Крила космічного метелика

Відкрилася безодня зірок повна,

зіркам числа немає, безодні дна.

М. В. Ломоносов

З малого народжується велике

Якщо вийти вночі в чисте поле, де немає міської засвітки, і підняти очі до неба, то відчуття безодні, наповненої міріадами яскравих і слабосвітних точок-зірочок, охоплює неодмінно і наповнює захопленням будь-якої небайдужої до краси природи людини.

Один з найкрасивіших космічних об’єктів — туманність Конська Голова в сузір’ї Оріон. Фото: Ken Crauford / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Всі, хто мало-мальськи цікавиться астрономією, знають: зірки — величезні розпечені плазмові кулі. Вони збираються в скупчення, скупчення — в галактики, яких у нашому розбігається Всесвіту величезна кількість — трильйони, і перерахувати їх поки не зміг ніхто. Зірки народжуються з газу і пилу. Добра половина маси нашої Галактики, наприклад, укладена в газових і пилових хмарах, холодних і гарячих, щільних і розріджених. Щільні газопилові хмари з часом стають ще щільнішими, тому що стискаються під дією власного тяжіння, а розріджені поступово розсіюються, якщо їх не утримує магнітне поле, яким у Всесвіті «просякнуте» все. Магнітне поле, чи сильно, слабо, але так чи інакше впливає на будь-які космічні процеси, в тому числі і на процес утворення зірок з міжзіркового газу. Любителям астрономії це добре відомо. Я ж хочу розповісти про інше — про «ефект метелика».

Ви, напевно, читали фантастичну розповідь американського письменника Рея Бредбері «І грянув грім». Його герой Екельс вирушає з екскурсією в далеке минуле, за часів динозаврів. Мандрівників попереджають: ходити потрібно тільки по стежці, нічого не чіпати, з стежки не сходити. Але Екельс порушує інструкцію і робить крок зі стежки. Всього один крок, і випадково наступає на метелика. Всього лише на метелика. Він відразу повертається на стежку, і екскурсія триває. Однак, повернувшись додому, в сьогодення, герой розповіді бачить, що світ разюче змінився: інші люди, інше місто, інший президент… Чому? Та тому, пояснюють йому, що ти в далекому минулому розчавив метелика.

Така малість, вірно? Але ця малість спричинила ланцюг інших дрібних подій, які призвели до подій більших. І покотився з минулого в майбутнє «сніговий ком» причин і наслідків. У результаті через десятки мільйонів років світ виявився іншим! Цей ефект — вплив незначних подій на майбутнє — отримав назву «ефект метелика». У другій половині ХХ століття, коли виникла нова наука — теорія катастроф, він став офіційним науковим терміном (див. статтю «Казка про катастрофи, теоретичну історію та передбачення майбутнього», «Наука і життя» № 10, 2018 р.).

Панорама Чумацького Шляху на нічному небі. Знімок зроблено в природному парку «Ейфель» на кордоні Бельгії та Німеччини

Майже 14 мільярдів років тому така катастрофа, що сталася через мікроскопічне випадкове відхилення — флуктуацію — в щільності однорідного квантового вакууму, призвела до Великого вибуху, в результаті якого народився наш Всесвіт. «Ефект метелика» у вселенському масштабі!

Виникнення галактик

Якщо вірні сучасні космологічні теорії інфляції (див. статтю «Багато всесвітів з нічого», «Наука і життя» № 9, 2017 р.), Всесвіт після Великого вибуху повинен був представляти собою однорідний розпечений до трильйонів градусів плазмову кулю, який, розширившись і охолонувши, породив би такий же однорідний Всесвіт без галактик, зірок, без планет і життя.

Чому ж все це з’явилося? Та завдяки тому ж «ефекту метелика». Галактики, а потім зірки, планети і життя виникли в результаті послідовних малих випадкових змін. У новонародженому Всесвіті, як раніше в квантовому вакуумі, виникли дуже невеликі неоднорідності щільності і температури. У наші дні новітні методи астрофізики дозволяють ці різного роду неоднорідності вивчати — вони саме такі, які передбачені сучасною теорією інфляції.

Неоднорідності реліктового фону, зафіксовані астрономічним супутником Європейського космічного агентства «Планк». Різниця температур випромінюючої плазми (кольорові вкраплення) дуже невелика, не більше сотих часток відсотка. Ілюстрація: NASA / WMAP Science Team / PD

Дуже незначні зміни в речовині, яка спочатку повинна була бути розподілена в просторі рівномірно, сприяли тому, що стали формуватися згустки, трохи більш гарячі і трохи більш щільні, ніж навколишня речовина. На цьому «трохи» і грає природа, яка завжди і в усьому прагне до рівноваги. Виникла флуктуація щільності і температури — і починається «гра». Температура — прояв хаотичного руху атомів і молекул: чим швидше рух, тим вище температура, тим швидше виникла флуктуація розсіється, оскільки частинки розлетяться в різні боки. Але цьому протидіє поле тяжкості. Частинки ж не тільки хаотично рухаються, але і взаємно притягуються тим сильніше, чим вони ближче один до одного. Протиборять дві сили: внутрішній тиск (через температуру) прагне розкидати частинки в просторі, а сила тяжкості, навпаки, прагне притягнути їх, зробити газ щільнішим. І тут вже яка сила переможе. Якщо сили взаємного тяжіння будуть більше сил розштовхування, то газ ущільниться, зростання тяжіння захопить ще більше речовини. А якщо переможе внутрішній тиск, щільність газу зменшиться.

Так все спочатку і відбувалося. Своєрідний «ефект метелика» породив перші — ще без зірок — галактики. Флуктуації щільності в галактиках призвели до народження перших зірок, а галактики почали збиратися в скупчення. Виникла грандіозна ієрархія світів, яку астрофізики спостерігають сьогодні в телескопи — земні та космічні.

Перші зірки

Зірки в кінцевому рахунку теж результат тієї першої мікроскопічної флуктуації (того «помаху крил метелика»), що трапилася в перші секунди життя Всесвіту. Результат дуже віддалений, звичайно, але ж і в розповіді Бредбері пройшли десятки мільйонів років з моменту, коли його герой Екельс випадково розчавив метелика, викликавши дуже невелику зміну навколишнього середовища, до сучасного світу з непередбачуваними змінами.

Отже, внаслідок первинних флуктуацій у розширеному Всесвіті виникли випадкові ущільнення, які стали першими зірками. Їх називають зірками першого покоління або зірками населення III. Вони були дуже масивними (у сотні і навіть у тисячі разів масивнішими за Сонце!) і практично цілком складалися з водню з дуже невеликою домішкою гелію і зовсім нікчемною — літію. У молодому Всесвіті інших елементів ще не існувало.

Вчені знають, що такі зірки були — це випливає з теорії еволюції Всесвіту. Але донедавна ніхто зірок першого покоління не спостерігав. Лише 2015 року група астрономів під керівництвом Девіда Собрала (Португалія), яка проводила спостереження за далеким космосом, виявила дуже яскраву галактику Cosmos Redshift 7, що виникла приблизно через 800 мільйонів років після Великого вибуху. Звичайно, розрізнити окремі зірки в такому далекому скупченні (більше 11 мільярдів світлових років!) поки неможливо, але непрямі ознаки (насамперед, особливості спектру) показують, що майже всі зірки в Cosmos Redshift 7 належать, швидше за все, саме до першого покоління. Це дуже важливе відкриття підтверджує не тільки теорію еволюції Всесвіту, але й те, що зірки виникли з газових хмар, хмари — з незначних флуктуацій щільності і так далі до Великого вибуху.

Туманність Лагуна, де відбувається активне зіркоутворення. Кілька зірок вже народилися, але в газопиловій туманності все ще багато «матеріалу» для утворення нових. Ілюстрація: ESO / S. Guisard / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

Зірки першого покоління жили недовго, навряд чи більше декількох мільйонів років. У зірки в сотні разів масивніше Сонця дуже висока температура і щільність у центральних областях. А чим вища температура і більша щільність, тим інтенсивніше йдуть реакції перетворення водню на гелій. Чим сильніша термоядерна пожежа, тим швидше вигоряє водень, яким пожежа харчується. У дуже масивній зірці через кілька мільйонів років весь водень перетворюється на гелій. У зовсім невеликих кількостях утворюються і більш важкі елементи: літій, берилій. «Дрова» закінчуються, і, значить, падає температура — зоряний костер остигає. А раз падає температура, падає і тиск, що діє проти сил тяжкості. Ніщо більше не утримує зірку в стані рівноваги, і відбувається катастрофа, яку називають спалахом наднової (див. статтю «Казка про темну матерію темного космосу», «Наука і життя» № 7, 2017 р.). Зірка вибухає, і в міжзірковий простір викидаються водень, гелій, невелика кількість літію і берилію, що утворилися в ході еволюції, і зовсім нікчемна кількість небагатьох більш важких елементів, що виникли під час вибуху наднової.

Зірки другого покоління

Міжзірковий газ тепер стає трохи іншим за хімічним складом, в ньому знову утворюються флуктуації щільності — «метелик» продовжує «махати крилами»… І знову виникає протиріччя. З одного боку, природа прагне до рівноваги (до того, щоб сили тяжкості врівноважувалися внутрішнім тиском газової хмари), з іншого — існують флуктуації. Десь внутрішній тиск чиниться трохи менше, і тяжіння «перемагає» — хмара стискається, поки температура і тиск в центрі не стають такими великими, що, як і в зірках першого покоління, водень починає перетворюватися на гелій. Але тепер речовина зірки містить, нехай небагато, і інші, більш важкі елементи. Це зірки другого покоління, або зірки населення II. Вони не такі масивні, як зірки першого покоління, а тому живуть довше — сотні мільйонів і навіть, якщо зірка подібна до Сонця, мільярди років.

Плеяди — одне з найближчих до Землі молодих зоряних скупчень. Зірки, що сформувалися в ньому яскраво освітлюють газопилову туманність, в якій проходило їх народження. Ілюстрація: NASA / Wikimedia Commons / PD

Звичайно, флуктуації флуктуаціям ворожнеча. Щоб зародився Всесвіт, достатньо було нікчемної за розмірами флуктуації в квантовому вакуумі (порядку планківської довжини — 10 ^‑ 34 см!). А щоб з міжзіркового середовища змогла утворитися зірка, сила тяжкості, з якої частинки притягують один одного і змушують газ стискатися, повинна бути прямо пропорційна розміру виниклого випадкового збільшення щільності: чим воно більше, тим сильніше тяжіння прагне стиснути згусток газу в зірку. Але проти тяжіння діє газовий тиск, а він назад пропорційний розміру ущільнень: чим вони більші, тим газовий тиск менший. Обидві сили залежать від розмірів ущільнень по-різному, і, значить, існує якийсь розмір, при якому сили порівнюються. Масивне ущільнення починає нестримно стискатися, температура газу збільшується, і, врешті-решт, в центрі протозірки запускаються термоядерні реакції. Народжується зірка, і стиснення припиняється, тому що тепер проти тяжіння діють вже набагато більші сили тиску. Так у природі вирішується суперечність між тяжінням і тиском. Природа прагне до рівноваги, і народжується зірка.

І виникло життя!

Сонце — ця розпечена плазмова куля — ось вже п’ять мільярдів років сяє на земному небосхилі, майже не змінюючи свою світність і розміри. Звичайно, і тут відбуваються випадкові зміни — «метелик махає крилами». «Взмах» — і в сонячному ядрі трохи зростає температура, трохи посилюються процеси синтезу, трохи збільшується тиск. Наше світило на один-два відсотки стає яскравішим, і цього достатньо, щоб на Землі відбувалися природні катастрофи. Льодовикові періоди змінюються потепліннями, одні види тварин вимирають, інші займають їх місце під сонцем. Минає час, Сонце повертається в стан рівноваги, і життя на планеті отримує можливість ще десятки мільйонів років існувати і еволюціонувати без особливих проблем.

Планетарна туманність Метелика розповсюдила свої «крила» на кілька світлових років. Ілюстрація: NASA, ESA and the Hubble SM4 ERO Team

Не без випадкових змін, звичайно — як же без них! Але ці зміни іншого роду — біологічні. Вони називаються мутаціями, однак суть їх та ж. Найдрібніші і випадкові за своєю природою зміни в генах живих організмів призводять до появи нових видів: одні виходять добре пристосованими до навколишнього середовища, інші — погано. Пристосовані виживають і дають потомство, інші гинуть. Зародження, розвиток і загибель флуктуацій — і ось на Землі з’являється Хомо сапієнс — Людина розумна.

Тепер ви знаєте, які незначні, за космічними мірками, причини призвели до появи зоряного розмаїття. Лише мікроскопічна флуктуація в квантовому вакуумі — і народжується Всесвіт. Лише незначна флуктуація щільності в однорідному, в принципі, газі — і народжуються зірки. Лише мала відмінність швидкостей руху різних газових хмар — і виникають подвійні і кратні зірки. Лише невелика зміна умов у центрі зірки — і на планетах гинуть живі істоти, а можливо, і цілі цивілізації!

Величезний космос, але і в ньому малі, часом випадкові події керують великими, навіть грандіозними явищами. Зірки народжуються і зараз. Важливо, що спостереження за зореутворенням у телескопи добре узгоджується з теорією. Значить, і в цю хвилину невеликі випадкові зміни можуть призвести до процесів воістину космічного масштабу. «Метелик» продовжує «махати крильцями». Тепер ви знаєте, до чого це призводить.