Белые карлики, безусловно, следует отнести к долгожителям космоса. Остается разобраться, что им сулит будущее.

Для начала следует вернуться к истории. В 1854 г. 33-летний профессор Кёнигсбергского университета Герман Гельмгольц опубликовал статью «О сохранении природных сил», содержащую один из наиболее пессимистических прогнозов за всю историю науки. Он исходил из внешне простого постулата, сформулированного четырьмя годами ранее Рудольфом Клаузиусом: тепло само по себе никогда не переходит от холодного тела к нагретому (исторически это была первая формулировка второго закона термодинамики). Гельмгольц пришел к выводу, что температуры различных участков космического пространства со временем выровняются, а все макроскопические процессы навеки прекратятся. Это мрачное предсказание называют гипотезой тепловой смерти Вселенной.

В 1854 г. Гельмгольц еще не был признанным классиком естествознания и не успел получить дворянства за научные заслуги. Однако его считали восходящей звездой немецкой науки, поэтому прогноз восприняли вполне серьезно. Позже к аналогичному заключению пришел и Клаузиус, который доказал, что любая конечная система, не обменивающаяся энергией с прочими системами, становится все более однородной, неупорядоченной, бесструктурной. Степень этой беспорядочности характеризуется особой величиной — энтропией, которую ввел в физику тот же Клаузиус. С ее помощью он заново сформулировал второе начало термодинамики: энтропия любой замкнутой системы должна возрастать или в крайнем случае оставаться неизменной. А поскольку Вселенная как целое по определению замкнута (ей обмениваться энергией просто не с чем и не с кем), ее энтропия обязана стремиться к максимуму. Этот максимум получил название тепловой смерти.

Гипотезу Гельмгольца — Клаузиуса много раз опровергали, подтверждали и опять опровергали. Сегодня это сделать нетрудно. Почти все космологи согласны, что наше мироздание возникло как результат Большого взрыва сверхмикроскопического (диаметром не более 10–33 см) пузырька первичной квантовой «пены», о природе которой мало что известно. Поначалу размер Вселенной удваивался примерно каждые 10–34 с. (эта стадия называется инфляционной), но после пары сотен таких «тик-таков» он стал увеличиваться много медленней. После акта рождения (или творения, если кому-то так больше нравится) прошло около 13,8 млрд лет, и все это время Вселенная непрерывно увеличивалась. Сначала материя отличалась высокой степенью однородности, затем под действием гравитации стала стягиваться в упорядоченные космические структуры (звезды, галактики, скопления галактик, планеты и т.п.). Хотя эти процессы шли (и идут) с нарастающей энтропией, они увеличивают макроскопическую неоднородность Вселенной. Как бы ни расширялась Вселенная, она никогда не сможет достигнуть термодинамически равновесного состояния с одинаковой температурой. Поэтому классическая модель тепловой смерти явно выглядит ошибочной.

Однако это еще не все. Пусть в очень отдаленном будущем космос окажется заполнен одним лишь электромагнитным излучением и одиночными стабильными частицами, значительно отдаленными друг от друга и посему не вступающими ни в какие союзы. Из-за разбухания Вселенной это излучение распределится по все возрастающему объему и поэтому охладится. Если скорость расширения Вселенной будет и дальше увеличиваться, как это происходит в нашу эпоху, то этот процесс еще больше усилится. Формально такое состояние (его принято называть космологической тепловой смертью) не тождественно прогнозам Гельмгольца и Клазиуса, однако фактически на них похоже. Многие сценарии эволюции расширяющейся Вселенной имеют именно такой финал. Поэтому по существу классики оказались правы, на то они и классики.

Еще лет тридцать назад в космологии доминировали две модели эволюции космоса, основанные на ОТО. В открытой модели Вселенная расширяется вечно, но скорость ее расширения монотонно сокращается и стремится к положительному пределу. В закрытой модели расширение сменяется сжатием, практически стягивающим Вселенную в точку. Выбор между этими вариантами определяется тем, какова будет в начале процесса расширения средняя плотность энергии космической материи — больше или меньше некоего критического значения. При абсолютно строгом и потому физически невозможном равенстве Вселенная опять-таки вечно увеличивается, но скорость ее расширения стремится к нулю. Еще в 1980-е гг. данные астрономических наблюдений позволили прийти к выводу, что отношение суммы средней энергетической плотности всех известных видов вещества и излучения и гипотетической темной материи к критическому показателю не превышает 0,3.

Эту простую схему пересмотрели после того, как в самом конце прошлого века было доказано, что расширение Вселенной вот уже в течение 5 млрд лет происходит с ускорением. Эту возможность рассматривали и раньше, но чисто теоретически. Сейчас считают, что полная плотность энергии составляет не 30% критического значения, а практически равна ему, вернее немногим его меньше. В определение этой полной плотности нужно добавить еще одно слагаемое — темную энергию (например, энергию вакуума). Эта энергия противостоит силе тяготения и, следовательно, вызывает расширение пространства. По последним данным, она не была особенно важна в течение первой половины жизни Вселенной, но потом начала доминировать. Точнее, Вселенная перешла от замедляющегося расширения к ускоренному приблизительно 5 млрд лет назад, когда плотность темной энергии превысила половину плотности барионного вещества и темной материи.

Чтобы вакуум действовал как антигравитатор, плотность его энергии должна быть положительной, в противном случае она усилит действие тяготения. Наблюдение за дальними сверхновыми показало, что Вселенная ускоряет свое расширение очень медленно. Это означает, что плотность энергии вакуума лишь немного больше нуля. Если эта ситуация сохранится и в будущем, то Вселенная до скончания веков будет расширяться с чрезвычайно плавным ускорением. Но есть и альтернатива — темная энергия наберет силу, темпы расширения резко возрастут, и Вселенная буквально взорвется, причем за относительно короткое время. Вариант со спокойным расширением (с темной энергией или без нее) называют Большой заморозкой (Big Freeze), вариант с переходом к взрывоподобному расширению — Большим разрывом (Big Rip).

Наиболее подробно «морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин в 1997 г., как раз накануне открытия ускоренного расширения Вселенной. Вакуумную энергию они в расчет не принимали и производили свои вычисления на основании стандартной открытой модели. Они подразделили настоящее и будущее нашей Вселенной на четыре эры.

 

ЗВЕЗДНАЯ ЭРА началась где-то через сотню миллионов лет после Большого взрыва. В этой фазе во Вселенной происходила интенсивная генерация энергии (и, естественно, энтропии) за счет термоядерного синтеза в звездных недрах. Звезды с различными начальными массами проживают разные сроки, но в конце концов или взрываются сверхновыми, или превращаются в белые карлики. Дольше всего в активном состоянии существуют красные карлики, самые легкие звезды с начальной массой от 8 до 30% массы Солнца и температурой поверхности 3000–4000 K. Они очень медленно выжигают водород, а после его истощения ухитряются «кормиться» легким изотопом гелия, гелием-3. Постепенно они тоже сжимаются, сильно разогревают поверхность и голубеют. Такие звезды живут до триллиона (1012) лет, но в результате и они превращаются в белые карлики.

Адамс и Лафлин вычислили, что процесс звездообразования завершится, когда Вселенной исполнится 1014 лет. К этому времени в космическом пространстве не останется свободного рассеянного вещества, способного стянуться под действием гравитации в газопылевые облака, дающие начало новым звездам. Тогда же прекратятся ядерные реакции в последних красных карликах. Звездная эра закончится.

 

ЭРА ВЫРОЖДЕНИЯ охватывает промежуток 1015–1037 лет после Большого взрыва. На этом этапе космической истории во Вселенной больше не будет звезд с активными термоядерными топками. В космическом пространстве останутся белые карлики, нейтронные звезды и коричневые карлики (плюс пережившие звездные взрывы планеты, планетоиды и прочая космическая мелочь). И конечно, в космосе будет много черных дыр. Дыры-супергиганты, сформировавшиеся в звездную эру в активных ядрах большинства галактик, продолжат глотать вещество и увеличивать свои размеры и массу. К ним добавятся дыры звездного масштаба, наследницы наиболее массивных светил. Некоторые дыры сольются друг с другом и с нейтронными звездами и раздуются еще сильнее. В конце прошлого века такой прогноз казался чисто теоретическим, но сейчас, после начала Революции многоканальности, он доказан данными гравитационной астрономии.

Дальше — больше. Во время Эры вырождения начнется постепенное разрушение космических скоплений всех рангов — от планетных систем до галактик. Некоторые тела под действием тяготения соседей наберут скорость и вылетят в свободный космос (этот механизм называется гравитационной пращой). Конечно, такое случалось и раньше, но очень редко, поскольку гравитационные возмущения крайне медленны. Однако время возьмет свое, и, когда возраст мироздания достигнет 1020 лет, число связанных систем значительно сократится. Остатки погасших звезд, обращающихся вокруг центров галактик, постепенно потеряют кинетическую энергию из-за испускания гравитационных волн и упадут в галактические черные дыры. В промежутке 1030–1033 лет эти дыры пожрут и галактики, и галактические скопления. Гравитационное излучение приведет к гибели двойные звезды и пары околозвездных планетных систем. Одиночные тела, которым посчастливится не стать пищей для черной дыры, продолжат свой путь сквозь пустеющий расширяющийся космос.

Дальнейший прогноз не столь ясен. Известно, что свободные нейтроны быстро распадаются на протоны, электроны и антинейтрино (так называемый бета-распад) и выживают либо в составе атомных ядер, либо внутри сверхплотных нейтронных звезд. Судьба их собратьев-протонов в точности неизвестна. Долгое время их почитали абсолютно стабильными, но в 1974 г. американские физики Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу представили весьма убедительные аргументы противоположного характера. Правда, позже в их модели обнаружили неточности, но даже сегодня большинство физиков уверены, что протоны не вечны. Период их полураспада еще точно не определен, но во всяком случае он больше 1032 лет. Адамс и Лафлин заложили в свою модель много большее значение — 1037 лет. Это означает, что к концу Эры вырождения распадется каждый второй из 1078 протонов, образовавшихся после Большого взрыва.

Если верить теории, распад протона может происходить разными путями, но все же доминирует канал с образованием нейтрального пи-мезона и позитрона. Первая частица без посторонней помощи немедленно превращается в два высокоэнергетичных фотона, вторая — поступает аналогичным образом после аннигиляции с электроном. Получается, что один протон дает начало четырем гамма-квантам. Следовательно, в конце Эры вырождения обычное вещество в составе планет и белых карликов превратится в излучение.

Как ни странно, исчезновение протонов сулит смерть и нейтронным звездам. Они покрыты коркой обычного вещества, которое при протонном распаде испарится. На оголенной поверхности звезды плотность нейтронной материи относительно невелика, поэтому нейтроны пропадут в бета-распадах. Финал все тот же — вещество дает начало излучению.

 

ЭРА ЧЕРНЫХ ДЫР приходится на промежуток 1038–10100 лет. В это время исчезнут практически все барионы (протоны и нейтроны) и единственными макрообъектами Вселенной останутся черные дыры. Однако и они за счет квантовых процессов постепенно превратятся в излучение и погибнут во взрывах. Сверхмассивная дыра, успевшая заглотить крупную галактику (порядка 100 млрд солнечных масс), может протянуть 1098 лет, а к концу этой эпохи дыры практически исчезнут.

 

ТЕМНАЯ ЭРА наступит, когда возраст мироздания превысит 10100 лет. Из былого богатства материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти нулевой температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны). Некоторые электроны и позитроны смогут образовать связанные пары (так называемые атомы позитрония), поперечник которых составит триллионы световых лет. Эти частицы будут медленно сближаться по спирали и в конце концов тоже аннигилируют в излучение (в соответствии со сценарием Адамса и Лафлина — через 10141 лет). Оставшиеся в неимоверно разбухшем космосе свободные электроны и позитроны практически никогда не встретятся, потому и не исчезнут. Это и есть космологическая тепловая смерть в самом чистом виде.

Такой сценарий был предложен до открытия ускоряющегося расширения Вселенной, что принципиально ничего не меняет. Вселенная, которая расширяется с ускорением, просто опустеет быстрее, чем следует из гипотезы Адамса и Лафлина. Однако есть и другая поправка, физически более интересная. Поскольку энергия вакуума никуда не исчезнет, температура реликтовых фотонов не упадет ниже определенного положительного предела (10–27 K). Эта величина невообразимо мала, но все же больше нуля. Так что космологическая тепловая смерть не означает беспредельного охлаждения.

Существуют и альтернативные прогнозы. Среди них сценарии Большого разрыва, которые рассматривают с начала 1980-х гг. Наиболее экзотический из них (во всяком случае, по моему мнению) предложили Роберт Колдуэлл, Марк Камионковски и Невин Вайнберг в 2003 г. В соответствии с их моделью возрастание темной энергии приведет к вселенскому антиколлапсу. Ждать этого не так долго — всего 20 млрд лет. За 1 млрд лет до этого срока скорость расширения пространства увеличится настолько, что скопления галактик потеряют всякую устойчивость и примутся разрушаться. Распад Млечного Пути начнется за 60 млн лет до рокового финала. За три месяца до этого срока послесолнечный белый карлик потеряет способность удерживать оставшиеся планеты, и меньше чем за час расширяющееся пространство разорвет и их. А дальше придет очередь пылевых частиц, атомов, атомных ядер и даже протонов и нейтронов, которые превратятся в кварки и глюоны. Это-то и будет настоящим концом света.

Закрытые модели мироздания не отличаются особым разнообразием. Вселенная еще какое-то время продолжит расширяться, в силу чего температура реликтового космического излучения (которая сейчас равна 2,7 K) еще больше снизится. Затем расширение сменится сжатием, скорость которого будет непрерывно возрастать. Температура реликтовых фотонов будет расти, а пространственно-временной универсум еще сильнее искривится. В конце концов мироздание исчезнет в квантовой сингулярности, о которой современная физика практически ничего не знает. В общем, случится Большой взрыв наоборот.

Коль скоро в настоящее время плотность космической энергии меньше критической, этот сценарий вроде бы не имеет шансов на реализацию. Однако темная энергия и здесь вносит свои коррективы. Из некоторых квантовых теорий гравитации следует, что в будущем она может изменить знак и начать работать не на расширение, а на сжатие пространства, и коллапс мироздания станет реальностью. Любопытно, что, согласно некоторым расчетам, его придется ожидать примерно столько же, сколько и Большого разрыва, — 10–20 млрд лет.

Существует также сценарий, согласно которому конец света может наступить хоть завтра. Первыми его предложили в 1975 г. московские физики М. Б. Волошин, И. Ю. Кобзарев и Л. Б. Окунь, однако в их работе содержались ошибки: спустя 5 лет американцы Сидни Коулман и Фрэнк Де Лучия сделали это много корректнее.

Чтобы понять логику их рассуждений, нужны кое-какие сведения о физическом вакууме. Согласно квантовой теории поля, вакуум — не абсолютная пустота, а весьма сложная динамическая система со множеством степеней свободы. В нем отсутствуют реальные частицы, однако (в силу квантовых соотношений неопределенностей) постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. Если вакуум пребывает в состоянии с минимально возможной энергией, его называют истинным. Однако вакуум может обладать и возбужденными состояниями с более высокими значениями энергии. Кстати, теория инфляционного расширения новорожденной Вселенной как раз исходит из того, что на этой стадии энергия вакуума была чрезвычайно высока.

Когда Коулман и Де Лучия писали свою статью, считалось, что вакуум нашего мира является истинным и обладает нулевой энергией. Они же, напротив, предположили, что вакуум находится в чрезвычайно долгоживущем (как говорят физики, метастабильном) возбужденном состоянии с положительной энергией. Такой вакуум называется ложным. Коулман и Де Лучия показали, что механизм квантового туннелирования делает возможным спонтанное превращение ложного вакуума в истинный в крошечной области пространства. Родившийся пузырек истинного вакуума будет расширяться, порождая внутри себя материю с абсолютно новыми физическими свойствами и полностью уничтожая наш ложно-вакуумный мир. Где бы такой пузырь ни возник, до нас он доберется со скоростью света и, следовательно, без всякого предупреждения.

Аналог этого сценария возникает и в некоторых версиях квантовой гравитации, основанной на теории суперструн. Из них тоже следует, что вакуум метастабилен. Он может туннелировать в состояние с нулевой плотностью энергии, но может случиться и так, что эта плотность окажется отрицательной. В первом случае наш мир обретет еще шесть пространственных измерений, то есть пространство-время станет не четырехмерным, а десятимерным. Разумеется, это будет мир с абсолютно другой физикой. Есть вариант и похуже. Если плотность вакуумной энергии в какой-то точке упадет ниже нуля, этот пузырь проглотит весь космос и настанет всеобщий коллапс, расширяющийся со скоростью света. К слову, Коулман и Де Лучия допускали и такую возможность, однако всерьез ее не принимали.

Наконец, существуют сценарии пульсирующего мироздания, которое многократно возрождается из сингулярностей, претерпевает расширение и сжатие и вновь гибнет в коллапсе. В 2005 г. такую модель с циклами длительностью около 1 трлн лет предложили американец Пол Стейнхардт и его британский коллега Нил Тьюрок. В этом сценарии вакуум многократно переходит на все более и более низкие энергетические уровни, что и служит причиной катаклизмов. В конце концов плотность вакуумной энергии дойдет до истинного минимума, и тогда Вселенная коллапсирует окончательно и бесповоротно. В общем, куда ни кинь — всюду клин.

К чему же мы пришли? У белых карликов есть шанс протянуть если не вечность (слово это вообще не имеет смысла), но неизмеримо дольше нынешнего возраста Вселенной. Насколько он реален — науке неизвестно.