Белые карлики. Будущее Вселенной

Эту общую схему стоит сопоставить с конкретными условиями, существовавшими во Вселенной, которой было несколько десятков миллионов лет. Космический газ в те времена состоял из водорода (76 %) и гелия (остальные 24 %) плюс совсем немного лития, образовавшихся через несколько минут после Большого взрыва. Температура этого газа не особенно отличалась от температуры реликтового микроволнового излучения, которая в те времена составляла около 100 K. Пространство было также заполнено темной материей, плотность которой была довольно высока (сейчас из-за расширения Вселенной она в десятки раз меньше). Темная материя, как и материя обычная, является источником тяготения и потому привносит свой вклад в полную гравитационную массу газовых облаков. В этих условиях масса Джинса составляет примерно 10⁵ солнечных масс. Это и есть нижний предел полной массы скоплений обычной (барионной) и темной материи, из которых могли возникнуть первые звезды. Для контраста следует отметить, что звезды нашей Галактики, в том числе и Солнце, появились на свет без всякой помощи темной материи.

Роль темной материи в запуске первоначального звездообразования исключительно важна. Ионизированный водородно-гелиевый газ, заполнявший пространство вплоть до эпохи возникновения нейтральных атомов (около 380 000 лет после Большого взрыва), был настолько «сглажен» взаимодействием с реликтовым электромагнитным излучением, что его плотность везде была практически одинаковой. Если бы темная материя оказалась равномерно распределена по космическому пространству, то локальным газовым сгусткам просто неоткуда было бы взяться, и звездообразование никогда бы не началось. Неоднородности в распределении темной материи возникли из-за флуктуаций квантовых полей, породивших ее частицы в первые мгновения после Большого взрыва. Поскольку темная материя не была подвержена нивелирующему действию реликтовой радиации, ее плотность кое-где несколько превышала средние значения. Эти максимумы плотности создавали гравитационные «колодцы», в которых собирались частицы газа.

Темная материя не только обеспечивала формирование первичных газовых облаков, но и влияла на их последующий коллапс. Она создавала гравитационные колодцы, внутри которых обычный газ закручивался приливными силами и превращался во вращающийся тонкий диск. Так формировались протогалактики, окруженные оболочками (гало) из темной материи. Локальные уплотнения внутри диска давали начало отдельным звездам.

Это неполная картина. Поскольку уплотняющийся газ греется, его давление растет и противодействует дальнейшему коллапсу. Чтобы коллапс не прекратился, газ должен охладиться. Для звезд, формировавшихся в нашей Галактике, в том числе и для Солнца, это не было проблемой. В те времена космическая среда уже содержала частицы пыли и отдельные многоэлектронные атомы (азот, углерод и кислород). При столкновениях они легко излучали фотоны и теряли энергию, вследствие чего температура газовой среды составила 10–20 K. У первичных облаков такого выхода не было, они могли снижать температуру только за счет излучения атомарного и молекулярного водорода. Но атомарный водород служит эффективным охладителем только при температурах выше 10 000 K, а первичные облака были много холоднее. Процесс звездообразования спасали двухатомные молекулы водорода, теряющие энергию уже при нескольких сотнях кельвинов.

Когда зажглись первые звезды, не знает никто, но не исключено, что это могло произойти всего через 30 млн лет после Большого взрыва. Скорее всего, эту дату еще подкорректируют, однако есть все основания полагать, что, когда Вселенной исполнилось 100 млн лет, она уже была населена звездами. Во всяком случае, 1 марта 2018 г. в журнале Nature появилась информация о возможной регистрации электромагнитной «подписи» звезд, существовавших спустя 170 млн лет после Большого взрыва.

Дозвездная Вселенная не отличалась сложностью. Ее состояние описывается лишь несколькими космологическими параметрами — в частности, плотностью различных форм материи и температурой реликтового излучения. Новорожденные звезды одновременно выполняли роль мощных источников электромагнитных волн и фабрик синтеза химических элементов. Хотя жизненный срок первых светил и был недолгим, они качественно изменили космическую среду.