Пять возрастов Вселенной

Адамс Фред

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.

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.