Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Наша галактика, Млечный Путь, представляет собой совокупность более чем 100 миллиардов звезд, удерживаемых вместе взаимным гравитационным притяжением. Все началось с крошечного колебания избыточной плотности в удивительно однородной и чисто газообразной Вселенной. Постепенно, по прошествии, возможно, миллиарда лет или еще более долгого времени, эта порция дополнительной массы обрастала веществом, медленно наращивала массу и все сильнее притягивала к себе вещество из еще более далеких пределов. По мере сжатия изначальное случайное вращение становилось все быстрее – так фигуристка прижимает к себе руки, когда хочет ускорить вращение¹, – и со временем большая часть обычной материи сжалась в относительно тонкий диск, образовав галактику в форме вертушки, которую мы видим сегодня, с толщиной всего в несколько тысяч световых лет и диаметром 100 000 световых лет.

Сперва Млечный Путь состоял в основном из газа², но процесс его отделения от окружающей среды – обрастание крошечного случайного пика плотности все большим и большим количеством вещества – воспроизвелся в микрокосме по мере того, как в результате флуктуаций газового диска начали формироваться звезды. К настоящему времени, спустя 13 миллиардов лет, в звездах находится примерно 90 % галактического газа, и только 10 % осталось для формирования будущих поколений звезд и планет.

Если сказать, что население Галактики составляет более 100 миллиардов звезд, может показаться, что она очень многолюдна, но вряд ли это так. Если мы представим Солнце (диаметром свыше полутора миллионов километров) в виде апельсина в Нью-Йорке, то Земля, размером не превышающая песчинки, расположится на расстоянии 4,5 метра от него. Самая далекая планета, Нептун, будет с горошину и займет свое место в двух городских кварталах, а следующая звезда, по размеру и температуре подобная Солнцу, – и так удачно представленная вторым апельсином, – окажется в Миннеаполисе. На долю звезд приходится лишь 100-миллиардная триллионная доля (примерно 10^–23) объема Галактики. Поэтому большая часть Млечного Пути – это то, что мы называем межзвездным пространством.

Это пространство не совсем пустое – там по-прежнему остается 10 % первозданного газа, из которого еще не образовались звезды. Это вещество, как и сама Вселенная, по большей части состоит из Водорода и Гелия, но они распределены неравномерно. Почти во всем межзвездном пространстве частицы газа находятся очень далеко друг от друга: всего 1 атом на 100–1000 кубических сантиметров (всего лишь один атом Водорода в литровом контейнере – эта плотность в 10 000 раз меньше, чем лучший вакуум, который мы можем создать в лаборатории). Температуры в этих областях колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов кельвинов, поэтому большая часть атомов, находящихся там, ионизирована. Высокие температуры и низкие плотности создаются и поддерживаются звездными взрывами, которые мы рассмотрим в главе 16.

В нескольких процентах межзвездной среды (так мы называем вещество между звездами) газ охладился и сконденсировался до гораздо более высоких плотностей, которые составляют от 1 до 100 атомов на кубический сантиметр при температуре от 100 до 200 К. В нескольких процентах из этих процентов есть даже более плотные области – их температура не превышает 10 К, и на каждый их кубический сантиметр приходится от нескольких тысяч до десятков миллионов атомов. В этих плотных холодных облаках иногда возникают молекулы и обнаруживаются микроскопические пылинки, состоящие в основном из Углерода, Кремния и Железа, и здесь же может содержаться вещество, масса которого превышает массу Солнца во много раз, от сотен до миллиона. Именно здесь появляются на свет новые солнечные системы.

Опять же, все начинается с того, что небольшое случайное колебание плотности внутри одного из этих холодных темных облаков начинает прирастать за счет аккреции окружающего вещества. В центре формируется звездное ядро, окруженное вращающимся диском, который простирается на 100 миллиардов километров, а возможно, и еще дальше. Коллапсирующее облако, продолжая сжиматься и отделяться от окружающего вещества, становится протозвездной туманностью, предшественником новой солнечной системы. Обычно более 99 % вещества заканчивает свой путь в центральной звезде (99,86 % в случае нашей Солнечной системы), но окружающий диск все еще содержит примерно 3 триллиона триллионов тонн (3 × 10²⁷ кг) исходного материала, из которого образуются планеты, спутники, астероиды и кометы.