Откуда пошла Вселенная
Начнем издалека – с краткой истории вселенной. Вселенная имеет конечный возраст. Идея эта очень интересна, и рационально мыслящие люди в нее не всегда верили. Под вселенной в данном случае я понимаю «вселенную с маленькой буквы» – то, что мы видим вокруг, что мы видим в телескопы сейчас и сможем увидеть в сколько-нибудь обозримом будущем. Всего этого когда-то не было. Это очень жесткое, абсолютно не философское, но наблюдательное утверждение. Сейчас мы в этом убедимся.
Представим, что вселенная бесконечна и заполнена звездами (это рациональная вселенная XIX века). Нигде нет никакого центра, мы не живем в центре скопления звезд. Если бы мы жили в центре мира, это было бы очень подозрительно, но мы живем в самом заурядном месте. Значит, куда бы мы ни посмотрели – взгляд рано или поздно упрется в звезду. Это легко понять: если завязать глаза и побежать даже через самый редкий лес, вы непременно найдете лбом свое дерево. Если ночью смотреть в заполненную звездами бесконечную Вселенную, где-то взгляд должен упереться в «лампочку» и все небо должно сиять, как поверхность звезды. Никакой ночной черноты не было бы. Отчего же мы, тем не менее, видим небо таким, какое оно есть, – яркие огоньки на черном фоне? Звезды где-то заканчиваются?
Правильный ответ в том, что звезды кончаются не в пространстве, а во времени – когда-то этих звезд не было. Вселенная при этом может быть бесконечна – это ничему не противоречит, просто звезды возникли какое-то время назад, и свет от далеких звезд до нас не дошел. Теперь мы знаем, какое это время – примерно 13,7 миллиарда лет назад.
Когда-то произошло нечто, что мы называем Большим взрывом[16], в котором родилась наша Вселенная. После этого она начала расширяться и продолжает это делать по сей день. Мы это действительно знаем, это наблюдательный факт, а не результат интерполяций и экстраполяций. Сначала Вселенная была очень горячей и плотной – мы видим оставшееся от той эпохи излучение. Если включить телевизор и поймать пустой канал, на экране будет рябь. Заметный процент этой ряби и есть излучение далекой горячей Вселенной. Если бы вы это заметили до 1965 года и сделали правильный вывод, получили бы Нобелевскую премию.
В какой-то момент горячее вещество остыло и, как говорят физики, рекомбинировало. Это значит, что оно стало нейтральным: электроны прицепились к ядрам, которых было всего два – водород и гелий. Тогда наступили темные времена. Нейтральное вещество ничего не излучает, а звезд еще нет. Затем, после темных веков, наконец-то начали образовываться первые звезды. Во Вселенной были места, где плотность вещества была побольше, а в других местах плотность была поменьше. Туда, где плотность больше, притягивалось еще вещество и образовывались массивные комки. В этих комках было довольно много темного вещества. В астрономии оперируют своими единицами, в частности массой Солнца. Так вот, темного вещества в типичном комке было где-то на миллион масс Солнца, а обычного вещества – водорода и немножко гелия – было на сто тысяч масс Солнца. В таком облаке в современных моделях и возникает самая первая звезда. Звезды – первые объекты, которые загорелись во Вселенной.
Темное вещество – одна из ключевых космологических загадок. Сегодня считается, что это некий вид элементарных частиц. На роль этих непонятных частиц в теории есть несколько хороших кандидатов, но пока ни одного не поймали. Этих частиц по массе примерно раз в пять больше, чем обычного вещества.
Итак, в местах наибольшей плотности получаются облачка, где загораются первые звезды. Дальше процесс продолжается, и эти плотные облачка начинают сливаться друг с другом. Их слияние дает галактику. Не только наша, но и другие галактики состоят из сотен миллиардов звезд, из большого количества газа, пыли, темного вещества. Они образованы путем слияния более мелких галактик, а изначально даже не галактик, а облаков, где было буквально по одной звезде.
Все это мы пока не видим по двум причинам: во-первых, это далеко. У нас во Вселенной все просто: есть скорость света, поэтому от далеких объектов сигнал к нам приходит спустя какое-то время – расстояние поделить на скорость света. На самом деле есть хитрость, потому что Вселенная расширяется, и расстояние увеличивается. В результате события, которые происходили давно, трудно увидеть – даже если в тот момент, когда они происходили, они были ближе, то сейчас они далеко.
Во-вторых, это связано с явлением, которое называется «красное смещение». Вселенная растягивается, и вместе с ней расширяются все несвязанные объекты. Расширяется свет: вы испустили зеленый луч, а он летит далеко-далеко во Вселенную и превращается в красный – вытягивается. Дальше он может превратиться в инфракрасный, а инфракрасный с Земли уже не видно. Чтобы все это увидеть, придется запускать телескоп в космос. Нет никакого дешевого способа с Земли увидеть инфракрасное излучение или, наоборот, рентгеновское. Поэтому нужно строить новые инструменты, которые, как все надеются, покажут нам самые первые звезды и галактики.
Сейчас самые большие запущенные на орбиту телескопы имеют диаметр под четыре метра. Телескопы большего размера не влезают в ракету. Если нужен телескоп больше, его надо делать раскладным, как зонтик.
Телескоп – очень хитрое, сложное, высокотехнологическое устройство. В космосе его надо защищать от солнца, чтобы он не нагревался, на него влияют заряженные частицы и много что еще. В результате он получается очень сложный и в изготовлении, и в эксплуатации. Астрономические приборы такого уровня очень дороги по двум основным причинам; третья добавляется, если прибор надо отправлять в космос. Первая причина в том, что они делаются в одном экземпляре – все, что вы делаете в одном экземпляре, дорого. Если болид «Формулы-1» делать миллионными партиями, он будет гораздо дешевле, чем сейчас. Вторая причина состоит в необходимости разработки новых технологий. Третья причина в том, что в космосе все дороже.
Есть проекты наземных телескопов, которые покажут нам первые звезды и галактики. Самый большой из них – система радиотелескопов SKA[17]. Если проект будет реализован, он будет стоить несколько миллиардов долларов. Для наземной астрономии это фантастические деньги. Есть также миллиметровые телескопы на Земле, например, в пустыне Атакама. Телескопы нужно строить высоко в горах, где очень сухо, так как пары воды мешают наблюдениям в этом диапазоне спектра.
Как ни странно, про первые галактики нам могут рассказать и новые рентгеновские спутники. Эти спутники запускают в космос, потому что рентгеновское излучение, к счастью, не проходит сквозь земную атмосферу. Излучение это хорошо тем, что это почти что самые «жирные» кванты. Если вам нужно убежать и унести с собой пару миллионов долларов, все знают – надо брать крупными купюрами, потому что купюрами по доллару вы физически не унесете два миллиона. Природа мудра и поступает точно так же. Если в одном месте выделяется очень много энергии, надо уносить ее большими квантами – рентгеновскими. Когда идут какие-то бурные процессы, энергия испускается в рентгеновском диапазоне. Такие процессы происходят, например, когда вы кидаете предметы в черную дыру.
Идея очень простая. Все боятся, что на нас упадет астероид, потому что при этом происходит огромный взрыв. Это просто камень (не бомба!), но выделяется очень много энергии. Астероид падает с очень большой скоростью – если помните, есть такая формула: ½mv². Если из космоса кинуть предмет на Землю, он падает со скоростью несколько километров в секунду, влетает в атмосферу, дальше тормозится и выделяет энергию.
Другое дело, если предмет кинуть не на Землю, а в черную дыру. В черную дыру предмет падает со скоростью света, и если перед этим он с чем-то сталкивается, выделяется огромное количество энергии, на единицу массы гораздо больше, чем при ядерном взрыве. Самые первые черные дыры образовались из самых первых огромных звезд и начали поглощать вещество. Падая, вещество нагревалось и испускало рентгеновские лучи. Так с помощью рентгеновских спутников можно увидеть самые первые черные дыры.
Существуют ли черные дыры?
Самые естественные черные дыры возникают из звезд. Звезда живет, пока в ее недрах легкие элементы превращаются в тяжелые. Так она поддерживает устойчивость. Гравитация стремится схлопнуть звезду, а внутреннее давление этому противодействует. Чтобы было внутреннее давление, нужно, чтобы была энергия. Ее звезда берет из термоядерного синтеза. Когда эта энергия заканчивается, звезда начинает схлопываться. Если масса очень большая, то она схлопнется в черную дыру – это и есть самый естественный процесс образования черных дыр.
