Страница 16 из 72
Но что же тогда представляет собойэта темная материя? Несмотря на то, что однозначного ответа мы пока не знаем, у нас есть ряд свидетельств, которые наводят на мысль о том, что частицы темной материи должны подвергаться слабому взаимодействию. Другими словами, эти частицы чувствуют только гравитацию и слабое ядерное взаимодействие. Они не восприимчивы ни к сильному взаимодействию, ни к электромагнитной силе. Это требование, вкупе с фактом сохранения этих частиц до сегодняшнего дня, значительно ограничивает разрешенный диапазон масс для частиц темной материи.
Массы этих частиц распадаются на две разные категории. Первая включает в себя частицы с массами, в 10-100 раз превышающими массу протона. Столь тяжелые частицы движутся относительно медленно, и их обычно называют холодной темной материей. Вторая возможная категория содержит более легкие частицы, масса которых примерно в миллиард раз меньше. Эти легкие частицы, которые при определении их количества обыкновенно имеют релятивистские скорости, называют горячей темной материей. В нашей Вселенной могут содержаться оба типа частиц темной материи, но измерить популяции этих частиц пока не получается. Однако есть надежда, что проводящиеся сейчас эксперименты прольют хоть какой-то свет на этот вопрос с темной материей.
В настоящее время слабо взаимодействующие частицы темной материи воздействуют на Вселенную, главным образом, через свое гравитационное притяжение. Благодаря гравитации темная материя способствует образованию галактик и их скоплений и помогает направлять их современное движение. Вследствие того, что время, которое требуется темной материи для взаимодействия, превышает настоящий возраст Вселенной, сейчас эти частицы, в основном, инертны. Однако, как мы увидим, по мере дальнейшего старения Вселенной взаимодействия частиц темной материи начинают играть все более важную роль. В какой-то момент времени далекого будущего взаимодействия этих частиц станут основным источником энергии для всей Вселенной.
Глава 2
Эпоха звезд
6 < η < 14
Звезды рождаются, эволюционируют, питая Вселенную энергией, полученной из ядерных реакций, а затем умирают, мгновенно и ярко вспыхивая или медленно угасая.
11 июля 1991 года, Эль-Пескадеро, штат Нижняя Калифорния, Южная Мексика:
Частичное солнечное затмение, которое, в конце концов, сменилось полным, продолжалось больше часа. Несмотря на то, что закрывалась все большая часть Солнца, это происходило настолько медленно, что глаза успевали привыкнуть. Уменьшение дневного света стало заметно, лишь когда закрылось более девяноста процентов солнечного диска — за пятнадцать минут до того момента, как наступило полное затмение.
Из-за уменьшившегося количества солнечного света, попадавшего на участок Земли размером с диаметр Луны, то июльское утро было необычайно прохладным для Мексики. К десяти часам утра температура поднялась всего лишь до отметки в семьдесят градусов [5], а по мере увеличения затемненной поверхности Солнца начала медленно снижаться. Когда дневной свет, наконец, заметно ослаб, воздух казался почти холодным. Поверхность океана выглядела тусклой и унылой, но не имела того синевато-серого отблеска, который появляется в облачный день Кучевые облака неслись над отдаленной цепью гор, напоминая быструю смену кадров, возникающую при перемотке пленки.
Внезапно дюны покрылись странной темной рябью, какая бывает на дне бассейна в полдень. Рябь, покачиваясь, медленно перемещалась по песку Эти призрачные полоски, одно из редчайших природных явлений, возникли в результате особого сочетания растущей части Солнца и необычной турбулентности верхних слоев атмосферы. Полоски сохранялись менее минуты, после чего словно испарились. Ветер усилился.
В оставшуюся минуту небо темнело с каждой секундой. Воздух внезапно наполнился летучими мышами, которые, обманувшись неестественными сумерками, вылетели из своих укрытий. Солнце, случайно попавшееся на глаза смельчаку, на миг производило впечатление звездообразной точки. Когда до полного затмения оставалось секунд пять, его черная тень пронеслась над водой со скоростью, превышающей тысячу миль в час.
На смену звездному образу Солнца пришел диск Луны, занявший его место. Последняя, быстрая, сверкающая вспышка света промелькнула, когда солнечный свет пробился через впадину лунного лимба. Наступило полное затмение, показались звезды, а расплывчатая электрическая голубая корона дугой отделилась от черного диска.
Драматическое явление полного солнечного затмения волнует нас столь глубоко, потому что человеческая цивилизация полностью зависит от света и тепла, которыми обеспечивает нас Солнце. Солнце запустило развитие жизни на нашей планете и продолжает поддерживать нашу биосферу. Мы вполне осознаем: что бы мы ни делали на Земле, это ни малейшим образом не повлияет на Солнце, — и это понимание придает нам странное спокойствие. Солнце будет светить завтра. Оно будет светить в каждый из оставшихся дней нашей жизни и еще долго-долго после нашей смерти. Однако оно не будет светить вечно.
Из двенадцати миллиардов лет, отпущенных нашему Солнцу, прошла почти половина. В следующие шесть миллиардов лет или около того Солнце истощит запасы водорода, имеющиеся в его ядре, и его длительная борьба с гравитационной силой вступит в новую, бесперспективную фазу. Как только содержание водорода упадет до критического значения, ядро Солнца сожмется под действием своего собственного веса, а поверхностные слои начнут раздуваться в направлении орбиты Венеры. В ходе этого процесса поверхность Солнца испустит достаточное количество излучения, чтобы полностью стерилизовать Землю.
Судьба Солнца имеет очевидные следствия для нашего собственного долгосрочного будущего. Однако в более универсальном масштабе Солнце — это всего лишь одна звезда из миллиарда триллионов ей подобных, расположенных в пределах нашего космологического горизонта. Сейчас эти сверкающие звезды — самые важные составляющие Вселенной. Звезды освещают ночное небо и образуют галактики. Звезды создали кислород, кремний и железо, из которых, в основном, состоит Земля. Свет звезд предоставляет нам большую часть информации, которой мы располагаем относительно современного состояния нашей Вселенной. Таким образом, мы живем в эпоху звезд, которая будет продолжаться еще сто триллионов лет, пока обычные, существующие за счет горения водорода, звезды будут сверкать в главной роли.
Образование галактик
После фейерверков первых трех минут Вселенная вступила в фазу относительного застоя. На протяжении следующих трехсот тысяч лет космическое пространство было заполнено практически невыразительным морем, состоявшим из ядер водорода и гелия, фотонов и свободных электронов, находившихся в состоянии постоянного взаимодействия, называемого тепловым равновесием. В эту мирную эпоху Вселенная расширялась и остывала. Но всюду проникающее море света препятствовало росту каких бы то ни было структур. В этом пламенном пространстве не было ни галактик, ни звезд, ни планет, ни жизни. Единственным отличием, нарушавшим монотонность Вселенной, были чрезвычайно малые возмущения фоновой плотности. Эти возмущения были следами ранней Вселенной, сохранившимися, скорее всего, от фазы инфляции, которая теперь осталась в далеком прошлом.
Эта незамысловатая эпоха завершилась внезапно, когда Вселенная остыла до температуры порядка трех тысяч градусов Кельвина. При этой температуре электроны и атомные ядра способны объединиться, образуя обычные атомы, главным образом водород. По мере расширения Вселенной падает энергия моря фонового излучения. Как только температура излучения падает, фотоны внезапно утрачивают энергию, необходимую для отделения электронов от ядер, вследствие чего частицы объединяются, образуя нейтральные атомы. После этого объединения море фотонов уже почти не взаимодействует с веществом и беспрепятственно струится сквозь космическое пространство. Недавно образовавшиеся атомы водорода и гелия теперь могут коллапсировать под влиянием сил гравитации. В результате этого коллапса возникают огромные скопления звезд, газа и прочего вещества, которые мы сейчас называем галактиками.
5
Имеется в виду шкала Фаренгейта около 21 градуса Цельсия — Прим. перев.