Конец жизни на Земле и во Вселенной

 

По мере выгорания «ядерного топлива» в центре Солнца его светимость будет постепенно увеличиваться. Температуры на Земле вырастут до значений, губительных для биосферы, и наша планета станет выжженной пустыней.

 

Энергия излучения Солнца обеспечивается цепными ядерными реакциями, происходящими в его ядре: ежесекундно более шестисот миллионов тонн водорода превращается в гелий. Главным результатом этой ядерной алхимии является, помимо незначительного уменьшения массы Солнца, постепенное снижение количества частиц – одно ядро гелия образуется из четырех ядер водорода. Чем ниже плотность частиц, тем сильнее гравитация сжимает ядро, тем выше поднимается температура в недрах звезды и тем эффективнее становятся цепные реакции, увеличивая выделяемую энергию.

 

В результате количество энергии, производимой Солнцем, неуклонно растет, как и количество энергии, получаемой Землей. Через пятьсот миллионов лет после своего рождения Солнце вошло в длительную фазу гидростатического равновесия, в которой оно находится и по сей день. В самом начале этой фазы Земля получала от него значительно меньше энергии – всего 30 % от сегодняшнего количества. Однако в результате парникового эффекта температура на поверхности Земли почти все время оставалась примерно одинаковой. За исключением периодов глобального оледенения (как, к примеру последний, когда Земля была поистине огромным «снежком»), длительный период стабильности позволил жизни на Земле развиться до того состояния, в котором она оказалась сегодня.

 

Рост солнечной активности приводит к тому, что количество испускаемой Солнцем энергии увеличивается на десять процентов за миллиард лет, и на сорок – за три с половиной миллиарда лет. При таких условиях земная орбита оказывается вне «зоны обитания» Солнечной системы. Считается, что планета находится в «зоне обитания», если физические условия на ее поверхности допускают существование воды в жидком состоянии. Через миллиард лет, когда светимость Солнца станет на десять процентов выше сегодняшней, средняя температура на поверхности Земли возрастет до пятидесяти градусов Цельсия. Атмосфера превратится во влажный туман, океаны начнут активно испаряться. Водяной пар поднимется в стратосферу, где ультрафиолетовая часть солнечного излучения разложит молекулы воды и водород вырвется в околоземное пространство. Это усилит парниковый эффект до уровня, который мы наблюдаем сейчас на Венере. Бо`льшая часть земной поверхности превратится в сухую пустыню, экваториальная зона, где сейчас раскинулся океан, станет выжженым пространством, покрытым песчаными дюнами и солончаками. В подобных условиях жизнь невозможна – разве что некоторые виды бактерий-экстремофилов еще проживут некоторое время, но и они постепенно вымрут.

 

 

Двигаясь навстречу друг другу со скоростью в сто двадцать километров в секунду, Млечный Путь и Большая туманность Андромеды сливаются и становятся огромной эллиптической галактикой.

 

Млечный Путь и Большая туманность Андромеды (галактика Мессье 31) – два самых больших образования Местной группы галактик. М31 – единственная галактика, которую можно увидеть невооруженным глазом в северном полушарии. Еще в 964 году о ней писал персидский астроном Абдуррахман ас-Суфи в своей «Книге неподвижных звезд»: он воспроизвел первые описания и изображения М31, сделанные в 905 году астрономами Исфахана. Немецкий астроном Симон Марий в 1612 году описал туманность такой, какой видел ее в телескоп собственного изготовления. В 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил в М31 звезды-цефеиды и определил их внегалактическую природу по методу Генриетты Ливитт, используя зависимость период-светимость.

 

 

 

Несмотря на ее относительную близость, расстояние до М31 окончательно не определено. Сегодня его оценивают примерно в два с половиной миллиона световых лет. Астрономы сегодня гораздо точнее, чем прежде, определяют лучевую скорость объекта, то есть скорость его движения по лучу зрения. Они приходят к выводу, что Млечный Путь и М31 движутся навстречу друг другу со скоростью сто двадцать километров в секунду. Встреча произойдет примерно через четыре миллиарда лет. Вряд ли это будет похоже на удар. Расстояния между звездами столь огромны по сравнению с их размерами, что в процессе слияния галактик их звезды, скорее всего, просто пройдут друг мимо друга, не входя в непосредственный контакт. Другое дело межзвездные облака, размер которых гораздо больше, – их взаимодействие приведет к мощным вспышкам звездообразования, которые закончатся почти полным истощением запасов межзвездного газа в обеих галактиках.

 

Звездные орбиты в процессе взаимопроникновения галактик испытают сильные деформации, вызванные гравитационными возмущениями. Звезды, которые прежде обращались по круговым орбитам в плоскости своего галактического диска, после перемешивания могут перейти на орбиты с различными углами наклона. Встреча Млечного Пути с М31 приведет в конце концов к слиянию двух «островных вселенных». Гигантское образование, появившееся в результате этого процесса, будет почти полностью лишено межзвездного газа. Звездообразование в нем практически остановится – это будет скопление старых звезд на беспорядочно расположенных орбитах. В результате сформируется гигантская эллиптическая галактика, для которой астрономы уже придумали имя Милкомеда – Млечный Путь (Milky Way) и Андромеда. Со временем Милкомеда поглотит и все остальные галактики Местной группы.

 

 

Термоядерные конвульсии раздувают солнечную оболочку. В небе раскаленной, давно покинутой человечеством Земли сияет гигантский красный шар: люди отправились обживать другие миры.

 

Через десять с половиной миллиарда лет после своего рождения Солнце переживает нарушение гидростатического баланса в своем ядре, до того исправно обеспечивавшем регулярное производство энергии за счет ядерной реакции превращения водорода в гелий. Теперь в ядре Солнца водорода больше нет. Без «ядерного топлива» термоядерные реакции резко замедлились: ядро звезды почти полностью превратилось в гелий. Оно сжалось и сильно разогрелось.

 

В следующей фазе солнечной эволюции на периферийных участках ядра появляются зоны синтеза водорода. Эти участки формируют активную оболочку, которая постепенно распространяется вовне в поисках все новых запасов водорода. Рост температуры в центральной зоне, вызванный сжатием солнечного ядра, стимулирует ядерные реакции внутри оболочки. Всплеск активности, следующий за этими процессами, ведет к росту давления в наружных слоях Солнца: оно увеличивается в размерах, его светимость растет, температура на поверхности падает, и Солнце заметно краснеет. Звезда вступает в фазу эволюции, хорошо изученную астрофизиками: становится красным гигантом. Чтобы представить себе, во что превратится Солнце через пять с лишним миллиарда лет, можно посмотреть на Капеллу, самую яркую звезду созвездия Возничего, расположенную на расстоянии чуть больше сорока световых лет от Солнечной системы.

 

Фаза красного гиганта для Солнца продлится более миллиарда лет. Наша звезда будет постепенно раздуваться, ее радиус достигнет весьма внушительной величины: три четверти астрономической единицы, что в сто шестьдесят раз больше, чем ее сегодняшний радиус. К концу фазы она будет излучать в две тысячи раз больше энергии, чем сегодня. В результате, в зоне обитания Солнечной системы окажутся луны газовых гигантов. Солнце потеряет значительную часть своей массы – за счет все более и более мощного солнечного ветра. Сохранение углового момента Солнечной системы потребует увеличения радиусов планетных орбит, и поэтому, несмотря на новые огромные размеры, Солнце поглотит только Меркурий. Пока огромное красное Солнце царит на небосводе горячей Земли, превратившейся в сплошное море лавы, человечество процветает на пригодных для жизни планетах новой эллиптической галактики Милкомеда, образовавшейся в результате слияния Млечного Пути и Мессье 31.

 

 

Солнце потеряло половину своей массы, и в его недрах завершаются реакции ядерного синтеза. Ядро постепенно сжалось до состояния белого карлика, окруженного сброшенными Солнцем оболочками.

 

Через двенадцать миллиарда лет после рождения Солнца завершается фаза красного гиганта. В результате ядерного выгорания водорода в солнечных недрах образуется гелиевое ядро. Давление излучения, создаваемого ядерными реакциями, слабеет, ядро сжимается и разогревается до сотен миллионов кельвинов. Это приводит к тому, что ядра гелия начинают слипаться в ядра углерода в результате тройного альфа-процесса – цепочки термоядерных реакций, которая создает из трех ядер гелия – альфа-частиц – одно ядро углерода. Этот процесс сильно зависит от температуры и начинается с резкого скачка скорости реакций, который астрофизики называют «гелиевой вспышкой». Внезапный приток энергии перестраивает центральные области звезды: ядро Солнца расширяется, а оболочка сжимается. Начинается очередная устойчивая фаза, напоминающая эпоху синтеза водорода, но гораздо короче – всего около ста миллионов лет.

 

Запасы гелиевого топлива быстро истощаются – синтез гелия в ядре прекращается. Аналогично тому, как это происходило в предшествующей фазе, гелиевый синтез перемещается в окружающие ядро оболочки; серия гелиевых вспышек заставляет эти оболочки расширяться. Солнце вновь становится красным гигантом. За время, прошедшее с момента первой гелиевой вспышки, его радиус увеличивается до целой астрономической единицы. Но из-за того, что во время предшествующих процессов Солнце утратило значительную часть своей массы, по закону сохранения углового момента, радиус земной орбиты растет и Земле довольно долго удается избегать поглощения Солнцем. Однако приливные силы, которыми Солнце воздействует на планету, подталкивают ее обратно к красному гиганту. Окруженная облаками газа из сброшенных Солнцем оболочек, Земля постепенно по спиральной траектории опускается в недра Солнца и испаряется.

 

Солнце расширяется с каждой гелиевой вспышкой; его внешние слои постепенно расходятся в пространстве в виде огромной планетарной туманности. Это немного сбивающее с толку название предложил в конце XVIII века Уильям Гершель для обозначения небесных тел, которые, по его мнению, своим видом напоминали планеты, например Уран, который он незадолго до этого открыл. Потеряв половину своей массы, Солнце превращается в сверхплотный шар, лишь немногим больше нынешней Земли, однако в двести тысяч раз массивнее. Разогревшись в процессе образования до температуры в сто шестьдесят тысяч кельвинов, белый карлик будет светить еще миллиарды лет.

 

 

Плотность темной энергии постепенно возрастает и расширение Вселенной ускоряется до такой степени, что все ее структуры, от скоплений галактик до атомных ядер, разлетаются на части.

 

Исследования фонового космологического излучения, выполненные европейским космическим зондом «Планк» с 2009 по 2013 год, показали, что основной компонент Вселенной – темная энергия. Эта гипотетическая форма энергии, заполняющая равномерно все пространство, определяет его повсеместное расширение – впервые к этому выводу пришли американские физики Перлмуттер, Шмидт и Рисс, в 2011 году получившие за это открытие Нобелевскую премию по физике. Судьба Вселенной, согласно этой теории, зависит прежде всего от ее главной составляющей: темной энергии. Однако об этой загадочной субстанции ничего или почти ничего не известно, кроме того, что именно она – единственный фактор, способный ускорять расширение Вселенной. Не будь темной энергии, Вселенная неизбежно должна была бы в конце концов сжаться под действием гравитации всей заключенной в ней материи.

 

Многие астрофизики считают, что, в отличие от материи, плотность которой в расширяющейся Вселенной уменьшается со временем, плотность темной энергии остается постоянной. Наблюдения за скоплениями галактик, расположенными на очень разных расстояниях, пока подтверждают вывод о том, что темная энергия заполняет все пространство и ее плотность не зависит ни от расстояния, ни от времени. Темная энергия, таким образом, заставляет вспомнить о космологической постоянной – параметре, который Эйнштейн в 1917 году ввел в систему уравнений общей теории относительности, чтобы привести теорию в соответствие с концепцией статической Вселенной. В рамках общей теории относительности введение космологической константы было эквивалентно заполнению всего пространства отрицательной энергией, способной уравновесить гравитацию и обеспечить стабильность Вселенной. После открытия на рубеже 1930-х годов расширения Вселенной Эйнштейн назвал введение космологической постоянной «самой большой глупостью в своей жизни».

 

Согласно опубликованным в 2003 году работам американского физика-теоретика Роберта Колдуэлла и его коллег, Вселенная может быть заполнена темной энергией, называемой еще фантомной, плотность которой возрастает по мере расширения Вселенной. Фантомная энергия со временем увеличивается, и в бесконечной временной перспективе ее плотность тоже стремится к бесконечности. Превзойдя по силе воздействия все иные процессы, способные обеспечить сцепление структур Вселенной, призрачная энергия разорвет все связи, и через двадцать миллиарда лет Вселенной придет конец в виде Большого разрыва. За сотни миллионов лет до Большого разрыва начнется распад галактических скоплений, а потом и самих галактик. За несколько лет до Разрыва придет очередь планетных систем, а за несколько минут – звезд. И наконец, в последнюю долю секунды распадутся атомы.

 

 

Нельзя исключить и ситуацию, в которой рост темной энергии со временем замедлится, а потом сменится спадом. Она объединится с гравитацией и ускорит общий коллапс Вселенной.

 

Будущее Вселенной, раздираемой гравитационными силами взаимного притяжения и отталкивающим воздействием темной энергии, несомненно, зависит от того, как эта последняя поведет себя со временем. Помимо того, что она оказывается основным содержанием Вселенной и играет ключевую роль в ускорении ее расширения, физики практически ничего об этой загадочной субстанции не знают. Очень многие ученые идентифицируют ее со знаменитой космологической постоянной, которую Эйнштейн вынужден был ввести в уравнения общей теории относительности. Но есть и другие – те, кто считает, что она представляет собой динамическую величину, изменяющуюся во времени и пространстве. Они называют ее «квинтэссенцией», в честь «пятого элемента», дорогого сердцу философов античной Греции. Американский космолог Роберт Колдуэлл полагает, что эта фантомная энергия приведет Вселенную к состоянию Большого разрыва, в котором все структуры будет разорваны…

 

Таким образом, вполне допустимо предполагать, что темная энергия со временем может ослабнуть и даже превратиться из отталкивания в притяжение, которое в сочетании с обычной гравитацией через сто миллиарда лет приведет Вселенную в состояние Большого сжатия. Космологи вновь допускают, что расширение Вселенной может прерваться и смениться фазой сжатия. Основными этапами этого «Большого взрыва наоборот» станут распад галактик, испарение звезд, распад атомов, дезинтеграция ядер, образование черных дыр, поглощающих все вокруг, и наконец, объединение всех черных дыр в одну гигантскую дыру, которая поглотит всю Вселенную. В результате должна образоваться одна сплошная сверхгорячая и сверхплотная сингулярность – вероятный зародыш новой Вселенной.

 

Некоторые космологи, как к примеру француз Орельен Барро, считают, что Большой взрыв – лишь переход к сегодняшней фазе расширения Вселенной от фазы сжатия, которая ей предшествовала. Этот переход следовало бы назвать не Большим взрывом, а скорее Большим отскоком – такое название подчеркивало бы идею смены фаз. Такие теоретические рассуждения вводят в научный обиход идею вечно существующей циклической Вселенной. Альберт Эйнштейн и американец Ричард Толман рассматривали циклическую модель еще в 1930-х годах в качестве вечной альтернативы модели расширяющейся Вселенной. Заметим, что философская концепция вечного возвращения пронизывает многие древние культуры: от индуистских верований до космогонии индейцев майя. Расцвет христианства в западном мире, несомненно, способствовал тому, что эти концепции были забыты. Однако в Европе эту идею подхватил великий немецкий философ Фридрих Ницше.

 

 

Эллиптическая галактика Милкомеда, образованная в результате слияния Млечного Пути с туманностью Андромеды, поглощает остальные галактики Местной группы – формируется новая эллиптическая галактика невероятных размеров.

 

Далеко не все космологи склоняются к теориям Большого разрыва или Большого сжатия: большинство предлагают гораздо менее беспокойные сценарии будущего развития Вселенной. Темная энергия остается в этих сценариях главной действующей силой; ее истинная природа по-прежнему остается одной из самых больших загадок мироздания. Многие физики предпочитают трактовать ее как космологическую постоянную, величину, введенную Альбертом Эйнштейном, хоть он и отказался от нее несколько лет спустя. Это, несомненно, самая простая интерпретация: плотность темной энергии однородна и постоянна во всей Вселенной, не зависит от времени. Вдобавок, такая форма ее интерпретации кажется наиболее соответствующей результатам современных наблюдений. Темная энергия все быстрее растягивает ткань Вселенной; ее воздействие прослеживается в поведении гигантских гравитационно связанных структур, таких как скопления галактик, а в частности, и Местной группы.

 

Когда начнется процесс взаимопроникновения Млечного Пути и его соседки Мессье 31, Большой туманности Андромеды, многочисленные мелкие галактики Местной группы окажутся под воздействием гравитации двух огромных спиралей. Помимо двух Магеллановых Облаков, Млечный Путь удерживает еще десять карликовых эллиптических галактик. Одна из них, карликовая галактика в Стрельце, ближайшая к Млечному Пути, уже частично разрушена его мощными приливными силами. Среди «подданных» М31 тоже насчитывается добрая дюжина карликовых галактик, среди которых две самых крупных имеют эллиптическую форму – например М32, которая уже отдала M31 значительную часть своего звездного населения. 

 

В гравитационном поле М31 находятся также спиральная галактика в Треугольнике (М33), третья по размеру в Местной группе, и ее спутница, карликовая галактика в Рыбах. Лишь немногие галактики – члены Местной группы – не зависят от этих двух крупнейших систем.
 

Таким образом, складываются все условия для слияния Млечного Пути с туманностью Андромеды. Ждать его еще долго – триста миллиарда лет, но после него должны создаться условия для сжатия всей Местной группы, которая превратится в сверхгигантскую эллиптическую галактику. Такой процесс согласуется с новой популярной моделью холодной темной материи, которая также предполагает последовательное слияние малых структур и образование более крупных. Тем не менее в не слишком густонаселенной области Вселенной, где расположена Местная группа, образование гигантской эллиптической галактики будет идти гораздо медленнее, чем это происходит в гораздо более плотных недрах самых больших скоплений галактик.

 

 

 

Расширение Вселенной ускоряется, все сверхскопления вокруг Ланиакеи исчезают за космологическим горизонтом. На небе остается только рассеянное гало из красных карликов.

 

Темная энергия не проявляется в каких-либо катаклизмах вроде Большого разрыва или Большого сжатия. Она позволяет времени течь и не мешает силам природы увлекать постепенно остывающую Вселенную в царство мрака и холода: Большое замерзание (Big Freeze). Конечно, следуя своей глубинной сущности, темная энергия продолжает растягивать ткань пространства и ускорять всеобщее расширение. Однако она не действует в недрах космических структур, связанных силами гравитации – даже если речь идет о самых крупных из них, о сверхскоплениях галактик. При все ускоряющемся расширении Вселенной сверхскопления отдаляются друг от друга, и, если наблюдатель находится в конкретном сверхскоплении, таком как Ланиакея, он видит, как остальные скопления с возрастающей скоростью удаляются от него.

 

Когда галактики Местной группы сливаются, образуя гигантскую эллиптическую структуру, эта сверхгалактика оказывается на периферии Ланиакеи. Ее небо постепенно пустеет по мере ускоряемого темной энергией всеобщего расширения пространства. Наконец наступает эпоха, когда свету, излучаемому каким-либо сверхскоплением, для достижения соседнего сверхскопления потребуется время, превышающее возраст Вселенной. Другими словами, все скопления галактик одно за другим уходят друг от друга за космологический горизонт. Через тысячу миллиарда лет небо Ланиакеи полностью опустеет. Еще до того как это случится во всех сверхскоплениях, галактики успеют слиться друг с другом, образуя невероятных размеров сверхгалактики, протянувшиеся на миллионы световых лет. Небо внутри такой сверхгалактики будет казаться затянутым молочным сиянием – слившимся светом триллионов звезда гигантской островной вселенной.

 

После истощения запасов межзвездного газа образование звезд прекращается. Прежде массивные звезды, образовывая планетарные туманности или взрываясь в виде сверхновых, выбрасывали в пространство достаточно вещества, чтобы из него могли формироваться следующие поколения звезд. Но через тысячу миллиарда лет эти источники материи иссякнут окончательно. Будут по-прежнему светить только звезды-долгожители: красные карлики. Температура на их поверхности меньше четырех тысяч кельвинов – они излучают в основном в красной части видимого спектра. Масса у них меньше половины солнечной, что и определяет невысокую температуру в их недрах, а значит, и низкую скорость реакций ядерного синтеза. Энергия, образующаяся в ходе этих реакций, достигает поверхности за счет конвекции, как в стоящей на огне кастрюле с водой. Вещество звезды непрерывно перемешивается, поэтому в ядерных реакциях используется весь содержащийся в ней водород – в результате, срок жизни такой звезды может превышать десять тысяч миллиарда лет.

 

 

В космосе исчезли все звезды. Черные дыры испарились. Вселенная, в которой лишь изредка проносятся частицы все меньшей и меньшей энергии, остывает до абсолютного нуля.

 

После того как погасли все красные карлики, даже самые маленькие, во Вселенной воцаряется полная темнота. В ней остались лишь остывшие и ничего не излучающие останки звезд – «черные карлики». Превращение в «черного карлика» – судьба очень многих звезд. Только звезды больших масс эволюция превращает в сверхплотные объекты – нейтронные звезды или черные дыры. Сверхмассивные черные дыры, которые когда-то находились в ядрах галактик, тоже живут очень долго. Тем не менее, так как запасы межзвездного газа исчерпаны, а небесные тела всех видов коллапсировали, источников излучения во Вселенной больше не осталось. Лишь изредка еще происходят слияния остатков звезд, которые время от времени озаряют отдельные области Вселенной яростными, но краткими вспышками света.

 

Оставшиеся во Вселенной тела, как сверхмассивные, так и маломассивные, состоят из нуклонов – протонов и нейтронов. Какова же продолжительность жизни протонов? Они считаются стабильными, то есть практически вечными. Правда, теория все же допускает возможность их разрушения: протон распадается на позитрон и нейтральный пион, который, в свою очередь, превращается в два гамма-фотона. Эксперименты, которые должны были установить продолжительность жизни протона, показали, что она больше 10^34 лет (единица с тридцатью четырьмя нулями!). И если продолжительность жизни протонов действительно такова, как предполагает теория (10^36 лет), то к концу этого периода во Вселенной останутся только черные дыры разной массы и частицы, образовавшиеся в результате распада протонов.

 

Но и черные дыры не вечны. Излучение Хокинга – гипотетический процесс излучения черной дырой элементарных частиц, названный в честь предсказавшего его английского ученого Стивена Хокинга, – приводит к тому, что черная дыра медленно теряет массу, вплоть до полного испарения в виде последнего облака гамма-фотонов. Чем массивнее черная дыра, тем медленнее идет ее испарение. Ученые полагают, что черные дыры звездного происхождения испарятся за 10^65 лет, а сверхмассивные черные дыры – за 10^100 лет. Оставшись без черных дыр и нуклонов, Вселенная превратится в пустое пространство, изредка пересекаемое фотонами все меньшей и меньшей энергии. В конце концов температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю, и она окажется в состоянии так называемого Абсолютного замерзания (Big Freeze). Возможно, что тогда и время утратит смысл – ведь никакие события не смогут больше служить маркерами для определения его течения.