Алексей Левин: Белые карлики. Будущее Вселенной

Алексей Левин

Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу Алексея Левина «Белые карлики. Будущее Вселенной».

Это первая книга на русском языке, почти целиком посвященная остывающим реликтам звезд, известным под именем белых карликов. А ведь судьба превратиться в таких обитателей космического пространства ждет почти все звезды, кроме самых массивных.

История открытия белых карликов и их изучение насчитывают десятилетия, и автор не только подробно описывает их физическую природу и во многом парадоксальные свойства, но и рассказывает об ученых, посвятивших жизнь этим объектам Большого космоса. Кроме информации о сверхновых звездах и космологических проблемах, связанных с белыми карликами, читатель познакомится с историей радиоастрономии, узнает об открытии пульсаров и квазаров, о первом детектировании, происхождении и свойствах микроволнового реликтового излучения и его роли в исследовании Вселенной.

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

Белые карлики и возраст Галактики

Астрономов (и не только их) давно интересует, когда возник наш звездный дом — наша Галактика. Время ее жизни можно определять разными способами, в том числе и с участием белых карликов.

После всего сказанного читатель может догадаться, что этот метод основан на мониторинге их свечения. Недра абсолютного большинства белых карликов состоят либо из смеси кислорода и углерода, либо из гелия. В гелиевые карлики превращаются звезды, масса которых как минимум вдвое меньше массы Солнца. Эти светила весьма многочисленны, но они сжигают водород крайне медленно и посему живут десятки и сотни миллиардов лет. Пока им просто не хватило времени исчерпать свое водородное горючее и перейти на следующий этап (очень немногочисленные гелиевые карлики, обнаруженные к настоящему времени, обитают в двойных звездных системах и образовались совсем другим путем).

Коль скоро белый карлик не может поддерживать реакции термоядерного синтеза, он светит за счет накопленной энергии, и его температура медленно уменьшается. Скорость такого охлаждения можно вычислить и на основании этих данных определить время, требующееся для снижения температуры поверхности от первоначальной (100 000–150 000 K) до наблюдаемой. Поскольку нас интересует возраст Галактики, следует искать самые долгоживущие, а потому и самые холодные белые карлики. Современные оптические телескопы позволяют обнаружить карлики с температурой поверхности менее 4000 K, светимость которых в 30 000 раз меньше солнечной. Пока что таковые не найдены — либо их нет вообще, либо очень мало. Следовательно, наша Галактика не может быть старше 15 млрд лет, иначе такие звезды присутствовали бы в заметных количествах.

Это верхняя граница возраста Галактики — а что можно сказать о нижней? Самым холодным из известных белых карликов с предполагаемой температурой около 3000 K считают компаньон радиопульсара PSR J222–0137, о котором в 2014 г. сообщили американские астрономы, возглавляемые профессором Висконсинского университета Дэвидом Капланом. Пульсар (быстро вращающаяся намагниченная нейтронная звезда с массой 1,2 массы Солнца) был обнаружен с помощью радиотелескопов, а наличие гравитационно связанного с ним белого карлика с массой в 1,05 солнечной удалось установить с помощью детального анализа радиоизлучения пульсара. Хотя дистанция до этой двойной системы не превышает 900 световых лет (это одна из ближайших к Солнцу нейтронных звезд), белый карлик не удалось разглядеть даже на десятиметровом гавайском телескопе имени Кека.

Возраст этого сверххолодного карлика, чей оптический спектр пока не известен, предположительно составляет 11,5–12 млрд лет. К этому еще нужно добавить возраст звезды-предшественницы, который, конечно, зависит от ее начальной — и неизвестной нам! — массы. Если она при рождении тянула на пять–шесть солнечных масс, то до превращения в белый карлик сжигала водород и гелий не менее ста миллионов лет. Отсюда следует, что Млечный Путь никак не моложе 11,5 млрд лет, но, скорее всего, несколько старше. Поэтому окончательная оценка времени жизни нашей Галактики, полученная на основе наблюдения белых карликов — это 11,5–15 млрд лет.

Впрочем, верхняя граница этого диапазона почти наверняка завышена. Многочисленные промеры спектров микроволнового реликтового излучения вкупе со Стандартной моделью Вселенной позволяют оценить ее возраст приблизительно в 13,8 млрд лет. Поскольку наша Галактика не может быть старше Вселенной, а первые звезды, скорее всего, не возникли раньше чем через 100 млн лет после Большого взрыва, возраст Галактики должен составлять от 11,5 до 13,5 млрд лет.

Легко видеть, что хотя результаты использования белых карликов в качестве галактических часов дают довольно широкий разброс в оценках, но в целом они хорошо согласуются с выводами космологов.

Теперь сравним оценку возраста Галактики, основанную на наблюдении белых карликов, с альтернативной оценкой, полученной совсем иным методом. В качестве объекта исследований здесь выступают шаровые звездные скопления, которые находятся на периферии Млечного Пути и обращаются вокруг его ядра. Они содержат от сотен тысяч до более чем миллиона звезд, связанных друг с другом взаимным притяжением. Шаровые скопления имеются практически во всех крупных галактиках, причем их число порой достигает многих тысяч. Новые звезды там уже не рождаются, зато пожилые светила присутствуют в избытке. В нашей Галактике зарегистрировано около 160 шаровых скоплений, и, возможно, будут открыты еще два-три десятка. Механизмы их формирования не вполне ясны, однако, по всей видимости, многие такие скопления образовались вскоре после формирования Галактики. Поэтому датировка формирования древнейших шаровых скоплений позволяет установить нижнюю границу галактического возраста.

Такая датировка весьма сложна технически, но идея ее проста. Все звезды скопления (от сверхмассивных до самых легких) образуются из одного и того же газового облака и потому появляются на свет практически одновременно. С течением времени они сжигают свои запасы водорода — звезды больших масс раньше, маломассивные позже. После этого звезда покидает главную последовательность и претерпевает серию превращений, которые завершаются либо гравитационным коллапсом (за которым следует формирование нейтронной звезды или черной дыры), либо возникновением белого карлика. Поэтому изучение состава шарового скопления позволяет достаточно точно определить его возраст. Для надежной статистики число изученных скоплений должно быть порядка нескольких десятков.

Такую работу в конце первого десятилетия нашего века выполнила команда астрономов, пользовавшихся одной из камер космического телескопа им. Хаббла. Мониторинг 41 шарового скопления нашей Галактики показал, что их средний возраст составляет 12,8 млрд лет. Рекордсменами оказались скопления NGC 6937 и NGC 6752, удаленные от Солнца на 7200 и 13 000 световых лет. Скорее всего, они не моложе 13 млрд лет, причем наиболее вероятное время жизни второго скопления — 13,4 млрд лет (с погрешностью ± 1 млрд).

Но наша Галактика должна быть старше своих скоплений. Ее первые сверхмассивные звезды (о них мы еще поговорим) взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос ядра многих элементов, в частности ядра стабильного изотопа — бериллия-9. В начале формирования шаровых скоплений их новорожденные звезды содержали бериллий, причем тем больше, чем позже они возникли. По содержанию бериллия в их атмосферах можно выяснить, насколько шаровые скопления моложе Галактики. Как свидетельствуют данные по скоплению NGC 6937, эта разница составляет 200–300 млн лет. Так что без большой натяжки можно сказать, что возраст Млечного Пути по порядку величины приблизительно равен 13 млрд лет, но, скорее всего, несколько больше. Это практически такая же оценка, как и сделанная на основании наблюдения белых карликов, но получена она совершенно иным способом.

Сейчас космологи пришли к выводу, что галактики появились на свет после того, как вспыхнули первые звезды. Считается, что процесс звездообразования начался не позднее чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва. В 2016 г. астрономы, обрабатывавшие информацию с «Хаббла», сообщили о наблюдении галактики GN-z11, чей свет ушел в космос через 400 млн лет после Большого взрыва. С учетом этих данных, максимальные оценки возраста Млечного Пути (13,5 млрд или даже 13,6 млрд лет) вовсе не выглядят невероятными.

А что говорят наблюдения? В 2018 г. появилось сообщение, что в нашей Галактике обнаружен крошечный (0,14 массы Солнца) красный карлик 2MASS J18082002−5104378 B, удаленный от нас на 1950 световых лет. Его предполагаемый возраст составляет 13,53 млрд лет. Если эта оценка верна (а она вполне может оказаться завышенной), то возраст нашей Галактики лишь незначительно уступает возрасту Вселенной.