Первые звёзды: загадки остаются

В майском номере (2011) ПМ опубликована статья "Они были первыми: Самые старые звезды", в которой освещается самые современные представления по этому ключевому вопросу мироздания. 

Обсуждению темы в более широком космологическом контексте и альтернативам посвящается это дискуссионное сообщение.

Часть I. Обзор статьи

Вопрос о происхождении первых звёзд относится к космологии больше, чем к астрофизике. В гипотетической концепции Большого Взрыва он решается параллельно с вопросами об образовании крупномасштабной структуры Вселенной и всего вещества Вселенной. Постулат о взрыве сингулярности одним махом создаёт всё вещество, постулат об сверхсветовой инфляции развёл вещество по причинно-несвязанным областям и породил флуктуации, а на т.н. «проблему начальных значений» и проблему высокой степени однородности реликтового излучения закрывают глаза.

Вселенная

Крупномасштабная структура Вселенной

Тем не менее, БВ предлагает детальные сценарии происхождения первых звёзд: Они были первыми: Самые старые звезды. И множество интересных постулатов. Рассмотрим их по пунктам:
1. в возрасте нескольких десятков миллионов лет космический газ состоял из водорода (76% массы) и гелия (24%)… масса Джинса примерно 105 солнечных масс. Это и есть нижний предел полной массы скоплений обычной (барионной) и темной материи, из которых могли родиться первые звезды.
Одним махом три постулата.
2. Но оказывается, что газовые облака такой массы образоваться никак не могли:
Ионизированный водородно-гелиевый газ… был настолько «сглажен» взаимодействием с реликтовым электромагнитным излучением, что его плотность всюду была практически одинакова… локальным газовым сгусткам просто неоткуда было бы взяться, и звездообразование никогда бы не началось.
3. Что же решает проблему однородности? 
…флуктуации квантовых полей, породившие частицы темной материи в первые мгновения после Большого взрыва. Поскольку она не была подвержена нивелирующему действию реликтовой радиации, ее плотность кое-где несколько превышала средние значения. Эти максимумы плотности создавали гравитационные «колодцы», в которых собирались частицы газа. 
Надо заметить, что на сегодня эта картина представляет собой целую матрёшку постулатов, в которые можно только верить. Дальше — больше:
4. Поскольку уплотняющийся газ нагревается, его давление растет и противодействует дальнейшему коллапсу. Чтобы коллапс не прекратился, газ должен охладиться. Первичные облака могли терять температуру лишь за счет излучения атомарного и молекулярного водорода. Но атомарный водород служит эффективным охладителем лишь при нагреве свыше 10000К, а первичные облака были много холоднее. 
5. Опять тупик? Нет, конечно же:
зажглись первые звезды… всего через 30 млн лет после Большого взрыва. Процесс звездообразования спасали двухатомные молекулы водорода, теряющие энергию уже при нескольких сотнях кельвинов. 
Но химическая реакция Н + Н -> Н2 требует высокой температуры для своей инициализации. Потенциальный барьер между атомами надо как-то преодолеть.
6. По всей вероятности, они возникли благодаря столкновениям атомов водорода со свободными электронами.
Вероятность "электронного катализа" не очень велика. Даже в колбе атомарный водород сам по себе не сдетонирует. Тут нужен туннельный эффект, да и исключительно редкое событие встречи "на троих".
Ну да ладно. Поверим и этим постулатам.
7. Первые звезды вспыхивали в зоне повышенной плотности газовых частиц, образовавшихся в ходе гравитационного коллапса облаков барионной и темной материи с массой порядка 105–106 солнечных масс в ходе фрагментации первичных облаков внутри гало из темной материи… звезды первого поколения не были тяжелее 300-500 солнечных масс. Нижний предел: звезда, не дотягивающая до 30 масс Солнца, не может родиться. 
8. Довольно крупные звёзды должны быстро сгореть. Так и есть:
Их существование было очень коротким, максимум 2–3млн лет. Звезды, которые появлялись на свет с массой в 140–260 солнечных, в конце жизни сгорели без остатка в сверхмощных термоядерных взрывах. Светила большей и меньшей массы коллапсировали в черные дыры.
9. Несколько странно сгореть без остатка, но допустим. А вот ЧД должно быть с тех пор видимо — невидимо. (Невидимо — вернее:) Где же эти реликтовые ЧД?
10. Однако результаты анализа излучения древних квазаров позволяют утверждать, что спустя 800–900 млн лет после Большого взрыва во Вселенной уже имелись черные дыры в миллиард раз тяжелее Солнца.
Как же они образовались?
11. гипотеза стабильной подпитки черной дыры аккретирующим газом не соответствует действительности. Вычисления показали, что такая аккреция прерывается по целому ряду причин.
А иначе бы она сожрала всё вещество без остатка:)
12. В этой ситуации возможен сценарий, в соответствии с которым горячий коллапсирующий газ не распадается на многочисленные сгустки, а очень быстро, без предварительного формирования аккреционных дисков, порождает одиночные и парные звезды в несколько миллионов солнечных масс. После них могли остаться черные дыры-миллионники, имеющие реальный шанс тысячекратного роста в течение последующих 300–400 млн лет. 
13. Что же заставило ЧД-олигархов прекратить наживаться за счёт бедного вещества?
И откуда взялось пыльное вещество для образования звёзд следующих поколений? 
14. Тем более, что: Первые звезды навсегда изменили состав межгалактической среды. Они практически уничтожили молекулярный водород, стопроцентно ионизировали водород атомарный и запустили синтез элементов тяжелее гелия и лития. 
Не совсем понятно, почему молекулярный водород исчез бесследно? Механизм его воспроизводства методом "электронного катализа" ведь не выключается рубильником.

 

Часть II. Космология vs астофизика

 

1. Верить или не верить в такую картину первичного звёздообразования — личное дело каждого. Мне она кажется очень уж искусственной и противоречивой. Действительно, приверженцам концепции БВ приходится высосать из пальца (постинфляционного газа) всё наблюдаемое нами сложноструктурированное многоуровневое мироздание. Нелёгкая работа.
2. Да и загадок в современной астрофизике хватает. Тёмные сущности доминируют, но никак не поддаются наблюдению. Вездесущих ЧД в упор не видать. Даже сверхтяжёлые ЧД в галактических центрах себя выдают только массой, а не излучением — что квантовым, что аккреционным. 
3. Не ясно, как сегодня рождаются суперсветила. 
Пальма первенства принадлежит звезде R136a1, открытой в 2010 году. Она отстоит от Земли на какие-то 160 000 световых лет. Сейчас она тянет на 265 солнечных масс, хотя при рождении имела массу в 320 солнечных. R136a1 около миллиона лет.

4. Галактика Сомбреро представляет собой небольшую спиральную, заключённую внутри эллиптической.  Как такая матрёшка образовалась? Ответа нет.

5. Не ясно, как могут существовать магнетары — аномальные рентгеновские пульсары огромной массы, обладающие магнитным полем, превышающим земное в тысячу триллионов раз. Звезды, из которой формируются магнетары, имеют массу в 30—40 раз больше, чем у Солнца. Согласно одному из предположений, в нашей галактике за всё время её существования могло сформироваться до 30 миллионов магнетаров.
Но звезде пришлось (до взрыва сверхновой) избавиться более чем от 90% своей начальной массы, чтобы избежать превращения в чёрную дыру. Каким образом?

Теория:
1) Первые звезды были чисто водородно-гелиевыми (поколение III), практически без металлов, которым ещё неоткуда было взяться — их не успели наработать звёзды в ходе термоядерных реакций.
2) Лишь последующие поколения звёзд, содержащие продукты взрывов первоначальных крайне массивных светил, которые уже успели произвести в своих недрах тяжёлые элементы, имели достаточную металличность и количество углерода и кислорода для формирования планет. 
3) От первых звёзд (500 млн лет от Большого взрыва) до первых планетных систем минули миллиарды лет.
Эксперимент:
Исследование, проведённое в "Центре тёмной космологии" при Институте Нильса Бора в Копенгагене объясняет, показывает, что для некоторых самых молодых галактик эти представления совершенно неверны:
1) Профессор Йохан Финбо сообщает,  что на деле газ в некоторых галактиках и их звёздах имеет очень высокое содержание тяжёлых элементов, неотличимое от современных галактик типа Млечного пути: «Их газ был столь же насыщен [тяжёлыми элементами], как наше Солнце». 
2). Одна из исследованных галактик оказалась особенно экстравагантной — даже её периферийные области (!) крайне насыщены тяжёлыми элементами. 
Вопрос ребром:
Механизм быстрого насыщения ранних галактик тяжёлыми элементами остаётся пока совершенно неясным. Термоядерным реакциям просто не должно было хватить для этого времени. И потом, если за считанные сотни миллионов лет некоторым галактикам удалось наработать столько же тяжёлых элементов, сколько нашему Млечному Пути, то сколько же тяжёлых элементов там должно быть сейчас, через 12 млрд лет нуклеосинтеза?

Теория:
1. Предел Оппенгеймера — Волкова, при превышении которого нейтронная звезда неизбежно коллапсирует в чёрную дыру, по современным оценкам лежит в диапазоне 1,5–3 масс Солнца. Всё, что тяжелее, должно превращаться чёрную дыру. 
2. Однако даже если такого превращения не происходит, нейтронная звезда, которой является пульсар, по мере вырождения материи должна испытывать превращение в кварковую звезду. 
Эксперимент:
Масса новооткрытой нейтронной звезды составляет 2,04 солнечной, диаметр — 20–24 км, период вращения — 39 мс. 
Вопрос ребром:
Судя по диаметру J0348+0432, она слишком велика для кварковой, которая должна быть в несколько раз меньше. Следовательно, перед нами необычный объект — самая тяжёлая из нейтронных звёзд, которая существенно подвинула вверх предел Опенгеймера — Волкова. Вместе с тем она не является кварковой, что ставит под вопрос саму возможность существования последних.

Необъяснённых фактов в астрофизике хватает и без привязки к какой-либо конкретной космологической модели. Что толку их перечислять — к загадке происхождения первых звёзд они не имеют прямого отношения. Вернёмся к космологии.


Часть III. Космология без догм

1. Рождение Вселенной
Необходимо признать, что происхождение Вселенной непостижимо. Ни в варианте "начала времён", ни в варианте "вечности". Причём, декларируемое в БВ "начало" не снимает вопроса "что было до?" От него уходят, а не отвечают. В этом плане "вечность" — меньшее из двух зол. Что не имеет начала, не имеет и конца. Можно если не постичь, то осознать. А вот "начало" не поддаётся осознанию. 
2. Человек
Можно привыкнуть к непонятным понятиям. Можно их вызубрить или выучить. 
Можно ими оперировать, не понимая смысла. Или понимая его поверхностно. Однако, чувство постижения искусственно не вызвать. Оно не пройдёт. Самообман — да. Можно себя убедить, можно поддаться всеобщему веянию. 
Можно просто не задаваться вопросами, на которые нет ответа.
А можно трезво взглянуть на мир и отделить постижимое от познаваемого. Тогда заповедник непостижимого останется в целости, как ему положено быть:) 
3. Пространство
Бесконечное пустое пространство тоже можно осознать, а вот конечное — никак. Тем более, расширяющееся. Во что? Куда? А главное, почему? В этом плане бесконечное пустое пространство не вызывает таких вопросов. И его можно считать существующим вечно на пару со всей Вселенной, а не как что-то отдельное.
Сегодня модно навешивать на пространство множество измерений и приписывать ему различные физические свойства. Но гораздо проще оставить пустое пространство в покое (абсолютном), а все наблюдаемые свойства связывать с вложенной в него материей. Как это было со времён Птолемея и до Эйнштейна. Последний, кстати, отрицательно относился к попыткам Калуцы добавить пространству дополнительные измерения.
В концепции БВ пространство "продавливается" материей. Красивый образ, но совершенно лишённый физического содержания. Намного понятнее, если расширяющееся вещество производит это действо в уже готовом бесконечном пространстве. Во всяком случае, наличие последнего никак не вредит концепции БВ. Это БВ накладывает на размер пространства ограничения, ни чем физически не подкреплённые.
4. Материя
Материя всегда делилась на ощущаемую и неощущаемую. Вся история физики — это "разоблачение" вакуума. Для начала, это перевод найденных в нём сущностей из категории необнаруживаемых в категорию обнаруживаемых. А уже потом, на втором этапе, выявление микроскопической природы явлений и новых микроскопических частиц. При этом сплошные среды и поля оказывались состоящими из частиц более глубокого уровня материи. И так рекурсивно. Но вакуум никогда не "вычёрпывался" до конца. До пустоты, думается, добраться вообще не дано. 
До сих пор вещество вело себя фрактальным образом. Это снимает проблему бесконечности массы и энергии в бесконечном пространстве. Нет никаких оснований полагать, что мы найдём мельчайшие частицы вещества. Наличие "кирпичиков мироздания" более непостижимо, чем смириться с представлением о вечной делимости материи. 
5. Физвакуум
К современному физвакууму относятся как известные физические поля, так и виртуальные частицы, плюс связанная с ними энергия. Впрочем, природа элементарных частиц совершенно неизвестна. Очевидно, объяснение их характеристик надо искать в вакууме. А где же ещё? Это требует дальнейшего изучения, поэтому говорить о близком завершении создания Физической Картины Мира — бессмыслица. Странная мысль, почему-то передающаяся от поколения к поколению физиков как некий идеал. А в иные эпохи охватывающая и широкие массы.
6. Сингулярность в БВ
Основным постулатом БВ является сингулярность, взрыв которой породил нашу Вселенную.
Тоже непостижимо, но понять можно. Непонятно другое. В подлунном мире нет ничего, что было бы только в одном экземпляре. Приняв на веру постулат о сингулярности, мы не имеем никакого права признать её единственной и неповторимой. А если следовать логике, то подобной нашей Вселенных должно быть много, бесконечно много. Так может лучше признать одну большую Вселенную, а в ней много маленьких сингулярностей? Хотя, почему маленьких? С чем их сравнить? Только с самими собой. Но тогда будут и большие сингулярности, и средние тоже. Появится спектр и функция их распределения по массам. 
Но тогда кто сказал, что они должны взорваться одновременно? В принципе, это не исключено, как не исключена и неодновременность.

Часть IV. Гипотеза о происхождении первых звёзд 

1. Если представить себе сингулярности, описанные выше, в качестве протозвёздных объектов, то происхождение звёзд первого поколения объясняется легко и просто. Причем, без необходимости в одном вселенском Большом Взрыве и сверхсветовой "инфляции", но с сохранением его центральной идеи происхождения вещества из сингулярного состояния материи.
2. Может быть гамма-всплески, свидетельствующие о колоссальных энергиях взрывов, и есть свидетельства о рождении первых звёзд прямо из сингулярностей.
3. Может быть сверхмассивные объекты в центрах галактик и есть крупные сингулярности, так никогда не взорвавшиеся и не породившие обычное вещество. Или гроздья из "мёртвых" сингулярностей.
4. Может быть галактические гало представляют собой не непрерывную тёмную материю, а несколько крупных неразорвавшихся сингулярностей.

Запись опубликована в рубрике Космос с метками , , , , , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

4 комментария: Первые звёзды: загадки остаются

  1. green6666 говорит:

    гадактики не стареют они лишь преобразуются это черезвычайно стабильные образования — они преобразуются например из элиптической в спиральную и обратно, изменяется лишь соотношение плотности обычной и темной материи , наблюдения галактики Сомбреро NGG 4594 полностью подтверждают эту гипотизу

  2. Берримор говорит:

     
    Структура галактики Сомбреро выглядит так, как будто внутрь эллиптической галактики вложена спиральная. Четкость структуры говорит о том, что она не является результатом взаимодействия с другой галактикой. Ученые затрудняются объяснить, как такая структура вообще сформировалась. (Галактика Сомбреро NGC 4594 располагается на расстоянии 28 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы.)

  3. Берримор говорит:

    Мне тоже совершенно непонятно, зачем "корифеям официальной науки" создавать видимость тиши и глади в основополагающих космологических, астрофизических и микрофизических (ЭЧ) разделах физики. Тем более, уважаемый Марат, что загадочную морфологию взрывных процессов (жду появления здесь Вашего обзора по этой теме и гипотезы) они начисто игнорируют. 
    P.S. Личное: я на неделю поеду отдыхать от всего, без лаптопа. Потом нагоню:)  

  4. Марат Шакиров говорит:

    Спасибо, уважаемый Берримор, за интересную, философскую оценку системных противоречий "господствующих" (официально) космологических и космогонических концепций. Правы Вы и в том, что есть вопросы, на которые в принципе невозможно получить исчерпывающий ответ: та же бесконечность, еще хуже бесконечность, граничащая с непонятным "пустым"  Пространством, или проблема делимости ЭЧ. Вопросов к академической Науке множество. Их не пересчесть. В ряду зыбких допущений используется явление гипотетического гравитационного Коллапса Красного (или теперь и Голубого) Гиганта. Это один из сценариев взрыва Сверхновой звезды, в результате чего может образоваться ЧД, если исходная масса звезды достаточна (8-20 масс Солнца). Постулируется "разбухание" звезды в Красный Гигант до огромных размеров, сопоставимых практически с размером солнечной системы. Это объясняется взрывным течением какой-то термоядерной реакции в ядре звезды. Причем, центральная область-зона реакции "выгорает" полностью без остатка?! Что за реакция (химическая, термоядерная) такая, после которой исчезает Материя? Куда Они дели продукты (конечные) реакции, каковой бы она ни была? Если "разбухание" звезды физически можно допустить, однако "полное выгорание ядра" (вещества, видимо, железа) никак не "проходит" ни по каким законам. Эта сказка призвана академиками для создания в центре звезды глубокого вакуума. Зачем он понадобился профессионалам? Точно, теперь у Них есть повод (правда, иллюзорный) изречь: свершилось, почти вся рассеянная в громадном объеме масса Красного Гиганта мгновенно устремляется к центру системы, создает экстремальные температуру и давление. Мгновенноее выделение энергии, наконец-то, реализует взрыв Сверхновой. Сценарий как-будто готов. Академики напрочь игнорируют, когда им надо, как стехиометрию реакций, теплоизоляцию ядра за счет оболочки, инерционность процессов теплоотвода, а также ньютоновскую инерцию громадной, распределенной в пространстве массы Красного Гиганта.
       Хотя, если честно, после "потери вещества" в ядре, уже нет смысла принимать всерьез подобную "теорию".   
     

Добавить комментарий для Берримор Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code

*