Белые карлики. Будущее Вселенной

Первые звезды навсегда изменили состав межгалактической среды. Они практически уничтожили молекулярный водород, стопроцентно ионизировали водород атомарный и запустили синтез элементов тяжелее гелия и лития, которые до того в природе не существовали. Звездное население той далекой эпохи погибло в ранней юности, но оставило после себя обновленный космос, где возникли условия формирования крупных галактик и звезд умеренной массы, обладающих планетными системами. Одна из них красуется на нашем небосводе. По этой же причине оказалось возможным появление белых карликов, которое началось (и продолжается до сих пор) вскоре после образования звезд с массами не больше 10–11 солнечных.

29. Белые карлики и конец света

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.