Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты бесплатное чтение

Жак Поль, Жан-Люк Робер-Эсиль
Вселенная с нуля: от Большого взрыва до абсолютной пустоты

Jacques Paul

Jean-Luc Robert-Esil

La fabuleuse histoire

DE L’UNIVERS

DU BIG BANG AU BIG FREEZE

Originally published in France as: La fabuleuse histoire de l’Univers. Du Big Bang au Big Freeze By Jacques PAUL & Jean-Luc ROBERT-ESIL © Dunod, 2019, Malakoff

Во внутреннем оформлении использованы фотографии и иллюстрации:

© Frederic CASTEL/Gamma-Rapho / GettyImages.ru;

© Sebastian Kaulitzki, Science History Images, Universal Images Group North America LLC, American Photo Archive / Alamy / Legion-Media;

© UIG Education / Encyclopaedia Britannica / DIOMEDIA

© Соколова М.С., перевод на русский, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

Предисловие

Мы, человеческие существа, похожи на младенца, потерявшегося в колыбели огромного размера и заснувшего, свернувшись калачиком в уголке кроватки, устав от попыток нащупать границы своего крошечного мира. В точности как этот малыш, мы постоянно пытаемся найти пределы нашей Вселенной! Именно поэтому астрономия не просто одна из наук: она воплощает нашу генетическую связь со Вселенной, с этой сущностью, откуда возникло все, что нас окружает, да и мы сами тоже. И однажды мы должны будем вернуться к собственным истокам, когда жгучее Солнце сделает необитаемой нашу крошечную планету.

С тех самых пор, как мы начали осознавать самих себя и наш мир, наши взгляды обращены в небо. Уже шесть десятков лет прошло с того момента, когда юный советский военный летчик воплотил в жизнь древний миф об Икаре и проник за границы земной атмосферы на допотопном космическом корабле. И все же пока только астрономия позволяет во всех подробностях исследовать небесные тела. Чувствительные электронные глаза астрономических приборов тщательно сканируют небо. Благодаря астрономии Вселенная стала, как выразился французский писатель и ученый Бернар Ле Бовье де Фонтенель, «великим спектаклем, сравнимым только с оперой».

Именно радость от возможности поделиться несравненным научным наследием с читателями побудила нас написать «Волшебную историю Вселенной». Мы также должны воздать должное всем тем женщинам и мужчинам, которые разделяли эту страсть и были так же околдованы небом. Только благодаря всем этим мечтателям мы можем наконец увидеть того «Бога из машины», который управляет главным действием…

Описанные в книге явления были отобраны по признакам их универсального характера, например процессы, которые происходили на заре возникновения Вселенной, или те, что, вероятно, произойдут при ее конце. Другие описанные явления имеют значение для нашего существования в Солнечной системе или сыграли роль в образовании нашей звезды и определяют ее потенциальное будущее. И наконец, целый ряд упомянутых нами событий относится к историческим временам, то есть к периоду продолжительностью около четырех веков, в течение которого развитие науки двигалось все ускоряющимися темпами.

Только в конце XVII века европейское научное сообщество, обретя уверенность в себе и доминирующую роль в мире, смогло сформулировать (правда, с большим трудом) разницу между астрологией и астрономией и наконец осмелилось прийти к выводу, что Вселенная может на самом деле быть бесконечной, и даже населенной бесконечным количеством миров, похожих на наш. Еще труднее поверить сегодня, что в XIX веке большинство ученых считало Вселенную равной нашей галактике, Млечному Пути. Еще в 1990-х годах мы ничего не знали о расширении Вселенной и о темной энергии – предполагаемой причине этого расширения. Но сегодня все специалисты уверены, что эта энергия (ее природа до сих пор не ясна) составляет три четверти всего энергетического запаса Вселенной…

Еще следует пояснить, что легло в основу нашего исторического и научного выбора. В ряде случаев он отражает то, что принято называть «общепринятым консенсусом»; но для целой серии явлений мы были вынуждены приводить разные варианты интерпретаций и гипотез, которые порой весьма удачно дополняют и объясняют друг друга.

Благодарности

Мы хотели бы особо поблагодарить Анн Помпон за ее неутомимую поддержку и всегда ценные примечания. И огромное спасибо Саре Форвей за ее тщательную работу над корректурой рукописи.

Начало истории

Астрофизики изучают все те штуки, что мы видим в небе, как системы, подчиняющиеся законам физики, но, прежде всего, они исследуют саму Вселенную во всей ее огромности. В 20-х годах ХХ века, расставшись с идеей Вечной Вселенной, столь дорогой их предшественникам, философам-материалистам из века XIX, астрофизики отбросили космогонические мифы, созданные самыми разными древними культурами, и заинтересовались идеей образования Вселенной в результате некоего уникального события. Научное сообщество, опираясь на неоспоримые доказательства, согласилось с выводом, что Вселенная возникла в результате процесса, который начался тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, и описывается Стандартной космологической моделью.

На этом этапе нам следует ввести понятие «наблюдаемая Вселенная», которым обозначается ее видимая часть. Это воображаемая сфера, в центре которой находится Земля, и граница которой – космологический горизонт – расположена там, откуда до нас не может дойти ни один сигнал. Стандартная космологическая модель сегодня относит космологический горизонт на расстояние 45 миллиарда световых лет, с учетом процесса расширения Вселенной.

Исследовать ненаблюдаемую часть Вселенной невозможно, но, согласно космологическому принципу, Вселенная, если рассматривать ее в очень большом масштабе, подобна самой себе по всем направлениям, поэтому те области Вселенной, что находятся за космологическим горизонтом, скорее всего, похожи на те, что мы наблюдаем в ее видимой части.

Эта модель соответствует идее образования Вселенной в измеримом прошлом и создает возможность дискуссий, способных смутить самый рациональный ум. Один из самых странных выводов, вытекающих из этой модели, предполагает, что физические константы были будто специально скорректированы так, чтобы возникла разумная жизнь.

События начала истории произошли очень давно и уложились в очень период (триста восемьдесят тысяч лет). Датировать их с помощью обычного календаря невозможно, поскольку при таком подходе они просто сливаются в одно. Поэтому в этой части книги мы использовали датировку с помощью отрезков времени, прошедшего с момента начала расширения Вселенной.

До Большого взрыва
Мультивселенная?

Мультивселенная – это гипотетический ансамбль всех возможных миров, каждый из которых существует по собственным законам. Наш мир развивался на основе фундаментальных физических констант, которые способствовали возникновению жизни.

В 1895 году американский философ Уильям Джеймс придумал термин «мультивселенная», правда, для совершенно другого контекста. Только в 1963 году под пером Майкла Муркока, знаменитого английского фантаста, термин получил свое нынешнее значение. В 2003 году шведско-американский космолог Макс Тегмарк предложил классификацию различных типов мультивселенной. Первый тип, основанный на общей теории относительности, предполагает, что размеры пространства, несомненно, значительно больше, чем размеры наблюдаемой Вселенной, то есть сферы радиусом примерно сорок пять миллиарда световых лет. Остальные многочисленные небесные тела расположены за космологическим горизонтом, и если считать пространство бесконечным, то вполне логично предположить существование бесконечного количества различных миров, которые отличаются от нашего распределением материи, но подчиняются тем же законам физики, на основе тех же фундаментальных констант.

Квантовая механика, другая не менее ортодоксальная физическая теория, тоже совместима с концепцией мультивселенных, по крайней мере в той ее интерпретации, которую разработал американский физик Хью Эверетт: он полагает, что результаты некоторых наблюдений нельзя предвидеть и что любое событие – результат веера возможностей, характеризующихся определенной степенью вероятности. По мнению Эверетта, каждой из этих возможностей соответствует своя вселенная.

Визуальная модель мультивселенной, по мнению некоторых физиков, должна быть похожа на нечто вроде пены, в которой каждый пузырь представляет собой образующуюся вселенную. Под воздействием энергетических флуктуаций пузырь может проходить фазу расширения, превращаясь в пространство, обладающее собственной физикой.

Таким образом, если считать, что бросок кости с шестью гранями соответствует некоему квантовому состоянию, шесть возможных позиций, в которых окажется кость после броска, соответствуют шести разным вселенным.

Теория хаотической инфляции предполагает, что пространство в целом расширяется. Это похоже на пузыри воздуха внутри поднимающегося теста. Пузыри образуются в пространстве и являются зародышами вселенных первого типа в классификации Эверетта. Некоторые из них в результате различных спонтанных нарушений симметрии обретают иные физические константы. Эта воображаемая конструкция не поддается проверке и таким образом оказывается вне области действия научных методов. Но она позволяет ответить на один из самых мучительных вопросов физики – почему фундаментальные константы будто специально скорректированы именно таким образом, чтобы эволюция нашего мира привела к разумной жизни? А в мире множественных вселенных образование обитаемого мира было бы банальным событием, и не было бы ничего удивительного в том, что одна из вселенных, та, в которой мы живем, обладала бы физическими константами, позволяющими зародиться разумной жизни.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Начало расширения
Большой взрыв

Общая теория относительности Эйнштейна позволила построить модель Вселенной, которая в самом начале своего развития была очень горячей и очень плотной. Большой взрыв у истоков Вселенной уже давно не вызывает споров в научном мире.

Для построения физической модели Вселенной астрофизики использовали общую теорию относительности, сформулированную в 1915 году Альбертом Эйнштейном. В 1922-м русский математик Александр Фридман, изучая теорию относительности, увидел вытекающую из нее возможность изучения структуры Вселенной в целом. В том же 1922 году, а потом и в 1924-м, он описал в своих работах такое развитие Вселенной во времени, которое предполагало изначальное состояние сингулярности. К тому же выводу в 1927 году пришел и бельгийский астроном и священник Жорж Леметр – он заявил в 1929-м, что разбегание спиральных туманностей, открытое американским астрономом Эдвином Хабблом, является результатом расширения Вселенной.

Любое расширение предполагает некое начало. Чтобы его описать, в 1930-х годах Леметр предположил, что материя, пространство и время возникли из единственного «первичного атома», и эта модель стала предшественницей теории, известной как «теория Большого взрыва». Авторство термина принадлежит британскому астроному Фреду Хойлу, который впервые произнес это название во время радиопередачи ВВС The Nature of Things (Природа вещей). Будучи сторонником стационарной и вечной Вселенной, он на самом деле попытался пошутить над конкурирующей теорией, но создал «звездное» слово для астрономического словаря. Термин прижился, хотя он и не точен: Большой взрыв, по сути, не был взрывом, разбросавшим материю во всех направлениях и заполнившим ею некую первичную пустоту. Это само пространство начало внезапно расширяться с течением времени, увеличивая расстояния между объектами и увлекая их за собой в процессе расширения.

Тем не менее это выражение теперь обозначает общепринятую теорию, объясняющую три объективно доказанных результата независимых наблюдений:

• чем дальше находятся далекие галактики от наблюдателя, тем быстрее они от него удаляются: в самом начале Вселенная была более плотной и более горячей, подобно газу, нагревшемуся при сжатии;

• пропорциональное содержание гелия (8 %, судя по имеющемуся количеству атомов этого элемента) одинаково во всей Вселенной; отсюда можно сделать вывод, что Вселенная пережила фазу, во время которой плотность и температура были достаточно высокими, чтобы способствовать синтезу этого элемента;

• фоновое излучение, обнаруженное на миллиметровых волнах, свидетельствует об эпохе огромной плотности и высоких температур в самом начале существования Вселенной.

Теория Большого взрыва базируется на этих трех столпах и еще двух важных гипотезах: универсальности физических законов; изотропности (у нее нет центра) и однородности (ее плотность примерно одинакова повсюду) Вселенной в очень больших масштабах.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Начало расширения
Почему наше небо ночью черное?

Парадокс Ольберса: «B бесконечной однородной в пространстве и времени Вселенной всякий луч зрения должен упираться в звезду – так почему же наше небо ночью черное?»

Астрономы Возрождения, опровергнув аристотелеву модель сферы, на которой «неподвижно закреплены» звезды, предположили, что светила находятся в гораздо более внушительном, практически бесконечном пространстве, и немедленно столкнулись с парадоксом, который преследовал их еще несколько веков. И в самом деле, если считать, что количество звезд бесконечно, то взгляд, куда ни посмотри, должен был бы упираться в светящуюся точку. И небесный свод должен был бы излучать ослепительный свет, такой же яркий, как звездная поверхность, как поверхность Солнца! А ночное небо практически черное…

Одним из первых этот парадокс сформулировал знаменитый астроном из Вюртемберга Иоганн Кеплер. И он воспользовался им как аргументом для опровержения идеи бесконечности Вселенной, которую незадолго до этого доказывал итальянский монах-доминиканец Джордано Бруно, утверждавший, что Вселенная не имеет ни центра, ни окружности. В XVIII веке, когда научный мир вовсю рассуждал о бесконечности, швейцарский математик Жан-Филипп Луи де Шезо провел первый серьезный анализ свойств Вселенной, в которой могло бы светиться бесконечное количество звезд. В 1826 году немецкий врач Генрих Ольберс вновь сформулировал эту проблему в более доступной форме, опираясь на понятие «луча зрения». Он пришел к тому же парадоксальному вопросу: почему ночью небо черное?

В бесконечном космосе, где звезды светят вечно, любой взгляд, материализованный на фото в виде лазерного луча, испускаемого из башни телескопа VLT в Чили, должен был бы непременно упереться в звезду

Два десятилетия спустя американский писатель и поэт Эдгар По, крупная фигура американского романтизма, написал «Эврику»^[1], большую поэму в прозе, в которой он изложил основы космологических концепций. Именно в этом произведении, опубликованном в 1848 году, По дал первое правдоподобное решение парадокса Ольберса, предположив, что у Вселенной существует конечный возраст. Ведь свет распространяется с конечной скоростью – это было установлено еще в 1676 году. По также показал, что, если бы даже размеры Вселенной и были бесконечны, с Земли можно было бы наблюдать лишь конечное число звезд. И это количество наблюдаемых звезд столь невелико, что вероятность попадания случайного луча зрения с Земли на звезду довольно мала.

Теория Большого взрыва также предполагает, что Вселенная началась в определенный, конечный момент в прошлом, и таким образом дает аналогичное решение парадокса Ольберса. Более того, из нее можно сделать заключение о существовании когда-то довольно неожиданного феномена: поскольку Вселенная расширялась из очень горячего состояния, то упомянутое выше реликтовое излучение, которое в наше время скромно спряталось в миллиметровый диапазон длин волн, в эпоху рекомбинации, то есть тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, было в тысячу миллиарда раз интенсивнее. Тогда все небо сияло как одно огромное Солнце.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Начало расширения
Квантовая гравитация

Физические параметры первых мгновений существования Вселенной столь экстремальны, что для их описания нужно по идее объединить две доселе остающиеся несовместимыми теории – общую теорию относительности и квантовую механику.

Все события, происходящие во Вселенной, протекают посредством взаимодействий, относящихся к «фундаментальным», то есть таким, которые нельзя разложить на более базовые взаимодействия. И каждое проявляется в виде сил, тоже именуемых «фундаментальными». Перечисляя в алфавитном порядке, можно назвать следующие виды взаимодействий: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Если же попытаться ранжировать их по относительной интенсивности, то можно увидеть среди фундаментальных взаимодействий крайнее разнообразие: на шкале интенсивности, в которой гравитация равна 1, слабое взаимодействие будет иметь масштаб 10²⁵ (число записывается в виде единицы с двадцатью пятью нулями), электромагнетизм – 10³⁶, а сильное взаимодействие – и вовсе 10³⁸!

Физики представляют фундаментальные взаимодействия в виде обмена частицами, играющими роли «посланников»; например, в электромагнитном взаимодействии такими посланниками служат фотоны. Хорошо нам знакомые гравитационное и электромагнитное взаимодействия работают на больших расстояниях. Посланниками для них служат частицы с нулевой массой и нулевым зарядом. Сильное и слабое взаимодействия работают на очень небольших расстояниях, ограниченных размерами атомных ядер. Их посланники обладают массой и даже зарядом. Гравитация – настолько слабое взаимодействие, что оно не действует на уровне частиц; для нее необходимы гораздо более внушительные массы.

Поэтому совершенно не удивительно, что теория гравитации, которой, по сути, является общая теория относительности, одна из самых успешных физических теорий, описывает мир огромных объектов – планет, звезд и галактик. И наоборот, когда речь идет о бесконечно малых масштабах, приходится использовать квантовую механику, которая описывает три фундаментальных взаимодействия атомного и субатомного уровня.

Физики из самых известных лабораторий нашей планеты сегодня чувствуют себя весьма неуютно, когда речь заходит о разработке теории, способной описать первые моменты существования Вселенной, когда объединились две бесконечности и четыре вида взаимодействий. Примирить двух враждующих сестер, общую теорию относительности и квантовую механику, чрезвычайно трудно. Попыток было немало, о чем свидетельствует пышный букет теорий, разработанных исследователями, пытавшимися провести «Великое объединение»: супергравитация, теория суперструн, петлевая квантовая гравитация…

Однако создание теории квантовой гравитации, которая позволила бы прийти к такому консенсус, натыкается на серьезное препятствие: ее масштабы энергий и расстояний все еще слабо доступны для технологических методов, которые есть в распоряжении у экспериментаторов. Подобную теорию пока невозможно проверить!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Планковская эпоха (5 · 10^–44 секунд после начала расширения)

5 · 10^–44 секунд после начала расширения
Планковская эпоха

Плотность и температура в этой фазе существования Вселенной были столь высоки, что теория относительности просто не действовала – ее место занимала теория квантовой гравитации, которая до сих пор окончательно не сформулирована и продолжает изучаться.

В 1899 году немецкий физик-теоретик Макс Планк выступил в Академии наук Пруссии с докладом, в котором предложил собственную систему единиц измерения, созданную на основе одних только фундаментальных физических констант. Для построения этой системы «естественных» единиц Планк использовал гравитационную постоянную, скорость света в вакууме (которая позже сыграет ключевую роль в теории относительности Эйнштейна) и константу, которая впоследствии будет названа в его честь и станет одной из основ теории квантовой гравитации – постоянную Планка. Исходя из этих базовых постоянных, значение каждой из которых было принято равным единице, удалось, к примеру, получить значение единицы времени. Планковское время, обозначаемое tP, оказалось равным примерно 5 · 10^–44 секунд. Это самая маленькая мера времени, обладающая физическим смыслом.

В честь великого немецкого физика космологи назвали сверх период, наступивший сразу после Большого взрыва, планковской эпохой – ее продолжительность имеет тот же порядок, что и планковское время. В отсутствие законченной теории квантовой гравитации описать физические законы, действовавшие в этот период невозможно, так же как и определить его точную продолжительность. Ясно только, что в этот период, который был не длиннее планковского времени, не существовало самих понятий времени и пространства. Пока ученые ограничиваются упоминанием «квантовой пены», первичного тумана, в котором четыре главных природных силы были объединены в некое фундаментальное взаимодействие.

Отсутствие физического языка для описания этого состояния материи создает барьер (планковскую стену), который не позволяет исследовать первые мгновения существования Вселенной. Тем не менее космологи, похоже, вот-вот получат в свое распоряжение вероятное свидетельство, которое сможет помочь им преодолеть эту стену: эхо гравитационных волн. Астрофизики стремятся обнаружить его следы в реликтовом излучении. В 2014 году группа американских исследователей опубликовала в знаменитом журнале Nature результаты наблюдений реликтового излучения по программе BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). В полученных данных, казалось, обнаружились следы, оставленные первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении. Вскоре, однако, измерения, выполненные европейским космическим зондом «Планк», показали, что это были всего лишь следы межзвездной пыли. К концу 2030-х годов планируется запуск специальной космической обсерватории, чтобы обнаружить первичные гравитационные волны, собрать информацию о планковской эпохе и первых мгновениях развития Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Квантовая гравитация (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Регистрация гравитационных волн (2016)

Регистрация гравитационных волн в космосе (2035)

10^–35 секунд после начала расширения
Инфляция

Вероятно, именно благодаря фазе ускоренного расширения Вселенная обрела достаточно внушительные размеры, а наблюдаемая ее часть стала удивительно однородной, изотропной и плоской.

Всматриваясь в небо со всех возможных точек, астрономы убедились, что наблюдаемая ими Вселенная не только однородная и изотропная, но также пространственно-плоская. Однородность Вселенной означает, что на больших масштабах плотность материи в ней всюду примерно одинакова. Изотропность предполагает, что, аналогично, на очень больших масштабах структура наблюдаемой Вселенной повсюду идентична, каким бы ни было направление луча зрения. Другими словами, у Вселенной нет центра. А выражение «плоская Вселенная» значит, что на любых масштабах сумма углов треугольника равна ста восьмидесяти градусам – будь Вселенная, к примеру, сферической, это было бы не так. Наблюдения того же реликтового излучения, называемого еще «космическим микроволновым фоном», которые недавно были выполнены европейским космическим зондом «Планк», подтвердили все три характеристики.

Однако, чтобы эти выводы согласовывались с теорией Большого взрыва, следует допустить, что сразу после планковской эпохи за ничтожно малую долю секунды размер Вселенной с огромной скоростью увеличился в невероятно огромное количество раз: 10⁵⁰ (единица с пятьюдесятью нулями!). В результате этого мощного раздувания – инфляции – микроскопический объем однородной первичной Вселенной увеличился до огромных размеров, гораздо больших, чем те, в которых мы способны наблюдать ее сейчас. И она не стала при этом менее однородной. Космическая инфляция определила и плоский характер Вселенной, напоминающей надуваемый воздушный шар. Вначале такой шар имеет вполне явную кривизну, но чем больше он раздувается, достигая, к примеру, размеров нашей планеты, тем существеннее сглаживается кривизна, почти исчезая под конец. Ведь и Земля нам кажется плоской, когда мы на ней стоим?

Растягивание пространства до гигантских масштабов удаляет из него все следы кривизны; кроме того, это потрясающее раздувание вымывает из него и все признаки анизотропии. Вдобавок во время фазы инфляции крошечные квантовые флуктуации, действовавшие в микроскопических исходных объемах, тоже приобретают космические масштабы. Запечатлевшись навсегда в реликтовом фоновом излучении, эти флуктуации несли в себе зародыши будущих гигантских структур мироздания. Для подобных результатов необходимо, чтобы первичная Вселенная находилась под действием некоего ускоряющего фактора – чего-то вроде «темной энергии», ответственной за обнаруженное космологами в конце ХХ века ускорение расширения Вселенной. Эта ускоряющая сущность, обладающая огромной плотностью энергии, должна была распасться на частицы, ознаменовав таким образом конец стадии инфляции и рождение материи.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Планковская эпоха (5 · 10^–44 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

10^–12 секунд после начала расширения
Возникновение материи

Из квантового вакуума возникла материя, состоящая из частиц, в том числе и из частиц темной материи, – эти процессы могут быть воспроизведены на крупнейших ускорителях нашей планеты.

До окончания инфляции пространство остается пустым, в квантовом смысле этого термина. Тем не менее его постоянно бороздят группы виртуальных частиц, возникающих из небытия, чтобы немедленно туда же и вернуться. Огромное количество энергии, выброшенное в пространство к концу эпохи инфляции, используется виртуальными частицами для выхода в реальный мир – вместе с античастицами. Все эти частицы вовлекаются в безумную пляску, в которой за всяким актом материализации тут же следует обратный процесс аннигиляции.

Среди частиц, возникающих в вакууме, присутствуют и частицы знакомой нам материи, те, из которых созданы звезды и люди и которые прекрасно описываются стандартной моделью физики частиц. Стандартная модель позволила сделать огромный шаг в количественном понимании бесконечно малого, однако для объяснения многих феноменов Вселенной физикам необходима и другая форма материи, которую они назвали темной.

В основном эта темная материя вступает в гравитационные взаимодействия, играя роль дополнительного невидимого, но преобладающего элемента, смешанного с нашим чисто атомным миром, и служащего связующим и стабилизирующим звеном для крупных структур. Несомненно, было бы более уместным назвать эту материю «невидимой» либо «прозрачной»…

Темная материя, чтобы сыграть все назначенные ей физиками роли, должна по идее состоять из массивных частиц, нечувствительных к воздействию электромагнетизма (иначе темная материя не была бы невидимой) и сильного взаимодействия (иначе частицы темной материи перегрузили бы ядра атомов).

Ни одна из частиц стандартной модели не соответствует этим условиям. Таким образом, физикам пришлось обратиться к гипотетическим частицам, которые получили нежное имя WIMP (от англ. Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы). Физики полагают, что наилучшим кандидатом на звание вимпа может стать нейтралино – нейтральная, массивная и стабильная частица, чье существование предсказано теорией суперсимметрии, согласно которой каждой частице стандартной модели соответствует гораздо более массивный аналог. Физики, занимающиеся исследованием микрочастиц на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), где происходят самые мощные столкновения частиц в мире, уже показали верность этого предположения, открыв бозон Хиггса, краеугольный камень стандартной модели. И они по-прежнему надеются исследовать темную материю, создав ее искусственно, но пока это не получается. Природа темной материи – одна из редких загадок физики, которая не поддается решению уже более трех четвертей века…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)

10^–9 секунд после начала расширения
Первичный хаос

Барионная составляющая материи находится в состоянии чего-то типа супа, в котором кварки, антикварки и глюоны бешено мечутся в беспрерывном клокотании аннигиляций и материализаций.

После невероятной фазы инфляции Вселенная замедляет скорость расширения до гораздо более скромных значений, уже вполне сравнимых с теми, которые будут действовать в последующие миллиарды лет. Вселенная одновременно продолжает остывать, но ее температура все еще выше тысяч миллиарда градусов. Барионная составляющая материи находится в состоянии, называемом «кварк-глюонной плазмой». Термин «плазма» применяется здесь по аналогии с облаками электронов, в которых плавают ионы и атомные ядра, образующиеся, к примеру, в пламени или во время удара молнии.

Эта плазма, получается, состояла только из элементарных частиц стандартной модели (кварки и антикварки), подвергавшихся сильному ядерному взаимодействию, носителями которого служат глюоны. В менее экстремальных физических условиях кварки навсегда «засунуты» внутрь либо стабильных (таких, как протоны или нейтроны), либо нестабильных (таких, как пионы) частиц. Однако этот первичный суп был настолько горяч, что термическое возбуждение оказалось мощнее пут сильного взаимодействия: кварки, антикварки и глюоны не были ничем ограничены и действовали практически свободно. Кварк-глюонная плазма – это Грааль физиков, изучающих микрочастицы; она царила во Вселенной сразу после Большого взрыва, сейчас же ее можно обнаружить только в недрах сверхплотных звезд.

Лучшим способом исследовать ее свойства было бы создать ее искусственно. Чтобы получить такую плазму, надо сверхплотную материю подвергнуть сверхвысоким температурам (более тысячи миллиарда градусов). Физики считают, что подобные экстремальные физические условия возникают при столкновении массивных атомных ядер (например, ионов свинца), несущихся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Подобные условия создаются как раз в ходе экспериментов на детекторе ALICE (A Large Ion Collider Experiment), установленном на одной из четырех точек столкновений пучков Большого адронного коллайдера. В экспериментальной установке ALICE задействовано сложное устройство, способное собирать и фиксировать данные об изменении физических параметров сталкивающихся массивных ионов. Изучая многочисленные частицы (почти двадцать тысяч), образующиеся при столкновении ионов свинца, физики исследуют эфемерную кварк-глюонную плазму, которая возникает во время столкновения, и таким образом пытаются понять процесс образования барионной материи на заре существования Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Возникновение материи (10^–12 секунд после начала расширения)

10^–6 секунд после начала расширения
Материя побеждает антиматерию

Вселенная уже достаточно охладилась, чтобы кварки, антикварки и глюоны начали связываться друг с другом, образуя протоны и их античастицы – основные кирпичики материи.

За одну миллионную секунды после Большого взрыва температура Вселенной снизилась настолько, что стала недостаточной для сохранения барионной составляющей материи в виде кварк-глюонной плазмы. И победило сильное взаимодействие, связав кварки между собой и образовав композитные частицы, мезоны и барионы – последние состоят из трех кварков. Самые известные из этих элементарных частиц – протоны и нейтроны, из них состоит вся видимая часть Вселенной (в отличие от темной материи). Но поскольку каждой электрически заряженной частице соответствует противоположно заряженная античастица такой же массы, сформировалось и огромное количество антибарионов, которые только и ждали, как бы встретиться со своими двойниками. Встреча бариона с антибарионом вызывает их немедленную взаимную аннигиляцию, процесс, высвобождающий энергию массы двух барионов в виде фотонов или иных частиц.

Период образования барионов – бариогенез – ознаменовал период мощной аннигиляции. Обратная реакция, во время которой фотон материализовал пару протон – антипротон, создавала равновесие потерь до тех пор, пока фотоны обладали достаточной для этого энергией. Однако, поскольку расширение понижало среднюю энергию фотонов, в процессе материализации их образовывалось все меньше и меньше, в то время как аннигиляция продолжалась в том же неутомимом ритме. Барионы могли бы исчезнуть полностью, если бы асимметрия законов физики не нарушила равенство первичного хаоса. Оказалось, что в нем насчитывался миллиард и один кварк с одной стороны и миллиард антикварков с другой.

Условия, обеспечивающие подобное состояние небольшого преобладания материи над антиматерией, были окончательно сформулированы в 1967 году русским физиком Андреем Сахаровым. В начале 1960-х годов он создал концепцию водородной Царь-бомбы, самого мощного оружия массового поражения из когда-либо существовавших, но потом резко изменил направление своих исследований в области теоретической физики и стал заниматься космологией – задолго до того, как начал бороться за права человека, гражданские свободы и реформы в СССР…

Незначительный дисбаланс между барионами и антибарионами привел к тому, что последние практически исчезли в ходе аннигиляции – их осталось не более одной миллиардной от первичного количества. Через секунду после Большого взрыва аналогичный процесс привел практически к полному исчезновению антиматерии: расширение способствовало тому, что энергия фотонов опустилась ниже порога, необходимого для производства пар электрон – позитрон, вызвав полное исчезновение позитронов и оставив лишь небольшую кучку электронов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Первичный хаос (10^–9 секунд после начала расширения)

Антиматерия в центре Галактики (–24 650)

3 минуты после начала расширения
Образование гелия

Вселенная достаточно плотна и горяча для начала процесса первичного нуклеосинтеза – протоны и нейтроны начинают слипаться, образуя ядра атомов гелия.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная была очень плотной и очень горячей средой, в которой могли выжить только такие элементарные частицы, как нуклоны – протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие, которому они подчиняются, притянуло их друг к другу, образовав скрепленные ядерными силами первые атомные ядра. При этом все частицы эволюционировали в среде, где в изобилии носились фотоны, образовавшиеся в результате только что закончившейся фазы массовых аннигиляций и обладавшие очень большим запасом энергии. Этой энергии было еще вполне достаточно для разрушения самых первых ядер. Однако расширение Вселенной продолжалось, и энергия фотонов постепенно понизилась до значений меньших, чем внутренняя энергия ядер, даже самых неустойчивых – таких, к примеру, как ядро дейтерия, изотопа водорода, в котором соединены протон и нейтрон. Поэтому, когда вновь образующиеся ядра стали устойчивыми, Вселенная превратилась в гигантский реактор ядерного синтеза, и большинство свободных нейтронов постепенно стали частью ядер гелия.

Ядро гелия, как правило, состоит из двух протонов и двух нейтронов – эта структура характерна для гелия-4, одного из самых стабильных изотопов гелия. К началу синтеза во Вселенной на один нейтрон приходилось семь протонов, так как они менее массивны и для их образования нужно меньше энергии. В ходе фазы первичного нуклеосинтеза все свободные протоны оказались связанными, и доля гелия-4 составила примерно 4 % от количества всех ядер. Когда же образование гелия постепенно закончилось, сильное взаимодействие продолжило нуклеосинтез, пытаясь прилепить еще по одному нейтрону к каждому ядру гелия-4, связывая два ядра гелия-4 в один. Однако все ядра, слепленные подобным образом, оказались нестабильны и быстро развалились. Первичный нуклеосинтез на этом вынужденно приостановился, и создание более тяжелых элементов, таких как углерод или кислород, было отложено на более позднее время.

В конце 1940-х годов русский физик Георгий Гамов, эмигрировавший в США, первым предположил, взяв за основу концепцию первоначального атома Леметра, что ядерные реакции могли идти в первичной Вселенной даже на очень ранних этапах. В 1948 году в соавторстве со своим учеником Ральфом Альфером Гамов опубликовал фундаментальную статью о первичном нуклеосинтезе – «Происхождение химических элементов». Гамов внес в список авторов и Ханса Бете. Несмотря на то что этот американский физик немецкого происхождения над статьей почти не работал, Гамов сделал это исключительно ради шуточной игры слов, поскольку три имени физиков (Альфер, Бете, Гамов) напоминали о начальных буквах алфавита: альфа, бета и гамма…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)

Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)

20 минут после начала расширения
Окончание первичного ядерного синтеза

Распространение атомных ядер по Вселенной замерло до начала образования первых звезд. Вселенная была на 92 % заполнена водородом, на – 8 % гелием; к ним добавилась и щепотка других легких ядер.

В течение каких-то двадцати минут первичный нуклеосинтез заметным образом изменил состав Вселенной. В самом начале этой фазы во Вселенной носились только барионы – композитные частицы из трех кварков, свободные нейтроны и протоны. Эти последние одновременно представляли собой ядра атомов водорода; их можно было бы назвать «водород-1», по имени самого известного изотопа водорода. В самом начале водород-1 преобладал во Вселенной (92 % всех ядер), а затем немного уступил гелию (8 % всех ядер), в основном – разновидности гелий-4.

Пропорциональное содержание гелия, повсюду наблюдаемое во Вселенной и сегодня, представляет собой одно из самых надежных доказательств в пользу теории Большого взрыва. Те процессы ядерного синтеза, которые продолжаются внутри звезд, не могут произвести количества гелия, необходимого для объяснения подобного изобилия.

Помимо гелия-4, первичный ядерный синтез оставил по себе и другие изотопы легких элементов, но в совсем незначительных количествах – например, гелий-3 или литий-7. Больше всего осталось водорода-2 (одна стотысячная). Следует отметить, что водород – единственный элемент, чьи изотопы обладают привилегией иметь собственное название, отличающее их от других элементов: водород-2 именуется дейтерием. Его обилие к концу фазы первичного ядерного синтеза определялось прежде всего плотностью барионов. Измеряя количество дейтерия сегодня, космологи пытаются оценить пропорциональное количество барионов во Вселенной. Однако дейтерий – элемент весьма деликатный: его нестабильность сама по себе повлияла на скорость первичного синтеза гелия, а его быстрый распад в недрах звезд затрудняет измерение его количества.

Ядро дейтерия, состоящее из протона и нейтрона, обладает, по сравнению с водородом-1, двойной массой. Дейтерий, у которого в ядре тоже всего один протон, имеет те же химические свойства, что и водород. Два атома дейтерия без всяких проблем соединяются с атомом кислорода и образуют молекулу воды. Из-за двойной массы ядра дейтерия такая вода называется «тяжелой». Она используется в некоторых ядерных реакторах для торможения нейтронов, которые образуются в результате процессов деления. У замедленных нейтронов больше шансов вызвать реакцию распада и таким образом запустить цепную реакцию. Именно поэтому тяжелая вода казалась такой ценностью в 1940-х годах в нацистской Германии, где ученые проводили ядерные испытания, по счастью тщетные.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

380 тысяч лет после начала расширения
Вселенная становится прозрачной

Первичная среда, лишенная свободных электронов, пропускает излучение, которое наполняет всю Вселенную. Это реликтовое космическое излучение было обнаружено космическим зондом «Планк».

Итак, Вселенная остыла, но ее температура держалась на уровне выше трех тысяч кельвинов еще в течение сотен тысяч лет. Эта первичная среда представляла собой плазму, в которой были смешаны массивные частицы темной материи, атомные ядра и свободные электроны, погруженные в море фотонов. Последние служили носителями электромагнитного поля и вступали в реакции со свободными электронами, которые рассеивали их во все стороны. Средний путь фотона от рассеяния к рассеянию был совсем невелик. Поэтому Вселенная в этой фазе была непрозрачна, напоминая густой туман, в котором свет повсеместно отражается каплями воды.

До того момента, как в результате расширения Вселенной ее температура упала ниже порога в три тысячи кельвинов, фотоны вели себя достаточно агрессивно, разрушая связи, которые электроны пытались завязать с атомными ядрами во время коротких встреч. Температура упала ниже пороговых значений только через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, и только тогда фотоны утратили способность мешать электронам устанавливать длительную связь с ядрами. Первыми образовались атомы лития и гелия, а вслед за ними – атомы водорода. За очень короткое время большинство электронов оказались связанными внутри атомов.

В этом пространстве, где свободных электронов почти не было, фотоны смогли пролетать расстояния большие, чем размеры наблюдаемой Вселенной, и она стала прозрачной. Это внезапное преображение получило название «рекомбинация», хотя оно совершенно не соответствует сути явления – ведь электроны и атомные ядра соединились впервые.

Итак, по Вселенной смогло распространиться излучение, возникшее в момент, который предшествовал рекомбинации: излучение непрозрачной среды, разогретой до температуры выше трех тысяч кельвинов. Основная длина волны этого излучения была равна примерно тысяче нанометров. Длина волны привязана к ткани Вселенной, поэтому она увеличивается по мере расширения пространства. В наше время это излучение обнаруживается на волнах длиной в два миллиметра – такие волны испускает непрозрачное тело, разогретое до температуры около трех тысяч кельвинов. Такое излучение присутствует во Вселенной повсюду в виде фона, и его интенсивность не зависит от направления. Это фоновое излучение несет в себе образ Вселенной в эпоху рекомбинации. До этого все первичное пространство пронизывали акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. После рекомбинации эти колебания прекратились, но их следы позволяют судить о мельчайших фоновых колебаниях температуры, запечатлевших крупномасштабную структуру Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Космологические радиопомехи (1964)

Вселенная упорядочивается

Астрофизики, изучив карту распределения отклонений температуры, созданную с помощью европейского космического зонда «Планк», пришли к выводу, что в эпоху так называемой рекомбинации, ключевой фазы, последовавшей за Большим взрывом и сделавшей Вселенную прозрачной, пространство было поразительно однородным. Современную Вселенную на очень больших масштабах тоже можно считать однородной, но в рамках небольших объемов это вовсе не так. Последние астрономические открытия показали, что во Вселенной огромные структуры граничат с не менее огромными бездонными пустотами.

Каким же образом бывший столь однородным спустя четыреста тысяч лет после начала расширения мир стал неоднородным, а материя сконденсировалась в звездах и галактиках, которые, в свою очередь, сформировали скопления и сверхскопления, разделенные огромными пустотами? Астрофизики очень давно пытаются восстановить историю этого процесса. Они неплохо понимают первичное состояние Вселенной, отраженное в данных, собранных зондом «Планк», и ее конечное состояние, о котором рассказывают последние открытия.

Сегодня астрофизики, выполнив с помощью самых мощных на планете компьютеров моделирование процессов, происходивших во Вселенной, могут описать основные этапы развития Вселенной после рекомбинации.

Далее в нашем рассказе мы отбросим хронологическую систему, которой пользовались до сих пор, и вернемся к обычному человеческому календарю. Однако внимание: доказав универсальность и неизменность скорости света, Эйнштейн лишил время свойств абсолюта, которые приписывали этому физическому параметру ученые XIX века. Наша хронология подходит только для землян и ни в коем случае не имеет отношения к идее универсального времени. Если нашу книгу вдруг переиздадут в другой галактике, хронологию событий придется переделать…

13,7 миллиарда лет назад
Темные века

Небольшие флуктуации температуры, наблюдаемые на картах реликтового излучения, свидетельствуют о сгустках сверхплотной материи, которые несли в себе зародыши будущих крупных структур Вселенной.

Когда через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной, она была все еще очень плотной и очень горячей. И она была практически однородной – плотность материи сохранялась почти неизменной в любой точке пространства. Ситуация кардинально отличалась от той, что мы наблюдаем сегодня: Вселенная нынче кажется нам неоднородным нагромождением небесных тел. Галактики, звезды которых плавают в достаточно плотном межзвездном пространстве, соседствуют с зияющей пустотой. Переход от одного состояния к другому, как бы «подростковый» период Вселенной, закончился тогда, когда барионная материя сконденсировалась в процессе образования первых звезд. До этого, в течение двухсот миллионов лет после рекомбинации, во Вселенной царил мрак: по мере охлаждения пространства свет постепенно исчезал, все его источники гасли; именно поэтому этот период получил название «темных веков».

Каким же образом Вселенная умудрилась из примитивного первичного состояния перейти к удивительному разнообразию наших дней? Поразительное многообразие форм присуще прежде всего наблюдаемой материи – барионной, которой во Вселенной не так уж и много. Гораздо в больших количествах повсюду присутствует материя темная, чья природа до сих пор неизвестна. До рекомбинации образование флуктуаций плотности блокировалось взаимодействием между материей и излучением, о чем свидетельствуют наблюдения фонового реликтового излучения. Но стоило ядрам и электронам объединиться в атомы, как сразу появилась почва для образования этих начальных флуктуаций – Вселенная стала нейтральной. Изобилие темной материи привело к тому, что начальные флуктуации плотности быстро начали концентрироваться под влиянием собственной гравитации.

Уплотняясь и коллапсируя, темная материя увлекала за собой барионную. Таким образом, начали формироваться небольшие сгустки размером с карликовую галактику. Переварившись в тигле темной материи, барионная материя концентрировалась и одновременно фрагментировала, образуя звезды. Они начинали светиться, и по Вселенной поплыли волны ультрафиолетовых излучений, готовых вновь снять шкурку с атомов, остававшихся нейтральными после рекомбинации. Началась настоящая реионизация среды, распространявшаяся от одного атома к другому. Темные века закончились примерно через двести миллионов лет. Вселенная пришла в состояние, в котором мы ее знаем, и для него характерно огромное разнообразие звезд.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возникновение материи (10^–12 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

13,7 миллиарда лет назад
Образование крупных структур

Компьютерное моделирование позволяет проследить, как из первичных неоднородностей плотности сформировались крупные структуры, и создать модели, очень близкие к реально наблюдаемым.

Большинство космологов полагает, что особенности эволюции Вселенной, начиная с фазы рекомбинации и образования крупных структур, вплоть до наших дней, лучше всего объясняются с помощью предположения о существовании во Вселенной большого количества темной материи. Ее намного больше, чем материи барионной; она предположительно состоит из массивных частиц, движущихся с очень небольшими, по сравнению со скоростью света, скоростями. Цифровое моделирование, применяемое все шире и активнее, позволяет получить весомые аргументы в пользу этого предположения. Эта модель получила название «холодной темной материи», и оно связано с предположением о низкой скорости движения ее частиц.

Когда развитие физической системы необходимо описать уравнением, нужно определить ее начальное и конечное состояния. Именно так обстоит дело и со Вселенной, с ее превращениями с момента рекомбинации до наших дней. Для того чтобы определить исходное состояние системы, достаточно обратиться к данным, полученным при наблюдениях реликтового фонового излучения; самые точные данные были получены европейским космическим зондом «Планк». Что же касается конечного состояния, то его можно определить из последних астрономических наблюдений. С помощью цифрового моделирования на самых совершенных компьютерах, какими располагает международное научное объединение Virgo, космологи смогли описать эволюцию Вселенной от момента возникновения мельчайших флуктуаций плотности в эпоху рекомбинации до наблюдаемого тринадцать миллиарда лет спустя состояния, когда материя сконцентрировалась в галактики, сгруппированные в скопления, в узлы гигантской космической сети, разделенные зияющими между ними огромными пустотами.

Финальный результат моделирования коллективом Virgo эволюции вырезанного из Вселенной куба со сторонами длиной более двух миллиардов световых лет. В 2005 году космологи Virgo, используя одно из самых мощных вычислительных устройств на планете, реконструировали эволюцию двадцати миллионов галактик, рассеянных в этом невероятном по объему пространстве.

Моделирование отводит холодной темной материи весьма важное место: получается, что первыми структурами, которые сформировались за сто миллионов лет, стали протогалактики массой порядка ста миллионов солнечных масс. Эти объекты пережили впоследствии череду слияний, приведших к образованию галактик, средняя масса которых достигала ста миллиарда солнечных масс. Британский астрофизик Мартин Рис вместе с другими учеными активно пропагандируют эту гипотезу, получившую название «восходящей эволюции структур», в ходе которой формируются все более и более массивные объекты. Гипотеза, использующая противоположную модель «горячей темной материи» и получившая название «нисходящей эволюции», практически ушла с научных горизонтов еще в 1980-е годы, поскольку она вошла в глубокое противоречие с данными современных астрономических открытий.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возникновение материи (10^–12 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

13,6 миллиарда лет назад
Рождение самой древней из известных звезд

Звезда второго поколения зажглась в одной из протогалактик, сливавшихся друг с другом при образовании будущего Млечного Пути. Это одна из самых древних из всех известных звезд.

Работая в обществе, где всем заправляет логика продвижения личных достижений, ученые больше не стесняются производить сенсации. Они рассчитывают таким образом привлечь внимание организаций, готовых финансировать их исследования. Астрофизики тоже принимают участие в этом соревновании и активно распространяют громкие новости о необычных небесных объектах, таких, например, как первые звезды, которые начали светить еще в темные века. Появление звезд ознаменовало важный поворот в истории Вселенной. Именно внутри них начался синтез химических элементов, разнообразие которых прежде, в эпоху первичного ядерного синтеза, исчерпывалось гелием.

В одной из протогалактик, находившейся в процессе слияния с другими – такие же процессы гораздо позже привели к образованию и нашего Млечного Пути, – сформировалась первая россыпь звезд. Они образовались из газообразных водорода и гелия, единственных элементов, порожденных Большим взрывом. Самые массивные звезды, длительность жизни которых была относительно короткой, обогатили эту среду первыми «металлами», произведенными в их недрах. Астрофизики называют металлами все элементы, отличающиеся от гелия и водорода (хотя с химической точки зрения углерод или кислород к металлам не относятся), а их относительное содержание в газовом облаке именуют «металличностью». Новые поколения звезд формировались в среде, которая характеризовалась очень невысоким уровнем металличности. Наименее массивные из них, с самой длительной продолжительностью жизни, светят нам и в XXI веке. Астрофизики уделяют большое внимание их поиску, поскольку эти звезды с небольшим содержанием металлов представляют собой настоящие живые ископаемые, видевшие начало звездообразования во Вселенной.

В 2014 году международная группа астрофизиков заявила об открытии самой старой из когда-либо наблюдавшихся звезд (ей 13,6 миллиарда лет). Ее обнаружили при сканировании неба в южном полушарии с помощью широкоугольного телескопа австралийской обсерватории Сайдинг-Спринг в Новом Южном Уэльсе. Эта звезда получила номер SMSS 0313–6708. Она расположена на расстоянии около шести тысяч световых лет от Земли и содержит очень мало железа, что и свидетельствует об ее почтенном возрасте. Согласно данным, полученным с помощью одного из двух телескопов «Магеллан» американской обсерватории Лас-Кампанас в Чили, содержание железа в звезде SMSS 0313–6708 по меньшей мере в миллион раз меньше, чем в Солнце! Астрофизики полагают, что эта звезда образовалась в результате взрыва значительно более массивной первичной звезды (массой в шестьдесят солнц).

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

13,4 миллиарда лет назад
Галактика уже ярко сияет

В 2015 году астрофизики, сканируя небо в инфракрасном диапазоне, обнаружили галактику, свет от которой, испущенный непосредственно после темных веков, только теперь дошел до нас в своей первозданности.

Через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была электрически нейтральной и уже достаточно холодной для того, чтобы электроны, носители отрицательного электрического заряда, надолго связались с атомными ядрами (в основном в форме водорода и гелия), появившимися в более ранние эпохи и заряженными изначально положительно. Но ситуация вновь перевернулась примерно миллиард лет спустя. Вселенная снова пережила ионизацию, влияние которой проявляется даже в наши дни. Под воздействием разрушительных ультрафиолетовых излучений атомы водорода потеряли все свои электроны, и все ядра вновь стали ионами.

Когда же примерно произошла «реионизация» водорода? Какие источники смогли испустить столь мощные ультрафиолетовые лучи, которым было под силу разорвать на части все атомы водорода во Вселенной? Астрофизики, чтобы найти первые звезды, осветившие темные века ультрафиолетовым излучением, попробовали исследовать самые далекие светила. Для оценки расстояния они использовали данные, связанные с расширением Вселенной, растяжение ткани самого пространства, которое тем более увеличивает длину волны излучения, чем дальше от нас его источник. Это увеличение длин волн называется «красным смещением» (по-английски – redshift) – в видимом спектре самые длинные волны – красные.

В 2016 году международная группа астрофизиков, возглавляемая американцем Паскалем Ойшем, опубликовала результаты наблюдений далекой галактики GN-z11, проведенных в инфракрасном диапазоне Космическим телескопом Хаббла. Эти наблюдения основывались на данных, полученных ранее на самых длинных волнах инфракрасного спектра космическим телескопом Спицера. Именно этот телескоп и обнаружил галактику GN-z11, по размерам в двадцать пять, а по суммарной массе звезд в сто раз меньшую Млечного Пути. Зато эта галактика-эмбрион производит в двадцать раз больше звезд в единицу времени, чем наша. Красное смещение z, которое измерили Ойш и его коллеги, оказалось равным 11,09 – в 2016 году это была самая далекая от нас галактика из всех известных. А тот факт, что она ярко светилась уже через четыреста миллионов лет после Большого взрыва, позволяет сделать вывод, что первые галактики Вселенной, вроде GN-z11, стали основными действующими лицами процесса реионизации.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

13,2 миллиарда лет назад
Катастрофическая смерть первой звезды

Массивная звезда закончила свою короткую эволюцию мощнейшим гамма-всплеском – одним из самых мощных взрывов за всю историю Вселенной.

Не успели астрофизики разделить звезды Млечного Пути на поколение I и поколение II в зависимости от их возраста, как им пришлось ввести в классификацию и поколение III – первых звезд Вселенной. Обнаружить их не удалось, поэтому ученые пришли к выводу, что их жизнь была слишком короткой по сравнению со звездами, которые пришли им на смену. Звезды поколения III должны были быть и более массивными: в среде, лишенной элементов, более тяжелых, чем гелий, существующие модели звездообразования допускают только образование звезд массой в несколько сотен солнечных – слишком массивных для того, чтобы дожить до наших дней.

Непосредственно наблюдать звезды поколения III уже нельзя, однако можно обнаружить те колоссальные всплески гамма-излучения, которые некоторые из них испустили в конце своей довольно короткой жизни. Модель эволюции сверхмассивной звезды предполагает, что через несколько миллионов лет после образования ее ядро может схлопнуться в черную дыру. Окруженная остатками разрушенной звезды, дыра испускает в противоположных направлениях два потока материи, разогнанных до околосветовых скоростей. Истечение этих струй сопровождается самыми мощными всплесками энергии во Вселенной. Во-первых, струи распространяются с огромной скоростью и возникающие в них чудовищные ударные волны порождают мощное гамма-излучение. Во-вторых, в этом процессе формируется и остаточное излучение на всех длинах волн. Однако это излучение быстро ослабевает при взаимодействии с межзвездной средой.

Всплески гамма-излучения бывают настолько яркими, что астрофизики могут обнаружить их на очень больших расстояниях, вплоть до границ наблюдаемой Вселенной. Два телескопа космической обсерватории Neil Gehrels Swift, один из которых работал в диапазоне гамма-излучения, а второй – в рентгеновском диапазоне, засекли 23 апреля 2009 года гамма-всплеск в области галактики GRB 090423 и определили достаточно точные координаты его источника. На основе этих данных международная группа астрофизиков, возглавляемая британцем Найджелом Танвиром, с помощью VLT (англ. Very Large Telescope – Очень Большой Телескоп) определила спектральные характеристики остаточного излучения. Их исследование позволило Танвиру и его коллегам оценить красное смещение GRB 090423. Его величина оказалась огромной (z = 8,2) – это был самый отдаленный всплеск энергии, когда-либо наблюдавшийся учеными. Массивная звезда, ставшая причиной этого всплеска, закончила свое существование на исходе темных веков, в конце периода реионизации.

☛

СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом (7,7 миллиарда лет назад)

12,6 миллиарда лет назад
Появление первых скоплений галактик

Когда Вселенной исполнился миллиард лет, в ней начали образовываться первые скопления галактик. Заглядывая в глубину пространства и времени, астрономы могут наблюдать их формирование.

Основываясь на компьютерных моделях, построенных на гипотезе о темной холодной материи, астрофизики считают, что эволюцию Вселенной можно назвать «восходящей» – Вселенная развивается в направлении образования все более массивных структур. В такой иерархической схеме «от самых маленьких к самым массивным» гигантские скопления галактик становятся наследниками «протоскоплений», постепенно формировавшихся агломераций первичных галактик. Вполне возможно, что в этих протоскоплениях находили прибежище и галактики с так называемым активным ядром, то есть со сверхмассивной черной дырой в центре. Дыра служила точкой аккреции материи из межзвездного пространства; в результате происходили мощные выбросы излучения во всех диапазонах спектра.

В отдаленном уголке космоса, в среде, насыщенной темной и барионной материей, крупная структура может сформироваться путем слияния большого количества скоплений галактик, в свою очередь сформированных в результате последовательных слияний протогалактик. Гигантское протоскопление галактик, общая масса которого составляет как минимум четыреста миллиарда солнечных масс, растягивается на расстояние более сорока миллионов световых лет. Высокая плотность галактик внутри этой огромной структуры приводит к огромному количеству столкновений и поглощений, которые порождают вспышки звездообразования. Протоскопление постепенно растет за счет присоединения новых и новых галактик, в которых начинается образование молодых массивных звезд. В недрах некоторых из этих галактик вполне могут сложиться условия, благоприятные для образования сверхмассивных черных дыр и возникновения активных галактических ядер.

В 2011 году международная группа астрофизиков во главе с американским ученым Питером Капаком исследовала расположенное в созвездии Секстанта скопление активных галактик, все члены которого имели одно и то же высокое красное смещение (z = 5,3). Капак и его коллеги начали сканировать предполагаемое протоскопление в рентгеновском диапазоне с помощью космического телескопа «Чандра», чтобы обнаружить активные ядра галактик – они излучают именно в этом диапазоне. Затем ученые провели такие же исследования на других телескопах, чтобы выявить галактики, в которых образование звезд постепенно угасало. Они вооружились целой батареей телескопов, в числе которых был и космический телескоп «Хаббл», изучая одну галактику за другой и оценивая их красные смещения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

11,8 миллиарда лет назад
Вселенная взрослеет

В возрасте почти двух миллиарда лет Вселенная приобрела вид, достаточно близкий к тому, что мы наблюдаем в XXI веке, – об этом свидетельствуют фотографии дальней Вселенной космическим телескопом «Хаббл».

Через два миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная в основном закончила свою эволюцию. Если сравнить этот процесс с развитием человека, можно сказать, что детство Вселенной пришло к концу, и она вступила в период зрелости. Все основные ее характеристики уже оформились; галактические скопления образовали состоящую из миллиарда галактик гигантскую «паутину» с узлами сверхскоплений в точках пересечения нитей. До этого внешний вид Вселенной менялся очень быстро. За несколько сотен миллионов лет – в астрономической шкале времени это очень период – Вселенная из скучного и однообразного пространства, следы которого сохранились в реликтовом излучении, превратилась в веселенький конструктор, в котором то и дело случаются великие астрономические события. С этих пор эволюция Вселенной проявляется скорее на индивидуальном уровне, на уровне цивилизаций, а в галактическом масштабе, в масштабе Млечного Пути, изменения происходят крайне медленно и постепенно.

Историки, пытаясь выяснить, как выглядела та или иная территория в прошлом, вынуждены работать с весьма редкими письменными источниками. У археологов материалов для работы еще меньше – им достаются лишь случайно попадающиеся там и сям черепки. А вот астрофизики, напротив, имеют возможность воочию увидеть мир таким, каким он был в прошлом.

Изображение сверхглубокого поля Хаббла, созданное из множества снимков, сделанных в период с 2003 по 2012 год многочисленными камерами космического телескопа «Хаббл». Область, которую покрывает снимок на небе, относительно невелика и по масштабам эквивалентна площади, занимаемой почтовой маркой, рассматриваемой с расстояния в двадцать метров!

Для этого им достаточно выбрать на заданной площади небесного свода все звезды, расположенные на определенном расстоянии. Поскольку свет распространяется с известной и конечной скоростью, положение на определенном расстоянии в пространстве, по сути, аналогично нахождению в определенном времени в прошлом. При этом желательно выбирать участок неба, в котором нет слишком ярких звезд Млечного Пути, сияние которых может затруднить наблюдение за менее яркими объектами, расположенными на заднем плане.

С этой целью астрофизики Научного института космического телескопа – специально основанного НАСА учреждения, призванного управлять исследованиями, проводимыми с помощью космического телескопа «Хаббл» – выбрали в южном созвездии Печи небольшой участок небесного свода и назвали его «Сверхглубоким полем Хаббла». Наблюдая за этим участком в течение сотен часов, телескоп смог создать весьма детальную картину постепенного взросления Вселенной. Камеры, работающие в близком инфракрасном диапазоне, позволили обнаружить даже те галактики, чье излучение, слишком сильно смещенное в красную часть спектра, невозможно обнаружить с помощью инструментов, чувствительных к видимой части спектра. В результате ученые получили изображения почти десяти тысяч галактик «ранней Вселенной», находившихся еще на раннем этапе своего развития.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

11,7 миллиарда лет назад
Образование шарового скопления Геркулеса

При слияниях протогалактик происходило активное звездообразование: формировались скопления сотен тысяч звезд. Одним из таких скоплений стало шаровое скопление Геркулеса, которое астрономы-любители просто обожают.

Млечный Путь – Галактика, в которой мы живем, – подчиняется тем же законам, что и остальные галактики. Как и все другие структуры аналогичного размера, она сформировалась быстро и бурно, в результате последовательных слияний более или менее массивных протогалактик. Когда пара протогалактик сближалась, их взаимопроникновение провоцировало соединение облаков межзвездной пыли, которыми были нафаршированы юные галактики. Подобные столкновения вызывали взрывное звездообразование, которое приводило к формированию огромных звездных скоплений, с сотнями тысяч звезд. Самые массивные из них стали жертвами ускоренной эволюции и быстро прекратили свое существование. Выжили самые сбалансированные, самые многочисленные; они продемонстрировали продолжительность жизни, превышающую средний возраст объектов во Вселенной; все они светят и в наши дни. Эти скопления образовались при сильном воздействии гравитации, поэтому они приобрели сферическую или шаровую форму.

Одно из самых известных шаровых скоплений, которое нравится фотографировать астрономам-любителям, находится в созвездии Геркулеса. Его открыл в 1714 году Эдмунд Галлей, обнаружив, что звездной безлунной ночью скопление можно увидеть невооруженным глазом. В июне 1764 года Шарль Мессье, прославившийся как великий охотник за кометами (Людовик XV его даже прозвал «кометным хорьком»), включил его в свой знаменитый каталог, в котором он собрал все известные на тот момент небесные тела самой разной природы, в той или иной степени похожие при наблюдении в телескоп на кометы. С тех пор всем астрономам, как профессионалам, так и любителям, большое скопление Геркулеса известно под именем «Мессье 13». Оно расположено на расстоянии в двадцать две тысячи световых лет от Солнца и включает в себя около миллиона звезд, плотно набитых в сферический объем радиусом около восьмидесяти световых лет. Плотность звездной материи в центре скопления в сотни раз выше, чем наблюдаемая в той части Млечного Пути, где расположено Солнце.

Во второй половине ХХ века группа ученых, самым известным из которых был американский радиоастроном Фрэнк Дрейк, высказала предположение о том, что где-то во Вселенной существуют иные формы разумной жизни. В 1974 году Дрейк решил установить первый контакт с вероятными внеземными цивилизациями и вместе с другим американским астрономом Карлом Саганом предложил отправить в космос радиосообщение с помощью гигантского радиотелескопа Аресибо. Дрейк и Саган решили отправить свое послание в направлении Мессье 13, поскольку именно в этой ближней к нам части Вселенной сконцентрировано наибольшее количество долгоживущих звезд. По их мнению, этот фактор должен был увеличить шансы на то, что послание достигнет ушей или каких-либо других органов чувств представителей иных форм разумной жизни.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

10,8 миллиарда лет назад
Вселенная все еще в три раза горячее

Молекулы окиси углерода, образующие облака межзвездного газа в недрах галактики, возбуждались под влиянием излучения расположенного по соседству галактического ядра.

С момента Большого взрыва прошло три миллиарда лет. Вселенная уже стала значительно более похожей на ту, что мы наблюдаем в наши дни. Все галактики, естественно, погружены в фоновое реликтовое излучение, которое заполняет Вселенную с того момента, как она стала прозрачной. В точности, как сегодня, многие галактики включают в себя огромные облака межзвездного газа, обогащенного в результате звездных взрывов элементами, атомы которых, как, например, углерод и кислород, со временем соединяются в молекулы, к примеру, окиси углерода.

Подобно атомам, молекулы тоже могут переходить из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией. К свойственным атомам электронным уровням энергии добавляются другие, свойственные уже молекулам, например уровни вибрации. Вибрация – следствие того, что связи между атомами в молекуле не являются жесткими, и атомы могут вибрировать относительно друг друга. Для этого необходима энергетическая подпитка, причем достаточно небольшая, – и молекула может перейти в состояние с повышенной энергией.

Именно так и происходит с окисью углерода – его молекулу могут возбудить даже не очень насыщенные энергией фотоны фонового излучения. Как только молекулы окиси углерода из межзвездного газа переходят на уровень энергии чуть выше обычного, они начинают поглощать излучение определенной длины волны, распространяющееся по галактике, а за ним как раз наблюдает астроном. По пути к наблюдателю яркий свет, излучаемый очень активным ядром исследуемой галактики, например квазаром, проходит сквозь межзвездные облака другой галактики, находящейся перед объектом наблюдения. На спектр излучения впереди расположенной галактики накладывается на той же длине волны полоса поглощения окиси углерода, возбужденной фоновым излучением, который распространяется в изучаемой галактике.

Вследствие расширения Вселенной полоса поглощения смещена в сторону красной части спектра. Таким образом, астрофизики могут оценить примерный возраст события, в ходе которого был поглощен свет, а также уровень возбуждения, на котором находились вовлеченные в этот процесс молекулы окиси углерода. С помощью этих данных ученые могут определить и температуру Вселенной непосредственно в момент поглощения света от удаленного квазара молекулой окиси углерода. Именно так ученые смогли доказать, что спустя три миллиарда лет после начала расширения Вселенной ее температура была все еще в три раза выше, чем сегодня… Это потрясающее доказательство реальности Большого взрыва!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

10 миллиарда лет назад
Активное звездообразование

Интенсивность звездообразования во Вселенной достигла максимума. Самые массивные звезды создают потоки газа, обогащенного практически всеми природными химическими элементами.

Со времен формирования наиболее крупных структур во Вселенной и до сегодняшнего дня общий вид Вселенной практически не изменился. Однако на масштабе галактик до состояния равновесия, даже неустойчивого, было еще далеко – оно установилось позднее: история Вселенной была долгой. Добывая данные о зарождении и образовании галактик, астрофизики могут опираться только на анализ испускаемого галактиками излучения. Они исследуют все более древние галактики, излучение которых значительнее смещается в красную часть спектра, поэтому приходится использовать телескопы, чувствительные к инфракрасному излучению. В этой спектральной области наблюдениям препятствуют два явления: атмосфера пропускает инфракрасное свечение только через редкие спектральные окна; естественные тепловые помехи, которые создаются в инфракрасном спектре самим телескопом, накладываются на космический сигнал.

Астрофизики борются с этими трудностями с помощью устройств, охлажденных до очень низких температур. Например, на космической обсерватории «Гершель» Европейского космического агентства (ЕКА) фокальная плоскость помещена в огромный криостат (что-то вроде огромного термоса), который поддерживает очень низкую температуру (четыре градуса по шкале Кельвина). Таким образом, исследователи получают данные, которые меняют их понимание процессов формирования и эволюции галактик. В 2014 году американские астрофизики Пьеро Мадау и Марк Дикинсон проанализировали с помощью различных моделей новые данные и пришли к выводу, что пик звездообразования во Вселенной случился примерно десять миллиарда лет назад.

Звездообразование, подстегиваемое все еще частыми столкновениями галактик, достигает в это время максимальной интенсивности. Самые массивные звезды (массой в несколько солнц), продолжительность жизни которых меньше миллиарда лет, быстро проходят свой эволюционный цикл и выбрасывают в межзвездное пространство огромные облака химических элементов, созданных в их недрах. В безумную пляску вступают и элементы, синтезированные во время взрывов сверхновых, то есть в момент гибели самых массивных звезд, а также некоторых звезд из двойных систем. В недрах галактик постепенно устанавливается равновесие между выброшенным из звездных недр газом из новых элементов и заполнявшим межгалактическую среду газом, лишенным тяжелых элементов. По мере снижения интенсивности звездообразования соотношение элементов постепенно устанавливается в основном на уровне значений, которые измерили в XXI веке: 74 % водорода, 24 % гелия и 2 % других элементов – прежде всего кислорода, затем углерода, неона и железа.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

9,7 миллиарда лет назад
Вселенная и ее постоянные

Химические элементы, образовавшиеся в далеком прошлом Вселенной, доказывают физикам, что константы, лежащие в основе ее структуры, не менялись за последние десять миллиарда лет.

Физическая постоянная – некоторая измеримая величина, которая сохраняет одно и то же значение повсюду во Вселенной и не зависит от времени. Скорость света – одна из самых известных физических постоянных. Она обрела такой статус с тех пор, как Альберт Эйнштейн в 1905 году показал, что она неизменна и не зависит от скорости наблюдателя и источника света. Ее обозначают буквой c, первой буквой латинского слова celeritas («скорость»). Эта универсальная константа представляет собой не просто скорость, то есть расстояние, деленное на время, чье значение зависит от системы единиц, выбранной для ее выражения. Физики так доверяют скорости света, что именно метр определяют в международной системе мер как эталонную единицу длины^[2].

Некоторые физики считают, что фундаментальными физическими константами имеют право называться только те, чье значение не зависит от системы единиц.

Такова, к примеру, постоянная тонкой структуры (обозначаемая буквой ^α), которая используется при описании электромагнитного взаимодействия. Она применяется для характеристики расщепления энергетических уровней в атомах и проявляется в ситуации, когда атомы поглощают свет. Через четыре миллиарда лет после Большого взрыва звездообразование достигло пика. Тучи атомных ядер, созданных в горнилах звезд, распространялись по всей Вселенной. Их было так много, что многие из них попадали под лучи света, испускаемые чрезвычайно яркими квазарами. В результате в спектре последних возникали линии поглощения, сохранившие следы взаимодействия между излучением и материей. Уравнения, описывающие это взаимодействие, и содержат постоянную ^α.

Таким образом, можно узнать, изменилась ли эта фундаментальная постоянная с течением времени – в этом заставляют сомневаться некоторые теоретические модели, например теория струн. Чтобы проверить неизменность постоянной, индийский астрофизик Хум Чанд и два его французских коллеги в 2004 году проанализировали спектры восемнадцати квазаров (средняя величина красного смещения z = 1,55), полученные с помощью сверхмощного спектрографа и телескопа Куйен – одного из четырех, составляющих комплекс Очень большого телескопа (VLT) на горе Серро-Параналь в Чили. Определив значение константы ^α с точностью до одной миллионной, Чанд и его группа пришли к выводу, что за последние десять миллиарда лет оно не изменилось! Для подтверждения теории струн придется поискать другие аргументы…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Мультивселенная (До Большого взрыва)

Большой взрыв (Начало расширения)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

8,8 миллиарда лет назад
Образование диска Млечного Пути

Гигантское гало темной материи, окружающее Млечный Путь, способствует концентрации барионной материи и формированию тонкого вращающегося диска красивой спиральной структуры.

Так же как и другие звездные скопления, Млечный Путь – наша Галактика – образовался в результате последовательных слияний протогалактик, сгустков темной материи, возникших в сверхплотных участках первичной Вселенной. Протогалактики включали в себя и барионную материю в виде газа из водорода и гелия. В процессе слияний темная материя собиралась в основном на периферии галактик и сформировала гигантское сферическое гало радиусом в двести тысяч световых лет и массой порядка тысячи миллиарда солнечных. Втянутый внутрь барионный газ сплющился в форме гигантского тонкого диска, вращающегося вокруг своей оси. Общий диаметр диска составляет примерно сто тысяч световых лет, но диаметр его плотной части равен примерно тысяче световых лет. В нем вращаются сотни миллиарда звезд и внушительное количество плотных облаков межзвездного газа, в которых идет звездообразование.

Самой яркой характеристикой диска Млечного Пути служит его спиральная структура. Диск вращается вокруг оси не как твердое тело, не как граммофонная пластинка. За счет чего же тогда удерживается его спиральная структура с расходящимися в разные стороны рукавами? На самом деле рукава возникают не из материи. Они создаются волнами, при прохождении которых возрастает плотность вещества, так называемыми волнами плотности. Это явление можно сравнить с пробками на дорогах, которые постепенно распространяются по магистралям, когда движение становится интенсивным.

Наподобие автомобилей, количество которых увеличивается в месте пробки, межзвездный газ уплотняется при проходе волны плотности и провоцирует рост интенсивности звездообразования. Волна оставляет за собой гирлянду звезд, самые массивные из которых сияют ярко, но кратковременно. Эти волны плотности, вероятнее всего, порождает асимметрия в центре диска (типа перемычки, обнаруженной в центре Млечного Пути).

Формирование диска, обрамленного красивой спиральной структурой, характерно не только для Млечного Пути. Примерно в тот же период через подобные преобразования прошли многие галактики. Еще в XVIII веке астрономы обнаружили на ночном небе светлые пятна более или менее плоской формы. Как мы теперь знаем, это были самые яркие спиральные галактики. Эти наблюдения в 1775 году привели немецкого философа Иммануила Канта к идее, что Вселенная состоит из блуждающих в бездне пространства совокупностей звезд, подобных той, в которую входит Солнце. Он даже отметил, что эти системы должны были бы казаться кругообразными, если смотреть на них сверху, и эллиптическими при взгляде сбоку. Таким образом Кант предвосхитил, не формулируя ее конкретно, идею островных вселенных – спустя столетие этот термин предложил немецкий географ Александр фон Гумбольдт.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

7,7 миллиарда лет назад
Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом

В наблюдаемой Вселенной ежедневно взрываются ядра миллиона массивных звезд, но только один взрыв из миллиона сопровождается выбросом мощного потока гамма-излучения.

Гамма-всплеск происходит в момент, когда разрушенное ядро массивной звезды выбрасывает материю в виде двух противоположно направленных струй, которые распространяются со скоростью, близкой к скорости света, и когда эти струи одновременно разрушают звездную оболочку (один случай на миллион). Название этого явления связано с потоком направленного излучения, возникающего внутри выброшенной материи, наиболее интенсивны в нем гамма-лучи, хотя в потоке этого излучения присутствуют и световые, и рентгеновские волны.

Эти два направленных луча, очень узких и мощных, пронизывают всю Вселенную. Угол их распространения совсем небольшой (всего несколько градусов), и поэтому шанс, что они когда-нибудь достигнут Земли, всего один на тысячу. Вычислить эту вероятность очень просто: если ежедневно взрывается примерно миллион звезд, то они порождают тысячу пучков гамма-лучей; один из них теоретически может достичь Земли. Сканируя видимый небесный свод, обсерватории ежедневно регистрируют один-два гамма-всплеска. Если наблюдатель находится прямо на оси пучка излучения, там, где оно имеет максимальную интенсивность, всплеск ощущается заметно сильнее. Но такая ситуация случается довольно редко – не чаще одного раза в год!

Например, в далекой галактике взрывается ядро массивной звезды. Она выбрасывает два направленных пучка излучения, один из которых направляется к Земле и долетает до нее семь с половиной миллиарда лет спустя. Подобное явление, обозначенное кодом GRB 080319B, наблюдалось в 2008 году и было зарегистрировано как мощный гамма-всплеск. Астрофизикам повезло: они смогли наблюдать его даже в видимой части спектра с помощью прибора с широкоугольным объективом. Излучение было столь ярким, что его можно было увидеть и невооруженным глазом, если смотреть в нужный момент в определенном направлении. А произошло это событие, когда Вселенной было только шесть миллиарда лет!

Гамма-всплески имеют столь невероятную мощность и светимость, что их следует считать катастрофами колоссального масштаба. Если бы событие типа GRB 080319B произошло, к примеру, на расстоянии в десять тысяч световых лет от Солнца и один из пучков излучения попал бы непосредственно в Солнечную систему, на нашу несчастную планету обрушился бы энергетический удар, сравнимый со взрывом миллионов ядерных бомб Хиросимы! Такое количество энергии вызвало бы серию глобальных катастроф, одна страшнее другой. Защитный озоновый слой моментально разрушился бы, чудовищные ударные волны сотрясли бы атмосферу, по всей Земле разгорелись бы пожары, мощные ураганы начали бы сносить все на своем пути…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Катастрофическая смерть первой звезды (13,2 миллиарда лет назад)

6,8 миллиарда лет назад
Ланиакея, наше сверхскопление

Млечный Путь влился в звездное скопление Ланиакея, один из огромных центров гравитационного притяжения, к которому стекаются галактики и скопления галактик, заполняющие наш уголок Вселенной.

Галактики, большинство которых сформировалось менее чем за два миллиарда лет после Большого взрыва, распределены в пространстве далеко не случайным образом. Они служат настоящими кирпичиками Вселенной, из них состоит гигантская сеть ветвей и нитей, пронизывающих пустоту. Основой этой структуры, канвой распределения материи во Вселенной, служит в основном темная материя. С того момента, когда Вселенная стала прозрачной и однородной, она быстро эволюционировала и по окончании Темных веков преобразовалась в систему огромных пустот, окруженных сверхплотными структурами, создающими гравитационное притяжение невероятной силы.

Аналогично тому, как на Земле вода течет по рекам и притокам с высоты водоразделов, галактики и звездные скопления стекаются по направляющим космической сети и создают узлы «галактических сверхскоплений». Это название впервые употребил французский астрофизик Жерар де Вокулер для обозначения самых крупных из известных в настоящий момент образований во Вселенной. В гидрологии линия водораздела разделяет бассейны разных рек. В астрофизике дело обстоит похожим образом: линия, разделяющая два гравитационных бассейна, служит границей между сверхскоплениями. Чтобы обнаружить эту границу в мире галактик, надо прежде всего рассчитать скорость их движения, скорректировав наблюдаемую скорость смещения с помощью поправки на космическое расширение.

Именно таким методом в 2014 году четверка астрофизиков – американец Ричард Брент Талли, француз Элен Куртуа и Даниэль Помареда и израильтянин Иегуда Хоффман – рассчитали размеры, структуру и динамику нашего сверхскопления, которое они назвали Ланиакея (от англ. Laniakea, в переводе с гавайского – огромный небесный свод). Сверхскопление образовалось тогда, когда Вселенная достигла примерно середины своего сегодняшнего возраста, и протянулось на пять миллионов световых лет; его масса – сто миллионов миллиарда солнечных. Ланиакея включает в себя тринадцать галактических скоплений, каталогизированных в 1958 году калифорнийцем Джорджем Эйбеллом. Астрофизик создал свой каталог на основе тысяч фотографий, снятых камерой Шмидта (широкоугольный телескоп с корректирующим зеркалом) на горе Паломар в США. Ланиакея включает в себя структуру, ранее называвшуюся сверхскоплением Девы, частью которого является Млечный Путь. Если считать, что Земля – это наш дом, Солнечная система – наш город, то Галактика – это наша страна, а Ланиакея – континент.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13, 7 миллиарда лет назад)

5,2 миллиарда лет назад
Столкновение в Местной группе галактик

Слияние двух галактик Местной группы породило длинный шлейф звезд, некоторые из которых сгруппировались в две карликовых галактики в окрестности Млечного Пути.

Термин «Местная группа» был впервые использован в 1936 году Эдвином Хабблом – он назвал так группу галактик, к которой принадлежит и Млечный Путь. Местная группа состоит примерно из шестидесяти галактик и представляет собой довольно скромное галактическое скопление. Оно имеет форму гантели, растянувшейся на десять миллионов световых лет. Своей формой скопление обязано двум самым крупным образованиям – Млечному Пути и туманности Андромеды, известной также под именем Мессье-31. Каждая из этих крупных галактик окружена собственной системой карликовых галактик-спутников. Кроме того, в Местную группу входит и третья галактика, обладающая спиральной структурой, – галактика Треугольника, или Мессье-33.

Эволюция Местной группы, похоже, была весьма бурной, как и у других крупных скоплений, – если верить компьютерным моделям, с помощью которых ученые пытаются восстановить прошлое на основе наблюдений Мессье-31. Через пять миллиарда лет после Большого взрыва Местная группа включала, помимо будущего Млечного Пути, две довольно крупные галактики, одна из которых была в три раза массивнее другой. Они подошли друг к другу настолько близко, что попали в сети взаимного гравитационного притяжения. Через четыре миллиарда лет па-де-де галактик закончилось столкновением, хотя этот термин не совсем подходит к тому, что произошло.

В обеих галактиках расстояния между звездами настолько велики, что прямые удары практически исключены. Правильнее было бы говорить о взаимопроникновении, или даже о слиянии. Модели показывают, что к окончанию процесса слияния две галактики превратились в одну. В наши дни она носит имя Мессье-31, или туманность Андромеды.

Через восемь миллиарда лет после Большого взрыва в этом слиянии наступил решающий момент. Под влиянием сил гравитационного притяжения, так называемых приливных – этот термин используется по аналогии с океанскими приливами, возникающими в результате действия тех же сил, – образовался длинный шлейф из звезд. Одни звезды оказались в сфере влияния новой большой галактики, получившейся в результате слияния. Другие, наоборот, ускользнули из ее объятий и сформировали две неправильной формы галактики, которые понеслись с такой скоростью, что через некоторое время они вновь оказались неподалеку от Млечного Пути. Астрофизики полагают, что эти карликовые галактики, известные сегодня под именем Магеллановы Облака, стали спутниками нашей галактики.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Мессье-32 вливается в Андромеду (800 миллионов лет назад)

4,8 миллиарда лет назад
Расширение Вселенной ускоряется

Ускорение Вселенной, которое заметно замедлилось к окончанию фазы инфляции, вновь растет под усиливающимся влиянием темной энергии.

Видимый блеск звезды обратно пропорционален квадрату расстояния до нее. Абсолютная светимость некоторых типов небесных тел хорошо известна – это количество энергии, которую они выделяют в виде света. Применение простого правила трех точек позволяет оценить расстояние до небесных тел с известной светимостью – астрономы назвали их «стандартными свечами». Астрофизики располагают целым набором таких небесных тел. Во главе списка – переменные пульсирующие звезды-цефеиды, ставшие объектом исследований еще в начале ХХ века. Их изучала американка Генриетта Ливитт на примере Малого Магелланова Облака. Однако для изучения объектов, расположенных в глубоком космосе, астрофизикам приходится вычислять красное смещение дальних звезд, которое позволяет оценить расстояние до них на основе современной модели Вселенной.

Определение красного смещения стандартных свечей может служить одним из способов ограничения разнообразия различных моделей Вселенной. Для того чтобы быть видимой на очень большом расстоянии, надо быть очень яркой свечой. В конце ХХ века некоторые астрофизики решили, что в качестве таких объектов могут пригодиться термоядерные сверхновые. В двойной системе звезд, из которых одна является белым карликом, создаются порой такие условия, что карлик стягивает на себя внешние оболочки своего компаньона. В этом случае масса карликовой звезды достигает предела Чандрасекара (1,44 солнечной массы), и происходит термоядерный взрыв с выбросом в пространство очень горячей материи. Термоядерные сверхновые, образующиеся в результате схлопывания звезд с одинаковой массой, должны иметь и совершенно одинаковое свечение – верный признак истинной стандартной свечи.

Используя очень далекие термоядерные сверхновые в качестве стандартных свечей, две международные группы ученых доказали, что все они удалены на расстояние явно большее, чем предсказывали расчеты по классической модели Вселенной. Это открытие означает, что скорость расширения Вселенной растет, вместо того чтобы замедляться под влиянием суммарной гравитации всей находящейся в ней материи. За это открытие два американских космолога – Сол Перлмуттер и Адам Рисс, а также австрало-американский космолог Брайан Шмидт в 2011 году получили Нобелевскую премию по физике. Оказалось, что Вселенная сегодня переполнена некоей формой энергии – «темной энергией», чье отрицательное давление выглядит как отталкивающая антигравитационная сила. Из-за расширения плотность материи постепенно снижается; плотность темной энергии, наоборот, не меняется. Темная энергия стала основной составляющей Вселенной через девять миллиарда лет после фазы инфляции, и расширение Вселенной вновь начало ускоряться.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Взрыв сверхновой (–4500)

Мисс Ливитт и масштабы расстояний (1912)

Появление Солнечной системы

Девять миллиарда лет прошло с момента Большого взрыва. Уже более двухсот миллионов лет назад Вселенная преодолела последний этап своей эволюции, когда темная энергия стала ее основной составляющей. Эта таинственная сущность с тех пор превалирует над темной материей так же, как и над материей обычной, так называемой барионной. История нашей Вселенной с этих пор – история событий, которые привели к возникновению Земли, нашей планеты. Она находится в нашей Галактике – Млечном Пути – спрятавшейся в скромном галактическом скоплении – Местной группе – на периферии сверхскопления – Ланиакеи. Сосредоточившись на формировании планетной системы на окраинах Млечного Пути, мы тем не менее не оставим без внимания и некоторые крупные события, информация о которых поступает из глубин Вселенной. Но, концентрируясь в основном на Солнечной системе, мы отойдем от привычной манеры подачи истории, принятой в школьном преподавании, то есть перечисления подвигов нашей самой прекрасной в мире страны. Большинство событий, описанных в этой части книги, покажутся вовсе незначительными, но именно из них состоит история нашей общей деревни – Солнечной системы и планеты Земля – нашего дома, единственного известного уголка Вселенной, где существует жизнь.

Достаточно ли это веская причина, чтобы придавать особое значение нашему уголку Вселенной? Бернар Ле Бовье де Фонтенель опубликовал в 1686 году рассуждение «Беседы о множественности миров» и положил начало нескончаемой дискуссии о существовании внеземной жизни. В наши дни все больше астрофизиков склоняются к мнению, что на других планетах могут существовать разные формы жизни. Как и американский ученый Карл Саган, многие считают, что обратная вероятность – «мы одни во Вселенной» – никогда не сможет быть доказана, в силу древней мудрости, что отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия.

Но тем не менее крошечный уголок космоса, где эволюционирует Земля, заслуживает усиленного внимания. События, которые происходили во время формирования нашей Солнечной системы, на самом деле представляют собой замечательный пример того, каким образом могли образоваться иные планетные системы, которые астрофизики не устают открывать вокруг многочисленных звезд Млечного Пути.

4,57 миллиарда лет назад
Рождение Солнца

Фрагмент молекулярного облака на окраине Млечного Пути, сжимаясь, начал уплотняться. Этот сгусток вещества стал нашим Солнцем. Вокруг него начал вращаться диск, из которого образовались все другие тела Солнечной системы.

Ланиакея, локальное сверхскопление, представляет собой один из узлов гигантской космической сети. Он удерживает вместе более десяти тысяч галактик. На его окраине расположена скромная галактическая группа – Местная группа, состоящая из примерно шестидесяти членов. Млечный Путь – один из самых заметных из них. Уже более четырех миллиарда лет назад массивное гало из темной материи сформировало в этом звездном острове посреди пустоты тонкий диск из звезд и газа, в основном водорода, с небольшой примесью гелия и щепоткой других элементов. В основном этот газ имеет очень малую плотность (менее одного атома на кубический сантиметр), однако местами он сконцентрирован в большие и существенно более плотные туманности. Молекулы и частицы пыли делают непрозрачными эти облака из пыли и молекул, одно из которых некогда плавало на окраине Млечного Пути.

Внутри этого облака, как и везде в пространстве, действовала гравитация. Неожиданно, по причинам до сих пор до конца не ясным, весьма значительный кусок облака неожиданно начал сжиматься, проваливаться сам в себя. Может быть, по нему прошла одна из волн плотности, которая сформировала специфическую структуру спиральных рукавов Млечного Пути? Или по нему промчалась ударная волна от взрыва близкой массивной звезды? Но как бы там ни было огромный облачный пузырь сжался под влиянием собственного веса и превратился в зародыш звезды, внутри которой гравитационная энергия перерождалась в тепловую. Сжатие пузыря закончилось, когда температура в его центре поднялась до уровня, на котором в водородной плазме начинаются циклы термоядерных реакций.

В недрах протозвезды высвободилось огромное количество энергии, которое было выброшено в пространство в виде света. Звезда родилась…

Это был довольно банальный эпизод в наблюдаемой Вселенной, где в секунду рождаются тысячи звезд, однако для человечества этот случай стал решающим, поскольку эта звезда стала впоследствии известна под именем Солнце. Из того же облака сформировались и другие звезды, сестры Солнца. Со временем их собственные движения разнесли их далеко друг от друга.

Перед окончательным сжатием протозвезда – будущее Солнце – окружила себя нимбом из газа и пыли. Излучение звезды, родившейся в центре этой туманности, способствовало тому, что туманность распалась на мириады отдельных тел, которые стали слипаться в более крупные образования. Именно из одного из них возникнет будущая Земля… Это сценарий, в который астрофизики XXI века с помощью современных знаний превратили старую гипотезу солнечной туманности, дорогую сердцу философов века Просвещения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Формирование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Ударная волна сотрясает Магелланово Облако (–166 000)

4,57 миллиарда лет назад
Солнце – атомная электростанция

В сердцевине юного Солнца создались условия, необходимые для поддержания циклических ядерных реакций. Энергии, выделяющейся при этом, должно хватить на миллиарды лет сияния.

Юное Солнце, сжимаясь в плотный комок газа, постепенно нагрелось до температур столь высоких, что атомы (в основном водородные) потеряли свои электронные оболочки. Внутри звезды образовалась плазма из атомных ядер (по большей части протонов) и свободных электронов. Плазма – четвертое состояние материи, первые три из которых нам хорошо известны: твердое, жидкое, газообразное. В нашем непосредственном окружении плазма встречается весьма редко. На Земле она образуется лишь при некоторых природных явлениях (высокотемпературное пламя, молния) или в промышленности (газоразрядная лампа).

А Солнце в основном состоит из плазмы. Жарче всего в его центре: пятнадцать миллионов градусов. Там же, в ядре, наблюдается и самая высокая плотность: более ста граммов на кубический сантиметр. Температура и плотность в ядре звезды столь высоки, что происходят непрерывные ядерные реакции протон-протонного цикла. В 1939 году американский физик немецкого происхождения Ханс Бете описал три стадии этого цикла:

• первая стадия: в очень горячей и плотной среде частицы приобретают огромную энергию, и протоны сталкиваются друг с другом. Оба несут положительный заряд, но преодолевают взаимное отталкивание за счет туннельного эффекта – это свойство субатомного мира открыл в 1928 году американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Два протона оказываются настолько близки друг к другу, что сильное взаимодействие «склеивает» их. Но это вновь образованное ядро немедленно развалилось, если бы не слабое взаимодействие. Оно превращает один из протонов в нейтрон и создает стабильное ядро дейтерия;

• вторая стадия: встреча дейтерия и другого протона, приводящая к формированию ядра гелия-3 (два протона и один нейтрон);

• третья стадия: два ядра гелия-3 слипаются друг с другом, образуя гелий-4 (два протона и два нейтрона) и одновременно испуская два протона.

Цикл завершается довольно быстро: в его начале мы имеем четыре ядра водорода, в конце – одно ядро гелия-4. Оно менее массивно, чем четыре соединенных протона, но в силу действия уравнения, связывающего массу и энергию и записываемого известной формулой E = mc ², самой знаменитой формулой Эйнштейна, небольшое снижение массы (семь тысячных) дает огромное количество энергии! Для поддержания своей светимости Солнце должно ежесекундно превращать в гелий пятьсот миллионов тонн водорода. Но водорода в нем еще столько, что такую светимость оно может поддерживать еще миллиарды лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

E = mc² (1905)

4,57 миллиарда лет назад
Образование планет

Частицы пыли, которые носились в околосолнечном диске, слиплись в тысячи планетоидов по нескольку километров в диаметре каждый – и они постепенно увеличивались в ходе столкновений и объединений.

Вещество околосолнечной туманности, быстро вращавшееся вокруг Солнца в процессе его образования, сформировало плоский диск, толщина которого увеличивалась по мере удаления от центра. Диск в основном состоял из водорода и гелия, но в нем были и микроскопические твердые пылинки. Астрофизики считают, что диск делился на две области – на расстоянии около пяти астрономических единиц от Солнца в нем начинали доминировать ледяные частицы. Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в Солнечной системе, равная 149,6 миллиона километров. На периферии диска его температура была слишком низкой, чтобы там могла существовать жидкая вода.

Присутствовавшие в диске частички пыли постепенно слипались друг с другом, примерно так же, как они слипаются в пылевые клубки у нас под кроватью. Когда размеры пылевых клубков доходили до нескольких метров, в действие вступала гравитация – она помогала создавать тела размером более километра. Самые массивные из планетоидов притягивали к себе все, что оказывалось в зоне их гравитационного воздействия. Этот процесс приводил к образованию зародышей планет, масса которых росла по мере удаления от Солнца.

За «ледяной границей» зародыши планет были достаточно массивными (в несколько масс Земли), чтобы притянуть к себе газ из диска и окружить себя атмосферой из водорода и гелия. Из таких протопланет возникли газовые гиганты с массой в сотни земных масс – Юпитер и Сатурн. Газовые оболочки других планетоидов рассеялись; возникли гигантские образования из скал и твердых летучих льдов, с массой примерно в пятнадцать земных и с разреженной атмосферой из гелия и водорода – Уран и Нептун.

В промежутке между Солнцем и ледяной границей, в среде, откуда почти весь газ был вытеснен солнечным излучением, зародыши планет то и дело сталкивались, вращаясь по вытянутым и пересекающимся друг с другом орбитам. Взаимодействия планетоидов заканчивались либо их слиянием, либо выбрасыванием одного из них за границы Солнечной системы – будто камень вылетел из пращи. В результате во внутренней части системы, в порядке удаления от Солнца, остались только четыре планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Астрофизики называют их теллурическими, то есть планетами земного типа: как и Земля, они созданы из камня и металла. Они гораздо меньше гигантов с окраин Солнечной системы, но и заметно плотнее. Сейчас исследователи активно ищут планеты земного типа вокруг других звезд. И нашли их уже довольно много – в частности благодаря данным, полученным космическим телескопом «Кеплер» с 2009 по 2018 год.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Открытие экзопланет (1995)

4,56 миллиарда лет назад
Образование пояса астероидов

Из-за воздействия гравитационного поля Юпитера планетоиды, орбиты которых находились между ним и Марсом, не смогли объединиться в одну планету. Из них образовался пояс малых планет – астероидов.

Самые благоприятные для формирования планет участки газопылевого диска, вращавшегося вокруг юного Солнца, находились снаружи ледяной границы. Именно там масса протопланет (например, будущего Юпитера) росла очень быстро. Согласно исследованию немецких планетологов, опубликованному в 2017 году, масса прото-Юпитера всего за миллион лет превысила двадцать земных. В течение последующих трех миллионов лет он продолжал расти и достиг пятидесяти земных масс. Гравитационное воздействие такой массы позволило этой протопланете сыграть главную роль в формировании Солнечной системы. Оно препятствовало, и довольно заметно, переносу материи сквозь протопланетный диск. Именно по этой причине во внутренней части Солнечной системы нет массивных теллурических планет, подобных тем, что ученые обнаруживают во все возрастающих количествах на орбитах вокруг других звезд.

Итак, новорожденный Юпитер продолжает накапливать массу, поглощая окружающие его газ и пыль, и постепенно смещается к внутренней части диска. Из-за этого планета-гигант все чаще вступает в орбитальный резонанс с планетоидами, эволюционирующими во внутренней части Солнечной системы, между Марсом и Юпитером.

Взаимодействия приводят к возрастанию относительных скоростей, что, в свою очередь, вызывает разрушение тел во время столкновений. В результате, формирование планеты между Марсом и Юпитером оказалось невозможным – зародыши планет продолжали развиваться только в центральных областях Солнечной системы. Планетоиды, которые все еще оставались между Марсом и Юпитером, сформировали пояс астероидов, свидетелей ранней эпохи существования первичной Солнечной системы. В XIX веке многие астрономы предполагали, что пояс астероидов возник в результате разрушения гипотетической планеты Фаэтон, но сегодня ученые отвергают эту гипотезу.

Прогресс астронавтики позволяет планетологам надеяться посадить космический корабль на один из астероидов, чтобы исследовать вблизи первичный материал, из которого создавалась Солнечная система, и даже попробовать доставить на Землю его образцы. В 2005 году японский зонд «Хайабуса» совершил короткую посадку на астероид Итокава и забрал оттуда небольшое количество зернистого грунта, которое было доставлено на Землю в июне 2010 года. Позднее, в 2013-м, НАСА начало разработку амбициозной миссии ARM, предполагавшей доставку крупного осколка ближайшего астероида на постоянную окололунную орбиту, где астронавты могли бы детально его изучить. Однако по финансовым причинам в 2017 году подготовка этого проекта прекратилась.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

4,51 миллиарда лет назад
Образование Луны

Едва успев сформироваться, Земля столкнулась с Тейей, огромным планетарным зародышем. Этот мощнейший удар породил кучу обломков, превратившихся в Луну.

Международный астрономический союз недавно сформулировал критерии, которым должна соответствовать полноценная планета. В их числе – освобождение области пространства, в которой проходит орбита планеты, от каких-либо сопутствующих тел. В некоторый момент своей эволюции Земля превратилась в настоящую планету – ее орбита была свободна от «конкурентов». Исключение составляли так называемые точки Лагранжа L4 и L5 системы «Земля – Солнце». Эти точки названы в честь ученого из Пьемонта, графа Жозефа-Луи де Лагранжа, в 1772 году решившего «задачу трех тел» – описавшего движение небольшого тела под гравитационным воздействием двух более массивных, одно из которых совершает орбитальное движение вокруг другого (в данном случае Земли и Солнца). Лагранж открыл, что гравитационные поля массивных тел создают пять точек равновесия, от L1 до L5, и если небольшое тело поместить в одну из этих «точек Лагранжа», то оно останется неподвижным относительно двух тел большей массы.

Некоторые члены группы планетоидов, из которых формировалась Земля, нашли убежище в одной из двух самых стабильных точек Лагранжа в системе «Земля – Солнце» – L4 и L5. Объединившись, они образовали планетный эмбрион, постепенно выросший почти до размеров современного Марса. Протопланета, которую астрономы назвали Тейя, постепенно начала взаимодействовать с другими планетами; равновесие в точке Лагранжа нарушилось, планетоид выбросило на околосолнечную орбиту, и он столкнулся с Землей.

В результате катастрофического удара Тейя разлетелась на множество кусков. Ее внутреннее ядро, состоявшее в основном из расплавленного железа, погрузилось в недра Земли, тоже расплавившиеся от удара. Наша будущая планета окуталась облаком расплавленных и испарившихся легких пород, составлявших верхнюю мантию каждого из столкнувшихся небесных тел. Через несколько лет вещество этого облака сгустилось в плотное образование на расстоянии в двадцать тысяч километров от Земли – в будущую Луну. Новая планета и Земля начали постепенно отдаляться друг от друга.

Невероятная история протопланеты Тейи, названной в честь одной из дочерей Титана, матери Селены, богини Луны, – вовсе не сюжет фильма-катастрофы типа «Конца миров». Это сценарий, разработанный астрофизиками на основе детального компьютерного моделирования гипотезы о происхождении Луны, предложенной в 1975 году после того, как астронавты миссии «Аполлон» доставили на Землю образцы лунных пород. Катастрофическое столкновение подарило Земле большой спутник, который стабилизировал ее ось вращения и сыграл важнейшую роль в процессе эволюции жизни на Земле.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Последнее полное затмение Солнца (Через 600 миллионов лет)

4,5 миллиарда лет назад
Образование колец Сатурна

Ледяная оболочка крупного спутника Сатурна была разорвана приливными силами на множество осколков, из которых постепенно сформировались знаменитые кольца Сатурна.

Планеты Солнечной системы образовались из газопылевого диска, окружавшего новорожденное Солнце. Подобные диски очерчивали и гигантские планеты, которые образовались первыми. Массивные тела, сконденсировавшиеся в этих дисках, стали спутниками планет. Гравитационное взаимодействие с газом, остававшимся в глубинах диска, подталкивало спутники все ближе к материнским планетам. Так было и с огромным спутником Сатурна, планетой диаметром около пяти тысяч километров. Он, вероятно, напоминал Титан (самую крупную луну Сатурна) – большое небесное тело с каменным ядром, покрытым толстым слоем водяного льда.

Через несколько десятков миллионов лет после своего образования этот крупный спутник, постепенно смещаясь к поверхности материнской планеты, пересек предел Роша. Так называется высота, ниже которой внутренние молекулярные силы, связывающие в одно целое твердые породы спутника, оказываются слабее гравитационного воздействия приливных сил, порождаемых гигантской планетой. Для Сатурна эта граница, называемая по имени французского астронома Эдуара Роша, который в середине XIX века вывел для нее уравнение, находится на расстоянии около двух с половиной радиусов планеты от центра Сатурна.

Ледяная оболочка спутника, деформированная мощными приливными силами, взорвалась. Более прочное каменное ядро было поглощено газовым гигантом. От спутника осталось множество осколков льда, которые постепенно сформировали вращающийся вокруг Сатурна диск. Многие из них впоследствии тоже были поглощены планетой. Некоторые обломки, выброшенные за предел Роша, образовали небольшие ледяные луны Сатурна. Те же, что остались ниже предела Роша, сформировали удивительную систему колец, которая своей красотой сводит с ума начинающих астрономов.

Галилей наблюдал Сатурн еще в 1610 году, но из-за несовершенства линз своего телескопа принял систему его колец за два близких спутника. Но в 1656-м голландец Кристиан Гюйгенс убедился, что Сатурн окружают кольца. Таким образом, уже более четырехсот лет кольца Сатурна известны человечеству как одна из самых знаменитых особенностей Солнечной системы. Однако подобные кольца обнаружены и вокруг других гигантских околосолнечных планет. Они значительно менее массивны, и их очень трудно увидеть с Земли. Астрономы недавно начали находить кольца и вокруг других объектов Солнечной системы – например, вокруг карликовой планеты Хаумеа или астероида Харикло, самого маленького из известных небесных тел, окруженных поясом. Кольца обнаруживаются и вокруг некоторых экзопланет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

4,4 миллиарда лет назад
Образование облака Эпика – Оорта

Под влиянием гравитации планет-гигантов и многочисленных близкорасположенных звезд небольшие тела Солнечной системы рассеялись и образовали огромное облако.

Через десять миллионов лет после начала образования планет газопылевой диск, то есть та самая плацента, которая обеспечила питанием зародыши планет, начал постепенно рассеиваться. Планеты-гиганты, уже сформировавшиеся к этому моменту, эволюционировали внутри диска, в котором оставались неиспользованные остатки материи. Наблюдения, как правило, в инфракрасном спектре позволили астрофизикам обнаружить аналогичные «постпланетарные» диски вокруг многих молодых звезд. Пост-планетарный диск, вращавшийся вокруг Солнца, состоял из зернистой пыли, довольно большого количества газа и значительного числа планетезималей – небольших тел, не успевших преобразоваться в планеты. Весь этот материал находился на расстоянии около сорока астрономических единиц от Солнца.

Много мелких небесных тел было выброшено за пределы Солнечной системы и в результате гравитационного взаимодействия планет-гигантов. Такие тела обращались вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам, пролегавшим далеко на окраинах Солнечной системы. В ту эпоху звезды, сформировавшиеся одновременно с Солнцем, еще образовывали небольшое скопление, не успевшее рассеяться. Поэтому звездная плотность уголка галактики, в котором находилась Солнечная система, была все еще очень высокой: больше одной звезды на один кубический световой год. То одна, то другая звезда то и дело пролетали в окрестностях Солнечной системы. Их гравитационное воздействие на орбиты планетезималей приводило к тому, что на дальних окраинах Солнечной системы в конце концов образовалось внушительное скопище небольших небесных тел, известное в наши дни под названием «облако Эпика – Оорта».

Эстонский астрофизик Эрнст Эпик и голландский ученый Ян Оорт независимо друг от друга (Эпик еще в 1932 году, а Оорт в 1950-м) выдвинули гипотезу о том, что кометы с большим периодом обращения приходят из кометного облака, находящегося далеко за орбитой Плутона. Сегодня эта гипотеза подтверждена: облако Эпика – Оорта оказалось настоящим хранилищем комет, вмещающем больше тысячи миллиарда малых тел. Эти тела слабо связаны с Солнцем и находятся во власти внешних гравитационных воздействий, иногда забрасывающих их внутрь Солнечной системы, куда они являются в виде кометных ядер. Малые тела из облака Эпика – Оорта состоят в основном из всевозможных летучих веществ, находящихся в твердом состоянии, так называемых льдов. Общая масса облака составляет несколько земных; оно представляет собой огромную структуру, граница внутренней части которой, имеющей форму диска, лежит в тысяче астрономических единиц от Солнца, а внешняя часть, сферическая, заканчивается на расстоянии двухсот тысяч астрономических единиц от Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

4 миллиарда лет назад
Последняя метеоритная бомбардировка

Миграция планет-гигантов за пределы тех участков в пространстве, где они образовались, дестабилизирует Солнечную систему и провоцирует столкновения малых тел с теллурическими планетами.

Все больше планетологов считают, что спустя сотни миллионов лет после их образования четыре теллурические планеты и примкнувшая к ним Луна пережили период, в течение которого количество их столкновений с малыми телами резко возросло. В процессе своего образования планеты часто сталкиваются с телами меньшего размера – это естественно. Однако в начале 1970-х годов, когда астронавты трех последних миссий «Аполлон» собрали образцы лунных пород по соседству с Морем Дождей, Морем Нектара и Морем Спокойствия – тремя огромными впадинами, возникшими в результате ударных взаимодействий с крупными объектами, – то после датировки доставленных на Землю образцов, выяснилось, что эти столкновения произошли намного позднее начальной эпохи формирования планет. Это случилось около четырех миллиарда лет назад, в ходе метеоритной бомбардировки.

Причины поздней мощной бомбардировки объясняет «модель Ниццы», сценарий эволюции Солнечной системы, разработанный в обсерватории на Лазурном берегу. Согласно этой модели, четыре планеты-гиганта в эпоху своего образования находились гораздо ближе друг к другу, чем сейчас. Самая далекая тогда от Солнца планета, Уран, формировалась вблизи внутренней границы диска, насыщенного планетезималями. За счет гравитационного взаимодействия с мелкими телами на внутренней границе этого диска, четыре гиганта начали долгую миграцию: вовне – Сатурн, Нептун и Уран; внутрь, менее значительную – Юпитер. Несколько сотен миллионов лет спустя период обращения Юпитера вокруг Солнца стал равен половине периода обращения Сатурна.

Через полмиллиарда лет после окончания формирования Солнечной системы резонанс, возникший между двумя самыми массивными планетами, привел к возникновению интенсивного хаотического движения. Сатурн, выброшенный на окончательную орбиту, вступил в гравитационное взаимодействие с Нептуном и Ураном. Последние оказались вытеснены на значительно более вытянутые, чем прежде, орбиты. Они погрузились в диск планетезималей и нарушили устоявшиеся орбиты множества мелких тел, большинство из которых оказались просто выброшены за границы Солнечной системы. Но часть этих тел, наоборот, попала внутрь, на четыре теллурических планеты и Луну. Так началась метеоритная бомбардировка. Ее следы до сих пор заметны в виде огромных ударных кратеров на лишенных атмосферы Меркурии и Луне. А на Земле кратеры оказались скрытыми под водой, вероятно, уже содержавшей пребиотические материалы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Захват Тритона Нептуном (3,9 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

3,9 миллиарда лет назад
Захват Тритона Нептуном

Мигрируя от места своего рождения наружу из Солнечной системы, Нептун прихватил с собой карликовую планету Тритон, ставшую его спутником – и это объясняет ретроградное движение последнего.

До того как Юпитер и Сатурн вошли в резонанс, Нептун вращался по квазикруговой орбите гораздо ближе к Солнцу, чем сегодня. Но в результате мощного возмущения, произведенного резонансом массивных гигантов, орбита Нептуна стала более эксцентричной, и он проник довольно глубоко внутрь диска планетезималей – «отходов», оставшихся после образования планет. Вероятность захвата им проходящего мимо небесного тела заметно возросла, хотя даже для такого массивного тела, как Нептун, это не просто.

Согласно исследованиям, проведенным астрофизиками, самая благоприятная ситуация могла сложиться в момент встречи гиганта с двойными планетезималями. Взаимодействуя с подобной системой, Нептун мог легко захватить более массивное из тел двойной системы, и его избыточная энергия перешла бы к спутнику. Последний за счет этой энергии оказался бы выброшен из системы. В диске планетезималей, в который забрался Нептун, как раз было много двойных карликовых планет. Помимо известной пары Плутон – Харон, большинство известных сегодня карликовых планет, вращающихся за орбитой Нептуна и получивших название «плутино», имеют по одному-два спутника – например, у карликовой планеты Хаумея их два, у Эриды и Макемаке – по одному.

Итак, одна из этих карликовых планет вместе со своим спутником могла на небольшой скорости проникнуть в область гравитационного влияния Нептуна. Спутник был отброшен, а планета осталась в зоне влияния гиганта и сегодня известна нам как Тритон. Это самая крупная луна Нептуна: ее диаметр равен двум тысячам семистам километрам. Открыл эту огромную луну в 1846 году, всего через семнадцать дней после обнаружения Нептуна немецким астрономом Иоганном Галле, британец Уильям Лассел. Ученый работал в Берлинской обсерватории и изучал тот участок неба, в котором, по мнению французского исследователя Урбана Леверрье, могла находиться планета, искажающая своим притяжением орбиту Урана. Тритон, кроме всего прочего, оказался единственный крупным спутником планеты Солнечной системы, движущийся по орбите ретроградно – против направления вращения материнской планеты. Эта особенность подтверждает, что Тритон не является классическим спутником, сформировавшимся вместе с Нептуном. Его сходство с Плутоном скорее показывает, что он действительно захваченный Нептуном плутино.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

3,8 миллиарда лет назад
Извержение на Марсе

Гора Олимп на Марсе – самый высокий вулкан Солнечной системы. Его название происходит от Nix Olympica (Снега Олимпа), самой светлой области планеты, обнаруженной в XIX веке Джованни Скиапарелли.

Масса Марса в десять раз меньше, чем у Земли, и у него нет механизма тектоники плит, который есть у Земли. На Земле перемещение литосферных плит, между которыми расположены «горячие точки» выхода магмы на поверхность планеты, приводит к образованию горных вулканических цепей, состоящих из многих десятков кратеров. В северной части Тихого океана Гавайский архипелаг, образовавшийся над Гавайским разломом, маркирует границу тихоокеанской плиты. Движение плит ограничивает период активности той или иной вулканической гряды несколькими миллионами лет. На Марсе вулканическая деятельность выглядит совершенно по-другому – там нет тектонических плит, и магма могла миллиарды лет выливаться на поверхность в одной точке. Кроме того, на поверхности Марса не действуют механизмы выветривания и эрозии, выравнивающие земные горы, поэтому там вполне могут существовать огромные вулканы.

Именно таким вулканом и является Олимп, самая заметная гора на Красной планете. Его образование восходит к эпохе поздней метеоритной бомбардировки; его история продолжалась миллиарды лет и отмечена множеством извержений, самое значительное из которых случилось сотни миллионов лет назад. Космические наблюдения показали, что самые недавние следы активности на вершине Олимпа возрастом около ста миллионов лет. Но в 2004 году европейский зонд Mars Express обнаружил на склонах Олимпа потоки лавы возрастом всего в два миллиона лет – это значит, что вулкан, возможно, все еще активен.

3D-изображение горы Олимп, созданное с помощью многочисленных снимков с борта американского зонда Mars Global Surveyor. Некоторые исследователи считают, что Олимп образовался под слоем льда толщиной примерно в три километра: потоки лавы нагромождались друг на друга, образуя склон, сохранившийся после исчезновения льда.

В XIX веке первые астрономы, изучавшие поверхность Марса, описывали ее, основываясь на относительном альбедо – отражающей способности различных регионов красной планеты, хорошо различимых в телескоп. Олимп обязан своим названием зоне с высоким альбедо, обнаруженной на Марсе итальянским астрономом Джованни Скиапарелли и названной им Снегами Олимпа (Nix Olympica). Но заметная с Земли высокая отражающая способность этой местности объясняется не снегом, а кристалликами замерзшей двуокиси углерода. Морфология вулкана похожа на морфологию его земных аналогов, щитовых вулканов с пологими склонами, таких как, к примеру, Мауна-Кеа в Гавайском архипелаге. Однако Олимп заметно отличается своими размерами – конусом шириной в сто пятьдесят километров и высотой вдвое большей, чем у Мауна-Кеа. Его высота относительно марсианского нулевого уровня – двадцать одна тысяча метров; это самая высокая горная вершина Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

3,8 миллиарда лет назад
Образование пояса Эджворта – Койпера

Мигрируя все дальше от Солнца, Нептун выталкивает из Солнечной системы малые тела, образовавшиеся недалеко от светила, и они создают пояс Эджворта – Койпера.

До периода нестабильности, вызванной вошедшими в резонанс Юпитером и Сатурном, Солнечная система была намного компактнее. Диск планетезималей вращался в непосредственной близости от внешних гигантов Урана и Нептуна, названных «ледяными», так как в их составе, помимо водорода и гелия, много летучих компонентов (воды, метана, аммиака), а их астрофизики называют «льдами» независимо от их агрегатного состояния, твердого или жидкого. Этот диск, состоявший из мелких тел, был довольно массивным (около двух земных масс) и мог бы образовать несколько карликовых планет типа Плутона.

Вошедшие в резонанс Юпитер и Сатурн спровоцировали миграцию ледяных гигантов в направлении от Солнца и изменили орбиту Нептуна так, что он начал взаимодействовать с постпланетарным диском. Последний расползся по всем направлениям: орбиты многих планетезималей заметно изменились, а некоторые из них были и вовсе выброшены из Солнечной системы. Другие оказались в облаке Эпика – Оорта. К тому времени, когда гиганты встали на свое окончательное место, некоторое количество малых планет оказалось в зоне достаточно стабильных орбит на границах Солнечной системы.

Плоскости орбит этих уцелевших тел часто приобретали большие углы наклона к эклиптике – плоскости земной орбиты и орбит большинства остальных планет. В результате эти малые планеты образовали зону тороидальной формы, расположенную на расстоянии от тридцати до шестидесяти астрономических единиц от Солнца – пояс астероидов огромной протяженности. Предположение о том, что за пределами орбит больших планет существует протяженный пояс малых тел, впервые выдвинул в 1943 году ирландский астроном Кеннет Эджворт, а в 1951-м похожую гипотезу независимо предложил американский астроном голландского происхождения Джерард Койпер.

В поясе Эджворта – Койпера должно находиться множество тел диаметром около сотни километров – к их числу относится Плутон и несколько других недавно открытых карликовых планет. В настоящее время сквозь пояс Койпера пролетает космический зонд «Новые Горизонты» (New Horizons). После облета Плутона в 2015 году, в январе 2019-го этот зонд НАСА пролетел мимо объекта более скромных размеров, обнаруженного в 2014-м космическим телескопом «Хаббл» и обозначенного 2014 MU69. Это небесное тело, расположенное на расстоянии сорока астрономических единиц от Солнца, стало самым далеким космическим объектом, мимо которого пролетал космический аппарат с Земли. Сначала объект в результате организованного НАСА общественного обсуждения был назван Ультима Туле (от лат. Ultima Thule – крайний Туле, край света) – так называли древние полумифический остров к северу от Британии, вне пределов изученного мира, который искал и якобы нашел в IV веке до нашей эры древнегреческий путешественник моряком Пифей. Но так как это название когда-то использовали в своей пропаганде нацисты, Центр малых планет Международного астрономического союза в 2019 году утвердил за ним другое имя – Аррокот, что на языке индейцев поухатан означает «небо».

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование Пояса астероидов (4,56 миллиарда лет назад)

Образование Облака Эпика – Оорта (4,4 миллиарда лет назад)

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

3,5 миллиарда лет назад
На Земле возникает жизнь

О раннем возникновении жизни на Земле свидетельствуют строматолиты, сформированные поглощавшими углерод колониями бактерий.

Жизнь на Земле возникла в эпоху, о которой до сих пор все еще известно слишком мало, чтобы можно было хотя бы примерно определить время этого события. Специалисты тем не менее в большинстве своем согласны с тем выводом, что особое значение в этом процессе имела вода: прекрасный растворитель, сыгравший важную роль в химических реакциях между наиболее многочисленными атомами. Она же способствовала взаимодействию и соединению первых органических молекул. Наконец, вода смогла защитить первые новорожденные пребиотические молекулы от разрушительного воздействия космического излучения и ультрафиолетового излучения Солнца. Первичные океаны предоставили идеальные условия для создания более сложных структур, вплоть до появления прообразов клеток, обладавших мембранами.

Возникновение на поверхности Земли океанов стало возможным в результате совпадения множества процессов. Интенсивный вулканизм, поднявший на поверхность всю воду из глубинных слоев в виде пара, быстро окутал планету толстым облачным одеялом. Первые океаны наполнились за счет ливневых дождей, которые стали результатом конденсации водяного пара, насыщавшего земную атмосферу, и этот процесс продолжался несколько миллионов лет. Вода могла попасть на Землю и из космоса, в виде ледяных метеоритов во время поздней метеоритной бомбардировки.

Эти дополнительные источники воды тоже в принципе могли содержать пребиотические материалы. Данные, полученные европейским космическим зондом «Розетта», находившимся на орбите вокруг ядра кометы Чурюмова – Герасименко с 2014 по 2016 год, подтвердили, что небольшие тела Солнечной системы богаты макромолекулами на основе углерода.

Постепенно декорации менялись: появились первые клетки, океаны были заселены бактериями. В прибрежных водах размножились колонии цианобактерий (синих водорослей) – они расположились между линиями прилива и отлива. Бактерии связывали двуокись углерода, заполнявшую атмосферу, и сформировали строматолиты. Обнаружение этих чрезвычайно древних морских ископаемых образований в самых старых земных породах (как те, что были найдены в провинции Пилбара, на северо-западе Австралии) подтверждает факт появления жизни на Земле более трех с половиной миллиарда лет назад. Аналогичный анализ более древних пород показывает, что жизнь возникла на ранних этапах существования Земли. Ее эволюция поначалу была чрезвычайно медленной; взрыв биологического разнообразия произошел только спустя три миллиарда лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

Великая оксигенация (2,4 миллиарда лет назад)

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

2,4 миллиарда лет назад
Великая оксигенация

Выделяемые живыми организмами молекулы кислорода из-за перенасыщения уже не могут связываться с горными породами и начинают аккумулироваться в атмосфере.

Более трех с половиной миллиарда лет назад, когда на Земле возникла жизнь в виде цианобактерий, состав атмосферы заметно отличался от сегодняшнего. Атмосфера нашей планеты напоминала по составу атмосферы нынешних Марса или Венеры и состояла из двуокиси углерода с небольшой примесью азота. Основой атмосферы был углекислый газ, неорганическое вещество CO₂, в молекуле которого соединены атом углерода и два атома кислорода. Цианобактерии, используя энергию солнечного света, разрушали эту молекулу, забирая углерод и выпуская в атмосферу все возрастающие количества кислорода. Но в течение первого миллиарда лет состав атмосферы не менялся.

Произведенный бактериями кислород связывался, в силу своей высокой химической активности, с минералами земной коры, в особенности с железом. Но однажды наступил момент, когда все доступные минералы на Земле оказались окислены. И кислород начал уходить в атмосферу. В ней в те времена было еще и достаточно метана, чтобы поддерживать довольно теплый климат, который ранее обеспечивал за счет аналогичных эффектов углекислый газ. Теплом пользовались организмы, способные жить без кислорода. Кислород же, распространяясь в атмосфере, взаимодействовал с метаном, который через сотню тысяч лет полностью исчез. Парниковый эффект постепенно сошел на нет. Падение температуры привело к тому, что вся земная поверхность покрылась толстым слоем льда. Это было так называемое Гуронское оледенение, самый длительный период состояния «снежка» в истории Земли. В течение нескольких сотен миллионов лет оно не позволяло живым организмам развиваться.

Некоторые виды, однако, сумели выжить в этой первой экологической катастрофе, приспособившись к новой окружающей среде и сумев переключить свой метаболизм на кислород. Гуронское оледенение закончилось стеканием огромного количества воды по континентам в море; эти потоки принесли в океан много питательных элементов. Цианобактерии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, расцвели на новом питании и произвели большое количество кислорода. Его содержание в атмосфере достигло уровня, необходимого для возникновения многоклеточной жизни. Так и случился эволюционный прорыв, ставший прелюдией биологического разнообразия. Вдобавок, воздействие ультрафиолетовых солнечных лучей на кислород вызвало образование озона, который сформировал в верхних слоях атмосферы защитный слой, не пропускающий губительный для живого ультрафиолет. Это был второй фактор, способствовавший биоразнообразию.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Земля-снежок (650 миллионов лет назад)

2 миллиарда лет назад
Природный реактор

На огромной глубине, под осадочными породами будущего Габона, создались условия для цепной реакции деления.

В результате взрыва сверхновой по соседству с солнечной туманностью на Землю в процессе ее образования попали два радиоактивных изотопа урана: уран-235 и уран-238. Первый распадается в шесть раз быстрее, чем второй – поэтому доля урана-235, составлявшая в ранний период развития Земли 17 %, уменьшилась и за два миллиарда лет до современной эпохи равнялась всего 3,8 %. Именно содержание урана-235 является решающим для работы ядерного реактора на обычной воде. Сотни миллионов лет назад вода и струйки кислорода, выпускаемые первыми цианобактериями, окислили уран и зафиксировали его в осадочных породах. На большой глубине под территорией современного Габона в форме пористых линз, заполненных водой, залегают породы, богатые окисью урана. Именно там чуть менее двух миллиарда лет назад запустился естественный ядерный реактор.

В середине 1950-х годов французские исследователи из СЕА (Комиссариат по ядерной энергии) обнаружили на востоке Габона богатые месторождения урана. В 1972 году инженеры завода СЕА в Пьерлате, во французской провинции Дром, сделали анализ урана, добытого в Габоне на месторождении Окко. Исследование позволило обнаружить небольшой дефицит изотопа урана-235. Физик Фрэнсис Перрен, бывший старший комиссар СЕА, предположил, что наблюдавшаяся аномалия была вызвана прошлой активностью природного ядерного реактора, существование которого предвидел в 1956 году американский физик-ядерщик японского происхождения Пол Казуо Курода.

Быстрые нейтроны, возникающие во время самопроизвольного деления ядра урана-135, замедляются водой, омывающей месторождения урана, и с легкостью разрушают другие ядра: таков принцип цепной реакции. Природный реактор в Окко, действуя на пониженной мощности, сохранял активность на протяжении сотен тысяч лет.

Этот реактор произвел такое количество продуктов деления, что Фрэнсис Перрен и его коллеги в 1972 году идентифицировали в породах, извлеченных на руднике в Окко, дочерние элементы, образованные в результате распада, и показали, что реактор действовал именно в этом месте. Здесь стоит заметить, что ключевым параметром теории функционирования ядерного реактора, в том числе и природного, является постоянная тонкой структуры. Так вот, исследования реактора в Окко показали, что два миллиарда лет назад значение постоянной тонкой структуры было с точностью до одной стомиллиардной таким же, как и измеряемое сегодня в лаборатории. Еще один камень в огород тех, кто утверждает, что фундаментальные константы могут меняться!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

800 миллионов лет назад
Мессье-32 вливается в Андромеду

Галактика Мессье-32, двигаясь в сторону Мессье-31, запечатлела на диске туманности Андромеды структуру из концентрических колец со спиральными рукавами.

Пусть наша Местная группа и достаточно скромное скопление галактик, но ее самая массивная галактика Мессье-31, то есть туманность Андромеды несет на себе следы множественных столкновений. Одно из них произошло в сравнительно недавний период бурной истории Местной группы. По траектории, ведущей к лобовому столкновению, к Мессье-31 начала приближаться одна из соседних с нею галактик. Это была небольшая эллиптическая галактика, гораздо меньшей, чем у Мессье-31, массы, открытая в 1749 году французским астрономом Гийомом Ле Жантилем и получившая название Мессье-32.

Многие астрофизики, стремясь понять сложную морфологию туманности Андромеды, пытались смоделировать процесс погружения галактики Мессье-32 в гравитационное поле ее массивной соседки. Южноафриканский астрофизик Дэвид Блок и его коллеги в 2006 году опубликовали цифровую модель столкновения, произошедшего по их расчетам двести десять миллионов лет назад, в нескольких тысячах световых лет от центра Мессье-31. Столкновение, судя по всему, породило две круговые волны изменения плотности, распространившиеся к внешним краям диска Андромеды, который к этому моменту, наподобие Млечного Пути, уже имел два спиральных рукава.

Изображение туманности Андромеды, созданное европейским космическим телескопом «Гершель» в дальнем инфракрасном диапазоне. Цифровая модель погружения Мессье-32, созданная недавно М. Дьерикс и ее коллегами, предполагает, что своим непростым обликом – спиральными рукавами и концентрическими кольцами – Андромеда может быть обязана эффекту перспективы, вызванному небольшим углом между направлением луча зрения и диском туманности Андромеды.

Блок и его коллеги предположили, что во время столкновения галактика Мессье-32, игравшая роль снаряда, потеряла половину своих звезд и темной материи, и практически все запасы газа. После погружения Мессье-32, сохранив только свое ядро, продолжила существование уже в роли карликовой компактной галактики.

Совсем недавно, в 2014 году, американская женщина-астрофизик Мэрион Дьерикс и два ее соавтора опубликовали статью, в которой представили иную непротиворечивую модель взаимодействия Мессье-31 и Мессье-32, учитывающую все, что известно о положении в пространстве, скоростях и морфологии обеих галактик. Новая цифровая модель предполагает совсем иную историю события: столкновение Мессье-32 с периферийными областями туманности Андромеды произошло восемьсот миллионов лет назад. По расчетам исследователей выходит, что столкнуться с центральными областями М-31 галактике М-32 не позволило бы ее взаимодействие с другими соседними галактиками. Авторы модели предположили, что именно воздействие Мессье-32 привело к возникновению наблюдаемых особенностей спиральной структуры туманности Андромеды, напоминающих концентрически расходящиеся волны от брошенного в воду камня – до столкновения, по мнению ученых, эти структурные особенности отсутствовали. И наконец, исследователи уверены, что Мессье-32 была карликовой компактной галактикой еще до столкновения, и на ее морфологию никак не повлияло сквозное пересечение ею диска туманности Андромеды.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

650 миллионов лет назад
Земля-снежок

Движение суперконтинента Родиния, протянувшегося по обе стороны от земного экватора, привело к неожиданному результату – резкому снижению парникового эффекта.

Отражающие поверхности Земли (облака, полярные шапки), имеющие более высокое альбедо, возвращают в космос часть падающего солнечного излучения, а остальное поглощается более темными поверхностями (океанами, сушей). Прогревшись, эти огромные площади отправляют в космос поток тепла, в основном в виде инфракрасного излучения. Однако некоторые из газов земной атмосферы (водяной пар, двуокись углерода, метан), оставаясь прозрачными для солнечных лучей, не пропускают инфракрасное излучение. Атмосфера защищает Землю от космического вакуума так же, как парник защищает растения от внешней среды – отсюда и возник термин «парниковый эффект». Однако стекла парника защищают растения не столько от излучения, сколько от теплообмена между внутренней и внешней средами. Поэтому для влияния земной атмосферы кажется более подходящим термин «радиационная защита».

Если бы парникового эффекта не было, средняя температура на поверхности Земли снизилась бы как минимум на двадцать градусов по Цельсию. Земной шар покрылся бы льдом, а это в свою очередь привело бы к росту альбедо и дальнейшему падению средней температура ниже минус пятидесяти градусов! И случившаяся около двух миллиарда лет назад «Великая оксигенация», разрушив метан в атмосфере и уничтожив поддерживавшийся с его помощью парниковый эффект, вызвала первое сильнейшее похолодание на нашей планете – Гуронское оледенение. Снижение содержания углекислого газа еще дважды за последний миллиард лет порождало аналогичные явления: Стертское оледенение и оледенение Марино. Все началось восемьсот миллионов лет назад, когда суперконтинент Родинея, сформировавшийся случайным образом задолго до того, в результате тектоники плит начал перемещаться вдоль линии тропиков. В итоге произошли два важных события: возобновление вулканической активности, вследствие которой на землю излились потоки базальтовой магмы, образование океанов и морей. Климат на планете становился более влажным, на землю выпадало больше осадков. Постоянно струящаяся вода усиливала эрозию почвы, в частности базальтовых поверхностей, которые под действием воды разрушались, соединяясь с углекислым газом и образуя отложения карбонатных пород.

Снижение содержания углекислого газа привело к постепенному ослаблению парникового эффекта, и на планете снова наступило глобальное похолодание, увеличившее размер полярных шапок. В свою очередь, выросло альбедо, поступление солнечной энергии упало, и земной шар опять постепенно покрылся льдом. Эти два превращения Земли в «снежок» привели к вымиранию множества видов живых существ. Закончились оледенения с возобновлением вулканической активности и выбросом в атмосферу большого количества углекислого газа, а это привело к восстановлению парникового эффекта и таянию льдов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Великая оксигенация (2,4 миллиарда лет назад)

500 миллионов лет назад
Образование созвездия Большая Медведица

Яркие звезды Большой Медведицы образовались из одной и той же туманности, после чего, рассеявшись в пространстве, расположились на нашем небе в виде самого известного созвездия (астеризма) Северного полушария.

Где-то на окраине Млечного Пути, на расстоянии чуть больше двадцати шести тысяч световых лет от центра Галактики, в одном межзвездном облаке внезапно активизировалось звездообразование. Появилась цепочка молодых звезд, которые, когда облако рассеялось, оказались связаны силами взаимного притяжения и образовали рассеянное звездное скопление. Эта группа звезд одинакового возраста и химического состава, перемещаясь в одном направлении, оказалась пятьсот миллионов лет спустя всего в сотне световых лет от Солнца. Под влиянием галактических соседей скопление слегка растянулось в пространстве. Сегодня самые яркие звезды этого старого скопления образуют созвездие (астеризм) Большая Медведица, легко узнаваемое на ночном небе фигуру в форме гигантского ковша.

Все культуры Северного полушария так или иначе упоминали в своей мифологии это созвездие. В греческих мифах оно было связано с Каллисто, нимфой, в которую влюбился Зевс. А Гера, его супруга, мучимая ревностью, отомстила: она превратила Каллисто в гигантскую медведицу, а Аркада, мальчика, родившегося от ее союза с Зевсом, – в медвежонка, и приговорила их вечно вращаться вокруг Северного полюса, не имея возможности уйти за горизонт. Кстати, следует заметить, что термин «Арктика», используемый для обозначения земель, окружающих Северный полюс, происходит от слова árktos (в переводе с греч. – медведь). Римляне, обладавшие более практическим умом, назвали созвездие Septem Triones, то есть «семь пахотных волов», которые бесконечно крутили молотилку для зерна вокруг Северного полюса – отсюда происходит и название северного ветра в средневековых книгах – «септентрион».

Воображение представителей разных культур Северного полушария превращало этот астеризм в плуг, ковш, коня на привязи, даже повозку короля Артура в средневековой Франции. У индусов оно стало семью мудрецами, а у персов – семью тронами. Другая интерпретация – гроб, обнаруживается как у евреев и арабов, так и у ранних христиан, видевшие в созвездии гроб Лазаря, за которым следуют три его сестры Мария, Марфа и Магдалина. Китайцы называли созвездие Бэйдоу, что означает «северный ковш». Так называется и китайская система спутниковой навигации, построенная в 2020 году.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Вспышка звездообразования в Малом Магеллановом Облаке (320 миллионов лет назад)

Скопление Плеяд (115 миллионов лет назад)

Карты звездного неба (650)

320 миллионов лет назад
Вспышка звездообразования в Малом Магеллановом облаке

Приливные силы, порожденные притяжением Млечного Пути, вызвали вспышку звездообразования в недрах Малого Магелланова Облака. В результате образовалось большое звездное скопление.

Межзвездная туманность весьма внушительных размеров выросла в недрах Малого Магелланова Облака. Она возникла в результате такого же столкновения галактик в Местной группе, какое произошло и с туманностью Андромеды. Малое Магелланово Облако, карликовая галактика с содержанием газа в три раза выше, чем в Млечном Пути, подошла к нему слишком близко. Возникшие в результате приливные силы перемешали газ внутри Малого Магелланова Облака и запустили в нем одну из самых активных из известных нам вспышек звездообразования. Мириады молодых звезд, связанных друг с другом взаимным притяжением, образовали поразительно красивое звездное скопление.

Триста двадцать миллионов лет спустя это скопление по-прежнему сохраняет относительно четкие контуры: за счет своей большой массы, не позволяющей входящим в него звездам пуститься в свободное плавание. Под обозначением NGC 265 скопление внесли в «Новый генеральный каталог туманностей и звездных скоплений». Этот монументальный труд, в первой версии включавший почти восемь тысяч объектов, стал самым знаменитым каталогом диффузных образований неба после каталога Шарля Мессье. Составил его датский астроном Джон Дрейер в обсерватории Арма, в Северной Ирландии в конце 1880-х годов на основе каталога, составленного Джоном Гершелем, сыном первооткрывателя Урана Уильяма Гершеля.

Сегодня скопление NGC 265 притягивает внимание всех астрономов. Любители, наслаждающиеся снимками, сделанными космическим телескопом «Хаббл», видят в нем россыпь сверкающих драгоценных камней. Профессионалы же превратили его в небесную лабораторию по изучению звездных населений. Для астрофизиков NGC 265 служит настоящим питомником звезд. В нем можно встретить особей всех размеров на всех стадиях развития, за исключением, пожалуй, лишь самых массивных, уже исчезнувших. Все звезды NGC 265 сформировались практически одновременно, и их возраст и начальный состав почти одинаковы. Поскольку все они расположены на одном расстоянии от нас (двести тысяч световых лет), их яркость пропорциональна собственной светимости. И наконец, NGC 265 расположена в галактике, чья металличность – пропорциональное содержание элементов тяжелее водорода и гелия – отличается от металличности Млечного Пути, и потому представляет большой интерес для исследований. В 2007 году астрономы, наблюдая за тысячей звезд скопления с помощью космического телескопа «Хаббл», установили, что скоплению триста двадцать миллионов лет, а его металличность достигает четверти солнечной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

Скопление Плеяды (115 миллионов лет назад)

Современная Вселенная

События, которые мы наблюдаем на небе в одно и то же время, на деле не обязательно одновременны. Причина этого проста: информация распространяется со скоростью света, и поэтому события, происходящие относительно близко к Солнцу, становятся видимыми нам гораздо раньше, чем те, которые случились в очень далеких областях Вселенной, свет от которых идет к нам миллиарды лет. Поэтому на нашем небе сегодняшняя Вселенная переплетается со Вселенной далекого прошлого.

Перечисленные в этой книге события, случившиеся за последние сто шестьдесят миллионов лет, заполняют чуть больше одной сотой доли возраста Вселенной – исчезающе малая доля неторопливо текущего астрономического времени! Однако в нашем крохотном уголке пространства Вселенной за этот малый временной промежуток произошли события, круто изменившие картину мира в нем. Первым из них, относящимся непосредственно к Солнечной системе, было образование астероидов семейства Баптистины. На примере этого вполне обычного, практически незаметного в масштабах Вселенной события мы видим, как легко любая форма жизни, возникшая на просторах космоса, может стать случайной жертвой космической катастрофы. Зловещее семейство Баптистины стало причиной разрушительной метеоритной бомбардировки, обрушившейся на планеты, в том числе и нашу Землю.

Современной астрофизике нередко приходится изучать катастрофические процессы: взрывы звезд, невероятно мощные высокоэнергетические проявления черных дыр. События, о которых мы расскажем далее, были одной из крупнейших катастроф, случившейся сравнительно недавно в нашем уголке Вселенной.

Речь пойдет уже о почти сегодняшней Вселенной, в которой вот-вот появится новый вид живых существ – человек. Человек, который когда-то оставил свои следы на берегу озера в Африке, – прообраз будущих человеческих следов на Луне и следов, которые когда-нибудь непременно появятся на поверхности Марса…

160 миллионов лет назад
Семейство Баптистины

Столкновение двух крупных тел Пояса астероидов породило множество обломков – так называемое семейство астероида Баптистины, ставшее причиной относительно недавних катастроф на Луне и Земле.

Одним из этих небесных тел была малая планета, сформировавшаяся во внутренней части пояса астероидов, на расстоянии чуть больше двух астрономических единиц от Солнца – около трехсот миллионов километров. Размеры астероида были весьма внушительны – его диаметр равнялся ста семидесяти километрам, что совсем не характерно для небесных тел, испытывающих действие мощной гравитации Юпитера. За исключением нескольких крупных тел, таких как Церера, чья масса и поперечник вполне позволяют считать ее карликовой планетой, большинство астероидов Главного пояса обладают гораздо более скромными размерами.

Другим участником столкновения стал тоже довольно крупный астероид (около шестидесяти километров в диаметре), на соседней с первым орбите. Мощный лобовой на относительной скорости в три километра в секунду превратил оба астероида в облако обломков, достаточно крупных, чтобы соединяться друг с другом. Сформировалось целое семейство тел с похожими орбитальными характеристиками. Французский астроном Огюст Шарлуа, проводя в 1890 году наблюдения в обсерватории Ниццы (сегодня она объединена с обсерваторией Лазурного берега), открыл самое крупное из этих тел диаметром сорок километров и назвал его Баптистина. Шарлуа известен открытием более сотни астероидов.

В те времена астрономы все еще хранили привычку нарекать открытые ими астероиды именами собственными, как правило женскими. Сегодня это имя принадлежит целому семейству, состоящему из сотни тел размером более десяти километров.

Методами численного моделирования американские планетологи Уильям Боттке и Дэвид Несворны, а также чешский ученый Дэвид Вокрухлицкий восстановили траектории астероидов семейства Баптистины. Они установили общую точку возникновения и обнаружили, что два представителя этого семейства обрушились: один на Луну, где образовался кратер Тихо, а второй на Землю, где из-за него шестьдесят пять миллионов лет назад пришел конец динозаврам!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование Пояса астероидов (4,56 миллиарда лет назад)

Падение астероида на Луну (108 миллионов лет назад)

Падение астероида на Землю (65 миллионов лет назад)

130 миллионов лет назад
Тайна килоновой

Две нейтронные звезды в двойной системе слились, создав всплеск гравитационных волн, сопровождавшийся выбросом звездной материи.

Линзовидная галактика NGC 4993 расположена относительно недалеко от Земли – в ста тридцати миллионах световых лет, поэтому германо-британский астроном Уильям Гершель открыл ее уже в 1789 году. Эта галактика приютила двойную звездную систему, состоявшую из нейтронных звезд, которым общая теория относительности Эйнштейна предписывает вращаться вокруг друг друга по спиральным траекториям, неудержимо сближаясь, чтобы однажды слиться воедино. Событие создало мощный поток гравитационных волн, достигший Земли 17 августа 2017 года. Гравитационно-волновой сигнал от этого события, обозначенного кодом GW 170817, был одновременно зарегистрирован тремя инструментами: американскими лазерными интерферометрами LIGO и франко-итальянским гравитационно-волновым телескопом Virgo.

Менее чем через две секунды после обнаружения GW170817 интерферометрами, космические обсерватории – американская «Ферми» и европейская «Интеграл» – сообщили о регистрации короткого гамма-всплеска GRB170817A. Менее одиннадцати часов спустя телескоп имени Генриетты Суоп в обсерватории Лас-Кампанас в Чили зарегистрировал транзиентное (то есть кратковременное) событие AT2017gfo, которое поспешили затем подтвердить многие обсерватории – в том числе и космический телескоп «Хаббл», определивший, что событие произошло в недрах галактики NGC 4993. С 22 по 28 августа 2017 года свечение объекта постепенно угасло.

Благодаря большому расстоянию между итальянским интерферометром Virgo и американской установкой LIGO удалось сузить границы области, в которой могло произойти это событие. Местоположение галактики NGC 4993 было определено на небе с точностью до тридцати квадратных градусов – она находится в пределах той же площадки неба, что и источник GRB170817A. В конечном счете вероятность того, что сигналы GW170817, GRB170817A и AT2017gfo не связаны между собой, меньше одной миллиардной.

Эта серия наблюдений ознаменовала собой появление новой астрономии, основанной на комплексных наблюдениях источников информации различной природы. Собранные с помощью этих методов данные позволяют восстановить событие во всей полноте: составлявшие двойную систему нейтронные звезды слились в одно целое. Часть вещества, из которого они состояли, была выброшена в окружающее пространство в виде оболочки, расширяющейся со скоростью, близкой к скорости света; этот выброс и по�

Jacques Paul

Jean-Luc Robert-Esil

La fabuleuse histoire

DE L’UNIVERS

DU BIG BANG AU BIG FREEZE

Originally published in France as: La fabuleuse histoire de l’Univers. Du Big Bang au Big Freeze By Jacques PAUL & Jean-Luc ROBERT-ESIL © Dunod, 2019, Malakoff

Во внутреннем оформлении использованы фотографии и иллюстрации:

© Frederic CASTEL/Gamma-Rapho / GettyImages.ru;

© Sebastian Kaulitzki, Science History Images, Universal Images Group North America LLC, American Photo Archive / Alamy / Legion-Media;

© UIG Education / Encyclopaedia Britannica / DIOMEDIA

© Соколова М.С., перевод на русский, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

Предисловие

Мы, человеческие существа, похожи на младенца, потерявшегося в колыбели огромного размера и заснувшего, свернувшись калачиком в уголке кроватки, устав от попыток нащупать границы своего крошечного мира. В точности как этот малыш, мы постоянно пытаемся найти пределы нашей Вселенной! Именно поэтому астрономия не просто одна из наук: она воплощает нашу генетическую связь со Вселенной, с этой сущностью, откуда возникло все, что нас окружает, да и мы сами тоже. И однажды мы должны будем вернуться к собственным истокам, когда жгучее Солнце сделает необитаемой нашу крошечную планету.

С тех самых пор, как мы начали осознавать самих себя и наш мир, наши взгляды обращены в небо. Уже шесть десятков лет прошло с того момента, когда юный советский военный летчик воплотил в жизнь древний миф об Икаре и проник за границы земной атмосферы на допотопном космическом корабле. И все же пока только астрономия позволяет во всех подробностях исследовать небесные тела. Чувствительные электронные глаза астрономических приборов тщательно сканируют небо. Благодаря астрономии Вселенная стала, как выразился французский писатель и ученый Бернар Ле Бовье де Фонтенель, «великим спектаклем, сравнимым только с оперой».

Именно радость от возможности поделиться несравненным научным наследием с читателями побудила нас написать «Волшебную историю Вселенной». Мы также должны воздать должное всем тем женщинам и мужчинам, которые разделяли эту страсть и были так же околдованы небом. Только благодаря всем этим мечтателям мы можем наконец увидеть того «Бога из машины», который управляет главным действием…

Описанные в книге явления были отобраны по признакам их универсального характера, например процессы, которые происходили на заре возникновения Вселенной, или те, что, вероятно, произойдут при ее конце. Другие описанные явления имеют значение для нашего существования в Солнечной системе или сыграли роль в образовании нашей звезды и определяют ее потенциальное будущее. И наконец, целый ряд упомянутых нами событий относится к историческим временам, то есть к периоду продолжительностью около четырех веков, в течение которого развитие науки двигалось все ускоряющимися темпами.

Только в конце XVII века европейское научное сообщество, обретя уверенность в себе и доминирующую роль в мире, смогло сформулировать (правда, с большим трудом) разницу между астрологией и астрономией и наконец осмелилось прийти к выводу, что Вселенная может на самом деле быть бесконечной, и даже населенной бесконечным количеством миров, похожих на наш. Еще труднее поверить сегодня, что в XIX веке большинство ученых считало Вселенную равной нашей галактике, Млечному Пути. Еще в 1990-х годах мы ничего не знали о расширении Вселенной и о темной энергии – предполагаемой причине этого расширения. Но сегодня все специалисты уверены, что эта энергия (ее природа до сих пор не ясна) составляет три четверти всего энергетического запаса Вселенной…

Еще следует пояснить, что легло в основу нашего исторического и научного выбора. В ряде случаев он отражает то, что принято называть «общепринятым консенсусом»; но для целой серии явлений мы были вынуждены приводить разные варианты интерпретаций и гипотез, которые порой весьма удачно дополняют и объясняют друг друга.

Благодарности

Мы хотели бы особо поблагодарить Анн Помпон за ее неутомимую поддержку и всегда ценные примечания. И огромное спасибо Саре Форвей за ее тщательную работу над корректурой рукописи.

Начало истории

Астрофизики изучают все те штуки, что мы видим в небе, как системы, подчиняющиеся законам физики, но, прежде всего, они исследуют саму Вселенную во всей ее огромности. В 20-х годах ХХ века, расставшись с идеей Вечной Вселенной, столь дорогой их предшественникам, философам-материалистам из века XIX, астрофизики отбросили космогонические мифы, созданные самыми разными древними культурами, и заинтересовались идеей образования Вселенной в результате некоего уникального события. Научное сообщество, опираясь на неоспоримые доказательства, согласилось с выводом, что Вселенная возникла в результате процесса, который начался тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, и описывается Стандартной космологической моделью.

На этом этапе нам следует ввести понятие «наблюдаемая Вселенная», которым обозначается ее видимая часть. Это воображаемая сфера, в центре которой находится Земля, и граница которой – космологический горизонт – расположена там, откуда до нас не может дойти ни один сигнал. Стандартная космологическая модель сегодня относит космологический горизонт на расстояние 45 миллиарда световых лет, с учетом процесса расширения Вселенной.

Исследовать ненаблюдаемую часть Вселенной невозможно, но, согласно космологическому принципу, Вселенная, если рассматривать ее в очень большом масштабе, подобна самой себе по всем направлениям, поэтому те области Вселенной, что находятся за космологическим горизонтом, скорее всего, похожи на те, что мы наблюдаем в ее видимой части.

Эта модель соответствует идее образования Вселенной в измеримом прошлом и создает возможность дискуссий, способных смутить самый рациональный ум. Один из самых странных выводов, вытекающих из этой модели, предполагает, что физические константы были будто специально скорректированы так, чтобы возникла разумная жизнь.

События начала истории произошли очень давно и уложились в очень период (триста восемьдесят тысяч лет). Датировать их с помощью обычного календаря невозможно, поскольку при таком подходе они просто сливаются в одно. Поэтому в этой части книги мы использовали датировку с помощью отрезков времени, прошедшего с момента начала расширения Вселенной.

До Большого взрыва

Мультивселенная?

Мультивселенная – это гипотетический ансамбль всех возможных миров, каждый из которых существует по собственным законам. Наш мир развивался на основе фундаментальных физических констант, которые способствовали возникновению жизни.

В 1895 году американский философ Уильям Джеймс придумал термин «мультивселенная», правда, для совершенно другого контекста. Только в 1963 году под пером Майкла Муркока, знаменитого английского фантаста, термин получил свое нынешнее значение. В 2003 году шведско-американский космолог Макс Тегмарк предложил классификацию различных типов мультивселенной. Первый тип, основанный на общей теории относительности, предполагает, что размеры пространства, несомненно, значительно больше, чем размеры наблюдаемой Вселенной, то есть сферы радиусом примерно сорок пять миллиарда световых лет. Остальные многочисленные небесные тела расположены за космологическим горизонтом, и если считать пространство бесконечным, то вполне логично предположить существование бесконечного количества различных миров, которые отличаются от нашего распределением материи, но подчиняются тем же законам физики, на основе тех же фундаментальных констант.

Квантовая механика, другая не менее ортодоксальная физическая теория, тоже совместима с концепцией мультивселенных, по крайней мере в той ее интерпретации, которую разработал американский физик Хью Эверетт: он полагает, что результаты некоторых наблюдений нельзя предвидеть и что любое событие – результат веера возможностей, характеризующихся определенной степенью вероятности. По мнению Эверетта, каждой из этих возможностей соответствует своя вселенная.

Визуальная модель мультивселенной, по мнению некоторых физиков, должна быть похожа на нечто вроде пены, в которой каждый пузырь представляет собой образующуюся вселенную. Под воздействием энергетических флуктуаций пузырь может проходить фазу расширения, превращаясь в пространство, обладающее собственной физикой.

Таким образом, если считать, что бросок кости с шестью гранями соответствует некоему квантовому состоянию, шесть возможных позиций, в которых окажется кость после броска, соответствуют шести разным вселенным.

Теория хаотической инфляции предполагает, что пространство в целом расширяется. Это похоже на пузыри воздуха внутри поднимающегося теста. Пузыри образуются в пространстве и являются зародышами вселенных первого типа в классификации Эверетта. Некоторые из них в результате различных спонтанных нарушений симметрии обретают иные физические константы. Эта воображаемая конструкция не поддается проверке и таким образом оказывается вне области действия научных методов. Но она позволяет ответить на один из самых мучительных вопросов физики – почему фундаментальные константы будто специально скорректированы именно таким образом, чтобы эволюция нашего мира привела к разумной жизни? А в мире множественных вселенных образование обитаемого мира было бы банальным событием, и не было бы ничего удивительного в том, что одна из вселенных, та, в которой мы живем, обладала бы физическими константами, позволяющими зародиться разумной жизни.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Начало расширения

Большой взрыв

Общая теория относительности Эйнштейна позволила построить модель Вселенной, которая в самом начале своего развития была очень горячей и очень плотной. Большой взрыв у истоков Вселенной уже давно не вызывает споров в научном мире.

Для построения физической модели Вселенной астрофизики использовали общую теорию относительности, сформулированную в 1915 году Альбертом Эйнштейном. В 1922-м русский математик Александр Фридман, изучая теорию относительности, увидел вытекающую из нее возможность изучения структуры Вселенной в целом. В том же 1922 году, а потом и в 1924-м, он описал в своих работах такое развитие Вселенной во времени, которое предполагало изначальное состояние сингулярности. К тому же выводу в 1927 году пришел и бельгийский астроном и священник Жорж Леметр – он заявил в 1929-м, что разбегание спиральных туманностей, открытое американским астрономом Эдвином Хабблом, является результатом расширения Вселенной.

Любое расширение предполагает некое начало. Чтобы его описать, в 1930-х годах Леметр предположил, что материя, пространство и время возникли из единственного «первичного атома», и эта модель стала предшественницей теории, известной как «теория Большого взрыва». Авторство термина принадлежит британскому астроному Фреду Хойлу, который впервые произнес это название во время радиопередачи ВВС The Nature of Things (Природа вещей). Будучи сторонником стационарной и вечной Вселенной, он на самом деле попытался пошутить над конкурирующей теорией, но создал «звездное» слово для астрономического словаря. Термин прижился, хотя он и не точен: Большой взрыв, по сути, не был взрывом, разбросавшим материю во всех направлениях и заполнившим ею некую первичную пустоту. Это само пространство начало внезапно расширяться с течением времени, увеличивая расстояния между объектами и увлекая их за собой в процессе расширения.

Тем не менее это выражение теперь обозначает общепринятую теорию, объясняющую три объективно доказанных результата независимых наблюдений:

• чем дальше находятся далекие галактики от наблюдателя, тем быстрее они от него удаляются: в самом начале Вселенная была более плотной и более горячей, подобно газу, нагревшемуся при сжатии;

• пропорциональное содержание гелия (8 %, судя по имеющемуся количеству атомов этого элемента) одинаково во всей Вселенной; отсюда можно сделать вывод, что Вселенная пережила фазу, во время которой плотность и температура были достаточно высокими, чтобы способствовать синтезу этого элемента;

• фоновое излучение, обнаруженное на миллиметровых волнах, свидетельствует об эпохе огромной плотности и высоких температур в самом начале существования Вселенной.

Теория Большого взрыва базируется на этих трех столпах и еще двух важных гипотезах: универсальности физических законов; изотропности (у нее нет центра) и однородности (ее плотность примерно одинакова повсюду) Вселенной в очень больших масштабах.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Начало расширения

Почему наше небо ночью черное?

Парадокс Ольберса: «B бесконечной однородной в пространстве и времени Вселенной всякий луч зрения должен упираться в звезду – так почему же наше небо ночью черное?»

Астрономы Возрождения, опровергнув аристотелеву модель сферы, на которой «неподвижно закреплены» звезды, предположили, что светила находятся в гораздо более внушительном, практически бесконечном пространстве, и немедленно столкнулись с парадоксом, который преследовал их еще несколько веков. И в самом деле, если считать, что количество звезд бесконечно, то взгляд, куда ни посмотри, должен был бы упираться в светящуюся точку. И небесный свод должен был бы излучать ослепительный свет, такой же яркий, как звездная поверхность, как поверхность Солнца! А ночное небо практически черное…

Одним из первых этот парадокс сформулировал знаменитый астроном из Вюртемберга Иоганн Кеплер. И он воспользовался им как аргументом для опровержения идеи бесконечности Вселенной, которую незадолго до этого доказывал итальянский монах-доминиканец Джордано Бруно, утверждавший, что Вселенная не имеет ни центра, ни окружности. В XVIII веке, когда научный мир вовсю рассуждал о бесконечности, швейцарский математик Жан-Филипп Луи де Шезо провел первый серьезный анализ свойств Вселенной, в которой могло бы светиться бесконечное количество звезд. В 1826 году немецкий врач Генрих Ольберс вновь сформулировал эту проблему в более доступной форме, опираясь на понятие «луча зрения». Он пришел к тому же парадоксальному вопросу: почему ночью небо черное?

В бесконечном космосе, где звезды светят вечно, любой взгляд, материализованный на фото в виде лазерного луча, испускаемого из башни телескопа VLT в Чили, должен был бы непременно упереться в звезду

Два десятилетия спустя американский писатель и поэт Эдгар По, крупная фигура американского романтизма, написал «Эврику»[1], большую поэму в прозе, в которой он изложил основы космологических концепций. Именно в этом произведении, опубликованном в 1848 году, По дал первое правдоподобное решение парадокса Ольберса, предположив, что у Вселенной существует конечный возраст. Ведь свет распространяется с конечной скоростью – это было установлено еще в 1676 году. По также показал, что, если бы даже размеры Вселенной и были бесконечны, с Земли можно было бы наблюдать лишь конечное число звезд. И это количество наблюдаемых звезд столь невелико, что вероятность попадания случайного луча зрения с Земли на звезду довольно мала.

Теория Большого взрыва также предполагает, что Вселенная началась в определенный, конечный момент в прошлом, и таким образом дает аналогичное решение парадокса Ольберса. Более того, из нее можно сделать заключение о существовании когда-то довольно неожиданного феномена: поскольку Вселенная расширялась из очень горячего состояния, то упомянутое выше реликтовое излучение, которое в наше время скромно спряталось в миллиметровый диапазон длин волн, в эпоху рекомбинации, то есть тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, было в тысячу миллиарда раз интенсивнее. Тогда все небо сияло как одно огромное Солнце.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Начало расширения

Квантовая гравитация

Физические параметры первых мгновений существования Вселенной столь экстремальны, что для их описания нужно по идее объединить две доселе остающиеся несовместимыми теории – общую теорию относительности и квантовую механику.

Все события, происходящие во Вселенной, протекают посредством взаимодействий, относящихся к «фундаментальным», то есть таким, которые нельзя разложить на более базовые взаимодействия. И каждое проявляется в виде сил, тоже именуемых «фундаментальными». Перечисляя в алфавитном порядке, можно назвать следующие виды взаимодействий: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Если же попытаться ранжировать их по относительной интенсивности, то можно увидеть среди фундаментальных взаимодействий крайнее разнообразие: на шкале интенсивности, в которой гравитация равна 1, слабое взаимодействие будет иметь масштаб 10²⁵ (число записывается в виде единицы с двадцатью пятью нулями), электромагнетизм – 10³⁶, а сильное взаимодействие – и вовсе 10³⁸!

Физики представляют фундаментальные взаимодействия в виде обмена частицами, играющими роли «посланников»; например, в электромагнитном взаимодействии такими посланниками служат фотоны. Хорошо нам знакомые гравитационное и электромагнитное взаимодействия работают на больших расстояниях. Посланниками для них служат частицы с нулевой массой и нулевым зарядом. Сильное и слабое взаимодействия работают на очень небольших расстояниях, ограниченных размерами атомных ядер. Их посланники обладают массой и даже зарядом. Гравитация – настолько слабое взаимодействие, что оно не действует на уровне частиц; для нее необходимы гораздо более внушительные массы.

Поэтому совершенно не удивительно, что теория гравитации, которой, по сути, является общая теория относительности, одна из самых успешных физических теорий, описывает мир огромных объектов – планет, звезд и галактик. И наоборот, когда речь идет о бесконечно малых масштабах, приходится использовать квантовую механику, которая описывает три фундаментальных взаимодействия атомного и субатомного уровня.

Физики из самых известных лабораторий нашей планеты сегодня чувствуют себя весьма неуютно, когда речь заходит о разработке теории, способной описать первые моменты существования Вселенной, когда объединились две бесконечности и четыре вида взаимодействий. Примирить двух враждующих сестер, общую теорию относительности и квантовую механику, чрезвычайно трудно. Попыток было немало, о чем свидетельствует пышный букет теорий, разработанных исследователями, пытавшимися провести «Великое объединение»: супергравитация, теория суперструн, петлевая квантовая гравитация…

Однако создание теории квантовой гравитации, которая позволила бы прийти к такому консенсус, натыкается на серьезное препятствие: ее масштабы энергий и расстояний все еще слабо доступны для технологических методов, которые есть в распоряжении у экспериментаторов. Подобную теорию пока невозможно проверить!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Планковская эпоха (5 · 10^–44 секунд после начала расширения)

5 · 10^–44 секунд после начала расширения

Планковская эпоха

Плотность и температура в этой фазе существования Вселенной были столь высоки, что теория относительности просто не действовала – ее место занимала теория квантовой гравитации, которая до сих пор окончательно не сформулирована и продолжает изучаться.

В 1899 году немецкий физик-теоретик Макс Планк выступил в Академии наук Пруссии с докладом, в котором предложил собственную систему единиц измерения, созданную на основе одних только фундаментальных физических констант. Для построения этой системы «естественных» единиц Планк использовал гравитационную постоянную, скорость света в вакууме (которая позже сыграет ключевую роль в теории относительности Эйнштейна) и константу, которая впоследствии будет названа в его честь и станет одной из основ теории квантовой гравитации – постоянную Планка. Исходя из этих базовых постоянных, значение каждой из которых было принято равным единице, удалось, к примеру, получить значение единицы времени. Планковское время, обозначаемое tP, оказалось равным примерно 5 · 10^–44 секунд. Это самая маленькая мера времени, обладающая физическим смыслом.

В честь великого немецкого физика космологи назвали сверх период, наступивший сразу после Большого взрыва, планковской эпохой – ее продолжительность имеет тот же порядок, что и планковское время. В отсутствие законченной теории квантовой гравитации описать физические законы, действовавшие в этот период невозможно, так же как и определить его точную продолжительность. Ясно только, что в этот период, который был не длиннее планковского времени, не существовало самих понятий времени и пространства. Пока ученые ограничиваются упоминанием «квантовой пены», первичного тумана, в котором четыре главных природных силы были объединены в некое фундаментальное взаимодействие.

Отсутствие физического языка для описания этого состояния материи создает барьер (планковскую стену), который не позволяет исследовать первые мгновения существования Вселенной. Тем не менее космологи, похоже, вот-вот получат в свое распоряжение вероятное свидетельство, которое сможет помочь им преодолеть эту стену: эхо гравитационных волн. Астрофизики стремятся обнаружить его следы в реликтовом излучении. В 2014 году группа американских исследователей опубликовала в знаменитом журнале Nature результаты наблюдений реликтового излучения по программе BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). В полученных данных, казалось, обнаружились следы, оставленные первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении. Вскоре, однако, измерения, выполненные европейским космическим зондом «Планк», показали, что это были всего лишь следы межзвездной пыли. К концу 2030-х годов планируется запуск специальной космической обсерватории, чтобы обнаружить первичные гравитационные волны, собрать информацию о планковской эпохе и первых мгновениях развития Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Квантовая гравитация (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Регистрация гравитационных волн (2016)

Регистрация гравитационных волн в космосе (2035)

10^–35 секунд после начала расширения

Инфляция

Вероятно, именно благодаря фазе ускоренного расширения Вселенная обрела достаточно внушительные размеры, а наблюдаемая ее часть стала удивительно однородной, изотропной и плоской.

Всматриваясь в небо со всех возможных точек, астрономы убедились, что наблюдаемая ими Вселенная не только однородная и изотропная, но также пространственно-плоская. Однородность Вселенной означает, что на больших масштабах плотность материи в ней всюду примерно одинакова. Изотропность предполагает, что, аналогично, на очень больших масштабах структура наблюдаемой Вселенной повсюду идентична, каким бы ни было направление луча зрения. Другими словами, у Вселенной нет центра. А выражение «плоская Вселенная» значит, что на любых масштабах сумма углов треугольника равна ста восьмидесяти градусам – будь Вселенная, к примеру, сферической, это было бы не так. Наблюдения того же реликтового излучения, называемого еще «космическим микроволновым фоном», которые недавно были выполнены европейским космическим зондом «Планк», подтвердили все три характеристики.

Однако, чтобы эти выводы согласовывались с теорией Большого взрыва, следует допустить, что сразу после планковской эпохи за ничтожно малую долю секунды размер Вселенной с огромной скоростью увеличился в невероятно огромное количество раз: 10⁵⁰ (единица с пятьюдесятью нулями!). В результате этого мощного раздувания – инфляции – микроскопический объем однородной первичной Вселенной увеличился до огромных размеров, гораздо больших, чем те, в которых мы способны наблюдать ее сейчас. И она не стала при этом менее однородной. Космическая инфляция определила и плоский характер Вселенной, напоминающей надуваемый воздушный шар. Вначале такой шар имеет вполне явную кривизну, но чем больше он раздувается, достигая, к примеру, размеров нашей планеты, тем существеннее сглаживается кривизна, почти исчезая под конец. Ведь и Земля нам кажется плоской, когда мы на ней стоим?

Растягивание пространства до гигантских масштабов удаляет из него все следы кривизны; кроме того, это потрясающее раздувание вымывает из него и все признаки анизотропии. Вдобавок во время фазы инфляции крошечные квантовые флуктуации, действовавшие в микроскопических исходных объемах, тоже приобретают космические масштабы. Запечатлевшись навсегда в реликтовом фоновом излучении, эти флуктуации несли в себе зародыши будущих гигантских структур мироздания. Для подобных результатов необходимо, чтобы первичная Вселенная находилась под действием некоего ускоряющего фактора – чего-то вроде «темной энергии», ответственной за обнаруженное космологами в конце ХХ века ускорение расширения Вселенной. Эта ускоряющая сущность, обладающая огромной плотностью энергии, должна была распасться на частицы, ознаменовав таким образом конец стадии инфляции и рождение материи.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Планковская эпоха (5 · 10^–44 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

10^–12 секунд после начала расширения

Возникновение материи

Из квантового вакуума возникла материя, состоящая из частиц, в том числе и из частиц темной материи, – эти процессы могут быть воспроизведены на крупнейших ускорителях нашей планеты.

До окончания инфляции пространство остается пустым, в квантовом смысле этого термина. Тем не менее его постоянно бороздят группы виртуальных частиц, возникающих из небытия, чтобы немедленно туда же и вернуться. Огромное количество энергии, выброшенное в пространство к концу эпохи инфляции, используется виртуальными частицами для выхода в реальный мир – вместе с античастицами. Все эти частицы вовлекаются в безумную пляску, в которой за всяким актом материализации тут же следует обратный процесс аннигиляции.

Среди частиц, возникающих в вакууме, присутствуют и частицы знакомой нам материи, те, из которых созданы звезды и люди и которые прекрасно описываются стандартной моделью физики частиц. Стандартная модель позволила сделать огромный шаг в количественном понимании бесконечно малого, однако для объяснения многих феноменов Вселенной физикам необходима и другая форма материи, которую они назвали темной.

В основном эта темная материя вступает в гравитационные взаимодействия, играя роль дополнительного невидимого, но преобладающего элемента, смешанного с нашим чисто атомным миром, и служащего связующим и стабилизирующим звеном для крупных структур. Несомненно, было бы более уместным назвать эту материю «невидимой» либо «прозрачной»…

Темная материя, чтобы сыграть все назначенные ей физиками роли, должна по идее состоять из массивных частиц, нечувствительных к воздействию электромагнетизма (иначе темная материя не была бы невидимой) и сильного взаимодействия (иначе частицы темной материи перегрузили бы ядра атомов).

Ни одна из частиц стандартной модели не соответствует этим условиям. Таким образом, физикам пришлось обратиться к гипотетическим частицам, которые получили нежное имя WIMP (от англ. Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы). Физики полагают, что наилучшим кандидатом на звание вимпа может стать нейтралино – нейтральная, массивная и стабильная частица, чье существование предсказано теорией суперсимметрии, согласно которой каждой частице стандартной модели соответствует гораздо более массивный аналог. Физики, занимающиеся исследованием микрочастиц на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), где происходят самые мощные столкновения частиц в мире, уже показали верность этого предположения, открыв бозон Хиггса, краеугольный камень стандартной модели. И они по-прежнему надеются исследовать темную материю, создав ее искусственно, но пока это не получается. Природа темной материи – одна из редких загадок физики, которая не поддается решению уже более трех четвертей века…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)

10^–9 секунд после начала расширения

Первичный хаос

Барионная составляющая материи находится в состоянии чего-то типа супа, в котором кварки, антикварки и глюоны бешено мечутся в беспрерывном клокотании аннигиляций и материализаций.

После невероятной фазы инфляции Вселенная замедляет скорость расширения до гораздо более скромных значений, уже вполне сравнимых с теми, которые будут действовать в последующие миллиарды лет. Вселенная одновременно продолжает остывать, но ее температура все еще выше тысяч миллиарда градусов. Барионная составляющая материи находится в состоянии, называемом «кварк-глюонной плазмой». Термин «плазма» применяется здесь по аналогии с облаками электронов, в которых плавают ионы и атомные ядра, образующиеся, к примеру, в пламени или во время удара молнии.

Эта плазма, получается, состояла только из элементарных частиц стандартной модели (кварки и антикварки), подвергавшихся сильному ядерному взаимодействию, носителями которого служат глюоны. В менее экстремальных физических условиях кварки навсегда «засунуты» внутрь либо стабильных (таких, как протоны или нейтроны), либо нестабильных (таких, как пионы) частиц. Однако этот первичный суп был настолько горяч, что термическое возбуждение оказалось мощнее пут сильного взаимодействия: кварки, антикварки и глюоны не были ничем ограничены и действовали практически свободно. Кварк-глюонная плазма – это Грааль физиков, изучающих микрочастицы; она царила во Вселенной сразу после Большого взрыва, сейчас же ее можно обнаружить только в недрах сверхплотных звезд.

Лучшим способом исследовать ее свойства было бы создать ее искусственно. Чтобы получить такую плазму, надо сверхплотную материю подвергнуть сверхвысоким температурам (более тысячи миллиарда градусов). Физики считают, что подобные экстремальные физические условия возникают при столкновении массивных атомных ядер (например, ионов свинца), несущихся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Подобные условия создаются как раз в ходе экспериментов на детекторе ALICE (A Large Ion Collider Experiment), установленном на одной из четырех точек столкновений пучков Большого адронного коллайдера. В экспериментальной установке ALICE задействовано сложное устройство, способное собирать и фиксировать данные об изменении физических параметров сталкивающихся массивных ионов. Изучая многочисленные частицы (почти двадцать тысяч), образующиеся при столкновении ионов свинца, физики исследуют эфемерную кварк-глюонную плазму, которая возникает во время столкновения, и таким образом пытаются понять процесс образования барионной материи на заре существования Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Возникновение материи (10^–12 секунд после начала расширения)

10^–6 секунд после начала расширения

Материя побеждает антиматерию

Вселенная уже достаточно охладилась, чтобы кварки, антикварки и глюоны начали связываться друг с другом, образуя протоны и их античастицы – основные кирпичики материи.

За одну миллионную секунды после Большого взрыва температура Вселенной снизилась настолько, что стала недостаточной для сохранения барионной составляющей материи в виде кварк-глюонной плазмы. И победило сильное взаимодействие, связав кварки между собой и образовав композитные частицы, мезоны и барионы – последние состоят из трех кварков. Самые известные из этих элементарных частиц – протоны и нейтроны, из них состоит вся видимая часть Вселенной (в отличие от темной материи). Но поскольку каждой электрически заряженной частице соответствует противоположно заряженная античастица такой же массы, сформировалось и огромное количество антибарионов, которые только и ждали, как бы встретиться со своими двойниками. Встреча бариона с антибарионом вызывает их немедленную взаимную аннигиляцию, процесс, высвобождающий энергию массы двух барионов в виде фотонов или иных частиц.

Период образования барионов – бариогенез – ознаменовал период мощной аннигиляции. Обратная реакция, во время которой фотон материализовал пару протон – антипротон, создавала равновесие потерь до тех пор, пока фотоны обладали достаточной для этого энергией. Однако, поскольку расширение понижало среднюю энергию фотонов, в процессе материализации их образовывалось все меньше и меньше, в то время как аннигиляция продолжалась в том же неутомимом ритме. Барионы могли бы исчезнуть полностью, если бы асимметрия законов физики не нарушила равенство первичного хаоса. Оказалось, что в нем насчитывался миллиард и один кварк с одной стороны и миллиард антикварков с другой.

Условия, обеспечивающие подобное состояние небольшого преобладания материи над антиматерией, были окончательно сформулированы в 1967 году русским физиком Андреем Сахаровым. В начале 1960-х годов он создал концепцию водородной Царь-бомбы, самого мощного оружия массового поражения из когда-либо существовавших, но потом резко изменил направление своих исследований в области теоретической физики и стал заниматься космологией – задолго до того, как начал бороться за права человека, гражданские свободы и реформы в СССР…

Незначительный дисбаланс между барионами и антибарионами привел к тому, что последние практически исчезли в ходе аннигиляции – их осталось не более одной миллиардной от первичного количества. Через секунду после Большого взрыва аналогичный процесс привел практически к полному исчезновению антиматерии: расширение способствовало тому, что энергия фотонов опустилась ниже порога, необходимого для производства пар электрон – позитрон, вызвав полное исчезновение позитронов и оставив лишь небольшую кучку электронов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Первичный хаос (10^–9 секунд после начала расширения)

Антиматерия в центре Галактики (–24 650)

3 минуты после начала расширения

Образование гелия

Вселенная достаточно плотна и горяча для начала процесса первичного нуклеосинтеза – протоны и нейтроны начинают слипаться, образуя ядра атомов гелия.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная была очень плотной и очень горячей средой, в которой могли выжить только такие элементарные частицы, как нуклоны – протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие, которому они подчиняются, притянуло их друг к другу, образовав скрепленные ядерными силами первые атомные ядра. При этом все частицы эволюционировали в среде, где в изобилии носились фотоны, образовавшиеся в результате только что закончившейся фазы массовых аннигиляций и обладавшие очень большим запасом энергии. Этой энергии было еще вполне достаточно для разрушения самых первых ядер. Однако расширение Вселенной продолжалось, и энергия фотонов постепенно понизилась до значений меньших, чем внутренняя энергия ядер, даже самых неустойчивых – таких, к примеру, как ядро дейтерия, изотопа водорода, в котором соединены протон и нейтрон. Поэтому, когда вновь образующиеся ядра стали устойчивыми, Вселенная превратилась в гигантский реактор ядерного синтеза, и большинство свободных нейтронов постепенно стали частью ядер гелия.

Ядро гелия, как правило, состоит из двух протонов и двух нейтронов – эта структура характерна для гелия-4, одного из самых стабильных изотопов гелия. К началу синтеза во Вселенной на один нейтрон приходилось семь протонов, так как они менее массивны и для их образования нужно меньше энергии. В ходе фазы первичного нуклеосинтеза все свободные протоны оказались связанными, и доля гелия-4 составила примерно 4 % от количества всех ядер. Когда же образование гелия постепенно закончилось, сильное взаимодействие продолжило нуклеосинтез, пытаясь прилепить еще по одному нейтрону к каждому ядру гелия-4, связывая два ядра гелия-4 в один. Однако все ядра, слепленные подобным образом, оказались нестабильны и быстро развалились. Первичный нуклеосинтез на этом вынужденно приостановился, и создание более тяжелых элементов, таких как углерод или кислород, было отложено на более позднее время.

В конце 1940-х годов русский физик Георгий Гамов, эмигрировавший в США, первым предположил, взяв за основу концепцию первоначального атома Леметра, что ядерные реакции могли идти в первичной Вселенной даже на очень ранних этапах. В 1948 году в соавторстве со своим учеником Ральфом Альфером Гамов опубликовал фундаментальную статью о первичном нуклеосинтезе – «Происхождение химических элементов». Гамов внес в список авторов и Ханса Бете. Несмотря на то что этот американский физик немецкого происхождения над статьей почти не работал, Гамов сделал это исключительно ради шуточной игры слов, поскольку три имени физиков (Альфер, Бете, Гамов) напоминали о начальных буквах алфавита: альфа, бета и гамма…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Материя побеждает антиматерию (10^–6 секунд после начала расширения)

Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)

20 минут после начала расширения

Окончание первичного ядерного синтеза

Распространение атомных ядер по Вселенной замерло до начала образования первых звезд. Вселенная была на 92 % заполнена водородом, на – 8 % гелием; к ним добавилась и щепотка других легких ядер.

В течение каких-то двадцати минут первичный нуклеосинтез заметным образом изменил состав Вселенной. В самом начале этой фазы во Вселенной носились только барионы – композитные частицы из трех кварков, свободные нейтроны и протоны. Эти последние одновременно представляли собой ядра атомов водорода; их можно было бы назвать «водород-1», по имени самого известного изотопа водорода. В самом начале водород-1 преобладал во Вселенной (92 % всех ядер), а затем немного уступил гелию (8 % всех ядер), в основном – разновидности гелий-4.

Пропорциональное содержание гелия, повсюду наблюдаемое во Вселенной и сегодня, представляет собой одно из самых надежных доказательств в пользу теории Большого взрыва. Те процессы ядерного синтеза, которые продолжаются внутри звезд, не могут произвести количества гелия, необходимого для объяснения подобного изобилия.

Помимо гелия-4, первичный ядерный синтез оставил по себе и другие изотопы легких элементов, но в совсем незначительных количествах – например, гелий-3 или литий-7. Больше всего осталось водорода-2 (одна стотысячная). Следует отметить, что водород – единственный элемент, чьи изотопы обладают привилегией иметь собственное название, отличающее их от других элементов: водород-2 именуется дейтерием. Его обилие к концу фазы первичного ядерного синтеза определялось прежде всего плотностью барионов. Измеряя количество дейтерия сегодня, космологи пытаются оценить пропорциональное количество барионов во Вселенной. Однако дейтерий – элемент весьма деликатный: его нестабильность сама по себе повлияла на скорость первичного синтеза гелия, а его быстрый распад в недрах звезд затрудняет измерение его количества.