Звёздный дом престарелых
А начнем мы его с рассказа о преждевременно состарившихся галактиках, исследованием которых занимается сотрудница голландской обсерватории в Ляйдене Mariska Kriek.
Наблюдая за далекими звездами, свет которых идет к Земле в течение многих миллионов лет, Мариска Крик реконструирует дела давно минувших дней. В ходе работы над своей докторской диссертацией Мариска Крик пришла к неожиданному выводу: согласно полученным ею данным, около 50 процентов галактик, существовавших девять миллиардов лет назад в тогда еще совсем юной вселенной, уже тогда обладали преждевременно состарившимися звездами. Этот звездный парадокс напоминает нынешнюю демографическую ситуацию в Германии, где пожилых людей с каждым днем становится все больше, а молодежи все меньше. Тем не менее, если старение населения ФРГ загадкой не является, причина преждевременной дряхлости космических галактик в относительно юной вселенной пока еще не найдена. Согласно широко распространенной в научных кругах теории, после большого взрыва вселенная представляла собой однородную кашу так называемый «кварковый газовый суп». Постепенно газ сгустился в большие облака – зажглись первые звезды, и началось образование галактик. Единственная проблема заключается в том, что галактики, открытые Мариской Крик, уже тогда, в начальный период формирования вселенной, обладали весьма почтенным возрастом:
Расположенные на задворках вселенной большие красные галактики практически ничем не отличаются от наших ближайших космических соседей. Очевидно, что за время формирования космоса они существенных изменений не претерпели. И, тем не менее, с абсолютной уверенностью мы это утверждать не можем. Не исключено, что процесс образования звезд в этих галактиках начался заново. Но при всем желании мы не можем объяснить феномен существования красных галактик в тогда еще совсем юной вселенной.
Исследователям известны галактики и из более раннего периода. Однако по большей части в них есть активные молодые звезды, светящие ярким голубым светом. Галактики же, которые исследует Мариска Крик, имеют красный оттенок.
Мы наблюдаем за 26-тью галактиками из того периода времени, когда возраст вселенной составлял три с половиной – четыре с половиной миллиарда лет. Эта область вселенной с трудом поддается изучению. Дело в том, что проводить наблюдения при помощи обычных телескопов за далекими галактиками практически невозможно, свет звезд в видимой части спектра искажен из-за феномена расширения космоса. Для проведения наблюдений нужны инфракрасные телескопы – наподобие нового телескопа Джемини-Зюд в Чили, благодаря которому у нас появилась детальная информация об отдаленных уголках вселенной.
Как это частот бывает в астрономии – новые, более мощные приборы помогают ученым сделать новые открытия, которые ставят перед исследователями новые задачи. Теоретики лишь с большой натяжкой могут объяснить, почему за столь короткий, по астрономическим масштабам, срок в четыре миллиарда лет во вселенной смогли так быстро образоваться большие галактики, и почему в них вскоре в массовом порядке остановился процесс формирования новых звезд. Астрономы, так же как и криминалисты, в случае отсутствия прямых улик склонны во всем обвинять тех, на кого в таких случаях обычно падает подозрение:
Может быть, во всем виноваты черные дыры, находящиеся в центре этих галактик. Они могли в какой-то момент остановить процесс формирование звезд. Однако пока непонятно, каким образом формирование галактики связано с наличием черных дыр. Мы продолжаем наши исследования в этой области.
Ну а пока астрономам остается только пожимать плечами и удивляться тому факту, что в юной вселенной существовали преждевременно состарившиеся галактики. И одними красивыми теориями этот парадокс не объяснить. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы воссоздать ход формирования таких галактик, а также проследить за тем, что с ними в последствии стало.
Более узким полем деятельности астрофизиков является изучение формирования звезд из газопылевого облака. В этом процессе есть магическая граница. Если масса звезды достаточно велика, то в ее ядре зажигается ядерный огонь. Если масса слишком мала, возгорания не происходит и недоделанная звезда заканчивает свою блистательную, но короткую карьеру как бурый карлик. До последнего времени астрономы могли лишь теоретически рассчитать минимальную массу, необходимую и достаточную для начала ядерной реакции в звезде. Сегодня эти теоретические расчеты подтверждены данными наблюдений, результаты которых были представлены на мировом конгрессе астрономов в Праге осенью этого года.
Время космического телескопа Хаббл стоит больших денег и большинство астрономов безумно рады, если им удастся хотя бы на пару часов заполучить дорогостоящую аппаратуру для наблюдения за вселенной. При этом обычно исследователей в наибольшей степени интригует мало исследованные области космоса. Однако Харви Рихтеру и Грегори Фальману удалось убедить руководство НАСА в необходимости более подробного исследования уже достаточно хорошо изученных объектов – старых звезд нашего Млечного пути.
Человечество всегда интересовало то, что находится во вселенной и единственный способ узнать о ее строении – наблюдать за звездами в течение достаточно долгого периода времени.
Говорит Грегори Фальман из Института астрофизики имени Херцберга, расположенного в Британской Колумбии.
Пять суток кряду американские астрономы наблюдали за двумя шаровыми скоплениями звезд, в свое время образовавшихся из одного и того же газопылевого облака, объясняет Харвей Рихтер из университета канадского города Ванкувер.
Это скопление находится на расстоянии восьми тысяч пятисот световых лет от Земли и является вторым по близости к нашей планете. В нем мы смогли различить свет самых тусклых звезд, проанализировав который мы нашли ответ на вопрос о том, как образуются и развиваются звезды и какой минимальной массой должно обладать газопылевое облако для формирования звезды. Теперь мы точно знаем, что минимально необходимая для формирования звезды масса составляет 8 процентов от массы Солнца.
В течение длительного периода звезды переплавляют водород в гелий. Этот процесс проходит под большим давлением в ядре светила. На первой фазе развития звезды прямой зависимости между температурой поверхности, яркостью звезды и ее массой не существует. Однако в принципе, можно сказать, что чем тяжелее звезда, тем ярче она горит, и тем быстрее сгорает. Исследователи обнаружили нижнюю границу яркости – а, следовательно, и массы звезд. Более слабых, легких звезд просто не существует. Слишком легкие объекты превращаются в бурых карликов – неудавшихся звезд, которых астрофизики считают своего рода промежуточным звеном между крупными газовыми планетами и "нормальными" звездами. Напомню, что принципиальное отличие коричневых карликов, открытых лишь в середине 90-х годов прошлого столетия, от так сказать, нормальных звезд, заключается в их малой массе, которой недостаточно для того, чтобы светить за счет энергии, выделяемой при термоядерных реакциях. Бурые карлики быстро "выдыхаются" и теряют изначальный запас тепла. Однако надо отметить, что по своей массе и способу образования коричневые карлики все же принципиально отличаются и от планет-гигантов.
Инфракрасный спектрограф космического телескопа, сконструированный специалистами Корнельского университета (Cornell University), впервые зарегистрировал следы скоплений пыли и кристаллов на орбите пяти молодых коричневых карликов. Из этой пыли, по мнению ученых, в конечном счете, и образуются планеты. Надо сказать, что подобный строительный материал находят также и в местах формирования протопланет у других звезд, а также в кометах, сохранивших остатки материи, использовавшейся при формировании нашей Солнечной системы. Таким образом, коричневые карлики, несмотря на их относительно невысокую температуру и яркость, не позволяющую им влиться в дружную семью "нормальных" небесных светил, тем не менее, имеют во многом схожий генезис и проходят те же самые стадии создания собственных планетарных систем. Да и само формирование коричневых карликов проходит по "стандартной" звездной схеме - путем коллапса из газопылевых облаков.
Помимо бурых карликов в шаровом скоплении, за которым наблюдали канадские астрономы, имеются также и белые карлики – дотла выгоревшие чрезвычайно плотные тела звезд, масса которых приблизительно равна массе Солнца, а размеры не превышает размеров Земли. Белые карлики вместе с нейтронными звездами и черными дырами относятся к так называемым компактным объектам. Все они образуются в ходе эволюции звезд различных масс, но сами не являются звездами в строгом смысле этого слова, т.к. в их недрах не идут термоядерные реакции. Однако, белые карлики продолжают излучать тепло.
Белые карлики служат индикаторами возраста звездного скопления. Чем старше белый карлик, тем более холодная у него поверхность. Наша задача заключалась в том, чтобы найти самый холодный белый карлик. Обнаружив его, мы определили, что возраст звездного скопления составляет 12 миллиардов лет.
Точно так же, как судебные медики определяют время смерти по температуре трупа, астрономы определяют по температуре белого карлика точный момент, когда он перестал быть звездой. И если принять за отправную точку тот факт, что вселенная существует 14 миллиардов лет, становится ясно, что мы имеем дело с одним из древнейших звездных скоплений космоса, говорит Грегори Фальман.
Постепенно мы начинаем понимать то, что поведали нам шаровые скопления звезд о начальных условиях формирования нашего Млечного пути. Изучение состава наиболее древних объектов звездного скопления и его передвижения по Млечному пути позволяет нам понять, как конкретно протекал процесс звездообразования во вселенной.
Рихтер и Фальман уже три десятилетия занимаются звездными исследованиями. Астрофизики понимают далеко не все, что они видят, однако при помощи мощных линз телескопа Хаббл ученые смогли расшифровать несколько новых страниц «небесных хроник».
Ну а теперь давайте поговорит о темной материи и темной энергии. В исследовательском институте Desy в Гамбурге встретились астрофизики, для того чтобы обсудить темные вопросы вселенной. 120 экспертов со всего мира пытаются понять, как при помощи теории струн объединить в одно стройное целое темную материю, темную энергию и весь остальной светлый барионный мир.
Сегодня ученые полагают, что в самом начале наша вселенная находилась в экстремально плотном и горячем состоянии. Сингулярное состояние Вселенной, разрушение которого и именуется Большим взрывом, пока не может быть описано даже теоретически. Однако то, что произошло сотые доли секунды спустя после Большого взрыва, исследователи понимают достаточно хорошо.
Вселенная очень быстро расширялась. Очень маленькая точка стала относительно большой за чрезвычайно короткий интервал времени.
Объясняет Лев Кофман, космолог из университета Торонто. Исследователи называют этот процесс инфляцией – экспоненциальное расширение вселенной со сверхсветовой скоростью. Материя находилась в состоянии “фальшивого вакуума” с сильнейшим отрицательным давлением. Отрицательное давление, “масса” которого превышала по абсолютной величине обычную массу, вызвало экспоненциальное расширение Вселенной. Квантовые флуктации первичного “вакуума” из-за инфляции растянулись до такой степени, что стали зародышами будущих галактик и их скоплений.
Представьте себе самую маленькую величину, с которой работает классическая физика – то есть точку, площадью в 10 в минус 33 степени квадратных сантиметров, которая за время, не превышающее десяти в минус 37 степени секунд, увеличила свою площадь до размеров монеты.
Стадия инфляции закончилась распадом состояния фальшивого вакуума с преобразованием его потенциальной энергии в массу элементарных частиц – так называемый “кварковый суп” – и их кинетическую энергию. Температура этого “супа” составляла примерно 1028…1029 по Кельвину. Далее расширение Вселенной шло по инерции; в процессе расширения она остывала. Поначалу такой сценарий кажется абсурдным, однако без явления инфляции, астрономы и физики, занимающиеся физикой частиц, не смогли бы понять построения вселенной. Только расширением можно объяснить факт равномерности распределения материи во вселенной. А после того, как несколько лет назад астрономы открыли темную энергию, которая ускоряет процесс расширения вселенной в настоящее время, это пролило свет на феномен чрезвычайно быстрого расширения вселенной после Большого взрыва.
Инфляция является силой, ускорившей расширения материи в раннем периоде существования вселенной. А темная энергия ускоряет процесс расширения вселенной сегодня. Это один и тот же феномен. Сегодня мы наблюдаем за так называемой поздней инфляцией. Математические формулы, описывающие оба явления, весьма схожи. Однако есть и отличия: в случае первоначальной инфляции расширение вселенной сопровождалось огромным выбросом энергии, сегодня же темная энергия очень слаба.
Однако что скрывается за космическими «дрожжами», которые раздувают вселенную? Для того чтобы понять этот феномен исследователям необходимо изучить строение не только больших галактик, но и самых маленьких кирпичиков материи, поскольку во времена первоначальной инфляции весь космос представлял собой единую кварковую кашу. Тогда еще не существовало различий между большим и малым. Эти различия стираются и сегодня, если для описания модели построения мира использовать теорию струн. По мнению многих ученых, сегодня теория струн является наиболее многообещающей теорией, которая в состоянии объяснить как физику крупных тел, так и физику элементарных или даже фундаментальных частиц. Только вот для описания физических процессов при помощи этой теории необходимо ввести дополнительно к уже хорошо нам известным трем пространственным измерениям еще шесть других измерений, которые по завершении стадии инфляции свернулись. Может быть космические «дрожжи» оказались сокрыты в этих самых шести свернутых измерениях?
Инфляция описывает первые моменты существования космоса в рамках теории струн. Теория струн это своего рода формула мира. Мы пытаемся с помощью теории струн и ее девяти измерений объяснить наблюдаемый эффект расширения вселенной. Инфляции, в свою очередь, играет огромную роль в астрономии, с ее помощью можно предсказать многие феномены. Таким образом, инфляция может стать своего рода мостом, связующим основополагающую теорию струн с наблюдаемой вселенной.
Что бы не произошло в первые моменты существования космоса, сегодня мы наблюдаем последствия этих явлений. Лев Кофман совместно со своими коллегами пытается обнаружить следы инфляции, которые подтверждают теорию струн. Очевидно, что мгновенное расширение вселенной в начале и аналогичный по своей природе, однако значительно более слабый феномен расширения космоса, наблюдаемый сегодня, по своей натуре весьма близки. Астрономы и физики-теоретики приступили к решению проблемы с двух концов. Одни анализируют космические «дрожжи» при помощи теории струн, другие на практике, наблюдая за вселенной.