Тени эпохи вечной тьмы.

Рассмотрение содержимого Вселенной в начале эпохи вечной тьмы, скажем в сотую космологическую декаду, — предприятие неопределенное. Общее правило гласит, что, чем в более отдаленное будущее мы экстраполируем физический закон, тем менее точные предсказания мы получаем. И все же мы в состоянии дать разумную оценку типов и относительных количеств частиц и излучения, имеющихся в эту будущую эпоху. Несмотря на то, что нам хотелось бы знать больше, замечательно уже то, что современная наука хоть что-то может сказать об этом будущем периоде времени, столь отдаленном от настоящего момента.

Элементарные частицы.

Главными составляющими эпохи вечной тьмы являются электроны и позитроны. Откуда возьмутся эти частицы? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется рассмотреть прошлую историю Вселенной вплоть до этого времени. Заселить эту будущую эпоху могут несколько различных астрономических источников позитронов, электронов и других частиц.

Одно важное ограничение на список частиц будущего состоит в том, что природа, судя по всему, строго следует закону сохранения заряда. Другими словами, во Вселенной содержатся равные количества положительно и отрицательно заряженных частиц. Из-за этой фундаментальной симметрии между положительным и отрицательным каждый сохранившийся позитрон (имеющий положительный электрический заряд) должен иметь парный электрон где-то во Вселенной.

В настоящее время наиболее привычный нам тип вещества, барионное вещество, состоит, главным образом, из водорода. Когда внутри водородного атома распадается протон, он часто оставляет после себя позитрон. Электрон водородного атома изначально остается нетронутым, поэтому в конечном итоге образуется электрон-позитронная пара. Однако большая часть вещества, относящегося к этому барионному типу, перерабатывается в звездах и, в конце концов, оседает в вырожденных недрах белых карликов и прочих звездных остатков. Когда эти объекты медленно испаряются в ходе протонного распада, оставшиеся позитроны оказываются в плотной среде. Продукты распада окружает густое электронное облако, в силу чего позитроны получают более чем достаточную возможность для аннигиляции. Таким образом, почти вся масса-энергия обычного барионного вещества превращается в излучение, состоящее, главным образом, из фотонов и нейтрино.

И только неизрасходованные протоны — те, что не заканчивают свою жизнь в звездах, — могут дать позитроны, способные дожить до отдаленного будущего Вселенной. Поскольку звезды образуются не со стопроцентной эффективностью, какая-то доля водорода и других элементов остается в виде размытого сгустка газообразных отходов. Однако то, что в одну эпоху считается никуда не годными отходами, в будущую эпоху может стать самым ценным товаром. Когда распадутся протоны в этой рассеянной среде, произведенные ими позитроны будут иметь гораздо более высокие шансы избежать аннигиляции и дожить до эпохи вечной тьмы. Даже несмотря на то, что большая часть барионного вещества оказывается запертой в вырожденных звездных остатках, большинство позитронов будущего появляются из газообразного «мусора», оставшегося после образования звезд.

Свой вклад в реестр частиц будущего вносит и небарионная темная материя современной Вселенной. Это слабо взаимодействующее вещество в настоящее время находится в галактических гало, скоплениях галактик и других крупных астрофизических структурах. Немалую часть этой темной материи, как мы уже описывали в третьей главе, захватят вырожденные звездные остатки. Захваченные частицы аннигилируют, а продукты их аннигиляции термализуются в плотных недрах звезд. Итогом этого процесса становится превращение значительной части массы темной материи в излучение, которое опять-таки состоит, в основном, из фотонов и нейтрино.

Однако захват частиц темной материи происходит не со стопроцентной эффективностью. Некоторой доле счастливчиков удается его избежать и дожить до далекого будущего. В долгосрочной перспективе судьба этих выживших частиц темной материи не определена. Поскольку точная природа темной материи нам не известна, не знаем мы и время жизни этих «находящихся в самовольной отлучке» частиц. Разрешенное время жизни таких частиц может быть длиннее или короче времени, оставшегося до начала эпохи вечной тьмы, в силу чего сами частицы темной материи могут до нее дожить, а могут и не дожить. Однако даже если частицы темной материи распадаются, продукты их распада могут внести интересный вклад в будущую Вселенную.

Черные дыры также делают свой вклад в содержимое Вселенной в эпоху вечной тьмы, извергая в космическое пространство частицы в процессе испарения Хокинга, описанного в четвертой главе. Этот механизм разрушения превращает большую часть массы черной дыры в излучение: главным образом, нейтрино и фотоны, с небольшой примесью гравитонов. В самом конце жизни черной дыры ее температура становится достаточно высокой, чтобы по мере ускорения испарения начали образовываться более тяжелые частицы. В частности, черная дыра производит немалые количества электрон-позитронных пар. И все же из рассеянного водорода — газа, не переработанного в звездах в конце эпохи звезд, — электронов и позитронов образуется намного больше, чем при испарении черных дыр.

В последние мгновения жизни черной дыры, непосредственно перед ее финальным взрывом, температура ее поверхности настолько высока, что образуются частицы практически любого вида, хотя и в относительно небольших количествах. Таким образом, черные дыры производят смесь элементарных частиц, которые могут дожить до эпохи вечной тьмы. Ассортимент вновь созданных массивных частиц содержит протоны — строительные кирпичики, составляющие современное обычное вещество. Однако этим протонам суждено распасться в ходе того же процесса, который бессчетное число лет назад обозначил конец эпохи распада. В результате эти протоны оказывают относительно малое влияние на эпоху вечной тьмы.

Этот беглый взгляд в будущее предлагает крайнюю перемену перспективы. Время жизни протона, измеряемое часами человеческой жизни, или даже настоящим возрастом Вселенной, равным десяти миллиардам лет, настолько велико, что мы обычно считаем, что протоны живут вечно. Однако когда протоны образуются в процессе испарения черных дыр, время их жизни так мало, по сравнению с возрастом будущей Вселенной, что они вполне могли бы распасться мгновенно.

Плотность Вселенной в эту будущую эпоху невероятно мала, настолько мала, что это сложно представить даже в общих чертах, не говоря уже о том, чтобы полностью понять. Ради ясности, остановимся на плотности позитронов. Плотность электронов должна быть точно такой же, так как физический закон требует сохранения заряда. Других частиц ожидается еще меньше, поэтому их плотность будет еще ниже.

В настоящее время плотность протонов во Вселенной составляет приблизительно одну частицу на кубический метр. Это очень средняя цифра, которая учитывает все протоны в чрезвычайно больших масштабах, превышающих галактики. Теперь предположим, что эффективность образования звезд составляет девяносто девять процентов, и лишь один процент этих протонов остается в виде рассеянных газообразных отходов. Если бы Вселенная не расширялась, она осталась бы примерно с одним позитроном на каждые сто кубических метров: низкая плотность — ничего не скажешь, но такую плотность мы хотя бы можем себе представить.

Но Вселенная расширяется, и к началу эпохи вечной тьмы она расширится довольно значительно. В случае плоской Вселенной, которая расширяется вечно, хотя это расширение со временем замедляется, Вселенная увеличивается в 10⁶⁰ раз от настоящего момента до начала эпохи вечной тьмы. При таком большом коэффициенте расширения будущая плотность позитронов составляет примерно одну частицу на каждые 10¹⁸² кубических метров. Чтобы получить хоть какое-то ощущение невероятного размера этого объема, вспомним, что вся видимая сегодня Вселенная имеет объем «всего» в 10⁷⁸ кубических метра. Другими словами, плотность позитронов в эпоху вечной тьмы составила бы около одной частицы на объем, в 10¹⁰⁴ раз превышающий современную Вселенную.

В другом возможном случае — открытой Вселенной, которая расширяется еще быстрее, — плотность будет еще ниже. К началу эпохи вечной тьмы открытая Вселенная увеличивается в 10⁹⁰ раз. При таком громадном коэффициенте расширения, в 10³⁰ раз превышающем рассмотренный выше, плотность открытой Вселенной в 10⁹⁰ раз меньше плотности плоской Вселенной. Один-единственный позитрон будет обитать в объеме, в 10¹⁹⁴ раз превышающем объем современной Вселенной. Подобную необъятность, как ни старайся, крайне сложно представить визуально.

Фоновые излучения.

Другой важной составляющей будущей Вселенной является излучение, причем поля этого излучения генерирует множество разных источников. По мере старения космоса в фоновом излучении Вселенной в различные космологические декады будут по очереди доминировать разные поля излучения. Каждому отдельному классу излучения суждено ослабевать, по мере того как Вселенная расширяется и составляющие его фотоны последовательно смещаются сначала к красному краю спектра, а потом и вовсе выходят за его пределы (см. рис. 22).

Рис. 22. На данном рисунке вклад, который различные процессы вносят в фоновое излучение Вселенной, изображен как функция времени для космологических декад от пятой до девяностой. Вертикальная ось представляет относительную энергию в излучении от нескольких источников: излучения, оставшегося от первичной Вселенной, света звезд, аннигиляции темной материи, распада протона и испарения черных дыр.

По мере расширения Вселенной увеличивается длина волны излучения. Эта существенная особенность определяет будущую эволюцию и влияние космического фонового излучения. Излучение можно понимать как совокупность «частиц излучения», которые мы называем фотонами. Когда Вселенная расширяется, ее объем увеличивается, а численная плотность фотонов падает. Но при этом увеличивается также и длина волны фотонов, а следовательно, уменьшается энергия каждого фотона. Из-за этого дополнительного увеличения длины волны, также именуемого красным смещением, фотоны в расширяющейся Вселенной теряют энергию быстрее обычных массивных частиц.

В настоящее время космическое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, — это самое интересное, с точки зрения энергии, и самое важное для космологии поле излучения. Сейчас фактическая температура этого излучения составляет три градуса Кельвина, а характеристические длины его волн — от одного до двух миллиметров. В будущем, с расширением Вселенной, длина волны этого излучения значительно увеличивается. Плоская Вселенная, например, между настоящим моментом и началом эпохи вечной тьмы вырастает в 10⁶⁰ раз. Это расширение вытягивает космическое фоновое излучение до колоссальных длин волн, равных 10⁴¹ световых лет — много больше размера видимой сегодня Вселенной.

По мере старения Вселенной большую важность приобретают другие источники фонового излучения. В наше время звезды непрерывно выдают энергию в виде своего света, тогда как космическое фоновое излучение остается «в тени» из-за эффекта красного смещения. Фоновое море звездного излучения, в конечном итоге, воспреобладает над излучением, оставшимся после Большого взрыва; это произойдет в двенадцатую космологическую декаду. В относительно близком будущем это излучение будут производить преимущественно красные карлики — самые маленькие, многочисленные и долго живущие звезды. Эти относительно прохладные звезды испускают излучение с характеристической длиной волны около одного микрона — одной миллионной метра. С расширением Вселенной растягивается и это излучение, так что к началу эпохи вечной тьмы длина его волны увеличивается почти до 10³⁷ световых лет.

Захват и аннигиляция частиц темной материи в белых карликах служит еще одним важным источником излучения в будущей Вселенной. В результате этого процесса значительная доля массы-энергии галактических гало превращается в излучение, которое становится доминирующим фоном в семнадцатую космологическую декаду. Когда в эпоху распада это излучение испускают поверхности белых карликов, длина его волны равна порядка пятидесяти микрон, или одной двадцатой миллиметра. По мере дальнейшего увеличения Вселенной длина волн этих фотонов тоже увеличивается.

Конец эпохи распада отмечен распадом протонов и превращением обычного барионного вещества в излучение. Учитывая предполагаемое время жизни протона, этот источник лучистой энергии начинает доминировать в универсальном фоне в тридцать первую космологическую декаду. Характеристическая длина волны этого излучения начинается примерно с одного дюйма и в процессе беспрестанного расширения Вселенной со временем увеличивается.

Наконец, где-то в районе шестидесятой космологической декады испаряются черные дыры, и их масса покоя, в конце концов, преобразуется в фотоны и нейтрино, которые на кое-то время преобладают в общем фоне излучения. Черные дыры с массами звезд испускают излучения с характеристической длиной волны в несколько километров, что сравнимо с их радиальным размером. Черные дыры с более высокой массой имеют, соответственно, более низкие температуры и излучение с более длинными волнами. «Чудовища», которые весят как миллиард Солнц, — черные дыры, в настоящее время обитающие в центрах активных галактик, — имеют характеристические длины волн в миллиарды километров, что приблизительно равно размеру нашей Солнечной системы. Все это излучение, ясное дело, вытягивается в процессе непрерывного расширения фонового пространства-времени Вселенной.