Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Разумеется, ни на одном космическом объекте вы не найдете надписи с указанием его яркости. Но у нас есть нечто почти столь же полезное. Открытие, которое позволило применять стандартные свечи в астрономии, было сделано в начале 1900-х годов астрономом Генриеттой Суон Ливитт[53]. Работая в Гарвардской обсерватории, она обнаружила, что яркость определенного класса переменных звезд, известных как «цефеиды», меняется предсказуемым образом. Более яркие цефеиды отличаются более длинным периодом пульсации и меньшей амплитудой блеска. Цефеида, которая по своей природе является более тусклой, имеет более короткий период пульсации, а ее блеск меняется в большем диапазоне[54].

Это открытие было революционным и, вероятно, одним из самых важных в истории астрономии, поскольку оно наконец позволило нам оценить масштаб окружающей нас Вселенной. Обнаружив в той или иной области космоса цефеиду, мы можем получить представление о расстоянии до нее и приступить к созданию удобной карты. Измеряя период пульсации цефеиды и учитывая, насколько яркой она казалась, Ливитт могла довольно точно определить ее реальную яркость, а значит, и расстояние до звезды.

Как далеко это может нас завести? Мы способны рассмотреть цефеиды Млечного Пути и соседних галактик, поэтому с помощью параллакса можем определить расстояние до ближайших цефеид, тщательно откалибровать соотношение «период – светимость», а затем использовать более отдаленные звезды для определения расстояния до других галактик. Следующая ступень лестницы расстояний является критически важной, но здесь может возникнуть путаница. В предыдущей главе мы говорили, что для измерения расстояний может использоваться определенный вид сверхновых.

Вспышкой сверхновой типа Ia называется мощный взрыв белого карлика, поглотившего часть вещества другой незадачливой звезды. Поскольку все белые карлики являются довольно простыми объектами[55], а физика их взрыва казалась нам достаточно понятной, сверхновые типа Ia на протяжении некоторого времени считались хорошими стандартными свечами благодаря предсказуемым свойствам их взрывов. Однако позднее выяснилось, что их следовало бы называть не стандартными, а «стандартизируемыми» в том смысле, в котором это понятие применимо к цефеидам. Исследуя динамику изменения блеска, мы можем получить представление об общем количестве энергии, выделяемой при взрыве, а значит, и о его реальной яркости.

Термоядерно-яркий звездный свет

Однако эта книга о разрушении, и было бы непростительно, если бы при описании вспышки сверхновой типа Ia я бы ограничилась невыразительной фразой «взрывающаяся звезда». Белый карлик, в которого однажды превратится и наше Солнце, сам по себе чудо звездной эволюции. А его взрыв представляет собой термоядерную детонацию всего вещества звезды, вспышка которой способна затмить сияние целой галактики.

Если вы – звезда любого типа, то, на какой бы стадии жизненного цикла вы ни находились, ваше существование зависит от деликатного баланса между давлением, создаваемым в вашем ядре, и гравитацией, порождаемой веществом, из которого вы состоите. (Это состояние называется «гидростатическим равновесием», а его суть сводится к идее о том, что гравитация, направленная внутрь, должна быть уравновешена направленным наружу давлением, чтобы звезда не взорвалась и не коллапсировала.) В большинстве случаев давление создается термоядерными реакциями в ядре звезды, в ходе которых легкие атомные ядра сливаются, превращаясь в атомы более тяжелых элементов. Слияние самых легких атомных ядер сопровождается выделением энергии в виде излучения, которое и отвечает за давление, предотвращающее коллапс звезды.

В случае такой звезды, как Солнце, направленное наружу давление обеспечивается слиянием ядер водорода в ядра гелия. Фактически большинство звезд представляют собой гигантские заводы по производству гелия, которые поглощают водород, самый распространенный элемент во Вселенной, и ежесекундно производят из него бесчисленные миллиарды ядер гелия. Давайте рассмотрим пример дорогого нашему сердцу Солнца.

Прямо сейчас Солнце сжигает водород, создавая избыток гелия в ядре, что со временем приведет к изменению температуры и давления. Поскольку эффективность завода зависит как от температуры, так и от давления, количество выделяемой Солнцем энергии и его размер будут меняться, – за следующие несколько миллионов лет оно станет ярче и чуть крупнее[56].