Вселенная была совсем другой, когда кончились Темные века и вспыхнули первые светила. Она была в 30 раз меньше, в 30 раз горячее и в 30 000 раз плотнее, чем сейчас. Другим принципиальным отличием было отсутствие элементов тяжелее водорода или гелия. Процесс формирования звезд требует сброса тепла в окружающее пространство, чтобы гравитация могла вызвать коллапс газового облака. Углерод и кислород имеют спектральные переходы, которые очень эффективно уносят энергию. Отсутствие этих элементов в ранней Вселенной означает, что облака, из которых формируются звезды, были более горячими и массивными. В локальной и современной Вселенной верхний предел массы звезды составляет примерно 100 масс Солнца. В ранней Вселенной первые звезды, вероятно, достигали 200–300 солнечных масс. Очень давно в сгустках темной материи массой в миллион солнечных масс возникали звезды, которые были в среднем в десятки раз массивнее тех, что формируются сейчас в окрестностях Солнца.
Жизнь первых звезд была короткой. Они исчерпывали ядерное топливо за несколько миллионов лет. При компьютерном моделировании самые массивные звезды взрываются, становясь сверхновыми, не оставляя ничего после себя, или сразу коллапсируют в черную дыру от 20 до 100 солнечных масс. Как и первые звезды, оставшиеся после них черные дыры массивнее черных дыр, обнаруживаемых нами поблизости, в Млечном Пути.
Все, что вы сейчас читаете, основывается на теории и компьютерном моделировании. Что можно сказать об экспериментальном поиске первого света? Есть два подхода, и оба подобны поиску иголки в стоге сена, поскольку первые звезды – немногочисленны, а Вселенная неустанно создавала звезды в течение 14 млрд лет. Первый подход заключается в поиске в Млечном Пути звезд, состоящих только из водорода и гелия, что означало бы, что они образовались из газа, не «загрязненного» никакими предшествующими поколениями звезд. В 2012 г. группа ученых Европейской южной обсерватории обследовала тусклую звезду в рамках Слоуновского цифрового небесного обзора и обнаружила, что содержание в ней тяжелых элементов в 200 000 раз меньше, чем в Солнце
[209]. При возрасте 13 млрд лет – это лучший кандидат в первичные звезды
[210].
Второй подход заключается в поиске звезд без тяжелых элементов в далеких галактиках. В 2015 г. другая европейская группа увидела древние звезды в галактике с красным смещением z = 6,6, означающим, что свет датируется менее чем миллиардом лет после Большого взрыва. Ее руководитель Давид Собрал из Лиссабонского университета назвал галактику CR7 – в соответствии с сокращением от «космическое красное смещение 7»
[211], а также в честь своего любимого футболиста Криштиану Роналду. Собрал сказал: «Ничего более потрясающего нельзя себе представить. Это первое прямое свидетельство о звездах, которые в конечном счете сделали возможным наше существование, синтезировав тяжелые элементы и изменив химический состав Вселенной».
Рождение черной дыры в звездном катаклизме
В июле 1967 г. два американских спутника Vela зарегистрировали импульсы гамма-излучения. Созданные во времена холодной войны, эти спутники должны были фиксировать факты нарушений Советским Союзом Договора о запрещении испытаний ядерного оружия 1967 г.
[212] Общественность не знала, что в то время правительство США находилось в состоянии повышенной готовности к войне.
К счастью, команда ученых из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе доказала, что вспышки гамма-лучей не характерны для испытаний ядерного оружия, и сделала вывод, что их источники находятся далеко за пределами Солнечной системы. В 1973 г. с этого открытия был снят гриф секретности и опубликована посвященная ему научная статья
[213]. Однако тайна все больше окутывалась мраком. Где-нибудь в небе ежедневно происходил гамма-всплеск. На краткий миг эти источники в гамма-диапазоне становились ярче всей остальной Вселенной, но быстро гасли – излучение длилось примерно от нескольких миллисекунд до 30 секунд. Оценки местоположений вспышек гамма-спутниками были слишком грубыми, делая невозможным дальнейшее отслеживание, а источники проявлялись случайно, что не давало никакого намека на их происхождение.
Прорыв произошел в конце 1990-х гг., когда для сбора данных на орбите начали использовать быстродействующий рентгеновский телескоп. Он мог быстро разворачиваться и успевал зарегистрировать низкоэнергетическое рентгеновское излучение гамма-всплеска, а точное определение положения событий по рентгеновскому излучению позволяло оптическим астрономам ловить затухающее послесвечение. Спектроскопия показала, что объекты-источники вспышек находятся в далеких галактиках в миллиардах световых лет от Земли. Судя по большому расстоянию, вспышки должны быть феноменально яркими. В 2008 г. одну из них можно было наблюдать невооруженным глазом в течение 30 секунд, хотя событие произошло через пол-Вселенной от нас. Свет, вспыхнувший на краткий миг в 2008 г., излучился за 3 млрд лет до формирования Земли
[214]. Другая вспышка, наблюдавшаяся в 2009 г., случилась в галактике с красным смещением z = 8,2, то есть на момент события возраст Вселенной составлял лишь 4 % нынешнего
[215]. При самых мощных вспышках выделяется энергия порядка 1044 Дж. Такой объем энергии Солнце выделит за всю свою жизнь, но он излучается за секунду, а не в течение десяти с лишним миллиардов лет!
Когда затухает гамма-всплеск, поймать оптическое послесвечение – это единственная возможность измерить красное смещение и светимость, которые позволяют узнать возраст объекта и оценить его массу. Несколько лет назад, находясь у 6,5-метрового Многозеркального телескопа (ММТ)
[216] обсерватории Маунт-Хопкинс в Аризоне, я получил срочное оповещение по интернету. Спутник NASA Swift зарегистрировал гамма-всплеск, и по всему миру разослали запрос на проведение спектрального анализа. Было три часа ночи, но я отодвинул в сторону чашку кофе: ничто так не бодрит, как возможность наблюдать звездный катаклизм. Через считаные минуты мы были готовы. На телемониторе ничего не было видно, поэтому мы работали вслепую, надеясь нащупать сигнал. На следующий день обработанные данные принесли нам зазубренную полосу со следами эмиссионных линий – недостаточно сильными, чтобы измерить красное смещение. На следующую ночь сигнал ослабел настолько, что уже не регистрировался. В астрономии иногда приходится довольствоваться азартом погони
[217].
