Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Наша ионизированная межгалактическая среда — это наследие эпохи реионизации. Кроме того, от первого поколения звезд нам досталось довольно много тяжелых элементов. После своей короткой, но яркой жизни эти звезды-первопроходцы взорвались, став сверхновыми, и выбросили залпы «выкованных» в их недрах элементов в свои галактики и за их пределы. Обогатившись этими тяжелыми элементами, галактические облака смогли испустить гравитационную энергию, охладиться и сжаться в более «нормальные» звезды, привычные нам.
Слияние и объединение
Как только небольшие сгустки галактик отделились от непрестанного расширения, они под влиянием тяготения начали собираться в более крупные структуры. Стоит помнить, что 13 млрд лет назад наша наблюдаемая Вселенная была в 5 раз меньше и, следовательно, в 125 раз плотнее (53 = 125), чем сейчас. Частота столкновений между субгалактическими сгустками должна была соразмеряться с плотностью, и поэтому в переполненной ранней Вселенной тесные взаимодействия и слияния, скорее всего, были в порядке вещей.
Что же возникло за это время? Возможно, сначала образовались более крупные сфероиды, а вслед за ними — диски в тех объединявшихся системах, которые обладали значительным угловым моментом. На самом деле у астрономов нет ответа. Однако нам известно, что гигантские галактики появились поразительно быстро. Примерно через 1,5 млрд лет после Большого взрыва эти исполины уже вышли на космическую сцену. Они были в 10 раз массивнее нашего Млечного Пути и полыхали, рождая новые звезды. Как они могли сформироваться за столь краткий срок? Этот вопрос до сих пор остается серьезной проблемой для астрофизиков.
Всесторонние исследования галактик в диапазоне красных смещений и предполагаемого аберрационного времени выявили довольно четкую эволюцию среднего темпа звездообразования (рис. 10.2). Большинство галактик, и в том числе Млечный Путь, начали рождать новые звезды более 12 млрд лет назад — менее чем через 1,8 млрд лет после Большого взрыва. Затем темп звездообразования достиг пика, заметного при красном смещении около 4, что соответствует аберрационному времени примерно в 2–3 млрд лет. Сейчас средняя активность формирования звезд в галактиках — это лишь тень себя прежней.
Рис. 10.2. История космического формирования звезд, где темп звездообразования в расчете на единицу совместно расширяющегося объема отображается как функция красного смещения и соответствующего аберрационного времени, равного примерно 10 млрд лет. (По источнику: P. Madau and M. Dickinson, “Cosmic Star Formation History”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics [2013], База данных внегалактических объектов NASA/IPAC.)
То же самое заметно в том, как развивалась в этих галактиках ядерная активность. В данном случае появление блистающих квазаров и других мощных ядерных феноменов приписывают присутствию в этих галактиках сверхмассивных черных дыр, выросших в их ядрах. Пик активности при красном смещении около 4 указывает на то, что в ту особую эпоху эти новорожденные «чудовища» только и делали, что поглощали все вокруг, а образование звезд и массивных черных дыр в галактических центрах, по всей вероятности, было созависимым. Ряд астрономов (и в том числе я) считают, что вместе с расширением внутренних галактических областей возрастали и черные дыры в ядрах этих галактик. Другие предполагают, что черные дыры появились первыми, а потом возле них скопились остатки галактического газа и звезды.
Взгляд в будущее
Вселенная, в которой мы живем, украшена гигантскими эллиптическими и спиральными галактиками, «неправильными» галактиками, уступающими первым в размерах, и даже «карликами» самых разных форм, похожими на эллипсы, сфероиды и многое другое. В восьмой главе мы уже говорили об их характеристиках и эволюционной истории, но я бы хотел добавить еще кое-что. С учетом того, что наша Вселенная непрестанно расширяется, расстояния между группами галактик, скоплениями и сверхскоплениями будут возрастать. Однако внутри этих кластерных структур галактики будут взаимодействовать друг с другом во временных масштабах от миллиардов до десятков миллиардов лет, и непременно будут победители и проигравшие, причем после всех этих слияний и объединений общее число галактик, по всей вероятности, сократится.
Между тем количество газа, доступного для образования новых звезд, будет уменьшаться с каждой новой звездой малой и средней массы. Эти звезды не взрываются и поэтому поглощают бо́льшую часть вещества, ушедшего на их образование. Постепенно в галактиках будет рождаться все меньше звезд. Если расширение Вселенной не обратится вспять или если из космической паутины — либо из космического вакуума — не появятся новые источники вещества, способного притягиваться к астрономическим объектам, циклы рождения и гибели звезд в оставшихся галактиках завершатся сами собой, и в конце концов галактический театр погрузится во тьму. Означает ли это, что само наше существование в качестве людей на Земле, согретой Солнцем, — это совершенно особый период в расширяющемся и эволюционирующем космосе? Да, это вполне возможно. И в свете размышлений о нашем далеком будущем еще более драгоценными кажутся те физические условия, благодаря которым возникли звезды, подобные Солнцу, и такие планеты, как Земля. В следующей главе мы подробнее поговорим о том, в какой обстановке рождаются эти звезды и планеты, а также об их ранней эволюции.
11. Рождение звезд и планет
Бывало, все небо над головой усеяно звездами, и мы лежим на спине, глядим на них и спорим: что они — сотворены или сами собой народились? Джим думал, что сотворены; а я — что сами народились: уж очень много понадобилось бы времени, чтобы наделать столько звезд. Джим сказал, может, их луна мечет, как лягушка икру; что ж, это было похоже на правду, я и спорить с ним не стал; я видал, сколько у лягушки бывает икры, так что, разумеется, это вещь возможная [7].
Марк Твен. Приключения Гекльберри Финна
Будьте смиренны, ибо вы сделаны из земли.
Будьте благородны, ибо вы сделаны из звезд.
Сербская пословица
Хотя галактики и родились почти в один день, этого нельзя сказать о звездах. Примерно в течение миллиарда лет после Большого взрыва субгалактические сгустки сливались и объединялись, образуя тот «бродячий цирк» галактик, который мы наблюдаем сегодня; звезды, напротив, возникали задолго до этого времени и продолжают появляться и сейчас. Что же требуется для создания одной из этих термоядерных «электростанций» и ассоциируемой с ней системы планет, комет, астероидов и всего-всего-всего? В поисках ответа мы можем исследовать нашу Солнечную систему, изучать темные пылевые туманности, где сейчас рождаются протозвезды и протопланетные системы, и строить физические модели процесса их формирования.
Откровение от Солнечной системы
На то, как именно она формировалась, Солнечная система намекает нам на каждом шагу. Начнем со дня ее рождения. Радиометрическое датирование урана, тория и других радиоактивных изотопов в метеоритах ясно показало, что их максимальный возраст составляет 4,6 млрд лет. Такой же возраст у древнейших лунных пород, собранных и доставленных на Землю астронавтами «Аполлона». Теоретические модели Солнца и системы его «энергетической подпитки» также подтверждают эту дату. А вот каменная поверхность Земли кажется значительно моложе. Самые древние земные минералы из тех, что известны нам, — это цирконы, найденные в Джек-Хиллз в Австралии. Их первые кристаллизации произошли 4,4 млрд лет назад. Возраст старейших земных цельных горных пород, в том числе и пород Канадского щита, близок к 4 млрд лет. Эти различия дают нам сделать вывод, что для остывания, в ходе которого внешняя земная кора могла затвердеть, новорожденной Земле потребовались сотни миллионов лет.