Звездам числа нет, бездне дна.
М. В. Ломоносов
Из малого рождается великое
Если выйти ночью в чистое поле, где нет городской засветки, и поднять глаза к небу, то ощущение бездны, наполненной мириадами ярких и слабосветящихся точек-звёздочек, охватывает непременно и наполняет восторгом любого неравнодушного к красотам природы человека.
Все, кто мало-мальски интересуется астрономией, знают: звёзды — огромные раскалённые плазменные шары. Они собираются в скопления, скопления — в галактики, которых в нашей разбегающейся Вселенной огромное количество — триллионы, и пересчитать их пока не смог никто. Звёзды рождаются из газа и пыли. Добрая половина массы нашей Галактики, например, заключена в газовых и пылевых облаках, холодных и горячих, плотных и разреженных. Плотные газо-пылевые облака со временем становятся ещё плотнее, потому что сжимаются под действием собственного тяготения, а разреженные постепенно рассеиваются, если их не удерживает магнитное поле, которым во Вселенной «пропитано» всё. Магнитное поле, сильно ли, слабо ли, но так или иначе влияет на любые космические процессы, в том числе и на процесс образования звёзд из меж-звёздного газа. Любителям астрономии это хорошо известно. Я же хочу рассказать о другом — об «эффекте бабочки».
Вы, наверное, читали фантастический рассказ американского писателя Рея Брэдбери «И грянул гром». Его герой Экельс отправляется с экскурсией в далёкое прошлое, во времена динозавров. Путешественников предупреждают: ходить нужно только по тропе, ничего не трогать, с тропы не сходить. Но Экельс нарушает инструкцию и делает шаг с тропы. Всего один шаг, и случайно наступает на бабочку. Всего лишь на бабочку. Он сразу возвращается на тропу, и экскурсия продолжается. Однако, вернувшись домой, в настоящее, герой рассказа видит, что мир поразительно изменился: другие люди, другой город, другой президент… Почему? Да потому, объясняют ему, что ты в далёком прошлом раздавил бабочку.
Такая малость, верно? Но эта малость повлекла за собой цепь других мелких событий, которые привели к событиям более крупным. И покатился из прошлого в будущее «снежный ком» причин и следствий. В результате через десятки миллионов лет мир оказался другим! Этот эффект — влияние незначительных событий на будущее — получил название «эффект бабочки». Во второй половине ХХ века, когда возникла новая наука — теория катастроф, он стал официальным научным термином (см. статью «Сказка о катастрофах, теоретической истории и предсказании будущего», «Наука и жизнь» № 10, 2018 г.).
Почти 14 миллиардов лет назад такая катастрофа, произошедшая из-за микроскопического случайного отклонения — флуктуации — в плотности однородного квантового вакуума, привела к Большому взрыву, в результате которого родилась наша Вселенная. «Эффект бабочки» во вселенском масштабе!
Возникновение галактик
Если верны современные космологические теории инфляции (см. статью «Много вселенных из ничего», «Наука и жизнь» № 9, 2017 г.), Вселенная после Большого взрыва должна была представлять собой однородный раскалённый до триллионов градусов плазменный шар, который, расширившись и остыв, породил бы такую же однородную Вселенную без галактик, звёзд, без планет и жизни.
Почему же всё это появилось? Да благодаря тому же «эффекту бабочки». Галактики, а затем звёзды, планеты и жизнь возникли в результате последовательных малых случайных изменений. В новорождённой Вселенной, как прежде в квантовом вакууме, возникли очень небольшие неоднородности плотности и температуры. В наши дни новейшие методы астрофизики позволяют эти разного рода неоднородности изучать — они именно такие, какие предсказаны современной теорией инфляции.
Очень незначительные изменения в веществе, которое изначально должно было быть распределено в пространстве равномерно, способствовали тому, что стали формироваться сгустки, чуть-чуть более горячие и чуть-чуть более плотные, чем окружающее вещество. На этом «чуть-чуть» и играет природа, которая всегда и во всём стремится к равновесию. Возникла флуктуация плотности и температуры — и начинается «игра». Температура — проявление хаотического движения атомов и молекул: чем быстрее движение, тем выше температура, тем скорее возникшая флуктуация рассеется, поскольку частицы разлетятся в разные стороны. Но этому противодействует поле тяжести. Частицы ведь не только хаотично движутся, но и взаимно притягиваются тем сильнее, чем они ближе друг к другу. Противоборствуют две силы: внутреннее давление (из-за температуры) стремится разбросать частицы в пространстве, а сила тяжести, наоборот, стремится притянуть их, сделать газ плотнее. И тут уж какая сила победит. Если силы взаимного притяжения будут больше сил расталкивания, то газ уплотнится, возросшее тяготение захватит ещё больше вещества. А если победит внутреннее давление, плотность газа уменьшится.
Так всё изначально и происходило. Своеобразный «эффект бабочки» породил первые — ещё без звёзд — галактики. Флуктуации плотности в зарождавшихся галактиках привели к рождению первых звёзд, а галактики начали собираться в скопления. Возникла грандиозная иерархия миров, которую астрофизики наблюдают сегодня в телескопы — земные и космические.
Первые звёзды
Звёзды в конечном счёте тоже результат той первой микроскопической флуктуации (того «взмаха крыльев бабочки»), что случилась в первые секунды жизни Вселенной. Результат очень отдалённый, конечно, но ведь и в рассказе Брэдбери прошли десятки миллионов лет с момента, когда его герой Экельс случайно раздавил бабочку, вызвав очень небольшое изменение окружающей среды, до современного мира с непредсказуемыми изменениями.
Итак, в результате первичных флуктуаций в расширявшейся Вселенной возникли случайные уплотнения, ставшие первыми звёздами. Их называют звёздами первого поколения или звёздами населения III. Они были очень массивными (в сотни и даже в тысячи раз массивнее Солнца!) и практически целиком состояли из водорода с очень небольшой примесью гелия и совсем ничтожной — лития. В молодой Вселенной других элементов ещё не существовало.
Учёные знают, что такие звёзды были — это следует из теории эволюции Вселенной. Но до недавнего времени никто звёзд первого поколения не наблюдал. Лишь в 2015 году группа астрономов под руководством Дэвида Собрала (Португалия), проводившая наблюдения за далёким космосом, обнаружила очень яркую галактику Cosmos Redshift 7, возникшую примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Конечно, различить отдельные звёзды в таком далёком скоплении (больше 11 миллиардов световых лет!) пока невозможно, но косвенные признаки (прежде всего, особенности спектра) показывают, что почти все звёзды в Cosmos Redshift 7 принадлежат, скорее всего, именно к первому поколению. Это очень важное открытие подтверждает не только теорию эволюции Вселенной, но и то, что звёзды возникли из газовых облаков, облака — из незначительных флуктуаций плотности и так далее до Большого взрыва.
Звёзды первого поколения жили недолго, вряд ли больше нескольких миллионов лет. У звезды в сотни раз массивнее Солнца очень высокая температура и плотность в центральных областях. А чем выше температура и больше плотность, тем интенсивнее идут реакции превращения водорода в гелий. Чем сильнее термоядерный пожар, тем быстрее выгорает водород, которым пожар питается. В очень массивной звезде через несколько миллионов лет весь водород превращается в гелий. В совсем небольших количествах образуются и более тяжёлые элементы: литий, бериллий. «Дрова» кончаются, и, значит, падает температура — звёздный костёр остывает. А раз падает температура, падает и давление, действующее против сил тяжести. Ничто больше не удерживает звезду в состоянии равновесия, и происходит катастрофа, которую называют вспышкой сверхновой (см. статью «Сказка о тёмной материи тёмного космоса», «Наука и жизнь» № 7, 2017 г.). Звезда взрывается, и в межзвёздное пространство выбрасываются водород, гелий, небольшое количество лития и бериллия, образовавшихся в ходе эволюции, и совсем ничтожное количество немногих более тяжёлых элементов, возникших во время взрыва сверхновой.
Звёзды второго поколения
Межзвёздный газ теперь становится чуть иным по химическому составу, в нём опять образуются флуктуации плотности — «бабочка» продолжает «махать крыльями»… И вновь возникает противоречие. С одной стороны, природа стремится к равновесию (к тому, чтобы силы тяжести уравновешивались внутренним давлением газового облака), с другой — существуют флуктуации. Где-то внутреннее давление оказывается чуть меньше, и тяготение «побеждает» — облако сжимается, пока температура и давление в центре не становятся такими большими, что, как и в звёздах первого поколения, водород начинает превращаться в гелий. Но теперь вещество звезды содержит, пусть немного, и другие, более тяжёлые элементы. Это звёзды второго поколения, или звёзды населения II. Они не такие массивные, как звёзды первого поколения, а потому живут дольше — сотни миллионов и даже, если звезда подобна Солнцу, миллиарды лет.
Конечно, флуктуации флуктуациям рознь. Чтобы зародилась Вселенная, достаточно было ничтожной по размерам флуктуации в квантовом вакууме (порядка планковской длины — 10-34 см!). А чтобы из межзвёздной среды смогла образоваться звезда, сила тяжести, с которой частицы притягивают друг друга и заставляют газ сжиматься, должна быть прямо пропорциональна размеру возникшего случайного увеличения плотности: чем оно больше, тем сильнее тяготение стремится сжать сгусток газа в звезду. Но против тяготения действует газовое давление, а оно обратно пропорционально размеру уплотнений: чем они больше, тем газовое давление меньше. Обе силы зависят от размеров уплотнений по-разному, и, значит, существует некий размер, при котором силы сравниваются. Массивное уплотнение начинает неудержимо сжиматься, температура газа увеличивается, и, в конце концов, в центре сжимающейся протозвезды запускаются термоядерные реакции. Рождается звезда, и сжатие прекращается, потому что теперь против тяготения действуют уже гораздо большие силы давления. Так в природе разрешается противоречие между тяготением и давлением. Природа стремится к равновесию, и рождается звезда.
И возникла жизнь!
Солнце — этот раскалённый плазменный шар — вот уже пять миллиардов лет сияет на земном небосклоне, почти не меняя свою светимость и размеры. Конечно, и здесь происходят случайные изменения — «бабочка машет крыльями». «Взмах» — и в солнечном ядре чуть-чуть возрастает температура, чуть-чуть усиливаются процессы синтеза, чуть-чуть увеличивается давление. Наше светило на один-два процента становится ярче, и этого достаточно, чтобы на Земле происходили природные катастрофы. Ледниковые периоды сменяются потеплениями, одни виды животных вымирают, другие занимают их место под солнцем. Проходит время, Солнце возвращается в состояние равновесия, и жизнь на планете получает возможность ещё десятки миллионов лет существовать и эволюционировать без особых проблем.
Не без случайных изменений, конечно — как же без них! Но эти изменения другого рода — биологические. Они называются мутациями, однако суть их та же. Мельчайшие и случайные по своей природе изменения в генах живых организмов приводят к появлению новых видов: одни получаются хорошо приспособленными к окружающей среде, другие — плохо. Приспособленные выживают и дают потомство, другие погибают. Зарождение, развитие и гибель флуктуаций — и вот на Земле появляется Хомо сапиенс — Человек разумный.
Теперь вы знаете, какие незначительные, по космическим меркам, причины привели к появлению звёздного разнообразия. Всего лишь микроскопическая флуктуация в квантовом вакууме — и рождается Вселенная. Всего лишь незначительная флуктуация плотности в однородном, в принципе, газе — и рождаются звёзды. Всего лишь малое отличие скоростей движения разных газовых облаков — и возникают двойные и кратные звёзды. Всего лишь небольшое изменение условий в центре звезды — и на планетах погибают живые существа, а возможно, и целые цивилизации!
Огромен космос, но и в нём малые, порой случайные события управляют большими, даже грандиозными явлениями. Звёзды рождаются и сейчас. Немаловажно, что наблюдение за звездообразованием в телескопы хорошо согласуется с теорией. Значит, и в эту минуту небольшие случайные изменения могут привести к процессам поистине космического масштаба. «Бабочка» продолжает «махать крылышками». Теперь вы знаете, к чему это приводит.
