Последняя глава в истории Вселенной, как ожидается, будет довольно мрачной. Физики полагают, что через бесчисленные миллиарды лет, после того как все звезды сгорят, Вселенная превратится в холодное, темное пространство, где ничего интересного не произойдет и даже не сможет произойти. Поскольку само пространство расширяется, а материя становится тоньше, энергии остается все меньше и меньше. В течение многих эпох Вселенная стремится к негативному сценарию, известному как тепловая смерть.
Но прежде чем свет погаснет окончательно, произойдет последний фейерверк. Астрономы полагают, что компактные звезды, известные как белые карлики, будут одними из последних оставшихся объектов, сохранившихся в стареющей Вселенной. В статье, принятой для публикации в Monthly Notices Королевского астрономического общества, делается вывод о том, что эти звезды могут продолжать подвергаться ядерному синтезу с поразительно медленной скоростью, что в конечном итоге приводит к взрывам, подобным сверхновым.
Идея взрывающихся белых карликов вызывает некоторое удивление, поскольку ученые обычно думают об этих сгоревших звездах «как о просто остывающих навсегда», говорит Абигейл Полин, астрофизик из Калифорнийского технологического института и Обсерватории Карнеги, не участвовавшая в исследовании.
Исходя из новой модели, первый из этих взрывов белых карликов произойдет не раньше, чем через 10(1100) лет. Это единица, за которой следует 1100 нулей—число настолько большое, что у ученых нет для него названия. «Если вы запишете его, это будет просто целая страница нулей», - говорит автор исследования Мэтт Каплан, астрофизик из Университета штата Иллинойс (нынешний возраст Вселенной – «жалкие» 13,7 миллиарда лет).
«Это выходит за рамки любой временной шкалы, о которой мы обычно думаем», - соглашается Полин. Но если Каплан прав, эти всплески станут последними крупными астрофизическими событиями перед окончательным погружением во тьму.
Побег от космического дыма
Звезды горят, объединяя водород в гелий в своих ядрах. Когда средняя звезда, размером примерно с наше Солнце или немного тяжелее, израсходовала весь свой водород, энергии не останется, чтобы противодействовать собственной гравитации звезды, и ядро начинает сжиматься, в то время как внешние слои резко расширяются. По мере того как ядро сжимается, давление и температура увеличиваются, позволяя более тяжелым элементам сливаться вместе. Звезда в конечном счете сбрасывает свои внешние слои, и то, что осталось, образует сверхплотный объект всего в несколько тысяч километров в поперечнике – белый карлик.
В течение периода от триллионов до сотен триллионов лет белые карлики излучают все оставшееся тепло, и застывшие останки иногда называют черными карликами. Но даже несмотря на то, что черные карлики холодны и малы, что позволяет им оставаться стабильными в течение огромных периодов времени, расчеты Каплана показывают, что ядерный синтез все еще может происходить благодаря явлению, известному как квантовое туннелирование.
Внутри ядер черных карликов ядра отдельных атомов имеют положительный заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, как полюса магнита. Но согласно квантовой теории, каждое ядро действует не только как частица, но и как волна. Благодаря этому волнообразному свойству ядро иногда «туннелирует» через барьер отталкивания, отделяющий его от аналогично заряженного соседа.
«Мы думаем о белых карликах как о совершенно инертных объектах», - говорит Мартен ван Керквейк, астрофизик из Университета Торонто, так же не участвовавший в исследовании. - Очень приятно думать, что эти тихие, мертвые звезды могут продолжать гореть».
В течение многих триллионов лет эти сверхмедленные реакции синтеза будут производить тяжелый элемент железо, согласно Каплану. Этот процесс также высвобождает позитроны, которые похожи на электроны, но имеют положительный заряд. Когда эти позитроны сталкиваются с электронами в ядре звезды, они аннигилируют друг с другом. Без этих электронов и давления, которое они оказывают, сам белый карлик больше не сможет преодолеть тягу гравитации. Он будет продолжать сжиматься, пока не «отскочит» наружу во взрыве, похожем на традиционную сверхновую звезду.
Каплан отмечает, что только самые тяжелые белые карлики —звезды с массой, превышающей примерно в 1,2 раза массу Солнца, — могут подвергнуться такому взрыву. Тем не менее, взрыв белого карлика ожидает примерно один процент из примерно 10(23) звезд, существующих сегодня, говорит он.
До взрывов тихо сгорающие черные карлики не испускают никакого видимого света. «Ты даже не увидишь его перед собой, пока он не взорвется», - говорит Каплан.
Однако, если сама материя нестабильна, тогда звездные остатки, такие как белые карлики, могут не выдерживать ожидания начала этого медленного процесса синтеза. Физики предположили, что субатомные строительные блоки материи, называемые протонами, могут распадаться в течение чрезвычайно длительного периода времени—от 10(31) до 10(36) лет. Если это произойдет, то белые карлики могут испариться, прежде чем у них появится возможность взорваться.
Но до тех пор, пока протоны остаются вместе, «физика работы [Каплана] и ее результаты кажутся закономерными»,- говорит Фред Адамс, астрофизик из Мичиганского университета и соавтор книги 1999 года «Пять эпох Вселенной: внутри физики вечности», исследующей долгосрочное будущее Вселенной.
В то время как тепловая смерть в настоящее время является наиболее широко принятой теорией того, как закончится Вселенная, астрофизики продолжают обсуждать ряд альтернатив. Вселенная может снова схлопнуться, сжав всю материю до одной точки, за которой может последовать еще один большой взрыв. Или, возможно, ускоряющееся расширение Вселенной будет происходить таким образом, что оно уничтожит само пространство, и в этом случае отдельные атомы в конечном счете будут разорваны на части.
Последние огни среди бесконечной тьмы
К тому времени, когда начнут появляться белые карлики, Вселенная станет неузнаваемой. Галактики потеряют свою структуру, и остатки отдельных звезд будут свободно носиться в пространстве. Даже самые крупные известные черные дыры, вероятно, испарились бы через 10(100) лет из-за процесса, известного как излучение Хокинга. Хотя это ошеломляюще долгий промежуток времени, это сущие мелочи по сравнению с временными масштабами взрывов белых карликов.
Темная энергия - таинственная сила, противодействующая гравитации и отталкивает все от всего остального — отделит любые оставшиеся объекты, включая белые карликовые звезды, до такой степени, что ни один объект не будет находиться в пределах видимости любого другого.
При отсутствии звезд, горящих для получения тепла, крайне маловероятно, что что—либо останется живым в этой временной точке – но, если бы такое существо существовало, оно могло бы увидеть только один взрыв белого карлика, потому что все остальные произошли бы за пределами его «космологического горизонта», максимального расстояния, на котором может быть получена информация любого рода, включая свет.
Хотя промежуток в 10(1100) лет не поддается воображению, это только начало конца, когда самые тяжелые белые карлики взорвутся. Взрыв более легких из них займет больше времени —примерно до 10(32 000) лет, согласно расчетам Каплана. И несмотря на эти взрывы, тепловую смерть Вселенной остановить невозможно. Взрывающиеся белые карликовые звезды вполне могут быть последним «фейерверком» космоса.
«После этого Вселенная навсегда останется холодной, темной и печальной», - говорит Каплан. - Если только не существует новой физики, которую мы еще не открыли».