Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Глава 27 Происхождение галактик

 

Современные теории происхождения небесных тел отсылают нас в древние времена, о которых мы рассказывали в главе 24. В ту эпоху примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, Вселенная была равномерно заполнена водородно-гелиевым газом с температурой 3000 °C. Сегодня, по прошествии 14 млрд лет, мы видим, что повсюду сформировались галактики и что мы живем в одной из них — в нашей Галактике, которую частенько называют просто «Млечный Путь». В ней около 200 млрд звезд и бесчисленное количество газовых облаков разного размера, обращающихся вокруг центра Галактики. Когда мы смотрим вдаль, то видим несметное число других галактик, более или менее похожих на нашу. Сотни миллиардов галактик разбросаны в космическом пространстве, но все их можно разделить на несколько типов. В большинстве своем это эллиптические и спиральные галактики, состоящие в основном из темной материи и некоторого количества звезд и газа. Это означает, что процесс формирования всех галактик имел глубокие корни н в основе своей был единым, протекавшим повсюду во Вселенной. Как могла однородная, лишенная каких-то особенностей среда превратиться в наблюдаемую сегодня сложную систему сверхскоплений, пустот и цепочек?

Распад или рост?

Эволюция структуры, в принципе, может происходить в двух направлениях: либо некий большой объект делится на маленькие кусочки, либо много мелких кусочков собираются вместе и образуют большой объект. В Московском государственном университете Яков Борисович Зельдович (1914–1987) с коллегами разработали сценарий, согласно которому сначала рождались большие структуры, а затем они постепенно делились на более мелкие фрагменты. Этими большими структурами, по их расчетам, были газовые облака, более массивные, чем скопления галактик. Поскольку в процессе коллапса в одном из направлений (случайном!) каждое облако непременно сжималось быстрее, чем в других направлениях, в итоге оно становилось плоским, блинообразным. Затем гигантские «блины» распадались на галактики. Это должно было объяснить, почему даже в наше время многие галактики организованы в плоские структуры. Однако открытие очень далеких галактик, на расстояниях с красным смещением z = 6 и даже ю, то есть в очень ранний период истории Вселенной, противоречит этой теории фрагментации, согласно которой галактики должны были рождаться намного позже.

В своей переписке 1692 года Ньютон и Бентли обсуждали поведение однородного вещества в пространстве под действием гравитации (см. главу 23). По этому поводу Ньютон высказал поразительную идею: «…если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая — там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Именно так могли образоваться и Солнце и неподвижные звезды, если предположить, что вещество было светящимся по своей природе».

Как видим, Ньютон описал процесс формирования звезд. Если вещество равномерно распределено по бесконечной Вселенной, то оно неустойчиво: под действием гравитационной силы притяжения из мелких уплотнений — «зародышей» — образуются сгущения. В целом это тот же процесс, который изучают современные астрономы, пытаясь понять происхождение галактик. Общепринятая точка зрения гласит, что первыми рождались мелкие объединения, а затем они собирались вместе и образовывали более крупные структуры. Самые мелкие «кусочки», входящие в гало современных галактик, имеют массы примерно в миллион масс Солнца. Постепенно они объединялись, образуя все бóльшие и большие агрегаты, до тех пор пока не сформировалось все многообразие галактических гало — от карликовых сфероидов с массами несколько миллионов масс Солнца до гигантских гало с массами в несколько триллионов солнечных масс. Эти гало собирали окружающий газ, и со временем некоторая его часть превратилась в звезды. Так образовались видимые галактики. В то же самое время эти галактики, стянутые вместе огромным гало из темной материи, собирались в скопления. По-видимому, карликовые сфероидальные галактики и шаровые звездные скопления являются выжившими остатками той стадии эволюции галактик.

От уплотнений к галактикам.

В конце эпохи доминирования излучения плотность газа была низкой, примерно такой же, какую сегодня мы наблюдаем в разреженных межзвездных газовых облаках. Чтобы из такого вещества могла сформироваться звезда, его следовало уплотнить в десять миллионов раз. Для первичного почти однородного газа достаточно было более умеренного уплотнения, чтобы образовались не звезды, но галактики и их скопления.

Причиной роста уплотнения служит притягивающая сила гравитации. Чем больше размер заполненной веществом области, тем сильнее гравитация относительно других сил. Основным противником гравитации служит внутреннее давление газа, зависящее от его температуры и плотности. Можно вычислить критический размер газового облака, необходимый для того, чтобы оно начало сжиматься под воздействием собственной гравитации: при меньшем размере оно сжиматься не будет, а при большем — будет. Эту критическую массу облака называют массой Джинса, а размер такого облака называют длиной Джинса (этот критический размер прямо пропорционален квадратному корню из температуры газа и обратно пропорционален квадратному корню из его плотности) (рис. 27.1).

Рис. 27.1. Если в газовом облаке размер области с немного повышенной плотностью (область возмущения) меньше длины Джинса, то это не приводит к конденсации газа. Только в том случае, если размер этой области равен или больше длины Джинса, начинается ее сжатие. Иными словами, чтобы плотность продолжала возрастать, масса возмущенной области должна быть равна или больше массы Джинса. Автором этой теории был Джеймс Джинс.

В эпоху доминирования излучения длина Джинса была такой же большой, как космологический горизонт той эпохи, поэтому гравитационное сжатие было невозможно на любых масштабах. Даже чисто интуитивно понятно, насколько трудно создать какую-либо структуру из излучения. Вскоре после окончания эпохи излучения давление газа резко снизилось, и в результате этого масса Джинса уменьшилась до нескольких сотен тысяч солнечных масс. У галактик массы намного больше этого значения, следовательно, формирование галактик стало возможным. Но существовали ли какие-либо первичные уплотнения, «зародыши», которые в дальнейшем могли развиться в нечто такое большое и плотное, как галактики?

Какими должны быть эти зародыши, чтобы за приемлемое время вырасти в галактику? Рост конденсаций происходит примерно в том же темпе, что и расширение Вселенной. Например, возмущение могло иметь контраст в одну тысячную долю, то есть на тысячу атомов мог быть один лишний атом, который мы назовем первичным возмущением. Когда Вселенная расширилась в десять раз, уже было десять дополнительных атомов на тысячу атомов той же конденсации. После стократного расширения Вселенной было уже 100 дополнительных атомов на каждую тысячу (10 %-ное возмущение). Наконец, возмущение достигает 100 % при расширении в 1000 раз, то есть первоначальная тысяча атомов притянула еще тысячу из своих окрестностей. На этой стадии сгущение настолько явно выделяется из окружающего газа, что сжимается в некую структуру за время, пока Вселенная расширяется еще вдвое. Что получится из этого сгущения, зависит от его массы.

После окончания эпохи доминирования излучения Вселенная расширилась примерно в 5000 раз, так что упомянутого выше возмущения в 0,1 % вполне было бы достаточно для начала процесса формирования современных галактик. Но тут нас ожидает конфуз. Как мы уже говорили, при измерении космического фонового излучения наблюдаются небольшие пятна с вариациями температуры. Они говорят нам о реальном уровне зернистости космического газа после окончания эпохи доминирования излучения. Судя по измерениям, эти вариации слишком малы, а значит, газ был слишком однородным для того, чтобы из него смогли образоваться галактики. Тогда откуда же взялись галактики?

Требуется темная материя.

Ответ на этот вопрос, как мы его сегодня понимаем, заключается в том, что решающие возмущения плотности возникли не в обычной, а в темной материи. Она нечувствительна к влиянию излучения, и поэтому ее скучивание могло начаться раньше — еще в эпоху доминирования излучения, когда обычная материя, пронизанная излучением, была упругой и имела слишком большую длину Джинса. Пятна фонового излучения отражают скученность только обычного вещества в эпоху рекомбинации. Но возмущения плотности темного вещества в тот момент уже могли иметь гораздо больший масштаб, примерно 1 % или около того. Следовательно, темная материя конденсировалась в отдельные уплотнения, которые затем стягивали к себе окружающее их обычное вещество. Таким образом, первыми образовавшимися структурами были гало из темной материи. Они и стали основой галактик, которые позже росли в процессе многочисленных слияний разных гало и захваченного ими обычного вещества.

Откуда взялись эти 1 %-ные возмущения? Предполагается, что они возникли в темном веществе довольно рано. Сначала эти уплотнения были похожи на те, которые возникают в звуковых волнах (волны давления), распространяющихся от одного места к другому. Неужели кто-то громко кричал сразу после рождения Вселенной? На самом деле, возможны естественные процессы, возбуждающие звуковые волны. Например, они могли возникнуть в конце эпохи инфляции. Если переход от инфляции к нормальному расширению произошел (согласно принципу неопределенности Гейзенберга) не совсем одновременно повсюду во Вселенной, то быстро расширяющиеся части Вселенной могли сталкиваться с более медленно расширяющимися частями. Это должно было возбуждать волны давления, которые могли дожить до момента, когда темная материя отделилась от излучения (конец эпохи Вайнберга-Салама; см. врезку 24.1); после этого они могли эволюционировать в виде медленно сжимающихся конденсаций.

Согласно одной из идей, первичные возмущения образовались под влиянием космических струн. Струнами называют предполагаемые складки пространственной метрики, где пространство сильно искривлено. Можно представить себе струны как невидимые нити, проходящие по Вселенной, которые можно обнаружить только по их гравитации. До сих пор космические струны не обнаруживались, однако, согласно физическим теориям великого объединения, множество струн могло образоваться в эпоху теорий великого объединения. Через несколько лет после Большого взрыва эти струны постепенно должны были свернуться в простые петли. Затем замкнутые петли должны были стать теми областями пространства, вокруг которых собирались протогалактические возмущения. В конце концов струны должны были сжаться и окончательно исчезнуть, отдав свою энергию гравитационным волнам и частицам. Поэтому нет смысла искать космические струны в современных галактиках: если они действительно запустили процесс образования галактик, то сами должны были исчезнуть еще до того, как галактики сформировались.

Формирование крупномасштабной структуры.

Галактики образуют цепочки и слои, разделенные почти пустыми областями; однако это не свидетельствует в пользу космических струн или космических блинов. Теперь мы знаем, что подобные структуры образуются в расширяющейся Вселенной в ходе естественного скучивания галактик в скопления под влиянием силы тяготения. Невозможно заранее сказать, какие формы создаст гравитация; впервые на это обратил внимание норвежец Сверр Аарсет из Кембриджского университета, проведя с коллегами компьютерное моделирование в 1979 году. Примерно тогда же в Гарварде Хакра, Геллер и другие под впечатлением от карт, представленных Йыэвеером и Эйнасто на совещании в Таллине в 1977 году (см. главу 22), начали большой обзор распределения галактик. Появилась возможность сравнить структуру реальной Вселенной и мира, созданного в компьютере.

Сейчас научные коллективы многих стран используют высокоскоростные компьютеры и сложные вычислительные коды для трехмерного моделирования гравитационного скучивания материи в расширяющейся Вселенной. Расчеты показывают, что гравитация ответственна за формирование галактических структур в масштабах примерно от 1 млн до 200–300 млн световых лет (рис. 27.2).

Рис. 27.2. Галактики распределены в пространстве весьма сложно и неоднородно. Похожую картину дает и компьютерное моделирование. Представленная этой серией рисунков численная модель демонстрирует эволюцию 130 млн частиц темной материи от почти равномерного распределения при красном смещении z — 7,7 до сложного сотообразного распределения в нашу эпоху (z = 0). Сторона каждой картинки равна 200 млн световых лет (60 Мпк). Вычисления проведены на 256-процессорном суперкомпьютере Cray ХТ4 Финского научного вычислительного центра. С любезного разрешения: Нурми П., Ниеми С., Холопайнен Я., Хейнямяки П.

Гравитация способна сделать сложные объекты из простых начальных форм. Уильям Саслау (Вирджиния и Кембридж, Англия) заинтересовался вопросом, что же случится, если первоначальные галактики разбросать по листу бумаги случайным образом (закон Пуассона, см. главу 22). Он обнаружил, что гравитация собирает галактики и способна создать сильно структурированную Вселенную из случайно распределенных единиц. Но для этого нужно время. Если начать с галактик, распределенных в пространстве менее чем за миллиард лет от начала и до сих пор, можно получить почти ту же структуру скоплений, которую мы и наблюдаем на небе.

Много лет назад Иммануил Кант в своей книге «Всеобщая история мира и природы» писал о том, как, по его мнению, простой закон гравитации создает структуры: «…без всякой цели и намерений, упорядоченное целое возникает под руководством установленных законов, целое, так похожее на ту систему мира, которая у нас перед глазами, которой я не могу помешать быть такой». Кант имел в виду очень простую иерархию в стационарной Вселенной, а сегодня мы можем почувствовать почти то же самое, глядя на совпадение реальной Вселенной с ее моделью. В этом сложной теме все еще существуют проблемы, но мы уверены, что гравитация является главным архитектором впечатляющей структуры Вселенной.

Поколения галактик.

Согласно современным взглядам, в течение первых двух миллиардов лет первыми сформировавшимися структурами стали небольшие гало из темной материи с массами, заключенными в промежутке между массами современных крупных шаровых скоплений и маленьких карликовых галактик. Каждое такое гало имело свою центральную сверхмассивную звезду, которая впоследствии взорвалась, оставив после себя черную дыру. При этом взрывы сверхновых производили первые тяжелые элементы, необходимые для формирования нормальных звезд. Галактики первого поколения в основном состояли из темной материи. Лишь позднее стали формироваться обычные звезды. В начале эволюции происходили многочисленные слияния этих маленьких галактик и постепенный рост гигантских галактик.

Рождение первых сверхзвезд может обнаружить себя в фоновом излучении. Дело в том, что излучение сверхзвезды в основном должно иметь синхротронную природу, то есть быть обусловлено движением электронов в весьма однородных магнитных полях, а значит — это излучение должно быть поляризовано. Когда на фоновое излучение накладывается поле фотонов, испущенных звездами, регистрируемое приемником суммарное излучение будет частично поляризованным. Отсюда возникает возможность определить время появления первых галактических гало и родившихся в их центрах сверхзвезд — около 200 млн лет после Большого взрыва. Эта цифра пока еще очень неуверенная, но ее можно будет уточнить с помощью измерений на космической обсерватории «Планк».

Химический состав галактик все это время эволюционировал. Вначале первичный газ состоял из 76 % водорода, 24 % гелия и не содержал тяжелых элементов. Считается, что звезды, сформировавшиеся из этого газа, имели массу около 300 масс Солнца и жили всего несколько миллионов лет, а потом взрывались как сверхновые. Такой чистый водородно-гелиевый газ больше не существует, и процесс звездообразования сдвинулся в сторону звезд меньшей массы, таких как Солнце. Нынешние основные составляющие межзвездного вещества — например углерод, азот, кислород и более тяжелые элементы — образовались в последовательном процессе звездной эволюции. Вначале не могло быть межзвездной пыли и планет, для формирования которых нужны тяжелые элементы.

В галактиках газ конденсируется, образуя звезды, а в конце своего жизненного цикла звезды возвращают часть переработанного вещества в межзвездную среду. Другая часть газа остается в маленьких долгоживущих звездах или остатках звездной эволюции. Этот газ выбывает из круговорота в галактике. Некоторая его часть замещается газом, попадающим в галактику извне, но в целом частота формирования звезд в галактике снижается. Это влияет и на вид галактик: со временем они в среднем становятся краснее, так как доля новорожденных голубых звезд сокращается. Такая эволюция особенно хорошо видна у эллиптических галактик.

Юная Галактика и звездные населения.

Теперь мы детально рассмотрим процессы, происходящие в типичной спиральной звездной системе — в нашей Галактике. Мы полагаем, что наша Галактика прошла тот же эволюционный путь, что и любая типичная галактика. Она сформировалась при слиянии многих гало из темной материи, имеющих суммарную массу около тысячи миллиардов масс Солнца. Общее число объединившихся гало могло исчисляться миллионами; у нас нет надежных свидетельств этого, за исключением нескольких сохранившихся карликовых сфероидальных галактик, располагающихся вблизи нашей Галактики. Газовые облака из обычного вещества падали к центру этого гало и фрагментировали на звезды. Некоторые из этих звезд сохранились в шаровых звездных скоплениях; остальные рассеялись, образовав звездное гало Галактики.

Звезды первого поколения в галактических гало были значительно массивнее тех, которые мы видим на небе сегодня. Вероятно, эти звезды были в 300 раз массивнее Солнца и жили всего несколько миллионов лет. В конце своей жизни эти звезды взрывались как сверхновые. Они производили первые элементы тяжелее гелия и при взрыве смешивали их с окружающим межзвездным газом. Центральная часть сверхновой коллапсировала в черную дыру массой более 100 масс Солнца. Взрыв выдувал весь оставшийся газ из гало темной материи. Таким образом, в каждом гало рождалась только одна звезда, и все они или большинство из них становились черными дырами. Для внешнего наблюдателя результат всей этой ранней эволюции вообще не был похож на галактику. Темная материя была невидимой, черная дыра — тоже, за исключением газового диска, который, возможно, окружал ее. Таким образом, Вселенная выглядела как мир газовых облаков с иногда проплывающими сквозь них черными дырами.

Эволюция продолжалась путем слияния гало. При этом черные дыры из центров гало попадали в общий центр, где они образовывали двойную черную дыру. Еще одно слияние — и новое гало уже имело в своем центре систему из трех черных дыр. По мере слияния все новых и новых гало все больше и больше черных дыр могло бы собраться вместе. Но мы помним про задачу трех тел: как только три черные дыры окажутся рядом, их система становится неустойчивой (см. рис. 11.3). Две черные дыры отбрасывают третью, после чего как одиночная, так и двойная (в результате отдачи) вылетают из центра в результате того, что мы назвали эффектом рогатки. Так начинается Эпоха рогатки, в течение которой именно этот процесс определяет эволюцию; и продолжается до тех пор, пока не сформируются массивные гало и выброс черных дыр не станет не таким частым. Эпоха рогатки заканчивается при красном смещении около z = 6, когда формируются массивные черные дыры в центрах полномасштабных гало галактик. Выброс черных дыр механизмом рогатки должен проходить даже в наши дни, но с гораздо меньшей частотой, поскольку слияния галактик сейчас довольно редки.

А что осталось в нашей Галактике с Эпохи рогатки? Фрагменты тех небольших гало, из которых сложилось массивное гало нашей Галактики, уже перемешались в единое целое. Многие черные дыры, сбежавшие из этих маленьких гало, непрерывно покидали систему, но значительная их часть должна была сохраниться в сформировавшейся Галактике. Они и теперь должны находиться в ней, обращаясь вокруг центра Галактики по вытянутым орбитам, но оставаясь совершенно невидимыми. Чтобы стать видимыми, им нужно иметь газовый диск вокруг себя. Но такой диск постепенно втягивается в черную дыру, и этот процесс «поедания» диска давным-давно должен был закончиться. Сколько осталось этих черных дыр и какая доля массы Галактики заключена в этих остатках звезд первого поколения, до сих пор неизвестно.

Гравитационное линзирование является единственным способом выявления этих невидимок первого поколения. Черная дыра может усилить яркость фонового объекта, например — звезды другой галактики. Поскольку черная дыра и звезда движутся друг относительно друга, эффект линзирования длится недолго: только то время, пока оба эти объекта лежат практически на одной линии с наблюдателем. Этот метод активно использовался для поиска темных тел в гало Галактики, но до сих пор было обнаружено только 17 объектов. Собственное излучение некоторых из них затем удалось зарегистрировать: все они оказались тусклыми холодными звездами, а не массивными черными дырами. Этих маломассивных объектов слишком мало для объяснения полной массы гало.

Газ, из которого сформировались звезды следующего поколения, уже содержал некоторое количество элементов тяжелее гелия, но доля этих элементов в нем все еще была низкой: менее 0,1 % от их содержания в современных газовых облаках. Однако звезды теперь могли формироваться в нормальном диапазоне своих масс: от менее чем 0,5 до более чем 15 масс Солнца. Изменение диапазона масс формирующихся звезд связано с процессом охлаждения газа. Наличия даже небольшого количества тяжелых элементов достаточно, чтобы охлаждение шло более эффективно, чем в чистом водородно-гелиевом газе. Столкновения атомов Н и Не не приводят к рождению фотонов низкой энергии, которые могли бы унести энергию от формирующейся звезды, то есть охладить ее и тем самым стимулировать сжатие. А присутствие более тяжелых элементов делает это возможным. Сформировавшиеся тогда звезды наименьших масс до сих пор эволюционируют на главной последовательности и в большом количестве окружают нас: в основном они населяют сферическую составляющую Галактики и шаровые звездные скопления. Более массивные звезды синтезировали в своих недрах тяжелые элементы — от углерода, азота и кислорода до железа и никеля. Самые массивные звезды взорвались как сверхновые, произведя самые тяжелые элементы — от никеля до урана — и выбросив их в межзвездную среду.

Как отмечалось в главе 24, рождение химических элементов в недрах звезд и момент их взрыва впервые объяснили Фред Хойл и его коллеги в середине 1950-х годов. В эту группу входили Уильям Фаулер, ставший затем лауреатом Нобелевской премии за вклад в эту работу, а также Маргарет и Джеффри Бербиджи.

Каков возраст нашей Галактики?

Отношение обилия наиболее тяжелых изотопов можно использовать для определения возраста нашей Галактики. Например, оба изотопа урана 235 и 238 радиоактивны, время их полураспада составляет 713 и 4510 млн лет. Поскольку 235-й изотоп распадается быстрее 238-го, количество первого относительно второго постоянно снижается. Сейчас их соотношение составляет 0,00723. Экстраполируя в прошлое, находим, что в эпоху образования Солнечной системы 4,6 млрд лет назад это отношение было 0,31. Уже в 1929 году Резерфорд, используя этот метод, пришел к выводу, что Галактика должна была возникнуть на миллиарды лет раньше Солнечной системы.

Каким же было исходное соотношение 235-го и 238-го? В 1957 году канадский астроном Аластер Камерон и Джеффри Бербидж с коллегами впервые вычислили, что взрывы звезд дают на 50 % больше урана-235, чем урана-238. Так что начальное соотношение изотопов было 1,5, но со времени это отношение в межзвездном газе уменьшалось. Взрывы звезд проходили на протяжении всей истории Галактики. Мы можем начать с отношения 0,31 и идти в прошлое, учитывая как рост этого отношения, обусловленный сверхновыми, так и его уменьшение за счет радиоактивного распада. Если частота взрывов сверхновых всегда была такой же, как сегодня, то соотношение изотопов должно достичь своего начального значения за 10 млрд лет до образования Солнечной системы. С другой стороны, если взрывы сверхновых в молодой Вселенной происходили чаще — на что указывают многие признаки, — то начальное значение отношения изотопов урана достигается за более короткое время. В 1980 году, используя этот метод для соотношения изотопов разных элементов, Фаулер определил, что синтез тяжелых элементов начался за 4–8 млрд лет до рождения Солнечной системы. Позже Роже Кейрел (Roger Cayrel) из Обсерватории Париж-Медон с коллегами получил значение 8 ± 3 млрд лет. Это означает, что нашей Галактике около 12,5 млрд лет, и это разумно, поскольку меньше возраста Вселенной, составляющего около 14 млрд лет.

Неопределенность при измерении возраста Галактики методом радиоактивного датирования, к сожалению, очень велика (особенно по сравнению с очень точным радиоактивным датированием минералов на Земле и в Солнечной системе; см. главу 29). Но существуют и другие методы, точность которых выше. Можно использовать время жизни маломассивных звезд главной последовательности для определения возраста шаровых звездных скоплений, которые, по-видимому, являются самыми старыми среди выживших компонентов Галактики. Если изобразить диаграмму Герцшпрунга-Рассела (см. главу 19) для шарового скопления, то обнаружится четкая главная последовательность, резко обрывающаяся в некоторой точке. Последовательность звезд, ведущая к красным гигантам, начинается с конечной точки главной последовательности. Время жизни звезды на главной последовательности почти полностью зависит от ее массы. Например, время жизни звезды главной последовательности с массой 0,8 массы Солнца составляет 14 млрд лет, тогда как звезда с массой 1,1 массы Солнца проведет на главной последовательности только 5,1 млрд лет, а затем начнет эволюционировать к состоянию красного гиганта. Возрасты шаровых скоплений впервые определил этим методом Аллан Сэндидж в 1953 году. В 1970 году он получил средний возраст для четырех шаровых скоплений, равный 11,5 млрд лет, а работа 2003 года Лоуренса Краусса (Lawrence Krauss) и Брайана Шабойе (Brian Chaboyer) дала средний возраст 13,2 ± 1 млрд лет.

Существует и другой метод, использующий белые карлики (рис. 27.3). Эти компактные звезды остывают довольно медленно, поэтому в пределах возраста Галактики их поверхность должна оставаться довольно горячей: ее температура не может опуститься заметно ниже 4000 К. Поэтому нужно найти самый холодный белый карлик, он будет самым старым, и по температуре его поверхности можно вычислить его возраст. В 2002 году Брэд Хансен (Brad Hansen) с коллегами определили возраст шаровых скоплений в 12,7 ± 0,7 млрд лет. В этой же работе было показано, что белые карлики галактического диска значительно моложе, что свидетельствует о более позднем формировании диска внутри гало из темного вещества. В итоге все данные указывают, что возраст Галактики близок к 13 млрд лет, а ее диск постепенно собирался после этого в течение миллиардов лет.

Никогда еще не удавалось обнаружить звезды первого поколения, состоящие из чистого водорода и гелия. Возможно, это означает, что все они были очень массивными и давно уже взорвались. За последние годы было найдено несколько звезд, содержащих очень мало тяжелых элементов; они могли бы быть звездами первого поколения. Чаще обнаруживают звезды, у которых обилие тяжелых элементов составляет 1 % от их обилия у Солнца.

Рис. 27.3. Древние белые карлики возрастом 12–13 млрд лет в шаровом звездном скоплении М4 в созвездии Скорпион. На верхнем снимке показано скопление целиком. На нижнем левом снимке — небольшая область этого скопления, сфотографированная космическим телескопом «Хаббл» (HST). На нижнем правом снимке — снятая с большей экспозицией и увеличенная часть этой области, где видны очень тусклые карлики, отмеченные кружками. С разрешения NASA и Н. Richer (University of British Columbia); NOAO/AURA/NSF.

Традиционно их называют звездами населения II не потому, что они произошли вторыми после первого поколения, а потому, что они были предшественниками «обычных» звезд типа Солнца, принадлежащего нынешнему населению звезд — населению I, которое отделено от звезд населения И, возможно, многими поколениями. Все звезды населения II с массой Солнца или более массивные уже прошли свой эволюционный путь до конца, и только маломассивные звезды населения II до сих пор ярко светят и будут светить еще некоторое время.

Меняющаяся Галактика.

Этот туманный пояс на ночном небе считается символом постоянства, но если мы начинаем считать время миллионами лет, то понимаем, что в нашей звездной системе непрерывно что-то меняется. Диск Галактики содержит звезды разного возраста, а также газовые облака. Новые звезды постоянно рождаются в спиральных рукавах диска — в полосах, закрученных в форме спирали. Считается, что на том расстоянии от центра Галактики, где располагается орбита Солнца, спираль представляет собой волну плотности, распространяющуюся по звездному диску Галактики. Точнее говоря, волна движется вокруг центра Галактики медленнее, чем вокруг него обращаются звезды и газовые облака. Поэтому звезды и газовые облака проходят сквозь волну плотности один раз в 200 млн лет или около того. Звезды, идя сквозь волну, не особенно сильно ощущают ее влияние, зато газовые облака сжимаются волной, и этого сжатия достаточно для начала формирования новых звезд. Именно эти яркие молодые звезды и придают спиральному рукаву его впечатляющий вид.

Поскольку звезды и газ непрерывно обращаются вокруг галактического центра, в спиральной галактике продолжается формирование новых звезд. Но даже в спиральных галактиках частота формирования звезд постепенно снижается из-за уменьшения количества газа. В конце концов газ полностью закончится, и формирование звезд практически остановится.

Теперь мы можем полностью представить историю нашей Галактики. Дело было так: множество маленьких гало из темного вещества объединились и образовали темное гало Галактики. В эту «потенциальную яму» из темной материи стал падать газ из обычного вещества. Уже на ранней стадии его падения сформировалось некоторое количество звезд, и они образовали внешнюю часть звездного гало. Самые массивные из них взрывались и увеличивали долю тяжелых элементов в галактическом газе. Только что обогащенный газ вместе с газом, падающим снаружи, оседает и образует диск в центральной области темного гало. Из газа этого диска формируются новые звезды, и постепенно образуется звездный диск Галактики. Наше Солнце — это одна из тех довольно поздно сформировавшихся звезд диска, которые образовались из первичных легких элементов Большого взрыва и некоторого количества тяжелых элементов, родившихся в результате эволюции нескольких предыдущих поколений звезд. Содержание тяжелых элементов в веществе, окружающем эти звезды, оказалось достаточно высоким для того, чтобы из него сформировались планеты земного типа. И по крайней мере на одной из этих планет возник тот сложный комплекс явлений, который мы называем жизнью.

Наше современное представление о гравитационном формировании галактик и их гигантских скоплений производит глубокое впечатление. Оно вновь заставляет вспомнить слова Канта, который одним из первых пытался осмыслить происхождение планетных систем и природу туманностей. Он предсказывал, что устройство окружающей нас Вселенной скорее будет понято (на основе гравитации), чем происхождение даже простейших живых существ (в пример он приводил гусеницу) удастся объяснить с точки зрения механики.

Конечно, сейчас мы знаем о Вселенной и ее структуре гораздо больше, чем знал Кант, и понимаем, что гравитация — намного более изощренный архитектор, чем можно было предполагать на основе простого ньютоновского закона обратных квадратов. Мы знаем, что доля обычного вещества, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, крошечна по сравнению с темным веществом и темной энергией, играющими важную роль в эволюции расширяющейся Вселенной и в формировании галактик, этих гигантских звездных сооружений.

Тем не менее все же мы согласны с Кантом, что жизнь — это более сложное явление, чем даже огромное скопление галактик с тысячами его членов, каждый из которых состоит из 1-100 млрд звезд и планетных систем. В теле человека около 100 триллионов (= 1014) клеток, в каждой из которых примерно столько же атомов. С мыслями об этом мы приступаем к последней части нашей книги, где обсудим происхождение планетных систем и вопросы астробиологии.