13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - Джон Гриббин

Возраст белых карликов

Следующий метод подсчета понравился бы графу де Бюффону или даже Исааку Ньютону, знай они о жизненном цикле звезд. Он тесно связан с идеей подсчета возраста остывающего железа путем измерения его нынешней температуры. Железом в нашем случае будут белые карлики.

Белый карлик – это звезда в конце своей эволюции, когда все ядерное горение внутри нее завершилось. По сути, это раскаленный шар из углерода, не имеющий внутренних источников тепла. В нем ничего не происходит, он просто постепенно остывает навсегда. Возраст белого карлика можно высчитать, зная его изначальную температуру (она определяется с помощью моделей звездной эволюции и равна примерно 200–250 тыс. К), скорость остывания и нынешнюю температуру. Поскольку массы звезд на этом этапе находятся в достаточно узком диапазоне, вычисления не слишком сложны. Если масса больше восьми солнечных, звезда взрывается как сверхновая и оставляет после себя нейтронную, в которой содержится больше массы, чем в Солнце, при крохотных размерах (примерно с Джомолунгму), так что она не может стать белым карликом. Если звезда намного легче Солнца, она либо продолжит находиться в главной последовательности до нашего времени, либо же (как мы увидим) превратится в красного гиганта. Самые старые белые карлики из известных обладают остаточной массой примерно в 50–75 % от массы Солнца. Их внешний слой, включая все «металлы», унесло в космос. Единственное, что необходимо измерить, – их яркость (или светимость) и температуру: чем тусклее звезда, тем она старше.

Кажется, что понять процесс остывания такой звезды очень сложно, но структура белого карлика чрезвычайно проста и температура внутри нее почти одинакова по всей толще[113]. Процесс остывания тоже очень несложен за исключением двух небольших затруднений, которые тоже можно просчитать. В частности, в начале своего существования как белого карлика звезда может слегка сжаться, выделяя энергию притяжения в виде тепла, а позже внутренняя часть кристаллизуется, также выделяя немного тепла. После такого затвердевания скорость охлаждения звезды несколько повышается; все эти процессы хорошо известны физикам. В результате можно начертить теоретическую кривую охлаждения – график, сопоставляющий возраст белого карлика и температуру его поверхности, из которого, зная ее, можно вывести возраст звезды.

Существуют и другие детали, в которые я не стану углубляться, но один из главных результатов вычислений состоит в прогнозе относительного количества белых карликов на каждом уровне светимости. Реальное «распределение белых карликов по светимости», наблюдаемое для звезд в диске Млечного Пути, почти точно совпадает с этим прогнозом за исключением очень тусклых белых карликов. Их видно меньше, и очевидная причина этого заключается в том, что звезды Млечного Пути еще просто не дошли в своей эволюции до нужного возраста. Очень четкий «провал» в этом распределении указывает на то, что самые старые белые карлики на диске Млечного Пути остывают уже 9 млрд лет. Массы звезд, задействованных в этом исследовании, составляют около 0,8 массы Солнца, и расчеты их эволюции говорят о том, что звезды предыдущего поколения, из остатков которых они образовались, затратили на эволюцию около 300 млн лет. В итоге возраст диска Млечного Пути оказывается равным 9,3 млрд лет (плюс-минус примерно миллиард). Однако в нашей Галактике существуют и более старые белые карлики.

Млечный Путь, как я уже намекнул, состоит из двух звездных компонентов. Это, собственно, сама Галактика, представляющая собой уплощенный диск из звезд, и окружающее ее сферическое гало из шаровых звездных скоплений (подробнее об этом читайте во второй части книги). Тут важно помнить, что звезды в гало сформировались раньше Млечного Пути и их возраст больше, чем у звезд внутри диска. Таким образом, если мы сможем найти белых карликов внутри шаровых скоплений или в других частях гало вокруг Галактики, они будут наиболее старыми в Млечном Пути. Трудность заключается в том, что звезды гало, как правило, расположены далеко от нас и светят очень тускло (а именно тусклые звезды самые старые!), так что их очень сложно наблюдать. Но у нас есть для этого возможности.

Если мы сможем их обнаружить и проанализировать их свет, белые карлики внутри шаровых скоплений дадут возможность измерить и расстояния до этих скоплений, и их возраст. Но, чтобы это произошло, ученым пришлось ждать запуска космического телескопа «Хаббл» и, в частности, установки на него в 1993 году, в рамках экспедиции по обслуживанию, ультрачувствительной камеры WFPC2. Но даже тогда белых карликов удалось изучить лишь в нескольких самых близких к нам шаровых скоплениях. Сложность в осуществлении таких наблюдений подчеркивается тем, что наблюдаемая с Земли яркость этих светил составляет менее чем одну миллиардную яркости самой тусклой звезды, заметной невооруженным глазом. Чтобы получить от них достаточно света для проведения анализа, камере пришлось несколько дней собирать его буквально по фотону.

Анализ с таким трудом собранного света был несколько облегчен тем, что атмосфера белых карликов состоит либо из чистого водорода, либо преимущественно из гелия. Металлов, которые могли бы изменить эту картину, там нет. Структура атмосферы звезды зависит от силы притяжения на ее поверхности, которая влияет на звездный спектр. Если достаточно точно рассчитать спектр, можно выяснить и силу притяжения звезды (а отсюда массу), и температуру ее поверхности. Возраст шарового скопления можно затем узнать по возрасту самых старых и тусклых белых карликов, входящих в его состав.

В начале XXI века наблюдения за белыми карликами в рамках шарового скопления М4 примерно в 5600 световых годах от нас[114] позволили оценить их возраст в 12,1 млрд лет (плюс-минус 0,9 млрд). Удалось изучить еще пару шаровых звездных скоплений, их возраст оказался сопоставимым. Все эти измерения отлично согласуются с наиболее точными оценками самых старых шаровых скоплений, обнаруженных миссией Hipparcos, – 12,6 млрд лет. Таким образом, очень вероятно, что астрофизики находятся на верном пути и нас ждут новые открытия.

Расстояние в 5600 световых лет для шаровых звездных скоплений – это совсем не много. Но не существует ли астрономически более близких к нам белых карликов? Можно было бы измерить их возраст намного проще и точнее. К счастью, сегодня нам известны две такие звезды. Первая, SDSS J1102, в 2008 году была осторожно описана как «кандидат в белые карлики из старого гало» с опорой на наблюдения проекта цифрового картирования неба фонда Альфреда Слоуна[115] (SDSS). К 2012 году ее статус был подтвержден и удалось обнаружить еще одну подобную звезду – WD 0346. Обе они относятся к населению гало, но, так случилось, сейчас проходят (довольно быстро) через наш участок Галактики. Внимание астрономов сначала привлекла именно их скорость, подтвердившая, что это звезды из гало: те, что находятся в диске, движутся по более или менее круглым орбитам вокруг центра Галактики, как бегуны по стадиону, а гости из гало быстро проносятся сквозь эту упорядоченную структуру под разными углами. В настоящее время J1102 находится на 50 парсек выше диска галактики, а WD 0346 – в 9 парсеках в сторону от него.

Звезда J1102, расположенная в направлении Большой Медведицы, движется по небу со скоростью 1,75 угловой секунды в год. WD 0346, устремленная к созвездию Тельца, перемещается на 1,3 секунды в год. Для сравнения: видимый с Земли угловой диаметр Луны составляет 30 минут, или 1800 секунд. Таким образом, J1102 преодолеет по небу расстояние, равное диаметру Луны, чуть больше чем за тысячу лет. По сравнению с движением других звезд, это очень быстро и означает, что звезда не только стремительная, но и близкая к нам. Она приближена настолько, что расстояние до нее может быть измерено напрямую с помощью параллакса – метода, который я опишу позднее и который дает результат немногим более 100 световых лет (около 34 парсек). Это менее 2 % от расстояния до шарового звездного скопления М4. А чтобы перемещаться по небу со скоростью 1,75 секунды в год, звезда должна пролетать примерно 260 км в секунду (936 тыс. км в час). Зная точную дистанцию до нее, все прочие параметры J1102 (в частности, абсолютную величину) можно высчитать с достаточным приближением. С помощью параллакса также с уверенностью можно определить, что расстояние до WD 0346 чуть меньше, 28 парсек, и что она пересекает пространство со скоростью 150 км в секунду (540 тыс. км в час).

Выясняется, что J1102 – это белый карлик в 0,62 массы Солнца с температурой поверхности 3830 К. WD 0346 обладает несколько большей массой – 0,77 массы Солнца – и температурой 3650 К. Учитывая период, проведенный в главной последовательности, и время остывания, общий возраст каждой из звезд составит, соответственно, чуть менее 11 млрд лет для J1102 и 11,5 млрд лет для WD 0346. Эти величины подтверждают принадлежность звезд к гало, а не к диску Млечного Пути и хорошо согласуются с возрастом самых старых шаровых скоплений, определенных Hipparcos и исследователями белых карликов. Есть и еще одно преимущество: исследования этих близких к нам звезд помогают лучше понять объекты такого рода и уточнить возраст белых карликов из шаровых скоплений. Однако и это еще не все, что можно сказать об измерении возраста звезд.