Вспоминается такая полоса в моей жизни: мне казалось тогда, что я занимаюсь неперспективными проблемами. Я как-то поделился об этом с одной из коллег. Разговор перекинулся на будущее отдельных небесных тел. И она предложила интересную задачу о расчете остывания нейтронных звезд в экзотических условиях очень отдаленного будущего Вселенной. Эта совместно выполненная нами работа, совместный анализ работ других ученых об отдаленном будущем и составляет основу нашего дальнейшего рассказа.
Мы изучаем прошлое, чтобы лучше понять настоящее и будущее, а близкое и отдаленное будущее человечества, будущее разума во многом зависит от будущего природы, от судеб Земли, Солнца Галактики, Вселенной.
Изучение будущего Вселенной принципиально отличается от изучения прошлого. Прошлое оставило свои следы, и, обнаруживая их, мы проверяем правильность своих представлений. Картина будущего — это всего экстраполяция, прямая проверка здесь невозможна. И тем не менее сегодня фундамент физических и астрофизических знаний настолько прочен, что позволяет с достаточной уверенностью рассматривать отдаленное будущее Вселенной.
Оно зависит прежде всего от того, будет ли она вечно расширяться. Рассмотрим сначала будущее неограниченно расширяющейся однородной Вселенной с плотностью, не превышающей критического значения. Какие же процессы произойдут в этой неограниченно расширяющейся Вселенной?
Первый из таких процессов сейчас ни у кого не вызывает сомнений — звезды в будущем погаснут. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать. Звезды массивнее Солнца проживут еще меньше и в зависимости от массы в конце концов превратятся либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры.
Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце жизненного пути звезды с полным её разрушением. Так, по-видимому, взрываются некоторые звезды, называемые сверхновыми.
Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше, но и они рано или поздно превращаются в остывшие карлики.
В наше время возникают и новые звезды из межзвездной среды. Однако настанет время, когда необходимые запасы ядерной энергии и вещества будут исчерпаны, новые звезды рождаться не будут, а старые превратятся в холодные тела или черные дыры.
Звездная эра эволюции Вселенной закончится примерно через 1014 лет. Этот срок огромен, он в 10 тысяч раз больше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной до наших дней.
А теперь о судьбе галактик.
Звездные системы — галактики — состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах галактик, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры, о чем свидетельствуют бурные процессы в галактических ядрах, наблюдаемые астрофизиками. Для будущего галактик существенны очень редкие в наше время события, когда какая-либо звезда в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами приобретает большую скорость, покидает галактику и превращается в межгалактического странника. Звезды постепенно будут покидать галактику, а ее центральная часть будет понемногу сжиматься, превращаясь в очень компактное звездное скопление. В таком скоплении звезды будут сталкиваться друг с другом, превращаясь в газ, и этот газ в основном будет падать в центральную сверхмассивную дыру, увеличивая ее массу. Звезды также будут разрушаться приливными силами, пролетая слишком близко от этой черной дыры.
Конечный этап — это сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, и рассеивание около 90 процентов всех звезд внешних частей в пространстве. Процесс разрушения галактик закончится примерно через 1019 лет, все звезды к этому времени давно погаснут и потеряют право именоваться, звездами. Для дальнейших процессов определяющей является предсказываемая современной физикой нестабильность ядерного вещества. Имеется в виду, что протон хотя и очень долго живущая, но все же нестабильная частица. Теория «великого объединения», которая предсказывает бурные процессы в эпоху с 10-34 секунды по 10-32 секунды после начала расширения Вселенной, предсказывает и необходимость распада протона (а также и нейтрона в составе сложных ядер, который в этих условиях также считался стабильным). Среднее время его жизни оценивается примерно в 1032 лет. Конечный продукт распада протона — один позитрон, излучение в виде фотона, нейтрино и, возможно, одна или несколько электронно-позитронных пар. Хотя распад протона еще не наблюдался непосредственно, мало кто из физиков сомневается в неизбежности такого процесса.
Итак, примерно через 1032 лет ядерное вещество полностью распадется. Из мира исчезнут даже погасшие звезды. Но распад ядерного вещества уже задолго до этого срока начнет играть важную роль в эволюции Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов (это общее название протонов и нейтронов), аннигилируют с электронами, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, прямо возникающими при распаде нуклона, нагревают вещество. Только нейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30 процентов всей энергии распада.
Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хоть и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля. Так, белые карлики, остыв за 1017 лет до температуры 5 Кельвинов, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри их. Нейтронные звезды остывают за 1019 лет до температуры около 100 Кельвинов, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру.
Спустя 1032 лет все ядерное вещество полностью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.
Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около одного процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через 1032 лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами — из-за крайней разреженности газа вероятность встречи этих частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма.
К этому времени, то есть через 1032 лет, во Вселенной останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик (об их судьбе мы скажем немного позже).
Что же будет происходить во Вселенной после распада ядерного вещества?
В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно-позитронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино. Ибо именно в эти виды материи превратится обычное вещество после распада. Начнется эра излучения. Правда, надо помнить, что это излучение, чрезвычайно сильно остывшее.
С расширением Вселенной плотность массы излучения быстро будет падать, так как уменьшается и плотность числа частиц, и энергия каждого кванта (а значит, и его масса). В отличие от излучения средняя плотность обычной материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации при расширении Вселенной. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому ко времени 1033 лет плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах. Ее будет гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме. Если масса покоя нейтрино не ноль, как мы это разбирали выше, то значительная доля массы останется также в нейтрино. На смену эре излучения придет эра черных дыр!
Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит, как мы знаем, рождение частиц; причем у черных дыр с массой порядка звездной и больше возникают кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, она постепенно превращается в фотоны, нейтрино, гравитоны. Но процесс этот чрезвычайно медленный. Скажем, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 1069 лет, а сверхмассивная черная дыра, масса которой еще в миллиард раз больше, — за 1096 лет. И все же постепенно все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе во Вселенной, снова наступит эра излучения. Однако это излучение несравненно более холодное, чем излучение в эпоху распада вещества. Вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, и через 10100 лет станет доминирующей именно эта плазма и, кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего.