Глава 30
Время вечной тьмы

Что означает число 10¹⁵⁰лет? Представить это себе довольно трудно, ведь даже в космических годах Сагана новое число будет содержать далеко за сотню нулей… Между тем именно к этому невообразимо далекому периоду существования нашей Вселенной некоторые космологи планируют полный и окончательный конец света. По традиционному сценарию вся материя к тому времени сольется в некие «шары». Все атомы внутри этих шаров постепенно превратятся в атомы железа, а сами шары сколлапсируют в черные дыры и нейтронные звезды. Через неясно какой, но очень-очень сверхдлинный период времени черные дыры испаряться, и во Вселенной на необозримо далеком расстоянии, сравнимом с современным метагалактическим горизонтом, останутся лишь нейтронные звезды…

Этот несколько унылый сценарий угасания нашего мира в различных непринципиальных вариациях обсуждается с тех пор, как стало достоверно известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Подобное развитие событий сильно разочаровало сторонников Большого хлопка. Однако уже скоро их терпение было вознаграждено, и загадочный Большой хлопок сменил не менее таинственный Большой разрыв.

Суть этого бурно обсуждаемого космологического сценария проста и непостижима: через двадцать два миллиарда лет метрика пространства-времени не выдержит отрицательного давления «темной энергии» и разорвется! К «темной энергии» мы еще вернемся, а сейчас попробуем представить себе, как будет бесповоротно гибнуть мироздание в пучинах Большого разрыва. Для этого еще раз окинем взглядом всю доступную нам часть Вселенной – метагалактику.

Наша галактика является структурной единицей метагалактики – части Вселенной, доступной современным астрономическим методам исследования и содержащей несколько миллиардов галактик – звездных систем, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. В окрестностях нашей галактики расположены еще около сорока галактик, которые образуют местную группу. Скопления галактик – это самые крупные устойчивые системы во Вселенной.

Итак, Вселенная однородна лишь в среднем – в масштабах, превышающих шестьсот миллионов световых лет. По мере уменьшения масштабов начинает проявляться ее структура. Вначале становятся заметны сверхскопления галактик, размером порядка трехсот миллионов световых лет, образующие относительно тонкие стены, толщиной около тридцати – шестидесяти миллионов световых лет. Внутри них вырисовываются скопления галактик, размером порядка тридцати миллионов световых лет, а еще глубже – сами галактики. Размеры галактик колеблются в широких пределах: самые маленькие, карликовые галактики – менее тридцати тысяч световых лет в поперечнике и массой порядка сто миллионов масс Солнца. Размеры же самых крупных галактик достигают многих сотен тысяч световых лет, а их массы – тысячи миллиардов масс Солнца. Внутри галактик вещество структурировано: спиральные рукава, шаровые звездные скопления, отдельные звезды и, наконец, планеты.

А вот теперь представим, что тонкую резиновую пленку пространства с множеством лунок от массивных тел сковал сильный мороз, и она потеряла свою эластичность. Между тем невидимые силы «темной энергии» продолжают растягивать пространство вдоль и вширь. Наконец, вблизи одной из наиболее мощных эллиптических галактик (в сотни раз превышающей по размеру наш

Млечный путь) ткань материи не выдерживает и покрывается сетью трещин. Вблизи этих разрывов мироздания начинается стремительный распад материи на самые простейшие элементарные образования – квантовые струны, которые и сами «виртулизуются», растворяясь в вакууме.

Однако кроме локальных трещин распадающейся материи, согласно теории Большого разрыва, могут возникнуть и вселенские трещины от одной группы галактик к другой. Если же пропустить нескольких последующих этапов, то в конце Эпохи Большого Разрыва окажется, что трещины пространства-времени во многом повторяют ячеистую структуру метагалактики. Есть и еще один любопытный аспект в этом космологическом сценарии – подобно тому, как просверленные в стекле отверстия останавливают дальнейшее развитие трещин, застывшие звезды гравитационных коллапсаров вполне могут остановить разрыв текстуры ткани пространства. И хотя трудно даже представить, во что превратиться человеческая цивилизация за десятки миллиардов лет, уже сегодня американский космолог Роберт Калдвелл предлагает «залечивать» раны треснувшего мира, сбрасывая в них разнокалиберные черные дыры.

Нельзя сказать, что теория «конца света» по сценарию Большого разрыва имеет столь уж много сторонников, но сам факт ускоренного расширения Вселенной, конечно же, должен как-то войти во все новые космологические построения. Разумеется, в будущих сценариях эволюции Вселенной должна участвовать и вторая «темная сторона» мироздания – темная материя. И вот тут следует совершенно неожиданная гипотеза – именно «темная материя», состоящая из гравитирующих частиц неизвестной природы, может «залечивать» разрывы ткани Вселенной. Как это будет происходить (а по некоторым смелым предположениям – уже происходит), в точности пока еще не известно, но теоретические модели показывают, что на момент инициации трещины разрыва частицы темной материи могут буквально засыпать начинающуюся прореху в метрике. Затем вступает в силу знаменитый закон перехода материи в энергию, и края разрыва снова «сходятся вместе».

Тут надо заметить, что скрытая масса или темная материя, по ряду современных представлений, возникла сразу же после

Большого взрыва, и лишь потом возникло окружающее нас барионное вещество, состоящее из атомов и молекул. Темная материя практически прозрачна для электромагнитного излучения, и поэтому ее еще никто не наблюдал напрямую с помощью методов оптической или всеволновой астрономии. Тем не менее скрытая масса, подобно обычному веществу, «гравитирует», то есть чувствительна к гравитационному воздействию и сама может собираться в плотные сгущения, притягивая различные астрономические тела или, вернее сказать, их крупные системы, наподобие галактик. И хотя непосредственно сгустки темной материи никто еще не наблюдал, астрофизики уверенно высказывают гипотезы, что именно такие неоднородности скрытой гравитирующей массы в свое время послужили теми гравитационными «зернами», которые вызывали увеличение плотности энергии в небольших областях пространства. Гравитационные силы этих областей притягивали к себе все окружающее вещество, становясь зернами будущих галактик.

Сегодня мы знаем, что галактики окружены гало из темной материи, которые в десять раз массивнее видимых галактических компонентов.

Вообще-то астрономы давно догадывались, что с балансом видимого и невидимого вещества в метагалактике не все в порядке. Ведь еще в 1933 году знаменитый открыватель скоплений галактик и нейтронных звезд Франц Цвикки предсказал возможность существовании во Вселенной некой «темной материи». Прошли десятилетия, и новые автоматические орбитальные обсерватории провели серию наблюдений обширной группы галактик. При этом были обнаружены своеобразные короны, хорошо видимые в рентгеновском диапазоне, которые окружали все эллиптические галактики. Звездная масса этих уникальных галактических образований оказалась сравнимой со звездной массой всей нашей галактики, составляя величину, превышающую сто миллиардов солнечных масс. Тут и выявился удивительный факт: оказалось, что источники рентгеновского излучения галактических корон не могут удержаться возле галактик, ведь суммарной массы всех их звезд явно недостаточно. Пришлось предположить, что в эллиптических галактиках на периферии есть невидимое вещество, масса которого в десять раз превышает массу звездной галактики.

Исходным пунктом стали оценки масс различных галактик. Эти оценки астрофизики делают двумя способами. Можно оценить суммарную массу составляющих галактику звезд, добавить массу газовых и пылевых облаков, предполагаемых черных дыр и остатков потухших звезд определенного класса – темных карликов. Другой способ состоит в измерении силы притяжения галактик путем исследования скорости движения звезд или газовых облаков на ее периферии. К удивлению исследователей, выявилось влияние таинственной гравитации, в десять раз превышающей притяжение известных небесных тел! Это было тем более поразительно, что раньше никаких видимых или регистрируемых другими способами проявлений таинственной тяготеющей субстанции на периферии галактик не обнаруживали.

Открытие темной материи и особенно темной энергии заставили во многом пересмотреть старую версию стандартной космологической модели Вселенной, описывающей широкий круг явлений в рамках хорошо разработанной и обоснованной модели горячей Вселенной, ведущей начало с самых первых моментов космологической сингулярности Большого взрыва. Согласно новой модели мироздания, оно в целом состоит их трех основных материальных компонентов: барионного, который описывается общепринятой моделью элементарных частиц; темной материи скрытой массы, представляющей неизвестные слабовзаимодействующие массивные частицы, и темной энергии, судя по всему, как-то связанной со структурой физического вакуума. К глубокому сожалению, приходится констатировать, что ничего определенного о физической природе последней (и самой важной) компоненты Вселенной мы не знаем.

При этом на долю барионов приходится всего лишь около четырех процентов всей массы метагалактики, темная материя составляет примерно четверть, а основная доля приходится на загадочную темную энергию, обнаруживающую себя только парадоксальным «антигравитационным» действием, заставляющим Вселенную ускоренно расширяться. Эта «фоновая энергия мироздания», судя по всему, распределена равномерно – во всяком случае, никаких неоднородностей расширения пространства ни в галактических, ни в метагалактических масштабах зафиксировано не было.

Представление о темной энергии связано с наблюдениями за сверхновыми звездами, которые время от времени ярко вспыхивают на небосклоне и затем довольно быстро тускнеют. Благодаря их уникальным свойствам эти звезды используют в качестве своеобразных меток для определения того, как космологические расстояния изменяются со временем. Так вот, в самом конце прошлого века астрофизики обнаружили, что самые далекие сверхновые светят не так ярко, как это ожидалось, исходя из того, что Вселенная заполнена обычной материей, подчиняющейся закону тяготения Ньютона. Это означало, что они расположены от нас дальше, чем должны были бы находиться, если бы Вселенная расширялась в поле обычных гравитационных сил. Таким образом, у астрономов появилась возможность утверждать, что во Вселенной должна быть еще какая-то дополнительная энергия, способная на космических расстояниях противостоять гравитационному притяжению материи. Она и есть то, что стали понимать под словами «темная энергия».

С тех пор было получено множество новых свидетельств в пользу данного утверждения – как в ходе дальнейших и более надежных наблюдений за сверхновыми, так и в результате ряда других исследований. Таковыми были, прежде всего, детальные измерения энергетического спектра реликтового излучения в наземных лабораториях и со спутников. Откуда же все-таки берется эта темная энергия? Вразумительного ответа на этот вопрос пока нет, но обычно его пытаются найти, комбинируя различными способами уравнения общей теории относительности с уравнениями состояния вещества. По существу, именно это соображение положено в основу инфляционной модели, утверждающей, что в очень ранней Вселенной абсолютно доминировала огромная (положительная!) энергия вакуума, который по этой причине стремительно раздувался, а вещество появилось лишь позднее.

Дело в том, что величина космологической константы, необходимая для объяснения наблюдаемых размеров Вселенной с помощью инфляционной модели, настолько велика, что сейчас темная энергия должна была бы превышать энергию, связанную с обычной материей, примерно на 120 порядков! А между тем она, как уже упоминалось, хотя и больше, но все-таки имеет тот же порядок величины.

В результате фазового перехода с перестройкой вакуума, который, почти несомненно, произошел в ранней Вселенной, космологическая константа могла измениться (и наверняка изменилась), но все же пока совершенно непонятно, как и почему произошла столь «тонкая настройка», что она уменьшилась именно на 120 порядков. Правда, если бы все случилось иначе, то сейчас просто некому было бы задаваться подобными вопросами.

Любопытно, что недавно была предложена новая модель строения темной материи, из которой следует существование совершенно поразительных объектов, возможно, составляющих значительная часть Вселенной. Так, физики-теоретики предложили гипотезу парадоксальных «темных шаров» диаметром в несколько десятков сантиметров и массой в сотни миллионов тонн, которые могут располагаться в сердцевине звезд. Такие очень странные космические объекты могли бы возникнуть в первые секунды Большого взрыва. Ведь согласно сценарию Большого взрыва именно в этот момент могли появиться две разновидности вакуума, в равной степени способные вмещать материю. Области пространства, соответствующие вакуумам различного типа, оказались разделены особыми доменными стенками, которые затем «свернулись», захватив некоторое количество протонов и нейтронов. Из них при сжатии «шаров» образовывались легкие ядра, которые, в свою очередь, вступали в реакции термоядерного синтеза. За счет выделившейся энергии некоторые ядра смогли покинуть «альтернативный вакуум» и стать привычным нам веществом (физики называют его «барионной материей»).

Физики считают, что часть «темных шаров» до сих пор находится внутри звезд. Подобные артефакты Большого взрыва, по идее, могли бы обмениваться с ними веществом и энергией, но их совместное существование может закончиться взрывом сверхновой. Кроме того, изолированные шары вне звезд также неустойчивы и могут стать причиной рентгеновского и гамма-излучения, источники которого астрономы не в состоянии найти, предлагая при этом совершенно фантастические гипотезы, вплоть до взрывов торпед инопланетян, ведущих звездные войны.

Недавно физики открыли для астрономов факт, значение которого для сценариев будущего нашего мира трудно переоценить. Речь идет о массе покоя одной из самых неуловимых частиц на свете – нейтрино. Раньше предполагалось, что эти элементарные частицы вообще не обладают массой покоя, точно так же как кванты электромагнитного излучения – фотоны. Предполагалось также, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. Но оказалось, что все же очень небольшая масса покоя у нейтрино есть.

Влияние этого факта на будущие судьбы Вселенной двояко. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает сегодня никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не так быстро, как плотность масс фотонов, а так же, как плотность масс обычных частиц, и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя.

Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (10²⁹ г/см³), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут все звезды. Тогда в будущем Вселенную ожидает сжатие, разрушение при этом небесных тел, возникновение вновь сверхплотного сверхгорячего вещества со сверхбурными физическими процессами.

Как видно, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Правда, во всех вариантах в отдаленном будущем Вселенная будет совсем не похожа на окружающую нас сегодня. Либо это состояние будет очень разреженным и холодным, либо – очень плотным и горячим.

Получается, что современные модели эволюции Вселенной предоставляют на выбор несколько сценариев будущего, и, честно говоря, все они не дают оснований для особого оптимизма. Основной сценарий состоит в том, что наша Вселенная будет вечно расширяться и охлаждаться. В конечном итоге останутся только элементарные частицы, включая нейтрино, фотоны и электроны с протонами. Никаких звезд и планет не сохранится среди хаоса случайно блуждающих частиц, разделенных огромными расстояниями. В связи с этим видный космолог и астрофизик современности И. Д. Новиков писал, что с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была примерно 10²⁷ кельвинов, происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10³⁴ секунд, а пространственные масштабы были порядка 10²⁴ сантиметров. С точки зрения подобных масштабов и сверхбыстрых процессов, сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное и чрезвычайно растянутое в пространстве. По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь – правда, в непривычных формах – и «пульс жизни» будет биться все медленнее, но никогда не остановится.

Если ускоренное расширение нашего мира не прекратиться, то космологи прогнозирует его гибель в пучине Большого разрыва. Эта идея основывается на предположении, что величина взаимодействия между частицами, благодаря которому существуют все структуры, начиная с атомов, со временем уменьшается. В какой-то момент, когда взаимодействие станет слишком слабым, произойдет распад всех жизненно важных объектов, и Разума в том числе. Впрочем, за много миллиардов лет до этого Вселенная может лишиться массы и превратиться в излучение – скажем, из-за нестабильности Хиггса.