Самое главное в истории Вселенной: с чего все начиналось и что будет после смерти Солнца

Солнце зажигается

За то, что наше Солнце зажглось, мы должны благодарить гравитацию. Именно она притягивала материю в центр вращающегося протопланетного диска, формируя там не только сверхгорячую, но и сильно сжатую среду.

Когда вы воздействуете на атомы водорода с помощью огромной температуры и давления, они соединяются друг с другом (сплавляются) и образуют гелий, при этом высвобождается энергия. С первым выбросом энергии засияло наше Солнце.

Молодому Солнцу потребовалось некоторое время, чтобы достичь этой стадии. Прежде чем его ядро стало достаточно горячим и плотным, чтобы началась реакция ядерного синтеза, оно светило благодаря энергии, высвобождаемой в результате гравитационного сжатия.

На этом этапе, когда ему было меньше 10 млн лет, наше молодое Солнце принадлежало к звездам типа Т Тельца. Они названы так в честь молодой звезды в молекулярном облаке Тельца, из которой полярными джетами истекает раздувающаяся материя, разгоняемая магнитными полями.

Незадолго до 50-миллионного дня рождения температура ядра Солнца достигла 15 млн °C, и началась его жизнь полноценной звезды.

Формирование планет

Когда формировалось Солнце, оно поглотило не всю материю: часть ее существовала в виде протопланетного диска, из которого образовались планеты. По мере остывания диска газ конденсировался в частички космической пыли.

Вблизи Солнца было все еще тепло, и в конденсированном состоянии могли находиться только металлы и силикаты. Скалистые планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — сформировались из них, как и множество других протопланет.

Дальше от Солнца — где установилась температура пониже — газа было больше. В течение 10 млн лет или меньше образовались первые планеты Солнечной системы, газовые гиганты Юпитер и Сатурн. Их гравитация повлияла на формирование меньших планет. Последними, там, где летучие вещества — вода, азот и углекислый газ — замерзли и превратились в лед, сформировались Уран и Нептун.

Рождение Луны

Образование нашей Луны было драматическим событием. Примерно через 100 млн лет после того, как начала формироваться Солнечная система, гипотетическая планета Тейя размером примерно с Марс врезалась в молодую Землю.

Считается, что при столкновении выделилось примерно в 100 млн раз больше энергии, чем при падении метеорита, уничтожившего динозавров. Компьютерное моделирование говорит, что Тейя врезалась в Землю под углом 45° со скоростью 4 км/с.

При этом часть коры Тейи, как и часть коры нашей планеты, была выброшена в космическое пространство; эти обломки кружились кольцом вокруг Земли. А ядро и мантия Тейи объединились с корой и мантией Земли. Со временем расплавленная материя в этом кольце слиплась, и из нее сформировалась Луна.

Хотя есть и другие теории, гипотеза гигантского столкновения считается общепринятой, особенно если учитывать то, что Луна, похоже, в основном состоит из материала, схожего по составу с материалом земной коры.

Расположение планет

В далеком прошлом в Солнечной системе произошла миграция планет.

Первой этот процесс попыталась объяснить модель Ниццы. Она предполагала, что изначально планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — располагались в два раза ближе к Солнцу, чем сейчас, а затем медленно мигрировали во внешнюю часть системы.

По пути они оставляли за собой след из астероидов и комет, многие из которых столкнулись с внутренними планетами — это событие называется поздней тяжелой бомбардировкой.

Существует и другая версия — гипотеза большого оверштага. Согласно ей, Юпитер сразу после рождения стал быстро мигрировать к Солнцу и приблизился к нему на расстояние, на котором находится от него сегодня Марс.

Это продолжалось, пока Сатурн не догнал его и своей гравитацией не помог газовому гиганту повернуть назад. Миграция Юпитера могла оказать важное влияние на процесс формирования внутренних планет, особенно Марса.

Поглощение обломков

Вся материя, которая на строительной площадке молодой Солнечной системы не была использована для образования планет, нашла пристанище либо в поясе астероидов между Марсом и Юпитером, либо в поясе Койпера за орбитой Нептуна, либо в межпланетном пространстве.

Учитывая, что во внутренней части ранней Солнечной системы конденсировались материалы с высокой температурой плавления, миллионы космических обломков в поясе астероидов за орбитой Марса — это каменистые объекты из углерода, кремния, кислорода и металлов. В поясе же Койпера, где более прохладно, обитают планетарные обломки изо льда и замерзших метана и аммиака.

Столкновения с этими каменными телами, большими и маленькими, формировали планеты и ядра газовых гигантов. Этот процесс, возможно, замедлился, но совсем не прекратился. Кратеры на Луне образовались в результате ударов метеоритов. Иногда регистрируются столкновения комет или небольших астероидов с Юпитером. Вода на Земле, возможно, появилась благодаря удару кометы или астероида.

Эволюция Солнца

Нашему Солнцу 4,6 млрд лет, и оно находится в середине жизненного пути — ему предстоит сжигать водород в своем ядре еще 7 млрд лет. В процессе оно станет наращивать температуру и яркость, а его светимость будет увеличиваться на 6% каждый миллиард лет.

Кажется, что это не так уж и страшно, однако на самом деле это означает, что примерно через миллиард лет Земля станет слишком горячей для жизни. Океаны испарятся, и наша планета превратится в выжженный пыльный шар.

По мере приближения к финалу запасы водорода в Солнце будут подходить к концу, и с этого момента оно станет превращаться во что-то новое. Весь водород в его ядре преобразуется в гелий, следовательно, ядерная реакция там прекратится, и внутренняя часть Солнца сожмется под действием гравитации, что приведет к повышению температуры.

Тогда начнется реакция синтеза в оболочке вокруг ядра. Это так называемое горение оболочки приведет к тому, что Солнце раздуется в тысячу раз и превратится в красного гиганта.

Будущее Солнечной системы

Когда Солнце превратится в красного гиганта, близкие к нему планеты не смогут сойти со своих орбит. Меркурий и Венера исчезнут первыми, а потом дело дойдет и до Земли, так что вполне возможно, что и она тоже будет поглощена.

По мере медленного приближения диска красного гиганта к Земле ее поверхность из-за интенсивного излучения и высокой температуры расплавится, а потом испарится, а атмосфера станет сходить слой за слоем.

Наконец от Земли останется плотное железное ядро. Марс тоже может избежать поглощения и стать на какое-то время достаточно теплым, чтобы вода на нем находилась в жидкой форме, но и она испарится.

С увеличением яркости и размеров Солнца обитаемая зона будет смещаться в сторону краев системы. Возможно, в результате подходящие для жизни условия возникнут на Титане, Энцеладе или Европе.

Смерть Солнца

По мере превращения Солнца в красного гиганта его ядро под действием гравитации будет продолжать сжиматься, а температура в нем поднимется до 100 млн °C (сейчас там около 15 млн °C). При таких условиях запустится синтез углерода из гелия, и Солнце получит шанс на новую жизнь.

Температура ядра, пока там будет «перевариваться» гелий, продолжит расти, пока не достигнет 300 млн °C. Этого хватит, чтобы сжечь весь запас гелия в нем сразу. Произойдет взрыв, который называют гелиевой вспышкой.

Позднее начнет гореть гелий в оболочке, и тогда наступят последние дни Солнца. Выгорание оболочки сделает Солнце нестабильным, и оно начнет пульсировать. Этот процесс многое изменит в Солнце, особенно в его массе — ее часть будет теряться с каждым периодом пульсации.

Внешние слои Солнца разбухнут и образуют красивую планетарную туманность, обнажив при этом его ядро — остатки звезды в виде белого карлика.

Отдаленное будущее

В далеком будущем картина неба изменится. Все звезды — вещи вроде бы постоянные — в конце концов умрут, как и наше Солнце, либо превратятся в красных гигантов, либо погибнут при взрыве сверхновой. Однако на смену исчезнувшим звездам придут новые.

Примерно через 4 млрд лет галактика Андромеда с ее триллионами звезд врежется в наш Млечный Путь, они сольются и образуют новую эллиптическую галактику — астрономы назвали ее Млекомедой. На самом деле во время их слияния столкновения звезд не произойдет — столкнутся огромные газовые облака, которые спровоцируют новый цикл массового звездообразования.

В еще более далеком будущем все звезды умрут, весь газ во Вселенной будет израсходован, так что новые звезды не смогут образоваться. Останутся только белые карлики, черные дыры и нейтронные звезды.

Белые карлики станут медленно остывать и превращаться в черных карликов — замерзшие остатки, не излучающие ни света, ни тепла. Нашему Солнцу потребуется не менее квадриллиона лет, чтобы добраться до этой стадии.

Судьба Вселенной

Какой конец ждет Вселенную, зависит главным образом от темной энергии, которая ускоряет расширение космоса, — в основном от того, ослабеет она со временем или нарастит силу. Если первое, это может привести к тому, что гравитация будет медленно сжимать Вселенную, и все закончится Большим сжатием.

Если воздействие темной энергии возрастет или хотя бы останется на прежнем уровне, то возможны два сценария. Оба предполагают бесконечное расширение Вселенной, при котором галактики в какой-то момент разойдутся так далеко, что исчезнут за космическим горизонтом друг друга.

Один из сценариев состоит в том, что расширение замедлится, но никогда полностью не остановится. Тогда в конце останется лишь большая мертвая пустота, где наступит тепловая смерть Вселенной — когда вся материя, включая субатомные частицы вроде протонов, распадется и превратится в радиацию.

Альтернативный вариант заключается в том, что темная энергия наберет силу и в итоге разорвет ткань пространства-времени — произойдет Большой разрыв.

_{Отрывок из книги Джеммы Лавендер «Главное в истории Вселенной. Открытия, теории и хронология от Большого взрыва до смерти Солнца». М.: Издательство Манн, Иванов и Фербер (МИФ), 2023.}