроме того, чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует ядерное горючее. К примеру, наше Солнце будет работать стабильно, как гигантский термоядерный реактор, еще примерно 10 миллиардов лет.

Затем наступает

очередь выгорания других элементов, более тяжелых, чем водород, и в конце концов звезда умирает, перестает светить. Заметим, что у звезд разной массы этот процесс происходит по-разному, но, не вдаваясь сейчас в подробности, еще раз подчеркнем, что через 10¹⁴ лет на небе погаснут звезды.

Параллельно с этими грустными событиями звезды будут терять планеты из-за возмущений орбит при сближении с другими звездами. Это процесс довольно редкий, но, поскольку мы оперируем сейчас огромными промежутками времени, его нужно учитывать.

Мне, правда, не совсем понятно, почему процесс потери планет выделяется некоторыми астрофизиками в отдельную стадию. Во-первых, не все звезды имеют планеты. Во-вторых, масса планет в тысячи, а то и в миллионы раз меньше массы звезды. В-третьих, если звезда гаснет, то не все ли равно обитателям планет, где они находятся: рядом с мертвой звездой или в каком-либо другом месте космоса. Короче говоря, я не вижу смысла выделения потери планет звездами в отдельный этап, но, следуя традиции, замечу, что это займет промежуток времени примерно в 10¹⁷ лет.

Следующий этап в жизни Вселенной действительно грандиозен, и здесь снова центральную роль играет большая шкала времен, на которой уже необходимо учитывать тесные сближения звезд. При таких сближениях одна звезда может передать свою кинетическую энергию другой. В результате такого «обмена» возможен вылет одного из партнеров за пределы Галактики, в то время как другая звезда, потеряв часть своей энергии, приблизится к центру Галактики. Если каждую звезду уподобить молекуле газа, то процесс вылета аналогичен испарению, в связи с чем этот этап в жизни Вселенной был назван испарением галактик.

После «испарения» приблизительно 90 процентов массы Галактики гравитационное поле начнет «подгребать» к центру мертвые звезды и вещество с малой кинетической энергией. Дело кончится тем, что в результате может образоваться сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Этот период можно назвать периодом уборки Вселенной — все «лишнее» уходит в черные дыры.

Часы показывают 10¹⁸ лет. Далее на авансцену опять выступают законы микромира. Мы помним, что теории Великого объединения предсказывают нестабильность протона, его распад. Правда, возможное время этого распада очень велико: все протоны во Вселенной должны исчезнуть через 10³⁰–10³² лет.

Если протон действительно нестабилен, то вещество звезд, не проглоченных сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, будет слегка подогреваться при протонных распадах. Самые массивные мертвые звезды будут иметь температуру примерно 100 K, а менее массивные — всего около 3 K.

Итак, через 10³¹–10³² лет во Вселенной не останется протонов. Если на время забыть о существовании черных дыр, то вся Вселенная будет заполнена электрон-позитронным газом, нейтрино и фотонами. Их концентрация будет убывать по мере расширения Вселенной. Никаких особенных изменений не будет происходить еще примерно 10¹⁰⁰ лет.

Заключительный, финальный аккорд в жизни нашего мира связан с квантовым испарением черных дыр. Более подробно мы будем об этом говорить позже, а сейчас напомним читателю, что в 1974 году появилась историческая работа С. Хокинга, в которой было показано, что гравитационная могила, черная дыра не вечна, она очень медленно «испаряется», теряя свою массу в виде квантов света. Но это будет происходить, когда космические часы покажут 10¹⁰⁰ лет. Столь огромный срок трудно себе представить.