Глава 9. Тёмные века и первые звёзды

Ночь 97. Снимки ночной стороны

На 97-й день Земля попросила экипаж сделать ночные снимки планеты. Учёные на Земле используют такие снимки, чтобы изучать многое: свечение городов и дорог, то, как огни распространяются с годами, грозы и очертания побережий в темноте. Задача звучит просто. На практике это одна из самых трудных работ на станции, потому что станция движется очень быстро.

При скорости около 28 тысяч километров в час земля внизу проносится стремительно. Для снимка ночной стороны нужна долгая выдержка, потому что света очень мало, а при долгой выдержке снимок смазывается, когда фотоаппарат и земля движутся друг относительно друга. Поэтому Нур пользовалась креплением для камеры, которое медленно поворачивалось вслед за землёй, и проверяла каждый снимок на экране, прежде чем сделать следующий. Аде парил рядом и зачитывал время, когда станция будет проходить над каждым районом, о котором просили учёные.

Между запланированными снимками они видели то, чего никакое расписание не могло запланировать. Далеко в стороне вспыхивала молниями гроза: одно облако загоралось за другим, как лампы, которые включают и выключают в большом тёмном доме. У края Земли медленно колыхался зелёный занавес полярного сияния со слабым красноватым отсветом наверху. Над всем этим, вдоль изгиба планеты, лежала тонкая бледная полоса светящегося воздуха, а над ней — чёрное небо и звёзды.

Нур знала, что видит. Полярное сияние появляется, когда крошечные частицы, летящие от Солнца, направляются магнитным полем Земли к областям вблизи полюсов и заставляют там светиться разреженный верхний воздух, немного похоже на газ в светящейся вывеске. Бледная полоса вдоль края планеты была самим воздухом, который очень слабо отдавал часть энергии, накопленной от солнечного света за день.

Когда станция снова вышла на солнечную сторону, Нур убрала фотоаппарат и просмотрела снимки. Большинство из них получились хорошими. Несколько были смазаны, и она отметила их, чтобы учёные об этом знали. Потом она немного посидела, глядя на последний снимок на экране: тёмная Земля, несколько разбросанных огоньков и над ними полная темнота. Это напомнило ей то, что она читала о Вселенной после самого древнего света, — о времени, когда не было ещё ни одной звезды.

В тот вечер она не ответила Сами на вопрос, а сама задала ему вопрос. Она спросила, какое место на его ночном маршруте самое тёмное. Он ответил, что это длинная дорога среди полей, без посёлков и без фонарей, где он иногда выключает радио и едет в тишине. Нур написала ему, что когда-то во Вселенной была такая же темнота, только гораздо дольше, длившаяся миллионы лет. И что первыми огнями, появившимися в ней, стали первые звёзды.

После самого древнего света

В одну из прошлых ночей мы видели, как туман рассеялся примерно через 380 тысяч лет после начала. Образовались атомы, и высвободился самый древний свет. Поначалу этот свет был тёплым и ярким — сиянием чего-то с температурой в несколько тысяч градусов. Если бы вы могли оказаться там, всё небо светилось бы мягким оранжевым светом. Но Вселенная продолжала расширяться, и свет продолжал растягиваться. За несколько миллионов лет его волны стали длиннее, чем может видеть глаз. Небо для человеческих глаз потемнело.

Звёзд, которые могли бы заменить этот свет, ещё не было. Вселенная была заполнена газом, почти целиком водородом и гелием — простыми элементами первых минут. Он был распределён по пространству довольно равномерно, хотя и не идеально равномерно, из-за той крошечной ряби, которую мы видели в самом древнем свете. А было и кое-что ещё, с чем мы как следует познакомимся в следующую ночь: огромное количество невидимого вещества, называемого тёмной материей, которое не светится, но притягивает своим тяготением.

Сколько длились тёмные века? Они начались, когда самый древний свет исчез из поля зрения, и закончились, когда засияли первые звёзды. Поскольку первые звёзды, вероятно, образовались в первые несколько сотен миллионов лет, тёмные века, вероятно, длились сто миллионов лет или больше. Точная продолжительность никому не известна. Во всяком случае, это была очень долгая ночь, во много раз дольше всей человеческой истории.

Астрономы называют этот долгий период тёмными веками Вселенной. Темно было не потому, что Вселенная была пуста. Темно было потому, что в ней ещё ничего не светилось. Представьте большой театр после последнего вечернего спектакля. Зрители ушли, свет выключен, на сцене тихо. Но здание не пустое. Кресла, занавес и сцена — всё на месте и ждёт следующего представления.

Во время тёмных веков тяготение медленно делало своё дело. Там, где Вселенная была чуть-чуть плотнее, тяготение притягивало немного сильнее. Эти места втягивали больше вещества, от этого становились ещё плотнее, а от этого их притяжение становилось ещё сильнее. Такова терпеливая работа тяготения: небольшие различия со временем растут. Невидимая тёмная материя первой собралась в сгустки, а обычный газ стекал в эти сгустки, как вода стекает во впадины на земле.

По мере того как газ собирался и уплотнялся, в его центре он ещё и нагревался — так же, как нагревается воздух в велосипедном насосе, когда его сжимаешь. Долгое время сгустки газа росли, не становясь звёздами. А потом в самых плотных местах газ в центре стал таким горячим и так плотно сжатым, что начался процесс нового рода. Ядра водорода стали соединяться в гелий, выделяя энергию, — этот процесс называется термоядерным синтезом, и мы рассмотрим его в одну из следующих ночей. Когда это произошло, родилась звезда. Первый свет после тёмных веков был включён.

Первые звёзды

Когда появились первые звёзды? Астрономы считают, что они, вероятно, образовались в первые несколько сотен миллионов лет после начала. Точное время не известно, и в разных местах оно могло быть разным, ведь самые плотные сгустки должны были образовать звёзды раньше. По сравнению с полным возрастом Вселенной, около 13,8 миллиарда лет, несколько сотен миллионов лет — это довольно рано. В истории одного длинного рабочего дня, которую мы расскажем в последнюю ночь, это где-то в первые полчаса после полуночи.

Первые звёзды, вероятно, сильно отличались от Солнца. Они почти целиком состояли из водорода и гелия, потому что более тяжёлых элементов ещё не было. Более тяжёлые элементы помогают газовым облакам остывать и распадаться на меньшие части. Без них газовые облака молодой Вселенной, вероятно, оставались теплее и сжимались в гораздо более крупные сгустки. Поэтому многие астрономы думают, что первые звёзды часто были очень большими, возможно, во много раз тяжелее Солнца.

Большие звёзды живут быстро. Звезда гораздо тяжелее Солнца расходует своё топливо намного быстрее маленькой, потому что её центр гораздо горячее и плотнее. Солнце светит уже около 4,6 миллиарда лет и прошло лишь примерно половину своей жизни. Самые большие из первых звёзд, возможно, прожили всего несколько миллионов лет. Потом они закончили свою жизнь, вероятно, в огромных взрывах, и эти взрывы рассеяли в пространстве первые более тяжёлые элементы. С этого начинается история, за которой мы последуем в следующие ночи.

Здесь важно быть честными. Многое из того, что мы сказали о первых звёздах, взято из тщательных расчётов и компьютерных моделей, а не из прямых наблюдений. Астрономы довольно уверены, что первые звёзды состояли из водорода и гелия и что многие из них были большими. Но насколько большими они были, сколько их было и как именно они образовались, ещё изучается. Разные модели дают несколько разные ответы. Никому ещё не удавалось ясно увидеть хотя бы одну из самых первых звёзд и с уверенностью сказать, что это именно она.

Есть и прекрасное следствие появления первых звёзд, которое астрономы могут изучать. Большие горячие звёзды испускают очень много сильного света, в основном ультрафиолетового — того самого, от которого обгорает кожа в солнечный день. Этот сильный свет мог выбивать электроны из атомов водорода в газе вокруг звёзд. Медленно вокруг каждой ранней звезды и каждой ранней галактики разрастались пузыри газа со свободными электронами. Пузыри расширялись и сливались. К тому времени, когда Вселенной было около миллиарда лет, бо́льшая часть газа между галактиками изменилась таким образом. Свет ранних звёзд рассеял последние остатки темноты.

Люди, которые заглянули в прошлое

Как астрономы ищут первые звёзды и галактики? Ответ восходит к самым первым ночам этой книги. Свету нужно время на путь. Чем дальше что-то находится, тем дольше шёл до нас его свет и тем дальше в прошлом мы его видим. Чтобы увидеть самые ранние галактики, астрономы должны смотреть на самые далёкие. Они чрезвычайно тусклы, поэтому нужны очень большие и очень чувствительные телескопы.

В 1990 году на орбиту вокруг Земли был выведен телескоп — над воздухом, который размывает изображение при наблюдениях с Земли. Он называется космическим телескопом «Хаббл» — в честь астронома Эдвина Хаббла, с которым мы встречались в прошлые ночи. В середине 1990-х годов его команда сделала то, что поначалу казалось почти расточительством. Они много дней подряд направляли телескоп на крошечный участок неба, который выглядел совершенно пустым, — участок гораздо меньше полной Луны. Когда они сложили все снимки вместе, пустой участок оказался полон галактик — их были тысячи, и многие так далеко, что их свет шёл миллиарды лет.

Но и у этого телескопа был предел. Как мы видели в ночь разбегающихся галактик, свет очень далёких галактик растягивается расширением пространства. Свет, покинувший первые галактики как синий или ультрафиолетовый, приходит сегодня как инфракрасный, с волнами слишком длинными для наших глаз. Инфракрасный свет — это тот, что мы ощущаем как тепло, например от печки. Чтобы хорошо видеть самые ранние галактики, астрономам нужен был телескоп, построенный специально для инфракрасного света.

Этот телескоп — космический телескоп «Джеймс Уэбб». Его запустили в декабре 2021 года, после многих лет проектирования и строительства, в которых участвовало огромное число инженеров, техников и учёных. Его большое зеркало не помещалось внутри ракеты, поэтому его сделали из многих частей, которые раскрылись в космосе, как распускается цветок. Поскольку телескоп ищет слабое тепло, его нужно держать чрезвычайно холодным, поэтому у него есть большой экран, который заслоняет его от тепла Солнца. И его отправили гораздо дальше от Земли, чем Луна, в тихое место, где Солнце, Земля и Луна всегда остаются с одной стороны, за экраном.

Сам этот путь был долгой и кропотливой работой. Телескопу потребовалось около месяца, чтобы добраться до своего места, и за это время он шаг за шагом раскрывался: экран, части зеркала и множество более мелких деталей. Каждый шаг был испытан на Земле, и каждый должен был сработать в космосе, куда никто не мог отправиться, чтобы что-то починить. Многие из тех, кто его строил, очень внимательно следили за этими неделями, после многих лет своей трудовой жизни, отданных одной этой машине.

С тех пор как телескоп «Уэбб» начал работу, он нашёл галактики, свет которых покинул их, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Некоторые из этих ранних галактик ярче и развитее, чем ожидали многие астрономы. Это вызвало оживлённые обсуждения того, как быстро росли первые галактики. Эти обсуждения продолжаются до сих пор. Хороший пример того, что новый прибор не только отвечает на старые вопросы. Он ещё и задаёт новые.

Самые первые всё ещё ищут

Даже телескоп «Уэбб» пока не видел ясно самые первые звёзды по отдельности. Самые ранние галактики, которые он видит, уже содержат много звёзд, а некоторые из этих звёзд, возможно, уже содержат более тяжёлые элементы, созданные звёздами до них. Самые первые звёзды, состоявшие только из водорода и гелия, вероятно, слишком тусклы и слишком далеки, чтобы видеть их по одной. Астрономы надеются найти их следы другими способами, например в свете самых ранних галактик или в ярких вспышках их взрывов.

Есть и другие способы поиска. Водородный газ тёмных веков испускал собственный очень слабый радиосигнал. Несколько групп учёных строят радиоприборы, чтобы попытаться его уловить. Это очень трудная работа, потому что сигнал очень слаб, а радиошум от Земли и от нашей собственной галактики очень силён. Это немного похоже на инженеров, нашедших самый древний свет, которые пытались расслышать тихий голос в комнате, полной шипения. Пока никто не измерил этот сигнал так, чтобы с этим согласились все.

Астрономы изучают и старые звёзды неподалёку, в нашей собственной галактике. Некоторые звёзды Млечного Пути очень стары и содержат лишь крошечные количества более тяжёлых элементов. Это не самые первые звёзды, но, возможно, их дети или внуки, образовавшиеся из газа, который был обогащён лишь одним или несколькими предыдущими поколениями звёзд. Изучая небольшие количества тяжёлых элементов в этих старых звёздах, астрономы могут кое-что узнать о звёздах, которые были до них. Это немного похоже на то, как узнавать о прабабушках и прадедушках по семейному сходству их потомков.

Поэтому поиски первых звёзд идут во многих местах сразу: с помощью космических телескопов, которые смотрят далеко, радиоприборов, прислушивающихся к тёмным векам, и наземных телескопов, изучающих самые старые звёзды поблизости. Каждый метод даёт часть картины. Ни один пока не даёт её целиком. Так устроена значительная часть науки: через множество небольших, тщательных работ, которые многие люди выполняют много лет и которые постепенно складываются вместе.

Перед сном

Перед сном Нур ещё раз выглянула в иллюминатор. Станция снова была над ночной стороной, и на этот раз она выключила свет в маленькой круглой комнате, чтобы глаза привыкли к темноте. Через несколько минут появилось больше звёзд, потом ещё больше, пока чёрное небо не заполнилось ими. Со станции они не мерцали. Они светили ровно, и каждая была солнцем — одни близкими, другие далёкими.

Тихо вплыл Аде и некоторое время смотрел наружу рядом с ней. Он сказал, что каждый раз, видя столько звёзд, с трудом верит, что когда-то их не было вовсе. Нур сказала, что ей трудно поверить, что кто-то сумел это выяснить. Потом оба разошлись по каютам, потому что следующий рабочий день начинался рано.

Она написала Сами: «В следующий раз, когда поедешь по своей тёмной дороге, подумай вот о чём. Сто миллионов лет или больше вся Вселенная была темнее этой дороги. А потом, одна за другой, зажглись первые звёзды, как первые огни городка в сумерках». Сами ответил, что на его тёмной дороге первый огонь, который он обычно видит, — это заправка, где он покупает кофе, и что теперь он будет думать о ней как о звезде.

Возможно, после долгого рабочего дня вы тоже идёте или едете домой в темноте. Когда впереди появляется первый огонёк вашей улицы или вашего дома, это маленькое, обычное утешение. У Вселенной был свой вариант такого мгновения, давным-давно, когда в темноте засияли первые звёзды. Всё, что было потом, — галактики, Солнце и Земля — выросло из этого начала.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что тёмные века Вселенной были тёмными, потому что Вселенная была пуста. Она вовсе не была пустой. Она была полна газа — водорода и гелия, полна невидимой тёмной материи и по-прежнему полна самого древнего света, который к тому времени растянулся за пределы того, что могут видеть глаза. Тёмные века были тёмными потому, что ещё ничего не светилось. По-своему, тихо, это было и деятельное время, потому что тяготение медленно стягивало вещество в сгустки, где позже образуются первые звёзды.

Многие также представляют себе, что первые звёзды были похожи на Солнце. Скорее всего, они очень отличались. Они состояли почти только из водорода и гелия, без более тяжёлых элементов, которые есть в Солнце. Многие из них были, вероятно, гораздо крупнее и горячее Солнца и жили гораздо меньше. Солнце — гораздо более поздняя звезда. Как мы увидим в одну из следующих ночей, оно образовалось из газа, уже обогащённого многими поколениями звёзд до него.

Наконец, некоторые считают, что если найти очень тёмное место и посмотреть вверх, можно увидеть первые звёзды своими глазами. К сожалению, нельзя. Первые звёзды закончили свою жизнь давным-давно, а их свет, если он вообще до нас доходит, слишком слаб и слишком растянут, чтобы его можно было увидеть без самых больших телескопов, и даже они пока не видели их ясно. Звёзды, которые вы видите тёмной ночью, гораздо ближе и гораздо моложе, и почти все они находятся внутри нашей собственной галактики. Но каждая из них — часть той же долгой истории. В следующую ночь мы увидим, как первые скопления звёзд выросли в галактики и как им в этом помогло нечто невидимое.