Белые карлики. Будущее Вселенной

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.