Фактическое количество звезд в нашей Вселенной: каково оно?

Учитывая ~400 миллиардов звезд в Млечном Пути и ~6-20 триллионов существующих в нашей Вселенной галактик, кажется, что звезд в мире должно быть очень-очень много. Как минимум несколько септиллионов. Но на самом деле их может оказаться далеко не так много, как мы думаем. Всё это связано со скоростью формирования звезд во Вселенной и тем, как мы видим далекие галактики.

Куда бы мы сейчас ни посмотрели, мы видим, что Вселенная повсюду наполнена звездами и галактиками. В самую темную ночь невооруженный человеческий глаз может увидеть около 6000 звезд, но это только их малая часть. Благодаря телескопам мы знаем, что наша галактика, Млечный Путь, имеет диаметр более 100 000 световых лет и содержит порядка 400 миллиардов звезд. Если около 20 лет назад мы считали, что в нашей Местной группе всего около 60 галактик (причём одна из них, Андромеда, содержит ещё больше звёзд, чем у нас), то теперь мы знаем, что даже в нашей Местной группе, вероятно, расположены сотни галактик, может быть даже тысячи. Правда, большинство из них являются карликовыми галактиками малой массы, содержащими менее 0,1% от того количества звезд, которыми обладает наш Млечный Путь.

Если мы экстраполируем то, что знаем о Вселенной, назад во времени, и посмотрим на особенности формирования галактик, то обнаружим, что в общей сложности в наблюдаемой Вселенной их сейчас должно быть от 6 до 20 триллионов. Тогда как посчитать общее число звезд? Кажется, очень просто: нужно умножить количество звезд в нашей галактике на количество галактик во Вселенной, и всё. Но на самом деле, если вы это сделаете, вы не просто получите неправильный ответ. Вы завысите количество звезд на несколько порядков.

Не волнуйтесь, тут дело не в вас. Даже такие престижные организации, как Европейское космическое агентство, совершили такую же ошибку. И только недавно начали понимать, как её исправлять.

 Первоначальный инстинкт человечества идет по такой логике:

• мы живем в Млечном Пути, здесь и сейчас,

• Млечный Путь — галактика, содержащая звезды, похожая на многие галактики вокруг нас,

• поэтому мы можем подсчитать (или оценить) количество звезд в Млечном Пути, а также количество галактик в наблюдаемой нами Вселенной,

• а затем умножить эти два числа вместе,

• и вуаля! — мы получим количество звезд, содержащихся в наблюдаемой Вселенной.

Но этот метод предполагает ряд предположений, которые не обязательно верны. Например, мы считаем, что Млечный Путь является хорошим показателем того, на что похожа «средняя» галактика во Вселенной, хотя на самом деле это не так. А еще мы предполагаем, что галактики, которые мы находим на расстоянии миллиардов световых лет от нас — галактики, которые мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад — имеют столько же звезд, сколько современные галактики сегодня. Хотя это предположение, как выяснилось, тоже не соответствует действительности.

 

Большие древние звезды

Первоначально, в начале горячего Большого взрыва, звезд не было вообще: были только их необработанные ингредиенты в виде субатомных частиц, которые в конечном итоге коллапсировали под влиянием гравитации, образуя звезды. Этот процесс не быстрый; он занимает как минимум десятки миллионов лет:

• Сначала должны сформироваться атомные ядра (на что уходит несколько минут).

• Потом Вселенная должна достаточно охладиться, чтобы электроны могли связаться с этими атомными ядрами (что заняло около 380 000 лет).

• После всего этого Вселенная всё еще почти идеально однородна, «сверхплотные» области отличаются от «сверх-разреженных» областей всего на несколько частей из 100 000. Потребуется значительно больше времени, чтобы эти сверхплотные области стали отличаться настолько, чтобы вызвать образование первых звезд (по оценкам ученых — от десятков до сотен миллионов лет).

И даже когда первые звезды сформируются, они будут совсем не похожи на те звезды, которые мы наблюдаем сегодня. Ранняя Вселенная просто не имела значительного количества тяжелых элементов, которые помогали бы им образоваться. Углерод, кислород, азот, кремний и железо — обычно помогают коллапсирующим газовым облакам охлаждаться, излучая тепло и энергию, и конденсироваться. Но ранняя Вселенная почти полностью состояла из водорода, гелия и их изотопов. Фактически, 99,9999999% атомов Вселенной (по массе) представляли собой ту или иную форму водорода и гелия, а крошечный остаток был исключительно литием. (Хотя технически в первые годы истории Вселенной могла образоваться крошечная часть бериллия, все эти атомы бериллия были радиоактивны и распались на литий задолго до того, как образовались первые звезды.)

Водород и гелий — ужасные атомы для транспортировки и излучения тепла. Не имея достаточной плотности в центре, очень сложно формировать вокруг этого звезды. Поэтому для создания первых звезд требовались очень большие и массивные газовые облака. А массы и размеры этих звезд были намного больше, чем у обычных звезд, которые мы видим сегодня. В то время как «средняя» звезда, образующаяся сегодня, имеет массу около 40% от массы Солнца, «средняя» масса звезд первого поколения должна была быть примерно в 10 раз больше массы Солнца, а многие из них были бы в 25 раз больше Солнца.

Есть хорошая цитата из фильма «Бегущий по лезвию», которая очень подходит к массивным звездам. «Свет, горящий в два раза ярче, горит вдвое короче». Только у звезд ситуация ещё хуже. Если звезды состоят из одного вещества, и одна в два раза массивнее другой, то она будет примерно в восемь раз ярче, и проживет всего 1/8 часть времени. Яркость и время жизни звезды, как видим, связаны с кубом её массы.

Так что когда мы говорим о типичной звезде того времени, которая была в десять раз массивнее Солнца, это значит, что она сияла в тысячу раз ярче. И, соответственно, существовала всего лишь ~0,1% продолжительности жизни Солнца. То есть всего несколько миллионов (!) лет.

А это значит, что:

1. Самое первое поколение звезд уже точно не существует сегодня.

2. Первое поколение звезд фундаментально отличалось от тех звезд, что сформировались позже: у них была другая начальная масса и другое ядро.

3. Первое поколение звезд при своем разрушении превосходно обеспечило свое окружение первыми наборами тяжелых элементов. А значит, уже второе поколение звезд, сформировавшееся на руинах первого, могло кардинально от него отличаться.

О звездах из второго поколения мы знаем гораздо больше: многие из них все ещё существуют сегодня. А некоторые даже до сих пор формируются: мы видим отдаленные области в космосе, содержащие очень маленькое количество тяжелых элементов, в которых постепенно происходят эти процессы.

Мы также превосходно понимаем процессы формирования звезд всех последующих поколений, в том числе потому, что мы можем вблизи наблюдать наше Солнце. Оно, если что, является звездой третьего поколения, с очень высоким содержанием металлов. И образовалось из останков звёзд первого и второго поколений (то есть, из популяций III и II). Что делает его довольно молодым и довольно необычным, если брать всю историю нашей Вселенной.

 

Глубинное понимание

Одним из замечательных, но малозамеченных достижений астрономии и астрофизики за последние годы стало развитие всестороннего понимания того, как формирование звезд развивалось на протяжении всей истории Вселенной. В течение очень долгого времени у нас было мало информации о том, ускорялось или замедлялось звездообразование за нашу космическую историю, и что оно означало для общего количества звезд во Вселенной.

В 2000-х и 2010-х годах эта некогда малоизвестная область науки оказалась в центре внимания, особенно в связи с запуском Хаббла. И в 2014-м была опубликована знаковая обзорная статья, которая наконец позволила нам раскрыть историю образования звезд во Вселенной — от настоящего времени и вплоть до тех времен, когда Вселенной было всего порядка ~650 миллионов лет. Из этой статьи мы можем получить три важных вывода:

• Во-первых, гораздо меньше одной сотой (1/100) от общего числа звезд, образовавшихся во Вселенной, сформировались в то раннее время. Иначе нейтральные атомы в межгалактической среде подверглись бы реионизации намного раньше, чем мы наблюдаем: примерно через 550 миллионов лет после Большого взрыва.

• Во-вторых, как только количество тяжелых элементов во Вселенной достигает примерно одной тысячной (1/1000) от того, что в нашем Солнце, мы можем быть вполне уверены, что формирующиеся звезды являются примерно такими же по массе и другим характеристикам, как те звезды, которые мы наблюдаем сегодня.

• И в-третьих, если мы хотим знать, сколько звезд существует сегодня, то все, что нам нужно сделать, это суммировать общее количество звезд, образовавшихся за всю историю Вселенной, а затем вычесть долю звезд, которые должны были бы уже завершить свои жизненные циклы к настоящему моменту. То есть, самый точный метод — это посчитать все звезды, и вычесть те из них, которые уже умерли.

Если мы знаем скорость звездообразования на протяжении всей истории, а мы знаем эту скорость достаточно хорошо, чтобы объяснить образование ~99% звезд существующих звезд, и мы знаем, как образовываются и умирают звезды, то мы можем посчитать, сколько звезд, образовавшихся за всю космическую историю, все еще живы.

Но всё не так просто. Потому что сам вопрос «Сколько звезд в обозримой Вселенной?», как мы теперь видим, можно трактовать по-разному. И ответы могут сильно отличаться.

1. Сколько звезд существует сегодня в наблюдаемой Вселенной? То есть, если бы мы могли нарисовать вокруг нашего местоположения в космосе воображаемую сферу, простирающуюся на 46,1 миллиардов световых лет во всех направлениях (размер видимой Вселенной), и измерить все звезды внутри них, существующие сегодня, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, сколько звезд у нас получится?

2. Или, альтернативно, сколько звезд можно наблюдать в настоящее время? Если бы мы обладали бесконечной телескопической мощностью, чувствительностью и охватом длин волн, сколько звезд мы могли бы увидеть с Земли?

Ответы на эти два вопроса полностью отличаются, и даже считать их нужно по-разному. В первом случае мы рассматриваем звезды, которые даже не видим, во втором — звезды, многие из которых уже давно умерли.

 

Сколько звезд вокруг нас?

На первый вопрос — о звездах, которые существуют в окружающей нас Вселенной — ответить легче. Здесь от нас требуется только сложить все звезды, которые кумулятивно сформировались за историю мира, и вычесть тот (маленький) процент звезд, которые успели умереть. Поскольку наше Солнце, продолжительность жизни которого составляет 10-12 миллиардов лет, более массивно и недолговечно, чем 95% звезд в нашей Вселенной, наше отклонение будет составлять не более чем ~5%, даже если мы предположим, что каждая когда-либо родившаяся звезда всё еще жива до сих пор.

Если мы сделаем такое предположение, простой расчет покажет нам, что всего во Вселенной будет 2,21 секстиллиона звезд (или 2,21 × 10²¹). Это очень много: около одного миллиарда звезд на каждую из примерно 2 триллионов галактик, которые, по оценкам, находятся в нашей обозримой Вселенной. Но всё таки это в тысячи раз ниже, чем тот ответ, который вы получили бы, умножив количество галактик на число звезд в Млечном Пути.

Если учитывать постепенное «выгорание» звезд, обнаружится, что в настоящее время в обозримой Вселенной их должно насчитываться около 2,14 секстиллиона.

Здесь стоит помнить, что Млечный Путь — гораздо более крупная и массивная галактика, чем в среднем, точно так же, как Солнце больше и массивнее, чем ~95% существующих звезд. Она примерно в 400 раз крупнее обычной галактики. Поэтому то, что звезд почти в тысячу раз меньше, чем предполагалось ранее, не должно быть слишком уж удивительным.

Сегодня скорость звездообразования представляет собой тень от того, какой она была раньше: всего 3% от максимума, которого она достигла более 10 миллиардов лет назад. Поэтому вряд ли в мире будет намного больше звезд, чем мы считаем сейчас. Скорее всего, точность подсчета здесь довольно высокая, а разница может составлять не более чем несколько процентов.

Теперь второй вопрос. Что, если бы мы хотели узнать, сколько звезд во Вселенной мы могли бы увидеть прямо сейчас, с самым мощным возможным телескопом и без ограничений по времени? Здесь расчеты сложнее. Помните, что, глядя на всё большие и большие расстояния, мы также смотрим все дальше и дальше во времени. И наблюдаем всё более и более древние галактики, содержащие звезды II и III типа, многих из которых в реальности уже очень давно не существует.

Если посмотреть на нашу Вселенную назад во времени, можно обнаружить, что:

• 98% нынешних звезд сформировались к тому времени, когда Вселенной исполнилось 12,9 миллиарда лет.

• 75% — к тому времени, когда нам было 7,3 миллиарда лет,

• 50% — к тому времени, когда нам было 4,9 миллиарда лет,

• 25% — к тому времени, когда нам было 3,3 миллиарда лет,

• 10% — к тому времени, когда нам было 2,2 миллиарда лет,

• 5% — через 1,7 миллиарда лет после Большого взрыва,

• 1% — через 1,0 миллиарда лет,

• 0,1% — примерно через 500 миллионов лет,

• и только 0,01% примерно через 200 миллионов лет.

Когда вы посмотрите на галактику, которую вы видите такой, какой она была 6,5 миллиардов лет назад, вы увидите там только ~75% звезд, которые можно заметить в сопоставимой галактике сегодня. Такая галактика расположена от нас на расстоянии чуть более 8 миллиардов световых лет (за счет быстрого расширения космического пространства). Наша Вселенная трехмерна, и мы сейчас можем обозревать её примерно на ~46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Сфера диаметром в ~8 миллиардов световых лет охватывает лишь 0,5% от объема всей наблюдаемой Вселенной. Всё остальное расположено ещё дальше, и звезд там еще меньше. Вплоть до огромного пространства, которое дальше всего от нас, и где звезд нет вообще.

Выполнив расчеты, мы обнаружим, что из любой точки Вселенной можно в идеале наблюдать только около 8 × 10¹⁹ звезд. Восемьдесят квинтиллионов. В два раза больше, чем число различных комбинаций кубика Рубика. Примерно число зерен на шахматной доске, если начать с одного зерна и на каждую последующую клетку класть в два раза больше, чем на предыдущую. Среднее количество фотонов, излучаемых лампой накаливания за одну секунду.

Число, безусловно, большое. Но это только 4% от общего количества звезд, реально существующих в нашей Вселенной сегодня, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва. И всего лишь ~0,001% (или одна стотысячная) от того (неверного) количества звезд, которые, по вашему мнению, были бы в нашей Вселенной, если бы мы просто умножили число звезд в Млечном Пути на общее количество галактик в наблюдаемой нами Вселенной.

Хотя всё это довольно огромные числа, они всё-таки конечны. И звезд, которые мы можем наблюдать, гораздо меньше, чем думали раньше. Наслаждайтесь теми видами, которые у нас есть, потому что большая часть Вселенной оказывается не только вне досягаемости для наших технологий, но и за пределами наших способностей увидеть ее своими глазами.

 

Источник