В течение 100 миллионов лет во Вселенной было только творение. Встречайте наши первые моменты разрушения.
Космическая история, породившая нас, полна созидания и разрушения. В начале горячего Большого взрыва были созданы энергичные частицы, античастицы и кванты излучения. Через доли секунды большинство пар частица-античастица аннигилировали. Атомные ядра сливались воедино, образовывались нейтральные атомы, а гравитация стягивала материю в комки. В конце концов, некоторые из самых больших комков разрушились, образовав первые звезды.
И все же эти звезды были чрезвычайно массивными: в 25 раз больше типичной массы звезд, которые мы создаем сегодня. Чем массивнее живет звезда, тем короче ее продолжительность жизни, а это означает, что эти самые первые звезды жили недолго. Смерть первых звезд была абсолютно необходима, чтобы возникла Вселенная, какой мы ее знаем сегодня. Вот космическая история, которую вы еще не слышали.
Чтобы образовались звезды, газ, из которого вы собираетесь их сделать, должен коллапсировать. Но гравитационный коллапс означает, что вы должны излучать энергию; коллапс превращает потенциальную энергию в кинетическую энергию, что вызывает нагрев обычной материи. Сегодня тяжелые элементы являются лучшими излучателями энергии, которые у нас есть, а это значит, что мы можем эффективно коллапсировать и образовывать всевозможные звезды.
Раньше, однако, не было тяжелых элементов, поскольку они каким-то образом возникают только из звезд. Таким образом, первые звезды могут состоять только из больших сгустков вещества, обладающих достаточной массой, чтобы преодолеть это тепло. Вот почему первые звезды очень большие: в среднем 10 солнечных масс, а многие звезды исчисляются сотнями или даже достигают 1000 солнечных масс.
Но это приводит нас к загадке Бегущего по лезвию. Чем массивнее звезда, тем ярче она горит, но тем меньше живет. В то время как звезда, подобная нашему Солнцу, может прожить около 10 миллиардов лет, прежде чем закончится топливо в ее ядре, эти ранние звезды живут всего лишь миллионы лет, прежде чем встретят свою кончину. Их ядра превращают водород в гелий с невероятной скоростью, непрерывно испуская десятки тысяч (или более) светимости нашего Солнца.
Для звезды, масса которой в десять раз превышает массу нашего Солнца, этот процесс может длиться всего около 10 миллионов лет, прежде чем закончится водородное топливо. В таком случае:
- ядро сжимается и нагревается, превращая гелий в углерод,
- когда заканчивается гелий, он нагревается и превращает углерод в кислород,
- а затем кислород в неон, далее до магния, кремния и серы,
- в конечном итоге достигнув железа, никеля и кобальта,
- а затем заканчивается захватывающим взрывом сверхновой.
Цикл ядерного синтеза в массивных звездах создает большое количество тяжелых элементов в периодической таблице, которые затем выбрасываются обратно в межзвездную среду в момент взрыва сверхновой. То, что осталось от ядра, обычно представляет собой нейтронную звезду: коллапсирующая масса, которая больше, чем наше Солнце, но не больше дюжины миль от конца до конца.
В этих плотных, ранних средах столкновения нейтронных звезд с нейтронными звездами должны быть относительно частыми, по крайней мере, по сравнению с низкой скоростью, которую мы думаем, что мы имеем сегодня.
Когда происходят эти столкновения нейтронных звезд, они порождают либо более крупную нейтронную звезду, либо черную дыру с массой около 95% их массы, чего можно ожидать. Но эти столкновения нейтронных звезд также приводят к неконтролируемым, взрывным реакциям, вызывающим испускание гравитационных волн, нейтрино, электромагнитное излучение всех типов и выброс большого количества тяжелых ядер. Эти ядра одновременно стабильны и нестабильны и включают в себя элементы намного тяжелее урана и плутония.
В сочетании со сверхновыми, слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами дают начало полному набору элементов, составляющих периодическую таблицу, включая самые тяжелые.
Но эти звезды, которые живут около 10 миллионов лет, на самом деле являются самыми долгоживущими среди первых звезд. Здесь рождаются звезды в сотни и даже тысячи раз массивнее нашего Солнца, и они сжигают свое топливо еще быстрее. Сияя так же ярко, как миллионы или даже десятки миллионов солнц, каждое из них имеет уникальную судьбу.
Внутри них есть три возможности того, что может произойти, в зависимости от массы.
One - это просто более массивный аналог того, что вы ожидаете от более ранних сверхновых: массивная сверхновая, которая оставляет после себя только черную дыру, а не нейтронную звезду. Ядро сверхновой коллапсирует, и в большинстве случаев это приводит к образованию нейтронной звезды. Но есть предел, где-то между 250% и 300% массы Солнца, того, чего может достичь нейтронная звезда, прежде чем она сколлапсирует под действием собственной гравитации.
Когда она пересекает этот порог, нейтронная звезда полностью коллапсирует в черную дыру: вторая по распространенности судьба первых звезд.
При еще больших массах температура внутри звезды достигает такого высокого уровня, что начинает происходить особый процесс. Свободной энергии достаточно, чтобы фотоны, летающие внутри ядра звезды, могли спонтанно образовывать пары частица-античастица. Два фотона могут спонтанно превратиться в этих условиях в электрон и позитрон, если энергии достаточно высоки.
Это несет в себе некоторую новую физику: в то время как радиационное давление фотонов удерживало звезду от гравитационного коллапса, потеря фотонов означает потерю давления, и звезда начинает коллапсировать дальше.. При этом температура повышается, что делает более вероятным превращение фотонов в пары электрон-позитрон. Это становится неконтролируемым процессом, и ядро звезды полностью коллапсирует.
Этот процесс известен как сверхновая с парной нестабильностью или, если вы предпочитаете красочный язык, взрыв гиперновой. Они чрезвычайно редки в современной Вселенной, но у первых звезд должно было быть много таких катаклизмов. Менее массивные сверхновые с парной нестабильностью приведут к образованию черной дыры в ядре, срывая их внешние слои, в то время как более массивные полностью разрушат звезду, создав причудливо обогащенный участок межзвездной среды, где они произошли..
Предполагается, что звезды с разными массами достигнут порога парной нестабильности в разное время своего жизненного цикла, что сделает элементы, которые они изгоняют и обогащают Вселенную, переменной, которая еще недостаточно изучена.
Наконец, звезды либо очень экстремальных масс, либо те, которые претерпевают правильный набор процессов, могут напрямую коллапсировать в черную дыру. Не требуется безудержной реакции синтеза; взрыва может и не быть; масса могла сразу же просто преодолеть излучение, исходящее из ее центральной области. Как только формируется горизонт событий, коллапс в черную дыру неизбежен.
Теоретически это является источником сверхмассивных черных дыр, которые сегодня занимают центры галактик: смерть самых массивных звезд, которые создают черные дыры в сотни или тысячи раз больше массы солнца. Со временем слияния и гравитационный рост приведут к образованию самых массивных черных дыр, известных во Вселенной, черных дыр, которые на сегодняшний день в миллионы или даже миллиарды раз превышают массу Солнца.
Понадобилось, наверное, 100 миллионов лет, чтобы образовались самые первые звезды во Вселенной, но еще миллион или два после этого, чтобы самые массивные из них умерли, создав черные дыры и распространив тяжелые переработанные элементы в межзвездную среду. Со временем Вселенная, наконец, начнет напоминать то, что мы видим сегодня.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?
- Как это было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- Как это было, когда мы потеряли последнюю часть нашей антиматерии?
- Как это было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала атомы?
- Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
- Как это было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?