В начале была звезда

• Тигран Оганесян

С незапамятных времен одной из наиболее интригующих и непостижимых для понимания человека была тайна возникновения Вселенной. Однако (исключая представления метафизического и теологического характера) основной набор научных знаний человечества о строении, возникновении и эволюции Вселенной сформировался сравнительно недавно. До начала же ХХ столетия астрономы полагали, что Млечный Путь, галактическое скопление звезд, одной из которых является наше Солнце, - это и есть "вся Вселенная".

Что же происходило со Вселенной до того, как родилась первая звезда? Согласно принятой сегодня картине истории пространства и времени, в "начальной точке" размеры Вселенной были равны нулю, но при этом она была бесконечно горячей (эта интерпретация генезиса Вселенной именуется горячей моделью Большого Взрыва). По мере ее расширения температура понижалась и уже примерно через сто секунд после Большого Взрыва упала до миллиарда градусов (типичного уровня температуры для ядер самых горячих из ныне живущих звезд). Дальнейший процесс шел по той же схеме - Вселенная росла в размерах, одновременно охлаждаясь. Но в некий момент времени, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, из-за каким-то образом возникших перепадов в плотности разных областей Вселенной (причина возникновения этих флуктуаций плотности - один из фундаментальных вопросов современной космологии, ответ на который пока не найден) некоторые из этих "вселенских фрагментов" с избытком материи перестали расширяться и под действием гравитационного притяжения начали сжиматься.

В качестве классического образца описания этого процесса приведем отрывок из книги Стивена Хокинга "От Большого Взрыва до черных дыр": "Когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения, происходит образование звезды. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Подобно надутому резиновому шарику, звезды могут долго оставаться в стабильном состоянии (длительность которого определяется их температурой и размерами), в котором выделяющимся в ядерных реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение".

Компьютерная симуляция

В целом в эту схему укладывается и симулированное американскими учеными на суперкомпьютере SGI Origin 2000 рождение первой звезды Вселенной. Однако этот процесс (разумеется, если верить данным виртуального эксперимента) имел целый ряд специфических особенностей.

Во-первых, в возникновении протозвезды деятельное участие принимала уже упоминавшаяся экзотическая "темная материя". Благодаря флуктуациям плотности материи в космическом пространстве (якобы впервые проявившимся примерно через 13 млн лет после возникновения Вселенной) в участках с повышенной плотностью началось формирование молекулярного газового облака (комбинированной субстанции, объединяющей "темную материю" и "нормальную", то есть атомы водорода). И, как просчитал суперкомпьютер, по прошествии 155 млн лет после Большого Взрыва эта газовая субстанция достигла совокупной массы, эквивалентной миллиону солнечных. Аккурат в самой ее середине и образовалась протозвезда, первоначальный размер которой примерно соответствовал параметрам Солнца. Однако в непосредственной близости от нее бездельничал газ, масса которого превышала массу протозвезды в 200 раз. Всеядная протозвезда, используя свою гравитационную мощь, стала вбирать в себя бесхозный газ и быстро увеличиваться в размерах.

Результат этой прожорливости - быстрая гибель (протозвезда прожила во Вселенной всего несколько миллионов лет). По мнению "виртуальных" экспериментаторов, та же участь постигла и всех ее младших сестер - первое звездное поколение одиноких звезд-гигантов Вселенной.

Другой важной отличительной характеристикой протозвезды было отсутствие в ее составе атомов тяжелых элементов, что и неудивительно, так как ранняя Вселенная не могла их произвести (проблема происхождения тяжелых элементов во Вселенной относится к числу нерешенных в современной астрофизике).

Впрочем, по мнению авторов компьютерной симуляции, к моменту взрыва Сверхновой в недрах протозвезды процесс синтеза тяжелых ядер уже пошел. После выброса этих (а равно и более легких) элементов в окружающее газовое облако они послужили строительным материалом для формировании новых звезд и даже планет.

К сожалению, из-за давности дела никаких видимых следов этого первого звездного поколения обнаружить уже не представляется возможным (поэтому, собственно, ученым и приходится довольствоваться изощренными виртуальными симуляциями). Однако сами авторы компьютерных расчетов настроены весьма оптимистично: на подходе данные, обрабатываемые еще более мощным суперкомпьютером IBM Blue Horizon, а в недалекой перспективе - переход на новую сетевую конфигурацию TeraGrid, которая будет иметь пиковую скорость вычислений 14 трлн операций в секунду (проект стоимостью в 53 млн долларов уже профинансирован американской National Science Foundation).

Равновесие между знанием и незнанием

Теория Большого Взрыва для астрофизики - это то же, что теория естественного отбора Дарвина для биологии. Она придает научным поискам "изначальный смысл", обозначает общий "вектор знаний о природе". Однако, как едко заметил, приводя эту аналогию, Джон Хорган (известный американский журналист, специализирующийся на научной тематике), "то, что астрофизики сменят свое базовое понимание, так же маловероятно, как и то, что биологи выпрыгнут за пределы дарвинизма. К концу ХХ века космология достигла идеального равновесия между знанием и незнанием. Но, по мере продвижения астрофизики все дальше, вглубь, 'к началу всех времен', их теории будут все более и более умозрительными".

Для "правдоподобного" описания процессов в самом начале существования Вселенной космологии необходима жесткая опора на унифицированную теорию физики элементарных частиц (пресловутую теорию Великого Объединения). Однако на пути к созданию такой теории возникает практически неразрешимая проблема экспериментальной верификации постулатов современных физических концепций. Один из ведущих американских астрофизиков Дэвид Шрамм, комментируя эту тупиковую ситуацию, печально констатировал: "При всей эстетической красоте эти новейшие теории уже нельзя протестировать. Это, скорее, просто математическая логичность. И пока кто-то не предложит экспериментально достижимые механизмы проверки этих теорий, мы будем заниматься скорее философией, а не физикой...".