Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

С Темными веками связан ряд важнейших вопросов космологии. Когда они завершились? Что сформировалось раньше – звезды или галактики? Как на процессы формирования влияло отсутствие тяжелых элементов? Какими методами лучше всего регистрировать первый свет во Вселенной? И главный вопрос для нашего повествования: какие черные дыры образовались раньше всего?

Предположим, что темная материя – это предсказанная теоретиками элементарная частица нового типа, объединяющая три силы природы. В качестве элемента космологии темная материя довольно проста: она оказывает гравитационное воздействие, но не взаимодействует со светом или любым другим излучением [207]. Темной материи в шесть раз больше, чем нормальной, следовательно, она управляет формированием структуры Вселенной. По мере того как гравитация концентрирует темную материю, начинают возникать сгустки малого размера или массы. Первые структуры, образовавшиеся через 100 млн лет после Большого взрыва и по окончании Темных веков, состояли из 10 6солнечных масс темной материи. Это масса крохотной карликовой галактики в современной Вселенной. Время шло, сгустки сливались во все более крупные. В каждом сгустке темной материи содержался «комок» нормального вещества (газа) в одну шестую массы темной материи, и этот газ коллапсировал в центр гравитационного «колодца» темной материи. При коллапсе газа сформировались звезды, был излучен первый свет. Согласно сценарию «снизу вверх», маленькие объекты образуются раньше больших, звезды – раньше галактик (илл. 37) [208].

Вселенная была совсем другой, когда кончились Темные века и вспыхнули первые светила. Она была в 30 раз меньше, в 30 раз горячее и в 30 000 раз плотнее, чем сейчас. Другим принципиальным отличием было отсутствие элементов тяжелее водорода или гелия. Процесс формирования звезд требует сброса тепла в окружающее пространство, чтобы гравитация могла вызвать коллапс газового облака. Углерод и кислород имеют спектральные переходы, которые очень эффективно уносят энергию. Отсутствие этих элементов в ранней Вселенной означает, что облака, из которых формируются звезды, были более горячими и массивными. В локальной и современной Вселенной верхний предел массы звезды составляет примерно 100 масс Солнца. В ранней Вселенной первые звезды, вероятно, достигали 200–300 солнечных масс. Очень давно в сгустках темной материи массой в миллион солнечных масс возникали звезды, которые были в среднем в десятки раз массивнее тех, что формируются сейчас в окрестностях Солнца.

Жизнь первых звезд была короткой. Они исчерпывали ядерное топливо за несколько миллионов лет. При компьютерном моделировании самые массивные звезды взрываются, становясь сверхновыми, не оставляя ничего после себя, или сразу коллапсируют в черную дыру от 20 до 100 солнечных масс. Как и первые звезды, оставшиеся после них черные дыры массивнее черных дыр, обнаруживаемых нами поблизости, в Млечном Пути.

Все, что вы сейчас читаете, основывается на теории и компьютерном моделировании. Что можно сказать об экспериментальном поиске первого света? Есть два подхода, и оба подобны поиску иголки в стоге сена, поскольку первые звезды – немногочисленны, а Вселенная неустанно создавала звезды в течение 14 млрд лет. Первый подход заключается в поиске в Млечном Пути звезд, состоящих только из водорода и гелия, что означало бы, что они образовались из газа, не «загрязненного» никакими предшествующими поколениями звезд. В 2012 г. группа ученых Европейской южной обсерватории обследовала тусклую звезду в рамках Слоуновского цифрового небесного обзора и обнаружила, что содержание в ней тяжелых элементов в 200 000 раз меньше, чем в Солнце [209]. При возрасте 13 млрд лет – это лучший кандидат в первичные звезды [210].

Второй подход заключается в поиске звезд без тяжелых элементов в далеких галактиках. В 2015 г. другая европейская группа увидела древние звезды в галактике с красным смещением z = 6,6, означающим, что свет датируется менее чем миллиардом лет после Большого взрыва. Ее руководитель Давид Собрал из Лиссабонского университета назвал галактику CR7 – в соответствии с сокращением от «космическое красное смещение 7» [211], а также в честь своего любимого футболиста Криштиану Роналду. Собрал сказал: «Ничего более потрясающего нельзя себе представить. Это первое прямое свидетельство о звездах, которые в конечном счете сделали возможным наше существование, синтезировав тяжелые элементы и изменив химический состав Вселенной».