Далеке майбутнє всесвіту

Один з найважливіших фактів, надійно встановлених астрофізикою, сам факт еволюції Всесвіту, її спрямований розвиток замість малювати раніше вічно повторюваних процесів на незмінною в середньому "сцені". Всесвіт розширюється, її найбільші структурні одиниці - скупчення галактик - віддаляються один від одного, і середня щільність речовини зменшується. Близько 15 мільярдів років тому ця щільність була надзвичайно велика, не було окремих небесних тіл, і вся матерія була швидко розширюється дуже гарячу плазму.

Теоретична астрофізика. відтворила картину перших хвилин після початку розширення Всесвіту, коли в Плазмі при температурі мільярд градусів відбувалися процеси синтезу легких хімічних елементів. Те, що картина відтворена точно, зараз вже не викликає сумнівів, один з невідворотних аргументів "за" - спостерігається зараз співвідношення між кількістю гелію і водню. Успіхи фізики елементарних частинок дозволяють зазирнути в ще більш гаряче минуле, коли температури досягали 10 28 К, а час від початку розширення становило 10 -35 секунди.

Ми вивчаємо минуле, щоб краще зрозуміти сьогодення і майбутнє, а близьке і віддалене майбутнє людства, майбутнє розуму багато в чому залежить від майбутнього природи, від доль Землі, Сонця, Галактики, Всесвіту.

Вивчення майбутнього Всесвіту принципово відрізняється від вивчення минулого. Минуле залишило свої сліди, і, виявляючи їх, ми перевіряємо правильність своїх уявлень. Картини майбутнього - це завжди екстраполяція - пряма перевірка тут неможлива. І тим не менше сьогодні фундамент фізичних і астрофізичних знань настільки міцний, що дозволяє з достатньою впевненістю розглядати віддалене майбутнє Всесвіту. Цьому присвячено вже чимало робіт, вони і лягли в основу нашої розповіді.

Перш за все, звичайно, виникає питання: необмежено чи триватиме розширення Всесвіту? Відповідь в принципі простий: якщо щільність матерії у Всесвіті досить велика, то сили тяжіння в результаті зупинять її розширення, і воно зміниться стисканням. Якщо щільність мала, то сил тяжіння недостатньо, щоб зупинити розширення. Астрофізичні спостереження показують, що середня щільність видимої речовини у Всесвіті приблизно в 30 разів менше критичного значення (близько 10 -29 г / см3 при сучасній швидкості розширення), що відокремлює один варіант майбутнього від іншого.

Припустимо спочатку перший варіант - Всесвіт розширюється необмежено. Які ж процеси відбудуться в цій необмежено розширення Всесвіту? Перший з таких процесів зараз ні у кого не викликає сумнівів - зірки згаснуть. Сонце закінчить свою активну еволюцію через кілька мільярдів років і перетвориться в білий карлик розміром з Землю, який буде поступово остигати (див. Кольорову вкладку). Зірки масивніше Сонця проживуть ще менше п в залежності від маси врешті-решт перетворяться або в нейтронні зірки з поперечником всього в десятки кілометрів, або в чорні діри - об'єкти з настільки сильним гравітаційним полем, що воно не випускає навіть світло. Нарешті, можливий катастрофічний вибух в кінці "життєвого шляху" зірки з повним її руйнуванням. Зірки менш масивні, ніж Сонце, живуть довше, але і вони рано чи пізно перетворюються в остиглі карлики. У наш час виникають і нові зірки з міжзоряного середовища (на думку академіка В. А. Амбарцумяна, зірки виникають з надщільних тіл). Настане час, коли необхідні запаси ядерної енергії та речовини будуть вичерпані, нові зірки народжуватися не будуть, а старі перетворяться в холодні тіла або чорні діри. Зоряна ера еволюції Всесвіту закінчиться через 10 14 років. Цей термін величезний, він в 10 тисяч разів більше часу, що пройшов від початку розширення Всесвіту до наших днів.

А тепер про долі галактик. Зоряні системи - галактики - складаються з сотень мільярдів зірок. У центрах галактик, ймовірно, знаходяться надмасивні чорні діри, про що свідчать бурхливі процеси навколо них, які спостерігаються астрофізиками. Для майбутнього галактик істотні дуже рідкісні в наш час події, коли будь-яка зірка набуває велику швидкість в результаті гравітаційної взаємодії з іншими зірками і перетворюється в міжгалактичного мандрівника. Зірки поступово залишатимуть галактику, а її центральна частина буде потроху скорочуватися. Кінцевий етап - це надмасивна чорна діра, що поглинула залишки зірок центральної частини галактики, і розсіювання приблизно 90 відсотків усіх зірок в просторі. Процес руйнування галактик закінчиться приблизно через 10 19 років, всі зірки до цього часу давно згаснуть і втратять право називатися зірками.

Для подальших процесів визначальною є передбачали сучасною фізикою нестабільність ядерного речовини. Мається на увазі, що протон хоча і дуже довго живе, але все ж нестабільна частинка. Середній час його життя оцінюється приблизно в 10 32 років. Кінцевий продукт розпаду протона - один позитрон, випромінювання у вигляді фотонів, нейтрино і, можливо, одна або кілька електронно-по-зітронних пар. Хоча розпад протона ще не спостерігалося безпосередньо, мало хто з фізиків сумнівається в неминучості такого процесу. Нейтрони теж нестабільні - в складі ядра вони розпадаються подібно протону, а у вільному стані в середньому за 15 хвилин розпадаються на протон, електрон і антинейтрино.

Отже, приблизно через 10 32 років (позначимо цей час як Tr) ядерна речовина повністю розпадеться. Нораспад ядерного речовини вже задовго до цього терміну почне відігравати важливу роль в еволюції Всесвіту. Позитрони, що виникають при розпаді нуклонів (це загальна назва протонів і нейтронів), анігілюють з електронами, перетворюючись в фотони, які разом з фотонами, прямо що виникають при розпаді нуклона, нагрівають речовину. Тільки нейтрино вільно залишають зірку і забирають близько 30 відсотків всієї енергії розпаду. Процес розпаду буде підтримувати температуру померлих зірок і планет на рівні хоч і низькому, але все ж помітно відмінному від абсолютного нуля. Так, білі карлики, охолонувши за 10 17 років до температури 5 К, будуть потім зберігати цю температуру через виділення енергії при розпаді речовини всередині них. Нейтронні зірки остигають за 10 19 років до температури близько 100 К, після чого розпад речовини в них буде підтримувати цю температуру (див. Нижній графік на кольоровій вкладці; зміна маси М, радіуса R і температури Т померлих зірок в ході розпаду ядерного речовини показано в порівняно з їх початковими параметрами М0. R0 і Т0. нейтронні зірки після зменшення маси М приблизно в 10 разів, тобто при М / М0

Через 10 32 років (Tr) все ядерне речовина повністю розпадеться, зірки і планети перетворяться на фотони і нейтрино.

Дещо інша доля у розсіяного в просторі газу, який залишиться після руйнування галактик (по масі він може скласти близько відсотка всього речовини Всесвіту). Ядерне речовина цього газу теж, зрозуміло, розпадеться через тр років. Однак в цьому випадку позитрони, що виникають при розпаді, вже не будуть аннигилировать з електронами - через крайню розрідженості газу ймовірність зустрічі частинок надзвичайно мала, і в результаті утворюється розріджена електронно-позитронна плазма.

До цього часу (Tr) залишаться ще чорні діри, що виникли з масивних зірок після їх згасання, і надмасивні чорні діри, що утворилися в центрах галактик, про їхню долю ми скажемо трохи пізніше.

Що ж буде відбуватися із Всесвітом після розпаду ядерного речовини? В ту далеку епоху у Всесвіті будуть присутні фотони, нейтрино, електронно-пози-Тронна плазма і чорні діри. Основна частина маси виявиться зосередженої в фотонах і нейтрино - почнеться ера випромінювання.

З розширенням Всесвіту щільність маси випромінювання (фотонів і нейтрино) падає пропорційно четвертого ступеня розміру (наприклад, середньої відстані між частинками), так як змінюється і щільність числа частинок обернено пропорційно обсягу (куб розміру) і енергія кожного кванта (а значить, і його маса ) обернено пропорційно до цього розміру. На відміну від випромінювання середня щільність матерії у вигляді електронно-позитронної плазми і чорних дірок зменшується тільки через зменшення їх концентрації, тобто пропорційно кубу розміру. Значить, щільність цих видів матерії убуває повільніше, ніж щільність випромінювання. Тому через час порядку 10 Tr щільність матерії вже буде визначатися головним чином масою, укладеної в чорних дірах (її набагато більше, ніж в електронно-позитронної плазмі). На зміну ері випромінювання прийде ера чорних дір.

Але і чорні діри не вічні. В поле тяжіння поблизу чорної діри відбувається народження частинок, причому у чорних дір з масою порядку зоряної і більше виникають кванти випромінювання. Такий процес веде до зменшення маси чорної діри, вона поступово перетворюється у випромінювання - в фотони, нейтрино), Гравітон. Але процес цей надзвичайно повільний, скажімо, чорна діра з масою в 10 мас Сонця випарується за 10 69 років, а надмасивна чорна діра, маса якої ще в мільярд разів більше, - за 10 69 років. І все ж поступово все чорні діри перетворяться в випромінювання, і воно знову стане домінуючим по масі у Всесвіті - знову настане ера випромінювання. Однак внаслідок розширення Всесвіту щільність випромінювання, як уже говорилося, падає швидше щільності електронно-позитронної плазми, і через 10100 років стане домінуючою саме ця плазма - крім неї, у Всесвіті не залишиться практично нічого.

На перший погляд картина еволюції Всесвіту в віддаленому майбутньому виглядає досить песимістично. Це картина поступового розпаду, деградації, розсіювання.

До віку Всесвіту 10 100 років в світі залишаться практично тільки електрони і позитрони, розсіяні в просторі з жахливо незначною щільністю: одна частка припадає на обсяг, рівний 10 185 обсягами всій видимій сьогодні Всесвіту. Чи означає це, що в майбутньому замруть всі процеси, не відбуватиметься активних рухів фізичних форм матерії, неможливо буде існування будь-яких складних систем, а тим більше розуму в якій би то не було формі? Ні, такий висновок був би хибний. Звичайно, з нашої сьогоднішньої точки зору всі процеси в майбутньому будуть надзвичайно уповільнені, але ж і просторові масштаби тоді будуть іншими. Нагадаємо, що на самому початку розширення Всесвіту, коли температура була, наприклад, 10 28 К і відбувалися процеси народження речовини, текли бурхливі реакції, тривалість яких обчислювалася 10 -35 с, а просторові масштаби були близько 10 25 см. У подібних масштабах сьогоднішні події у Всесвіті, в тому числі і наше життя, це щось неймовірно повільне, і надзвичайно розтягнуте в просторі на думку відомого американського фізика Дайсона, в будь-якому віддаленому майбутньому можливі будуть складні форми руху матерії і навіть розумна пані знь правда, в незвичних для нас формах і "пульс життя буде битися все повільніше, але ніколи не зупиниться".

Додамо до цього таке: поки у нас йшлося про процеси, які випливають з надійно встановлених фізичних законів, проте в майбутньому виникнуть фізичні умови, недоступні нам в експерименті (наднизькі температури, малі щільності і т. Д.), І цілком можливо прояв сил , виникнення процесів, абсолютно нам поки невідомих. А ці сили і процеси можуть докорінно змінити ситуацію.

Ось один з таких можливих процесів - розпад вакууму, його перетворення в розширення Всесвіту в реальне речовина. У минулому, в згадувану вже епоху 10 -35 секунди після початку розширення, - вакуум, ймовірно, вже розпадався, породжуючи частки і античастинки високих енергій. Ця енергія відповідала температурі 10 28 К, а щільність речовини становила 10 75 г / см3. У сучасному вакуумі (в тому, що в просторіччі називається порожнечею) теж, можливо, укладена деяка щільність енергії. Але вона якщо і є, то дуже мала і відповідає щільності маси не більше ніж 10 -28 г / см3, а може бути навіть істотно менше. Виявити таку щільність навіть в астрономічних спостереженнях вкрай важко. Теорія вважає ймовірним, що щільність маси вакууму в далекому майбутньому стрибком перейде в реальні частки і античастинки, даючи початок новим фізичним процесам. Народжене при цьому речовина буде, звичайно, розрідженим, але все ж таки незрівнянно більш щільним, ніж час, що залишився до того часу розсіяне внаслідок розширення Всесвіту "наше" речовина. Подібний "фазовий перехід" вакууму може бути надзвичайно суттєвим для доль Всесвіту. Так, в принципі цей перехід може зупинити розширення Всесвіту і змінити його стисненням. Ясно, що при цьому вся намальована нами картина майбутнього Всесвіту зміниться докорінно.

І ще одне зауваження. Йшлося про майбутнє Всесвіту з урахуванням того, що нейтрино всіх сортів є випромінювання, - передбачалося, що ці частинки подібно фотонам мають масу тільки тому, що завжди рухаються зі світловою швидкістю, а їх маса спокою дорівнює нулю. У сучасній фізиці вважається досить імовірним, що маса спокою нейтрино хоч і дуже мала, але не нульова.

Впливу цього факту на долі Всесвіту можуть бути двоякого роду. Якщо маса спокою нейтрино дуже мала, скажімо, в сотні тисяч разів менше маси електрона, то тяжіння, створюване цієї часткою в масштабах Всесвіту, теж дуже мало і не надає ніякої дії на темпи розширення. Однак у віддаленому майбутньому щільність маси нейтрино буде падати не як щільність маси фотонів (яка, як ми пам'ятаємо, обернено пропорційна четвертого ступеня розміру), а як щільність маси звичайних частинок (обернено пропорційно кубу розміру) і в електронно-позитронної плазмі буде постійна мала домішка нейтрино (і антинейтрино), що мають масу спокою. Якщо ж виявиться, що маса спокою нейтрино близька до передбачали верхньому можливої ​​межі (приблизно 0,00005 маси електрона), то сумарна маса всіх цих частинок у Всесвіті вийде надзвичайно великий, а середня щільність речовини перевищить критичну (10 -29 г / см3), і в майбутньому тяжіння нейтрино зупинить розширення Всесвіту. Це може статися набагато раніше, ніж розпадеться все ядерне речовина, і навіть раніше, ніж згаснуть. всі зірки. Тоді в майбутньому Всесвіт знову очікує надгаряча фаза зі сверхбурнимі фізичними процесами.

Як бачите, в будь-якому можливий сценарій еволюції Всесвіту її майбутнє представляється захоплююче цікавим і різноманітним. Але, звичайно ж, серйозні зміни у Всесвіті (в порівнянні з нинішнім її станом) у всіх випадках можуть початися дуже нескоро, не тільки в життєвих, а й астрономічних масштабах, як мінімум через десятки, а може бути, тисячі мільярдів років. Це у багато разів більше нинішнього віку видимої нами Всесвіту, якій ніяк не більше 10 - 15 мільярдів років від початку розширення.