Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Эта идея оказалась на редкость плодотворной. В рамках нового проекта HDF (The Hubble Deep Field) орбитальная обсерватория больше 10 суток наблюдала участок небесной сферы площадью в 5,25 квадратных угловых минут. В результате было обнаружено несколько тысяч сверхдалеких галактик, часть которых (с красным смещением порядка 6) возникла лишь спустя 1 млрд лет после Большого взрыва. Тут уж стало совершенно ясным, что процесс возникновения звезд и звездных скоплений шел полным ходом, когда Вселенная была в 20 раз моложе, чем сейчас. Дальнейшие наблюдения в рамках проектов HDF-South и Great Observatories Origins Deep Survey подтвердили эти выводы. Уже в январе 2011 г. астрономы из Нидерландов, США и Швейцарии сообщили о вероятной идентификации галактики с более чем десятикратным красным смещением, возникшей не позднее 480 млн лет после Большого взрыва. Можно надеяться, что уже в следующем десятилетии космические и наземные телескопы отловят звездный свет с двадцатикратным красным смещением, который ушел в космос, когда Вселенной было не больше 300 млн лет.

Отдельные звезды первого поколения, в отличие от древнейших галактик, пока не обнаружены. Это и понятно — их излучение приходит на Землю в виде чрезвычайно слабых потоков фотонов, отодвинутых красным смещением в дальнюю инфракрасную зону. Однако за несколько сотен миллионов лет от момента появления на свет эти звезды (их называют звездами населения III) настолько повлияли на состав межгалактического вещества, что есть надежда увидеть вызванные ими изменения в современные телескопы. С другой стороны, теоретики пока не очень хорошо разбираются в процессах, которые больше 13 млрд лет назад первыми запустили рождение звезд и звездных скоплений.

Звезды образуются из диффузной космической материи, сгустившейся под действием сил гравитации. В общих чертах этот механизм был понятен еще Ньютону, что следует из датированного 1692 г. письма, адресованного Ричарду Бентли. Поэтому Валентин Пильман — нобелевский лауреат из «Пикника на обочине» Стругацких — с полным основанием утверждал, что Ньютон был весьма проницательным человеком.

Естественно, современная наука сильно обогатила ньютоновское объяснение. В начале прошлого века британский астрофизик Джеймс Джинс доказал, что газовое облако коллапсирует лишь в том случае, если его масса превышает определенный предел, называемый массой Джинса. Когда газ стягивается к центру облака, его давление возрастает и начинает препятствовать сжатию. Если давление растет недостаточно быстро, облако продолжает коллапсировать и увеличивает плотность вещества в центральной зоне. Поскольку давление пропорционально температуре, а темп гравитационного сжатия растет вместе с массой, газовое облако коллапсирует тем легче, чем оно тяжелее и холоднее.

Эту общую схему стоит сопоставить с конкретными условиями, существовавшими во Вселенной, которой было несколько десятков миллионов лет. Космический газ в те времена состоял из водорода (76 %) и гелия (остальные 24 %) плюс совсем немного лития, образовавшихся через несколько минут после Большого взрыва. Температура этого газа не особенно отличалась от температуры реликтового микроволнового излучения, которая в те времена составляла около 100 K. Пространство было также заполнено темной материей, плотность которой была довольно высока (сейчас из-за расширения Вселенной она в десятки раз меньше). Темная материя, как и материя обычная, является источником тяготения и потому привносит свой вклад в полную гравитационную массу газовых облаков. В этих условиях масса Джинса составляет примерно 10 5солнечных масс. Это и есть нижний предел полной массы скоплений обычной (барионной) и темной материи, из которых могли возникнуть первые звезды. Для контраста следует отметить, что звезды нашей Галактики, в том числе и Солнце, появились на свет без всякой помощи темной материи.

Роль темной материи в запуске первоначального звездообразования исключительно важна. Ионизированный водородно-гелиевый газ, заполнявший пространство вплоть до эпохи возникновения нейтральных атомов (около 380 000 лет после Большого взрыва), был настолько «сглажен» взаимодействием с реликтовым электромагнитным излучением, что его плотность везде была практически одинаковой. Если бы темная материя оказалась равномерно распределена по космическому пространству, то локальным газовым сгусткам просто неоткуда было бы взяться, и звездообразование никогда бы не началось. Неоднородности в распределении темной материи возникли из-за флуктуаций квантовых полей, породивших ее частицы в первые мгновения после Большого взрыва. Поскольку темная материя не была подвержена нивелирующему действию реликтовой радиации, ее плотность кое-где несколько превышала средние значения. Эти максимумы плотности создавали гравитационные «колодцы», в которых собирались частицы газа.