Лев Михайлович Мухин

Мир астрономии

Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Доктор физико-математических наук Лев Михайлович Мухин — заведующий лабораторией Института космических исследований АН СССР, лауреат Государственной премии СССР. Круг научных интересов автора широк: в течение последних пятнадцати лет он занимается исследованием планет средствами космической техники. Он принимал участие в постановке сложных химических экспериментов на советских автоматических станциях «Венера-11» и «Венера-12», «Вега-1» и «Вега-2».

В серии «Эврика» в 1980 и 1984 годах вышла его книга «Планеты и жизнь», а в 1983 году — «В нашей Галактике».

От автора

Эта книга должна открыть читателю удивительный, многообразный и во многом загадочный мир современной астрономии.

Результаты астрономических наблюдений XX века совершили радикальный переворот в мировоззрении человека. Мы поняли, что окружающий нас мир имеет начало и что наша Вселенная живет и изменяется со временем. Ученые обсуждают сейчас вопросы о том, что уготовано нашей Вселенной в будущем.

Но возможность проникновения в сокровенные тайны природы появилась совсем недавно. Великим астрономическим открытиям XX века предшествовал кропотливый труд астрономов прошлых веков. Именно благодаря их работам человек сумел понять, что Солнце — обычная звезда в бесчисленном множестве окружающих нас звезд, сумел оценить свое истинное место во Вселенной.

Путь построения картины нашего мира был нелегким, вот почему я начал книгу с рассказа о том, как изменялись представления человека об окружающем мире от древности до сегодняшних дней.

Далее мы обсудим наиболее волнующие проблемы, связанные с рождением и эволюцией Вселенной. Читатель познакомится с основными методами современной наблюдательной астрономии, узнает о последних достижениях в этой области науки.

Поскольку основными строительными блоками в окружающем нас мире являются галактики, мы обсудим вопросы их происхождения. Кстати говоря, в современной астрофизике эти вопросы — одни из наиболее сложных.

Мир астрономии всегда ассоциировался с миром звезд, и проблемам жизни звезд, их рождения и смерти, посвящена значительная часть этой книги. Читатель узнает также о нейтронных звездах и знаменитых черных дырах. Книгу завершает рассказ о нашем светиле — Солнце, о связанных с ним загадках.

Современная астрономия неразрывно связана с физикой, и читателю, имеющему определенный багаж знаний в этой области, будет легко ориентироваться в материале книги. В то же время я не избегал в книге вопросов, которые и по сей день служат предметом ожесточенных споров между исследователями. Обсуждение этих вопросов поможет читателю лучше понять всю сложность и глубину проблем, стоящих перед современной астрономией.

Астрономия — одна из древнейших наук — наука о Вселенной. Круг вопросов, входящих в «компетенцию» современной астрономии, исключительно широк. И поэтому сегодня от астрономии отпочковались самостоятельные ветви.

Астрометрия — наука об измерении пространства и времени. Небесная механика изучает закономерности движения небесных тел под действием сил тяготения. Звездная астрономия исследует распределение и движение звезд, звездных систем и межзвездной материи в пространстве. Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Наконец, космогония рассматривает проблемы, связанные с происхождением и эволюцией небесных тел, а космология — самые общие закономерности строения и развития нашей Вселенной.

Мир астрономии поражает своим величием. И трудно назвать какую-либо науку, которая развивалась бы в последнее время так быстро, как астрономия.

Путешествие в мир астрономии и увлекательно, и трудно. Увлекательно оно потому, что современная астрономия имеет дело с такими явлениями, о которых несколько лет назад можно было читать лишь на страницах научно-фантастических романов. Здесь и таинственные квазары, и взрывающиеся звезды, излучающие чудовищные количества энергии, и застывшие звезды. Здесь и загадки множественности миров.

Мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность моим друзьям и коллегам Л. С. Марочнику, В. И. Морозу, И. Д. Новикову, И. Л. Розенталю, В. Ф. Шварцману, взявшим на себя труд прочесть целиком рукопись книги или отдельные ее части. Без их доброжелательной критики и помощи я не сумел бы написать эту книгу.

При создании рисунков к этой книге художник использовал иллюстрации, опубликованные в книгах К. Сагана «Космос» и Т. М. Пасачоффа «Астрономия: от Земли до Вселенной».

Системы мира

Николай Коперник (1473–1543) — автор гелиоцентрической системы мира.

От Аристотеля до Коперника

Путь человечества к познанию окружающего мира длился тысячелетия. Это был путь временного торжества ложных истин, путь костров и отречений. Но в то же время это была дорога величайших открытий, предвидений и прозрений, дорога торжества человеческого гения.

Вполне понятно стремление человека во все времена создать систему окружающего мира. Разработка таких систем началась в глубокой древности и продолжается по сей день. Если отвлечься от наивных мифологических систем, то, бесспорно, первой внутренне логичной и всесторонне продуманной стала система мира Аристотеля. Недаром усиленная и подкрепленная впоследствии трудами греческого астронома Птолемея, она просуществовала почти две тысячи лет.

Согласно этой системе Земля — центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к центру, то именно здесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы — воздух и огонь — поднимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят кометы и падающие звезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселенная сферична и конечна.

Интересно, что сферичность Вселенной Аристотель аргументировал тем, что сфера — единственная совершенная геометрическая фигура, которая при вращении всегда занимает одно и то же место в пространстве. А чтобы сферы, окружающие Землю, вращались, должна была существовать некая движущая сила — это Аристотель прекрасно понимал. Он считал, что эта сила исходила из самой внешней по отношению к Земле сферы и «запускала» движение всех остальных.

Стоит заметить, что за несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственной оси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некоторого общего гипотетического центра, который он назвал центральным огнем. Это движение планет и Солнца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, что только их великий учитель был способен ощущать эту гармонию.

Нетрудно заметить, что в мироощущении Пифагора просматриваются основные принципы гелиоцентрической системы мира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала недолго. На смену ей пришла геоцентрическая система Аристотеля.

Система мира по Аристотелю.

Не следует думать, что у древних идея Аристотеля не вызывала никаких возражений.

Она, к примеру, не могла объяснить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесному своду. А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что планеты то приближаются к Земле, то удаляются от нее.

Самый смелый шаг был сделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля. Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставил вращаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминает о нем в своем труде «Исчисление песчинок».

Гипотеза Аристарха Самосского не нашла единомышленников, поскольку астрономия в то время обладала небольшим количеством наблюдательных фактов. Потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы она возродилась в знаменитой книге Коперника «О вращениях небесных сфер».

Творец гелиоцентрической системы Николай Коперник родился в семье польского купца в городе Торуне на Висле в 1473 году. Оставшись в десять лет без отца, он оказался на попечении брата матери — каноника Лукаша Ваченроде, который дал Николаю великолепное образование.

В Краковском университете, где учился Коперник, астрономию преподавал декан факультета искусств В. Брудзеевский, видный польский гуманист, математик и астроном. Он критиковал в своих лекциях учение Птолемея. Биографы Коперника до сей поры ведут дискуссии о влиянии Брудзеевского на молодого студента.

Известна легенда о том, что именно Брудзеевский сообщил Николаю свои идеи о гелиоцентрической системе. Скорее всего это не так, и существуют исторические документы, опровергающие эту версию. Но ясно одно: преподаватели Краковского университета использовали в своих лекциях комментарии Брудзеевского к работам Аристотеля и Птолемея. Авторитет Брудзеевского был исключительно высок, и вполне возможно, что Николай Коперник увлекся астрономией во время своей учебы в Кракове.

Однако по окончании Краковского университета Коперник не получил ни ученой степени доктора, ни магистра и отправился продолжать образование в Италию, в старейший в Европе Болонский университет. Именно там Коперник начал первые самостоятельные астрономические наблюдения, которые продолжил потом в Риме.

Заметим, что уже в 1500 году он получил в Италии звание профессора математики, а в 1503 году степень доктора канонического права. Застенчивый и скромный поляк к этому времени в совершенстве знал древнегреческий язык и ознакомился с работами крупнейших ученых и философов. Затем он вернулся в Польшу и занял должность канцлера капитула (совета при епископе) в небольшом городке Фромборке на берегу Вислинского залива.

По всей видимости, начиная с 1515 года он систематически разрабатывал новую систему мира и одновременно наблюдал движение небесных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новой теории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть «Малым комментарием». Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами.

Первые аксиомы гласили, что «не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер, …центр Земли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца… Так что около Солнца находится центр мира».

В «Малом комментарии» нет каких-либо математических выкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произведения «О вращении небесных сфер».

Требовалось немалое мужество, чтобы отказаться от учения Птолемея и Аристотеля в то время, когда за гораздо меньшую «ересь» инквизиция жестоко карала отступников. Особенно от человека, который занимал должность в епископальном совете. Ведь Коперник имел сан священника, и в капитуле он занимал административную должность.

Коперник не делал тайны из своих идей, уже в 1533 году отцы римской церкви и даже сам папа Клемент VII были ознакомлены с новым учением, и тем не менее Коперник долгое время не публиковал своей книги. Первое издание появилось в год его смерти. Предисловие этой книги было обращено к новому владыке римской церкви папе Павлу III.

Основная идея Николая Коперника, состоявшая в том, что Земля не центр мира, не могла не прийти в противоречие с библейскими догмами. Глубокий философский смысл его учения серьезно подорвал позиции церкви. Не в церковных канонах содержалась теперь истина. Человек-творец показал, как устроен мир. И когда эта теория повлекла за собой сомнения в правильности и незыблемости церковных догм, Ватикан понял, какой чувствительный удар ему нанесен.

Интересно, что это случилось не сразу. Лишь в 1616 году, через шестнадцать лет после сожжения Джордано Бруно, бессмертная книга Коперника была внесена в так называемый Индекс — список запрещенных книг. И лишь спустя два века, в 1835 году, церковь исключила книгу Николая Коперника из Индекса.

Но еще до 1616 года нашлись люди, которые в полной мере поняли и, более того, показали всю глубину философского смысла учения Коперника. И конечно же, первым среди них был Джордано Бруно, называвший себя Ноланцем. Нола — небольшой городок в провинции Терра ди Лавора, неподалеку от которого в 1548 году родился Бруно, получивший при крещении имя Филипио. Впоследствии в монастыре он сменил это имя на Джордано, и нынче весь мир знает его как Джордано Бруно Ноланца. В Джордано счастливо сочетались несгибаемая сила духа и выдающиеся таланты. Он обладал феноменальной памятью, о чем писали многие его современники.

Когда в 1572 году Джордано Бруно получил сан священника, его вызвали из Неаполя в Рим продемонстрировать папе свои удивительные способности. Папский двор был потрясен, когда молодой монах прочитал предложенный ему текст и тут же повторил его вслух без единой ошибки.

Бруно неустанно совершенствовал свое образование. И конечно же, для человека с такими способностями, с глубоким философским взглядом на жизнь, на окружающий мир не могли быть хоть в какой-то степени приемлемы методы «воспитания» людей римской церковью.

Когда юному Джордано было всего двенадцать лет, в Неаполитанском королевстве произошли чудовищные события, связанные с действиями римской инквизиции по искоренению «ереси». Папские войска практически полностью истребили небольшую общину протестантов. Попавших в плен жгли, детей сбрасывали с городских башен. Историки не решились описать изощренные пытки, которым были подвергнуты шестьдесят захваченных в плен женщин. Ни одна из них не перенесла этих пыток.

Джордано Бруно не мог не знать обо всем этом. И бесспорно, что с самых юных лет в нем росли ненависть и недоверие не только к отцам церкви, но и к самому церковному учению.

Я специально сделал небольшой исторический экскурс, чтобы показать, в какой мрачной обстановке пришлось жить и творить одному из величайших мыслителей человечества.

Свои взгляды Бруно изложил в трех книгах, написанных в форме диалогов: «Пир на пепле», «О причине начала и едином» и «О бесконечности вселенной и мирах». Именно здесь он и сформулировал новое научное миропонимание.

Он много путешествовал, вернее сказать — скитался по Европе, спасаясь от преследований инквизиции, был в Англии, Франции и многих других странах, принимал там участие в философских диспутах. Поэтому учение его получило широкую известность.

И конечно же, нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперника или обосновал его философски. Бруно — творец нового научного мировоззрения. Гениальное предвидение о бесконечности миров, «которые носятся в эфирном океане, подобно нашему миру», возрождение атомистической теории, создание новой картины космоса выдвигают Джордано Бруно в первые ряды величайших мыслителей.

Он был арестован по доносу своего знакомого и провел много месяцев в застенках инквизиции. Его жестоко пытали, но ни иезуитам, ни доминиканским монахам не удалось добиться от Бруно отказа от своих идей. 17 февраля 1600 года его вывели на римскую площадь Кампо ди Флоре — Площадь цветов, где уже было приготовлено два костра: один для священника-еретика Чиприани Кручиферо, другой для Бруно. Великого ученого привязали цепями и мокрыми веревками к железному столбу, у ног сложили его книги. Как только был зажжен костер, началось сильное землетрясение, словно сама природа гневалась на церковь за ее жестокость. Все биографы великого Ноланца единодушно отмечали его беспримерное мужество во время казни.

Система мира по Копернику.

Казнь Бруно была пирровой победой церкви. Учение Аристотеля агонизировало, и эта агония была необратимой. Но триумф идей Коперника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибели Бруно в Европе не появились телескопы. Именно наблюдательные данные великого Галилея, его точная и последовательная интерпретация этих данных с позиций коперникианства, несмотря на драму отречения, нанесли окончательный удар по системе мира Аристотеля. Одним из творцов астрономии нового времени был также И. Кеплер, открывший законы движения планет по эллиптическим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплера система мира Коперника стала одним из краеугольных камней фундамента науки.

Мир по Ньютону

В 1642 году умер великий Галилей. В этом же году 25 декабря (по старому стилю) километрах в десяти южнее городка Грэнтэм, в деревне Вульсторп, недалеко от восточного побережья Англии родился Исаак Ньютон.

Предшествующее столетие было временем величайших открытий в науке. Достаточно упомянуть такие имена, как Коперник, Тихо Браге, Галилей, Кеплер. Каждый из них внес неоценимый вклад в астрономию. Но можно ли сейчас, бросая ретроспективный взгляд, сказать, что к XVII веку сложилась стройная научная система взглядов на окружающий мир?

Конечно же, нет. Новая система мира не могла быть создана, прежде чем был открыт закон всемирного тяготения. А чтобы открыть этот закон, в науку должен был прийти гений. Этим гением был Ньютон.

И до Ньютона многие ученые говорили о силе притяжения между различными телами. Еще Коперник пытался объяснить шарообразную форму Земли взаимным притяжением слагающих ее частиц.

Романтический, а порой и ударявшийся в мистику Кеплер писал: «Если бы Земля не мешала притягивать воды, то вся морская вода притянулась бы к Луне и улетела».

На пороге великого открытия стоял и современник Ньютона Р. Гук, блестящий физик, который чисто интуитивно предположил, что притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Гук получил ответ, не решая задачи. Это, кстати говоря, послужило причиной длительного спора между Ньютоном и Гуком за приоритет открытия закона всемирного тяготения.

Исаак Ньютон (1643–1727).

Идея об обратной квадратичной пропорциональности носилась в воздухе. Об этом говорил и Э. Галлей — друг Ньютона, в честь которого была названа знаменитая комета, и даже… известный архитектор К. Рен. Во время одной из встреч с Гуком и Галлеем Рен предложил приз тому, кто покажет, что под действием силы тяготения планеты должны двигаться по эллиптической траектории. Сделать это не смог никто — ни Гук, ни Галлей, ни тем более Рен.

Лишь в знаменитой книге Ньютона «Математические начала натуральной философии» дан последовательный, общий принцип решения любых задач физики и астрономии. Именно после выхода в свет этой книги и возникла классическая физика. Как писал в своей книге о Ньютоне академик С. Вавилов: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появление „Начал“ Ньютона… Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птолемея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, поглощались и заменялись гениальной ясностью и стройностью „Начал“… „Начала“ стали казаться многим последним принципиальным словом, на основе которого должно и может быть построено все здание науки».

Знаменитый французский математик Ж. Лагранж называл Ньютона величайшим гением и пояснял: «Систему мира можно установить только один раз». На могиле автора «Начал» была высечена эпитафия английского поэта А. Попа:

Природы строй, ее закон

В извечной тьме таился.

И бог сказал: «Явись, Ньютон!»

И всюду свет разлился.

Так что же такое система мира Ньютона? Что говорит она об окружающем мире, о нашей Вселенной?

Эти вопросы отнюдь не праздные, и они связаны не только с моим желанием совершить экскурс в историю науки. Дело в том, что система мира Ньютона владела умами людей более двухсот лет, и поэтому она не могла не оказать самого серьезного влияния на мышление и мировоззрение многих поколений.

Итак, прежде всего Вселенная по Ньютону бесконечна, и, кроме того, выражаясь языком современного физика, она стационарна, вечна. Движение тел в ней описывается законами Ньютона. Не следует забывать о том, что Ньютон был человеком глубоко религиозным. Сама идея вечности Вселенной с эстетической и философской точек зрения весьма привлекательна, и, как мы увидим позже, многие крупные ученые соглашались платить весьма большую цену, чтобы сохранить стационарную, вечную Вселенную.

Гениальный Ньютон, конечно же, не мог не ставить перед собой вопроса о происхождении мира. Но для него решение этого вопроса было простым. В своих «Началах» он писал: «Изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа». Ньютон отстаивал акт первичного сотворения и полагал, что ему удалось лишь открыть основные принципы, управляющие миром. Быть может, именно с этим обстоятельством и связана его знаменитая фраза «Гипотез не измышляю».

Ньютон не мог не понимать, что открытые им законы должны приводить к некоторым следствиям, не укладывающимся в наблюдаемую астрономами картину мира. Например, он сам, затрагивая космологические вопросы, приходил к мнению, что в бесконечном пространстве должны быть лишь бесчисленные подобные друг другу сферы. В силу закона всемирного тяготения они должны двигаться с бесконечной скоростью.

Разнообразие небесных объектов, хорошо известное уже в XVII веке, ученый объяснял с теологических позиций. Философия Ньютона, его система мира долгое время устраивала всех. Это был тот редкий случай, когда научная теория (именно теория, система, а не догма) не вызывала возражений со стороны церкви: вечный и безграничный мир был создан Творцом.

Правда, одна неприятность со Вселенной Ньютона обнаружилась довольно скоро. Эта неприятность называется парадоксом Ольберса. Бременский врач с большой практикой и в то же время астроном-любитель Г. Ольберс (1758–1840) среди профессиональных астрономов своего времени пользовался непререкаемым авторитетом.

Суть парадокса Ольберса состоит в следующем. Пусть мы живем в бесконечной Вселенной Ньютона (из этого положения, разумеется, исходил Ольберс). Попробуем провести мысленный эксперимент. Окружим нашу Землю воображаемой сферой достаточно большого радиуса. Тогда внутри этой сферы окажется какое-то число звезд (для нас сейчас абсолютно неважно, какое именно), которые дадут определенный вклад в яркость нашей сферы.

Удвоим теперь радиус сферы. Если предположить, что все звезды одинаковы по своей яркости и равномерно распределены в пространстве, при операции удвоения радиуса должна увеличиться и яркость ночного неба.

Действительно, хотя при такой операции яркость самых далеких звезд уменьшится в 4 раза, так как она зависит от расстояния как 1/r^2, но количество звезд внутри сферы прямо пропорционально ее объему, то есть r^3, и поэтому общая яркость ночного неба возрастет. В конце концов мы получим такую картину: ночное небо должно быть таким же ярким, как наше Солнце!

Сам Ольберс пытался спасти положение, «вводя» в космическое пространство поглощающую свет среду, но на самом деле в этом случае поглощающий газ должен был бы нагреваться до высокой температуры и излучал бы почти столько же энергии, сколько поглощал. Парадокс оставался неразрешимым.

В чем же дело?

Цепь рассуждений Ольберса о яркости неба, равной примерно яркости нашего Солнца, безупречна. Законы Ньютона незыблемы. Может быть, Вселенная устроена не так, как она виделась Ньютону?

Вселенная расширяется

Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом. Здесь нельзя не вспомнить уже упоминавшуюся эпитафию А. Попа, на которую после появления работ Эйнштейна «вышло дополнение»:

…Но сатана недолго ждал реванша —

Пришел Эйнштейн, и стало все, как раньше.

Вряд ли здесь уместно выражение «стало все, как раньше». Но совершенно ясно одно: стало все гораздо интереснее.

Знаменитые уравнения Эйнштейна — основа общей теории относительности — были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство «говорит» материи, как ей двигаться, а материя «указывает» пространству, как ему искривляться.

Нам сейчас нужно обязательно запомнить чрезвычайно важное обстоятельство, заключающееся в том, что специфические свойства пространства-времени, которые естественно могут быть объяснены при введении такого понятия, как кривизна, проявляются лишь в сильных гравитационных полях. В локальных областях справедливо классическое приближение Ньютона. Кстати говоря, закон всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО (как сейчас называют физики общую теорию относительности). «Самая красивая из всех существующих физических теорий», — писали об ОТО советские физики, академики Л. Ландау и Е. Лифшиц.

Поскольку речь у нас сейчас пойдет о космологических проблемах, об истории Вселенной, следует попытаться понять хотя бы основные выводы и следствия из ОТО. Это нелегкая задача, поскольку ОТО имеет дело с четырехмерным пространством, где одной из координат является время.

Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число «наглядных» измерений не превышает трех. Двухмерна плоскость, трехмерен шар, куб, но как представить себе четырехмерие? Математики имеют дело с пространствами и больших размерностей, но для нас, как, впрочем, и для них, это абстракции.

Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция. Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход времени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Недаром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой.

Геометродинамика, ОТО предсказывает удивительные явления, которые должны происходить в нашем мире: изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения и многое другое. Но нас сейчас будут интересовать несколько иные вещи.

Обратимся к основному отличию ОТО от классической физики Ньютона при рассмотрении Вселенной, мира. Об этом отличии лучше всего сказал сам Эйнштейн: «Потребовалась жестокая борьба (для Ньютона), чтобы прийти к понятию независимого и абсолютного пространства, неоценимому для развития теории… Выводы Ньютона при современном ему состоянии науки были единственно возможными и, в частности, единственно плодотворными.

…Не менее напряженные усилия потребовались для того, чтобы впоследствии преодолеть это понятие (абсолютного пространства)».

Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет. И самым важным свойством уравнений Эйнштейна, по крайней мере для космологии, является то, что они позволяют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная.

Начиная рассказ об этом, нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое «давало» бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйнштейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выразиться, «статичной вечности».

Первым человеком, которому удалось на основании уравнений Эйнштейна получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной, был советский математик А. Фридман. Ему было всего 37 лет, когда он умер от брюшного тифа в Ленинграде в 1925 году.

Фридман был разносторонним человеком. Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космологии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое решение уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная нестационарна. Она замкнута и непрерывно расширяется. Эйнштейн отреагировал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав «Замечание», в котором содержалось опровержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году: «Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет…»

Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин «Вселенные Фридмана». Что же это такое?

Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если средняя плотность ρ меньше некоторой величины ρкр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконечной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности больше критической (ρ > ρкр), неизбежно получается замкнутая (но безграничная!) Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжиматься.

Попробуем пояснить, как совмещаются понятия конечности и безграничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверхность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь. Эту аналогию полезно запомнить, она еще не раз нам пригодится.

Итак, на сцене появились динамические модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана — его Вселенные — построены пером теоретика (да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями), и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели — модели расширяющейся Вселенной. О чем же они свидетельствовали в то время?

Еще в 1914–1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, которому, к сожалению, сначала не придали значения: большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростями, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.

На последнее обстоятельство обратил внимание еще в 1919 году американский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его («Вселенные Фридмана» еще не были созданы!). И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой знаменитый закон, гласящий, что скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики. V = Hr, где V — скорость галактики, r — расстояние, H — так называемая постоянная Хаббла. Закон Хаббла — один из краеугольных камней современной космологии, и поэтому нам следует остановиться на этом явлении подробнее.

Каждый, кто стоял на железнодорожной платформе и наблюдал приближающийся и проходящий мимо скорый поезд, знает, что тон гудка меняется при движении поезда. Частота звука увеличивается, когда поезд подходит к платформе, и понижается, когда он удаляется от вас. Это следствие так называемого эффекта Доплера, хорошо известного в физике.

Пример движущегося по направлению к нам, а потом удаляющегося от нас источника звукового сигнала является прекрасной его иллюстрацией. Звук представляет собой бегущие в воздухе волны. Пусть источник звука дает постоянную частоту, длину волны. Длина звуковой волны — это произведение скорости звука на интервал времени между «гребнями волны». Если источник звука неподвижен, то человек всегда будет слышать один и тот же тон.

Распространение звуковых волн от неподвижного источника.

Пусть источник двигается по направлению к наблюдателю. Скорость звука не меняется. Но поскольку источник двигается к наблюдателю, то за тот же промежуток времени, что и в случае с неподвижным источником, мимо наблюдателя пройдет большее число гребней, чем в случае, когда источник неподвижен. Другими словами, наблюдателю будет казаться, что он воспринимает меньшие длины волны или более высокие частоты.

Эффект Доплера.

Тот же самый случай мы имеем, когда движется источник света. Если он приближается, то наблюдателю будет казаться, что свет синеет. Если источник удаляется, то фотоны краснеют, длина их волны увеличивается.

Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся «не на своих местах», сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин «красное смещение». Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получили таким образом первое надежное экспериментальное подтверждение.

Нужно сказать о том, что закон Хаббла и красное смещение разрешают и знаменитый парадокс Ольберса.

Здесь мне хочется сделать небольшое отступление и подробнее остановиться на некоторых поистине удивительных ситуациях, с которыми сталкиваешься, рассматривая историю научных открытий.

Уже говорилось, что закон Всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО. Но не это самое интересное. В 30-х годах было показано, что из закона Всемирного тяготения можно получить законы расширения и сжатия Вселенной, и ОТО для этого в принципе не нужна!

Это поистине поразительный факт, свидетельствующий лишний раз о том, насколько притягательна идея вечной и стационарной Вселенной. Нам трудно себе представить, что модели расширяющегося мира в принципе могли быть получены задолго до рождения Эйнштейна, к примеру, еще во времена Ньютона. И не построены были эти модели по чисто психологическими причинам.

Для самого Ньютона не существовал вопрос о начале мира, для него непреложным фактом было сотворение мира Творцом. Человечество не было еще готово к постановке подобного вопроса на научной основе. Прошло два столетия со дня смерти Ньютона, и уже великий Эйнштейн не хочет говорить с аббатом Леметром о вопросе начала: «Это слишком похоже на акт творения. Сразу видно, что Вы священник». А ведь аббат Леметр, будущий президент папской Академии в Ватикане, был одним из тех, кто наряду с Фридманом исследовал решения ОТО. Термин «вселенные Леметра» прочно вошел в научную литературу. Именно он ввел понятие первичного атома, при взрыве которого и образовался наш мир.

Парадокс, а может быть, и нечто большее, чем парадокс, состоял в том, что и Эйнштейн, и многие другие ученые в течение нескольких лет после выхода в свет работ Фридмана (а затем и Леметра) не рассматривали всерьез космологические решения ОТО, зависящие от времени. Переворот в сознании и соответствующая переоценка произошли лишь после открытия Хаббла.

Надеюсь, что рассказанная здесь история не дискредитировала ОТО в глазах читателя. Ведь эта теория — «непревзойденная вершина теоретической физики» — стала истинной основой всей современной космологии. Выше же речь шла лишь о трудных и порой неожиданных поворотах на пути развития человеческого знания, об исключительно интересной проблеме «своевременности» научных открытий.

А теперь вернемся к явлению разбегания галактик.

Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. При этом должна возрастать величина красного смещения. В конце концов оно станет настолько большим, что мы не сможем увидеть источник света. Как говорят в космологии, красное смещение создает «горизонт» видимости, за который наш взгляд не может проникнуть. К тому же расширение Вселенной происходит достаточно быстро. Ну а поскольку свет от объектов, лежащих за горизонтом, мы не можем воспринять, а внутри горизонта число звезд по астрономическим масштабам невелико — ≈ 10^25, парадокс Ольберса, основанный на введении бесконечного числа источников света и бесконечной Вселенной, разрешается просто в рамках моделей расширяющейся Вселенной.

При анализе закона Хаббла возникает еще один вопрос. Если все наблюдаемые галактики разлетаются от нас, то не находимся ли мы, земные наблюдатели, в центре мира?

Казалось бы на первый взгляд, что наше положение «привилегированно».

Вернемся снова к аналогии с поверхностью резинового надувного шара. Предположим, что это и есть наша Вселенная (мы не можем покинуть поверхность или проникнуть внутрь шара). Нанесем на поверхность шара точки и будем считать каждую точку галактикой. Начнем надувать шар от радиуса R до радиуса 2R (модель расширяющейся Вселенной!). Все точки (галактики) естественно останутся на поверхности шара, расстояние между ними также увеличится в два раза.

Но вот что самое интересное! В какую бы «галактику» на нашей сфере мы ни поместили наблюдателя (А или В), ему будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются, и именно он находится в центре мира. Внимательно посмотрев на рисунок, читатель сам в этом убедится.

Отсутствие выделенного центра в расширяющейся Вселенной.

Таким образом, наша Вселенная не имеет выделенного центра. Но давайте пойдем назад — начнем выпускать воздух из нашего шарика и предположим, что он сожмется в точку. Конечно, с реальным воздушным шариком этого не произойдет, но в качестве мысленного эксперимента подобная операция не вызывает трудностей. Тогда мы увидим, что при стремлении радиуса шара к 0 поверхность его также стремится к 0, и, естественно, расстояния между точками его поверхности (галактиками) беспредельно уменьшаются.

Именно здесь мы и подходим к одному из основных вопросов космологии: что было вначале? Вопрос вполне правомочный. Ведь если Вселенная расширяется, то когда-то этот процесс должен был начаться. И здесь физика — наука, претендующая на то, что она может объяснить любое явление в окружающем нас мире, — обязана была сказать свое слово.

Отголоски начала

Одним из первых физиков, подошедших вплотную к этому вопросу, был Г. Гамов. Произошло это, кстати говоря, несколько неожиданно, поскольку он занимался задачей космологической распространенности различных элементов и изотопов.

Известно, что в природе преобладают элементы с избытком нейтронов. Гамов хотел «получить» все элементы простым способом: последовательным присоединением свободных нейтронов к ядру. Но для этого нужны очень высокие температуры, и Гамов пришел к идее горячего начала.

Парадоксальным здесь является тот факт, что в целом теория Гамова о синтезе элементов неверна, а вывод о горячем начале Вселенной абсолютно верен. Более того, Гамов указал, что «отголоски» горячего начала должны быть видны сегодня в виде так называемого «реликтового излучения» (термин, предложенный известным советским астрофизиком И. Шкловским). Гамов даже оценил в 1956 году температуру этого излучения и получил цифру 5–6 K, Не правда ли, очень низкая температура? Но если взглянуть в прошлое, то температура этого излучения была выше, Вселенная была плотнее и горячее…

Идея и расчеты Гамова были преданы забвению; о них вспомнили лишь десятилетие спустя, когда было сделано удивительное открытие, удостоенное впоследствии Нобелевской премии.

Что же это за открытие и как оно было сделано?

В 1964 году в лаборатории фирмы «Белл телефон» была создана новая рупорная антенна. Она предназначалась для работы со спутником связи «Эхо». Но технические характеристики антенны, в частности очень низкий уровень шумов, сразу привлекли к ней внимание радиоастрономов. Первыми начали с ней работать А. Пензиас и Р. Вильсон, один из них был радиофизиком, другой радиоастрономом. Они решили мерить интенсивность радиоизлучения от нашей Галактики. Эта задача отнюдь не проста, так как, если вы измеряете радиосигналы от какого-то конкретного источника, например, от звезды, то избавиться от помех, шума довольно просто. Для этого надо лишь отклонить антенну от звезды, померить сигнал, а затем снова направить ее точно на звезду и опять провести измерения. Разница между двумя сигналами и будет сигналом от объекта. Но у Пензиаса и Вильсона объектом было фактически все небо!

Именно поэтому им необходимо было уменьшить до предела то, что в сегодняшней радиотехнике называется собственным шумом радиоприемного устройства. Кроме того, им, конечно, мешали так называемые атмосферные шумы. Короче говоря, прежде чем приступить к непосредственным экспериментам, они провели огромную подготовительную работу.

Эксперименты были начаты на коротких волнах (около 7,5 сантиметра), поскольку считалось, что в этом диапазоне шум должен быть пренебрежимо мал. Это была своего рода проверка качества антенны и приемных цепей. Но в первых же проведенных опытах исследователями был зарегистрирован радиошум в этом диапазоне. Причем интенсивность сигнала не зависела от направления. Это очень существенный факт, и самое естественное его объяснение состояло в том, что шумит сама антенна или цепи радиоприемного устройства. Вообще говоря, именно так подумал бы и любой квалифицированный специалист по радиоэлектронике. Что же удивительного в том, что Пензиас и Вильсон снова начали проводить кропотливейшую работу по проверке всего устройства.

Проверялось абсолютно все. На подозрение была взята даже парочка голубей, которая облюбовала рупор антенны и за время подготовительных работ угнездилась в нем. Вследствие этого рупор, естественно, был покрыт, по выражению интеллигентного Пензиаса, «белым диэлектрическим веществом». Около года ушло на ликвидацию последствий пристрастия голубей к радиоастрономическим поискам и на улучшение характеристик антенны.

В 1965 году эксперименты начались снова и снова дали тот же результат. Небо давало микроволновый фон, шум, и величина сигнала не зависела от направления. Откуда же этот шум мог появиться, если всевозможные помехи были учтены и устранены?

Пензиас и Вильсон не могли ответить на этот вопрос. Для начала они попытались определить характеристики обнаруженного ими шума и в первую очередь его интенсивность. А интенсивность теплового радиошума очень удобно описывать, пользуясь понятием обычной температуры. Действительно, любое тело «шумит» в радиодиапазоне за счет теплового движения электронов внутри тела. Грубо говоря, чем выше температура, тем выше интенсивность теплового шума. Поэтому в радиотехнике используется понятие «эквивалентной температуры» радиоизлучения. Итак, оказалось, что шум, открытый Пензиасом и Вильсоном, имел температуру около 3,5 K. (Здесь нельзя не сказать о том, что за год до открытия Пензиаса и Вильсона советские астрофизики А. Дорошкевич и И. Новиков теоретически предсказали возможность обнаружения реликтового излучения в сантиметровом диапазоне. Но, к сожалению, на эту работу не обратили тогда должного внимания экспериментаторы.)

Пока еще никто не мог подумать, что сделано второе великое открытие в астрофизике (первое — красное смещение).

Случай играет не последнюю роль в науке. Ведь Пензиас и Вильсон понятия не имели о том, что такое реликтовое излучение. Они просто натолкнулись на него. А практически в то же время всего в нескольких десятках километров от антенны фирмы «Белл» группа Р. Дикке, крупного американского астрофизика, строила специальную антенну для поиска отголосков Большого Взрыва.

Дикке знал о работах Гамова и придавал им большое значение. Именно поэтому, когда астрофизики узнали о результатах Пензиаса и Вильсона, Дикке мгновенно объяснил их, и соответствующие публикации в журнале «Nature» появились одновременно, но с экспериментальными результатами Дикке опоздал примерно на полгода. 20 лет размышлял Нобелевский комитет, кому присудить премию — счастливчикам Пензиасу и Вильсону или Р. Дикке. Как мы знаем, выиграли счастливчики.

Конечно же, это открытие могло быть сделано и раньше. Ведь о Большом Взрыве говорили и до 1965 года. Но, как указал лауреат Нобелевской премии по физике Е. Вигнер, теория Большого Взрыва не привела к поиску реликтового излучения потому, что физикам было трудно серьезно воспринять любую теорию ранней Вселенной: «Это открытие заставило всех нас всерьез отнестись к мысли, что ранняя Вселенная была».

Итак, случайное открытие реликтового излучения дало новую свежую пищу теоретикам, и на вопрос о том, «что было в начале?», стали появляться вполне конкретные ответы.

Большой взрыв и космология

Обсерватория древних майя. Чичен Итца, Мексика. 900 год нашей эры.

Планковская Вселенная

Как родилась Вселенная? «Конечно же, в результате Большого Взрыва», — ответит сейчас подавляющее большинство людей. И действительно, о Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что взрыва в обычном понимании этого слова не было!

Разберемся для начала, какой смысл вкладывают в слово «взрыв» физика и химия. Возьмем самый простой случай, хорошо известный и понятный всем, — взрыв бомбы. Как он происходит? Взрывчатое вещество за очень небольшой промежуток времени сгорает и превращается в горячий газ, который создает огромное давление внутри корпуса бомбы. Поскольку это давление не уравновешено давлением снаружи, корпус разлетается на куски, так как он не в состоянии выдержать внутреннее давление, происходит взрыв. Весь этот процесс длится тысячные доли секунды. Следовательно, взрывной процесс характеризуется в первую очередь высвобождением значительного количества энергии в небольшом объеме за малое время.

Справедливо ли применять слово «взрыв» к начальным стадиям расширения Вселенной? Другими словами, можно ли сказать, что огромное давление сжатой в точку Вселенной явилось причиной ее расширения (взрыв бомбы)?

Нет! При взрыве расширение происходит из-за разности между большим давлением продуктов взрыва и малым давлением окружающего их атмосферного воздуха. Но когда мы рассматриваем раннюю Вселенную, понятия «снаружи» и «внутри» теряют смысл, а давление в однородной Вселенной распределено равномерно. Между различными частями Вселенной нет разности давления, а значит, нет и силы, вызывающей расширение.

В чем же дело? Почему Вселенная начала расширяться? На этот вопрос сегодня нет общепринятого ответа.

Очень трудно говорить о тех временах, когда вся видимая сегодня Вселенная была величиной с маковое зернышко. Но предполагается, что она действительно миллиарды лет тому назад была именно таких размеров (и даже меньше) и действительно стала расширяться.

Сегодня космология еще не в состоянии ответить на ряд принципиальных вопросов. Среди них основные: что было до начала наблюдаемого расширения? Будет ли Вселенная вечно расширяться или опять сожмется в точку (как говорят физики, образуется ли снова сингулярность — состояние вещества с бесконечной плотностью)? Мы надеемся, что ответы на эти вопросы будут получены в близком будущем.

Но отсутствие ответов сейчас, сегодня, не мешает физикам рассматривать самые ранние стадии расширения Вселенной. Некоторые теории оперируют с временами 10–35 секунды от начала. Это, по выражению академика Я. Зельдовича, «очень-очень ранняя Вселенная». Есть теории, которые «заглядывают» в еще более ранние моменты времени. О них у нас тоже пойдет разговор. А термин «Большой Взрыв» сейчас общепринят, и мы его будем использовать. Тем более что скорости процессов, происходящих при «рождении» нашего Мира, в неизмеримое число раз превышают скорости любых известных сегодня взрывных процессов. Поэтому-то расширение Вселенной действительно можно уподобить «сверхвзрыву», Большому Взрыву.

Почему для нас так важны начальные этапы развития Вселенной, почему космологи пытаются проанализировать самые ранние моменты, заглянуть как можно глубже в прошлое нашего мира? Да потому, что никакая космологическая модель, никакая теория невозможна без достаточно полного понимания начальных этапов развития Вселенной — ведь именно тогда закладывалось ее будущее, все последующие стадии ее формирования. И эти стадии нельзя понять, не зная, какой была ранняя, горячая Вселенная. Чтобы представить себе развитие Вселенной, следует прежде всего постараться понять, что представляло собой вещество Вселенной, материя на разных этапах ее существования.

Важность постановки такой задачи очевидна. Ведь решения уравнений ОТО, полученные Фридманом, говорят о том, что Вселенная расширяется из точки, из сингулярности. Но решения эти, с другой стороны, ничего не говорят о состоянии и поведении вещества вблизи сингулярности, а для нас сейчас, когда мы начинаем рассматривать ранние стадии Вселенной, именно это и является самым главным.

Сегодня, миллиарды лет спустя после Большого Взрыва, во Вселенной есть наблюдатели-астрономы, и мы знаем «начинку пирога». Это звезды, планеты, галактики, кометы, скопления галактик и многое другое. Но проделаем мысленный эксперимент и начнем сжимать Вселенную. Температура и плотность начнут повышаться… Ясно, что на каком-то этапе сжатия и планеты и звезды просто-напросто перестанут существовать. При дальнейшем росте температуры и сжатия станут неустойчивыми атомы, а потом и их ядра.

До сих пор мы говорили лишь об ОТО, которая описывает процессы расширения и сжатия мира. Но совершенно ясно, что сейчас для рассказа о поведении вещества мы должны обратиться к другим физическим теориям.

Вопросы, рассматриваемые нами, исключительно сложны, а очень многие их аспекты еще ждут своего решения. Но именно эти задачи и являются на сегодня наиболее «горячими точками» современной физики и космологии. Какими же теоретическими «инструментами» пользуются современные ученые?

Самая красивая из физических теорий — ОТО представляет собой типичный пример классической теории. Что это значит? В уравнения ОТО не вводится никаких новых фундаментальных физических постоянных. В них присутствуют лишь скорость света и гравитационная постоянная Ньютона.

Другим примером классической теории является электродинамика, созданная более ста лет назад Д. Максвеллом. Всего 80 лет назад большинство физиков свято верило, что в природе существует лишь два вида фундаментальных взаимодействий — гравитация и электромагнетизм. Они имеют неограниченный радиус действия и могут быть не только измерены с помощью приборов, но хорошо известны «в быту»: если, например, кирпич упадет на голову, можно не сомневаться в том, что вы на практике столкнулись с гравитацией. Электромагнитные взаимодействия также хорошо знакомы каждому человеку, поскольку самые разнообразные физические, химические, биологические явления зависят от электромагнетизма.

Однако более 80 лет назад из микромира поступили тревожные сигналы о том, что классическая физика не в состоянии описать явления, происходящие в масштабах отдельных атомов. Хорошо известно, что согласно классической теории электромагнетизма электрон в атоме должен «упасть» в конце концов на атомное ядро из-за непрерывного излучения энергии. С этим и другими парадоксами оказалась в состоянии справиться лишь квантовая теория поля.

Нельзя не вспомнить о том, что великий Эйнштейн не принимал квантовой теории в ее современном виде, хотя именно он (и здесь мы опять сталкиваемся с парадоксами истории науки) наряду с Планком заложил фундамент квантовой физики. Кстати, Нобелевскую премию по физике Эйнштейн получил за создание теории фотоэффекта. А ведь фотоэффект по своей природе является типичным квантовым явлением. Эйнштейн работал над этим в 1905 году. Затем возникла квантовая механика, в частности появилось знаменитое соотношение неопределенностей Гейзенберга, налагающее ограничения на одновременное определение координаты и импульса частицы.

Суть квантовой теории (а именно она вызывала неприятие у Эйнштейна) состоит в том, что, располагая даже максимальной информацией о физической системе, квантомеханический подход определяет лишь вероятность того или иного события в микромире и не предсказывает точного поведения системы.

«Бог в кости не играет», — говорил Эйнштейн, отрицая вероятностный подход квантовой физики к описанию физических явлений. В течение последних лет своей жизни Эйнштейн пытался создать единую теорию поля, общую классическую теорию, классическую в том смысле, что физические явления в ней должны полностью описываться, если известны значения всех рассматриваемых физических переменных. Мы знаем, что на этом пути Эйнштейн потерпел неудачу. Но титаническая игра гения с природой навсегда останется в истории человеческой культуры как один из наиболее ярких и драматических моментов.

Однако вернемся к ОТО. Я уже говорил о том, что эффекты ОТО наиболее выпукло проявляются в сильных гравитационных полях. Так почему же мы заговорили о границах ее применимости? «Узкое место» здесь — сингулярность, начало расширения Вселенной.

Совершенно ясно, что если считать сингулярность точкой, математической абстракцией, то нечего вообще говорить ни о каких физических законах в этой точке. Но дело в том, что Вселенная материальна; грубо говоря, мы знаем, что она имеет вес. Именно поэтому реальное вещество, материя всегда будет занимать какой-то конечный, отличный от нуля объем.

Поскольку поведение Вселенной во времени описывается уравнениями ОТО, то вопрос о границах применимости этих уравнений на ранних стадиях Вселенной в условиях экстремально малых размеров и экстремально больших плотностей вполне правомочен. Пространство — время чудовищно искривлены, и, поскольку мы стремимся к сингулярности, речь идет уже не о маковом зернышке, а о гораздо меньших объемах. Не могут ли здесь играть роль квантовые эффекты?

Когда теоретики начали исследовать этот вопрос, то оказалось, что «ответ» на него был дан в конце прошлого века, то есть когда ОТО еще не была создана. «Ответ» был дан М. Планком, одним из творцов квантовой физики. Планк ввел свою знаменитую постоянную h (ħ = h/2π) в теорию излучения в 1899 году и тогда же, добавив к ней скорость света c и постоянную тяготения G, показал, что из этих констант можно составить величины любой размерности, например плотность, длину. Так, чтобы из h, с и G получить длину, необходимо извлечь квадратный корень из величины Għ/c^3.Тогда получается так называемая планковская длина ln =  = 10–33 см.

Планковское время tn = ln/c = 5,3 · 10–44 сек., а планковская плотность ρn = c^5/G^2ħ = 5 · 10^93 г/см^3.

Очень интересно отношение самого Планка к этим постоянным. Он, как, впрочем, и любой другой великий физик, считал, что цель физики — объяснение устройства мира. Планк глубоко верил, что наука не должна нести в себе отголоски индивидуального мышления, физические законы должны быть абсолютны во всей Вселенной.

«Эти единицы, — писал он, — сохраняют свое естественное значение до тех пор, пока справедливы законы тяготения, оба начала термодинамики и пока остается неизменной скорость распространения света в вакууме». И далее: «…мы получаем возможность установить единицы длины, массы, времени и температуры, которые не зависели бы от выбора тех или иных веществ и обязательно сохраняли бы свое значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных и нечеловеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве „естественных единиц измерений“».

Глубокие идеи Планка не потеряли своего значения и сегодня, спустя более 80 лет. Планковские константы сегодня считаются предельными в физике величинами. Внимательно посмотрите на них еще раз. Именно на планковской длине перестает «работать» ОТО. На этом масштабе плотность вещества чудовищна. Она неизмеримо превышает плотность атомного ядра. Эти величины очень трудно представить себе наглядно. Действительно, ядерная плотность равна примерно 10^14 г/см^3. Другими словами, один кубический сантиметр атомных ядер весил бы сто миллионов тонн. А планковская плотность вещества превышает ядерную на 80 порядков! Единица с 80 нулями!

И здесь в сверхсильных гравитационных полях начинают возникать квантовые эффекты. Отметим, что когда речь идет о квантовых эффектах в условиях сильной гравитации, то, быть может, сами понятия «пространство» и «время» теряют привычный для них смысл. Как хорошо сказано в книге Я. Зельдовича и И. Новикова «Строение и эволюция Вселенной»: «Насколько легко найти область, где важны квантовые явления, настолько же трудно выяснить, что происходит в этой области. Здесь становится трудно даже сформулировать проблему».

Действительно, задача о ранней, «планковской», Вселенной исключительно сложна. Мы просто не знаем, как ведет себя вещество, что оно собой представляет в этих бесконечно малых масштабах длин, сочетающихся с бесконечно большими плотностями и температурами.

Экспериментаторы «добрались» пока до длин порядка лишь 10–16 см. Это мир элементарных частиц, сверхвысоких энергий, и именно поэтому физика ранней Вселенной теснейшим образом смыкается с физикой микрокосмоса. К сожалению, как сказал лауреат Нобелевской премии по физике С. Вайнберг, «незнание микроскопической физики стоит как пелена, застилающая взор при взгляде на самое начало».

Остатки взрыва сверхновой. Снимок в рентгеновских лучах.

Космология оперирует с еще меньшими расстояниями и большими энергиями, чем те, что привычны для физики элементарных частиц. Ведь рассматривая самые ранние этапы, мы неизбежно приходим к какому-то моменту времени (порядка планковского), когда классическая ОТО неприменима. Здесь предстоит еще огромная работа. Как заметил в одной из своих статей академик Я. Зельдович, опасности безработицы в космологии не существует.

Посмотрим, что говорят о веществе ранней Вселенной самые общие принципы и уравнения современной физики, а потом поговорим немного об «очень-очень ранней» Вселенной, некоторых перспективах и трудностях в решении этой увлекательной задачи. При этом мы не сможем обойтись без знания современной классификации элементарных частиц. Именно о них сейчас и пойдет речь. Следует, правда, отметить, что понятие элементарности в последние годы сильно пошатнулось.

Микрофизика

Итак, два новых определения: адроны и лептоны. Адроны — сильновзаимодействующие частицы, образующие атомные ядра — протоны и нейтроны, а также нестабильные тяжелые частицы пи-мезоны, к-мезоны, лямбда-гипероны и другие. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях и объединяют в один класс большинство легких частиц — нейтрино, мюоны и электроны; есть еще, разумеется, и безмассовые фотоны.

Чрезвычайно важно то обстоятельство, что адроны взаимодействуют друг с другом гораздо сильнее, чем лептоны. Химические связи между атомами в молекулах во много миллионов раз слабее, чем силы, удерживающие атомное ядро от распада. Ядерные силы внутри ядра намного, примерно в 100 раз, сильнее электрических сил отталкивания. Ведь протоны согласно закону Кулона должны были бы разлетаться друг от друга, так как они несут положительный заряд. Но, как только им удается сблизиться достаточно тесно (атомное ядро!), главную роль начинают играть так называемые сильные взаимодействия; именно они и стабилизируют структуру атомного ядра, свободно преодолевая взаимное отталкивание десятков протонов. Но при повышении температуры, ближе к началу мира, атомные ядра уже становятся неустойчивыми. Более того, при высоких температурах начинает проявляться неэлементарность адронов.

Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из «более» элементарных частиц — кварков. Если эта теория верна (а она получает сейчас убедительные доказательства в различных экспериментах), то при температуре около нескольких тысяч миллиардов градусов Кельвина адроны, по-видимому, уже не могут существовать, они разбиваются на составляющие их кварки, точно так же, как атомы при нескольких тысячах градусов распадаются на ядра и электроны, а ядра, в свою очередь, при миллиарде градусов — на протоны и нейтроны.

Кварки, вообще говоря, поразительные частицы, задающие и по сегодняшний день немало работы как теоретикам, так и экспериментаторам. Дело в том, что внутри адрона они ведут себя как каторжники, скованные цепями. Пока цепи не натянуты, кварки относительно свободны, но только относительно: стоит чуть увеличить расстояние между ними — и они оказываются прочносвязанными. Как принято говорить, свобода их асимптотическая.

Итак, все адроны состоят из кварков. И возникает естественный вопрос: где же предел элементарности частиц? Ведь сравнительно недавно круг элементарных частиц был ограничен нейтронами, протонами, электронами и фотонами. А сейчас, мало того, что одних адронов порядка сотни, оказалось, они неэлементарны, состоят из кварков, антикварков. Неужели в микромире работает принцип «русской матрешки»?

Мы опять не можем ответить на этот вопрос. Физике неизвестна сегодня модель праматерии. Как сказал член-корреспондент Академии наук СССР Л. Окунь, «ярмарочное обилие и разнообразие элементарных частиц» действительно наталкивает на мысль о существовании истинной элементарности. Ведь с эстетической стороны, а эстетичность, вообще говоря, почти всегда была одним из критериев правильности в теоретической физике, гораздо естественнее существование небольшого числа «истинно элементарных» частиц. Они уже имеют и названия — пракварки, метакварки, преоны, ришоны, глики, максимоны. Но… названия есть, а теории праматерии нет.

Подходы к этой общей теории, которая должна в конечном итоге связать микро- и макромиры, в центре внимания и физики элементарных частиц, и космологии. Почему?

Мы уже говорили о гравитационном и электромагнитном взаимодействии в физике. Но сегодня известно еще два типа взаимодействий. Это уже упоминавшееся сильное и так называемое слабое взаимодействия. Слабые силы взаимодействия названы так потому, что на масштабах длин порядка размеров ядер они слабее не только сильных (ядерных), но и электромагнитных. Тем не менее роль их в природе огромна. Не будь слабых взаимодействий, были бы невозможны процессы, лежащие в основе термоядерных реакций, происходящих в недрах Солнца. Другими словами, если бы не было слабых взаимодействий, погасло бы Солнце! Поистине мал золотник, да дорог!

Эти два типа взаимодействия обладают очень малым радиусом действия: сильное работает на расстоянии порядка 10–13 сантиметра, а радиус действия слабого по порядку величины составляет около 10–16 сантиметра.

Сейчас на повестке дня с особой остротой стоит проблема создания единой основополагающей теории, объединяющей все известные силы. Пока удалось объединить электромагнитные и слабые силы. Возникла модель так называемых электрослабых взаимодействий. На очереди — модели великого объединения, или, как их еще называют, гранд-модели. Совершенно ясно, что законченная гранд-теория должна с единых позиций объяснить действие всех сил в микромире.

Это очень многообещающее направление в физике. Гранд-модели предсказывают массу удивительных вещей и, в частности, распад протона. Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить это явление, осуществить, как считают многие физики, эксперимент века. В случае успеха Природа воздаст должное пытливости человеческого ума.

Физика микромира, так же как и физика макромира, имеет дело с огромными энергиями. Недаром в разных странах мира: в СССР, в США, Швейцарии, ФРГ — построены ускорители, на которых удается исследовать частицы с энергиями порядка сотен ГЭВ. Эта энергия соответствует температурам в миллион миллиардов градусов. Может ли современная экспериментальная физика подняться еще выше по шкале энергии?

Тридцать с лишним лет назад Э. Ферми выдвинул идею ускорителя-гиганта, опоясывающего весь земной шар. Такой ускоритель представлял бы собой расположенное в космосе огромное кольцо вокруг Земли с радиусом около 7 тысяч километров. Это дало бы возможность достигнуть энергий в 10^7–10^8 ГЭВ, или 10^20–10^21 K. Ясно, что постройку такого ускорителя нельзя назвать делом ближайшего будущего.

Попытки разработки гранд-моделей, где при еще более высоких энергиях объединяются и электрослабые, и сильные взаимодействия, требуют энергии порядка 10^14–10^16 ГЭВ (10^26–10^28 К!). Для получения таких энергий нужно было бы построить кольцевой ускоритель порядка размеров Солнечной системы. Это уже чересчур не только для физики обозримого будущего, но и для научной фантастики. Ведь пока диаметр самого большого кольцевого ускорителя — «всего» 2,2 километра.

При переходе к высоким энергиям порядка 10^14 ГЭВ мир элементарных частиц должен стать в известном смысле проще. Ярмарочное обилие их должно «испариться» и число частиц существенно уменьшиться.

Здесь уместна следующая аналогия. Число минералов на Земле исчисляется несколькими тысячами. Но Давайте начнем увеличивать температуру Земли. Стоит нам достичь двух-трех тысяч градусов, когда плавятся самые тугоплавкие минералы, — и мы будем иметь достаточно гомогенную жидкость. Это будет расплав, не содержащий ни одного минерала. В нем будут присутствовать лишь элементы таблицы Менделеева, а их всего около сотни. Охладим его, и по мере охлаждения в нем начнут возникать множество самых различных типов минеральных зерен. Быть может, именно так, по мере перехода к неизмеримо более высоким температурам происходит некоторое «упрощение» системы элементарных частиц.

Но так ли на самом деле оптимистично выглядят перспективы теории элементарных частиц? Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий — действительно триумф теоретической физики, причем триумф, увенчанный убедительным экспериментом. Мы знаем теперь, как ведет себя вещество и что оно собой представляет до энергий 100 ГЭВ. Но насколько справедлива экстраполяция на энергии 10^14 ГЭВ? Ведь здесь разница в 12 порядков, в тысячу миллиардов раз?

Нельзя исключить того, что здесь мы можем столкнуться с неизвестными явлениями, с новой физикой. Большинство физиков не верит, что между энергиями в 10^2 ГЭВ и 10^14 ГЭВ лежит «пустыня», что здесь не могут проявиться какие-то новые явления, и поэтому вопрос о том, какие частицы можно считать истинно элементарными, остается открытым.

Нам же важно сейчас отметить следующее. В нашем мысленном эксперименте мы начали сжимать Вселенную для того, чтобы посмотреть, что будет при этом с веществом. Мы дошли до энергии в сотни ГЭВ. Здесь есть эксперимент, здесь можно с уверенностью сказать, что физика дает хорошие прогнозы по интересующему нас вопросу. Теперь можно подвести некоторые итоги.

Этой энергии соответствует температура 10^15 K. Ясно, что ни атомных ядер, ни протонов, ни нейтронов при такой температуре нет. Есть лишь частицы, претендующие на роль истинно элементарных: лептоны, фотоны да вырвавшиеся на свободу кварки. Весь этот кварко-лептонный суп находится в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Это означает, что концентрация частиц поддерживается постоянной, скорости их рождения и гибели равны.

Можно, конечно, пойти дальше и пытаться смотреть, что будет с веществом при более высоких энергиях. Теоретики выпустили огромное количество работ, посвященных этой теме. Но, во-первых, твердо установившейся теории здесь нет, во-вторых, когда мы приближаемся к планковскому порогу, мы волей-неволей должны рассматривать Вселенную, радиус кривизны которой меньше размеров элементарных частиц, с плотностью вещества, достигающей 10^94 г/см^3. Это, вообще говоря, terra incognita для современной физики, и вряд ли кто-либо возьмется сказать, что представляет собой сверхплотная Вселенная. Можно надеяться, однако, лишь на то, что в этих экстремальных условиях применимы понятия плотности энергии и давления. Мы чуть позднее в самых общих чертах поговорим об очень-очень ранней Вселенной, а пока попытаемся описать ее начиная с времен от 10–10 секунды после Большого Взрыва.

Здесь при температурах 10^15 K и плотностях, больших, чем плотность атомных ядер, основную роль играют адроны, лептоны и фотоны. Их энергия очень велика, а поскольку их много, они дают основной вклад в плотность энергии и определяют динамику расширения Вселенной.

В самой Вселенной в это время непрерывно идут реакции рождения пар частиц и античастиц, например, электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов: γ + γ  e+ + e–; происходят также реакции между электронами и позитронами с образованием нейтрино и антинейтрино: e+ + e–  ν + ν–.

Для нас очень важно сейчас не забыть о кварках. Ведь именно кварки по мере остывания Вселенной образуют нейтроны и протоны; кроме этого, они участвуют в реакциях образования мезонов. Период свободной жизни для кварков кончается при энергиях 1 ГЭВ: они попадают в адронный «мешок» и навсегда становятся «невидимками», давая жизнь новым фундаментальным частицам.

Плотность упала до значений 10^14 г/см^3, прошла одна десятитысячная доля секунды после начала Большого Взрыва. Именно в эти моменты времени начинается так называемая адронная стадия эволюции Вселенной. Она продолжается недолго, чуть меньше секунды, но за этот короткий промежуток времени происходит очень много важных событий.

Температура еще достаточно высока, и в условиях обилия высокоэнергичных лептонов непрерывно идут реакции взаимных превращений нейтронов и протонов:

p + e–  n + ν

p + ν–  n + e+

При температуре больше 10^11 K концентрации протонов и нейтронов примерно одинаковы. Но с понижением температуры концентрация протонов возрастает. Действительно, ведь масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому в указанных выше реакциях образование протона при определенной температуре становится более выгодным энергетически. С дальнейшим понижением температуры эти реакции вообще прекращаются, и мы уже имеем дело с «замороженными» концентрациями протонов и нейтронов во Вселенной, когда Снейтр./Спрот. ≈ 0,15.

Здесь возникает естественный вопрос. Ведь во время адронной эры во Вселенной должны присутствовать как частицы, так и античастицы. А речь шла сейчас лишь о протонах. Где же антипротоны? Почему наша Вселенная несимметрична в зарядовом отношении? Почему в ней есть вещество и почти нет антивещества?

Вопрос этот очень сложный и, нужно сказать честно, не имеющий на сегодняшний день окончательного решения. Более того, некоторые ученые, например лауреат Нобелевской премии по физике X. Альвен, считают, что антивещество представлено во Вселенной на паритетных началах с обычным веществом. Большинство ученых находит, что X. Альвен не прав. Но в науке голосование не принято, и на поставленные вопросы надо пытаться давать исчерпывающий ответ.

Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате аннигиляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутствие звезд и планет из антивещества.

С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая другие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, поскольку антивещество излучает фотоны так же, как и обычная материя. Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немногочисленных сторонников.

Тем не менее гипотеза зарядовой асимметрии Вселенной имеет веские экспериментальные подтверждения. Дело в том, что обычное вещество во Вселенной присутствует заведомо. Если бы какие-то галактики состояли из антивещества, то в космосе должны были интенсивно проходить процессы аннигиляции электронов и позитронов, а также протонов и антипротонов. В результате в спектрах гамма-излучения этих галактик должен был бы наблюдаться избыток квантов с энергией ~ 0,5 МЭВ. Но подобный факт не удалось отметить в наблюдениях.

Вещество Вселенной все-таки состоит, по всей видимости, из протонов. Почему? Здесь мы должны вернуться снова в область высоких температур и объединения взаимодействий, когда могли идти экзотические реакции рождения кварков и антикварков.

Так вот, работами последних лет достаточно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рождаться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три миллиарда антикварков должно родиться 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и антикварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка «упадут» со временем в адронный «мешок» и образуют протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон приходится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.

Таким образом, вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из вещества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.

Мы остановились на моменте времени в развитии Вселенной, когда установилось определенное отношение между нейтронами и протонами. Следующий важный процесс в расширяющейся горячей Вселенной — начало синтеза элементов.

До сих пор Вселенная представляла собой горячий котел, заполненный лишь частицами. С понижением температуры появляются условия для образования простейших атомных ядер. Прошло чуть больше ста секунд, температура упала до миллиарда градусов. Почему эта температура критична для нас? Собственно, не для нас, конечно, а для физики ранней Вселенной. Да просто дело в том, что энергия фотонов и лептонов уже недостаточна при этой температуре, чтобы развалить при ударе ядро атома.

Заметим, что субстрата для образования атомов водорода в ранней Вселенной более чем достаточно. Это протоны и электроны. А вот при миллиарде градусов начинается уже синтез ядер атома гелия. Этот синтез проходит в несколько этапов. Сначала протоны захватывают нейтроны и образуются ядра дейтерия: р + n → D + γ. Два ядра дейтерия, взаимодействуя между собой, могут образовать изотоп гелия гелий-3 и изотоп водорода — тритий:

D + D → 3H + p

D + D → 3He + n → 3H + p.

Далее тритий, взаимодействуя с дейтерием, дает окончательно гелий-4:

3H + D → 4He + n.

В этих условиях, казалось бы, самое время «свариться» и другим элементам, более тяжелым, чем водород и гелий. К примеру, почему бы путем столкновений между теми же ядрами гелия или ядер гелия с нейтронами и протонами не получить новые элементы?

Но природа поставила здесь барьер, и барьер этот непреодолим: не существует стабильных изотопов с массой 5 или 8. Поэтому в гигантской водородной бомбе, которой была наша Вселенная миллиарды лет назад, синтезировались лишь легкие элементы — водород, гелий да немного лития. Разумеется, сегодня мы видим вокруг нас не только гелий и водород, но и массу других элементов. Но для образования этих элементов нужны другие условия, нежели те, что были в ранней Вселенной. В частности, нужна большая температура и плотность в течение более длительного времени. Когда в дальнейшем мы будем говорить о звездах, мы увидим, как синтезируются в природе более тяжелые элементы.

Процесс синтеза ядер легких элементов продолжался около трех минут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез гелия прекратился, и теперь уже «заморозились», то есть остались неизменными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия — 30.

Необходимо заметить, что отношение концентраций ядер гелия и водорода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использоваться для проверки правильности той или иной космологической модели. Оценки содержания гелия в горячих звездах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает достаточное основание для подтверждения правильности «стандартной» теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).

Кроме термоядерного синтеза легких элементов, в первые секунды происходил еще один очень важный и бурный процесс. Мы уже говорили о том, что в состав горячего вещества Вселенной входили лептоны — легкие частицы, и сейчас нам надо посмотреть, что происходило с электронами, позитронами и нейтрино по мере остывания гигантского первичного котла. При температурах выше примерно пяти миллиардов градусов электроны и позитроны присутствуют в раскаленной плазме в одинаковых концентрациях. Конечно, реакции аннигиляции, происходящие при столкновении электрона и позитрона, идут при любой температуре: e+ + e– → 2γ; e+ + e– → 2ν + ν–. Но при высокой температуре эти реакции компенсируются процессом рождения пар: γ + γ → e– + e+ или ν + ν– → e+ + e–.

С падением температуры реакции аннигиляции становятся «главными», так как энергии частиц для рождения пар уже не хватает.

Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачен даже наш земной шар. Поэтому примерно через 0,3 секунды после Большого Взрыва нейтрино начинают «игнорировать» все вещество Вселенной (включая, конечно, и электроны с позитронами). Их число уже не меняется. Говорят, что произошло отделение нейтрино от вещества. Этот процесс происходит при температуре больше десяти миллиардов градусов.

С понижением температуры продолжает играть роль реакция рождения электронов и позитронов из энергичных фотонов, но при пяти миллиардах градусов идет уже только реакция аннигиляции. Это приводит к тому, что излучение становится главной, основной частью Вселенной.

Реакции аннигиляции несколько подогревают наш мир, но конец взаимодействия лептонов, конец лептонной эры уже близок. Ее сменяет эра радиации, или, как ее еще называют, эра фотонной плазмы. Напомним, что число фотонов в миллиард раз превышает к этому моменту число выживших протонов.

Итак, бурная молодость Вселенной закончилась. Она была непродолжительной. Что значат несколько минут по сравнению с многими миллиардами лет?

Но именно эти несколько минут определили весь будущий облик нашего мира. Изменись хоть немного темп расширения Вселенной в эти первые сотни секунд, изменился бы и химический состав Вселенной. Например, если бы «замораживание» нейтронно-протонного состава произошло раньше, чем через одну секунду после Большого Взрыва, то бóльшая часть вещества Вселенной состояла бы не из водорода, а из гелия, и наверняка мы имели бы совершенно другой мир, чем тот, который перед нами сегодня.

Итак, когда прошли процессы аннигиляции, главную массу вещества Вселенной составляли фотоны, нейтрино и примесь высокотемпературной нейтральной плазмы, состоящей из протонов, ядер атомов гелия и электронов. Нейтрино, как мы уже говорили, с веществом не взаимодействует, а фотоны, наоборот, энергично рассеиваются на электронах, и поэтому вещество для них непрозрачно. Но с понижением температуры фотоны постепенно теряли свою энергию и в конце концов, когда «термометр» стал показывать примерно 4000 K, начались процессы рекомбинации электронов и ядер атомов гелия.

Энергии фотонов уже недостаточно, чтобы ионизировать атомы, и во Вселенной появляются сначала атомы гелия, а затем и водорода, который становится главным элементом мира.

Процесс рекомбинации начался, когда Вселенной было около 300 тысяч лет, и закончился еще через 700 тысяч лет. Этот период также очень важен для космологии. Фотоны, как мы знаем, взаимодействовали с высокотемпературной плазмой, и она была для них непрозрачной. Но, как только гелий и водород стали нейтральными, фотоны получили возможность распространяться свободно, произошло, как принято говорить в космологии, отделение вещества от излучения. С этого момента Вселенная стала прозрачной для фотонов, а они продолжали остывать по мере расширения Вселенной.

Как мы знаем по температуре реликтового излучения, «остыли» они довольно сильно, от 4000 K до 3 K, то есть температура уменьшилась за это время более чем в тысячу раз. Ну а Вселенная соответственно увеличила свои размеры примерно в тысячу раз.

Итак, мы остановились на моменте времени, когда Вселенная еще молода. Ей примерно миллион лет. Она заполнена фотонами, водородом, гелием и нейтрино. Правда, многие физики уверены в том, что есть еще целый зоопарк различных таинственных частиц, в частности гравитонов и монополей.

В принципе на этом можно было бы и закончить рассказ о детстве нашей Вселенной, о первых этапах ее эволюции, и перейти к таким интересным вопросам, как образование звезд и галактик. Но мне хотелось бы, быть может, в нарушение законов жанра научно-популярной литературы, снова коротко обсудить ранние этапы развития мира. Дело в том, что эта часть нашего рассказа, с одной стороны, была перенасыщена информацией, а с другой — эта информация носила довольно расплывчатый характер. И чтобы не сложилась ситуация, когда за деревьями не видно леса, попробуем взглянуть снова на главные моменты эволюции и на некоторые нерешенные вопросы.

Новые подходы

Итак, самое начало рождения, планковское время 10–43 секунды. Плотность вещества 10^94 г/см^3. Температура 10^32 K.

В этом случае более удобно (и понятно) говорить о том, что Вселенная заполнена самыми различными видами излучения, полями чудовищной плотности. Частиц нет.

Итак, эта смесь различных типов излучений начинает расширяться. Почему? Неизвестно. Это первая фаза Большого Взрыва. Попытки описать поведение этих самых-самых ранних стадий Вселенной ограничены на сегодняшний день несовершенством физики. Многие физики полагают, что вот-вот будет создана «идеальная» физическая теория, позволяющая объяснить «все», в частности, такой вопрос: имеет ли время начало, что происходит в допланковскую эпоху?

На эти вопросы нельзя закрывать глаза. Ведь с чисто философской точки зрения планковские константы не должны ограничивать уровень нашего познания. Сейчас физики думают, что на расстояниях меньше 10–33 сантиметра континуум пространства-времени распадается, приобретает структуру, напоминающую мыльную пену, где каждый пузырь появляется за счет квантовых флуктуаций гравитационного поля. Я уже не говорю о том, что при гигантских энергиях, соответствующих планковским масштабам, многие частицы, считающиеся сейчас элементарными, например кварки, могут быть вовсе не элементарны. И перед физикой элементарных частиц, и перед космологией стоит, как Эверест, проблема создания единой теории объяснения мира.

Может показаться забавным тот факт, что эта теория уже имеет название — супергравитация. Название, бесспорно, красивое, но о предсказательной силе этой теории пока еще нечего говорить. Выдающийся физик современности С. Хокинг полагает, что к концу нашего столетия теоретическая физика будет закончена как наука, другими словами, реализуется мечта Эйнштейна о создании полной единой теории, описывающей мир. Бесспорно, бурное развитие науки дает известные основания для подобной точки зрения, но… Природа любит делать сюрпризы, и современная физика вряд ли от них застрахована.

Сегодняшняя физика берется объяснить все или почти все, что происходило во Вселенной, начиная с времен 0,01–1 секунды от Большого Взрыва. Этому в немалой степени способствует состояние термодинамического равновесия на самых ранних этапах жизни Вселенной. Огромные температуры обеспечивали это равновесие.

Почему равновесие так важно для последующей истории вещества? Почему мы можем не обращать внимания на то, что было в момент времени, скажем 10–20 секунды, а сразу «начать» с 10–2 секунды? Да по той простой причине, что если вещество находится в состоянии термодинамического равновесия, оно «не помнит» своей предыстории, ему, веществу, совершенно безразлично, каким путем его «довели» до состояния равновесия.

Простой пример. Вода в чашке на столе находится в равновесии с собственным паром при температуре, скажем, 20 °C. Но я могу получить эту воду самыми различными путями. Можно, например, нагревать кусок льда от температуры, близкой к абсолютному нулю, до комнатной, причем это можно делать в течение года или часа. Можно, наоборот, сконденсировать водяной пар из горячих вулканических источников. Можно развалить молекулы воды на атомы, получить гремучий газ, взорвать его и иметь в конце концов ту же чашку с водой. Молекулы воды памяти не имеют. Их поведение в чашке будет определяться только температурой и давлением в комнате.

То же самое и со Вселенной. Раз мы знаем, что она в равновесии в момент времени 0,1 секунды, нам, с точки зрения термодинамики, все равно, что с ней было до этого момента. Подтверждение удивительной эффективности методов теоретической физики в космологии мы находим в многочисленных наблюдательных данных. Здесь и красное смещение далеких галактик, и изотропность реликтового фона, и распространенность легких элементов. Но чем дальше мы пытаемся заглянуть в глубины времени, тем больше подводных камней возникает на нашем пути.

Пытливому уму человека мало одной сотой секунды, когда он может разобраться достаточно аккуратно с физическими процессами, происходящими в мире после его рождения. И сегодня появляются такие теории и модели мира, по сравнению с которыми бледнеют сюжеты самых смелых фантастических романов. Естественно, что эти модели создаются не на песке. Их появление стимулировано тем обстоятельством, что стандартная модель Фридмана сталкивается с существенными трудностями при попытках экстраполяции ее на раннюю эпоху.

Один пример. Почему Вселенная на больших масштабах столь однородна и изотропна? Реликтовое излучение в любой точке неба имеет с очень высокой точностью одинаковую температуру. Но это означает, что в далеком прошлом разные точки пространства, которые не могли ничего «знать» друг о друге, имели одинаковую температуру. Почему? Эта проблема имеет название проблемы горизонта, так как точки пространства, о которых мы говорили, не могли «видеть» друг друга, не могли обменяться сигналами, одна точка по отношению к другой находилась как бы за горизонтом.

Есть и другие трудности в стандартной модели. Для их преодоления недавно была разработана так называемая теория раздувающейся Вселенной, в рамках которой решается и проблема горизонта, и целый ряд других трудностей. Эта теория оперирует с такими удивительными понятиями, как «ложный вакуум», энергия которого в процессе раздувания мира переходит в обычную горячую плазму стандартной модели.

Но это еще не все. Согласно этой теории наблюдаемая Вселенная составляет ничтожную часть мира как целого. В мире может быть много «пузырьковых» вселенных, образовавшихся из полостей в ложном вакууме.

Фактически мы подходим здесь к идее, противоречащей на первый взгляд здравому смыслу, к идее рождения вселенных «из ничего». Эта идея, как пишет один из ее сторонников, кажется абсурдной всем, кроме теоретиков.

Модель раздувающейся Вселенной ставит очень трудные (сегодня, быть может, непреодолимые) задачи при «переводе» понятий, которыми она оперирует, на обычный, доступный каждому человеку язык. Так, например, академик Я. Зельдович использует вместо термина «ложный вакуум» термин «состояние», но суть дела от этого не меняется: во-первых, нелегко наглядно представить себе этот самый ложный вакуум, а во-вторых, если бы в модели раздувающейся Вселенной использовалось только это понятие, автору было бы, наверное, легче. Но когда даже в популярном изложении модели говорят о «доменах с переходом типа медленного скатывания», заранее предполагается знакомство читателя с разновидностями теорий великого объединения, квантовой хромодинамикой и т. д.

Поэтому, на мой взгляд, попытка «переложения» модели на обычный язык неизбежно будет связана с ее профанацией. Вот почему я сразу перешел к некоторым выводам из этой модели, которые, естественно, при такой манере изложения придется принять на веру.

Итак, мы упомянули о доменах. Это область пространства, содержащая нашу Вселенную. Модель раздувающейся Вселенной по-новому заставляет взглянуть на структуру нашего мира. Так, если на некотором этапе раздувания вся наблюдаемая Вселенная была размером с теннисный мяч, то вся область расширения (домен), в которой она умещалась, могла быть на 10–20 порядков больше. И таких доменов с разными вселенными могло быть много. Вывод состоит в том, что только малая часть пространства-времени мира в целом в ходе эволюции превращается во Вселенную.

Здесь мы вступаем в область довольно смелых спекуляций. Прежде чем совершить этот рискованный шаг, мне хотелось бы подчеркнуть, что на временах, больших, чем 10–30 секунды, темп расширения в модели раздувающейся Вселенной совпадает со стандартной фридмановской моделью. Само раздувание происходит в первые ничтожные доли секунды после «начала» и заканчивается примерно через 10–30 секунды. Главное, что отличает фридмановскую модель от модели раздувающейся Вселенной — геометрические факторы, о которых мы только что говорили.

Сценарий раздувающейся Вселенной имеет дело с картиной мира, в корне отличающейся от картины мира Фридмана, в которой между понятиями «мир» и «Вселенная» можно было поставить знак тождества. Вместо однородной и изотропной Вселенной мы получили мир предельно неоднородный и неизотропный, состоящий из множества огромных доменов размером 10^50–10^100 сантиметров. И лишь в одном из них словно дырка в куске хорошего швейцарского сыра сидит наша наблюдаемая Вселенная размером «всего лишь» в 10^28 сантиметров.

Физические же параметры этой экзотической модели (температура, плотность энергии) через 10–30 секунды совпадают полностью с параметрами Вселенной Фридмана. Ну а теперь, если это короткое отступление успокоило читателя, поговорим немного о еще более рискованных вещах.

Я думаю, что вопрос о множественности вселенных — один из самых волнующих как с физической, так и с философской точки зрения. Этот вопрос очень глубокий и содержит в себе массу проблем. Из них главная, бесспорно, следующая. Если существует ансамбль вселенных, то каковы они? Похожи на нашу или нет? И чем, вообще говоря, определяется сходство или различие?

В декабре 1981 года в Таллине состоялся Международный симпозиум «Поиск разумной жизни во Вселенной». Большой интерес вызвал доклад И. Новикова, А. Полнарева и И. Розенталя «Численные значения фундаментальных постоянных и антропный принцип». В этой работе очень наглядно проявился новый (и очень модный) подход к вопросу, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Этот вопрос можно перефразировать следующим образом: почему значения фундаментальных физических констант имеют именно такие значения, которые наблюдаются в нашей Вселенной, а не какие-либо другие?

Сторонники антропного принципа дают достаточно простой ответ: «Вселенная такова, какой мы ее видим, потому, что в ней существуем мы». Этот залихватский ответ не может, разумеется, доставить чувства удовлетворения. Формулировка ответа сама по себе выглядит сомнительной. Действительно, более правильно было бы сказать: «Мы (наблюдатели) существуем потому, что Вселенная именно такая, какой мы ее видим».

Нельзя не согласиться с С. Хокингом, который говорит о том, что должно быть более глубокое объяснение устройства мира, чем то, которое предлагает нам антропный принцип. Это объяснение в первую очередь должно ответить на вопрос, который уже был поставлен выше. Почему скорость света имеет значение 300 тысяч км/сек, а не 500 тысяч км/сек? Почему заряд и масса элементарных частиц такие, а не какие-либо другие, и т. д.

Скажем сразу, что современная физика здесь бессильна. Мы можем говорить сейчас лишь о том, что было бы с Вселенной, если изменить численные значения физических констант. Это очень увлекательная проблема, и существенный вклад в ее решение внес советский физик И. Розенталь. Следуя сейчас, в частности, его идеям, можно обсудить возможный облик ансамбля вселенных с различными значениями физических «постоянных». Основная мысль здесь состоит в том, что даже небольшие их изменения приведут к радикальной перестройке структуры и свойств Вселенной.

Операция варьирования фундаментальных констант может показаться сначала и бессмысленной и неправомочной. Ведь недаром они называются фундаментальными, неизменными. Но… поскольку, с одной стороны, мы подошли к понятию ансамбля вселенных, а с другой стороны — сегодня нам неизвестно, в силу каких причин константы физики имеют именно те значения, которые они имеют, подобная операция выглядит достаточно логично.

Лишь в том случае, если в любой из возможных вселенных в силу каких-то пока неизвестных причин физические константы такие же, как и в нашем мире, ситуация становится тривиальной: в мегамире есть ансамбль одинаковых миров.

Разумеется, слово «тривиальной» использовано здесь в физическом смысле. С философских позиций реализация подобного случая не менее, а быть может, и более интересна, чем ансамбль вселенных с различными физическими константами. Вернемся, однако, непосредственно к предмету нашего обсуждения. Рассмотрим сначала, как будет выглядеть Вселенная, в которой масса электрона будет несколько больше, чем сейчас в нашей Вселенной.

Атом водорода в нашей Вселенной абсолютно стабилен. Он мог бы быть неустойчив при очень высоких температурах ~ 10^10 K, когда энергетически разрешена реакция.

p + e– → n + ν

А при низких температурах эта реакция строго запрещена. Действительно, нейтрон тяжелей протона. В энергетических единицах (вспомним, что E = mc^2) mn – mp ~ 1,3 МЭВ, а me ~ 0,5 МЭВ. Мы видим, что масса электрона существенно меньше, чем разница масс нейтрона и протона. Поэтому указанная выше реакция коллапса атома водорода запрещена. Для того чтобы она «пошла», массу электрона нужно увеличить примерно в три раза.

С помощью квантовомеханических расчетов можно оценить время жизни нового атома водорода с более тяжелым электроном. В случае троекратного увеличения массы электрона время жизни модифицированного водорода будет всего около месяца; если увеличить массу электрона в 4 раза, то новый атом будет жить и того меньше — сутки.

Если мы вспомним, что в нашей Вселенной было 70 процентов водорода и 30 гелия, то сразу видно, что дело плохо. В такой Вселенной невозможна жизнь, поскольку в ней не было бы ни одного атома водорода, ни одной водородсодержащей молекулы. Все звезды и галактики в этой Вселенной состояли бы из одних нейтронов.

Вселенная без водорода получится также и в том случае, если слегка (на проценты) увеличить степень сильного взаимодействия. Тогда оказывается возможным существование стабильного ядра гелия-2:

p + p → 2He + γ

Реакция проходила бы очень быстро, и водород выгорел бы в первые же минуты существования Вселенной. Опять мы получили бы Вселенную без водорода, а значит, и без жизни.

Вариации слабых взаимодействий также коренным образом повлияют на структуру мира. Если мы увеличим константу слабого взаимодействия всего в 10 раз, то время жизни нейтрона станет порядка 10 секунд вместо 10 минут в нашей Вселенной. Но 10 секунд — время весьма малое по сравнению с эпохой космического нуклеосинтеза, а в отсутствие нейтронов нуклеосинтез (образование элементов) просто не мог бы идти. В этом случае мы бы имели Вселенную почти без нейтронов, состоящую только из водорода, — довольно однообразная картина.

Вариации других физических постоянных также сильно искажают облик мира, как и в тех коротких примерах, которые мы сейчас рассмотрели. Константы в этих примерах менялись независимо друг от друга, индивидуально. А что, если попробовать изменить набор констант согласованно? В упоминавшемся уже докладе И. Новикова и других была поставлена именно такая задача. Оказалось, что есть два «острова устойчивости» для существования сложных стабильных структур, но один из них находится в планковской области, где масса каждого объекта порядка планковской массы. В таких вселенных жизнь вряд ли возможна. Наша Вселенная попадает в другую область устойчивости.

Вывод этой работы состоит в том, что могут быть вселенные с слегка другим набором констант, но тем не менее существования жизни в них исключить нельзя. Разумеется, о формах жизни в других вселенных можно строить сейчас лишь совершенно беспочвенные предположения.

Неортодоксальные взгляды

В заключение мне кажется необходимым вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные позиции потому так и названы, что они не находятся в русле генерального направления современной космологии. Но наука тем и хороша, что к ней более, чем к любой другой отрасли человеческой деятельности, применимо выражение: «В спорах рождается истина». А споры по поводу происхождения, эволюции и структуры Вселенной происходят и по сей день.

Форма дискуссий не всегда имеет парламентский характер. Год назад в солидном научном журнале появилась статья X. Альвена — непререкаемого авторитета в области физики плазмы. Название статьи очень симптоматично: «Космология: миф или наука?» Альвену нельзя отказать в том, что он очень четко использует некоторые слабости стандартной модели, в том числе проблемы сингулярности и горизонта. Большинство современных космологов, согласных с моделью Большого Взрыва, он называет «верующими фанатиками» или «верующими Большого Взрыва».

Одно из основных положений, которое защищает Альвен, состоит в том, что Вселенная существенно неоднородна по своей структуре, она имеет клеточное строение. Одна клетка от другой отделяется плазменными стенками, во Вселенной в равных количествах присутствует материя и антиматерия. Вселенная вечна и бесконечна. Альвен делает и более радикальное предположение, отказываясь от ОТО и считая, что мир может быть вполне объяснен в терминах ньютоновской механики.

С идеями Альвена перекликается и космологическая модель Р. Омнеса, который также «предпочитает» зарядово-симметричную Вселенную. Проделав соответствующие теоретические оценки, Омнес сделал вывод об отталкивании нуклонов и антинуклонов при температуре порядка нескольких тысяч миллиардов градусов. При этой температуре горячее вещество превращается в эмульсию, смесь капель вещества и антивещества. Далее, с понижением температуры происходит их разделение в астрономических масштабах. Теория Омнеса вызывает возражения, которые основываются главным образом на наблюдательных астрономических данных. В то же время эта теория, как отмечает Я. Зельдович, «красива», а это, как мы уже говорили, один из важных критериев правильности.

Не один Альвен является приверженцем вечной и безграничной Вселенной. Крупные астрофизики Г. Голд, Г. Бонди и Ф. Хойл (один из наиболее известных астрофизиков XX века и автор ряда научно-фантастических романов) еще в 1948 году выдвинули модель так называемого «стационарного состояния». Эта модель описывает вечно расширяющуюся, безграничную Вселенную. Плотность ее имеет, как это следует из самого названия модели, постоянную величину. Как это может быть, если Вселенная расширяется? Ведь плотность вещества должна в этом случае падать.

Авторы модели стационарного состояния постулируют непрерывное рождение вещества. Если мы вспомним идею о рождении Вселенной из вакуума, то, быть может, рождение частиц, компенсирующих падение плотности из неизвестного с-поля, покажется и не столь удивительным. Рождение частиц происходит по всему пространству, и поэтому теорию стационарной Вселенной называют также теорией непрерывного творения материи.

Интересно, как авторы модели обходят вопрос о реликтовом излучении. Они предполагают (и это предположение в известной мере не является надуманным), что в межзвездном и межгалактическом пространстве могут находиться небольшие частицы графита размерами около 1 миллиметра. Они могут поглощать свет звезд, а затем переизлучать его как раз в форме реликтового фона.

Теория стационарной Вселенной не пользуется сейчас популярностью, поскольку многие данные наблюдательной астрономии свидетельствуют против нее. Но огромный научный авторитет Хойла, Бонди, Голда, их смелые идеи в значительной мере способствовали общему развитию космологии в процессе острейших споров вокруг их модели.

Создание новых моделей имеет под собой очевидную психологическую подоплеку. Теория Большого Взрыва неизбежно сталкивается с проблемой (тайной) сингулярности, камнем преткновения всей современной физики. Поэтому вполне понятно стремление тем или иным путем обойти эту трудность. Сингулярность как дамоклов меч продолжает угрожать космологии, и пока физика не разберется с этой проблемой, не будет стройной и законченной теории происхождения мира. Теорию Большого Взрыва нельзя считать неуязвимой, и поэтому, хотя на сегодняшний день она кажется наиболее правдоподобной, ей придется «держать удары» по слабым местам. А эти удары бесспорно будут наноситься.

Навязчивая идея стационарности мира порождает и другие попытки объяснения красного смещения — одной из основ моделей расширяющейся Вселенной. Очень популярна (среди неспециалистов) мысль о старении фотонов. Суть заключается в том, что кванты света могут терять энергию в пространстве, пока они дойдут до земных наблюдателей. За счет чего происходят подобные потери энергии? Здесь предлагается несколько механизмов. Во-первых, само старение. Но это предположение совершенно не укладывается в рамки современной физики. Во-вторых, рассеяние на пылинках. Но в этом случае красное смещение очевидным образом должно было бы зависеть от длины волны излучения.

Эксперименты решительно противоречат этой идее, демонстрируя равенство смещений для оптического и радиодиапазонов. Тем не менее идея, считающаяся надуманной и неверной, продолжает развиваться и в самое последнее время, лишний раз демонстрируя подсознательную тягу людей к стационарности и покою. Борьба идей в космологии, на мой взгляд, отчетливо показывает, что большая часть человечества по своей природе не приемлет катаклизмов.

В заключение этого краткого обзора «альтернативных» моделей подчеркнем, что, несмотря на некоторые (принципиальные!) нерешенные вопросы в современной космологии, не существует теории, более разработанной и лучше объясняющей эксперимент, наблюдательные данные, чем теория Большого Взрыва.

Будущее Вселенной

Занимаясь вопросом о прошлом нашего мира, мы познакомились с многими удивительными вещами. Сегодняшний мир, содержимое Вселенной, его свойства — предмет дальнейших бесед. Но в космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться, — будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий философский смысл.

В какой-то мере проблема дальнейшей судьбы Вселенной проще, чем проблема начала. Здесь возможны только два (в простейшем случае) варианта. Первый состоит в том, что Вселенная будет постоянно расширяться в течение неограниченного времени. Второй обрекает Вселенную на грандиозную катастрофу — «коллапс в огненной смерти, когда небо становится все горячее и горячее, пока оно наконец не обрушится на нас и не загонит нас в пространственно-временную сингулярность с бесконечной температурой» (Дайсон).

Во втором варианте опять на сцене появляется сингулярность, но на этот раз не порождающая, а уничтожающая наш мир. По крайней мере, в этом случае можно с уверенностью сказать, что жизнь во Вселенной (так, как мы ее понимаем и видим сегодня) исчезнет за миллионы лет до того, как мир сожмется в точку. Избежать этого, быть может, удастся, научившись путешествиям в другие вселенные или предотвращая процесс обратного сжатия, но рассуждения на эту тему сегодня еще преждевременны, человечеству угрожает гибель от термоядерной катастрофы в более обозримое время и от более низких температур, чем в сингулярности.

Чем определяется «выбор» вариантов? Мы уже говорили об этом: значением средней плотности вещества во Вселенной. Эта цифра, несмотря на большое число наблюдательных данных, многочисленные теоретические оценки, известна не с очень высокой точностью. Если учесть только массу галактик, а затем усреднить ее по объему Вселенной, то получится значение средней плотности ρчас = 3 · 10–31 г/см^3. Но, кроме галактик, в космосе есть еще ионизированный газ, черные дыры, потухшие звезды и другие виды материи. Значение средней плотности галактик много меньше значений критической плотности (ρкр = 10–29 г/см^3), при котором фаза расширения обязательно должна смениться фазой сжатия.

Однако в астрофизике существует так называемая проблема скрытой массы — трудно наблюдаемых форм вещества в космосе. Эта масса может находиться как в скоплениях галактик, так и в пространстве между скоплениями. Оценки скрытой массы поднимают значение средней плотности вещества Вселенной почти до ее критического значения. К самой серьезной переоценке ρср (плотности с учетом скрытой массы) привели результаты экспериментов, проведенных в Советском Союзе группой исследователей под руководством В. Любимова. Физика опять столкнулась с ситуацией, когда мир элементарных частиц снова во весь голос заявил о своем прямом воздействии на космологию.

В институте экспериментальной и теоретической физики долгое время изучалось поведение нейтрино, которые до последнего времени считались безмассовыми частицами. Но вот в 1980 году группа В. Любимова опубликовала поистине ошеломляющий результат. Масса покоя нейтрино оказалась отличной от нуля! Очень малой, но все-таки не нуль! Оценки дали значение массы нейтрино около 5 · 10–32 грамма. Нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона.

На первый взгляд это открытие важно лишь для физики элементарных частиц. Но только на первый взгляд. Все дело в том, что нейтрино очень много во Вселенной, не меньше, чем фотонов, а их несколько сот «штук» в одном кубическом сантиметре пространства. Сразу же возникает желание проделать элементарный расчет: умножить вес одного нейтрино на число их в кубическом сантиметре. Результат получается поразительным: ρнейтр. = 10–29 г/см^3, то есть плотность нейтрино примерно равна критической. А тут еще надо учесть, что масса была определена лишь у одного типа нейтрино, а их как минимум четыре. Предполагается, что массы остальных типов нейтрино могут быть больше, чем масса электронного нейтрино, определенная физиками из ИТЭФ.

Если учесть все эти соображения, то средняя плотность материи во Вселенной заведомо больше критической, и, следовательно, расширение должно обязательно смениться сжатием. Чтобы этот вывод не звучал слишком категорично, сделаем оговорку, смысл которой состоит в том, что безусловно следует подождать подтверждения экспериментальных результатов группы Любимова. Если они будут подкреплены независимыми данными, то окажется, что мы живем в нейтринной Вселенной и очень многие ее свойства определяются присутствием в нашем мире этих частиц. Масса обычного вещества в этой Вселенной составляет лишь 3 процента от массы всех нейтрино.

Тем не менее имеющаяся все-таки на сегодняшний день неопределенность в значении средней плотности Вселенной дает нам моральное право рассмотреть альтернативный сценарий ее будущего.

Итак, пусть ρср < ρкр.

Что случится в этом случае с пространством и веществом? Будущую жизнь мира можно разделить на шесть основных этапов. Первый из них займет примерно 10^14 лет. Почему?

Мы знаем из школьных курсов астрономии, что видимое вещество вселенных сосредоточено в основном в галактиках и звездах. Для простоты не будем говорить сейчас о пыли, газе и других формах вещества в космосе. О происхождении галактик и звезд, их дальнейшей судьбе у нас пойдет подробный разговор в следующих разделах книги, а сейчас мы постараемся «сжать» масштаб времени и посмотреть, что с ними будет через сто тысяч миллиардов лет.

Хорошо известно, что звезды светят за счет происходящих в них термоядерных реакций. Но для прохождения этих реакций необходимо топливо. Водород — главное горючее в термоядерных реакциях, а запасы его не беспредельны. Кроме того, чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует ядерное горючее. К примеру, наше Солнце будет работать стабильно, как гигантский термоядерный реактор, еще примерно 10 миллиардов лет.

Затем наступает очередь выгорания других элементов, более тяжелых, чем водород, и в конце концов звезда умирает, перестает светить. Заметим, что у звезд разной массы этот процесс происходит по-разному, но, не вдаваясь сейчас в подробности, еще раз подчеркнем, что через 10^14 лет на небе погаснут звезды.

Параллельно с этими грустными событиями звезды будут терять планеты из-за возмущений орбит при сближении с другими звездами. Это процесс довольно редкий, но, поскольку мы оперируем сейчас огромными промежутками времени, его нужно учитывать.

Мне, правда, не совсем понятно, почему процесс потери планет выделяется некоторыми астрофизиками в отдельную стадию. Во-первых, не все звезды имеют планеты. Во-вторых, масса планет в тысячи, а то и в миллионы раз меньше массы звезды. В-третьих, если звезда гаснет, то не все ли равно обитателям планет, где они находятся: рядом с мертвой звездой или в каком-либо другом месте космоса. Короче говоря, я не вижу смысла выделения потери планет звездами в отдельный этап, но, следуя традиции, замечу, что это займет промежуток времени примерно в 10^17 лет.

Следующий этап в жизни Вселенной действительно грандиозен, и здесь снова центральную роль играет большая шкала времен, на которой уже необходимо учитывать тесные сближения звезд. При таких сближениях одна звезда может передать свою кинетическую энергию другой. В результате такого «обмена» возможен вылет одного из партнеров за пределы Галактики, в то время как другая звезда, потеряв часть своей энергии, приблизится к центру Галактики. Если каждую звезду уподобить молекуле газа, то процесс вылета аналогичен испарению, в связи с чем этот этап в жизни Вселенной был назван испарением галактик.

После «испарения» приблизительно 90 процентов массы Галактики гравитационное поле начнет «подгребать» к центру мертвые звезды и вещество с малой кинетической энергией. Дело кончится тем, что в результате может образоваться сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Этот период можно назвать периодом уборки Вселенной — все «лишнее» уходит в черные дыры.

Часы показывают 10^18 лет. Далее на авансцену опять выступают законы микромира. Мы помним, что теории Великого объединения предсказывают нестабильность протона, его распад. Правда, возможное время этого распада очень велико: все протоны во Вселенной должны исчезнуть через 10^30–10^32 лет.

Если протон действительно нестабилен, то вещество звезд, не проглоченных сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, будет слегка подогреваться при протонных распадах. Самые массивные мертвые звезды будут иметь температуру примерно 100 K, а менее массивные — всего около 3 K.

Итак, через 10^31–10^32 лет во Вселенной не останется протонов. Если на время забыть о существовании черных дыр, то вся Вселенная будет заполнена электрон-позитронным газом, нейтрино и фотонами. Их концентрация будет убывать по мере расширения Вселенной. Никаких особенных изменений не будет происходить еще примерно 10^100 лет.

Заключительный, финальный аккорд в жизни нашего мира связан с квантовым испарением черных дыр. Более подробно мы будем об этом говорить позже, а сейчас напомним читателю, что в 1974 году появилась историческая работа С. Хокинга, в которой было показано, что гравитационная могила, черная дыра не вечна, она очень медленно «испаряется», теряя свою массу в виде квантов света. Но это будет происходить, когда космические часы покажут 10^100 лет. Столь огромный срок трудно себе представить.

Неопределенность наших сегодняшних знаний о значении средней плотности не позволяет сделать точный выбор между двумя вариантами будущей судьбы нашего мира. Остается открытым и вопрос о том, что будет после возможного коллапса Вселенной, произойдут ли повторные Большие Взрывы с последующими повторными Большими Коллапсами?

На этом мы прервем краткое описание космологических проблем, связанных с происхождением и эволюцией нашего мира.

Мы говорили здесь об огромных масштабах расстояний в нашей Вселенной, о смерти звезд, о галактиках, упоминали о черных дырах. Но не было сказано ни слова о том, как люди научились исследовать объекты, находящиеся от Земли на расстояниях многих тысяч световых лет, какими средствами человечество в течение своей истории получало и накапливало сведения об этих объектах. Ведь только гигантский труд многих тысяч астрономов-наблюдателей позволяет, с одной стороны, понять свойства «внеземного» мира, а с другой — использовать данные наблюдательной астрономии для создания непротиворечивой космологической системы мира. И наконец, зачастую именно с помощью этих наблюдений утверждается или отрицается истинность сложнейших теоретических построений.

Астрономы наблюдают

Ян Гевелий (1611–1687) — польский астроном, механик, оптик, художник — и его жена Эльжбета — первая женщина-астроном нового времени — наблюдают звездное небо.

Астрономия древности

Таинственное звездное небо издавна привлекает внимание людей. Нам кажется, что все небесные тела расположены как бы на поверхности огромной сферы, в центре которой находится Земля, и в какой бы точке земной поверхности мы ни оказались, все они расположены одинаково далеко от нас. Если мы внимательно будем смотреть на небо в течение нескольких ночей, то заметим, что в расположении звезд наблюдается определенный порядок и закономерность и этот порядок сохраняется в течение всего времени наших наблюдений.

Наверное, через какое-то время нам захотелось бы отождествить определенные группы звезд на небе с очертаниями знакомых фигур — треугольники, квадраты, буквы. Наши предки давным-давно проделали эту операцию, объединив группы наиболее ярких звезд в созвездия.

Некоторым созвездиям давали названия предметов, которые напоминали человеку очертания фигур, образованных яркими точками на небе (Северная Корона, Треугольник, Стрела, Весы и т. д.).

Значительное число созвездий было названо именами сказочных героев греческих легенд. Например, название шести близких друг другу созвездий — Цефей, Кассиопея, Андромеда, Персей, Пегас, Кит — иллюстрируют известную легенду о Персее и Андромеде. Другие созвездия получили названия животных — Большая Медведица, Лев, Дракон, Малый Пес, Заяц и т. д.

Название по крайней мере одного созвездия связано с исторической реальностью. Жена египетского царя Птолемея III славилась своими удивительно красивыми волосами. Во время военного похода своего мужа в Сирию она была очень обеспокоена и поклялась, что, если Птолемей III вернется живым и невредимым, срежет волосы и поместит их в храме. После удачного окончания похода царица сдержала клятву, но… вызвала тем самым гнев мужа: короткая стрижка царицы с точки зрения моды была несколько преждевременна.

К счастью, ей на помощь пришел придворный астроном Конон Самосский. Он сказал царю, что волосы Вероники уже на небе, чтобы каждый человек мог созерцать их красоту. Царь потребовал доказательств, и находчивый астроном указал ему на группу слабых звезд, которая действительно несколько напоминала волосы. Царь успокоился, а в небе с тех пор рядом с созвездием Гончих Псов появилось созвездие Волосы Вероники.

Сегодня ночное небо разделено на 88 отдельных созвездий.

Созвездия Персея. Возничего. Рыси. Фрагмент «Звездного атласа» Яна Гевелия.

Не только созвездия, но и отдельные звезды (как правило, наиболее яркие) имеют свои названия: Сириус, Вега, Бетельгейзе и др.

Многие тысячелетия истории человечества тесно связаны с наблюдениями небесных светил. Астрономию можно смело считать самой древней наукой, которая возникла отнюдь не на основе абстрактного стремления к познанию. Такие чисто астрономические процессы, как смена дня и ночи, смена времен года, определяли распорядок жизни первобытных племен на самых ранних стадиях развития человечества как вида. Наверное, можно считать, что потребность ориентироваться во времени и пространстве возникла в самые отдаленные эпохи, одновременно с развитием охоты, рыболовства, смены территорий кочевыми племенами.

В дальнейшем без астрономических данных невозможно было бы развитие сельского хозяйства и мореплавания. Итак, движущей причиной астрономических наблюдений были материальные потребности общества. Подтверждением этой мысли является хорошо известный факт независимого возникновения древней астрономии в разных частях света и в разных странах. Здесь и астрономия в Вавилоне, Китае, астрономия древних майя и многих других народов.

Конечно, все это было лишь на самых ранних стадиях развития человечества. Кто скажет сегодня, что исследование красных смещений у квазаров необходимо для путешествия из Европы в Америку или для запуска спутника? Но в древние времена астрономия самым прямым образом влияла на жизнь общества. В частности, необходимость измерять промежутки времени привела к тому, что тщательным образом стал измеряться так называемый синодический период в 29,5 дня, через который повторяются фазы Луны. Луна стала элементом культа у многих древних народов, ей приносились жертвы, первое ее появление и особенно полнолуние отмечалось специальными церемониями. Лунный период стал таким образом самой древней календарной единицей.

Вообще нужно сказать, что развитие человеческой культуры и весь путь нашей цивилизации оказался бы совершенно иным, если бы земная атмосфера была непрозрачной и люди были бы лишены возможности видеть звездное небо. Но человечеству дано счастье общения со звездами, и это общение не только вдохновляло поэтов и философов, но и определило весь путь развития современной науки.

Кажется вполне естественным, что первой астрономической проблемой древней астрономии была проблема календаря. Она особенно остро проявилась с возникновением развитого земледелия. Чисто лунный счет, конечно же, не мог удовлетворить людей, поскольку, например, в более высоких широтах особенно важен годичный период Солнца, ярко проявляющийся в климатических изменениях. Приспособление лунного календаря к солнечному году произошло задолго до нашей эры.

В какой-то мере детальное исследование неба стимулировалось требованиями астрологии. Поэтому в древних текстах можно обнаружить астрономические наблюдения гораздо более подробные и детальные, чем это требовалось в целях составления точного календаря. Примерно две с половиной тысячи лет тому назад жрецы Ассирии умели предсказывать даты затмений, и это также отражено в текстах, хотя жрецы и не указывают, на чем основывались их предсказания.

В Древнем Вавилоне впервые вводится количественное, а не качественное описание положения звезд и планет на небе. Если раньше положение звезды характеризовалось ее местом в каком-либо созвездии, то еще за три столетия до нашей эры появились халдейские таблицы с понятиями долготы и широты. Более того, есть некоторые основания считать, что в Древнем Вавилоне впервые появился астрономический инструмент — астролябия, предназначенный как раз для определения широты и долготы. Во II веке до нашей эры астролябия применялась великим астрономом древности Гиппархом.

Также до нашей эры были созданы небесные глобусы с изображением на их поверхности неподвижных звезд. Известно, что Архимед соорудил уникальный глобус, на котором с помощью сложных механических приспособлений можно было воспроизводить движение звезд! Об этом глобусе упоминал Цицерон. Аналогичные астрономические инструменты были известны и в Китае, и у арабов, где астрономические исследования получили широкое развитие.

Бог Мардук и богиня тьмы Тиамат. Междуречье. VII век до нашей эры.

Бог Солнца древних майя. Копан, Гондурас. 750 год нашей эры.

Самый древний из известных нам небесный глобус, «глобус Фарнезе», сделанный из мрамора, хранится сейчас в Неаполе. Время его изготовления датируют III веком до нашей эры. В одной из частных коллекций в Англии сохранился глобус Улугбека — великого узбекского астронома. Сам глобус выполнен из бронзы, а в его поверхность вставлены серебряные звезды.

Автор геоцентрической системы мира Птолемей создал также новый астрономический инструмент — астролабон. С помощью этого инструмента можно было измерять долготу и широту звезд. Птолемей же вслед за Гиппархом создал каталог звезд, который насчитывал 1022 звезды (в каталоге Гиппарха их было 850).

К одним из самых ранних астрономических наблюдений можно отнести определение положения Солнца с помощью гномона, представляющего собой простой стержень, установленный вертикально на горизонтальной площадке. С помощью этого простого устройства можно было определять моменты равноденствий, солнцестояний, продолжительность года, широту места наблюдения.

Представления о мире: древних индийцев,

народов Междуречья,

древних египтян,

древних греков.

Используя тот факт, что высота Солнца над горизонтом изменяется и имеет максимум (летнее солнцестояние) и минимум (зимнее), можно определить продолжительность года как промежуток времени между двумя летними или зимними солнцестояниями. Судя по всему, именно таким способом в Древнем Египте впервые была определена продолжительность года (2700 год до нашей эры).

Одной из самых трудных астрономических задач древности было определение размеров небесных тел и расстояний до них. Античные мыслители внесли выдающийся вклад в эту проблему. Начиная от наивных представлений Анаксимандра, который предполагал, что Земля представляет собой цилиндр с отношением диаметра к высоте равным 3:1, и до времен Птолемея прошло почти пятьсот лет. Но за это время произошли существенные перемены в сознании ученых и философов о размерах окружающего мира. Так, если Платон оперирует расстояниями в сотни тысяч километров, то Архимед уже использует миллионы километров, а Птолемей «располагает» звезды в бесконечности.

Восход Солнца по представлениям древних египтян.

Определение, собственно, даже не определение, а вычисление расстояний до небесных тел было очень неточным. Так, Птолемей вычислил, что расстояние от Земли до Солнца составляет 1210 радиусов Земли.

Здесь пора сказать о том, как измеряются расстояния до небесных тел. Метод этот хорошо известен топографам и состоит в определении параллакса какого-либо небесного объекта. Что такое параллакс и как человеческий глаз — основной инструмент наблюдений в древности — определяет расстояния?

Водяные часы.

Встаньте перед стеной, поставьте свой палец перед лицом и сориентируйте его на какой-либо точке стены, закрыв один глаз. Вам будет казаться, что положение пальца относительно выбранной точки на стене будет изменяться. Какова величина этого изменения? Порядка 3°, если вы держите большой палец на расстоянии вытянутой руки, а сам большой палец будет виден в этом случае под углом в 1°.

Заметим, что угловая протяженность Солнца и Луны составляет примерно 1/2°. Видимое угловое смещение и называется параллаксом. Метод параллакса используется топографами, землемерами, астрономами. Так, чтобы измерить ширину реки, топографу совершенно не нужно ее переплывать. Он проведет это измерение следующим образом. На одном берегу точно определит расстояние между двумя точками. Затем, используя угломерный инструмент, померяет из этих двух точек углы между направлением на какой-либо предмет на противоположном берегу и линией, соединяющей точки. Зная сторону треугольника и два угла в основании, можно теперь без труда определить ширину реки.

Астролябия. Прибор для определения широты и долготы. 1468 год.

Примерно так же поступают и астрономы. Только здесь необходимо измерять углы и расстояния с очень большой точностью. В древние времена эти точности были невелики, не удавалось, например, определить достаточно аккуратно угловой размер Солнца.

Но вернемся к определению расстояний до планет. Измеряемая величина параллакса для планет бывает меньше одной секунды. Одна угловая секунда составляет 1/200000 радиана (в окружности — 2π радиан, соответственно 1 радиан = 57,3°). Таким образом, если два наблюдателя находятся на расстоянии 10 тысяч километров, они могут измерить расстояния, в 200 тысяч раз превышающие длину базы, что дает возможность определять расстояние до всех планет.

Наблюдение неба с примитивными инструментами. XIII век.

Понятно, что в древние времена еще не было синхронной работы обсерваторий на таких больших базах, и поэтому не могло быть достаточных точностей определения. Тем не менее Гиппарху, по-видимому, впервые удалось определить параллакс Луны, используя то обстоятельство, что солнечное затмение 129 года до нашей эры в Геллеспонте было полным, а в Александрии было закрыто 4/5 солнечного диска. Зная расстояние между этими пунктами, Гиппарх смог найти значение параллакса, а значит, и расстояние от Луны до Земли.

Стоунхендж — обсерватория бронзового века. 2000 год до нашей эры. Реконструкция.

Быть может, одной из самых древних известных истории обсерваторий являются знаменитые развалины Стоунхенджа в Англии. Этому сооружению около 4 тысяч лет, и, по-видимому, его арки являются огромными визирами, позволявшими с точностью более 1° отмечать восходы и заходы Солнца и Луны в дни солнцестояний и равноденствий. Нельзя исключить того, что еще более древние «обсерватории» были на территории Армении. А первая настоящая астрономическая обсерватория появилась в Европе лишь в XVI веке.

Тихо Браге и другие

Знатный датский дворянин Тихо Браге провел довольно бурную молодость. Он дрался на дуэли и в результате носил на переносице протез из золота и серебра, так как во время дуэли лишился носа — весьма заметной части человеческого лица. Астрономией Тихо заинтересовался в 14 лет, на первом курсе наблюдал затмение Солнца. В это время он учился в Копенгагенском университете.

Слава Тихо Браге как астронома связана, в частности, с его наблюдениями новой звезды, появившейся на небе в созвездии Кассиопеи в 1572 году. Заметим, что эта вспышка поколебала веру многих образованных людей того времени в учение Аристотеля, утверждавшего, что все неизменно в этом мире. Тихо Браге проводил тщательные измерения положения «новой» звезды на небе, изменения ее яркости и цвета и в 1573 году опубликовал книгу о своих наблюдениях, хотя поначалу сильно сомневался, совместимо ли это с его дворянским достоинством.

Король Дании Фредерик отдал в распоряжение Тихо Браге небольшой островок Хвен неподалеку от Копенгагена, где Браге и выстроил себе обсерваторию, оборудованную новыми измерительными инструментами для определения положения светил на небе и расстояний между ними. Браге сам изобретал эти инструменты, квадранты и секстанты, а искусный механик швед Й. Бюрги изготавливал их.

Здание обсерватории Тихо называл «Небесным замком», «Дворцом Урании», музы — покровительницы астрономии. Обсерватория представляла собой в плане точный квадрат, ориентированный по сторонам света. «Дворец Урании» был трехэтажным зданием. На первом этаже в трех комнатах жила многочисленная семья астронома, четвертая комната использовалась как гостиная, хотя в ней находился один из лучших инструментов Браге — большой стенной квадрант. На этом же этаже располагались кухня и музей. Там же Тихо Браге соорудил небольшую «насосную станцию», подававшую воду во все помещения обсерватории. Не каждый королевский дворец в то время мог похвастаться водопроводом. На втором этаже были отведены специальные комнаты для короля и королевы на случай их визита на остров. И самое главное — на втором этаже находились четыре обсерватории. В помещениях третьего этажа жили ученики и сотрудники великого астронома, а в подвале размещалась химическая лаборатория.

К 1584 году возникла необходимость сооружения еще одной обсерватории, и вскоре рядом с «Небесным замком» — Ураниеборгом вырос «Звездный замок» — Стьернеборг. Над входом в подземное помещение Стьернеборга было выбито латинское изречение: «Non fasces nec opes sola artis sceptra perennant» — «Ни власти, ни богатства, а только науки скипетр вечен».

Тихо прожил на острове в окружении учеников и помощников более 20 лет, с 1576 по 1597 год, выполнив огромный объем наблюдений. В них он достиг поразительной точности. Ведь совсем недавно, во времена Коперника, ошибки при наблюдениях составляли примерно 10′ (10 минут). Тихо улучшил эту величину более чем на порядок! Такая величина ошибки для дотелескопической астрономии приближалась к теоретическому пределу. Например, средняя ошибка при определении положения некоторых фундаментальных звезд была всего 32″,3.

Датский астроном Тихо Браге (1546–1601) проводит наблюдения в обсерватории.

Интересно, что великий астроном не признавал гелиоцентрической системы Коперника, считая его, однако, выдающимся астрономом. Правда, не настолько, чтобы поместить его портрет в ряду портретов величайших астрономов мира, висевших на стенах Стьернеборга, — Тимохариса, Гиппарха, Птолемея, Альбаттани и… самого Тихо.

К числу выдающихся достижений Тихо следует отнести его наблюдения за кометой 1585 года. Измеряя параллакс кометы, он установил, что она находится гораздо дальше от Земли, чем Луна. Этим он полностью опроверг утверждение Аристотеля о том, что кометы — образование подлунных сфер.

Браге вел многолетние и систематические наблюдения звезд и планет. Он составил впервые после Гиппарха и Птолемея каталог, который почти сто лет оставался самым лучшим и надежным справочников для любого астронома. Браге непрерывно занимался определением положения Луны и планет, и здесь его данные также были лучшими для своего времени.

Обсерватория «Ураниеборг» на острое Хвен, где работал Тихо Браге.

После смерти короля Фредерика Браге вынужден был покинуть Данию и переселился в Прагу, где в то время правил император Рудольф II — большой любитель алхимии и астрологии. В последний год своей жизни Браге взял к себе в помощники молодого И. Кеплера, который и получил пост директора императорской обсерватории в 1601 году, после кончины наставника.

Если Браге мы называем величайшим астрономом эпохи дотелескопической астрономии, то Кеплер — основоположник теоретической астрономии. Основу его исследований бесспорно составили наблюдения Тихо Браге. Он первым опроверг древний астрономический канон, согласно которому планеты имеют круговые орбиты, и показал, что движение планет происходит по эллиптическим траекториям.

«Это было так, как будто я бы проснулся и увидел новый свет», — воскликнул Кеплер после того, как убедился в правильности проделанных вычислений, результат которых сейчас во всех учебниках называется первым законом Кеплера. Это правило он получил, обрабатывая данные наблюдения за положением Марса. Но именно исследование Марса открыло Кеплеру общие закономерности планетных движений.

Законы Кеплера.

В 1618 году вышла его книга «Краткое изложение коперниковой астрономии» — первый полный учебник астрономии. В этом учебнике в форме вопросов и ответов приводились впервые правильные данные о Солнечной системе, давались элементы орбит планет. Кеплер был не только блестящим математиком, по своему духу он был прежде всего физиком, всегда стремился к тому, чтобы найти правила, по которым построен окружающий мир. Три таких правила ему удалось открыть: это три знаменитых закона, носящих его имя.

Сам Кеплер считал это главным результатом всей своей жизни. «Я писал свою книгу для того, чтобы ее прочли, теперь или после — не все ли равно? Она может сотни лет ждать своего читателя, ведь самому богу пришлось тысячи лет дожидаться того, кто постиг его работу».

Интересно, что в 1612 году Кеплером впервые была разработана оптическая теория телескопа, и один из типов телескопа был назван его именем, хотя сам Кеплер никогда не занимался практическим изготовлением оптических инструментов.

Телескопы — новая эра астрономии

Итак, через три года после смерти Тихо в Европе появились первые телескопы.

Напомним в двух словах о том, что представляет собой телескоп. Точно так же, как и человеческий глаз, это разновидность фотографической камеры. Но если наш глаз способен различать две точки объекта на угловом расстоянии около одной минуты, то телескоп с диаметром линзы или зеркала, равным 300 миллиметрам, а это в 100 раз больше диаметра зрачка глаза (3 мм), будет иметь разрешение примерно 0,4″. При диаметре 1,2 метра можно различать две неподвижные звезды с угловым расстоянием между ними 0,1″ и т. д.

Самый крупный современный телескоп имеет диаметр зеркала 6 метров. Он расположен в Советском Союзе в предгорьях Северного Кавказа близ станции Зеленчукская на высоте около двух километров.

Даже современные телескопы не могут дать изображения диска звезды, поскольку диаметр (видимый) ближайших звезд менее 0,01″. В современной оптической астрономии предпочитают использовать зеркала вместо линз, поскольку технически легче изготовить большое зеркало, чем однородный стеклянный диск такого же диаметра, который был бы пригоден для изготовления линзового объектива.

Но вернемся к временам Кеплера и Галилея. Имя изобретателя телескопа неизвестно. Мы знаем лишь одно: в 1604 году торговец стеклами для очков голландец Янссен «снял копию» с телескопа, принадлежащего неизвестному итальянцу. А уже в 1608 году сразу два человека, Липперсгей и Метиус, сделали «заявку» на изобретение телескопа. Но телескоп оставался не более чем забавной игрушкой в руках людей, был предметом развлечения на многочисленных ярмарках до той поры, пока Галилей, бывший, кроме всего прочего, мастером на все руки, не изготовил в 1609 году свой первый телескоп, который он направил на небо.

Интересно, что телескоп и микроскоп появились почти одновременно. Оба эти инструмента, один предназначенный для изучения макро-, а другой для исследования микрообъектов, произвели революционный переворот в естествознании.

Именно наблюдения и удивительные открытия Галилея, сделанные им с помощью телескопа, способствовали признанию гелиоцентрической системы мира Коперника. Сначала Галилей писал о своих открытиях лишь друзьям и знакомым, а 8 марта 1610 года появилась его книга «Звездный вестник», в которой и были изложены основные результаты. Что же удалось увидеть Галилею в телескоп?

Естественно, что прежде всего он направил его на Луну. Оказалось, что граница между светлой и более темной частью отнюдь не резкая. На рисунках Луны, сделанных Галилеем, видны светлые пятнышки в более темной части нашего спутника, а сама граница между освещенной и темной частями сильно изрезана. Галилей сразу догадался, что поверхность Луны не хрустальная, как учили в древности, а покрыта возвышенностями и долинами. Правда, он считал, что более светлые части поверхности — это суша, а более темные — водная гладь. Светлые точки на темной половине Луны — вершины гор, освещаемых лучами Солнца.

Но самое удивительное обнаружилось 7 января 1610 года, когда Галилей открыл три спутника у Юпитера, а 13 января увидел и четвертый. Стало ясно, что район Юпитера как бы наша Солнечная система в миниатюре.

Галилео Галилей (1564–1642) — великий итальянский ученый, один из основателей фундаментальных наук: физики, механики, астрономии.

Мы помним, в какие времена жил и работал Галилей. Ведь всего десятью годами ранее в Риме на Площади Цветов пылал факелом Джордано Бруно. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, ища покровительства сильных мира сего, Галилей назвал открытые им новые небесные тела «медичейскими звездами» в честь великого герцога Тосканского Джулиано Медичи. Однако это название спутников Юпитера сегодня забыто. Весь мир знает их сейчас как Галилеевы спутники.

Открытия Галилея были сенсационны. Его тактический ход с названием спутников оказался правильным. В шахматной партии комментатор поставил бы около него восклицательный знак: уже 5 июня 1610 года Галилея уведомили о том, что отныне он — первый математик Пизанского университета и философ светлейшего герцога. Дополнительно к этому ученый получил денежный оклад — тысячу флорентийских скуди в год. Галилей 12 июня 1610 года удостоился титула математика его светлости герцога Тосканского, что сильно упрочило общественное положение ученого. А в этом он очень нуждался.

Телескоп Галилея, дающий 30-кратное увеличение.

«Лучшее — враг хорошего», — гласит пословица. Хотя Галилей, непрерывно совершенствуя свои телескопы, имел лучшие инструменты в Италии, он, конечно, был не единственным астрономом-наблюдателем. Многим хотелось проверить открытия Галилея, а многим и опровергнуть новые данные. Философы Падуанского университета пошли по наиболее легкому и проторенному пути. «Поскольку у Аристотеля, — говорили они, — ничего не сказано о спутниках Юпитера, то их не должно быть на небесном своде». Против Галилея качал плести интриги престарелый астроном Маджини из Болоньи, распространяя письма, в которых обвинял Галилея в лучшем случае в самообмане, а потом и в обмане.

Галилей приехал в Болонью, где был телескоп, и показывал собравшимся у Маджини профессорам Юпитер, но почти все заявили, что не видят никаких спутников. Так, вера в открытие Галилея была подорвана из-за того, что его телескоп был лучше, чем в Болонье, а многие наблюдатели не имели хороших навыков работы с телескопом.

Глобус земного шара.

Но Галилей неожиданно получил очень мощную поддержку с той стороны, с которой менее всего ожидал. Председатель Римской коллегии и иезуитского научного центра астроном и священник X. Клавий в рапорте главе инквизиции кардиналу Беллармину подтвердил истинность открытий Галилея. Серьезная поддержка пришла также из Праги. Главный астроном императора Рудольфа II Кеплер также безоговорочно поддержал Галилея.

Иезуиты пригласили Галилея в Рим и радушно приняли его там 29 марта 1611 года. Галилей к тому времени еще не вступил на свой трагический путь отречения. Все его открытия трактовались церковью в рамках геоцентрической системы мира, и лишь приблизительно в 1613 году Галилей начал борьбу за систему мира Коперника. Многочисленные друзья советовали ему быть осторожным и ограничиться лишь описанием наблюдений. Но Галилей не внял советам. Так была открыта одна из самых трагических страниц в истории науки.

Измерительный циркуль.

Конечно же, у Галилея были союзники. Великий гуманист Кампанелла, автор «Города Солнца», писал Галилею из тюрьмы письма, в которых просил его твердо стоять на позициях коперникианства. По иронии судьбы кармелитский монах Фоскорини также написал письмо, но не Галилею, а генералу своего ордена, в котором защищал систему Коперника. Тем не менее церковь обвинила Галилея в ереси. Сначала ему легко удалось снять с себя все обвинения инквизиции, тем более что сам глава римской церкви папа Урбан VIII был дружески расположен к Галилею… Но… «дружба дружбой, а служба службой», и Галилей в 1616 году снова предстал перед главой инквизиции кардиналом Беллармином, который запретил пропагандировать учение Коперника.

Галилей продолжал свою уничтожающую критику учения Аристотеля, и, конечно же, иезуиты не простили ему этого. Для начала они сделали папу врагом Галилея, и этого оказалось вполне достаточно для того, чтобы в 1635 году ученого вызвали на суд инквизиции, осудили и вынудили торжественно отречься от учения Коперника. Науке был нанесен тяжелейший удар.

Телескопы, аналогичные тем, которые использовал Галилей, могли давать увеличение не более чем в 30 раз. Поэтому, когда на смену им пришли телескопы X. Гюйгенса, одного из родоначальников современной оптики, удалось сделать ряд новых интересных открытий. В 1656 году Гюйгенс обнаружил спутник Сатурна и заинтересовался странными маленькими «шариками», которые были как бы привязаны к планете и все время изменяли свою форму, иногда совсем исчезая. Эти «шарики» наблюдал, еще Галилей. Анализируя форму этих «придатков» планеты, Гюйгенс предположил в 1659 году, что «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, которое нигде не соприкасается с ним…». «Следует учесть, — продолжал он далее в своей книге „Система Сатурна“, — что эта гипотеза не является моим измышлением или фантазией… я видел это кольцо собственными глазами».

В те годы из знаменитого на весь мир венецианского стекла, украшавшего дворцы дожей, начали изготавливать самые лучше линзы для телескопов. Итальянец Д. Кассини, приглашенный Людовиком XIV в Париж и ставший там придворным астрономом, используя телескопы с «венецианскими стеклами», сумел открыть еще четыре маленьких спутника Сатурна.

Наблюдая планеты в телескоп, астрономы могли видеть на них пятна и полосы. Уже Гюйгенс заметил и описал экваториальные полосы на Юпитере и пятна на Марсе, а все тот же Кассини, имея лучшие в XVII веке телескопы и наблюдая пятна на Юпитере и Марсе, установил периоды осевого вращения этих планет. Удалось увидеть и затмения спутников Юпитера, когда они вступали в тень планеты.

Ну, и конечно же, исследовали очень много Луну. К середине XVII века появились первые карты спутника Земли. Огромные горы на Луне были названы позднее именами великих ученых — Тихо Браге, Коперника, Платона, Аристотеля.

А 13 марта 1781 года В. Гершель открыл Уран. Жизненный путь Гершеля поначалу никак не мог свидетельствовать о том, что он станет одним из величайших астрономов всех времен. Сын полкового музыканта, он с ранних лет занимался с учителями и отцом музыкой и уже в четырнадцать играл в военном оркестре. Но в доме Гершелей в Ганновере дети занимались не только музыкой. Вильям изучал языки, математику, философию.

Не имея никакой склонности к ратным подвигам и не желая принимать участия в военных действиях прусской армии в Европе, Гершель переехал в Англию. Здесь он получил место дирижера публичных оркестров в Лидсе. Уже в это время астрономия интересует его гораздо больше, чем музыка. Тридцатилетний Гершель покупает учебник астрономии и вскоре начинает строить телескопы.

Я нарочно употребил слово «строить», а не «изготавливать», так как телескопы Гершеля были самыми крупными инструментами XVIII века. Самый большой был, к примеру, столь велик, что наводить его на звезду должны были три человека: Гершель и двое рабочих. Ведь тогда еще не было так называемых параллактических систем, обеспечивающих автоматическое слежение за звездами при помощи часового механизма.

«Уметь видеть, — писал он, — это в некотором отношении искусство, которому должно учиться». Как не вспомнить здесь незадачливых оппонентов Галилея, которые не могли и не хотели видеть спутники Юпитера.

Успехи Гершеля в астрономии превзошли самые смелые ожидания родственников и друзей. Через девять лет после покупки учебника астрономии он открыл новую планету, которую хотел назвать именем короля Англии Георга III, но традиции оказались сильнее и планета получила имя римского божества — Уран.

Открытие новых планет хорошо оплачивалось в то время. За Уран Гершель получил от короля Георга III должность придворного астронома и жалованье 200 фунтов стерлингов в год, деньги по тем временам немалые, хотя, конечно, король Англии мог бы проявить и бóльшую щедрость. Не осталось в стороне и Лондонское королевское общество: оно присудило Гершелю ежегодную золотую медаль и избрало его в свои члены.

Самое интересное в истории открытия Урана состоит в том, что Гершель вначале принял этот объект на небе за комету и некоторое время отстаивал свою точку зрения. Это в известной мере подпортило ему репутацию в элитарном Лондонском королевском обществе.

Итак, 13 марта 1781 года впервые с использованием телескопа была открыта новая планета, седьмая по счету в нашей Солнечной системе. Открытия следующей планеты пришлось ждать довольно долго — около ста лет, и мы чуть позже вернемся к этой удивительной истории. Сейчас же, чтобы не нарушать хронологии событий, перенесемся в самое начало XIX века.

Схема рефлектора Ньютона.

В 1801 году итальянский астроном Д. Пиацци открыл малую планету, расположенную между Марсом и Юпитером. Эта зона Солнечной системы давно интересовала астрономов, так как по всем предположениям здесь должна была бы располагаться планета. Но, как ее ни искали, обнаружить планету не удавалось. Небесное тело, которое открыл Пиацци, было в тысячу раз менее ярким, чем Марс и Юпитер. Пиацци назвал его Церерой, по имени богини — покровительницы Сицилии.

В 1802 году в этой же области неба нашли еще одну малую планету — Палладу, затем Юнону, а в 1807 году — Весту. Но все они были очень маленькие — около нескольких сотен километров в диаметре. А ведь между Марсом и Юпитером ожидалась настоящая, полноценная планета. Ей даже название дали — Фаэтон.

С 1845 года начался новый поток открытий малых планет, получивших название астероидов. В 1852 году их насчитывалось 20, а к 1870 году — 110. К 1938 году число малых планет достигло 1500, и эта зона Солнечной системы получила название пояса астероидов. А как же Фаэтон? Даже сегодня есть ученые, которые считают, что Фаэтон был. Был, а потом взорвался, таким образом и появились астероиды в этом районе. Но эта гипотеза маловероятна.

Расстояние до звезд, их яркость, спектр

Итак, менее чем за два столетия, прошедших со времени внедрения телескопической техники в астрономию, в этой науке произошли поистине поразительные перемены. За это короткое в историческом масштабе время человечество узнало о Солнечной системе гораздо больше, чем за предыдущие тысячелетия развития астрономии. Более того, телескопы предоставили возможность впервые в истории науки провести измерения скорости света. В 1676 году это сделал датский астроном О. Рёмер, который, помимо чисто научной работы, занимался еще и воспитанием наследника французского престола.

Это были времена трех мушкетеров, миледи, кардинала Ришелье. К сожалению, насколько широк круг людей, знакомых с дворцовыми интригами по романам Дюма, настолько же мало известны перипетии великих астрономических открытий тех же самых времен. А ведь наверняка внутреннего драматизма здесь было ничуть не меньше, чем в блистательных романах Дюма.

Итак, О. Рёмер находился в Дании, где он исследовал руины Ураниеборга — знаменитой обсерватории Тихо Браге. Тем временем придворный астроном Кассини, проводя наблюдения в Париже за затмениями спутников Юпитера, установил, что в соединениях моменты затмений первого спутника запаздывают более чем на 10 минут. Рёмер, вернувшись с острова Хвен и узнав об этом, продолжил наблюдения над затмениями спутников Юпитера и очень скоро объяснил факт запаздывания конечностью скорости распространения света. Он вычислил ее из имевшихся в то время данных для орбит планет и получил значение для скорости света 2,3 × 10^10 см/сек. Это было одним из величайших достижений астрономии.

Джон Доменико Кассини (1685–1712).

Мы до сих пор говорили о достижениях астрономии в «рамках» Солнечной системы. Не менее впечатляющие успехи были достигнуты в это время при изучении более далеких объектов. Здесь в наблюдении уже не Солнечной системы, а Вселенной бесспорное первенство принадлежало Гершелю. Именно его пионерским работам обязана астрономия появлению первой систематической «инвентаризации» нашего мира, которой астроном занялся после открытия Урана.

Гершель проделал неимоверно тщательную и кропотливую работу: подробный и систематический обзор всего неба. Каждый объект, попадавший в поле зрения его телескопа, заносился в каталог. Поскольку инструменты Гершеля были лучше телескопов Гринвичской обсерватории, ему удалось открыть удивительный факт. Многие объекты, которые до наблюдений Гершеля казались туманными пятнышками, состояли на самом деле из многих тысяч звезд.

Гершель открыл не менее 2500 туманностей и звездных скоплений. И до Гершеля многие ученые считали, что Млечный Путь состоит из огромного числа звездных скоплений. Этой точки зрения придерживался, в частности, И. Кант. Но до наблюдений Гершеля это были чисто умозрительные рассуждения.

Схема затмения спутников Юпитера (рисунок Рёмера). Исследуя затмения спутников Юпитера, Рёмер вычислил примерную скорость света.

В результате «звездного зондирования» Гершелю удалось впервые установить, что «…звездная система, в которой мы живем, …состоящая из многих миллионов звезд, является, по всей вероятности, обособленной туманностью». «То, что Млечный Путь является очень вытянутым слоем звезд различных размеров, — в этом не остается ни малейшего сомнения; точно так же ясно, что и наше Солнце — одно из входящих в него небесных тел».

Гершель первым ввел понятия островных вселенных, сравнимых по размеру с нашей Галактикой. Это был первый человек, шагнувший за пределы известного мира и, в принципе, правильно нарисовавший его структуру. «Caelorum perrupit claustra» («он проник сквозь преграды небес»), — гласит надпись на надгробном камне отца современной астрономии.

Гершель умер в 1822 году, а в 1835 году впервые было измерено расстояние до звезд. Сейчас нам остается лишь гадать, на чем было основано пророческое утверждение Гершеля: «…Я наблюдал звезды, свет от которых, как можно доказать, идет два миллиона лет, прежде чем он достигнет Земли». Это таинственное замечание величайшего астронома, по всей видимости, навсегда останется тайной истории науки.

Метод, который был использован для определения расстояния до звезд через 13 лет после смерти Гершеля, нам уже знаком. Это все тот же метод параллакса, но уже так называемого годичного параллакса, когда в качестве базы используется весь диаметр земной орбиты. Из рисунка становится ясным, что если проводить измерение положения звезды на небе с интервалом в шесть месяцев, то расстояние до звезды можно легко определить, используя данные наблюдений за ее положением на небе и значение диаметра земной орбиты.

Оле Кристенсен Рёмер (1644–1710).

Поскольку ошибки в определении параллакса были заметными, наблюдения за Вегой, альфа Центавра и другими звездами велись в течение нескольких лет различными обсерваториями мира. Для звезды альфа Центавра измеренный параллакс оказался близок к 1″. Легко показать, что в этом случае расстояние до звезды оказывается равным 4 × 10^13 километров, или около 4 световых лет.

Познакомившись с понятием параллакса, нам теперь легко определить и термин «парсек». Это расстояние, с которого земная орбита видна под углом в одну секунду. Соответственно и звезда, параллакс которой составляет одну секунду, находится от Земли на расстоянии одного парсека. Использование годичного параллакса позволяет определять расстояния, не превышающие 30 парсек, так как угловые смещения звезд столь малы на этих расстояниях, что точность измерений становится явно недостаточной.

К началу XX века астрономы полностью отдавали себе отчет в том, что размеры нашей Галактики составляют тысячи парсек (пс), а расстояние до ближайших туманностей и того больше. Однако для надежного измерения таких расстояний нужен был новый метод. Этот метод был использован в 20-х годах нашего века Хабблом для определения расстояний до нескольких ближайших галактик, но, прежде чем рассказать об этом, необходимо познакомиться как с развитием телескопических методов, так и с некоторыми свойствами звезд, в особенности с теми, которые придают живописность и непередаваемое разнообразие ночному небу.

Еще со времен Гиппарха и Птолемея было принято различать звезды по степени их блеска. Птолемей установил для различий блеска шесть классов звезд, которые он называл «величинами». Звезда первой величины — самая яркая. Шестой величины — самая слабая. Слово «величина» относится лишь к степени блеска звезды и ничего общего не имеет с ее размерами. К 1843 году на небе насчитывалось 14 звезд первой величины, 51 — второй, 153 — третьей, 325 — четвертой, 810 — пятой и 1871 звезда шестой величины.

Человеческий глаз — очень тонкий оптический инструмент и способен чувствовать бóльшие различия в блеске, чем одна звездная величина. Так, сын В. Гершеля, известный астроном Д. Гершель, продолжавший работу отца, расположил звезды южного неба по степени блеска, используя звездные величины с двумя десятичными знаками!

Метод годичного параллакса.

Но такая точность требовала введения какой-то количественной основы. В 1869 году был сформулирован «психофизический» закон, согласно которому физическое восприятие света уменьшается (или увеличивается) как логарифм интенсивности воздействия. Как можно проиллюстрировать этот факт?

Человеческий глаз устроен так, что если мы будем в комнате последовательно зажигать 1, 2, 3, 4 и т. д. лампочек, то нам будет казаться, что степень увеличения освещенности комнаты при каждом включении следующей лампочки уменьшается. Поэтому можно принять, что звездные величины дают не различие в количестве света, а отношение интенсивностей.

Разброс в значениях отношений блеска для ярких звезд велик, а для слабых практически постоянен. Для слабых звезд уменьшение блеска на одну звездную величину соответствует изменению светового потока в 2,5 раза. Разница в видимых звездных величинах на 5 единиц соответствует изменению светового потока в 100 раз. В Оксфорде в 1850 году решили ввести эти отношения как определение звездных величин:

m_1 – m_2 = –2,5lg(E_1/E_2),

где m_1 и m_2 — звездные величины, а E_1, E_2 — потоки света от звезды.

Поскольку в нашей формуле для звездных величин в правой части стоит знак минус, то чем ярче звезда, тем меньше ее видимая звездная величина. Так, например, Солнце имеет видимую звездную величину – 26,7, Луна в полнолунии – 12,5, Венера – 5, Сириус – 1,6, Вега – 0, а самая слабая звездочка из сравнительно близких к нам звезда Вольф-359 имеет видимую звездную величину +13,5.

Нужно учесть, что видимая звездная величина ровным счетом ничего не говорит ни о количестве энергии, которую излучает звезда, ни о яркости ее поверхности. Это и понятно, так как видимая звездная величина совершенно не учитывает фактор расстояния. А ведь более близкая к нам небольшая и относительно холодная звезда может выглядеть на небе много ярче, чем отдаленный голубой гигант с огромной светимостью. Поэтому-то и очевидна необходимость введения абсолютной звездной величины и соответственно некоторого астрономического стандартного расстояния. В качестве такого расстояния приняли 10 парсек.

Теперь легко понять, что такое абсолютная звездная величина любой звезды. Это ее видимая звездная величина, если мы поместим светило на расстоянии 10 парсек от Земли. Проделаем мысленно такую операцию с нашим Солнцем. Его абсолютная звездная величина окажется тогда равной 4,8. Солнце будет выглядеть на таком расстоянии очень тусклой звездочкой, в сто с лишним раз менее яркой, чем Сириус.

Для чего нам понадобился разговор о яркости звезд? Дело в том, что если две звезды находятся от нас на различном расстоянии, то, зная расстояние до ближайшей звезды, можно без труда определить и расстояние до более далекой. Здесь важно только одно условие. Эти звезды должны быть одинаковы.

Действительно, представьте себе два одинаковых источника света. Расстояние между вами и первым источником 1 метр. Расстояние до второго неизвестно, но его ничего не стоит узнать, измерив силу света или освещенность от этих источников. Поскольку яркость источников обратно пропорциональна квадрату расстояния, то, зная интенсивность I_1 и I_2 обоих источников и расстояние до первого источника, без труда находим:

I_1/I_2 = l^2

Этот метод дает возможность измерять расстояния более значительные, чем методы тригонометрических параллаксов. Мы не будем сейчас вдаваться в подробности, как узнать, что две звезды одинаковы. О классификации звезд и их свойствах необходим отдельный разговор. Примем пока на веру утверждение, что во Вселенной действительно есть яркие звезды одного и того же класса, как говорят астрономы. Для проблемы определения расстояний самыми интересными оказался класс переменных звезд, известных под названием цефеид.

Вообще говоря, переменные звезды, другими словами, звезды, изменяющие блеск на глазах людей и поколений, известны давно. Например, еще в древнем мире выделялась звезда дьявола — Алголь (созвездие Персея). Но лишь в 1782 году друг Гершеля астроном-любитель Д. Гудрайк исследовал периодические изменения ее блеска, хотя переменность этой звезды была замечена за 100 лет до него. Затем через два года он открыл переменность звезды δ Цефея. В настоящее время насчитывается более 14 тысяч переменных звезд, причем причины переменности у разных звезд — совершенно разные.

Но цефеиды — это звезды, которые ведут себя так же, как звезда δ Цефея: кривая блеска у них имеет один максимум и один минимум. Периоды изменения бывают достаточно большими — до 40–60 суток (долгопериодические цефеиды) — и короткими, преимущественно около 12 часов (короткопериодические цефеиды). Очень важно то обстоятельство, что цефеиды — яркие звезды, они примерно в сто раз, а есть такие, что и в 1500 раз ярче нашего Солнца, и поэтому их можно наблюдать не только в нашей Галактике, но и в других. Причем у более ярких цефеид период изменения блеска больше, чем у слабых.

В начале XX века удалось установить однозначную связь между периодом цефеид и их истинной яркостью. Это было принципиальным достижением. Ведь как бы далеко ни находилась цефеида, период колебаний блеска можно определить без труда.

Затем из установленной зависимости между яркостью и периодом вычисляется абсолютная звездная величина цефеиды, а потом и расстояние до нее. Именно таким путем, когда удалось установить присутствие цефеид в туманности Андромеды, было определено, что она удалена от нас почти на миллион парсек. Но это было уже в XX веке, когда мощные телескопы позволили «разрешить» маленькое туманное пятнышко (а именно так мы видим невооруженным глазом туманность Андромеды) на отдельные звезды.

Однако если цефеиды — маяки Вселенной, как их иногда называют, — оказались удобным инструментом для определения расстояний до ближайших галактик, то изображения далеких галактик, полученные даже на самых больших в мире телескопах, слабы и расплывчаты. Их сколь-либо детальная структура неразличима, а о разрешении их на отдельные, даже очень яркие звезды не может быть и речи. Как же можно определить расстояние до таких слабых и далеких объектов?

Галактики тоже делятся на специфические группы. В частности, они различаются по форме. Бывают эллиптические, спиральные галактики и неправильные. Внутри каждого типа также можно выделить отдельные классы галактик. Как правило, галактики одного класса имеют примерно одинаковую светимость. Конечно, на небе они могут сильно отличаться по яркости, так как находятся на разных расстояниях. Но если удастся установить, что класс их одинаков и, следовательно, равны их абсолютные светимости, то далее вступает в игру закон обратных квадратов, так же как и в случае цефеид. Таким способом можно оценивать расстояния до сотен миллионов парсек.

Телескоп-рефлектор Гершеля с диаметром зеркала 122 сантиметра.

Дальше уже становится трудным распознать тип структуры очень далеких галактик. И здесь астрономам помогло одно счастливое обстоятельство. Часто галактики образуют скопления, которые видны намного отчетливее, чем обычные галактики. Так вот, в подавляющем числе скоплений самый яркий компонент — гигантская эллиптическая галактика. Такая галактика светит в 100 раз ярче, чем наша. Именно они и используются как индикаторы расстояний на самых больших масштабах расстояний во Вселенной (до 10^10 парсек).

Ну а дальше уже приходится работать с законом Хаббла, гласящим, что скорость разбегания галактик пропорциональна их расстоянию от нас V = Hr, где H — постоянная Хаббла. Скорость измеряется по величине красного смещения, о котором у нас шел разговор в первой главе. Но для того чтобы измерять красное смещение, астрономы должны были научиться работать в различных диапазонах спектра. Что это значит?

Явление дисперсии — зависимости коэффициента преломления света от длины волны — известно уже давно. Еще Ньютон в 1665 году, используя стеклянную призму, разложил солнечный свет на отдельные цвета — получил первую спектральную картину. Но действительное начало спектроскопических работ в астрономии мы должны связать с именем баварского самоучки И. Фраунгофера, который, тщательно изучая преломление света различных цветов призмами, открыл в спектре Солнца более 500 темных линий, названных впоследствии его именем. Фраунгофер был уверен, «…что причина возникновения этих линий и полос лежит в самой природе солнечного света».

Однако объяснить природу этих линий Фраунгофер не смог. Лишь в 50-х годах XIX века, после смерти Фраунгофера, благодаря работам Кирхгофа и Бунзена были установлены основные законы спектрального анализа. К этому времени число фраунгоферовых линий в спектре Солнца уже исчислялось тысячами. Кирхгофу удалось отождествить часть этих линий с эмиссионными линиями некоторых земных элементов. Поясним, что это такое.

Если вы подойдете к своей газовой плите и в голубое пламя горелки поместите щепотку соли, пламя немедленно окрасится в желтый цвет. Этот желтый цвет обязан своим происхождением парам натрия (химическая формула поваренной соли — NaCl). Вы наблюдаете таким образом эмиссию — излучение паров натрия. Но если вы будете пропускать свет от источника с более высокой температурой, чем температура пара натрия, вы получите линию поглощения на той самой длине волны (в желтой части спектра), на которой ранее излучал Na. Именно эти явления поглощения и эмиссии излучения и лежат, по сути дела, в основе спектрального анализа, получившего бурное развитие в астрономии после работ Кирхгофа.

Рефлектор У. Парсонса.

Спектральный анализ предоставил поразительную возможность детального определения химического состава атмосфер далеких планет и звезд. Поскольку спектральные линии для каждого элемента точно известны, любые их сдвиги за счет доплеровского эффекта дают возможность вычислять скорость объекта.

Но мне хотелось бы подчеркнуть незаменимость спектрального анализа для астрономии как инструмента при определении химического состава и физических свойств далеких небесных объектов. Ведь сравнительно недавно, 150 лет тому назад, французский философ-позитивист О. Конт писал о небесных телах в своем курсе философии: «Никогда никакими средствами мы не сможем изучать их химический состав… любое знание температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас». Сегодня благодаря астрономическим наблюдениям с использованием спектральной аппаратуры мы знаем и химический состав, и температуру звезд.

Прошло лишь 50 лет после появления «пророческого» высказывания Конта, а физика и астрономия нанесли ему решительный удар. В 1893 году было установлено, что чем выше температура излучающего тела, тем больше максимум излучения сдвинут в сторону коротких волн (закон Вина). Поразительно, что всего за двадцать лет до открытия этого физического закона известный ватиканский астроном патер Секки оценивал температуру Солнца в несколько миллионов градусов, и в это же время для того же Солнца французский физик Пуйе давал цифру в 2000 °C.

Смысл закона Вина состоит в следующем. Вы начинаете нагревать кусок железа. Сначала он темный, затем при температуре 600° появляется так называемое вишневое каление. Будем повышать температуру — появится красное каление, а перед началом плавления — желтое и белое. (Вспомним известное выражение «добела раскаленный».)

Но красный цвет соответствует более длинным волнам в оптическом спектре. Затем идет оранжевый с более короткими длинами волн, чем у красного, длина волны желтого цвета еще короче. Чем выше температура излучателя, тем более короткие длины волн соответствуют максимуму энергии в спектре излучения.

Открытие этого закона незамедлительно позволило установить правильную температуру нашего Солнца. Она оказалась равной примерно 6000 °C. А сейчас мы знаем температуры многих тысяч звезд, знаем химические элементы, присутствующие в этих звездах.

Итак, оптические исследования с помощью телескопов, несомненно, явились фундаментом всей современной астрономии. Они позволили установить размеры планет и расстояния до них, расстояния до звезд и галактик, определить химический состав звезд и температуру. Но, пожалуй, самое главное — то, что наблюдательная астрономия помогла человечеству раздвинуть границы мира и создать объективно верную картину Вселенной.

Прежде чем перейти к разговору о других методах наблюдательной астрономии, мне хотелось бы сделать небольшое «лирическое» отступление. В астрономии, как ни в какой другой науке, ярко проявилась роль любителей и самоучек. Вряд ли мы узнали бы сегодня о музыкальных наклонностях Гершеля, если бы он не занялся астрономией. Бывший музыкант стал великим астрономом и обессмертил свое имя открытиями именно в этой области знания.

Его друг, тоже астроном-любитель, открыл δ Цефея — переменную звезду.

Самоучка Фраунгофер открыл новый этап в наблюдательной астрономии.

Знаменитый астроном и математик Ф. Бессель начинал свой путь клерком торговой конторы в Бремене. Но кто знал бы об этом, если бы сейчас в любом курсе высшей математики не было бы функций Бесселя? Бессель — автор знаменитых «кенигсбергских таблиц», которые до сегодняшнего дня составляют постоянную часть астрономических ежегодников.

Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846) — немецкий астроном, математик, геодезист. Получил значение годичного параллакса звезды 61 Лебедя.

Я уже упоминал о том, что первоклассный астроном В. Ольберс был практикующим врачом. Сегодня каждый студент физфака и даже школьник знает про парадокс Ольберса. Метод Ольберса для вычисления орбит комет использовали целые поколения астрономов. Но ведь деньги-то на жизнь Ольберс получал от врачебной практики днем, а бессмертие зарабатывал ночью!

Еще пара исторических примеров. Основоположник систематического изучения солнечных пятен — аптекарь из Дессау Швабе впервые устанавливает цикличность их появления в первой половине XIX века.

В конце XIX века богатый американский аристократ П. Ловелл строит обсерваторию в Аризоне и своими наблюдениями вносит заметный вклад в исследование планет Солнечной системы.

Очарование и притягательность неба столь велики, что именно в астрономии мы видим наибольшее число примеров абсолютно бескорыстного стремления людей самых различных профессий к познанию тайн мира. Даже сегодня любители вносят свой вклад в наблюдения. Им особенно везет при открытии новых комет. Мне кажется, что этот поистине удивительный феномен в истории астрономии, к сожалению, мало известен широкому кругу читателей, совершенно недостаточно отражен в нашей научно-популярной литературе.

Всеволновая астрономия

Исследования в видимой области спектра охватывают очень узкую часть всего диапазона электромагнитных колебаний, поскольку человеческий глаз практически нечувствителен к длинам волн короче 3900 А и длиннее 7600 А (ангстрем). На рисунке не указан диапазон сверхдлинных радиоволн в тысячи километров длиной, поскольку в астрономии этот район длин волн не используется.

Гамма-излучение занимает область спектра короче 0,1 A. Этот тип излучения хорошо известен на Земле, оно возникает в процессах радиоактивного распада, но приходит на Землю также из космоса. От 0,1 до 100 A простирается диапазон рентгеновского излучения, которое с увеличением длины волны примерно при 3100 А переходит в так называемый дальний ультрафиолет. Ближний ультрафиолет занимает довольно узкий участок в спектре от 3100 до 3900 A. Справа от видимого света располагаются инфракрасные лучи с длинами волн от 0,76 до 1 миллиметра, а затем начиная с одного миллиметра весь дальний участок спектра занимают радиоволны.

Зачем нам понадобилось знакомство со спектром электромагнитных колебаний? Дело в том, что небесные объекты излучают не только в видимой области спектра. Так, например, рентгеновское и гамма-излучение, приходящие на Землю из космоса, несут информацию о грандиозных процессах, происходящих в глубинах Вселенной. Читатель, наверное, слышал термин «радиогалактики», то есть галактики, излучающие в радиодиапазоне. Кроме того, радиометоды дают неоценимую возможность определения расстояний до некоторых небесных тел.

Начнем с радиодиапазона. (Кстати, мы уже говорили об этом участке электромагнитного спектра колебаний, когда обсуждали историю открытия реликтового фона излучения неба.) Компании Bell везло на крупные открытия. Начало радиоастрономии тоже связано с работами инженера этой компании — К. Янского. В 1931 году он экспериментировал с вращающейся радиоантенной для выяснения возможных источников радиошума, которые могли бы помешать установлению коротковолновой радиотелефонной связи. Он работал, в частности, на волне 14,6 метра и столкнулся с непонятным на первый взгляд явлением. Шум, который он исследовал, имел максимум интенсивности, причем максимум был периодическим, с периодом в 23 часа 56 минут. Период этот обладал удивительным постоянством.

Довольно быстро Янский догадался, что максимум помех не связан с Землей, а приходит из космоса. Ведь за 23 часа 56 минут Земля делает полный оборот вокруг своей оси (по обычным часам, отсчитывающим солнечное время), и все звезды снова возвращаются в исходное положение относительно любого пункта Земли. Более того, удалось установить, что источник радиоволн находится в созвездии Стрельца, то есть, по-видимому, Янский занимался прослушиванием центра нашей Галактики. С этого момента и появилось новое направление в астрономии — радиоастрономия.

Радиотелескопы внешне абсолютно не похожи на оптические телескопы. Если диаметр рекордного зеркала Зеленчукского телескопа равен шести метрам, то размеры антенн радиотелескопов достигают иногда сотен метров. Задача радиоастрономов состоит в том, чтобы при помощи приемных устройств определить интенсивность и временные характеристики сигналов в различных диапазонах длин радиоволн, приходящих из космоса.

В принципе радиоастрономия очень похожа на оптическую, их отличают лишь диапазон волн и, соответственно, приемные устройства. Эта наука начала развиваться исключительно быстрыми темпами, хотя поначалу астрономы не обратили внимания на открытие Янского. В известном смысле пресса проявила тогда большую дальновидность, чем ученые. Космический шум транслировался по радио, о нем писали в газетах. Радиотехники и радиолюбители заинтересовались этим, и в 1936 году появились сообщения о шипящих звуках, исходящих, по-видимому, от Солнца. Но и эти факты не насторожили астрономов-профессионалов.

Лишь один человек во всем мире сделал должные выводы из открытия Янского. Это был американский радиолюбитель-коротковолновик Г. Рёбер. На свои средства он построил всю аппаратуру, в том числе и радиотелескоп с жестяным зеркалом диаметром в 9,5 метра, установленным на деревянной раме. Он использовал несколько приемников, настроенных на фиксированные длины волн: 9,33; 62,5 и 187 сантиметров. К весне 1939 года Рёбер наблюдал космическое радиоизлучение на длине волны 1,87 метра, а к 1944 году составил первую радиоастрономическую карту в районе Млечного Пути, где были нанесены контуры радиоизлучающих участков неба. В 1945 году он составил новую карту для волны 62,5 сантиметра. На этой карте он специально выделил созвездия Лебедя, Тельца, Девы и Кассиопеи, что, как мы увидим позже, полностью отражало существование там мощных источников радиоизлучения. Если Янского можно считать отцом радиоастрономии, то Рёбера можно смело назвать первым радиоастрономом.

Дальнейшим успехам радиоастрономии способствовало бурное развитие радиолокации, поскольку в радиолокации использовались особо чувствительные приемники. Можно было бы ожидать, что радары будут принимать не только сигналы от вражеских самолетов, но и космический шум. Так оно и оказалось. Только по вполне понятным причинам сведения о космических помехах появились в открытой печати лишь после окончания второй мировой войны. Помехи же, и очень мощные, наблюдались еще в 1942 году английскими радарами на волнах 5,45 и 3,75 метра. Этот факт был отражен в секретных донесениях, а в 1946 году появилась публикация, связывающая это явление с солнечной активностью.

Известные советские физики Н. Мандельштам и Н. Папалекси предлагали использовать радиолокацию для исследования небесных тел еще в 1928 году. Их идея была реализована после войны в 1946 году, когда с помощью радиолокационного метода было измерено расстояние до Луны на волнах 2,7 и 2,5 сантиметра. Годом раньше было обнаружено собственное радиоизлучение Луны, а через 10 лет ученые выяснили, что и другие планеты излучают в радиодиапазоне.

Речь сейчас шла главным образом о непрерывном радиоизлучении, которое принимается радиоастрономами в форме увеличения уровня шума. Но в космосе есть не только шум. Некоторые космические объекты излучают отдельные радиоволны. Мы видим, что ситуация становится похожей на оптическую спектроскопию, о которой недавно говорилось. И действительно, в последнее время достижения радиоспектроскопии очень значительны. Например, с помощью этого метода удалось открыть в межзвездных облаках большое количество органических молекул. К сегодняшнему дню число наименований органических соединений в космосе превысило пятьдесят.

Но началась радиоспектроскопия с открытия радиолинии межзвездного водорода с длиной волны 21 сантиметр. Эта знаменитая длина волны в течение многих лет рассматривалась как возможный канал связи между внеземными цивилизациями. Существование этой линии предсказал еще в 1944 году молодой голландский студент Ван де Хюлст, но оценки всех реальных возможностей наблюдений этой линии были проделаны крупным советским астрофизиком И. Шкловским.

Значение этой радиолинии, разумеется, не ограничивается вопросом контакта с другими мирами. Исследование глубин Вселенной на волне 21 сантиметр дает возможность «буквально пересчитать все водородные атомы межзвездной среды» (И. Шкловский), измерить такой принципиальный параметр межзвездных облаков, как их температуру, изучить динамические процессы в облаках, и, наконец, на этой волне можно зондировать, «видеть» нашу Галактику гораздо лучше, чем в видимом диапазоне, так как излучение с этой длиной волны не поглощается, в отличие от электромагнитных колебаний видимого диапазона, межзвездной средой. Поэтому на волне 21 сантиметр можно исследовать районы Галактики, находящиеся от нас на противоположной от центра Галактики стороне, на расстоянии многих тысяч парсек.

В Советском Союзе значительный вклад в радиоастрономические исследования был сделан В. Троицким, И. Шкловским, Н. Кардашевым, В. Гинзбургом и др. Так, например, академик В. Гинзбург и его ученики создали теорию «синхротронного» излучения. Теория эта — крупнейшее достижение советской науки.

Физические процессы, ответственные за радиосигналы от различных космических объектов, можно грубо разбить на две группы — тепловое и нетепловое радиоизлучение. Начнем с теплового. В любом нагретом теле мы имеем дело с тепловым движением атомов молекул и электронов. Разумеется, движение свободных электронов происходит в металлах или в плазме. Но нам сейчас особенно важен сам факт движения.

При столкновении часть кинетической энергии атомов или электронов переходит в электромагнитные волны и излучается в пространство. Именно такое излучение и называется тепловым. Совершенно ясно, что оно практически ничем (за исключением длины волны) не отличается от обычного излучения нагретого тела в видимой области спектра. Таким образом, любое нагретое тело излучает в радиодиапазоне, хотя и с существенно меньшими интенсивностями, чем в видимом и инфракрасном.

Но существуют и нетепловые формы радиоизлучения, и синхротронное излучение является как раз одной из форм нетеплового излучения. Синхротронным излучение названо потому, что оно впервые наблюдалось в мощных ускорителях — синхротронах. Это излучение возникает при взаимодействии релятивистских электронов с магнитными полями. (Релятивистской называется частица, скорость которой сравнима со скоростью света. Электроны с энергией больше 1 МЭВ считаются релятивистскими.)

Если в пространстве есть магнитное поле, то релятивистский электрон, так же, как и «нормальный», в соответствии с известными законами физики будет закручиваться по спирали вокруг магнитной силовой линии. Однако если электрон, движущийся в магнитном поле с небольшой скоростью, будет излучать при торможении в магнитном поле более или менее одинаково во всех направлениях, то в релятивистском случае излучение будет направлено в сторону движения электрона. А раз электрон движется по спирали, наблюдатель будет «видеть» вспышки радиоизлучения на различных частотах.

Синхротронное излучение электронов.

Поскольку энергия электронов велика (больше 1 МЭВ), а мы знаем, что подобная энергия соответствует температуре 10^10 K, такое излучение — типичный пример нетеплового излучения. За возникновение электромагнитных колебаний в этом случае несут ответственность совершенно другие физические процессы, нежели хаотическое движение частиц в нагретом теле. Чтобы у читателя не возникло недоуменных вопросов, заметим, что излучение в виде «вспышек» можно было бы наблюдать только от отдельного электрона. Реальные же сигналы обусловлены взаимодействием многих электронов с магнитными полями космоса.

Важно, что синхротронное излучение как раз и является типичным нетепловым процессом и по целому ряду физических характеристик его можно отличить от теплового. Один из главных критериев здесь состоит в следующем: если радиоизлучение какого-либо источника имеет тепловой характер, то его интенсивность должна заметно расти с уменьшением длины волны.

Кстати говоря, и Янский, и Рёбер сначала считали, что имеют дело с тепловым радиоизлучением. Поэтому Рёбер и перешел на более короткие волны, чем Янский, в надежде получить более мощный сигнал. Рёбер думал, что на волне 9 сантиметров сигнал будет в 10^4 раз больше, чем у Янского. Ничего подобного ему увидеть не удалось. Более того, на этой волне он вообще не смог обнаружить космический радиошум. Поэтому-то сейчас нетрудно отличить тепловое излучение от нетеплового: нужно, в частности, провести измерение от какого-либо источника на нескольких длинах волн. Кроме того, нужно принимать во внимание, что даже при современных параметрах радиоаппаратуры тепловое радиоизлучение от ближайших звезд дает очень слабый сигнал, находящийся на пределе возможности его обнаружения.

Современные радиотелескопы — поистине циклопические сооружения. Советский радиотелескоп РАТАН-600 имеет диаметр главного зеркала 588 метров. У радиотелескопа в ФРГ параболическая антенна диаметром в 100 метров, а вес всего антенного комплекса составляет 3200 тонн. В фокусе параболической антенны собирается поток электромагнитного радиоизлучения, а специальное устройство, размещенное в фокусе телескопа, направляет его излучение в усилительные тракты приемника. Гигантский телескоп с антенной в форме полусферы диаметром 300 метров находится в кратере потухшего вулкана на острове Пуэрто-Рико.

В принципе работа современного радиотелескопа ничем не отличается от работы обычного радиоприемника. Но, поскольку радиоастрономия имеет дело с сигналами очень малой интенсивности, здесь приходится использовать огромные антенны, которые помогают услышать самые слабые сигналы из космоса. Одна из разновидностей радиоастрономических методов — радиоинтерферометрия — дает возможность исследовать источники радиоизлучения на небе с рекордным разрешением — одна десятитысячная доля секунды. Чтобы понять, что означает подобное разрешение, заметим, что под таким углом можно было бы увидеть с Земли след космонавта на Луне!

За 50 лет своего развития радиоастрономические методы исследования буквально открыли нам новый мир. Эти 50 лет ознаменовались крупнейшими открытиями. Об одном из них мы уже говорили — это обнаружение реликтового излучения. Второе открытие было не менее сенсационным. Речь идет о знаменитых пульсарах — нейтронных звездах, существование которых было предсказано теоретиками за 30 лет до их открытия.

Нейтронная звезда была впервые обнаружена с помощью радиотелескопа аспиранткой известного английского радиоастронома профессора А. Хьюиша — Д. Белл. (Здесь мне хочется немного отвлечься и сказать о том, что история науки знает немало примеров, когда работу делает один человек, а лавры достаются другому или другим. Вспомним хотя бы драматическую историю Р. Франклин, связанную с открытием двойной спирали ДНК. Загляните в книгу Д. Уотсона «Двойная спираль», и вам станет ясно, что страсти в мире науки по своему накалу не уступают страстям героев Шекспира.)

Итак, Д. Белл открыла вращающиеся нейтронные звезды — пульсары. За это открытие А. Хьюишу присудили Нобелевскую премию в области астрофизики. Ну а что же мисс Белл? Ее имя известно сегодня любому человеку, интересующемуся астрофизикой.

Но, разумеется, на «текущем счету» радиоастрономии не только реликтовое излучение и пульсары. Открыты мощные дискретные источники радиоизлучения, и в первую очередь ярчайший источник в созвездии Лебедя — Лебедь-Α. Расстояние от этого источника до нашей Галактики огромно — около 200 мегапарсек, что примерно в 300 раз больше расстояния до туманности Андромеды. И хотя Лебедь-Α в сотни раз дальше от нас, чем эта знаменитая туманность, поток радиоизлучения от Лебедя-Α в 100 раз больше. Но ведь это означает, что его мощность примерно в 10 миллионов раз превышает мощность излучения в радиодиапазоне туманности Андромеды.

В метровом диапазоне Лебедь-Α светит примерно так же, как и Солнце. Однако до Солнца 8 световых лет, а до Лебедя-Α — около 700 миллионов световых лет. Проделайте сами элементарный расчет и вы увидите, что мощность радиоизлучения Лебедя-Α в 10^28 раз превосходит мощность радиоизлучения Солнца. До открытия этого источника (1946 год) астрономии не были известны столь грандиозные явления.

Сразу хочу оговориться, что сейчас мы не затрагиваем вопросов «почему?». Мы ведем разговор лишь в плане «что» и «как». О том, чем обусловливается излучение нейтронных звезд, дискретных источников и других объектов во Вселенной, мы будем говорить в последующих разделах книги.

Вернемся к великим радиоастрономическим открытиям XX века. Речь сейчас пойдет о том, как удалось обнаружить, пожалуй, самые загадочные наблюдаемые объекты Вселенной — знаменитые квазары. К 1960 году несколько радиоисточников было надежно отождествлено со звездами, что явилось большим сюрпризом для астрономов. Ведь потоки радиоизлучения даже от близких к нам звезд очень малы. Радиоисточники отождествлялись всегда с галактиками и туманностями. Тем не менее упомянутые источники обладали вполне приличной интенсивностью.

Американский астроном М. Шмидт решил исследовать оптический спектр одного из таких источников, который наблюдался на небе как звездочка 13-й величины. Первые же результаты Шмидта оказались совершенно обескураживающими. Линии спектра этой звездочки — источника 3C 273 — не удавалось отождествить ни с какими известными лабораторными линиями! Наконец, Шмидту удалось доказать, что в спектре 3C 273 присутствуют некоторые линии водорода. Но эти линии имеют настолько сильное красное смещение, что объект должен удаляться от нас со скоростью 42 тысячи км/сек. Тогда расстояние до него около 2 миллиардов световых лет (600 мпс)! И светимость источника в этом случае должна в 100 раз превышать светимость нашей Галактики, относящейся к разряду гигантских.

Итак, среди многих тысяч звезд 13-й величины оказался объект, заведомо меньший, чем Галактика, и в то же время намного более яркий. Этот объект вряд ли когда-либо удалось бы обнаружить, если бы он не был радиоисточником. Таким образом, радиоастрономы помогли «оптикам» в этом случае открыть так называемый квазизвездный источник — квазар.

Эти объекты занимают особенное место в астрономии как новый класс объектов наряду с галактиками и звездами, но природа их до конца не понята. Свет, излученный некоторыми квазарами, путешествовал во Вселенной более 10 миллиардов лет, прежде чем попал в объектив телескопа. И. Шкловский считал открытие квазаров величайшим достижением астрономии XX века.

Современную астрономию называют всеволновой. Возможность работы по всему диапазону электромагнитного спектра принесла революционные открытия и неизмеримо повысила уровень наших знаний о самых различных объектах Вселенной. Всего 50 лет назад астрономия напоминала человека, лишенного радости видеть цвета и краски окружающего мира. И вдруг в какой-то момент на него обрушилось буйство красок и вся окружающая природа предстала в совершенно ином виде. Переворот в астрономии был еще радикальнее, поскольку наблюдения в видимом оптическом диапазоне ограничиваются поглощением света в межзвездной среде. С освоением новых участков спектра у астрономов в буквальном смысле слова упала с глаз пелена.

Теперь посмотрим, что дали наблюдения неба в инфракрасной области спектра, располагающейся на шкале длин волн между видимым светом и радиоволнами. Человеческий глаз, как уже говорилось, не в состоянии увидеть инфракрасное излучение. Мы можем его только почувствовать, поднеся, скажем, руку к горячему утюгу. Поэтому в инфракрасной астрономии в качестве приемников радиации используются специальные устройства, например, хорошо известная каждому школьнику термопара.

Здесь следует вкратце остановиться на одном важном обстоятельстве. Мы уже говорили о существенном ограничении наблюдений в видимом диапазоне: свет заметно поглощается межзвездной средой. В то же время в видимом диапазоне земная атмосфера довольно прозрачна. Атмосфера очень сильно «режет» коротковолновую часть спектра, начиная с ультрафиолетового излучения; что касается инфракрасного (ИК) диапазона, то молекулы воды и углекислого газа, всегда присутствующие в атмосферном воздухе, поглощают в этом диапазоне довольно сильно. К счастью, между полосами молекулярного поглощения воды и углекислоты есть узкие окна, в которых можно вести наблюдения. Кроме того, если поднять прибор на аэростате, шаре, зонде, задача наблюдения существенно облегчается. В ряде случаев можно проводить наблюдения в ИК-диапазоне даже с высокогорных обсерваторий. Что касается радиодиапазона, то атмосфера практически прозрачна для радиоволн длиной от 1 сантиметра до 20 метров. Теперь ясно, что сам факт поглощения электромагнитных колебаний земной атмосферой в значительной мере стимулировал проведение спектральных измерений на больших высотах и в космосе. В настоящее время есть проекты размещения в космосе и оптического телескопа, причем с довольно большим зеркалом, диаметром более двух метров. Отсутствие атмосферы даже для видимого диапазона даст огромный выигрыш при наблюдениях.

Но вернемся к ИК-астрономии. Можно без преувеличения сказать, что измерения в ИК-диапазоне внесли решающий вклад в исследование химического состава атмосфер планет. Благодаря именно этим измерениям нам удалось узнать, что атмосфера Венеры состоит не только из углекислого газа, она содержит такие экзотические молекулы, как угарный газ, хлористый и фтористый водород, а в облаках Венеры присутствует серная кислота. В атмосферах Венеры и Марса удалось обнаружить пары воды и определить их количество, в облаках Юпитера нашли аммиак, узнали, из чего состоят кольца Сатурна, оценили химический и минералогический состав грунта Луны, Марса, астероидов, спутников Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна.

Наблюдая Юпитер и Сатурн, удалось открыть внутренние потоки тепла от этих планет. Другими словами, оказалось, что и Юпитер и Сатурн отдают в пространство больше тепла, чем получают его от Солнца.

С помощью ИК-измерений удалось сделать поразительные открытия не только в мире планет, но и в мире звезд. Именно здесь и сказалось решающее преимущество ИК-излучения перед видимым светом: пыль и газ в межзвездном пространстве поглощают видимый свет во много раз сильнее, чем излучение в ИК-диапазоне. С помощью измерений в инфракрасном диапазоне были открыты так называемые ИК-звезды, которые в обычные телескопы были видны как объекты 20m (20-й звездной величины), а в ИК-диапазоне они светили как объекты 0m. Разница гигантская — в 20 звездных величин!

Температура этих звезд оказалась очень низкой (по звездным меркам) — всего 2000 К. В атмосферах многих холодных звезд есть вода и окись углерода. Около некоторых звезд, и молодых и старых, существуют пылевые оболочки, а совсем недавно было установлено, что есть звезды, и среди них одна из самых близких к нам — Вега, окруженные пылевыми дисками. Возможно, эти образования и есть знаменитые протопланетные туманности. Быть может, по соседству с нами вскоре отыщут звезды, имеющие планетные системы!

С помощью ИК-астрономии были открыты протозвездные объекты и загадочные тела промежуточной массы между звездами и планетами. Один из них имеет массу в десять раз большую, чем Юпитер, но соответственно меньшую, чем наш желтый карлик — Солнце.

Астрофизики, используя возможности ИК-астрономии, впервые получили изображение центра нашей Галактики. Была изучена структура этого района, и удалось обнаружить, что в центре нашей звездной системы расположен точечный источник инфракрасного излучения. Но что это такое? Сегодня мы не можем ответить на этот вопрос. Мир астрономии поистине неистощим на сюрпризы.

Новые сведения об окружающем мире идут не только с длинноволнового конца спектра. Коротковолновый диапазон в этом смысле старается «не отставать» от радиоволн и ИК-излучения. Но здесь уже нужно учесть то обстоятельство, что научную информацию ученые получают в этом диапазоне длин волн только с больших высот и из космоса: атмосфера задерживает, «режет» коротковолновую, высокоэнергичную часть спектра.

С одной стороны, это, безусловно, хорошо. Хорошо хотя бы в том смысле, что если бы ультрафиолетовое излучение Солнца могло достигнуть поверхности Земли, то очень скоро наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню. Ведь ультрафиолетовое излучение Солнца губительно для всего живого. Но так как наша планета имеет атмосферу, а в ней есть слой озона, поглощающий жесткий ультрафиолет, то мы можем жить спокойно, а астрономы должны использовать высотные ракеты и спутники для исследования различных объектов в коротковолновой части спектра — ультрафиолете, рентгене и гамма-диапазоне.

Ультрафиолетовое излучение особенно заметно в спектрах горячих молодых звезд, имеющих высокую температуру. Ну, и конечно же, наше Солнце является мощнейшим источником ультрафиолета, поскольку эта звезда ближе всего к нам. Я не буду много говорить сейчас об исследовании в ультрафиолетовой области спектра. Укажу лишь на один замечательный пример.

В мире звезд существуют так называемые белые карлики — маленькие, горячие звезды очень высокой плотности. Если бы нам удалось зачерпнуть вещество белого карлика чайной ложкой и взвесить его, стрелка весов остановилась бы около деления 5 тонн. Так вот, теория белых карликов была создана уже давно, но они очень трудно наблюдаемы в видимом диапазоне из-за малых размеров. До 1975 года по этой причине не проводилось прямых измерений размеров белых карликов. Но когда на спутнике «Коперник» были проведены измерения в ультрафиолете, оказалось, что максимум излучения Сириуса-Β лежит в области 1100 А, что соответствует температуре поверхности звезды около 30 000 К. Теперь по известной для Сириуса-Β видимой звездной величине можно было вычислить радиус звезды. Он оказался равным 4200 километрам, меньше, чем радиус Земли. Интересно, что последующие измерения дали более низкую цифру — 26 000 К. Но система Сириуса светит еще и в рентгене, и этой температуры не хватает для объяснения рентгеновского излучения. Пока причина этого неизвестна.

Если бы мы «закрыли» все участки спектра, кроме ультрафиолетового, ночное небо выглядело бы совершенно иначе, чем сейчас. На нем наблюдалось бы много очень ярких туманностей солидных размеров. Например, одна из них заняла бы все созвездие Ориона. Интересно выглядело бы в ультрафиолете Солнце: его внешние части были бы гораздо ярче диска звезды.

Отправимся теперь в область самой коротковолновой астрономии — рентгеновскую и гамма. Здесь уже телескопы совсем не похожи на оптические или радио. Это специальные физические приборы для регистрации жестких, то есть обладающих высокой энергией квантов, излучений в рентгеновском и гамма-диапазоне. Ясно, что кванты с высокой энергией могут рождаться в физических процессах с большим энерговыделением. Поэтому окно рентгеновской и гамма области спектра является окном в астрофизику высоких энергий. В первую очередь следует отметить открытие мощных рентгеновских источников — нейтронных звезд в тесных двойных системах. Мощность этих источников в сотни тысяч раз больше мощности Солнца, также излучающего в рентгеновском диапазоне.

Рентгеновские лучи принесли нам информацию о присутствии в межгалактическом пространстве внутри скоплений галактик горячей плазмы с температурой сто миллионов градусов. Мощными источниками рентгеновского излучения являются вспышки сверхновых, процессы «каннибализма» в мире галактик, вспыхивающие нейтронные звезды — барстеры.

Читателю не надо бояться новых загадочных терминов. Мы просто договоримся сейчас о том, что, когда разговор пойдет о мире галактик, нам станет понятно, что такое «каннибализм», беседуя о звездах, мы узнаем о барстерах и т. д. Сейчас же я хочу еще раз повторить, что наблюдения рентгеновского излучения в астрономии всегда связаны с высокими энергиями.

Рентгеновская астрономия приносит сюрпризы и неожиданности. В 1983 году советские и японские спутники зарегистрировали «внезапную смерть» источника Геркулес Х-1 в рентгеновском диапазоне. Почему? На очередной вопрос, поставленный природой перед астрофизиками, ответа пока нет.

Очень интересен рентгеновский источник Лебедь Х-1, который уже более десятка лет будоражит воображение астрофизиков. Наблюдения как будто не противоречат гипотезе о черной дыре, входящей в состав двойной звездной системы Лебедя, но… скажем прямо, имеются и альтернативные объяснения наблюдаемой картины. Конечно же, хотя на счету рентгеновской астрономии колоссальные достижения, открытие черной дыры было бы ее триумфом. Но пока триумф откладывается.

Здесь не следует забывать, что рентгеновская астрономия очень молода — лишь в 1970 году был запущен спутник «Ухуру», с помощью которого были сделаны фундаментальные открытия, например, нашли рентгеновские звезды — тесные двойные системы, где одним из компаньоном является нейтронная звезда.

Еще моложе гамма-астрономия. Лишь в 1972 году был запущен специализированный спутник для изучения гамма-излучения.

Сразу же уместно обсудить вопрос о том, какие процессы и объекты на небе могут быть источниками космического гамма-излучения? Таких источников несколько. Гамма-излучение может возникать, если энергичные протоны, входящие в состав космических лучей, или релятивистские электроны сталкиваются с ядрами межзвездных атомов или молекул. Релятивистские электроны могут порождать гамма-кванты при взаимодействии с квантами электромагнитного излучения различной энергии, заполняющими межзвездное пространство, и при движении в магнитных полях (синхротронное излучение). Поэтому огромные холодные газопылевые облака, заполняющие межзвездное пространство, обязательно должны были быть источниками гамма-излучения: ведь плотность вещества в них больше, чем в обычном межзвездном пространстве, и вероятность взаимодействия протонов космических лучей с содержимым облака соответственно повышается.

Изображение остатка сверхновой Кассиопеи Α в гамма-диапазоне.

Так оно и оказалось. Некоторые максимумы гамма-излучения на небе удалось отождествить с облаком в созвездии Орион, где происходит рождение звезд. Это облако находится сравнительно недалеко от нас: около 500 пс. Еще ближе (150 пс) к нам звезда ρ Змееносца. Около нее также расположено облако — источник гамма-излучения. На основе результатов спутниковой гамма-астрономии удалось даже построить «гамма-карту» части нашей Галактики, поскольку гамма-излучение в Галактике подчеркивает ее крупные детали.

Природа некоторых гамма-всплесков не понята до настоящего времени. Так, например, настоящая загадка — гамма-излучение от пульсара Паруса-Х. Он слабо светит в рентгене, но дает заметные всплески в радио-, в оптическом и в гамма-диапазоне. Так вот, оказывается, что за один и тот же промежуток времени в радиодиапазоне можно видеть один импульс, а в гамма- и оптическом — два. Почему — неясно.

5 марта 1979 года на небе был зарегистрирован мощный гамма-всплеск. Нельзя исключить того, что источником этого всплеска является вспыхнувший молодой пульсар — остаток взрыва Сверхновой, происшедшего в Большом Магеллановом Облаке. Есть на небе и гамма-источник CG 195+4, который излучает лишь гамма-кванты, не проявляя активности ни в каком другом диапазоне. Было открыто гамма-излучение от знаменитого квазара 3С 273. Мощность его гамма-излучения в сотни раз превышает полную мощность излучения всех звезд нашей Галактики. Причем она примерно такая же, как в радио и в оптическом диапазоне.

Даже из этих примеров видно, какие широкие перспективы открывает и какие важные задачи ставит перед астрофизиками гамма-астрономия.

Для исследований самых жестких гамма-квантов с энергиями 10^2–10^4 ГЭВ используются… оптические телескопы! Эта на первый взгляд невозможная вещь объясняется просто.

При прохождении сверхжестких гамма-квантов через атмосферу возникают очень энергичные электроны, вызывающие знаменитое «черенковское» излучение. Это излучение и можно в конце концов поймать при помощи оптического телескопа.

Итак, электромагнитные колебания являются сейчас основным источником информации в современной астрономии. Можно смело сказать, что астрономия не возникла бы как наука, если бы у нее не было глаз. Сначала это были просто глаза человека, затем они вооружились оптическими телескопами, затем появились радиотелескопы. Сейчас термины «рентгеновская, гамма-астрономия» общеприняты — астрономия стала всеволновой.

Но только ли электромагнитный спектр несет нам информацию о космосе? Конечно, нет. Ведь космос буквально «нашпигован» заряженными и незаряженными частицами. Это ядра атомов различных химических элементов, просто протоны высоких энергий и некоторые другие частицы. Все они объединяются в так называемые космические лучи. Исследование космических лучей также несет информацию о грандиозных катаклизмах, происходящих во Вселенной, в частности, о взрывах Сверхновых звезд, процессах в ядрах галактик.

На страницах оригинальных статей и обзоров все чаще появляется новый термин — нейтринная астрономия. Действительно, эти неуловимые из-за своего чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом частицы могут дать исключительно важную информацию о внутреннем строении звезд, в том числе и нашего Солнца. Изучение реликтовых нейтрино, оставшихся после Большого Взрыва, принесло бы неоценимую информацию о первых мгновениях жизни нашей Вселенной. Но регистрация нейтрино — задача исключительной сложности. Это, кстати, мы увидим, когда речь пойдет о нашем Солнце и проблеме солнечных нейтрино. Тем не менее многие ученые считают, что нейтринная астрономия уже к концу этого века скажет свое веское слово. И мне кажется, что это будет очередная порция сюрпризов и загадок, которые природа до поры до времени держит про запас, а потом вдруг дает возможность прикоснуться к своим тайнам, то ли, чтобы подхлестнуть любопытство человека, то ли лишний раз щелкнуть его по носу.

Есть еще один очень интересный потенциальный источник информации из космоса. Это гравитационные волны — следствие ОТО. Большой бум в науке возник более 15 лет тому назад, когда бывший американский адмирал, большой энтузиаст астрофизики Д. Вебер объявил о том, что ему впервые удалось зарегистрировать таинственные гравитационные волны. Аппаратура Вебера состояла из алюминиевых цилиндров весом 4 тонны каждый.

Если на цилиндр подействует гравитационная волна, в нем должны возникнуть собственные колебания с частотой 1600 герц. Эти колебания можно регистрировать чувствительными приборами. Сначала Вебер использовал для измерения лишь один цилиндр. В этом случае, естественно, нельзя было дать никакой гарантии в том, что колебания цилиндра вызваны именно гравитационными волнами, а не какими-либо другими, более земными причинами. Поэтому-то и появилась вторая установка с гигантским алюминиевым цилиндром в Иллинойсе, чтобы можно было регистрировать гравитационные волны одновременно в разных точках земной поверхности.

На минуту отвлечемся от эксперимента Вебера и попытаемся понять, что такое гравитационные волны. Нам удастся это лучше всего, если мы вспомним два обстоятельства. Первое: теория электромагнитного поля и теория гравитации ОТО — две классические теории, оперирующие с силами бесконечного радиуса действия. Второе: знаменитый опыт Г. Герца с испусканием электромагнитных волн.

Теперь ясно, что, так же как и в классической теории электромагнитного поля, где колебания электрического заряда будут вызывать электромагнитные волны, в ОТО колебания массивного тела будут вызывать гравитационные волны. Источником гравитационных волн поэтому может быть процесс коллапса звезды в черную дыру, взрывы Сверхновых, тесные двойные системы с массивными компаньонами.

Но трудность состоит в том, что даже при наличии двойных систем и других источников гравитационных волн силы, вызываемые этими волнами, ничтожны. Если, например, Солнце находилось бы в системе двойной звезды и воображаемый компаньон, имеющий такую же массу, как Солнце, располагался на расстоянии одной астрономической единицы от нашего светила, гравитационное излучение составило бы всего 10–14 от мощности электромагнитного излучения этих звезд. Именно поэтому, когда в 1969 году Вебер сообщил о том, что удалось зарегистрировать гравитационные волны, идущие от района центра Галактики, ему не поверили.

Результаты Вебера большинству ученых кажутся неубедительными и малоправдоподобными, поскольку мощность источника гравитационных волн в случае достоверности регистрации слишком велика. Для обеспечения подобной мощности должна существовать черная дыра, поглощающая в год массу вещества, равную нескольким тысячам масс Солнца.

Построенные позже более чувствительные, чем у Вебера, детекторы не зарегистрировали до сих пор гравитационного излучения. Тем не менее ОТО предсказывает это излучение, а некоторые астрономические наблюдения как будто указывают на существование этого излучения.

Что здесь имеется в виду? ОТО предсказывает, что в тесных двойных системах непрерывное излучение энергии в виде гравитационных волн должно изменять орбиты компаньонов системы и приводить, в частности, к уменьшению периода обращения.

Наблюдения за пульсаром PSR 1913+16 прекрасно согласуются с вычислениями, выполненными на основе ОТО. Если бы уменьшение периода можно было бы однозначно связать с гравитационным излучением, результаты наблюдений за PSR 1913+16 явились бы очередным триумфом ОТО и их с полной определенностью можно было бы трактовать как ясное доказательство гравитационного излучения. Но… к сожалению, уменьшение периода может быть вызвано и другими причинами.

Сегодня разрабатываются все новые и новые системы для детектирования гравитационных волн. Здесь особенно интересна идея использовать всю Землю в качестве детектора гравитационных волн, которые должны возбуждать в теле нашей планеты малые по амплитуде сейсмические волны. Подобные волны уже зарегистрированы, но (опять это «но») нужна схема совпадений, поскольку, если эти волны зарегистрированы лишь в одном детекторе (Земле), интерпретация не может считаться однозначной. В схему эксперимента предполагается дополнительно включить Луну. Если микросейсмы с определенными характеристиками будут одновременно зафиксированы и на Луне и на Земле, тогда можно будет праздновать победу новой отрасли астрономии — гравитационной.

Этап бурного развития наблюдательной астрономии во второй половине XX века неспроста называют «второй революцией». Первая связана с именами Коперника и Галилея, вторая — с освоением практически всего диапазона электромагнитных колебаний и полным техническим перевооружением астрономов.

На очереди — решение увлекательных загадок Вселенной: поиск цивилизаций, выяснение природы квазаров, решение проблемы скрытой массы и многое другое. На очереди — вынос в космос больших оптических и радиотелескопов, создание космической голографии — получение трехмерных изображений некоторых объектов, измерение угловых расстояний в 10–8 секунды дуги, в десять тысяч раз более высокая точность, чем сегодня. Одним словом, реальные перспективы исследования новых загадок окружающего нас мира становятся все более и более реальными.

Галактики

Зеркальный телескоп. 1750 год.

Что такое галактика?

Читателям, интересующимся научной фантастикой, хорошо известно имя Ф. Хойла — автора нашумевших бестселлеров «Черное облако» и «Андромеда». Астрофизики знают Хойла как блестящего ученого, одного из творцов теории происхождения химических элементов и теории стационарной Вселенной, зачинателя многих направлений современной космологии и астрофизики, человека, вся научная деятельность которого — бенгальские огни новых, оригинальных идей.

Двадцать лет назад Хойл написал научно-популярную книгу «Галактики, ядра и квазары», в которой он высказывает довольно пессимистическую точку зрения по поводу имеющейся информация о происхождении галактик. «О происхождении галактик почти ничего не известно», — пишет он в своей книге. Прошло 20 лет после выхода в свет книги Хойла, и сегодня приходится признать, что общепринятой, канонической теории образования галактик не существует. Положение, быть может, не столь трагично, как писал Хойл, но тем не менее это один из самых трудных (и нерешенных!) вопросов современной космологии.

Далекие туманные объекты — туманности были замечены астрономами еще в XVII веке. О знаменитой туманности Андромеды впервые упомянул современник Галилея С. Мариус в 1612 году. Французский астроном Ш. Месье, известный своими открытиями комет, чтобы наблюдатели не путали кометы с туманностями, составил первый список туманностей, содержавший около ста объектов. Но лишь в 20-х годах нашего века удалось установить, что некоторые туманности — это гигантские звездные системы, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики — Млечного Пути.

Постепенно астрономы выяснили, что эти системы сильно отличаются по форме и размерам друг от друга, и Хаббл составил знаменитую «камертонную диаграмму» — первую классификацию галактик, которая и по сегодняшний день широко используется в наблюдательной астрономии.

Все галактики Хаббл разбил на три основных вида: эллиптические, спиральные и неправильные. Составляя диаграмму, он полагал, что в ней отражен некий механизм эволюционных переходов от одного вида к другому. Это предположение впоследствии было отвергнуто, но классификация Хаббла, как мы говорили, используется и поныне. Что же касается очевидных различий в строении колоссальных звездных систем, то они связаны, по всей видимости, с условиями образования галактик.

Итак, посмотрим еще раз повнимательнее на камертонную диаграмму Хаббла. Очень многие из известных ныне астрономам галактик имеют эллиптическую форму. У самых крупных эллиптических галактик поперечник сравним с диаметром нашей Галактики, включая ее корону (примерно 10^5 парсек), а масса их достигает 10^13 солнечных масс. Таких гигантских эллиптических галактик сравнительно немного, и гораздо более распространены так называемые карликовые эллиптические галактики, имеющие размеры в поперечнике «всего» около 2000 парсек и содержащие несколько миллионов звезд (в нашей Галактике сотни миллиардов звезд, и она поэтому считается гигантской).

Камертонная диаграмма Хаббла.

Спиральные галактики были открыты первыми. Это сильно сплюснутые системы гораздо большей яркости, чем широко распространенные карликовые эллиптические галактики. Основное различие между обычными спиральными галактиками и спиралями с перемычкой заключается в форме ядра этих систем. Обычные, или нормальные, спирали имеют ядро приблизительно сферической формы, но у ряда спиральных галактик в области вытянутого ядра наблюдается перемычка.

На диаграмме Хаббла мы видим и линзовидные галактики. Они так же, как и спиральные, сильно сплюснуты и напоминают чечевицу, но у них нет спиральной структуры.

И наконец, еще один тип галактик — неправильные. К ним относятся, например, два основных «компаньона» нашей Галактики — Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако. Свое название «неправильные» эти звездные системы получили из за особенностей их видимой формы. Некоторые неправильные галактики несут на себе отпечатки мощных взрывных процессов, другие имеют искаженную форму за счет взаимодействия с соседними близкими галактиками.

Большинство галактик обладает «стадным» характером: они образуют скопления, большие и малые. Малые насчитывают десятки членов, большие — тысячи. Большое скопление в Волосах Вероники содержит примерно десять тысяч галактик, главным образом эллиптических. Размер этого огромного скопления около четырех мегапарсек.

Скопления галактик, в свою очередь, входят в состав еще более крупных структурных образований, которые называются сверхскоплениями. Эти самые крупные структурные ячейки Вселенной имеют размеры до сотни мегапарсек и массы, превышающие 10^15 масс Солнца.

Именно галактики являются ключевым элементом в структуре наблюдаемой Вселенной, а проблемы образования галактик и структурирования мира — один из основных вопросов в современной космологии.

Здесь существует некоторая тонкость, на которую нам необходимо обратить внимание. Когда мы говорили о рождении нашего мира, мы подчеркивали что речь идет об однородной и изотропной Вселенной. И действительно, крупномасштабная структура мира в пределах той точности наблюдений, которой располагает современная астрономия, изотропна и однородна. Так, например, величина скорости разбегания галактик не зависит от того, в каком участке ночного неба проводятся измерения. То же самое можно сказать и о наблюдениях реликтового излучения, о числе далеких галактик в различных направлениях от Земли (но в достаточно больших сравниваемых объемах!).

Изотропность реликтового фона с полной определенностью свидетельствует о том, что распределение вещества Вселенной в эпоху отделения излучения от вещества было в высокой степени однородным. Это, по всей видимости, совершенно непреложный вывод. Но как согласовать его с очень сложной структурой сегодняшней Вселенной, которая определяется существованием галактик, их скоплений, и, наконец, сверхскоплений? Ведь совершенно ясно, что если бы расширение абсолютно однородной Вселенной было, в свою очередь, абсолютно однородным, то ни звезды, ни галактики не могли бы существовать в принципе. Вселенная в этом случае представляла собой однородный газ из атомов и элементарных частиц. Тем не менее в нашем мире мы можем наблюдать и звезды, и галактики. В чем же дело?

Рождение галактик

Еще раз вернемся к тому моменту, когда температура расширяющейся Вселенной упала до 4000 K. После Большого Взрыва прошло около миллиона лет. В это время в нашем остывающем мире произошли существенные перемены. Для нас сейчас особенно важно то обстоятельство, что Вселенная стала прозрачна для излучения. Произошло это по той причине, что электроны объединились в атомы с протонами и перестали участвовать в рассеянии фотонов. Излучение отделилось от вещества, и поэтому Вселенная стала для нас наблюдаемой.

Что это значит? Астрономия стала всеволновой. Наблюдения проводятся сейчас в широком диапазоне электромагнитных колебаний — от радиоизлучения до гамма-лучей. Естественно, чем дальше от нас находится объект, тем в более раннюю эпоху видит его астроном-наблюдатель. Свет от далеких галактик идет до Земли миллиарды лет, и мы видим эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

Ситуация здесь напоминает почтовые отправления. Распечатывая конверт и читая письмо, мы узнаем лишь о тех событиях, которые произошли до момента написания письма. В астрономии роль писем взяли на себя кванты электромагнитного излучения. Но расстояния между адресатами огромны, и поэтому мы в принципе не можем знать, что происходит с далекими объектами в данный момент времени. Ведь скорость передачи любой информации ограничена значением скорости распространения света.

Группа из пяти взаимодействующих галактик.

Галактика М 81.

Сталкивающиеся галактики.

Реликтовый фон дает сведения об эпохе отделения излучения от вещества, так как именно в это время электромагнитные колебания получили возможность свободно распространяться. Попытки наблюдений более ранней Вселенной напоминали бы попытки разглядеть что-либо в плотном тумане. Здесь речь идет, разумеется, о наблюдениях с помощью электромагнитных волн. Развитие нейтринной астрономии, безусловно, поможет заглянуть в более отдаленное прошлое нашего мира. Но на сегодня эта возможность отсутствует.

Что же говорит нам реликтовый фон об эпохе отделения излучения от вещества? Основной результат наблюдений состоит в том, что фоновое излучение однородно. В каком бы участке неба мы ни производили измерение свойств реликтового излучения, результат будет один и тот же. Но это означает, что и вещество в эпоху отделения было также очень однородным. А тогда мы снова сталкиваемся с противоречием между изначальной однородностью Вселенной и грандиозным разнообразием ее структуры. Где же выход?

Здесь уместно вспомнить о пророческой идее Ньютона, высказанной около 300 лет тому назад в письме к ректору Тринити колледжа в Кембридже Р. Бантли. Ньютон писал: «Но если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в единую массу. Часть его могла бы собраться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных по бесконечному пространству на огромных расстояниях друг от друга».

Именно эта мысль гениального Ньютона является одним из краеугольных камней современных теорий образования крупномасштабных структур Вселенной.

Второе важное обстоятельство, которое мы с вами обязательно должны принять во внимание: так называемые малые возмущения, флуктуации — небольшие отклонения от однородности и изотропии.

Действительно, одной лишь силы гравитации в бесконечной однородной среде недостаточно для ее структурирования. Необходимо наличие неких «затравок». Здесь напрашивается аналогия с образованием облаков в атмосфере. Хорошо известно, что водяной пар начинает конденсироваться на крохотных частичках, называемых ядрами конденсации. Этими ядрами могут быть, например, крупинки поваренной соли или сажи. Но и в том случае, если бы атмосфера не содержала этих ядер, процессам конденсации благоприятствовали бы незначительные флуктуации плотности, которые всегда имеют место в реальной атмосфере.

Конечно же, разница между ранней Вселенной и атмосферой, между галактиками и тучами велика. Тем не менее и в том, и в другом случае необходимы затравочные флуктуации. Для решения вопроса об эволюции этих флуктуаций необходимо учитывать их начальные размеры и, конечно же, тот факт, что флуктуации возникают в расширяющейся Вселенной. Дело в том, что статическая Вселенная была бы крайне неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению.

Постараемся понять физический смысл роста начальных флуктуаций плотности, запомнив при этом довольно печальную для любой теории вещь: происхождение флуктуаций, из которых в конце концов возникнут галактики, остается на сегодняшний день загадкой. Попробуем более подробно рассмотреть, какие процессы могут происходить в изначально полностью однородной и изотропной среде. Вообще говоря, такая среда не может быть устойчивой, поскольку в ней действуют различные силы. Какие же?

В такой среде действует лишь одна сила — тяготение. Ведь в этой среде нет ни перепадов давления, ни потоков, ни каких-либо других неоднородностей вещества. И тем не менее этой силы оказывается вполне достаточно, чтобы нарушить однородность исходной среды и создать в ней неоднородности. Именно эта сила и создает первичные «куски» вещества в изначально однородной Вселенной.

Как это происходит? Представим себе для наглядности, что в каком-то районе среды немного повысилась ее плотность, или, иными словами, возникла флуктуация плотности. В соответствии с законом всемирного тяготения частицы среды начнут притягиваться к участку с большей плотностью и тем самым стремиться еще больше увеличить плотность этого участка.

Но мы пока не учитывали силу, которая неизбежно возникнет при увеличении плотности и начнет противодействовать силе гравитации. Эта сила — перепад давления. В данном случае именно возрастание давления прекращает в конце концов процесс сжатия.

Разумеется, схема, которую мы здесь нарисовали, чересчур упрощена, носит слишком качественный характер и может вызвать некоторое недоумение у читателя. Ведь применительно к расширяющейся Вселенной необходимо учитывать характер расширения. Кроме того, хорошо было бы знать и размеры, и массу первоначальных сгущений.

Анализ процессов гравитационной неустойчивости в однородной покоящейся среде привел к понятию «джинсовой массы» и «джинсова размера» (в честь Д. Джинса — знаменитого английского астронома, занимавшегося вопросом гравитационной неустойчивости). Джинсова длина — это критический размер участка нашей среды, при котором сила тяготения сравнима с перепадом давления в объеме этого участка. Джинсова масса — это масса участка, обладающего критическим размером.

Что дают нам понятия критической длины и массы? Ответить на этот вопрос довольно просто. Флуктуация — это такое образование, которое обязано или жить и развиваться, или в конце концов исчезнуть. Статичной она быть не может. Судьба флуктуации полностью определяется результатом конкурентной борьбы гравитации и перепада давления, а критическая масса и размер — количественный критерий этого результата. Естественно, что джинсова длина прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна плотности среды.

Если размеры сгущения меньше критической длины Джинса, то сила давления преобладает над гравитацией, и в конце концов сгущение начнет расширяться. Более того, при расширении это сгущение по инерции «проскочит» среднее значение плотности окружающей среды и станет менее плотным, чем среда. Естественно, возникнет разность давлений, и рассматриваемый нами участок среды (теперь мы уже не можем называть его сгущением) некоторое время будет испытывать колебания плотности, которые рано или поздно затухнут из-за вязкости, и от сгущения не останется и следа.

Гипотетическая ледяная планета в созвездии Лиры.

Если же размеры превышают критическую длину Джинса, то плотность сгущения будет расти, причем размеры таких сгущений определяются величиной начальных малых флуктуаций плотности. При исследовании этого вопроса, как мы уже говорили, совершенно необходимо учитывать то радикальное обстоятельство, что все процессы дифференциации вещества происходили в расширяющемся мире.

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды, содержащей затравочные флуктуации. Пионерские работы, в которых исследовалось поведение малых возмущений в однородной расширяющейся среде, были выполнены в нашей стране сразу после войны академиком Е. Лифшицем. Эти работы показали, что в реальном случае расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться несколько медленнее, чем Вселенная в целом. Это понятно, поскольку тяготение в этих участках сильнее, и оно будет препятствовать расширению. Эти области будут постепенно отставать в расширении от Вселенной, а в какой-то момент времени они и совсем перестанут расширяться. Они как бы отключатся от общего космологического расширения Вселенной.

Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. И вот именно здесь возникают весьма серьезные трудности.

Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В этих процессах также велика роль флуктуаций плотности. Они носят чисто тепловой характер. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического движения молекул газовой среды. Кстати говоря, Джинс в своих работах рассматривал именно тепловые флуктуации как затравочные центры гравитационной неустойчивости.

Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе из N частиц. Это может быть стакан воды, атмосфера, район Вселенной, содержащей число частиц, соответствующее, к примеру, числу частиц в нашей Галактике (≈ 10^68). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно просто 1/√N, то для N = 10^68 относительная величина теплового возмущения плотности равна 10–34.

Пора, наконец, сказать, что относительная величина возмущения плотности определяется как (ρφ – ρc)/ρc, где ρφ — плотность в районе возмущения, а ρc — средняя плотность среды. Итак, тепловые флуктуации дают очень небольшие отклонения от средней плотности среды. Но теория Лифшица требует, чтобы в момент времени, равный одной секунде после Большого Взрыва, во Вселенной существовали начальные возмущения, относительная величина которых никак не меньше 10–17. Как мы видим, разница здесь огромная.

Казалось бы, что такое 10–17? Очень маленькая величина. Но в то же время она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. И именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучает теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывает от нас таинство происхождения галактик. Разумеется, картину нельзя назвать уж совсем безрадостной. Общий подход здесь более или менее ясен. Были малые начальные флуктуации, работала гравитационная неустойчивость, и на небе астрономы отчетливо видят галактики. Нужно лишь проследить и описать в рамках какой-то разумной теории всю эту картину. Но когда теоретики пытаются прийти к общей точке зрения по поводу ключевого вопроса в этой проблеме, вопроса о начальных возмущениях, выросших впоследствии в галактики, в их лагере сразу же появляются противоречия и споры не утихают по сегодняшний день.

Нынешнее время в теории образования галактик — эпоха поиска; окончательной, завершенной картины нет, есть только наброски. Но и по этим наброскам мы вправе попытаться представить себе общий ход событий, помня, разумеется, что наши сценарии будут в значительной мере предварительными. Ведь даже вопрос о том, с каких образований — крупных или небольших — началось структурирование мира, решается разными учеными совершенно по-разному.

А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты — сверхскопления, окружающие гигантские «черные области» — пустоты.

Возникновение подобных структур требует наличия очень больших начальных изолированных масс: 10^15–10^16 М. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно. Сжатие первоначального объекта начинается в эпоху отделения излучения от вещества (когда излучение перестает взаимодействовать с веществом). Исчезновение давления излучения приводит к развитию гравитационной неустойчивости, которая «подтягивает» вещество к области повышенной плотности.

Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Если, к примеру, сначала исходный объект имел форму куба, то впоследствии он сожмется в пластинку. Такую пластину авторы модели назвали «блином».

Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и наконец в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму.

«Блинная» модель, или, точнее сказать, теория, не свободна от недостатков. Она находится в противоречии с данными наблюдательной астрономии. Ведь исходные возмущения должны быть по этой теории столь велики, что современные способы оценки флуктуаций реликтового фона обязаны были бы зарегистрировать соответствующие отклонения в температуре. Однако этого не случилось. И поэтому для спасения блинной теории необходимо предположить, что плотность Вселенной была выше, чем думали ранее.

Сталкивающиеся галактики.

На роль спасителей теории блинов претендуют сейчас нейтрино, поскольку, как мы знаем, есть указания на то, что их масса покоя не равна нулю, или какие-то пока ненаблюдаемые частицы. С учетом массивных нейтрино теория блинов совмещается с наблюдениями реликтового излучения. Авторы теории надеются к концу XX века завершить построение общей теории.

Существуют, однако, и другие подходы к проблеме структурирования. Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований — галактик. А ведь нас в первую очередь интересует именно это. Для решения этого вопроса придется снова вернуться к массе Джинса.

Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в ранней Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 10^6 и 10^12 солнечных масс. Случайно ли то обстоятельство, что массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются, в свою очередь, к величине 10^12 М.

Безусловно, этот факт заслуживает внимание. Соответственно, появилась очередная космогоническая гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 10^5–10^6 М возникло «все» — и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка сравнима с массой Джинса. Поэтому силы давления также сравнимы с силами гравитации.

Гигантская галактика.

Процесс сжатия здесь отличается от случая, когда гравитация полностью преобладает над давлением. Сжатие такого сгустка не может привести к образованию блина, так как давление сглаживает любую анизотропию. Поэтому первичные объекты, образовавшиеся в результате сжатия сгустков вещества с массой 10^5 солнечных масс, сферически симметричны. Они сразу фрагментируют на звезды, образуя шаровое скопление. Затем отдельные шаровые скопления при взаимодействии друг с другом собираются в галактики, а галактики, в свою очередь, образуют скопления.

Все это многообразие трудностей и нерешенных вопросов требует развития новых методов наблюдений. Более тридцати лет назад, выступая на Дарвиновских чтениях, Э. Хаббл сказал: «Что касается будущего, то можно проникнуть в пространство еще глубже, проследить красное смещение еще дальше назад во времени, но мы уже вступили в область уменьшения отдачи: инструменты будут стоить все дороже и дороже, а достижения возрастать все медленнее и медленнее… Но, возможно, позднее, когда военные ассигнования можно будет передать ученым, более счастливое поколение сможет возобновить наступление на пространство.

…Из нашего дома на Земле мы вглядываемся в даль, стараясь представить себе, каков мир, в котором мы были рождены. Сегодня мы уже далеко проникли в космическое пространство. Но чем больше расстояния, тем меньше мы знаем, и пока на едва различимой линии горизонта, среди едва уловимых ошибок наблюдений мы отыскиваем вряд ли более заметные, чем эти ошибки, „межевые столбы“. Но эти поиски будут продолжаться. Стремление к познанию старше истории. Оно безгранично и неодолимо». Слова эти не потеряли своей актуальности и сегодня.

Свойства галактик

Посмотрим теперь на некоторые свойства галактик, на их характерные особенности. Как мы уже говорили, Хаббл думал, что его камертонная диаграмма отражает эволюционный путь галактик. При этом он руководствовался гипотезой Джинса, согласно которой эллиптические галактики представляли собой гигантские газовые туманности. С течением времени туманность, охлаждаясь, сжималась и вращалась все быстрее, проходя последовательно все стадии от Е0 до Е7. При достижении определенной скорости вращения на экваторе туманности начиналось истечение материи в виде спиральных струй, в которых конденсировались звезды. Таким образом, туманность проходила весь путь по камертонной диаграмме, превращаясь в спиральные звездные системы.

Сегодня нам хорошо известно, что эллиптические образования во Вселенной не туманности, а звездные системы. Вопрос эволюции уже образовавшихся звездных систем — галактик заставляет нас обратить внимание и на их вращение, взаимодействие друг с другом, причины морфологических различий и т. д.

Одним из достаточно сложных и интересных вопросов является проблема очень широкого диапазона масс галактик. Для объяснения этой проблемы можно предположить, что определенную роль в образовании галактик играла не только газовая фрагментация, но и объединение, слияние первичных галактик. Однако вопрос о том, что образуется раньше: галактики или их скопления, непонятен до сих пор.

Галактика сомбреро.

Различия в морфологии галактик проявляются очень отчетливо. Многие имеют довольно выпуклую округлую форму, например, эллиптические. Такие галактики нередко концентрируются в богатых скоплениях, проявляя тягу к коллективизму. Для спиральных галактик характерно более индивидуальное поведение, они распределены во Вселенной более однородно и несколько шире распространены, чем галактики других типов. Какие причины могли привести к подобным различиям?

В качестве одного из возможных механизмов ученые рассматривают слияние галактик. Этот процесс был промоделирован на ЭВМ. Результаты оказались чрезвычайно интересными.

В процессе слияния двух галактик поначалу образуется объект совершенно неправильной формы. Но затем эти неправильности сглаживаются, и в результате образуется массивная галактика эллиптической формы. Процесс этот довольно быстрый (по космическим масштабам, конечно), он занимает «всего» несколько сотен миллионов лет. Можно думать, что эллиптические галактики — продукт столкновений протогалактик в скоплениях, а спирали образовались вне скоплений. Такова одна из возможных точек зрения.

Спиральная галактика NGS 891.

Интересно, что эллиптические галактики не бывают сильно сплюснуты. В экстремальных случаях у галактик класса Е7 сплюснутость достигает 3:1. Это, по всей видимости, связано с неустойчивостью вращающейся системы с большим значением сплюснутости. В результате такой неустойчивости может образоваться дискообразная структура, которая постепенно будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением подобной точки зрения служит в известной мере наличие галактик класса S0. Это сильно уплощенные системы, занимающие промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.

Когда мы говорили о процессе слияния галактик, мы упомянули лишь о численном машинном эксперименте, подтверждающем возможность подобного механизма. Однако природа обладает здесь куда более впечатляющими иллюстрациями. Хорошо известно, что в скоплениях галактик присутствуют иногда гигантские галактики, радиус которых достигает миллиона световых лет. Такие образования в 100 раз могут превышать по массе и светимости нашу собственную Галактику, которая, как мы знаем, сама относится к категории гигантских.

В скоплениях галактик присутствует, как правило, лишь один такой сверхгигантский компонент — галактика-монстр. Каково же ее происхождение?

Скажем прямо, механизм ее роста не совсем привлекателен с человеческой точки зрения, — это самый натуральный каннибализм. В чем же здесь дело? Поначалу галактика-каннибал лишь ненамного превышает по размерам соседние. Но по мере движения по спиральной траектории к центру скопления эта галактика заглатывает более мелкие системы. Мелкие галактики, обреченные на съедение галактикой-каннибалом, называют «миссионерами».

Конечно, подобные процессы наблюдаются не в каждом скоплении галактик. Иногда взаимодействие галактик может иметь характер лобового столкновения. При таком столкновении центральные области одной из галактик — участниц катастрофы — могут быть выброшены наружу. В результате образуется кольцевая структура, представляющая собой неустойчивую, короткоживущую систему. Астрономам известно несколько кольцевых галактик.

Здесь у читателя может возникнуть вполне уместный вопрос. Ведь хорошо известно, что галактики разлетаются друг от друга вследствие общего космологического расширения Вселенной. О каких же столкновениях может идти речь?

Ключ к пониманию этих процессов лежит в поведении, во взаимодействии отдельных частей гравитационно связанных систем. Наиболее наглядный пример в этом плане представляет собой наша Солнечная система, которая никак не реагирует на общее космологическое расширение. То же самое характерно и для звезд внутри нашей Галактики. Именно поэтому, если какие-то системы связаны гравитационно, они остаются в пространственной близости друг от друга.

Разумеется, закон всемирного тяготения описывает гравитационное взаимодействие на любых расстояниях. И в принципе любые системы во Вселенной гравитационно связаны между собой, в том числе и галактики, которые разбегаются друг от друга. Все дело в том, что в достаточно тесных, компактных по космическим масштабам образованиях, конечно, может существовать достаточно сильное гравитационное взаимодействие, определяющее собственную динамику поведения системы.

Так, например, наш Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы облака, Галактика Андромеды со своим спутником и ряд других небольших галактик-спутников образуют группу галактик, называемую Местной группой, или Местной системой галактик. (Небольшие группы галактик — обычное явление в космосе. Типичная группа может содержать несколько десятков галактик.)

Не только динамика взаимодействия галактик друг с другом заставляет вспомнить общее космологическое расширение. Существует еще одно немаловажное обстоятельство, связанное со строением галактик, которое может самым радикальным образом повлиять на характер расширения Вселенной. Что здесь имеется в виду?

В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение этих звезд, а в общем случае не только звезд, но и пыли и газа, точно так же как и движение планет в Солнечной системе, определяется законом всемирного тяготения. Действительно, на стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:

GMrm/r^2 = mVr^2/r,

где Mr — масса, заключенная в пределах от 0 до r, Vr — орбитальная скорость массы m. Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону 1/√r, то есть по хорошо известному закону Кеплера.

Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Долгие годы астрономы полагали, что яркость пропорциональна массе, и поэтому масса, как и яркость, также уменьшается с расстоянием от центра Галактики. В этом случае вполне естественно было ожидать, что орбитальные скорости звезд должны меняться по закону Кеплера, другими словами, уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики.

В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков многих спиральных галактик. Эти наблюдения принесли поистине сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается. Не нашлось буквально ни одной сколь-либо протяженной области внутри изученных галактик, в которой скорость вращения уменьшалась бы с увеличением расстояния от центра. Но, поскольку закон всемирного тяготения незыблем, этот факт может означать лишь одно: масса в отличие от яркости отнюдь не концентрируется к центру спиральных галактик.

И это еще не все. В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорости орбитальных движений. По всей видимости, спиральные галактики окружены мощной сферической короной невидимого вещества, причем размеры этой короны простираются далеко за пределы видимого диска галактик. Судя по всему, именно существование этого невидимого вещества и его гравитационное притяжение препятствуют уменьшению скорости вращения с увеличением расстояния от центра.

Косвенные указания на присутствие в нашей Галактике значительной невидимой массы были замечены около тридцати лет назад знаменитым голландским астрономом Я. Оортом, в честь которого назван кометный резервуар, находящийся на расстоянии более ста тысяч астрономических единиц от Солнца (знаменитое облако Оорта). Оорт оценил массу звезд и газа, которая требуется для стабилизации звезд, сферической составляющей нашей Галактики — «гало».

Сейчас, после недавних измерений кривой вращения многих спиральных галактик, оказалось, что наличие в них большой невидимой массы — повсеместное явление в космосе. Массивная корона невидимой материи может распространяться в некоторых случаях на величину до трех радиусов диска. Если включить (а это совершенно необходимо) корону в картину общей морфологии нашей Галактики, то окажется, что наше Солнце и, соответственно, Солнечная система расположены отнюдь не на периферии Галактики, как считалось совсем недавно.

Но это не самый важный вывод из наблюдений. Самое главное в том, что невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. Мы помним, что значение критической плотности во Вселенной, то есть такой плотности, при которой Вселенная становится замкнутой и ее расширение рано или поздно сменится сжатием, составляет ρкр ≈ 10–29 г/см^3. Для достижения ρкр плотность невидимого, ненаблюдаемого вещества должна примерно в 70 раз превышать плотность светящейся материи. Когда астрономы начали подсчитывать значение невидимой массы, оказалось, что оно может в некоторых случаях при переходе к все большим и большим системам, достигать значений, близких к критическим.

Конечно же, следует учитывать то обстоятельство, что здесь степень нашего незнания определяется отсутствием информации о том, какая доля массы спиральных галактик недоступна сейчас для наблюдений. Вопрос о том, что представляет собой эта невидимая масса, также нельзя считать решенным. Ненаблюдаемая материя может быть представлена несостоявшимися звездами — гигантскими планетами типа Юпитера, а может быть, блуждающими планетами еще большей, чем Юпитер, массы. Быть может, это черные дыры. Наиболее «удобный» на сегодня кандидат — нейтрино, обладающие массой покоя, или гипотетические тяжелые частицы — монополи, фотино, гравитино. Многие из этих экзотических частиц могли в принципе дожить со времени начала Большого Взрыва и до наших дней (в том случае, конечно, если они устойчивы). Итак, мы видим, что кропотливое и тщательное изучение галактик дает материал исключительной важности для решения глобальных проблем космологии.

Галактики задают вопросы

При исследовании галактик всегда возникает великое множество самых различных загадок. Возьмем, к примеру, Большое Магелланово Облако. Расположенное далеко на южном небе, недоступное для телескопов северного полушария, оно давно привлекает внимание наблюдателей-астрономов. Магеллановы Облака были впервые описаны во время первого кругосветного путешествия. Это самые близкие к нам галактики, с обильным и широким составом объектов. Интересно, что в некоторых случаях наблюдения удобнее проводить не в нашей Галактике, а в Магеллановых Облаках, поскольку наблюдениям, производящимся в направлении главной плоскости Галактики, мешает расположенная там темная пылевая материя. В то же время направления на Большое и Малое Магеллановы Облака составляют углы 33° и 45° с плоскостью Галактики. Следовательно, поглощение света пылевой материей не мешает наблюдениям.

Огромным «преимуществом» звезд Магеллановых Облаков по сравнению со звездами нашей Галактики является то, что, поскольку размеры Облаков малы по сравнению с расстояниями до них, все звезды Облаков можно считать расположенными на одном и том же расстоянии до нас. Именно это важное обстоятельство дало возможность в 1910 году разработать метод определения расстояний по изменению блеска цефеид.

В Большом Магеллановом Облаке очень много ярких молодых звезд. Там находится около 5 тысяч голубых сверхгигантов, каждый из которых светит ярче, чем 10 тысяч солнц. Но самый интересный объект находится в Большом Магеллановом Облаке, в созвездии Золотой Рыбы. В этом созвездии есть туманность Тарантул, а в ней объект R 136, который уже многие годы будоражит воображение астрономов и астрофизиков. Этот объект расположен около центра туманности. В видимой части спектра он светит в миллион раз сильнее, чем Солнце, а в ультрафиолете и того больше — в 50 миллионов раз. Если бы на месте самой близкой к нам звезды — проксима Центавра находился этот объект, он светил бы ярче, чем несколько лун.

В 1980 году удалось установить, что R 136 состоит из трех компонентов, и самый яркий из них был назван R 136а. Можно предположить, что R 136а — самая массивная из известных на сегодняшний день видимых звезд. Температура ее «поверхности» заключена в пределах 45 тысяч — 80 тысяч K. (Напомним, что «температура» поверхности нашего Солнца всего 6000 K.) Но это еще не все. Этот объект непрерывно теряет массу в результате истечения из него газа. Это так называемый звездный ветер. Но для объекта R 136а это уже не ветер — это звездный ураган: вещество удаляется от объекта со скоростью 3500 км/сек.

В 1983 году удалось выяснить, что R 136а состоит по крайней мере из четырех звездообразных объектов. Доминирующий объект был назван R 136а1. И здесь возник следующий очень важный вопрос: является ли R 136а1 одиночной звездой или же это скопление очень ярких звезд? Дело в том, что по астрономическим масштабам диаметр этого компонента совсем невелик — всего 24 световых дня (ближайшая к Солнцу звезда находится на расстоянии около 4 световых лет). Если это коллектив звезд, то тогда в сравнительно небольшой объем нужно затолкать около двух десятков массивных ярких звезд. Таких примеров мы не знаем.

Вообще ведь очень ярких звезд не так много, а звезд такого типа, как объект R 136а1, и того меньше. Известная на сегодняшний день максимальная концентрация ярких звезд — 4 звезды в объеме с линейным размером около 10 световых лет. А в случае с R 136а1 размеры намного меньше, а звезд больше. Так что в этом варианте трудности достаточно велики. Но они становятся еще больше, если предположить, что R 136а1 — отдельная самостоятельная звезда.

Еще примерно 60 лет назад английский астроном А. Эддингтон установил, что звезда определенной светимости не может иметь массу меньше некоторого определенного предела и оставаться при этом в равновесии. С другой стороны, сравнительно недавно Ф. Кан из Манчестерского университета показал, что существует верхний предел массы звезд, образующихся из газопылевых облаков. В работе Кана этот предел составил 40 солнечных масс. Но если R 136а1 — одиночная звезда, то ее масса должна быть заключена в интервале между 400 и 1000 солнечных масс.

Как и многие другие оценки, используемые в астрофизике, оценки Кана сильно зависят от заложенных в исходные данные параметров. При небольшом изменении параметров можно в принципе «получить» протозвезду с массой около 100 масс Солнца. Но эти расчеты, как и многие другие, не учитывают всех возможных факторов.

Для объяснения феномена туманности Тарантул привлекаются волнующие воображение процессы, как слипание звезд, находящихся в малом объеме пространства, и, конечно же, наличие черной дыры в этой туманности. Теоретики буквально спасают современную астрономию. Действительно, что было бы без черных дыр гравитонов, гравитино, массивных нейтрино, магнитных монополей? Число необъяснимых явлений в нашем мире было бы просто-напросто устрашающим, а так, всегда имея «в запасе» черную дыру или еще какой-либо экзотический объект, можно без труда объяснить самые сложные вещи.

Исследование галактик вносит вклад не только в космологию, но и в вопросы звездной эволюции. Объекты, подобные туманности Тарантул, нельзя считать уникальными. Так в галактике М 101 есть несколько туманностей, каждая из которых светит в пять раз сильнее, чем туманность Тарантул, причем светимость одной из них в 11 раз превышает светимость Тарантула.

Проявление активности в других галактиках принимает не менее впечатляющие формы, чем в Большом Магеллановом Облаке. В последнее время наблюдения с помощью радиотелескопов обнаружили новое удивительное явление, получившее название «космических выбросов». «Выброс» представляет собой довольно узкий поток плазмы из центра Галактики. Обнаруживается выброс по испускаемому им радиоизлучению, протяженность его достигает иногда миллионов световых лет.

Вообще говоря, выбросы были известны астрономам достаточно давно — в начале нынешнего столетия. Естественно, наблюдения можно было тогда проводить только в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Но лишь с введением в строй радиоастрономических обсерваторий и радиоинтерферометров было принципиально улучшено разрешение, что дало возможность изучать детали и структуру как самих выбросов, так и их источников. Действительно, разрешение, которое сейчас можно получить в радиодиапазоне, достигает тысячной доли секунды. Это соответствует поперечнику двадцатикопеечной монеты, рассматриваемой с расстояния около 4 тысяч километров. Ученые сегодня знают много примеров космических струй, но реальные механизмы, приводящие к образованию выбросов, неизвестны.

В южной части неба нашего северного полушария радиоастрономы давно изучают оптическую галактику NGC 5128, с которой связан Центавр Α — один из сильнейших радиоисточников на небе. Размеры этого радиоисточника огромны — около 3 миллионов световых лет. Если бы мы могли увидеть этот источник на небе, он выглядел бы как объект в 20 раз больше Луны.

Так вот, вещество, образующее эту гигантскую радиообласть, исторгается из центра галактики, словно струя из шланга. Интересно то, что струя односторонняя. Хотя природа любит симметрию, наблюдается несколько случаев односторонних выбросов из ядра. Причина подобной асимметрии неизвестна, однако попытки объяснения подобного явления существуют. Мы не будем сейчас о них говорить. Остановимся вкратце на вопросах о причинах высокой галактической активности.

Эллиптическая галактика NGC 5128.

Энергия радиообластей, окружающих активные галактики, может достигнуть 10^60 эрг. Чтобы получить такую величину, надо было бы превратить в энергию массу 10 миллионов звезд. Что касается конкретного случая активности NGC 5128, то здесь можно сказать следующее. Структура этой галактики нестандартна: она представляет собой как бы комбинацию эллиптической и спиральной структур. На камертонной диаграмме Хаббла мы не видим подобных гибридов. Причиной такого явления может служить уже обсуждавшийся нами галактический каннибализм. В данном случае эллиптическая галактика — каннибал, а спиральная — миссионер. Поглощенный в процессе каннибализма материал может быть топливом для источника в ядре галактики.

Но что же происходит в самом источнике, какой механизм может обусловить возникновение огромных выбросов?

Читатель, по-видимому, уже догадался, что и здесь дело не может обойтись без черной дыры, расположенной в центре оптической галактики. Если принять, что КПД источника по превращению массы в энергию равен 10 процентам, то для обеспечения деятельности источника достаточно превращать в энергию 1/10 массы Солнца в год. Топливом для источника могут служить газовые облака, падающие на ядро. Нельзя исключить того, что источник разрывает звезды, которые расположены вблизи ядра галактики, и «заглатывает» их.

Здесь очень важными являются принятые цифры величины коэффициента полезного действия источника, 10-процентный коэффициент полезного действия по превращению массы в энергию никак не может быть обеспечен термоядерными реакциями, эффективность которых менее 1 процента. Кроме того, термоядерные реакции сопровождаются тепловым излучением. Однако данные наблюдений свидетельствуют о том, что Центавр Α генерирует нетепловое синхротронное излучение.

Итак, объяснить активность ядра NGC 5128 простыми аргументами не удается. Поэтому в качестве возможного источника рассматривается вращающаяся черная дыра с массой порядка миллиарда солнечных масс. Такая дыра могла бы объяснить многие особенности возникновения космических выбросов. Ведь вокруг черной дыры образуется так называемый аккреционный диск. Он может иметь форму бублика, в середине которого находится черная дыра. Тогда часть падающего газа, проходя близко от черной дыры, будет выброшена вдоль оси ее вращения давлением излучения, идущего с внутренней поверхности аккреционного диска. Таким образом диск будет разгонять частицы и образовывать пучок материи.

Не следует думать, что лишь центр галактики NGC 5128 представляет специальный интерес для астрономии. Это не так. Не меньше загадок содержит центр нашей собственной Галактики, о которой, кстати говоря, мы почти совсем не упоминали.

Наша Галактика

Гигантская спиральная система, называемая Млечным Путем, входит в Местную систему и является одной из самых больших галактик системы. Вторая крупная галактика — знаменитая туманность Андромеды (Галактика М31 по каталогу Ш. Месье, или по новой классификации NGC 224). Первые представления о Млечном Пути как об отдельной звездной системе сложились в результате выдающейся работы Гершеля, но лишь в 20-х годах нашего века, когда выяснилось, что существуют другие гигантские звездные системы, находящиеся на огромных расстояниях от Млечного Пути, стала окончательно очевидна обособленность нашей Галактики, стал ясен факт, что Галактика — лишь один из бесчисленного количества окружающих нас звездных миров. Вскоре после этого, в 1924–1926 годах обнаружили вращение Галактики, а в 1944-м два типа звездных населений в Галактике. Что это значит?

Звезды отличаются не только по массе и светимости, но и по возрасту. Наиболее старые звезды обеднены тяжелыми элементами. Молодые же по сравнению со старыми обогащены элементами тяжелее гелия. Так вот, оказалось, что звезды, расположенные в плоскости диска Галактики, сравнительно молоды; к их числу от носится наше Солнце.

Кстати, Солнце и Солнечная система расположены не просто в диске, а вблизи плоскости симметрии диска. Существующие оценки показывают, что расстояние между Солнцем и этой плоскостью не превышает 10 парсек, а расстояние до центра Галактики составляет около 10 килопарсек. Звезды же, принадлежащие гало, имеют более солидный возраст, и содержат гораздо меньше тяжелых элементов. Галактическое гало (сферическая часть Галактики) образовано шаровыми скоплениями — компактными группами, содержащими сотни тысяч звезд.

Схематическое изображение положения Солнечной системы в Галактике.

Лишь в начале 50-х годов было подтверждено предположение о спиральной структуре нашей Галактики.

В мире галактик наш Млечный Путь занимает отнюдь не последнее место. Это гигантская галактика с диаметром диска около 100 тысяч световых лет и толщиной около 30 тысяч световых лет. Масса видимого вещества в Галактике оценивается в 1,5 · 10^11 солнечных масс. Но, несмотря на впечатляющую величину массы Млечного Пути, еще большая масса невидимого вещества содержится в короне Галактики. Эта масса оценивается примерно в 10^12 масс Солнца.

Млечный Путь.

Галактика чрезвычайно напоминает живой организм. Она обладает своим внутренним обменом веществ — космическим метаболизмом. Различные объекты Галактики тесно связаны между собой и находятся в процессах непрерывного взаимодействия. Это взаимодействие отчетливо прослеживается на всех уровнях иерархии отдельных систем Галактики.

Чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров. Звезды рождаются из массивных газопылевых облаков. В процессе эволюции звезда «нарабатывает» в своих недрах новые элементы. Если в дальнейшем она взрывается в виде сверхновой, эти элементы включаются уже в состав новых звезд.

Сами звезды производят снова газ и пыль, которые поставляются ими в межзвездную среду. Это сильно напоминает школьное выражение о «круговороте веществ в природе». Процесс рождения звезд зависит, например, и от космических лучей, а космические лучи, в свою очередь, производятся сверхновыми.

Что собой представляют космические лучи? Это заряженные частицы очень высоких энергий. Они приходят на Землю в достаточной мере изотропно, то есть примерно в одинаковых количествах со всех направлений. Оценки показывают, что, в принципе, космические лучи не должны долго задерживаться в Галактике. Ведь их скорость близка к скорости света, и поэтому, если бы им ничто не мешало, они покинули пределы Млечного Пути достаточно быстро, за время порядка 100 тысяч лет. На самом же деле они путешествуют в Галактике гораздо больший промежуток времени — около десяти миллионов лет.

Что же меняет столь радикальным образом характерное время пребывания космических лучей в Галактике? Ответ более или менее очевиден: крупномасштабное галактическое магнитное поле. Доказательством тому служит синхротронное радиоизлучение электронов космических лучей, приходящее к нам из районов Галактики, не связанных ни с облаками межзвездного газа, ни с какими-либо другими дискретными радиоисточниками. Таким образом, и космические лучи, и магнитные поля — составные элементы нашей Галактики.

Чрезвычайно важной компонентой Галактики является межзвездная среда. В основном это газ и пыль. Газ — межзвездный водород — можно наблюдать по излучению на волне 21 сантиметр. Он сконцентрирован в тонком диске, образованном молодыми звездами, и образует отдельные облака. Интересно, что некоторое количество газа обнаружено вне диска. Водород может присутствовать как в атомарной, так и в молекулярной форме.

Гигантские молекулярные облака содержат в форме молекулярного водорода H_2 значительную часть массы межзвездного газа в нашей Галактике. Их характерный размер составляет 20–30 парсек, а иногда и того больше. Солнечная система просто потерялась бы внутри такого облака. Его масса в сотни тысяч раз превышает массу Солнца. Таким образом, гигантские облака молекулярного водорода являются наиболее массивными изолированными объектами в Галактике. Неудивительно, что они могут играть особую роль в ее динамике.

Удивительно скорее другое обстоятельство. Ведь вещество облака — молекулярный водород — практически невидимо, и большая часть сведений о нем получена весьма косвенным образом, по данным радиоизлучения входящего в состав облака молекул угарного газа на длине волны 2,6 миллиметра. Именно поэтому острые дискуссии относительно точного значения массы облаков, их размеров, причин образования и т. д. не утихают и по сегодняшний день, а разногласия между оценками, сделанными различными группами исследователей, весьма значительны. К тому же стоит отдельно подчеркнуть, что происхождение гигантских облаков до сих пор остается загадкой.

Скажем прямо — это отнюдь не единственная загадка. Массу проблем ставит перед астрономами и центр Галактики. Положение осложняется тем, что центральная область Млечного Пути скрыта от нас второй важной компонентой межзвездной среды — пылью. Она настолько сильно поглощает в оптическом диапазоне (до 30m), что наблюдения здесь практически невозможны. Поэтому астрономы используют данные о центрах других, похожих на нашу галактик для оценок звездного состава центра Млечного Пути. Тем не менее информацию о центральных областях астрономы могут все-таки получить, исследуя эти районы в инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазоне.

Мы уже говорили о том, что центры галактик проявляют различные формы активности, и наша Галактика не является исключением. Центральные области Галактики можно подразделить на три характерные зоны.

В зоне, имеющей радиус около 4 килопарсек, наиболее интересно резкое падение плотности газа. Образуется своего рода «дырка» в газовом диске Галактики.

На расстоянии от центра в 600–700 парсек проходит «граница» очень интересного района, который принято называть звездным балджем (от английского слова bulge — выпуклость). Эта область напоминает собой и по «форме» и по «содержанию» небольшую эллиптическую галактику, вкрапленную в центр Млечного Пути. Так же как эллиптические галактики, балдж содержит в основном старые звезды, возраст которых существенно больше среднего возраста звездного населения диска.

Как я уже говорил, наблюдение центрального района Млечного Пути в оптическом диапазоне сильно затруднено, и поэтому приходится изучать балджи других спиральных галактик. В нашей Галактике балдж проявляет себя по инфракрасному излучению. Основной вклад в это излучение вносят красные гиганты. Оценки дают значение массы балджа примерно в 30 миллиардов солнечных масс.

Наиболее загадочная область Галактики — центральный парсек. По космическим масштабам эта область невелика, но здесь наблюдаются аномалии, не имеющие пока удовлетворительного объяснения. К примеру, там находится «мини-спираль» — необычный источник радиоизлучения диаметром всего в 12 световых лет, а также другой быстропеременный компактный радиоисточник с периодом порядка нескольких минут. Этот источник расположен точно на оси вращения Галактики.

В том же направлении находится совершенно необыкновенный объект, уникальный источник, излучающий узкую линию, соответствующую аннигиляции электронов и позитронов!

Там же расположен точечный рентгеновский источник переменной интенсивности.

Объяснить наличие всех этих источников в сравнительно маленькой области пространства довольно трудно, и здесь, как обычно, на помощь приходят черные дыры. Я специально употребил здесь множественное число, поскольку одной дыры для объяснения всех чудес в центре нашей Галактики не хватает.

По модели Н. Кардашева, в центре Галактики должна находиться пара черных дыр, причем масса каждого из компаньонов порядка миллиона солнечных масс. Наличие такой пары дает возможность объяснить природу и параметры компактного радиоисточника и загадочной аннигиляционной линии.

В модели Кардашева вращательная энергия черной дыры преобразуется в конечном счете в энергию пучков релятивистской электронно-позитронной плазмы, направленных вдоль осей вращения черных дыр. Наблюдаемые по соседству с центральным парсеком облака атомарного водорода в рамках этой модели могут быть остатками звезд, разрушенных при взаимных столкновениях или разорванных приливными силами черных дыр. Облака эти были выброшены из области центрального парсека благодаря эффекту пращи.

Согласно альтернативным моделям центрального парсека там сравнительно недавно произошел взрыв сверхновой в массивной двойной системе. Остаток после взрыва также может быть источником позитронов, аннигиляция которых и дает наблюдаемую линию.

Перейдем теперь к проблемам, связанным с вращением Галактики. Для начала попытаемся объяснить происхождение этого вращения. Согласно наиболее популярной точке зрения на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больших размеров, чем нынешние галактики. Кроме того, космологическое расширение не успело разогнать их далеко друг от друга, и поэтому в эпоху образования протогалактикам в ранней Вселенной было довольно тесно. В этой ситуации приливные взаимодействия могли вызвать вращение галактик, причем, когда мы рассматриваем для простоты взаимодействие двух галактик, они приобретают одинаковые угловые моменты, направленные в противоположные стороны. Поскольку угловой момент — величина сохраняющаяся, то при падении вещества к центру галактик их вращение все время увеличивается. В какой-то момент времени падение вещества к центру прекращается и скорость вращения галактик стабилизируется.

Спиральная галактика M51.

Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть материи Галактики вращается дифференциально. Поясним, что это такое. Хорошим примером дифференциального вращения служит вращение планет вокруг Солнца. Они движутся по своим орбитам согласно закону всемирного тяготения, и каждой планете «совершенно безразлично», как и по какой орбите двигается другая (конечно, достаточно далекая планета).

Есть другой тип вращения — твердотельный. Здесь уже картина совершенно другая. Пример твердотельного вращения музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. Здесь угловая скорость вращения для любой точки диска одинакова.

В Галактике твердотельно вращается лишь некоторый участок диска, в котором линейная скорость возрастает пропорционально радиусу. Соответственно, мы можем сказать, что эта область Галактики вращается твердотельно с постоянной угловой скоростью. За этим участком начинается дифференциальное вращение, и скорость вращения здесь уменьшается с увеличением расстояния от центра.

Самым примечательным процессом в проблеме вращения является движение спиральных рукавов. В них содержится значительное количество газа и пыли, в них происходят интенсивные процессы звездообразования, молодые звезды здесь встречаются чаще, нежели в других областях Галактики. Но как и почему возникает спиральная структура в галактиках?

Спиральная галактика с перемычкой.

Этот вопрос интересует астрономов более 50 лет. Еще в 1928 году Джинс писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно неизвестные нам силы, быть может отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства.

Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер сингулярных точек. В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя».

Сейчас, более чем через полвека после написания этих слов, мы знаем, что действительно в центрах Галактик могут находиться сингулярные точки — черные дыры, что они могут по крайней мере перерабатывать материю. Ф. Хойл также полагал, что в ядрах галактик рождается и впоследствии истекает оттуда материя, из-за чего и образуется в результате спиральная структура.

Сравнительно недавно известный советский астроном Б. Воронцов-Вельяминов пришел к выводу о том, что для объяснения многообразия всех структур галактик необходимо вводить некие новые, неизвестные физике типы взаимодействий.

Конечно же, неортодоксальные гипотезы существуют всегда. Даже когда какая-либо теория становится канонической, общепризнанной. Ну а когда ситуация в целом ясна еще не до конца, то попытки решения вопросов с помощью «первых принципов» и неортодоксальные модели долгое время идут параллельными курсами.

Тем не менее в последние годы оптимизм астрофизиков в вопросе спиральной структуры галактик, ее происхождения и эволюции сильно возрос. Это связано в первую очередь с появлением идеи о волнах плотности, распространяющихся по галактическому диску, и процесс распространения представляет собой как раз твердотельное вращение спиральных рукавов.

Попробуем разобраться в этом вопросе несколько подробнее.

Прежде всего отметим, что спиральных галактик очень много — порядка 70 процентов от всех наблюдаемых галактик. Во многих случаях удалось выявить прямую связь между такой важной характеристикой спирального узора, как степень закрученности в зависимости от видимого распределения массы в галактике. Оказалось, чем сильнее сосредоточено вещество к центру галактики, тем сильнее закручены спиральные рукава. Чем массивнее сама галактика в целом, тем более развита в ней спиральная структура.

Выраженная спиральная структура присутствует в галактиках с твердотельным вращением, в галактиках с перемычкой, в галактиках, имеющих близкий спутник. Таким образом, спиральные рукава — явление, широко распространенное в мире галактик.

Любая теория спиральной структуры должна ответить, как минимум, на два основных вопроса: почему в некоторых галактиках наблюдается ярко выраженный спиральный узор и почему этот узор существует довольно долго, выживает на протяжении многих оборотов Галактики, несмотря на разрушающее воздействие дифференциального вращения? С наибольшей полнотой на эти вопросы ответила теория волн плотности. Что это такое?

Волна плотности — состояние уплотнения материи, распространяющееся по диску Галактики. Это состояние не переносит за собой материю, не тащит ее за собой, а просто вовлекает «в игру» по мере своего распространения новые и новые участки диска, волна переходит от одних частиц (звезд!) к другим, создавая уплотнение в новом месте. Так, волной плотности является любая звуковая волна. Она распространяется в материальной среде, создавая по мере движения уплотнения в различных участках среды, но не увлекает за собой частицы среды.

Если бросить камень в воду, мы увидим на поверхности воды кольцевые волны. Но если размешивать сахар в стакане с чаем ложечкой, то каждый может наблюдать возникновение спиральных структур. Примерно то же самое происходит в галактических дисках.

Несмотря на то, что диск, по крайней мере часть его, вращается дифференциально, спиральный узор всегда вращается с одной и той же угловой скоростью — твердотельно. Теоретический анализ показал, что если спиральные рукава — волны плотности, то они должны быть достаточно устойчивыми образованиями.

Концепция волн плотности приводит к целому ряду очень интересных последствий.

Первое из них состоит в следующем. Волна создает уплотнение в распределении звезд диска, а гребни волны имеют форму спиральных рукавов. Но изменение плотности в гребне волны не сильно отличается от средней плотности распределения звезд в диске. Этот контраст плотности вообще нельзя было бы заметить на фотографиях, если бы звезды в рукавах были такими же, как и в диске. Однако в кромках спиральных рукавов происходит интенсивное звездообразование и там присутствуют молодые звезды, которые на начальной стадии своей эволюции гораздо более ярки, чем большинство звезд диска. Высокая скорость превращения газа в звезды может быть связана со сверхзвуковыми течениями межзвездного газа через рукав. Из-за этого на входе газа в рукав, то есть на кромке рукава, образуются ударные волны, всегда появляющиеся при переходах к сверхзвуковым процессам. В ударной волне газ сильно сжимается, и это может служить началом процесса звездообразования.

Второе интересное следствие, вытекающее из концепции ударных волн, было отмечено советским астрономом Л. Марочником. Он подметил, что Солнечная система в Галактике находится в выделенном, исключительном положении. Исключительность состоит в том, что скорости вращения волны плотности в месте расположения Солнца на радиусе диска и скорость вращения Солнца по галактической орбите примерно равны. Это означает, что Солнце расположено вблизи так называемого коротационного круга, на котором выполняется условие равенства скоростей твердотельного и дифференциального вращения. Очевидно, что в каждой галактике есть лишь один коротационный круг, который является в ней выделенным местом. Солнце вращается почти синхронно с волной плотности, и это должно было создать специальные условия для эволюции протосолнечного облака.

В зоне круга коротации условия звездообразования, разумеется, отличаются от упомянутых выше. Галактических ударных волн там практически нет, и досолнечное облако поэтому находится в течение всего своего времени жизни в рукаве в спокойных стационарных условиях. Можно показать, что в силу малого отличия в скоростях вращения между Солнцем и рукавами досолнечное облако могло лишь один раз находиться в рукаве. Второй раз пересечь рукав Солнечная система еще не успела. В настоящее время она находится между двумя спиральными рукавами нашей Галактики — Персея и Стрельца.

Галактика NGC 7217 в созвездии Пегаса.

Конечно же, расположение Солнца в специфических условиях близости к коротации может быть чисто случайным и не иметь непосредственного отношения к формированию Солнечной системы со всеми ее особенностями и, в частности, с наличием разумной жизни в Солнечной системе. Однако, если это вещь не случайная, то системы, подобные Солнечной, могут образовываться в нашей и в других галактиках именно около коротационного круга, где их стоит, быть может, поискать.

На этом мы и закончим весьма краткий обзор некоторых свойств нашего Млечного Пути. Я старался здесь отметить лишь наиболее интересные вещи, Галактики сейчас привлекают больший интерес астрономов, чем звезды. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, в общих чертах свойства звезд уже понятны к сегодняшнему дню, а, с другой стороны, ввод в строй новой астрономической техники приносит все новую и часто загадочную информацию о галактиках. Физика галактик, как мы уже видели, тесно связана с космологическими проблемами, эволюцией и строением звезд, межзвездной средой. В этой области наблюдается чрезвычайно быстрый прогресс, однако до построения общей стройной теории происхождения и эволюции галактик еще далеко.

Ядра галактик

В заключение этой главы мне хотелось бы еще раз вернуться к проблеме активности галактических ядер, поскольку эта проблема в ряде случаев тесно связана с, быть может, самыми интересными и загадочными объектами Вселенной — квазарами.

В той или иной степени радиоизлучательная активность свойственна всем галактикам, и, главным образом, именно по активности в радиодиапазоне удается оценить энергетику процессов, происходящих в ядрах галактик. Есть, однако, и исключения.

В 60-х годах нынешнего столетия небольшая часть радиоисточников на небе была надежно отождествлена со звездами. Астрономам этот результат показался удивительным, поскольку до этого отождествления было хорошо известно, что космические источники радиоизлучения всегда соответствовали либо галактикам, либо туманностям, образовавшимся при вспышках сверхновых звезд. Мы уже говорили о том, что, к примеру, мощность радиоизлучения источника Лебедь-Α в 10^28 раз превосходит интенсивность радиоизлучения Солнца. Но упомянутые выше звездоподобные источники были довольно интенсивны, что не могло не привлечь внимания к этому факту вполне естественного интереса астрономов. Именно с этого и началась история открытия знаменитых квазаров.

До 1962 года считали, что квазары (квазизвездные источники — guasi stellar sources) расположены в пределах нашей Галактики. Эта точка зрения подкреплялась переменностью светового излучения радиоисточника 3С48. Хорошо известно, что переменность излучения в оптике — вещь, характерная именно для звезд. Для объяснения свойств квазизвездных объектов было предложено несколько идей.

И. Шкловский предположил, что эти источники связаны с большим числом вспышек сверхновых. Но если эти объекты находятся в Галактике, то почему тогда сверхновых так мало? Выдвигалась гипотеза о цепной реакции взрывов многих звезд, но тогда трудно было объяснить тесную связь между звездами. Ф. Хойл предложил собрать миллионы звезд в одно сверхтело, но эта идея в то время не могла перешагнуть через психологический барьер, из-за которого не допускалась в принципе возможность существования звезд с массой больше 50 масс Солнца. К тому же эти объекты должны были светить ярче целой галактики, что в то время казалось нелепостью. Заметим, что само содержание идеи Хойла о сверхтеле оказалось пророческим, но об этом чуть позже.

Тем временем астрономами предпринимались поистине героические попытки уточнения характеристик квазаров. Так, при наблюдениях источника 3С 273 в Австралии были предприняты беспрецедентные меры предосторожности. С телескопа сняли несколько тонн металла, чтобы иметь возможность наблюдать при меньших углах возвышения. За несколько часов до начала работ район наблюдения был объявлен на «чрезвычайном положении». Местные радиостанции неоднократно повторяли призыв о том, чтобы на время работы телескопа все радиопередатчики были выключены. Все дороги около телескопа патрулировались, чтобы прекратить движение автомобилей в этом районе. Последний штрих этой истории имеет совсем детективный оттенок: два дубликата записей были отправлены в Сидней на отдельных самолетах.

Предосторожности оправдали себя. Оказалось, что 3С 273 — двойной источник, причем положение компонент было определено с рекордной для того времени точностью в 1″. Одна из компонент казалась обычной звездочкой 13-й величины, но при внимательном анализе удалось выяснить, что из «звезды» выходит струя длиной в 100 тысяч световых лет, которая сама является источником оптического и радиоизлучения. И это еще не все. Анализ красного смещения линий источника 3С 273 позволил установить скорость его удаления от нас. Она оказалась огромной — 42 тысячи км/час. Но тогда этот источник находится от нас на расстоянии около 600 мегапарсек. С такими расстояниями астрономы 60-х годов еще «не работали».

Сразу же возник вопрос об интенсивности свечения этого источника в оптике. Ведь если он виден с расстояния около двух миллиардов световых лет как звезда 13-й величины, то его светимость в сто раз превышает светимость нашей Галактики, содержащей сотни миллиардов звезд. Причем кванты квазар излучал в то время, когда Вселенная была совсем молода.

Мы упоминали уже о переменности оптического излучения квазаров. В этом плане особенно интересен квазар 3С 279, который можно сейчас наблюдать как слабопеременную звездочку 18-й величины. Однако на снимках, сделанных до второй мировой войны, он виден как объект почти 13-й величины. Оценки показывают, что в то время 3С 279 светил в десять тысяч раз сильнее нашей Галактики. Но размеры излучающей области очень малы — меньше светового года. К тому же оказалось, что и в рентгеновском диапазоне многие квазары светят в 1000 раз мощнее, чем, например, Млечный Путь.

Гигантская мощность излучения квазаров и ядер некоторых галактик не единственная проблема, которую эти объекты ставят перед астрофизиками. Мы уже говорили о космических выбросах и об их асимметрии. В чем здесь дело? И. Шкловский предположил, что если существует два симметричных выброса, скорость которых близка к скорости света, направленных к наблюдателю под небольшим углом зрения, то из-за релятивистского эффекта Доплера поток излучения от сгустка плазмы, идущей по направлению к нам, будет в сотни раз меньше, чем от удаляющегося пучка. Тот просто-напросто не будет виден. Но механизм, предложенный Шкловским, не в состоянии объяснить односторонность выброса в Центавре-Α, так как там вряд ли достигаются субсветовые скорости. Хотя в других случаях этот механизм, быть может, и работает (выброс в NGC 4486). Существуют, конечно, и другие гипотезы, но окончательной ясности в этом вопросе нет.

Схема действия гравитационной линзы.

Квазары не так давно поставили ученых перед совершенно ошеломляющим фактом. Дело в том, что в ряде случаев расстояние между компонентами у квазаров 3С 345, 3С 279, радиогалактики 3С 120 увеличивается. Когда были проведены радиоинтерферометрические измерения угловой скорости расширения в этих системах, оказалось, что компаньоны удаляются друг от друга со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света! Стоит ли говорить о том, насколько эти результаты озадачили ученых.

Правда, довольно скоро выяснилось, что специальная теория относительности, утверждающая, что любые сигналы не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света, может жить спокойно. В данном случае наблюдалась кажущаяся скорость разлета. Читатель сам без труда может построить чисто геометрические конструкции с источником света (вращающийся прожектор), когда можно мерить кажущуюся скорость, превышающую скорость света. В случае квазаров было убедительно показано, что наблюдатель будет видеть кажущуюся скорость разлета, превышающую скорость света тем больше, чем больше скорость выбросов и чем меньше угол между вектором их скорости и лучом зрения. Таким образом, с этой неприятностью как будто покончено.

В 1979 году весь астрономический мир был буквально ошарашен открытием пары квазаров, столь одинаковых по своим характеристикам, что их можно было бы считать близнецами, тем более что расположены они были на небе рядом друг с другом, на расстоянии всего в 6″.

Их красное смещение оказалось к тому же практически одинаковым. Казалось абсолютно невероятным, чтобы два столь близких квазара имели бы столь схожие характеристики. И ученые тогда предположили, что эти квазары — изображение одного и того же объекта на небе! Как подобная вещь может случиться? Мы знаем из теории относительности о реальном отклонении луча вблизи гравитирующей массы. Это было подтверждено экспериментально на примере Солнца. Предположим, что между Землей и далеким квазаром расположено очень массивное тело, например галактика. В этом случае галактика будет действовать как гравитационная линза, искривляя поток излучения квазара неравномерно. Гравитационная линза — настолько неординарное явление природы, что о нем стоит рассказать чуть подробнее.

Еще в 1938 году известный русский астроном Т. Тихов, известный своими работами по астробиологии, опубликовал статью под названием «Следствия возможного отклонения световых лучей в поле тяготения звезд». А за два года до этого Эйнштейна посетил чешский инженер-электрик Р. Манда, который предположил, что в космосе могут находиться гравитационные линзы — звезды. Эйнштейн по его просьбе провел необходимые расчеты и опубликовал небольшую заметку «Линзоподобное действие звезды на отклонение света в гравитационное поле».

Схематическое изображение квазара как центра массивной галактики.

Справедливости ради нужно сказать о том, что еще в 20-х годах нашего столетия английские астрономы О. Лодус и А. Эддингтон рассмотрели некоторые оптические эффекты, возникающие при прохождении света в гравитационном поле звезды. Эддингтон указывал даже на возможность появления двух изображений одного объекта. Сейчас имеются дополнительные свидетельства в пользу действия во Вселенной гравитационных линз.

По поводу квазаров можно сформулировать два наиболее интригующих вопроса. Связаны ли квазары генетически с ядрами галактик или это принципиально новый объект во Вселенной? Какова природа чудовищного излучения квазаров?

Попробуем разобраться с первым вопросом. Некоторые спиральные галактики имеют ядра чрезвычайной яркости. Они были открыты американским астрономом К. Сейфертом в 1943 году и называются с тех пор его именем. Возникает вопрос: не может ли яркая сейфертовская галактика, находящаяся очень далеко от нас, быть принята за квазар? Ведь на большом расстоянии можно увидеть лишь ее ядро, не заметив спиральных рукавов? И действительно: исследуя большие выборки квазаров, удалось установить в ряде случаев наличие у них дополнительной структуры вокруг наиболее яркого участка, причем иногда эта структура напоминала структуру галактик. Эти результаты убеждают нас, что квазары тем или иным образом соотносятся с ядрами галактик. Возможно, что галактики проходят через стадию квазаров, когда их ядра экстремально ярки. И тогда в ядрах других, менее ярких галактик могут находиться сейчас мертвые квазары.

Но что питает живой квазар? Каково его строение? Конечно же, при решении очередной загадки, поставленной перед нами природой, не обошлось без черной дыры. Схема здесь в общем-то идентична той, которую мы рассматривали в галактике NGC 5128.

Предполагается, что в центре квазара или в центре галактического ядра имеется компактный сверхмассивный объект — черная дыра с массой примерно в миллиард солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры могут образовываться в процессе роста «обычной» черной дыры массой в несколько десятков солнечных. Впоследствии эта дыра растет, поглощая звезды, межзвездную среду и, возможно, другие черные дыры, доводя свою массу до «необходимых» значений.

Затем в результате падения газа на черную дыру образуется аккреционный диск, вместе со всеми сопутствующими явлениями, которые могут объяснить экзотические особенности ядер галактик и квазаров. О механизме «работы» аккреционного диска мы уже вкратце говорили. Более подробно этот процесс будет рассмотрен в следующей главе.

Следует ли из всего вышесказанного, что астрофизика полностью разобралась и с квазарами, и с галактиками? Мне кажется, что у читателя вряд ли сложилось подобное впечатление. Самая главная трудность состоит в том, что большая часть моделей построена на кончике пера, «руками». Ведь не следует забывать, что черные дыры до сих пор еще не открыты. Более того, существуют и альтернативные гипотезы, в частности, гипотеза академика В. Амбарцумяна, согласно которой в ядрах галактик находится особая, дозвездная форма материи, так называемые Д-тела. Бесспорно, успехи в решении этих увлекательных проблем будут обусловлены в первую очередь развитием наблюдательной техники в астрономии.

Звёзды

Небесный глобус. 1584 год.

Характеристики звезд

Более 90 процентов видимого вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Именно звезды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Однако процессы эволюции звезд и их внутреннее строение были поняты сравнительно недавно. Начальной точкой в создании теории строения звезд можно считать 1926 год — год выхода в свет книги А. Эддингтона «Внутреннее строение звезд».

Астроном-наблюдатель видит абсолютное большинство звезд даже в самые сильные телескопы в виде точечных источников света. Пожалуй, лишь диск нашего Солнца позволяет реально наблюдать некоторые процессы, происходящие на поверхности звезды. Одной из важнейших характеристик звезды является ее абсолютная величина (не имеющая, конечно, никакого отношения к геометрическим размерам). Она характеризует реальную светимость звезды. О том, как определяются расстояния до звезд, мы уже говорили. Очень важную информацию о звездах, об их химическом составе, температуре приносит изучение спектров. Спектральные классы звезд обозначаются буквами латинского алфавита О, В, А, F, G, К, М, R, N. Это так называемая Гарвардская классификация.

Интересно, что английские студенты, чтобы запомнить последовательность букв, обозначающих классы звезд, придумали удобное мнемоническое правило — фразу, в которой первые буквы слов соответствуют спектральной последовательности звезд: О Be A Fine Girl, Kiss Me, Right Now («Будь хорошей девочкой, поцелуй меня сейчас же».). Ясно, что любой студент легко запомнит такую фразу. Правда, известный советский астроном профессор Б. Воронцов-Вельяминов считает, что легче запоминаются абсурдные, нелепые фразы, например: «Один бритый англичанин финики жевал, как морковь».

Эта система оказалась не очень тонкой, и астрономы разделили каждый интервал в этой последовательности еще на 10 частей. Например, наше Солнце — звезда класса G, подкласса 2. Могут быть звезды спектрального класса В0, В2 и т. д. до В9. Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности.

Таким образом, в своем классе G — Солнце довольно горячая звезда. Как опытный сталевар по цвету легко определяет температуру стали, так и астроном, пользуясь законом Вина, без труда по цвету звезды определит ее температуру. Звезды красного цвета (М — в Гарвардской классификации) имеют температуру поверхности около 4000 К. Желтое Солнце нагрето уже примерно до 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10 тысяч К видятся нам бело-голубыми. Температуры звезд спектрального класса O достигают 40 000–50 000 К. Таким образом, спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует сразу же и ее температуру.

Очень важными характеристиками звезд являются их радиус и масса. Зная температуру и светимость звезды, можно без труда определить ее радиус. Действительно, из хорошо известного по школьному курсу физики закону излучения черного тела Стефана — Больцмана имеем:

L = 4πR^2σT^4,

где L — полная мощность излучения всей поверхности звезды, имеющей температуру T, σ — постоянная Больцмана.

Гораздо хуже обстоит дело с определением массы звезды. Хорошо, если звезда имеет компаньона, образуя двойную систему, и известны большая полуось орбиты и период обращения. Тогда можно использовать третий закон Кеплера и найти суммарную массу двух звезд. Если к тому же известно отношение орбитальных скоростей, можно определить массу каждой звезды. Но для тесных пар этого сделать уже нельзя.

Совсем плохо дело обстоит в случае одиночных звезд. Фактически сегодня астрономия не располагает методом независимого определения массы одиночной звезды. Сейчас астрономы пришли к следующему молчаливому соглашению: на главной последовательности звезды одинакового спектрального класса имеют равную массу. Существующие здесь неопределенности ограничивают в известной мере полноту наших знаний.

Тем не менее можно сказать, что современный астроном-наблюдатель может, в принципе, определить светимость, температуру, радиус, химический состав и массу звезды. Еще в начале века стали складываться представления о том, что эти величины не являются независимыми. Датский астроном Е. Герцшпрунг и американец Г. Рессел независимо друг от друга установили отчетливую корреляцию между светимостью звезд и их спектральным классом.

Давайте посмотрим на знаменитую диаграмму Герцшпрунга — Рессела. По оси ординат отложены абсолютные звездные величины (светимости), а по оси абсцисс — спектральные классы. Если на эту диаграмму нанести положение большого количества звезд, то образуется отчетливая и сравнительно узкая полоса Она называется «главной последовательностью». Справа и вверху от главной последовательности расположена группа гигантов, а в самом верхнем правом углу находятся сверхгиганты.

Это звезды высокой светимости, но относятся они к спектральным классам K и M, температура их поверхности сравнительно низка. Следовательно, радиусы этих звезд огромны — в десятки раз больше радиуса нашего Солнца.

В левом нижнем углу диаграммы расположены звезды малой светимости, белого цвета. Это — знаменитые «белые карлики».

Ясно, что диаграмму Герцшпрунга — Рессела можно построить и для отдельных скоплений звезд, в частности, для уже упоминавшихся шаровых скоплений. Это очень важно, поскольку считается, что все звезды скопления образовались из одного газо-пылевого облака и имеют примерно равный возраст.

Для различных скоплений вид диаграмм Герцшпрунга — Рессела может заметно отличаться. Но в любом случае диаграммы показывают на совершенно определенные закономерности в расположении звезд в них и на отчетливую связь между светимостью и спектром. Поэтому изучение диаграмм Герцшпрунга — Рессела лежит в основе теории эволюции звезд.

Если рассмотреть теперь связь между светимостью и массой, то станет ясно, что для звезд главной последовательности светимость и спектр звезды в первом приближении определяются ее массой. Этот факт чрезвычайной важности, и задача теории звездной эволюции — выявить конкретные физические механизмы, определяющие эти зависимости. Если мы еще раз посмотрим на главную последовательность, то наверняка обратим внимание на то, чем больше масса звезды, тем больше ее светимость, радиус и поверхностная температура.

В Галактике имеется как минимум два различных типа звездного населения. Население первого типа состоит из звезд, расположенных главным образом в плоскости диска Галактики, на заметных расстояниях от ее центра. Население второго типа характерно для шаровых скоплений и, соответственно, центрального района Галактики, поскольку они концентрируются главным образом к центру Млечного Пути. Звезды, имеющие различное пространственное распределение, заметно отличаются и по химическому составу. Так, например, звезды шаровых скоплений обеднены тяжелыми элементами по сравнению со звездами диска, а это свидетельствует о различии в возрасте звезд. Пространственному распределению в Галактике горячих массивных звезд очень хорошо соответствует распределение облаков межзвездного газа. Это сильный аргумент в пользу образования звезд путем конденсации газо-пылевых облаков.

Конечно же, короткая информация о типах населений и диаграмма Герцшпрунга — Рессела отнюдь не исчерпывают все характеристики звезд. Но поскольку мы сейчас переходим к новому разделу «Мира астрономии», нам нужны «ключевые слова». Мы должны узнать новую терминологию и иметь представление об основных и самых простых характеристиках звезд. С этим багажом мы уже можем отправиться в удивительно интересное путешествие по миру звезд, где многие объекты не укладываются ни в какие диаграммы и типы населений. Более того, они не укладываются и в обычные человеческие представления.

Как рождаются звезды

Рождение звезд в Галактике происходит непрерывно. С одной стороны, можно доказать неизбежность этого процесса простым примером, «на пальцах». Мы знаем, что возраст нашей Галактики порядка 10 миллиардов лет. Известно также, что ежегодно в нашей Галактике «умирает» как минимум одна звезда.

Если бы все звезды образовались одновременно, в начале жизни Галактики, то часть их к сегодняшнему дню должна была бы «умереть». Во всяком случае, все яркие массивные звезды, время жизни которых порядка десяти миллионов лет, должны были бы исчезнуть с небосвода. Поскольку мы все-таки можем любоваться россыпями звезд (в том числе и самых ярких!) на ночном небе, ясно, что в Галактике идут процессы, компенсирующие смерть звезд, а именно — их рождение.

С другой стороны, есть данные наблюдательной астрономии, напрямую свидетельствующие о рождении звезд. Как же это происходит?

Согласно общепринятой точке зрения колыбелями звезд являются газо-пылевые комплексы. Когда мы говорили о галактиках, мы упоминали о межзвездной среде. Сейчас самое время остановиться на этом вопросе подробнее. В начале XX века в астрономии было сделано выдающееся открытие, суть которого состояла в том, что межзвездное пространство отнюдь не является абсолютной пустотой, как это молчаливо предполагалось еще со времен Ньютона. Удалось установить, что межзвездное пространство заполнено газом очень малой плотности.

Интересно, что и в этом открытии основную роль сыграл эффект Доплера. Если наблюдать спектры двойных звезд, то по причине их орбитального движения вокруг общего центра масс линии в спектре будут периодически сдвигаться то в одну, то в другую сторону. Когда звезда начнет приближаться к нам, они будут немного уходить к фиолетовому концу спектра, а когда станет удаляться, линии будут испытывать красное смещение.

При наблюдениях происходило именно таким образом, за одним лишь исключением. Две линии, принадлежавшие Ca2+, оставались неподвижными на фоне периодических смещений всех остальных линий. Они получили название стационарных, и стало ясно, что они принадлежат не звезде, а межзвездной, неподвижной субстанции, поглощавшей излучение звезды в узких линиях.

То, что межзвездный газ был обнаружен по линиям кальция, не свидетельствует еще о том, что концентрация кальция там велика. Просто его так называемые резонансные линии поглощения находятся в видимой области спектра, в то время как линии наиболее распространенных элементов сдвинуты глубоко в коротковолновую область.

Возьмем, к примеру, водород, длина волны резонансной линии которого составляет всего 1216 ангстрем. Совершенно ясно, что эта линия в земных «условиях просто ненаблюдаема», поскольку атмосфера «зарезает» ее полностью. Поэтому большая часть информации о химическом составе межзвездного газа была получена методами внеатмосферной астрономии.

В 1972 году 90-сантиметровый телескоп специального спутника «Коперник» принес новую информацию о составе межзвездной среды. Там удалось обнаружить углерод, кислород, магний, кремний, серу, марганец и другие элементы. Было также установлено, что химический состав облаков существенно отличается от солнечного. Разумеется, в межзвездных облаках был обнаружен и самый обильный элемент Вселенной — водород. Причем очень важно, что водород может присутствовать в форме нейтрального атома (HI) и в ионизированной форме (HII). Отношение ионизированного и нейтрального водорода в различных облаках колеблется от нескольких десятых до значений менее чем 10^7.

Мы говорили о поглощении света звезд газом. Но в межзвездной среде есть еще один важный компонент — межзвездная пыль. Давно в Млечном Пути известны получившие название «угольных мешков» области, которые сильно поглощают излучение звезд, причем поглощающая материя распределена в Галактике весьма неравномерно.

Поглощение света вызывается субмикронными частичками, пылинками, имеющими очень сложный химический состав. Они образуются из углерода, силикатов, грязного льда, могут содержать в своем составе сложные органические соединения.

Кстати, об органических соединениях в межзвездной среде. Мне здесь хочется сказать о них несколько слов. Хотя это и не имеет прямого отношения к физике образования звезд, тем не менее мы должны хорошо представлять, какие соединения входят в состав межзвездной среды.

Итак, в течение нескольких лет после открытия линии межзвездного водорода (21 см) радиоастрономы пытались найти линии других элементов. Прошло более 10 лет, прежде чем в 1963 году в космосе был открыт гидроксид (OH–). Концентрация гидроксида сказалась в миллиард раз меньше концентрации атомов водорода. Поэтому казалось очень маловероятным обнаружить в космосе молекулы, состоящие из трех и более атомов.

Но в 1968 году в космосе обнаружили молекулы воды (H_2O) и аммиака (NH_3). Вскоре после этого открыли формальдегид (H_2CO). Это была первая молекула, содержащая два «тяжелых» атома, помимо водорода. После открытия воды, аммиака и формальдегида список межзвездных молекул стал быстро пополняться. Оказалось, что в космосе присутствуют достаточно сложные органические молекулы, содержащие до одиннадцати атомов углерода!

Это дало возможность выдвинуть гипотезу, согласно которой межзвездная среда является не только колыбелью звезд, но и колыбелью жизни. Наиболее радикальные люди сейчас даже утверждают, что межзвездная пыль представляет собой… микроорганизмы, зародившиеся в глубинах Вселенной. Это, конечно, чересчур экстравагантная идея. Заметим сейчас, что число межзвездных молекул, обнаруженных в космосе, перевалило за полсотни, а более 240 спектральных линий остаются до сих пор неидентифицированными.

Вернемся к свойствам межзвездной среды. Средняя концентрация газа в Галактике невелика — около 1 частицы в кубическом сантиметре. Это сверхвысокий вакуум, абсолютно недостижимый ни в одной лаборатории на Земле. И тем не менее это не вакуум, это среда!

В чем суть подобного парадоксального утверждения? Мы говорим о вакууме в каком-то объеме, если длина свободного пробега частичек больше, чем линейный размер этого объема. Пусть у нас в лаборатории есть объем с радиусом в 1 метр и концентрацией частиц в нем 10^10 см^3, что примерно соответствует лабораторному вакууму в одну миллиардную часть давления земной атмосферы. В этом случае длина свободного пробега l ~ 1/lσ, где n — концентрация частиц, а σ — сечение столкновения атомов (σ — 10–15 см^2). Мы видим, что длина свободного пробега равна примерно 10^5 см, то есть на 3 порядка превышает радиус нашего объема. Это хороший вакуум.

А что же делается в межзвездном газе? Здесь свободный пробег огромен. При n = 1 см^3, l = 3 · 10–4 парсека. Но толщина газового диска в Галактике около 200 парсек. Следовательно, свободный пробег много меньше размеров области, в которой происходят различные физические процессы, и поэтому здесь мы имеем дело не с вакуумом, а с вполне упругой средой, к которой применимы все законы молекулярной физики и газовой динамики. К тому же эта среда обладает высокой электропроводностью, поскольку она или полностью, или частично ионизирована (зона HII). Этот факт обусловливает тесное взаимодействие газа с межзвездным магнитным полем.

Радиоастрономические наблюдения показали, что сравнительно плотные облака межзвездного нейтрального водорода (области HI) группируются вдоль спиральных рукавов Галактики. То же самое относится и к наблюдаемым зонам HII. Разумеется, температура зон HII (~ 10 000 K) намного больше температур зон HI. Ведь в HII водород ионизирован.

Что же подогревает эти зоны? Излучение массивных горячих звезд спектральных классов О и В, которые, кстати говоря, также группируются в спиральных структурах. Все это имеет прямое отношение к проблеме происхождения звезд.

Зоны HI и HII не единственный тип структурирования газа в Галактике. Мы обратим сейчас самое пристальное внимание на так называемые газо-пылевые комплексы, гигантские темные сравнительно плотные и холодные облака. Именно в них сейчас и происходит рождение звезд. Прежде чем перейти к описанию характерных свойств этих комплексов, необходимо учесть одно обстоятельство чрезвычайной важности.

Мы уже говорили о том, что в Галактике есть звезды старые и молодые. В шаровых скоплениях присутствуют, по всей видимости, наиболее старые звезды, многие из которых имеют возраст, сравнимый с возрастом Галактики. Они могли образоваться одновременно с формированием Млечного Пути. И хотя конечные стадии образования наиболее старых и молодых звезд, по всей видимости, схожи, в самом начале существуют определенные различия. Что здесь имеется в виду?

Протогалактическое облако фрагментировало на достаточно массивные образования, которые, в свою очередь, распадались потом на все более и более мелкие сгустки. Это дробление может идти до тех пор, пока не возникают сгустки звездных масс.

Очевидно, что для понимания этого процесса мы должны снова воспользоваться понятием джинсовой длины. Оценки показывают, что при сжатии протогалактического облака джинсова длина уменьшается быстрее, чем размеры облака. Факт очень существен, поскольку именно по этой причине «разрешена» фрагментация облака.

Расчеты показывают, что во время сжатия облака основные процессы разыгрываются при температуре около 10 тысяч К. При этой температуре и плотностях 10-27–10–24 г/см^3 джинсова длина составляет 10^23–3 · 10^21 см. Такой объем содержит от миллиарда до 30 миллионов солнечных масс.

Считается, что именно такие сгущения, находясь при почти постоянной температуре в 10 тысяч К, и претерпевали дальнейшую фрагментацию. Однако рано или поздно фрагментация должна прекратиться. Не так давно ученик Ф. Хойла, известный астрофизик М. Рис показал, что процесс фрагментации огромного облака идет лишь до определенного предела. На финише процесса фрагменты не могут иметь массу, меньшую, чем одна сотая солнечной массы. Удивительно, что эта величина зависит только от некоторых мировых постоянных (скорости света, постоянной Планка и т. д.).

Таким образом, картина каскадной фрагментации приводит нас к значению наименьших звездных масс, наблюдаемых в Галактике. В этой красивой и простой картине многое еще остается неизученным. В частности, согласно этой схеме можно было бы думать, что все звезды первого поколения должны обязательно иметь небольшие массы. Это, конечно же, не так, поскольку в модели каскадной фрагментации не учитываются сопутствующие сжатию процессы столкновения фрагментов, возникновение вихрей в облаке и т. д.

Вернемся теперь снова к газопылевым комплексам нашей Галактики. По сравнению с областями HI и HII эти облака более плотные и более холодные. Их средняя температура 5–10 К. Типичное облако имеет массу от 100 тысяч до миллиона масс Солнца и размер в 40–50 парсек. Общее их количество в Галактике оценивается величиной 5–10 тысяч.

Какова природа образования таких комплексов? Почему их температура существенно меньше температуры окружающей среды? Здесь центральную роль играют явления неустойчивости в процессах нагрева и охлаждения среды. Именно тепловая неустойчивость и приводит к образованию газо-пылевых комплексов.

Мы привыкли к тому, что давление в газе увеличивается с ростом плотности. Однако в межзвездной среде могут происходить процессы, не подчиняющиеся этому, казалось бы, незыблемому правилу. Что же это за процессы?

Представим себе, что межзвездный газ сначала полностью однороден, а его нагрев, происходящий за счет рентгеновских и ультрафиолетовых квантов, в точности компенсируется охлаждением. Тогда любой объем среды будет находиться в состоянии равновесия. Но будет ли такое равновесие устойчивым?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте посмотрим, как зависят скорости охлаждения и нагрева элемента объема газа от числа частиц в нем. С нагревом все просто. Ясно, что чем больше частиц в единице объема, тем больше столкновений с квантами и тем больше энергии получит выбранный нами объем газа в единицу времени.

Скорость охлаждения тоже зависит от числа частиц в объеме, но охлаждение более чувствительно к числу частиц, чем нагрев. Связано это обстоятельство с тем, что охлаждение происходит при столкновении частиц в нашем объеме, при их собственном взаимодействии. В этом случае частицы теряют энергию, высвечивая ее в виде квантов излучения, уходящих из объема газа. Газ, соответственно, охлаждается. Но, поскольку в процессе отдачи энергии в столкновении участвуют две частицы, а в процессе получения энергии только одна, легко сообразить, что действительно охлаждение происходит гораздо более эффективно.

Ну а теперь мы можем без труда понять, что будет происходить в межзвездном газе, если в каком-то объеме его случайно немного повысилась плотность. В этом случае охлаждение начнет опережать нагрев (оно более чувствительно к числу частиц в единице объема). Следовательно, температура в этом элементе упадет. Разумеется, тут же упадет и давление. В результате окружающая среда еще больше «сожмет» элемент объема, температура упадет еще ниже и т. д. Неустойчивость будет развиваться.

Естественно, этот процесс не может продолжаться бесконечно. В конце концов понижение температуры приведет к уменьшению тепловой энергии атомов в газе и, соответственно, к уменьшению эффективности охлаждения за счет возбуждения атомов при столкновениях. Поэтому рано или поздно установится равновесие нашего элемента с окружающей средой. И оно будет довольно своеобразным.

Кстати говоря, может ли здесь вообще идти речь о равновесии? Ведь температура элемента ниже, чем в окружающей среде.

Это так. Но концентрация частиц в элементе больше, и поэтому давление, которое пропорционально произведению числа частиц в единице объема на температуру, в конце концов выравнивается с давлением окружающей среды. Мы будем иметь, таким образом, равновесие по давлению.

Существуют и другие виды неустойчивости, но мы не будем сейчас на них останавливаться. Тепловая неустойчивость, как показывают оценки, приводит к образованию облаков как раз таких масс и размеров, которые совпадают с наблюдательными данными.

Теперь осталось получить из облака звезду. Для этого, естественно, необходимо, чтобы в облаке начала развиваться гравитационная неустойчивость. Этот вопрос уже обсуждался в предыдущей главе. Поэтому напомним только, что для реализации гравитационной неустойчивости размеры облака должны были быть больше критической джинсовой длины. Для малых облаков в зонах нейтрального водорода это условие не выполняется, а для мощных газопылевых комплексов оно заведомо должно выполняться. Это, кстати говоря, может свидетельствовать о том, что гравитационная неустойчивость, действует и в настоящее время.

В созвездии Ориона есть огромный газопылевой комплекс, получивший название «Молекулярное облако Ориона». Оно находится на расстоянии 500 парсек от Земли и «весит» около 500 солнечных масс. Неподалеку от этого облака расположена группа из четырех горячих звезд, хорошо видимых в небольшой телескоп.

Один из ярчайших инфракрасных источников в туманности Ориона был открыт Е. Бёклином и Д. Нойгебауэром. Он расположен чуть правее центра молекулярного облака. Этот объект, получивший название «В — N объекта», имеет небольшие размеры — всего 200 астрономических единиц. Его температура 600 К, и это, по всей видимости, и есть звезда в стадии рождения.

Нужно помнить, что поскольку ядро В — N объекта находится внутри мощной пылевой оболочки, мы можем наблюдать лишь наружные части этого объекта. Ряд наблюдений привел к выводу, что пыль окружает очень молодую горячую звезду спектрального класса В, в которой только что зажглись термоядерные реакции. Лишь поглощение света этой звезды пылью мешает нам ее видеть. Поглощение очень сильное, свет ослабляется в 10^20 раз!

Облако в Орионе не единственный пример рождения звезд в наше время. Наличие поблизости от облака четырех ярких звезд — подтверждение идеи о том, что звезды рождаются скоплениями, ассоциациями, причем начало этого процесса — сжатие большого газопылевого комплекса. Затем по мере увеличения плотности отдельные его участки могут начать «независимую жизнь», и комплекс фрагментирует на отдельные куски, каждый из которых дает начало жизни отдельной звезды. Эта качественная картина не исключает возможности образования одиночных звезд.

А сейчас попробуем повнимательней разобраться, почему все-таки из холодного облака при сжатии должна образоваться горячая звезда. Возьмем, к примеру, наше Солнце.

Уже сотни лет назад на Зондских островах и в особенности на Калимантане, туземцы умели добывать огонь при помощи устройства, позже получившего название пневматической зажигалки.

Что это такое? В деревянном цилиндре высверливалось отверстие небольшого диаметра, в котором могла перемещаться палочка, а на конце ее прикреплялся кусочек трута. Зазор между стенками отверстия и палочкой очень маленький. Когда палочку вставляли в отверстие и быстро опускали, трут загорался.

Почему? Да потому, что воздух, находящийся внутри, сжимался, а энергия сжатия превращалась в тепло. Кстати, на этом же принципе превращении энергии — сжатия газа в теплоту — работают дизельные двигатели. Здесь есть еще один тонкий момент. Чтобы получить достаточно высокую температуру, палочку нужно двигать быстро, иначе тепло успевало рассеяться.

Законы физики одинаковы и для пневматической зажигалки малайцев, и для двигателя Дизеля, и для огромного межзвездного облака. Вот почему при сжатии облако начнет нагреваться. Вот почему возможно образование горячей звезды из холодного облака. Ну а энергия сжатия облака во многие миллиарды раз больше, чем во всех дизельных двигателях земного шара.

Молекулярное облако Ориона.

В этом месте у читателя может возникнуть некоторое недоумение, связанное с тем, что совсем недавно мы говорили вроде бы другое. Действительно, речь шла о падении температуры при росте плотности в процессе тепловой неустойчивости. Но там излучение свободно выходило из облака. Здесь же, когда работает гравитационная неустойчивость, изменение плотности гораздо больше, чем в предыдущем случае.

Энергия сжатия превращается в излучение, которое может свободно выходить из облака в космическое пространство, пока плотность облака невелика. Поэтому сначала и температура облака повышается очень незначительно. Но чем сильнее сжатие, тем больше плотность вещества и тем труднее излучению выходить из облака.

Очень важно, что с повышением температуры начинаются изменения химического состава облака. Те молекулы, которые раньше при столкновениях высвечивали инфракрасное излучение, разваливаются. Холодильное устройство перестает работать, непрозрачность возрастает, и температура внутренних областей облака начинает повышаться. Что такое непрозрачность и почему должна повышаться температура?

Включим электрическую лампочку. Она сконструирована так, чтобы нить накаливания работала как можно дольше. Когда лампочка включена, она горячая, ее не возьмешь в руки: она и светит, и греет. Но воздух комнаты прозрачен и для видимого света, и для теплового излучения лампочки. Если теперь завернуть лампочку в хороший теплоизолирующий материал, например, в асбест, выход тепловой энергии будет затруднен, температура повысится, и лампочка перегорит быстрее. Асбест непрозрачен для излучения.

Так же и в случае облака. Только роль асбеста здесь играют достаточно плотные наружные слои. А внутри облака — горячее ядро, протозвезда. Но она еще находится внутри родительского облака. Если провести здесь аналогию с живой материей, то протозвезду можно сравнить с клеточным ядром, окруженным протоплазмой. Оценки показывают, что время сжатия облака солнечной массы — порядка миллиона лет. В конце первой стадии сжатия облако «напоследок» начинает интенсивно излучать, причем его инфракрасная светимость в десятки тысяч раз превышает общую светимость Солнца. Происходит вспышка инфракрасного излучения, длящаяся несколько лет. Далее облако, протозвезда, начинает сжиматься гораздо медленнее. В это время она имеет размеры порядка размеров орбиты Меркурия.

А затем происходят удивительные вещи. Когда звезда становится непрозрачной для собственного излучения, энергия сжатия оказывается «запертой» внутри протозвезды, и в ее жизни наступает знаменитая «стадия Хаяши» (этап развития протозвезд, получивший свое название в честь известного японского астрофизика С. Хаяши).

Поскольку сброс энергии, которая выделяется при сжатии, из-за непрозрачности затруднен, сжатие резко замедляется. Но энергию-то сбрасывать все-таки надо. Так вот, Хаяши и показал, что в этой стадии сжатия энергия сбрасывается при помощи конвекции. Да, да, той самой конвекции, которую мы каждый день видим, когда кастрюля с водой или чайник стоят на плите и более горячие слои воды поднимаются снизу вверх. И в нашем случае внутренние, горячие участки протозвезды начинают перемещаться наверх, а на их место стремится газ из наружных, более холодных районов. В это время температура протозвезды достигает нескольких тысяч градусов.

Понятно, что такой процесс, как конвекция, не может сразу охватить всю протозвезду: она развивается постепенно даже в таком небольшом объеме, как чайник. Что здесь говорить о протозвезде! Но когда вся протозвезда вовлекается в этот процесс, энергия сжатия получает возможность «выйти наружу» и переизлучиться в мировое пространство. Поэтому-то развитие конвекции сопровождается короткой вспышкой светимости.

Уже после этого продолжается медленное сжатие охваченной конвекцией протозвезды. Радиус ее уменьшается, неуклонно стремясь к некоторому конечному значению. А поскольку температура поверхностных слоев протозвезды постоянна, то светимость ее будет падать. Эта стадия, как показывают расчеты, занимает уже десятки миллионов лет.

Наконец начинаются ядерные реакции, сжатие прекращается и протозвезда становится стабильной, обычной звездой. Как говорят астрономы, она садится на главную последовательность — столбовую дорогу жизни большинства звезд.

Звезды светят

Итак, картина рождения звезды, пусть несколько схематичная, нарисована. Но ведь это теория, и все, о чем мы сейчас говорили, базировалось на теоретических оценках, приведенных, в частности, в замечательной книге советского астрофизика И. Шкловского «Звезды, их рождение, жизнь и смерть». А соответствуют ли эти оценки действительности? Можно ли наблюдать все эти процессы, эти вспышки «закипающих» звезд в Галактике?

Да. Астрономы видят звезды, хаотически меняющие свой блеск, а это как раз и может свидетельствовать о том, что их атмосферы находятся в бурной конвективной стадии. Звезды эти получили название «звезд типа Τ Тельца». Они всегда наблюдаются группами, так называемыми Τ-ассоциациями. Интересно, что в их спектрах есть линии, имеющие синее смещение. Это означает, что они непрерывно выбрасывают вещество, избавляются от «излишков массы». Интенсивность этого процесса достигает одной десятимиллионной доли массы Солнца в год. Поэтому ясно, что звезды до того, как они «сядут» на главную последовательность, имеют гораздо большую массу.

Таким образом, у нас есть все основания считать, что подобный «сценарий» рождения Солнца действительно разыгрывался около 5 миллиардов лет назад. Следует заметить: он справедлив лишь для звезд меньше солнечной массы (или равной ей). Эволюция более массивных объектов на финише процесса имеет некоторые существенные особенности.

Массивные звезды изменяют форму сброса энергии еще до того, как они садятся на главную последовательность.

Конвекция в них заменяется «лучистым» переносом тепла. Это связано с более быстрым ростом температуры, что приводит, в свою очередь, к уменьшению непрозрачности. Звезда, несмотря на продолжающееся сжатие, имеет почти постоянную светимость, что означает непрерывный рост ее поверхностной температуры во времени. И на Солнце такой процесс имел место. Когда радиус светила был примерно в два раза больше нынешнего, светимость его была в полтора раза выше. В процессе дальнейшего сжатия светимость уменьшилась (а температура возросла!). Далее, на главной последовательности, светимость постепенно достигла сегодняшних значений.

Было бы несправедливо не сказать об альтернативной точке зрения по поводу рождения звезд. Ее автор — известный советский астрофизик академик В. Амбарцумян. Он считает, что во Вселенной существуют сверхплотные образования — Д-тела. Природа этих тел неизвестна. Астрономы их не наблюдали. Так вот, при распаде Д-тел и рождаются звезды. Гипотеза В. Амбарцумяна не имеет большого числа сторонников. Но следует помнить о том, что, вступая в спор с устоявшимися концепциями, он не раз оказывался прав.

Итак, все вспышки и катаклизмы завершены. Возникает естественный вопрос, как долго может светить звезда, каков срок ее жизни и, наконец, почему она светит? К обсуждению этих вопросов мы сейчас и перейдем.

Наше Солнце стабильно уже в течение почти 5 миллиардов лет. Но откуда мы знаем об этом? Прежде всего у нас есть такой чувствительный «индикатор», как живые организмы на Земле. Из палеогеологических данных известно, что жизнь на Земле существовала три с половиной миллиарда лет назад. А должно было уйти время еще и на возникновение этой жизни. Но если она уже существовала три с половиной миллиарда лет назад, то на ее зарождение остается не более миллиарда лет, поскольку возраст Земли около 4,5 миллиарда лет.

Отсюда следует, что если светимость Солнца уменьшилась, скажем, в несколько раз, на Земле не могла бы возникнуть жизнь, так как на поверхности нашей планеты из-за сильного холода не было бы жидкой воды. А если бы Солнце было заметно горячей, то мы бы имели сегодня Землю, похожую на Венеру, где ни о какой жизни не может быть и речи. Поэтому, если Солнце и изменяло светимость за такой большой промежуток времени, как 5 миллиардов лет, то можно говорить лишь о незначительных изменениях, порядка нескольких процентов, не более. Вот тут-то мы и подходим к очень интересному, важному и отнюдь не простому вопросу: почему, собственно говоря, звезды, и в том числе наше Солнце, светят, светят долго с удивительным постоянством? Откуда берется это гигантское количество энергии?

Замечательную, немного грустную историю об одном известном человеке, решившем эту загадку, рассказал лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман. Этот человек (мы будем о нем еще говорить) отправился поздно вечером гулять с девушкой. А накануне он понял, что заставляет светить звезды. Влюбленные всегда говорят или о погоде, или о красотах ночного неба. «Посмотри, как чудесно сияют звезды», — сказала она. «Да, чудесно. А ведь сегодня я — единственный в мире человек, который знает, почему они сияют», — ответил он. Она лишь рассмеялась. «Что ж, как это ни печально, быть одиноким, непонятым — в порядке вещей», — меланхолически заканчивает Р. Фейнман свой рассказ.

Но посмотрим, что думали об этом ученые до исторической прогулки. Солнце светит потому, что на него падают кометы, считал великий Ньютон. Правда, его натуре не была свойственна категоричность, а количественных оценок этого «факта» в его работах мы не найдем.

Первым, кто попытался с чисто научных позиций проанализировать этот вопрос, был немецкий врач Ю. Майер. Имя его навсегда сохранилось для человечества отнюдь не из-за его успехов в медицине. Он обессмертил свое имя, открыв в 1842 году закон сохранения энергии. (Кстати, в этом же году произошло полное солнечное затмение, принесшее астрономам массу новой информации о Солнце.)

Установив закон сохранения энергии для земных явлений, Майер задался таким вопросом. Если на Земле непрерывно происходят превращения одних форм энергии в другие, то любой достаточно серьезный анализ проблемы неуничтожимости энергии с неизбежностью ставит задачу: где источник солнечного излучения? Как может Солнце излучать огромное количество энергии со столь завидным постоянством?

Решая эту головоломку, Майер пришел к неожиданному и интересному выводу. Он предположил, что излучение Солнца, его тепло обеспечивается кинетической энергией падающих на Солнце метеоритов (Ньютон говорил о кометах). Ведь приходят же на Землю метеорные тела из космического пространства, так почему бы им не падать на Солнце?

Однако очень скоро выяснилось, что Майер ошибся. Когда ученые попытались оценить, сколько же вещества нужно «добавлять» к Солнцу, чтобы поддержать его излучение, они получили цифру, составляющую одну тридцатимиллионную долю массы Солнца. Именно такое количество метеорных тел должно было бы ежегодно бомбардировать Солнце, чтобы обеспечить постоянство его излучения.

На первый взгляд цифра кажется небольшой. Ну, подумаешь, каждый год на Солнце выпадает множество метеоров, общим весом примерно равных массе Марса. Но тут свое слово сказали специалисты по небесной механике. Они вычислили, что даже столь незначительное увеличение массы нашей звезды привело бы к изменению продолжительности земного года, он стал бы ежегодно укорачиваться на две секунды. Именно этот факт явился смертельным ударом по гипотезе Майера: ведь и в тысячи раз меньшая величина давным-давно была бы замечена при наблюдениях.

Кроме того, воспользуемся таблицей умножения и посмотрим, что получится, если умножить возраст Земли (4,5 миллиарда лет) на те самые две секунды ежегодного уменьшения года. Другими словами, посмотрим, чему был равен год в начале жизни Земли, если бы Майер оказался прав. Мы получим совершенно абсурдную цифру: Земля должна была бы крутиться вокруг Солнца очень медленно, год продолжался… более сотни нынешних земных лет. Пришлось искать другие пути решения вопроса, почему постоянна светимость Солнца.

Два выдающихся физика — Г. Гельмгольц и Д. Томсон (лорд Кельвин) — в конце XIX века предположили, что Солнце сжимается, уменьшая свой радиус на несколько десятков метров ежегодно, под воздействием собственной гравитации. За счет этого выделяется тепловая энергия, которая и поддерживает постоянную светимость Солнца. Но и эта гипотеза оказалась несостоятельной, несмотря на ее привлекательность и в общем-то физическую обоснованность.

Как это нередко бывает в физике, «контракционная» гипотеза во многом определила свое время. Она правильно могла бы обрисовать начальные стадии эволюции звезды, но оказалась неприемлемой для объяснения светимости стабильного Солнца. И действительно, точные расчеты показали, что, используя механизм Гельмгольца — Кельвина, Солнце могло бы светить не более 30 миллионов лет. А нам нужны миллиарды. Разница, как видим, немалая.

Но если ни гравитационная, ни кинетическая энергия не могут обеспечить нормальной работы нашего светила в течение миллиардов лет, то что же тогда?

Выдающийся астроном Д. Джинс предположил, что источником энергии Солнца является его радиоактивность. Это уже было, как говорится в детской игре, «теплее». Именно «теплее», потому что Джинс тоже был далек от истины. Сейчас любой студент, а может быть, даже и школьник сумел бы доказать, что энергия радиоактивного распада никогда не сможет обеспечить светимость звезды. И тем не менее Джинс находился рядом с решением вопроса. Все дело действительно было в ядерных процессах.

Рождение звезд в туманности Ориона.

А. Эддингтон понимал, что в Солнце должен работать самостоятельный источник энергии, и правильно назвал его. Этот источник — энергия атомного ядра. Однако естественно, что в то время Эддингтон не мог указать конкретные механизмы ядерных реакций.

Нужно сказать, что Эддингтон достаточно натерпелся от своих земляков — именитых английских физиков и астрономов. Его идеи были почти всегда столь неожиданными и экстравагантными, что немедленно вызывали бунт коллег и ставились под сомнение, хотя именно Эддингтона следует считать одним из пионеров и создателей новой науки — астрофизики. Но это мы знаем сейчас… В те же времена многие просто-напросто смеялись над Эддингтоном.

Он, разумеется, не оставался в долгу. И когда ему говорили, что недра звезд недостаточно горячи, чтобы там могли идти ядерные реакции, он с раздражением советовал своим оппонентам отправиться поискать местечко погорячее, чем внутренность звезды, имея в виду ад.

Среди оппонентов Эддингтона были директор Кавендишской лаборатории, знаменитый физик Д. Томсон, открывший существование электрона, Джинс и другие. Просто дело было в том, как утверждает крупнейший астрофизик Ф. Хойл, что великий Джинс почему-то всегда оказывался не прав, а Эддингтон — прав.

Этот «одинокий и непонятный Эддингтон» (о котором шла речь в рассказе Фейнмана) был гениален и как физик и как личность. Блистательно владея математическим аппаратом, он с известной мерой брезгливости относился к приближенным вычислениям, всегда стремясь получить точную формулу. Мысль его работала столь четко и ясно, что когда он написал книгу с изложением основ теории относительности, Эйнштейн в шутку сказал: «Я стал лучше понимать собственную теорию, прочтя книгу Эддингтона». Но ведь в каждой шутке есть доля правды.

Молодые звезды в Плеядах.

Полемика между Эддингтоном и Джинсом развлекала и удивляла ученых в течение многих лет, и лишь в 1939 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Г. Бете сумел построить количественную теорию, объясняющую ядерные процессы в звездах. Был наконец перекинут мост между микро- и макромиром и показано, что звезды суть не что иное, как гигантские термоядерные реакторы.

Прежде чем подробно обсудить эту увлекательнейшую тему, вернемся на время к известным законам физики. Это поможет нам лучше понять, почему лишь термоядерные реакции обеспечивают постоянную светимость Солнца и других звезд и почему именно благодаря им существует на Земле все живое.

В своем изучении биографии звезды мы остановились на том, что она стала стабильной, вступила в стадию спокойной (конечно, относительно спокойной, как мы потом увидим) жизни. Протозвезда стала звездой.

А что же такое звезда с точки зрения физика? Ответ прост, хотя и не сразу очевиден. Солнце — раскаленный газовый шар. Почему газовый? Давайте-ка разделим массу Солнца на его объем, чтобы узнать плотность нашей звезды. Мы получим цифру 1,4 грамма в кубическом сантиметре, то есть побольше, чем плотность воды. О каком газе может идти речь? К тому же это средняя плотность, а ведь в центре Солнца плотности должны быть куда больше, чем полученная цифра.

Все дело в том, что температуры в недрах Солнца огромны — более десяти миллионов градусов, а при таких температурах ни жидкая, ни твердая фазы вещества существовать не могут. И тогда Солнце действительно газовый шар. А что это означает для физика?

Да то, что он для описания «поведения» Солнца может использовать, в частности, простейшую формулу, известную из школьного курса физики под названием формулы Клайперона. Она устанавливает связь между температурой, давлением, плотностью и молекулярным весом определенного объема газа.

Но неужели так все просто, и жизнь Солнца физик опишет только законом поведения идеального газа? Ведь если действовал только этот физический закон, Солнце бы очень быстро рассеялось в космическом пространстве?

Все мы знаем, что, прежде чем выйти из корабля в открытый космос, космонавту нужно пройти шлюзовую камеру. Это необходимо для предотвращения разгерметизации корабля. Если нарушена герметизация, в кабине корабля установится космический вакуум. Ведь давление газа в окружающем космическом пространстве ничтожно, а внутри корабля велико. Вот газ и стремится выйти наружу. То же происходит, когда разгерметизируется кабина самолета. К счастью, это бывает редко. Но когда все же случается, жизни пассажиров угрожает опасность, так как они сразу вынуждены дышать воздухом на высоте большей, чем Эверест.

Так в чем секрет? Почему наш огромный раскаленный газовый шар не рассеялся в космическом пространстве? Ведь газ в недрах Солнца находится под чудовищным давлением, а вне Солнца — пустота, глубокий вакуум. Однако благодаря своей огромной массе Солнце сжато силами гравитации, и именно эти силы препятствуют тепловому разлету его вещества в космос.

В наружных слоях Солнца тепловая скорость частиц газа порядка 10 километров в секунду. И не будь гравитации, уже за 10 дней радиус Солнца увеличился бы в 10 раз.

И как на Земле каждый человек чувствует свой вес, так и на Солнце каждая частичка «знает», что ей никогда не вырваться из гравитационного плена нашей звезды. Вот причина равновесия Солнца. Высокие температуры газа препятствуют силам гравитации совершить катастрофу и заставить сжаться наше Солнце, а гравитация, со своей стороны, «дисциплинирует» Солнце, заставляя его находиться в определенных «рамках».

Кластер галактик в созвездии Тельца.

Условие равновесия можно выразить чрезвычайно просто. Газовое давление в центре звезды должно быть равно весу столба с поперечным сечением 1 см^2 и высотой, равной радиусу нашего газового шара. Если сделать соответствующие оценки, то окажется, что давление в центре Солнца будет порядка 10^10 атмосфер! Столь большое давление может быть обеспечено достаточно высокой температурой. Здесь как раз, зная давление, мы можем использовать закон Клайперона и вычислить температуру:

T = Pμ/Aρ,

где P — давление, A — универсальная газовая постоянная, μ — молекулярный вес, ρ — плотность, а T — температура. Вводя некоторые простые допущения, путем несложных преобразований можно привести эту формулу к другому виду:

T = μFM/AR,

где M — масса звезды, R — ее радиус, a F — постоянная всемирного тяготения. Все здесь известно (по крайней мере для нашего Солнца), кроме μ — молекулярного веса. Как известно, молекулярный вес численно равен массе вещества, состоящей из числа частиц N (N = 6 · 10^23 — число Авогадро). Нам нужно найти молекулярный вес звездного вещества, состоящего из ядер атомов различных элементов и электронов. Оценки показывают, что он меняется от 0,5 до 1,3. У звезд середины главной последовательности, к которым, разумеется, относится и наше Солнце, μ = 0,6.

Теперь мы можем записать крайне простое соотношение для температуры центральной части звезды: Tс = 14(M/M)(R/R) миллионов градусов.

Здесь M и R — масса и радиус любой звезды, M, R — масса и радиус Солнца. Ясно, что температура Солнца равна по этой формуле 14 миллионам градусов. Таким образом, довольно сложная задача определения температуры в центре звезд решена очень просто.

Мы использовали сейчас лишь два хорошо известных физических закона: закон всемирного тяготения и газового состояния. Посмотрим теперь, каким образом тепловая энергия переходит из очень горячих, центральных частей звезды к более холодной поверхности, откуда она уходит в пространство. Насколько это важно для понимания строения звезды?

Вопрос этот имеет принципиальное значение. Ведь светимость звезды — один из главных ее параметров — и есть поток энергии, достигший поверхности и уходящий потом в пространство. Этот поток во многом определяет структуру всей звезды.

Различные формы переноса тепла хорошо известны в повседневной жизни. Холодная металлическая ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, быстро нагревается. Это перенос тепла посредством теплопроводности тела. В металле есть свободные электроны, которые переносят тепловую энергию. Этот вид переноса существен для белых карликов и не имеет практически никакого значения для обычных звезд. Конвекция, о которой мы уже говорили, также одна из возможных форм переноса. Наконец, существует наиболее важная (для нас) форма «лучистый перенос» — перенос тепла излучением.

В быту мы хорошо знакомы с лучистым переносом. Тепло, которое идет от любого нагретого предмета, — результат именно этой формы переноса. Горячий утюг излучает в инфракрасном диапазоне, и мы не видим, а лишь чувствуем это излучение. Раскаленный кусок железа светит в видимом диапазоне, а мы можем визуально наблюдать лучистый перенос энергии, впрочем, так же, как в случае Солнца и звезд. Мы помним, что количество излученной энергии очень сильно зависит от температуры, оно пропорционально ее четвертой степени (закон Стефана — Больцмана). Именно поэтому по мере продвижения в глубь звезды энергонасыщенность вещества растет очень быстро.

К примеру, один кубический сантиметр вещества, «взятого» из центра Солнца, излучал бы за секунды энергию около 10^26 эрг. Такая энергия эквивалентна извержению крупного вулкана. Если бы излучение внутренних областей Солнца могло достичь напрямую земной поверхности, оно бы мгновенно испепелило ее. Но мы, к счастью, застрахованы от такой малоприятной возможности, и причиной тому — непрозрачность звездного вещества к световым квантам.

На первый взгляд это обстоятельство может показаться странным: ведь мы говорили о том, что звездное вещество представляет собой газ. Да, это так, звезда — газовый шар. Но газ в звезде в высшей степени непрозрачен. Это объясняется высокой плотностью вещества в центре звезды. Непрозрачен уже 1 миллиметр звездного вещества — у поверхности звезды непрозрачность растет с ростом температуры.

Это нетрудно понять, поскольку здесь при большей температуре больше возбужденных атомов, способных поглощать свет в видимой области. Но в недрах звезды при росте температуры атомы все больше и больше «оголяются», теряя электронные оболочки, и поэтому там поглощение света несколько падает за счет увеличения температуры, но в то же время, поскольку T растет, общую непрозрачность можно считать постоянной.

Теперь нам осталось попытаться понять, как зависит светимость звезды от ее массы. Мы уже видели, что температура в центре звезды пропорциональна массе. С другой стороны, светимость L ~ T^4 и L ~ 1/ρH, где ρ — средняя плотность звездного вещества, а H — коэффициент поглощения, который, как говорилось, можно принять постоянным. Ясно, что по определению ρ = 3M/4πR^3. И тогда мы находим, что L ~ M^3. Мы таким образом получили путем простых рассуждений теоретическое соотношение между массой звезды и ее светимостью.

Более точно оно записывается в следующем виде:

L = K(μ^4/H)M^3,

где K — численный коэффициент, а μ — молекулярный вес. Эта формула в принципе верно отражает наблюдательные факты. Основной вывод состоит в том, что перенос энергии из недр звезды определяется излучением, а «пропускная способность» звезды ее массой. О конвекции мы с вами уже немного говорили, но дело в том, что на главной последовательности полностью конвективных звезд практически нет.

Все просто и хорошо: мы с вами выяснили, какие силы управляют Солнцем, как излучает звезда, причем все это было проделано «на пальцах», не выходя за рамки школьного курса физики. Наверное, у многих читателей сложилось впечатление, что Эддингтон был прав, когда говорил: «Нет ничего проще, чем звезда». Быть может, у некоторых появилось даже легкое чувство обманутых надежд: а где же обещанные тайны, проблемы, загадки? Будут и тайны, и загадки. Они впереди.

Источник энергии

Повнимательнее вглядимся в источник светимости Солнца — термоядерные реакции. Сначала решим простой вопрос. Ведь если идет термоядерная реакция (неважно, по какому конкретному механизму), она резко повышает температуру вещества. Это, в свою очередь, должно обязательно повысить скорость процессов, что чревато для звезды весьма опасной возможностью: уподобиться огромной водородной бомбе, в которой термоядерная реакция носит характер взрыва.

Но Солнце светит стабильно, внутри нашей звезды есть механизмы, регулирующие скорость термоядерного синтеза. Что же это за механизмы?

Да, в общем-то опять школьная физика, все так же формула Клайперона, действующая, правда, в условиях гравитации. По этой формуле, если повысить температуру объема газа, немедленно произойдет его расширение, отчего газ тут же охладится. Вот поэтому-то в Солнце и существует жесткий механизм обратной связи, и термоядерные реакции не могут идти в недрах нашего светила с произвольной скоростью. Их скорость полностью определяется самой структурой Солнца.

Вспомним, что такое ядерные реакции. Ядро атома любого элемента (за исключением водорода) состоит из протонов и нейтронов, связанных между собою сильными взаимодействиями. Ясно, что, если протон или нейтрон сталкивается с ядром атома какого-либо элемента и «застревает» в нем, образуется ядро атома нового элемента и вдобавок высвобождается образовавшийся избыток энергии. Этот избыток уносится обычно какой-либо частицей — гамма-квантом, нейтрино и другими.

Процесс может быть и более сложным. Вновь образовавшееся ядро распадается на осколки (деление). Но все это и есть, собственно говоря, ядерные реакции.

Если мы начнем облучать какое-либо вещество нейтронами, то особых трудностей мы испытывать не будем, поскольку нейтрон не имеет заряда и ничто не мешает ему сколь угодно близко подойти к ядру. С протонами дело обстоит гораздо сложнее. Протон несет положительный заряд, и ему необходимо преодолеть электростатическое отталкивание других протонов в ядре. Сделать это довольно не просто, и поэтому в земных условиях для изучения реакций с этими частицами строят огромные ускорители, которые и сообщают протону необходимую начальную энергию для прохождения потенциального барьера. Если мы хотим заставить провзаимодействовать с каким-либо ядром α-частицу — ядро атома гелия-4, ей необходимо будет сообщить еще большую энергию, чем отдельному протону, поскольку в ее составе их уже два.

Ядерные реакции с протонами для космоса — вещь обычная, так как водород — самый распространенный элемент во всей Вселенной. Таким образом, протоны не представляют дефицита, а роль ускорителей в космосе играют, в частности, недра звезд. Температура там столь велика, что часть протонов приобретает вполне достаточные для начала ядерных реакций скорости. Такие реакции, где для «активирования» протонов используется температура, называются термоядерными.

Каковы эти реакции? Главным образом те же, что вызывают взрыв водородной бомбы, — слияние четырех ядер водорода (протонов) через ряд промежуточных реакций в ядро атома гелия. Это так называемый протон-протонный цикл.

Ядро атома гелия весит чуть меньше, чем четыре протона, и в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc^2 эта разница в массе переходит в энергию, которая и идет на разогрев вещества.

Попробуем провести простые количественные оценки выхода энергии в этой реакции. Четыре протона в атомных единицах весят — 4,03252. Но хорошо известно, что ядро атома гелия в тех же единицах весит 4,00389. Именно эта разница в массах и переходит в энергию: mc^2 = E = 1,67×10–24 · 0,02863 · (3 · 10^10)2 = 4,3 · 10–5 эрг на одно ядро. Если весь водород Солнца превратится в гелий, то выделится чудовищное количество энергии ~ 10^52 эрг. Так как Солнце излучает каждую секунду 4 · 10^33 эрг, то топлива в Солнце хватит примерно на 100 миллиардов лет.

Теперь о механизмах термоядерных реакций в звездах.

Протон-протонный цикл начинается с образования дейтерия:

1H + 1H → 2D + e+ + ν + 1,44 МЭВ.

Вообще говоря, «выход» этой реакции очень мал. Даже в недрах звезд, где условия в общем-то благоприятствуют ее прохождению, лишь один из десятков миллиардов протонов имеет возможность превратиться в дейтерий.

Дополнительная трудность для начальной реакции состоит в том, что один из протонов во время акта столкновения должен успеть превратиться в нейтрон. Ведь ядро дейтерия состоит не из двух протонов, а из протона и нейтрона! Выручает то обстоятельство, что число протонов огромно, и поэтому все-таки необходимые условия для некоторых из них выполняются, и начальная реакция «запускает» протон-протонный цикл.

Далее дейтерий соединяется вновь с протоном, образуя изотоп гелия-3:

2D + 1H → 3He + γ + 5,49 МЭВ.

Затем возможны уже три направления ядерных реакций. Главный путь — взаимодействие двух ядер изотопа 3He:

3He + 3He → 4He + 1H + 1H + 12,85 МЭВ.

Все возвращается здесь на круги своя: мы снова имеем два протона, цикл замкнулся, но нам надо запомнить, что в результате цикла появилось ядро атома гелия. Это и есть «столбовая» дорога протон-протонного цикла.

Кроме нее, существуют два побочных пути. Первый состоит во взаимодействии гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро бериллия может захватить протон и превратиться в бор-8, бор-8 претерпевает бета-распад:

8B → 7Be + e+ + ν.

Эту реакцию нам надо обязательно запомнить, так как именно с ней связаны наиболее драматические страницы в современной физике Солнца. Радиоактивный бериллий-8 быстро распадается на два ядра «обыкновенного» гелия-4.

Наконец, еще одна «дорожка» протон-протонного цикла состоит в следующем: бериллий-7 может захватить электрон, превратившись после этого в литий-7. А тот, захватив протон, «переходит» в неустойчивый изотоп бериллия-8, судьба которого нам уже известна.

Существует еще один тип ядерных реакций, играющий определенную роль в энергетике Солнца, — углеродно-азотно-кислородный цикл (С – N – О-цикл). Причем его конечный результат, так же как и в протон-протонном цикле, — образование атома гелия из четырех ядер атома водорода.

Здесь происходят очень интересные вещи. Все начинается с того, что ядро углерода захватывает протон (ядро атома водорода) и превращается в радиоактивный азот, который, распадаясь, дает более тяжелый изотоп углерода. Этот изотоп тоже захватывает протон и превращается в обычный азот. Но и азот стремится захватить ядро водорода, тем более что недостатка в водороде внутри Солнца нет.

Поглотив протон, ядро азота превращается в радиоактивный кислород, а тот, распадаясь, — в стабильный изотоп азот-15. Азот-15 опять захватывает протон. Но даже в недрах Солнца жадность наказуема: распухшее ядро азота-15 с лишним протоном не в состоянии удержать захваченное и распадается на исходное ядро атома углерода-12 и ядро атома гелия.

В результате начавшее всю цепочку захвата ядро углерода-12 осталось «при своем интересе» и вышло из игры, а из четырех захваченных ядер водорода образовалось ядро гелия. Снова работает соотношение E = mc^2, и разность масс между четырьмя протонами и ядром гелия превращается в энергию.

В отличие от первого механизма в различных этапах реакций С – N – О-цикла участвуют атомы углерода, кислорода и азота. Именно поэтому его и назвали С – N – О-цикл. Но если за счет протон-протонного процесса Солнце получает 98 процентов своей энергии, то за счет углеродно-азотно-кислородного только 2 процента.

Нужно сказать, что для звезд более массивных, чем Солнце, роль С – N – О-цикла значительно существеннее. Понятно, что кулоновский барьер для этой реакции выше, чем в первой реакции протон-протонного цикла. Там реагировали отдельные протоны, а здесь во взаимодействие приходят ядра. Поэтому в более массивных звездах, где температура выше, чем у Солнца, эти реакции будут идти более эффективно.

Итак, и в протон-протонном, и в С – N – О-цикле конечным продуктом термоядерных реакций является гелий. Другими словами: водород звезд выгорает, выгорает в одних случаях медленно, в других побыстрее. Что же происходит со звездами по мере выгорания в них водорода, из какого источника они вновь черпают энергию?

Прежде чем ответить на этот вопрос, следует обратить внимание на термоядерные реакции с легкими элементами — литием, бериллием и бором. Их особенность состоит в том, что и литий, и бериллий, и бор «выгорают» в процессе реакций. Мы видели, что в С – N – О-цикле ядра углерода «возобновляются». Они служат здесь как бы катализаторами реакции. Легкие же элементы вместе с водородом, сгорая в термоядерном котле звезды, быстро исчезают, превращаясь в гелий. Кстати, именно поэтому легких элементов (исключая водород и гелий) в звездах и на Солнце крайне мало.

Когда основное топливо звезды — водород — выгорает, источником энергии становится так называемый тройной альфа-процесс. Эта термоядерная реакция идет при температуре около ста миллионов градусов. Сначала две α-частицы при столкновении на короткое время образуют неустойчивый изотоп бериллия-8. Он, конечно, может распасться вновь на два ядра гелия-4. Но в том случае, если за какой-то очень короткий промежуток времени он успеет столкнуться еще с одной α-частицей. Получится стабильный изотоп углерода-12, и выделится большое количество энергии. Таким образом, в этой реакции сгорает уже не водород, а гелий.

В обычных звездах «главной последовательности» температура недостаточна для «запуска» тройного α-процесса, но в некоторых специальных случаях именно этот механизм может быть основным источником энергии. Об этих случаях мы поговорим позже, а сейчас зададимся естественным вопросом: откуда в нашем мире появились химические элементы?

О том, как во Вселенной образовались водород и гелий, мы уже говорили. Этот вопрос решается легко и непринужденно в рамках модели Большого Взрыва. Но как объяснить огромное обилие элементов в менделеевской таблице? Почему, к примеру, в космосе очень мало лития, бериллия и бора? Почему существует так называемый железный пик? (Обилие элементов группы железа.) Вопросов немало, и решение их сильно зависит от того, какие температуры достигаются в недрах звезды.

Прежде всего возникает идея о последовательном построении тяжелых элементов из более легких путем присоединения нейтрона к ядру легкого элемента. Такой механизм называется S-процессом. Но откуда берутся нейтроны?

Если в звезде достигнута температура порядка 100 миллионов градусов, в ней начинает идти важная реакция:

13C + 4He → 16O + n.

Эта реакция важна именно потому, что она генерирует нейтроны, которые впоследствии «утяжеляют» ядра легких элементов. Если достигнута температура около 1 миллиарда градусов, нейтроны появляются в результате взаимодействия ядер углерода-12:

12С + 12C → 23Mg + n.

Существуют и другие реакции с образованием нейтронов. Но нам сейчас важно не столько перечисление этих реакций, сколько понимание самой возможности образования тяжелых элементов как путем последовательного присоединения нейтронов, так и путем термоядерных реакций между элементами:

12C + 12C → 23Na + 1H;

16O + 16O → 32S + γ;

12C + 12C → 20Ne + 4He;

20Ne + 20Ne → 24Mg + 16O.

Во всех этих реакциях выделяется энергия. Но образование более тяжелых элементов, чем железо, в процессе термоядерного синтеза затруднено. Это объясняется тем, что ядро железа-56 обладает очень большой энергией связи. Чтобы из этих ядер получить более тяжелые, нужно затратить больше энергии, чем ее освободится в термоядерной реакции синтеза. Поэтому синтез элементов, более тяжелых, чем железо, невозможен в равновесных звездах.

Проблему синтеза элементов нельзя считать решенной до конца прежде всего потому, что нам неизвестно точно, насколько высокими могут быть температуры в недрах звезд. Некоторые особенности в распространенности элементов в космосе сейчас можно объяснить. «Недостача» лития, бериллия и бора вызвана их быстрым выгоранием в термоядерных реакциях. Обилие элементов группы железа («железный пик») связано с повышенной устойчивостью ядер этих элементов и т. д.

Но в мире звезд есть и исключения, причем отнюдь не единичные, и они не укладываются в рамки простых схем, о которых мы сейчас говорили. Проблема образования элементов сложна. Сейчас не видно непреодолимых трудностей на пути ее решения. Тем не менее сам путь решения не будет коротким. Дело здесь, собственно говоря, не в самих ядерных реакциях, а в построении моделей звезд с температурами внутри до 10 миллиардов градусов. Это очень и очень нелегкая задача.

Солнечные нейтрино

Ядерные реакции могут идти не только в недрах Солнца, где высокие температуры обеспечивают их течение. Они могут происходить и в атмосфере Солнца, за счет ускорения заряженных частиц до высоких энергий. Но об этом мы поговорим позже. Сейчас же отметим один принципиальный факт, который, скажем прямо, уже долгое время не дает покоя астрофизикам. Дело в том, что в термоядерных реакциях, о которых мы говорили, образуются (кроме всего прочего) нейтрино — элементарные частицы, представители микромира с удивительными свойствами.

Сегодня нейтрино — одна из самых «модных» элементарных частиц. Именно нейтрино, как мы помним, могут определить судьбу нашего мира. Но роль их в астрофизике этим не ограничивается. И сейчас нам нужно будет поговорить о трех тесно связанных между собой областях человеческой деятельности — гениальном теоретическом предвидении, внутреннем строении Солнца и… бытовой химии.

В начале 20-х годов нынешнего столетия в легендарный институт Н. Бора в Копенгагене приехал склонный к полноте молодой человек — В. Паули. В здании института царила сугубо неофициальная обстановка. Жена Бора угощала студентов бутербродами, они играли днем в пинг-понг, по институту сновали сыновья Бора. Бор страшно любил ковбойские фильмы и часто ходил со студентами в кино. Днем времени на работу у учеников Н. Бора оставалось немного, и работали они главным образом по ночам.

Это была счастливая эра физики, когда основы современной науки закладывали совсем молодые люди в возрасте между двадцатью и тридцатью годами. Сам Бор на семинарах никого не критиковал, но его студентов нельзя было назвать застенчивыми людьми. Вот в такую обстановку окунулся сын венского профессора биологии В. Паули.

О Паули ходит много легенд и анекдотов. Свой отнюдь не ангельский характер он проявил еще в Мюнхенском университете, где Эйнштейн читал лекцию по теории относительности. После лекции 18-летний Паули поднял руку и, когда ему предоставили слово, глубокомысленно заявил: «А знаете, то, что рассказывал вам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо…»

Да, этот молодой человек был лишен чувства ложной скромности. У него был острый и злой язык. Но единственное, что его оправдывало, абсолютная научная честность и требовательность по самым высоким меркам к своим научным работам.

О характере Паули свидетельствует такой, например, случай. На одной научной конференции молодого ученого представили известному физику П. Эренфесту из Лейденского университета. Как обычно, Паули начал беседу с очередной грубости. «Ваши научные работы нравятся мне намного больше, чем вы сами», — сказал ему обиженный Эренфест. Что-что, а за словом в карман Паули не лез никогда. «Странно, — ответил он, — а мне как раз наоборот». Эренфест с Паули впоследствии подружились, но совсем неудивительно, что многие называли его молодым человеком, вселяющим ужас.

Самому Бору Паули кричал: «Замолчите! Не стройте из себя дурака…» — «Но, Паули, послушайте…» — робко возражал Бор. «Нет, нет. Это чушь. Не буду больше слушать ни слова». И все же, несмотря на подобного рода выходки, Паули пользовался непререкаемым авторитетом в среде физиков-теоретиков.

К экспериментаторам он относился с пренебрежением, иногда просто не замечал их. Он панически боялся всякого, даже сравнительно простого технического устройства. И нужно сказать, что приборы тоже боялись Паули. В его присутствии они просто отказывались работать. Это явление получило название «эффекта Паули».

Однажды в Геттингенском университете взорвалась по неизвестной причине вакуумная установка. Причину взрыва перестали искать, когда выяснилось, что перед самым взрывом на Геттингенский вокзал прибыл поезд, в котором находился Паули…

Несколько молодых итальянцев-физиков решили подшутить над ним. Они подвесили к потолку люстру, присоединив ее к входной двери системой блоков таким образом, чтобы, когда Паули откроет дверь в помещение, люстра с грохотом обрушилась. Но «эффект Паули» был, по-видимому, неким общим явлением природы. Ученый спокойно вошел в комнату, а устройство итальянских физиков не сработало: люстра не упала. Паули весело сообщил им, что они прекрасно продемонстрировали известный эффект.

Работая в Копенгагене, Паули открыл одно из самых важных правил квантовой механики, знаменитый «принцип запрета», за который получил Нобелевскую премию по физике. О значении этого принципа говорит тот факт, что, используя его, Паули сумел вывести все химические свойства элементов. Этот принцип в силу его универсальности имеет огромное значение и для астрофизики. Нам будет удобно сформулировать этот принцип для электронов: не может быть двух электронов, расположенных в достаточно малом объеме и движущихся абсолютно одинаково.

Немногим даже выдающимся физикам удается «на кончике пера» открывать новые законы природы. Паули был именно таким человеком. Принцип Паули является одним из краеугольных камней современной физики.

Но Паули знаменит еще и тем, что предсказал существование нейтрино, быть может, одной из самых удивительных элементарных частиц. Сделано это было в 1931 году, и лишь через 25 лет удалось в лабораторном эксперименте подтвердить реальность существования таинственных частиц.

Нейтрино — частица с замечательными свойствами, а в последние годы, как мы знаем, интерес к ней вспыхнул с новой силой. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом. Ясное дело, что самое важное здесь слово «почти», поскольку, если бы нейтрино совсем не взаимодействовали с веществом, их вовсе нельзя было бы обнаружить.

Солнце для этих частиц не препятствие. Родившись, они мгновенно покидают Солнце, и, сосчитав поток солнечных нейтрино, можно было бы оценить, какие ядерные реакции и с какой эффективностью происходят в недрах нашего светила. Ведь нейтрино образуются и в протон-протонном, и в углерод – азот – кислородном цикле.

Согласно теоретическим расчетам число солнечных нейтрино, попадающих на Землю, огромно. Каждую секунду один квадратный сантиметр земной поверхности бомбардирует сто миллиардов нейтрино. Но это даже не бомбардировка, нейтрино просто пронизывают Землю насквозь и уходят в космическое пространство.

Физики стали думать, как поймать нейтрино. В 1946 году академик Б. Понтекорво предложил идею нейтринной ловушки. Вкратце она состоит в следующем. Солнечное нейтрино с очень малой, но все-таки конечной вероятностью может провзаимодействовать с устойчивым изотопом хлора, хлором-37, в результате чего получится радиоактивный изотоп аргона, аргон-37, и электрон. Радиоактивный аргон можно было бы определить чувствительным радиохимическим методом.

За решение этой задачи взялся известный американский физик-экспериментатор Р. Дэвис из Брукхэйвенской национальной лаборатории. Мне не хочется использовать банальную журналистскую фразу: «Перед ученым возникли значительные трудности». Она попросту ничего не отражает. И в самом деле, уникальная установка Дэвиса — своеобразный рекорд современной экспериментальной физики.

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с атомом хлора-37 ничтожно мала, ясно. То, что поэтому детектор нейтрино должен содержать много хлора, тоже ясно. Но как много? Трудно себе представить, но Дэвис и его сотрудники наполнили емкость объемом с 25-метровый плавательный бассейн жидкостью для химической чистки одежды — четыреххлористым углеродом, содержащим хлор-37.

Казалось, вопрос с детектором нейтрино решен. И все-таки оставалось преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что космические лучи, попадая в этот детектор, тоже приводили к появлению аргона-37. От них надо было избавиться, и огромный детектор Дэвиса поместили в старой шахте, пробитой в скале на глубине полутора километров под землей.

Невероятная чувствительность этой установки позволяла выуживать из емкости в 400 кубометров буквально считанные атомы аргона-37. Ведь его период полураспада 35 дней, и поэтому накапливать его можно было только до определенного предела. Дальше уже шла процедура химчистки, но не одежды, а аргона-37, который затем и предъявлялся как доказательство существования солнечных нейтрино.

И физики стали ждать результатов. Детектор Дэвиса имел хороший запас чувствительности по отношению к потоку солнечных нейтрино, даже для «минимальной модели» термоядерных процессов в недрах Солнца. Казалось, вот-вот появятся первые результаты. Но в течение многих лет гигантская установка Дэвиса не могла обнаружить солнечные нейтрино. Правда, в самое последнее время Дэвису удалось поймать таинственные частицы. Но все равно их число было намного меньше, чем предсказывали теоретические расчеты.

В чем же дело? Были тщательно перепроверены все теоретические оценки, вновь откалибрована установка, результаты оставались прежними.

В фундаменте физики Солнца возникла первая опасная трещина. Более того, как считают некоторые астрофизики, сейчас зарождается кризис доверия к основополагающим теориям строения и эволюции звезд. Отрицательный результат опытов Дэвиса поставил под угрозу казавшиеся до сих пор неуязвимыми теоретические построения. Этот результат требовал объяснения, и, конечно, теоретики взялись за работу.

Один крупный ученый, советский физик, сказал, что все физики делятся на три категории: теоретики, экспериментаторы и интерпретаторы, то есть люди, которые могут и умеют лишь интерпретировать результаты чужих экспериментов на основании чужих теорий. В случае с детектором Дэвиса огромная армия теоретиков превратилась в интерпретаторов.

Еще бы, кому приятно, когда рубят сук, на котором сидишь. А Дэвис подрубил сук, на котором сидело немало крупных астрофизиков. Понятно, что все они предпринимали попытки исправить ситуацию, которая стала, скажем прямо, угрожающей.

Для решения проблемы нейтрино привлекались самые неожиданные идеи. Некоторые были вызваны отчаянием и беспомощностью.

Приведем лишь один пример. В «Астрофизическом журнале» в 1975 году появилась статья, в которой высказывается предположение, что в центре Солнца находится небольшая черная дыра с массой, примерно равной массе Земли, и радиусом несколько сантиметров. Такая черная дыра сумела бы обеспечить около половины наблюдаемой светимости Солнца. Остальное — за счет протон-протонного цикла. В этом случае Дэвис не смог бы «выудить» из своего бассейна с жидкостью для химчистки необходимого количества нейтрино.

Известный астрофизик В. Фаулер предположил, что скорость ядерных реакций в центре Солнца временно уменьшилась. Значит, уменьшился и поток нейтрино, и именно эту ситуацию мы видим сейчас. Но наружные слои Солнца еще «не знают» того, что произошло в центре. Ведь излучению энергии нужно десяток миллионов лет, чтобы достигнуть наружных слоев нашей звезды. Вскоре все должно прийти в норму, примерно через десять миллионов лет поверхности Солнца достигнет «неполноценный» поток фотонов, рожденный в период спада термоядерной активности солнечного ядра. Светимость Солнца несколько уменьшится, на Земле наступит ледниковый период.

На самом деле все эти цифры не очень точные, но, конечно, очень интересен тот факт, что периоды оледенения Земли совпадают с вариациями светимости, теоретически рассчитанными на основе идеи Фаулера. Тем не менее окончательных подтверждений этой идеи нет.

В общем, недостатка в гипотезах нет. Более того, некоторые теоретики готовы были отказаться от общей теории относительности, чтобы объяснить отрицательные результаты Дэвиса. Цена, как мы видим, немалая. Однако отказ от общей теории относительности повлек бы за собой и другие следствия, которые можно было бы наблюдать. В частности, Солнце должно было быть сплюснутым. Проверки, проведенные на новых телескопах, не подтвердили этого. Общая теория относительности Эйнштейна осталась непоколебимой, а результаты Дэвиса необъясненными.

Как пишет специалист по физике Солнца Р. Нойс из Гарварда, «никакого решения проблемы солнечных нейтрино не видно». А один из ведущих современных астрофизиков, А. Камерон, прямо говорит, что именно проблема нейтрино служит предостережением о необходимости соблюдать осторожность, утверждая, что мы уже разобрались в природе недр Солнца и других звезд.

Сравнительные размеры Солнца, Земли и белого карлика.

Но гипотезы гипотезами, а Солнце упрямо светит каждый день в течение многих миллиардов лет, светит, давая жизнь Земле, светит, определяя климат планет и само их существование. И в общем-то у нас нет сейчас никаких сомнений в том, что желтый карлик питается энергией термоядерного синтеза. Его вкусы постоянны, и он не балует себя разнообразием в пище. Вопрос в том, на какое время хватит ему этой пищи. Ведь в мире нет ничего вечного, и когда-нибудь он начнет испытывать водородный голод, ведь водород-то все время превращается в гелий. Что же тогда случится с нашей звездой?

Модели звезд

Перед тем как мы начнем разбираться в этом на редкость интересном вопросе, полезно познакомиться с моделями звезд. Модель звезды в принципе должна описывать температуру, давление, плотность, химический состав, состояние вещества в любой точке звезды.

Мы не можем наблюдать «внутренности» звезды, и поэтому только расчеты, основанные на использовании известных физических законов, позволяют понять «поведение» звезды, ее физику. Мы никогда не узнаем, с какой степенью приближения соответствует модель истинной структуре космического объекта — звезды. Но сопоставление моделей с данными астрономических наблюдений помогает произвести соответствующие отбраковки.

Сегодня для построения моделей используются мощные ЭВМ; работа эта сложная и кропотливая, хотя в основе ее лежит использование простых физических законов, о которых мы уже говорили. Не будем останавливаться на технике счета моделей, перейдем сразу к наиболее интересному и важному вопросу об устройстве звезд различной массы и светимости. Это будет, собственно говоря, «сухой остаток» огромной работы, начатой еще в 1921 году Эддингтоном.

Итак, верхняя часть главной последовательности.

Там, как мы помним, расположены горячие массивные звезды. Возьмем, к примеру, звезду с массой в 10 солнечных масс и светимостью в 3 тысячи раз больше, чем у Солнца. Расчеты дают следующие характеристики ее структуры.

В центре такой звезды находится конвективное ядро, радиус которого занимает примерно 0,2 от полного радиуса звезды. Причина появления конвективного ядра очевидна: лучистый перенос уже не справляется с откачкой энергии из центральных районов звезды, и поэтому должен включиться механизм конвекции. В центре звезды температура около 27 миллионов градусов, а плотность в 26 раз больше средней. В звезде 90 процентов водорода, 9 — гелия и 1 процент остальных элементов. Согласитесь, что такая звезда устроена достаточно просто, основной источник ее энергии С – N – О-цикл.

Посмотрим теперь, что представляют собой звезды, расположенные на нижней части главной последовательности. Они, разумеется, сильно отличаются от случая, который мы только что рассмотрели. Во-первых, у этих звезд (и в том числе у нашего Солнца) нет конвективного ядра, во-вторых, основной источник энергии — протон-протонный цикл. И наконец, в этих звездах есть внешняя конвективная зона, в которой содержится примерно 10 процентов всей массы звезды, если масса этой звезды составляет 60 процентов от массы Солнца. Конвективная зона образуется из-за повышенной непрозрачности слоя, начинающегося на расстоянии 0,65 от полного радиуса звезды и продолжается почти до поверхности.

Яркая звезда в Трапеции.

В центре звезды плотность выше средней в 20 раз, а температура, естественно, ниже, чем у более массивной звезды, — всего 8,9 миллиона градусов. Химические элементы в этой модели равномерно распределены по всей звезде.

При построении моделей Солнца была учтена неравномерность распределения водорода по радиусу, и тогда получилось, что температура в центре Солнца составляет 14,6 миллиона градусов, а плотность — 134 г/см^3.

Итак, все наши модели заметно отличаются друг от друга. Каждая звезда имеет свою структуру — например ядро, или внешнюю конвективную зону. И выражение Эддингтона: «Нет ничего проще, чем звезда», — кажется уже не столь очевидным. А ведь мы пока рассмотрели лишь самые простые модели звезд. Сложности дальше будут расти, как снежный ком.

Рассмотрим, к примеру, модель звезды-гиганта, радиус которой в 21 раз больше радиуса Солнца. Пусть масса гиганта равна 1,3 массы Солнца, а светимость больше в 226 раз. При расчетах структуры такой звезды выяснилась удивительная вещь.

В центре звезды водорода нет, он весь выгорел. Там находится маленькое ядро, состоящее почти целиком из гелия. Радиус его — всего лишь одна тысячная полного радиуса звезды. Поскольку водорода там уже нет, термоядерные реакции в ядре не идут, а температура ядра (40 миллионов градусов) постоянна. Поэтому ядро называется изотермическим. Однако даже 40 миллионов градусов недостаточны, чтобы «зажечь» тройной α-процесс, и источников энергии в ядре нет.

Вокруг ядра расположена тонкая оболочка, в которой идут реакции С – N – О-цикла. Толщина оболочки — чуть меньше радиуса ядра. Далее идет слой, в котором энергия переносится излучением. Толщина его составляет примерно одну пятую радиуса звезды. А далее идут наружные слои гиганта, охваченные бурной конвекцией. Они содержат около 70 процентов массы всей звезды.

Но тогда мы приходим к удивительному выводу. Небольшое ядро гиганта весит почти одну третью его часть. И его плотность составляет 3,5 · 10^5 г/см^3. Другими словами, чайная ложка вещества ядра весит около тонны. Возникает резонный вопрос. Неужели вещество ядра красного гиганта тоже можно считать газом?

Ответ на поставленный вопрос однозначен: «Да». Но газ этот особенный, и, чтобы объяснить все его свойства, мы должны будем поговорить о том, как устроены белые карлики — широко распространенный тип звезд в нашей Галактике. Каковы их основные свойства?

Светимость их очень мала: иногда в тысячи раз меньше солнечной. В то же время масса их примерно равна массе Солнца. Но при солнечной массе эти звезды имеют размеры, сравнимые с размерами планеты.

Сразу же возникает вопрос о температуре внутри такой звезды. Если мы попробуем оценить ее по формуле T = 14(M · R)/(M · R) миллионов градусов, то получим совершенно несуразный и противоречивый результат. Температура получится равной сотням миллионов градусов. Это, в свою очередь, означает что должны идти высокотемпературные реакции, в частности, тройной α-процесс. Крохотные звезды должны выделять огромное количество энергии и светить, как маяки на ночном небе. Но на самом деле их светимость очень мала. В чем здесь дело?

До сих пор во всех «звездных» оценках мы пользовались лишь законом Клайперона и законом всемирного тяготения. Последний исключений не знает. Тогда остается сделать вывод о том, что вещество белого карлика не идеальный газ, и закон Клайперона здесь не работает. Но что же это такое? Быть может, вещество белых карликов жидкость или твердое тело?

Нет. Плотность жидкости или твердого тела не может превышать 20 г/см^3. При этой плотности атомы вещества уже предельно тесно расположены друг к другу. Расстояние между ними порядка 10–8 сантиметра. Но плотность белого карлика больше тонны в кубическом сантиметре. Это означает, что внутри белого карлика нет атомов! Там есть очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов.

Итак, вещество белого карлика — газ, но газ чудовищной плотности. Поведение его никак нельзя описать в рамках законов школьной физики. Здесь уже нужна квантовая механика. Она, и только она, в состоянии объяснить свойства белых карликов.

Великий физик Паули знаменит не только тем, что он предсказал существование нейтрино. Он также ввел в квантовую механику основополагающий принцип, названный его именем — принцип Паули, который запрещает находиться на одной и той же квантовой орбите в атоме более чем двум электронам. Принцип этот универсален, его смело можно назвать законом природы, исключений он не знает.

Но при чем здесь атомы? Ведь спрессованное до немыслимых плотностей вещество белого карлика не содержит атомов. Там есть лишь ядра атомов и электроны. Оказывается, что электронный газ в белом карлике является чисто квантовой системой, и, говоря другими словами, словами квантовой механики, каждый электрон в газе может занимать строго определенное состояние. Но число состояний ограничено, конечно. Более того, число электронов в каком-либо объеме белого карлика больше числа разрешенных состояний.

Тогда, поскольку принцип Паули нарушать нельзя, электроны, находящиеся в одном и том же объеме, должны отличаться друг от друга, должны обладать различными скоростями. Чем больше электронов в одном состоянии, тем больше отличаются их скорости. Электронов много, и все они движутся с разными скоростями в силу принципа Паули. В обычном газе изменение температуры влияет на скорости частиц. В нашем же, электронном газе, где работает принцип Паули, нагревание или охлаждение практически не повлияет на скорости электронов.

Подобный газ называется вырожденным электронным газом. В принципе его можно охладить до абсолютного нуля, а движение электронов все равно будет продолжаться. Поэтому и давление вырожденного газа мало зависит от температуры частиц и определяется лишь плотностью.

Интересно, что в недрах обычных звезд газ не вырожден. «Критическая» плотность вырождения для «нормальной» звезды с температурой в центре около 10 миллионов градусов должна быть больше 1000 г/см^3. Как мы знаем, такие плотности там не достигаются. Белые карлики, эти удивительные звезды, обладают еще некоторыми необычными свойствами. Во-первых, их масса тем больше, чем меньше радиус. Во-вторых, существует некоторое предельное значение массы, при котором давление вырожденного газа уже не может сопротивляться воздействию гравитации. Теория показывает, что белых карликов с массой больше чем 1,43 М в природе существовать не может.

Мы забыли сказать несколько слов о причинах светимости белых карликов. Это отнюдь не праздный вопрос. Ведь водорода в них нет, он весь сгорел, а другие реакции в центре карлика, как мы видели, не идут. Но светимость-то, хоть и небольшая, есть. В чем здесь дело?

Во-первых, ядерные реакции могут идти в «атмосфере» белого карлика. Водород из межзвездной среды может попадать на его поверхность и служить затем ядерным горючим в тонком приповерхностном слое звезды. Во-вторых, белый карлик сам по себе имеет огромные запасы тепловой энергии. Время его охлаждения — сотни миллионов лет.

Белые карлики — одно из самых удивительных творений природы. Но, кроме всего прочего, они играют существенную роль в проблемах звездной эволюции. К этому вопросу мы вернемся несколько позже, а сейчас посмотрим снова на изотермическое ядро красного гиганта. Теперь нетрудно видеть, что оно имеет все свойства белого карлика! Но такая сложная структура звезды не может не вызвать следующего вопроса: каким образом в центре гиганта мог образоваться белый карлик — звезда с удивительными свойствами?

Для ответа на поставленный вопрос, хотя на первый взгляд это может показаться и непоследовательным, посмотрим, что будет с нашим Солнцем через миллиарды лет. Ведь и Солнце начнет когда-нибудь стареть. Как это будет происходить?

Для начала вернемся к протон-протонному циклу. Мы уже говорили о том, что водород в центральных частях Солнца потихоньку выгорает. Сегодняшние оценки говорят, что водородной пищи Солнцу хватит еще на несколько миллиардов лет. В течение всего этого огромного промежутка времени в центре Солнца водород постепенно превращается в гелий.

Планетарная туманность NGC 6781.

Планетарная туманность в Лире.

Гелий — нечто вроде золы в огромной ядерной топке Солнца. Только если из обычной печки золу можно убрать, то гелий накапливается, и таким образом у Солнца образуется гелиевое ядро. Процессы слияния ядер водорода в гелий, изменение химического состава приводят в конце концов к тому, что облегчается выход квантов света — фотонов к поверхности звезды, и поэтому светимость Солнца постепенно увеличивается.

Ядерные реакции по протон-протонному механизму уже не смогут идти в ядре, состоящем из гелия, а будут происходить лишь вокруг ядра, как бы в его оболочке. Гелий, образующийся в оболочке, добавляется к ядру, и его масса увеличивается.

Ядро, естественно, начинает сжиматься. Но сжимается оно очень медленно, и энергия сжатия поэтому не успевает выходить из него наружу. И все-таки температура ядра очень медленно повышается. Почему?

И раньше во время нормальной своей работы в центре Солнца плотности газа были велики: более 100 граммов в одном кубическом сантиметре. Газ, который потяжелее воды в сотню с лишним раз! А в процессе сжатия гелиевого ядра этот газ потихоньку начинает вырождаться. Свойства ядра становятся близкими к свойствам металлов. Ну а это означает, что ядро очень хорошо проводит тепло, то есть имеет высокую теплопроводность. Именно поэтому, хоть ядро и сжимается, температура его повышается очень медленно, за счет высокой теплопроводности оно успевает отдать «излишки» тепла наружу.

Итак, ядерные реакции в процессе старения Солнца пойдут вокруг ядра. Но из-за его вырожденности, из-за его высокой теплопроводности энергия здесь не запасается, она «накачивается» в оболочку, и наступит время, когда оболочка «разбухнет» от избытка энергии. В ней разовьются очень бурные конвективные процессы, гораздо более мощные, чем в сегодняшнем Солнце. Этот процесс займет немного времени, какие-нибудь миллионы лет.

Нет, не беспокойтесь, ведь мы помним, что все эти катаклизмы начнутся скорее всего через несколько миллиардов лет, так что пока развитию нашей цивилизации со стороны термоядерных реакций на Солнце прямой угрозы нет. Ну а загадывать, что будет с человечеством даже через тысячу лет, даже при спокойном Солнце, дело гораздо более сложное, чем прогнозировать поведение светила через пару миллиардов лет. Ведь поведение человечества нельзя описать точными физическими законами.

Итак, Солнце вновь раздуется, закипит, да так, что здесь уже и от планет земной группы вряд ли что-нибудь останется, кроме оплавленных камней. Светимость Солнца возрастает при этом чудовищном кипении в тысячу с лишним раз, да еще вдобавок к этому оно станет очень большим. Короче говоря, наш желтый карлик станет красным гигантом.

Размеры этого гиганта огромны. Солнце может «раздуться» до орбит Меркурия или даже Земли. А затем красный гигант сбросит с себя все, кроме того, что находится у него в центре. Это очень интересный процесс, до конца не понятый современной астрофизикой. Почему звезда «хочет» избавиться от лишней массы? Почему она с колоссальной энергией выбрасывает часть своего «тела» в пространство?

Эти процессы связаны с нарушением равновесия. Только за один год Солнце может потерять одну миллионную часть своего веса. Гигант начнет худеть. И за какие-нибудь десять-сто тысяч лет от него останется лишь центральная часть — ядро, о котором мы уже говорили. Гигант как бы сбросит все, что оказалось ненужным ему на этой стадии эволюции.

Звездная материя образует около оставшегося ядра так называемую планетарную туманность, которая постепенно исчезнет, рассеется в космическое пространство. Этот своеобразный звездный стриптиз приведет к тому, что рано или поздно на месте Солнца останется только его гелиевое ядро — белый карлик.

Мы уже говорили о свойствах ядра, которое представляет собой вырожденный газ. Возможно, дальнейшая судьба белого карлика определяется его массой и температурой. В случае нашего Солнца есть вариант, при котором белый карлик будет просто остывать в течение миллионов лет и превратится в «черный карлик» — холодную маленькую звезду размером с земной шар, которую из какой-нибудь другой планетной системы и наблюдать-то невозможно.

И белый и черный карлик полностью оправдывает свое название: это действительно карликовые звезды. Мы помним, что спутник одной из ярчайших звезд, Сириуса, — белый карлик. Диаметр его всего-навсего 4200 километров, меньше, чем диаметр Земли. Называется он Сириус В. А пример эволюции Солнца, который мы сейчас (в сильно упрощенном виде) рассмотрели, приводит нас к более общей проблеме — проблеме эволюции звезд вообще.

Эволюция звезд

Мы уже рассмотрели достаточно подробно протозвездный этап эволюции. После фрагментации часть облака сжимается в протозвезду, и, когда включаются протон-протонные реакции (или C – N – О-цикл), протозвезда становится звездой, поскольку именно тогда гравитация и газовое давление в точности уравновешивают друг друга. Звезда «прописывается» на главной последовательности, но «место прописки» зависит от массы звезды. Звезды большой массы располагаются вверху диаграммы Герцшпрунга — Рессела, маломассивные звезды — в ее нижней части.

По сравнению с временем протозвездной стадии период пребывания на главной последовательности велик. Звезды медленно меняют свои характеристики, находясь на главной последовательности, но все таки меняют. Запасы ядерного горючего в них ограниченны. Кроме того, наблюдаются смены тепловых режимов. Так что изменения со звездами происходят. Наша задача — посмотреть, как они идут у звезд различной массы.

Перетекание вещества в двойной системе с образованием аккреционного диска.

Оценки показывают, что у звезды с массой в одну четвертую часть массы Солнца водород будет гореть в протон-протонном цикле около 70 миллиардов лет. Это означает, что даже самые старые из звезд малой массы за время существования Вселенной не успели выжечь свой водород и уйти с главной последовательности. Поэтому многие астрофизики считают вопрос об эволюции таких звезд малоинтересным и тривиальным.

Действительно, все изменения в звезде сводятся к тому, что немного увеличивается ее яркость, слегка уменьшается температура (за счет изменения радиуса). Вот, собственно говоря, и все. Структура звезды очень долгое время остается без изменений. Более того, в звездах с массой меньше 0,08 М термоядерные реакции вообще не зажигаются, так как температура в их недрах оказывается недостаточной для этого. Такие звезды сразу переходят в состояние вырожденных красных карликов.

Теперь о жизненном пути более массивных звезд. Возьмем, к примеру, звезду с массой, равной пяти солнечным. Как мы уже знаем, такие звезды всегда имеют конвективное ядро. В нем водород сгорает достаточно быстро — всего за 64 миллиона лет. После сгорания водорода, по мере затухания протон-протонного цикла звезда начинает сжиматься. Эта стадия занимает еще меньше времени — около двух миллионов лет.

Но по мере сжатия звезды увеличивается как температура ядра, так и температура прилегающих к нему областей. В ядре водород уже выгорел, оно состоит из гелия, а в околоядерном районе водорода вполне достаточно. И вот по прошествии двух миллионов лет загорается в термоядерных реакциях водород в тонком слое около ядра. Теперь внутренняя часть звезды имеет гелиевое изотермическое ядро, окруженное слоевым источником термоядерных реакций.

Пока это немного напоминает структуру центральных частей красного гиганта, внутри которого также находится изотермическое ядро. По мере горения водорода в околоядерной области сходство звезды с красным гигантом становится все больше и больше. Оценки показывают, что сжатие звезды должно смениться расширением, и внешние слои звезды становятся конвективными. Звезда переходит в стадию красного гиганта.

Весь этот процесс, начиная с момента возгорания водорода в околоядерной области и кончая стадией красного гиганта, занимает немногим более двух с половиной миллионов лет. Мы видим, что массивная звезда ведет очень бурную, богатую событиями жизнь. За ничтожный по космологическим масштабам срок (менее 70 миллионов лет) она успевает полностью изменить свой облик. Но это еще не все.

Фаза красного гиганта — финишная прямая для более легких звезд. Мы разбирали уже пример с Солнцем. Наша более массивная звезда будет продолжать свою жизнь дальше. Расчеты показывают, что после фазы красного гиганта снова начинается сжатие. Температура в центре звезды повышается, и когда она достигнет ста миллионов градусов, включается тройной α-процесс — синтез углерода из гелия. Мы видим в этот момент (еще через 6 миллионов лет) на небе яркую горячую звезду.

Далее история повторяется. Гелий выгорает в ядре, образуя углеродную центральную часть с гелиевой околоядерной областью — слоевым источником термоядерных реакций. Потом звезда снова расширяется, переходя в стадию сверхгиганта. Этот процесс занимает около десяти миллионов лет.

Таким образом, достаточно массивные звезды довольно быстро уходят с главной последовательности, образуя семейство гигантов. Красные гиганты, в свою очередь, превращаются со временем в карликовые звезды, о которых мы уже говорили. Эта общая тенденция хорошо согласуется с различными наблюдательными данными. Но тем не менее следует иметь в виду, что мы сейчас рассматривали эволюционный путь одиночной звезды.

Может возникнуть вопрос об эволюции звезд с массой большей, чем пять масс Солнца. Попробуем хотя бы качественно ответить на последний вопрос. Вспомним, что чем больше масса звезды, тем больше температура в ее центральных частях. Поэтому вполне возможны варианты, при которых образуется не только гелиевое ядро. В последующих циклах термоядерных реакций могут получиться углеродно-кислородный, магниевый, а быть может, и железный белый карлик.

Что касается эволюции звезд в двойных системах, то здесь, безусловно, есть свои интересные особенности.

Еще в 1951 году советские ученые заметили одно весьма необычное явление. В тесных двойных системах компонент с большей светимостью обладал заметно меньшей массой. Этот парадокс получил название «парадокса Алголя», мы уже упоминали об этой знаменитой звезде. Действительно, астрономы столкнулись здесь с необычной ситуацией. Массивный компаньон двойной системы вел себя «нормально», то есть находился на главной последовательности, а менее массивная звезда почему-то явно приближалась по своей светимости к «субгигантам».

Объяснение этого факта оказалось нетривиальным.

Предположим, что звезда высокой светимости когда-то задолго до настоящего времени обладала большей массой и превратилась в красного гиганта с раздувшейся оболочкой. Оболочка, естественно, слабо связана со звездой. В этом случае второй компаньон пары начинает перетягивать на себя вещество гиганта, и в конце концов масса его становится больше массы гиганта. Звезда в этом случае начинает эволюционировать быстрее, она тоже превращается в гиганта, а тогда сосед, в свою очередь, перетянет часть массы на себя и т. д.

Попеременный обмен массой хорошо объясняет тот факт, что подавляющее большинство взрывающихся и вспыхивающих звезд принадлежит к двойным системам. Процесс перекачки массы объясняет и «парадокс Алголя», поскольку светимость ставшей менее массивной компоненты системы почти не изменяется во время перекачки. А почему, собственно, в двойных системах должны наблюдаться вспышки?

Иногда маленькое пятнышко на фотопластинке задает столько загадок, что на решение их уходят многие и многие годы. Примерно пятьдесят лет назад были на небе обнаружены объекты особого класса, спектры которых указывали на присутствие красного гиганта радиусом в 200 раз больше солнечного внутри горячего газового облака. Гигант сам не сумел бы столь сильно нагреть облако, и поэтому предполагалось, что внутри облака гигант имеет горячий невидимый спутник. Кроме того, некоторые особенности излучения этих объектов лучше всего объясняются наличием маленького горячего спутника, расположенного вплотную к своему гигантскому соседу. Такие пары получили название симбиотических звезд.

Ясно, что именно в симбиотических парах процессы приливного перетекания вещества будут особенно эффективны. Но каким образом перетекание инициирует вспышку?

Существует две модели этого явления. Согласно одной из них вокруг горячего спутника вследствие перетекания образуется аккреционный диск. Вещество гиганта не может попасть непосредственно на поверхность спутника из-за высокой скорости их взаимного обращения. В процессе своего формирования диск разогревается примерно до 100 тысяч K и становится мощным источником излучения. Это излучение и выбрасывает из симбиотической системы большие количества вещества.

Другая модель также связана с переносом вещества от красного гиганта к партнеру. Но если в дисковой модели в принципе неважно, какая звезда является партнером (главную роль играет диск), то в новой модели компаньоном гиганта должен быть белый карлик. Вещество гиганта, перетекая на карлик, накапливается на его поверхности. Но это вещество — водород! Он образует оболочку, которая постепенно разогревается излучением карлика. В конце концов температура в оболочке поднимается настолько, что в ней начинаются термоядерные реакции — происходит вспышка. При этом выбрасываются значительные массы вещества — до одной десятитысячной массы Солнца.

Существование подобных вспышек не вызывает никаких сомнений. Они хорошо известны астрономам, наблюдавшим двойные системы. На месте очень слабой звездочки вдруг появляется яркая звезда, светимость которой в десятки и сотни тысяч раз превышает светимость Солнца. Через некоторое время, исчисляемое обычно месяцами, ее светимость уменьшается, и она становится видной на небе как карликовая звезда низкой светимости. Такие звезды получили название «новых». Ежегодно у нас в Галактике вспыхивает несколько десятков новых звезд. Зажигаются новые и в других галактиках.

Мы видим, что эволюция звезд в двойных системах может проходить весьма причудливым образом. Сюрпризы двойных систем бывают иногда особенно неожиданны. Возьмем, например, так называемые звезды-бегуны. Это горячие яркие звезды спектрального класса О. Нормальные звезды этого класса имеют сравнительно небольшие скорости движения по отношению к другим звездам — около 10 км/сек. Но есть звезды этого же класса — бегуны, которые двигаются со скоростями, в десять раз большими! Вдобавок они всегда одиночны. Почему?

Представим себе двойную систему, в которой компаньоны вращаются вокруг общего центра масс, подчиняясь закону всемирного тяготения. В принципе такая система очень устойчива. Но если более тяжелый компонент по какой-либо причине взорвется и заметная часть массы в результате взрыва быстро покинет двойную систему, устойчивость нарушится, и второй компаньон, как камень, выброшенный из пращи, улетит из системы. Именно подобный механизм и вызывает появление на небе звезд-бегунов.

Отвлечемся от двойных систем и обратим внимание на еще один необычный тип звезд: «бурые карлики». Значение их велико в первую очередь для проблемы космологии. Бурые карлики — это субзвезды, газообразные тела с размерами в несколько раз больше Юпитера. При их гравитационном сжатии выделяется тепловая энергия, которая производит достаточное количество тепла для их довольно тусклого свечения, но которой явно не хватает, чтобы вспыхнули термоядерные реакции. Ясно, что время свечения таких объектов по космологическим меркам невелико — миллионы лет, и астрономам крупно повезло, когда сравнительно недавно такая субзвезда была обнаружена в 28 световых годах от Солнца.

Значение же этих объектов для космологии состоит в том, что бурые карлики наряду с нейтрино и черными дырами могут быть компонентами «скрытой» массы Вселенной. В принципе, пространство между звездами может быть заполнено бесчисленными бурыми карликами, которые просто-напросто довольно быстро «умирают» — перестают светить и становятся недоступными для наблюдений.

Мы сейчас довольно бегло обсудили эволюцию звезд различной массы, остановившись, естественно, на наиболее общих закономерностях. Это обсуждение никоим образом не исчерпывает всего разнообразия явлений, происходящих в мире звезд. А некоторые из этих явлений были известны людям тысячи лет тому назад.

Взрывающиеся звезды

В 1915 году центральное бюро астрономических сообщений получило телеграмму следующего содержания: «Звезда раздувается и лопается». Телеграмма была направлена в связи с очередной вспышкой новой. Мы помним, что при вспышке светимость новой в сотни тысяч раз может превышать светимость Солнца. А может ли звезда светить так же, как миллиарды Солнц?

На первый взгляд подобный вопрос кажется абсурдным. И тем не менее во Вселенной происходят поражающие воображение человека явления поистине циклопических масштабов, когда одна звезда вдруг становится почти столь же яркой, как гигантская, содержащая сотни миллиардов звезд галактика.

В 1885 году в астрономической обсерватории в Тарту была обнаружена новая звездочка. Располагалась она поблизости от центра туманности Андромеды и имела блеск примерно 6,5 звездной величины. А это значит, что, обладая хорошим зрением, ее можно было наблюдать и без оптических инструментов. Поскольку сама туманность Андромеды имеет блеск 4,4m, сразу становится ясно, что в этом случае блеск отдельной звезды лишь в четыре с небольшим раза слабее блеска гигантской галактики, превышающей по своим размерам нашу.

Однако в то время мало что было известно о структуре галактик и расстоянии до них. Поэтому открытию 1885 года не было придано никакого значения. А ведь знай тартуские астрономы о том, что туманность Андромеды находится от нас на расстоянии свыше 2 миллионов световых лет и содержит сотни миллиардов звезд, они, бесспорно, смогли бы оценить всю грандиозность открытого ими явления, когда одна-единственная звезда светила ярче многих миллиардов звезд.

В 1895 году в NGC 5253 вспыхнула звезда, блеск которой превышал блеск всей галактики в 100 раз! Конечно, NGC 5253 гораздо меньше туманности Андромеды, но тем не менее и в ней есть несколько миллиардов звезд. В 1972 году в NGC 5253 снова зарегистрировали чудовищный взрыв. За последние 90 лет астрономы наблюдали около 100 подобных катаклизмов. Для того чтобы отличить эти вспышки от вспышек обычных новых, в 1934 году американские астрономы Ф. Цвикки и В. Бааде предложили называть новый класс объектов «сверхновыми».

Нельзя, конечно же, говорить о том, что лишь в первой половине XX века люди смогли оценить грандиозный масштаб этого явления. В записях китайских и японских астрономов мы находим описание неожиданно появившейся на небе звезды — «звезды-гостьи». Она вспыхнула в 1054 году и была много ярче Венеры. За последнюю тысячу лет в нашей Галактике наблюдалось пять сверхновых: в 1006, 1054, 1572, 1604, 1667 годах. Остальные вспышки происходили в других галактиках.

Изучая зависимость блеска сверхновых от времени, астрономы установили, что существует два типа «кривых блеска» у сверхновых. В первом случае имеется ярко выраженный и достаточно продолжительный максимум блеска (до месяца), после которого блеск звезды линейно спадает. Во втором случае максимумы блеска выражены гораздо хуже, а спад блеска существенно круче.

Выделение двух групп кривых блеска и исследование спектров при вспышках позволило подразделить сверхновые на два типа — сверхновые I типа и сверхновые II типа. Очень скоро выяснилось весьма интересное и довольно загадочное обстоятельство. Оказалось, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, в то время как в спиралях возгораются сверхновые как II, так и I типов. Этот наблюдательный факт чрезвычайной важности сразу позволил связать теорию звездной эволюции с характеристиками сверхновых.

Дело в том, что в эллиптических галактиках нет массивных звезд. Звездное население этих галактик составляют главным образом звезды, масса которых близка к массе Солнца. Там (в эллиптических галактиках) рождение звезд давно прекратилось, и основную часть населения составляют очень старые, маломассивные звезды.

Остатки взрыва сверхновой в Крабовидной туманности.

Естественно, что миллиарды лет тому назад и в эллиптических галактиках были массивные звезды. Но они давно прошли или стадию красных гигантов, или еще один интересный этап, о котором речь пойдет ниже. В любом случае ясно, что сверхновые I типа до взрыва представляют собой старые звезды малой массы, порядка массы Солнца или чуть больше.

Но ведь когда мы обсуждали судьбу Солнца, мы видели, что никакие взрывы ему не грозят. Стадия красного гиганта, планетарная туманность, белый карлик — вот стандартный путь звездной эволюции.

Астрономам-наблюдателям хорошо известен факт образования планетарных туманностей. В нашей Галактике ежегодно образуется несколько таких объектов, и, следовательно, ровно такое же число звезд с массой, примерно равной солнечной, заканчивают свой путь на главной последовательности, превращаясь в белые карлики.

Однако примерно один раз в 50–100 лет происходит вспышка сверхновой I типа. Важно, что взрывается звезда с массой, примерно равной массе Солнца. Значит, в одном из ста случаев мы имеем отклонение от стандартного пути звездной эволюции. Сотня звезд «идет в ногу» по главной последовательности к закономерному концу, а одна уходит с проторенной дороги и идет своим путем. Почему?

Гипотез здесь, естественно, немало, но «хорошего» ответа на этот интригующий вопрос нет. Мы поговорим о некоторых моделях взрывов сверхновых I типа. Но, перед тем как перейти к описанию природных процессов, приводящих звезду к драматическому финишу, остановимся вкратце на некоторых сравнительных характеристиках вспышек сверхновых I и II типа.

При взрывах звезд выбрасывается огромное количество вещества. При вспышках новых оно достигает 10–4–10–5 массы Солнца. А при взрыве сверхновой II типа масса выброшенного газа превосходит массу Солнца. Образуется огромная оболочка, туманность, существующая десятки тысяч лет. Но если во время взрыва выбрасывается столь большая масса, то это неопровержимо свидетельствует о том, что взорвалась достаточно массивная звезда. Вывод этот подкрепляется оценками, согласно которым при взрыве сверхновой I типа образуется оболочка с массой «всего» в 0,1 массы Солнца.

Итак, в случае сверхновых I и II типов мы имеем дело с грандиозными взрывами. Каков механизм этих взрывов и в чем их причина? Это очень трудный вопрос, и мы начнем его обсуждение со сверхновых II типа. Здесь ясности больше, хотя, конечно, и в этом случае понятие ясностей весьма относительно, поскольку природа не очень-то прислушивается к расчетам теоретиков.

В предыдущем разделе мы утверждали, что судьба звезды, вообще говоря, определяется ее массой. Мы подчеркивали, что у массивных звезд ядро может претерпевать ряд превращений, когда идет последовательная смена циклов термоядерных реакций — протон-протонный, C – N – О, тройной α-процесс. Когда в ядре истощается гелий, начинается горение углерода с образованием более тяжелых элементов.

Во всей этой цепочке событий могут возникнуть некоторые неустойчивые состояния ядра звезды, которые «столкнут» ее с обычного эволюционного пути и превратят в сверхновую II типа. Хорошо известно, например, что скорость генерации энергии в термоядерных реакциях очень чувствительна к температуре. Повышение температуры повышает давление в ядре, а это, в свою очередь, приводит к расширению и охлаждению ядра, и такая обратная связь поддерживает постоянный уровень температуры.

Остатки взрыва сверхновой в NGC 6992.

Но если этот механизм обратной связи хорошо работает в протон-протонном цикле, то в реакциях с участием углерода температурная зависимость для выхода энергии гораздо более сильная, чем в протон-протонном цикле. При некоторых условиях процесс горения углерода в центре красного гиганта может принять катастрофический характер и полностью взорвать звезду. В этом, кстати говоря, и состоит некоторая трудность модели: звезда должна взорваться без остатка, а наблюдения показывают, что взрывы некоторых сверхновых оставляют после себя в качестве остатков очень интересные объекты — нейтронные звезды.

Можно представить себе и несколько иной ход событий. Горение углерода проходит без катастрофы. Но тем не менее ядро звезды очень горячее, и в нем будет образовываться множество нейтрино. Чрезвычайно слабо взаимодействуя с веществом, они могут уносить большое количество энергии. Интересно, что этот процесс называется URCA-процессом (по-русски читается УРКА). Читатели, знакомые со слэнгом, оценят точность термина, поскольку нейтрино уносят энергию незаметно, «тайком». (Автор термина знаменитый физик Гамов говорил, что в Рио-де-Жанейро есть казино URCA, где игроки незаметно теряют деньги. Звезды также незаметно теряют энергию в процессе испускания нейтрино).

Гибель гипотетической планетной системы, когда центральная звезда вспыхивает как сверхновая.

Теряя постепенно энергию, ядро звезды все больше сжимается и нагревается. Наконец оно вступает в стадию катастрофического сжатия — коллапса. В конце этой стадии происходит всплеск нейтринного излучения высокой энергии. Оболочка взрывается, а ядро коллапсирует в нейтронную звезду или черную дыру.

Рассмотрим эти процессы несколько подробнее, с привлечением некоторых других идей. Пусть мы имеем достаточно массивную звезду с массой больше десяти солнечных масс. Температура в центре такой звезды — несколько миллиардов градусов, гелия и водорода там уже нет. Такая звезда очень быстро эволюционирует, образуя в центре железное ядро.

Она имеет к этому моменту времени достаточно сложную структуру. Железное ядро окружено углеродно-кислородной «мантией», содержащей потенциальное ядерное горючее, легкие элементы. Самые внешние слои звезды представляют собой смесь водорода и гелия. Мы уже говорили о ядре, в котором идет горение углерода. В железном ядре ядерное горючее исчерпано, тем не менее звезда огромными темпами теряет энергию за счет УРКА-процесса. В то же время происходит увеличение температуры ядра за счет его сжатия.

Можно представить себе, к чему приводит рано или поздно рост температуры ядра. Ядра железа при некоторой критической температуре начнут разваливаться на нейтроны и ядра гелия-4. Это очень важный момент, так как начиная именно с него рост температуры прекращается, поскольку большая часть энергии идет на диссоциацию ядер железа. Дополнительно к этому огромная энергия уносится нейтрино.

Все это приводит к тому, что ядро теряет упругость, начинает катастрофически сжиматься, причем время этого сжатия очень мало меньше секунды. Естественно, оболочка начинает падать на ядро. Плотность и температура ее при этом резко возрастают, и в результате она взрывается, как чудовищная термоядерная бомба. Таким образом, мы видим здесь сочетание двух процессов — гравитационного коллапса ядра и термоядерного взрыва оболочки. Первый процесс обеспечивает энергией нейтрино и процессы диссоциации ядер, второй, собственно говоря, — прямое следствие первого.

В какой мере приведенную выше картину взрыва сверхновой II типа можно считать обоснованной? Полной теории этого явления не существует. Не совсем ясно, как происходит коллапс ядра. Многие расчеты говорят, что коллапс приводит к появлению черной дыры, в то время как наблюдательные данные свидетельствуют о том, что остатком взрыва сверхновой II типа является нейтронная звезда. Мы также не говорили о роли вращения, которое в принципе может прекратить на определенном этапе сжатие ядра.

Остатки взрыва в созвездии Лисички.

Но если в изучении процессов сверхновых II типа определенный прогресс налицо, то со сверхновыми I типа дело обстоит гораздо хуже. Мы уже говорили, что сверхновая I типа возникает в результате взрыва обычной звезды с массой, близкой к массе солнца. Что мешает ей превратиться в белый карлик?

Здесь нет единой точки зрения. Существует гипотеза, согласно которой взрыв сверхновой I типа связан с эволюцией звезды, находящейся в тесной двойной системе, с перекачкой материала на белый карлик. Механизм перекачки таков, что масса белого карлика постепенно увеличивается, переходя некоторый предел (предел Чандрасекара), после чего он начинает коллапсировать и сбрасывать оболочку.

Подчеркнем еще раз, что законченной теории, полностью объясняющей путь эволюции звезд, вспыхивающих, как сверхновые, нет. Поэтому проблема сверхновых — одна из узловых проблем современной астрофизики. Она тесно связана с пульсарами, черными дырами, космическими лучами и нуклеосинтезом.

Что же остается после чудовищных взрывов звезд? Прежде всего сброшенные при вспышке внешние слои звезды, разлетающиеся со скоростью около 10 тысяч км/сек. Именно по этому признаку (большая скорость) остатки от вспышек сверхновых отличаются от других туманностей, например планетарных, расширяющихся со скоростью порядка десятков километров в секунду.

Из-за огромной мощности взрыва оболочка при разлете сгребает межзвездный газ, и общая картина остатков взрыва получается довольно сложной. Ведь масса выметенного при взрыве межзвездного газа достигает 8 тысяч солнечных масс. Несмотря на масштабы процесса, мы можем наблюдать его ограниченное время.

Непосредственно после взрыва в течение сотен лет можно видеть так называемые оптические остатки сверхновой. В течение десятков тысяч лет можно будет исследовать послевзрывные процессы, изучая рентгеновское и радиоизлучение остатков вспышек сверхновых. Однако через сотни тысяч лет и это станет невозможным. Астрономам останутся для наблюдения лишь пульсары, радиоизлучение которых будет последним свидетелем происшедшей катастрофы.

Сюрпризы гравитации

Большой экваториальный телескоп Пулковской обсерватории (конец XIX века).

Нейтронные звезды

В астрофизике, как, впрочем, и в любой другой отрасли науки, наиболее интересны эволюционные проблемы, проблемы, связанные с извечными вопросами «что было?» и «что будет?».

Что случится со звездной массой, примерно равной массе нашего Солнца, мы уже знаем. Такая звезда, пройдя через стадию красного гиганта, станет белым карликом. Белые карлики на диаграмме Герцшпрунга — Рессела лежат в стороне от главной последовательности.

Белые карлики — конец эволюции звезд солнечной массы. Они являются своеобразным эволюционным тупиком. Медленное и спокойное угасание — конец пути всех звезд с массой, меньше солнечной.

А что можно сказать о более массивных звездах? Мы увидели, что их жизнь полна бурными событиями. Но возникает естественный вопрос о том, чем же заканчиваются чудовищные катаклизмы, наблюдаемые в виде вспышек сверхновых?

В 1054 году на небе вспыхнула звезда-гостья. Она была видна на небе даже днем и погасла лишь через несколько месяцев. Сегодня мы видим остатки этой звездной катастрофы в виде яркого оптического объекта, обозначенного в каталоге туманностей Месье под номером MI. Это знаменитая Крабовидная туманность — остаток взрыва сверхновой.

В 40-х годах нашего столетия американский астроном В. Бааде начал изучать центральную часть «Краба» для того, чтобы попытаться отыскать в центре туманности звездный остаток от взрыва сверхновой. Кстати говоря, название «краб» этому объекту дал в XIX веке английский астроном лорд Росс. Бааде нашел кандидата на звездный остаток в виде звездочки 17m.

Но астроному не повезло, у него не было подходящей техники для детального исследования, и поэтому он не смог заметить, что звездочка эта мерцает, пульсирует. Будь период этих пульсаций яркости не 0,033 секунды, а, скажем, несколько секунд, Бааде, несомненно, заметил бы это, и тогда честь открытия первого пульсара принадлежала бы не А. Хьюишу и Д. Белл.

Лет за десять до того, как Бааде направил свой телескоп в центр Крабовидной туманности, физики-теоретики начали исследовать состояние вещества при плотностях, превышающих плотность белых карликов (10^6–10^7 г/см^3). Интерес к этому вопросу возник в связи с проблемой конечных стадий эволюции звезд. Интересно, что одним из соавторов этой идеи был все тот же Бааде, который как раз и связал сам факт существования нейтронной звезды с взрывом сверхновой.

Если вещество сжимается до плотностей бóльших, чем плотность белых карликов, начинаются так называемые процессы нейтронизации. Чудовищное давление внутри звезды «вгоняет» электроны в атомные ядра.

В обычных условиях ядро, поглотившее электроны, будет неустойчивым, поскольку оно содержит избыточное количество нейтронов. Однако в компактных звездах это не так. С увеличением плотности звезды электроны вырожденного газа постепенно поглощаются ядрами, и мало-помалу звезда превращается в гигантскую нейтронную каплю. Вырожденный электронный газ сменяется вырожденным нейтронным газом с плотностью 10^14–10^15 г/см^3. Другими словами, плотность нейтронной звезды в миллиарды раз больше плотности белого карлика.

Долгое время эта чудовищная конфигурация звезды считалась игрой ума теоретиков. Понадобилось более тридцати лет, чтобы природа подтвердила это выдающееся предсказание.

В те же 30-е годы было сделано еще одно важное открытие, которое оказало решающее влияние на всю теорию звездной эволюции. Чандрасекар и Л. Ландау установили, что для звезды, исчерпавшей источники ядерной энергии, существует некоторая предельная масса, когда звезда еще сохраняет устойчивость. При этой массе давление вырожденного газа еще в состоянии противостоять силам гравитации. Как следствие у массы вырожденных звезд (белые карлики, нейтронные звезды) существует конечный предел (предел Чандрасекара), превышение которого вызывает катастрофическое сжатие звезды, ее коллапс.

Отметим, что, если масса ядра звезды заключена между 1,2 M и 2,4 M, конечным «продуктом» эволюции такой звезды должна быть нейтронная звезда. При массе ядра менее 1,2 M эволюция приведет в конце концов к рождению белого карлика.

Что же представляет собой нейтронная звезда? Массу ее мы знаем, знаем также, что она состоит в основном из нейтронов, размеры которых также известны. Отсюда легко определить радиус звезды. Он оказывается близким к… 10 километрам!

Сравнительные размеры нейтронной звезды и современного города.

Определить радиус такого объекта действительно несложно, но очень трудно наглядно представить себе, что массу, близкую к массе Солнца, можно разместить в объекте, диаметр которого чуть больше длины Профсоюзной улицы в Москве. Это гигантская ядерная капля, сверхядро элемента, который не укладывается ни в какие периодические системы и имеет неожиданное, своеобразное строение.

Вещество нейтронной звезды обладает свойствами сверхтекучей жидкости! В этот факт на первый взгляд трудно поверить, но это так. Сжатое до чудовищных плотностей вещество напоминает в какой-то мере жидкий гелий. К тому же не следует забывать, что температура нейтронной звезды — порядка миллиарда градусов, а, как мы знаем, сверхтекучесть в земных условиях проявляется лишь при сверхнизких температурах.

Правда, для поведения самой нейтронной звезды температура особой роли не играет, поскольку устойчивость ее определяется давлением вырожденного нейтронного газа — жидкости.

Строение нейтронной звезды во многом напоминает строение планеты. Помимо «мантии», состоящей из вещества с удивительными свойствами сверхпроводящей жидкости, такая звезда имеет тонкую твердую кору толщиной примерно в километр. Предполагается, что кора обладает своеобразной кристаллической структурой. Своеобразной потому, что в отличие от известных нам кристаллов, где строение кристалла зависит от конфигурации электронных оболочек атома, в коре нейтронной звезды атомные ядра лишены электронов. Поэтому они образуют решетку, напоминающую кубические решетки железа, меди, цинка, но, соответственно при неизмеримо более высоких плотностях. Далее идет мантия, о свойствах которой мы уже говорили.

В центре нейтронной звезды плотности достигают 10^15 граммов в кубическом сантиметре. Другими словами, чайная ложка вещества такой звезды весит миллиарды тонн. Предполагается, что в центре нейтронного монстра происходит непрерывное образование всех известных в ядерной физике, а также еще не открытых экзотических элементарных частиц.

Нейтронные звезды довольно быстро остывают. Оценки показывают, что за первые десять — сто тысяч лет температура падает от нескольких миллиардов до сотен миллионов градусов. Нейтронные звезды быстро вращаются, и это приводит к целому ряду очень интересных следствий. Кстати говоря, именно малые размеры звезды позволяют ей при быстром вращении оставаться целой. Будь ее диаметр не 10, а, скажем, 100 километров, она была бы просто разорвана центробежными силами.

Мы уже говорили об интригующей истории открытия пульсаров. Сразу же была высказана мысль, что пульсар — быстро вращающаяся нейтронная звезда, поскольку из всех известных звездных конфигураций лишь она одна могла бы остаться устойчивой, вращаясь с большой скоростью. Именно изучение пульсаров позволило прийти к замечательному выводу о том, что открытые «на кончике пера» теоретиками нейтронные звезды действительно существуют в природе и возникают они в результате вспышек сверхновых. Трудности их обнаружения в оптическом диапазоне очевидны, поскольку из-за малого диаметра большинство нейтронных звезд нельзя увидеть в самые мощные телескопы, хотя, как мы видели, здесь есть и исключения — пульсар в Крабовидной туманности.

Итак, астрономы открыли новый класс объектов — пульсары, быстро вращающиеся нейтронные звезды. Возникает естественный вопрос: что является причиной столь быстрого вращения нейтронной звезды, почему, собственно говоря, она должна крутиться вокруг своей оси с огромной скоростью?

Причина этого явления проста. Мы хорошо знаем, как может увеличить скорость вращения фигурист, когда прижимает руки к телу. При этом он использует закон сохранения момента количества движения. Этот закон не нарушается никогда, и именно он при взрыве сверхновой во много раз увеличивает скорость вращения ее остатка — пульсара.

Действительно, в процессе коллапса звезды ее масса (то, что осталось после взрыва) не меняется, а радиус уменьшается примерно в сто тысяч раз. Но момент количества движения, равный произведению экваториальной скорости вращения на массу и на радиус, остается прежним. Масса не меняется, следовательно, скорость должна увеличиваться в те же сто тысяч раз.

Рассмотрим простой пример. Наше Солнце довольно медленно вращается вокруг собственной оси. Период этого вращения составляет примерно 25 суток. Так вот, если бы Солнце вдруг стало нейтронной звездой, период его вращения уменьшился бы до одной десятитысячной доли секунды.

Второе важное следствие из законов сохранения состоит в том, что нейтронные звезды должны быть очень сильно намагничены. В самом деле, в любом природном процессе мы не можем просто так взять и уничтожить магнитное поле (если оно уже существует). Магнитные силовые линии навсегда связаны с обладающим прекрасной электропроводностью веществом звезды. Величина магнитного потока на поверхности звезды равна произведению величины напряженности магнитного поля на квадрат радиуса звезды. Эта величина строго постоянна. Вот почему при сжатии звезды магнитное поле должно очень сильно увеличиться. Остановимся на этом явлении несколько подробнее, поскольку именно оно обусловливает многие удивительные свойства пульсаров.

На поверхности нашей Земли можно измерить напряженность магнитного поля. Мы получим небольшую величину около одного гаусса. В хорошей физической лаборатории можно получить магнитные поля величиной в миллион гаусс. На поверхности белых карликов напряженность магнитного поля достигает ста миллионов гаусс. Вблизи черных дыр поля еще сильнее — до десяти миллиардов гаусс. Но на поверхности нейтронной звезды природа достигает абсолютного рекорда. Здесь напряженность поля может составлять сотни тысяч миллиардов гаусс. Пустота в литровой банке, содержащей внутри себя такое поле, весила бы около тысячи тонн.

Излучение пульсара.

Столь сильные магнитные поля не могут не повлиять (разумеется, в сочетании с гравитационным полем) на характер взаимодействия нейтронной звезды с окружающим веществом. Ведь мы пока еще не говорили о том, почему пульсары обладают огромной активностью, почему они излучают радиоволны. Да и не только радиоволны. На сегодняшний день астрофизикам хорошо известны рентгеновские пульсары, наблюдающиеся только в двойных системах, гамма-источники с необычными свойствами, так называемые рентгеновские барстеры.

Чтобы представить себе различные механизмы взаимодействия нейтронной звезды с веществом, обратимся к общей теории медленного изменения режимов взаимодействия нейтронных звезд с окружающей средой. Рассмотрим вкратце основные этапы такой эволюции. Нейтронные звезды — остатки вспышек сверхновых — вначале очень быстро вращаются с периодом 10–2–10–3 секунды. При таком быстром вращении звезда испускает радиоволны, электромагнитное излучение, частицы.

Одним из наиболее удивительных свойств пульсаров является чудовищная мощность их излучения, в миллиарды раз превосходящая мощность излучения звездных недр. Так, например, мощность радиоизлучения пульсара в «Крабе» достигает 10^31 эрг/сек, в оптике — 10^34 эрг/сек, что гораздо больше, чем мощность излучения Солнца. Еще больше излучает этот пульсар в рентгеновском и гамма-диапазонах.

Как же устроены эти природные генераторы энергии? Все радиопульсары обладают одним общим свойством, которое и послужило ключом к разгадке механизма их действия. Это свойство заключается в том, что период излучения импульсов не остается постоянным, он медленно увеличивается. Стоит отметить, что и это свойство вращающихся нейтронных звезд было сначала предсказано теоретиками, а затем очень быстро подтверждено экспериментально. Так, в 1969 году было установлено, что период излучения импульсов пульсара в «Крабе» растет на 36 миллиардных долей секунды в день.

Не будем сейчас говорить, каким образом измеряются столь малые промежутки времени. Для нас важен сам факт увеличения периода между импульсами, который, кстати говоря, дает возможность оценивать и возраст пульсаров. Но все-таки почему пульсар излучает импульсы радиоизлучения? Полностью это явление не объяснено в рамках какой-либо законченной теории. Но качественную картину явления можно тем не менее обрисовать.

Все дело в том, что ось вращения нейтронной звезды не совпадает с ее магнитной осью. Из электродинамики хорошо известно, что если вращать в вакууме магнит вокруг оси, которая не совпадает с магнитной, то возникнет электромагнитное излучение как раз на частоте вращения магнита. Одновременно будет тормозиться скорость вращения магнита. Это понятно из общих соображений, поскольку, если бы торможения не происходило, мы имели бы просто-напросто вечный двигатель.

Таким образом, наш передатчик черпает энергию радиоимпульсов из вращения звезды, а магнитное поле ее является как бы приводным ремнем машины.

Реальный процесс намного сложнее, поскольку вращающийся в вакууме магнит лишь частично является аналогом пульсара. Ведь нейтронная звезда вращается отнюдь не в вакууме, она окружена мощной магнитосферой, плазменным облаком, а это хороший проводник, вносящий свои коррективы в нарисованную нами простую и довольно схематичную картину. В результате взаимодействия магнитного поля пульсара с окружающей его магнитосферой и образуются узкие пучки направленного излучения, которое при благоприятном «расположении светил» может наблюдаться в различных участках галактики, в частности на Земле.

Быстрое вращение радиопульсара в начале его жизни вызывает не только радиоизлучение. Значительная часть энергии уносится также релятивистскими частицами.

По мере уменьшения скорости вращения пульсара давление излучения падает. До этого излучение отбрасывало плазму от пульсара. Теперь же окружающее вещество начинает падать на звезду и гасит ее излучение. Этот процесс может быть особенно эффективен, если пульсар входит в двойную систему. В такой системе, особенно если она достаточно тесная, пульсар перетягивает на себя вещество «нормального» компаньона.

Если пульсар молод и полон сил, его радиоизлучение еще в состоянии «пробиться» к наблюдателю. Но старый пульсар уже не в состоянии бороться с аккрецией, и она «тушит» звезду.

По мере замедления вращения пульсара начинают проявляться и другие замечательные процессы. Поскольку гравитационное поле у нейтронной звезды очень мощное, при аккреции вещества выделяется значительное количество энергии в виде рентгеновского излучения. Если в двойной системе нормальный компаньон отдает пульсару заметное количество материи, примерно 10–5–10–6 M в год, нейтронная звезда будет наблюдаться не как радиопульсар, а как рентгеновский пульсар.

Но это еще не все. В некоторых случаях, когда магнитосфера нейтронной звезды находится близко к ее поверхности, вещество начинает там накапливаться, образуя своего рода оболочку звезды. В этой оболочке могут создаться благоприятные условия для прохождения термоядерных реакций, и тогда мы можем увидеть на небе рентгеновский барстер (от английского слова burst — «вспышка»).

Собственно говоря, этот процесс не должен выглядеть для нас неожиданным, мы уже говорили о нем применительно к белым карликам. Однако условия на поверхности белого карлика и нейтронной звезды сильно отличаются, и поэтому рентгеновские барстеры однозначно связываются именно с нейтронными звездами. Термоядерные взрывы наблюдаются нами в виде рентгеновских вспышек и, быть может, гамма-всплесков. И действительно, некоторые гамма-всплески могут быть, по всей видимости, обусловлены термоядерными взрывами на поверхности нейтронных звезд.

Но вернемся к рентгеновским пульсарам. Механизм их излучения, естественно, совершенно иной, нежели у барстеров. Ядерные источники энергии здесь уже не играют никакой роли. Кинетическая энергия самой нейтронной звезды также не может быть согласована с данными наблюдений.

Возьмем для примера рентгеновский источник Центавр Χ-1. Его мощность составляет 10^37 эрг/сек. Стало быть, запаса этой энергии могло бы хватить только на один год. Кроме того, вполне очевидно, что период вращения звезды в этом случае должен был бы увеличиваться. Однако у многих рентгеновских пульсаров в отличие от радиопульсаров период между импульсами со временем уменьшается. Значит, здесь дело не в кинетической энергии вращения. Как же работают рентгеновские пульсары?

Мы помним, что проявляются они в двойных системах. Именно там процессы аккреции особенно эффективны. Скорость падения вещества на нейтронную звезду может достигать одной трети скорости света (100 тысяч километров в секунду). Тогда один грамм вещества выделит энергию 10^20 эрг. А чтобы обеспечить энерговыделение в 10^37 эрг/сек, необходимо, чтобы поток вещества на нейтронную звезду составлял 10^17 граммов в секунду. Это, в общем-то, не очень много, около одной тысячной массы Земли в год.

Поставщиком материала может быть оптический компаньон. С части поверхности его по направлению к нейтронной звезде будет непрерывно течь струя газа. Она и будет снабжать и энергией, и веществом аккреционный диск, образующийся вокруг нейтронной звезды.

Поскольку у нейтронной звезды огромное магнитное поле, газ будет «стекать» по магнитным силовым линиям к полюсам. Именно там, в сравнительно небольших «пятнах» размером порядка всего лишь одного километра, разыгрываются грандиозные по своим масштабам процессы рождения мощнейшего рентгеновского излучения. Излучают рентген релятивистские и обычные электроны, движущиеся в магнитном поле пульсара. Падающий на него газ может и «подпитывать» его вращение. Поэтому-то именно у рентгеновских пульсаров наблюдается в ряде случаев уменьшение периода вращения.

Рентгеновские источники, входящие в двойные системы, — одно из самых замечательных явлений в космосе. Их немного, вероятно, не более сотни в нашей Галактике, но значение их огромно не только с точки зрения звездной эволюции, в частности для понимания взрывов сверхновых I типа. Двойные системы обеспечивают наиболее естественный и эффективный путь перетекания вещества от звезды к звезде, и именно здесь (за счет сравнительно быстрого изменения массы звезд) мы можем столкнуться с различными вариантами «ускоренной» эволюции.

Еще одно интересное соображение. Мы знаем, как трудно, практически невозможно оценить массу одиночной звезды. Но поскольку нейтронные звезды входят в двойные системы, может оказаться, что рано или поздно удастся эмпирически (а это чрезвычайно важно!) определить предельную массу нейтронной звезды, а также получить прямую информацию о ее происхождении.

Черные дыры

В 1783 году Английское королевское общество заслушало парадоксальный доклад Д. Митчелла, священника, — занимавшегося еще и вопросами сейсмологии. Он утверждал, что если бы на месте Солнца находилась звезда такой же плотности, но с радиусом в 500 раз больше, чем у нашего светила, световые лучи не могли бы покинуть поверхность такой звезды.

Митчелл аргументировал свое предположение следующим образом. Если свет представляет собой поток частиц, то эти частицы подвергаются воздействию тяготения точно так же, как и любое другое тело. Хорошо известно, что на поверхности Земли, например, необходимо сообщить телу скорость порядка 11 километров в секунду, и тогда это тело навсегда потеряет связь с Землей, отправившись в бесконечное путешествие в космос.

Такая скорость и называется второй космической скоростью. На Солнце она равна уже 620 километрам в секунду, а на Луне всего 2,4 километра в секунду.

Ясно, что чем больше масса тела и чем меньше его радиус, тем больше скорость убегания. Численное значение скорости света Митчеллу было известно. Ну а тогда нужно было просто определить массу тела, на поверхности которого скорость убегания равна скорости света. Это и было, по сути дела, условием «невылетания» света с поверхности тела.

Напомним, как это делается. Скорость убегания , где G — гравитационная постоянная, M — масса сферического тела, R — его радиус. Приравняв скорость убегания к скорости света, Митчелл нашел массу гипотетической звезды, поверхность которой свет не сможет покинуть. Через тринадцать лет великий французский математик П. Лаплас вновь рассмотрел эту задачу и, естественно, получил результат, аналогичный результату Митчелла.

Однако 200 лет назад подобная задача не могла всерьез заинтересовать кого-либо. Она выглядела тогда просто-напросто математическим курьезом. И тем не менее к этому курьезу пришлось вернуться сто с лишним лет спустя после работ Митчелла и Лапласа. Это произошло в 1916 году, когда немецкий физик К. Шварцшильд нашел некоторые решения уравнений ОТО.

Нам сейчас стоит вспомнить о том, что «самая красивая из всех существующих физических теорий» (ОТО) описывает взаимодействие материи с пространством-временем и что наиболее выпукло возможности этой теории проявляются в сильных полях тяготения.

К. Шварцшильд изучал, в частности, поведение света в сильном поле тяготения, создаваемом сферическим телом (звездой). Он получил удивительный результат, состоящий в том, что, если тело массы M имеет радиус Rg, то при Rg = 2GM/c^2 сила тяготения совпадает с простой формулой, полученной из законов Ньютона. В чем здесь дело?

В принципе законы Ньютона без труда выводятся из ОТО, и поправки ОТО справедливы лишь в сверхсильных гравитационных полях. А здесь поле явно сверхсильное, так как тяготение становится бесконечным, а в то же время вроде бы справедливо выражение, полученное из законов Ньютона.

На самом деле этот парадокс разрешим. Бесконечное значение тяготения в механике Ньютона получается лишь в том случае, если мы сожмем тело в точку. При этом радиус тела будет, естественно, равен нулю. Шварцшильд же получил выражение для некоторого вполне определенного значения радиуса гравитирующего тела, когда тяготение становится бесконечным. Здесь уже, а именно при значении радиуса тела Rg, теряет смысл понятие скорости убегания.

Если бы мы пользовались здесь теорией Ньютона, мы должны были бы предположить, что кванты света должны удалиться на некоторое расстояние от звезды с критическим радиусом Rg, прежде чем они начнут обратное движение к звезде. Но на самом деле это не так. Если тело сжато до шварцшильдовского радиуса, свет, и не только свет, а и любое другое материальное тело не может покинуть это тело, не может выйти за пределы этого гравитационного радиуса.

Чтобы получить более наглядное представление о численном значении радиуса Шварцшильда, отметим, что для Земли он равен всего восьми миллиметрам. Другими словами, если бы удалось сжать Землю до размера чуть больше спичечной головки, Земля превратилась бы в объект, который в наше время принято называть черной дырой.

В окрестностях такого объекта происходят поистине удивительные вещи. Пространство-время настолько искажено чудовищным тяготением, что обычная эвклидова геометрия оказывается здесь несправедливой. Параллельные прямые могут пересекаться, сумма углов треугольника не равна двум прямым, мы переходим в область новой неэвклидовой геометрии. Более того, наблюдая окрестности черной дыры, мы видим, как начинают замедляться все процессы.

В окрестностях такого объекта само время, казалось бы, вечная и неизменная философская и физическая категория, начинает течь по-другому, замедляется. Заметим — и это очень важно, — что течение времени будет изменяться лишь для внешнего наблюдателя. С часами человека, который захотел бы посетить внутренность черной дыры, было бы все в порядке, он за конечное (по его часам) время упал бы в центр этого объекта.

Не будем пока обсуждать реальность такого эксперимента, а поясним явление замедления времени следующим примером. Пусть мы с Земли наблюдаем за экспедицией, приближающейся к черной дыре, и пусть эта экспедиция посылает на Землю сигналы через одинаковые промежутки времени. По мере приближения космического корабля к черной дыре принимающие устройства на Земле отметят, что интервалы времени между сигналами начали увеличиваться. Когда экспедиция достигнет гравитационного радиуса, мы уже не сможем принять последнего сигнала. Именно таким образом для внешнего наблюдателя будет проявляться процесс замедления времени. Ну а из-под шварцшильдовского радиуса не может выйти ничто. Как говорится в детской присказке, «что упало, то пропало». Быть может, поэтому поверхность с радиусом, равным радиусу Шварцшильда, окружающая черную дыру, называется горизонтом событий.

Здесь возникает естественный вопрос. Ну хорошо, нам удалось каким-то образом сжать тело до его гравитационного радиуса. Что будет дальше с этим телом? Ведь силы тяготения стали бесконечными. Это так, и именно тяготение должно привести к непрерывному сжатию вещества в точку, в так называемую сингулярность! Если мы только дошли до гравитационного радиуса, то дальше начинается гравитационный коллапс.

Нет сил, которые могли бы препятствовать этому процессу. Коллапсирующий объект будет сжиматься до бесконечной плотности и бесконечно малых размеров. Таким образом, шварцшильдовская черная дыра — это область пространства, радиус которой равен радиусу Шварцшильда. В ее центре находится сингулярность, где вещество сжато до беспредельных плотностей бесконечными силами тяготения.

Все, о чем мы сейчас говорили, является прямым следствием общей теории относительности. Но все эти результаты получены на бумаге. Поэтому вполне естествен вопрос о том, имеют ли место в природе столь экзотические явления? Ответ на него будет достаточно осторожен: такие объекты в природе должны быть и, более того, должны наблюдаться.

Мы уже говорили о том, что астрофизика сегодня не может обойтись без черных дыр. Они помогают решать массу проблем, связанных с природой квазаров, активностью ядер галактик и т. д. Но это, разумеется, не является прямым доказательством их существования. Когда мы говорим о том, что черные дыры должны существовать в природе, нужно использовать более серьезные аргументы. Такие аргументы дает нам изучение поздних стадий эволюции звезд. Напомним вкратце, что ожидает звезду по мере выгорания в ней термоядерного топлива.

Судьба сравнительно легких звезд с массой не более 1,2 массы Солнца (предел Чандрасекара) предопределена довольно четко. Такие звезды проходят стадию красного гиганта, образования планетарной туманности и затем превращаются в белые карлики, которые, в свою очередь, остывая, переходят в стадию черных карликов.

Мне хотелось бы напомнить сразу одну важную вещь. И белый, и черный карлики представляют собой объекты устойчивой конфигурации. Давление вырожденного электронного газа не зависит от температуры и вполне может противостоять сжимающей звезду силе гравитации.

Попробуем увеличить массу звезды и перейти предел Чандрасекара. Этот предел обычно принимают равным 1,2–1,6 массы Солнца, в зависимости от химического состава звезды.

Судьба таких массивных звезд имеет радикальные отличия от звезд типа Солнца. Они проходят стадию вспышки сверхновой и могут исчезнуть вообще в результате мощного мгновенного термоядерного взрыва.

Но для нас сейчас более важен вопрос образования гравитационно связанного остатка после взрыва. Мы знаем уже, что подобным остатком может быть нейтронная звезда. Катастрофический взрыв сверхновой приводит к появлению нейтронной звезды в том случае, если исходная масса ядра звезды была меньше примерно трех масс Солнца, но, естественно, превышала предел Чандрасекара.

Двойная система с черной дырой. Перетекание вещества от сверхгиганта к черной дыре.

В окрестностях черной дыры луч света может изгибаться и падать обратно на звезду.

Здесь мы сталкиваемся с процессами гибели и рождения звезд. Гибнет гигант и во время своей гибели, проходя этап катастрофического взрыва, порождает, оставляет вместо себя чудовищного карлика — нейтронную звезду с совершенно экзотическими свойствами.

Звезда эта устойчива: силы гравитации огромны, но давление вырожденной нейтронной жидкости еще может уравновесить эти силы. Однако, если масса ядра звезды более трех масс Солнца, силы тяготения выигрывают схватку. Ничто уже не в состоянии противостоять им, гравитационный коллапс здесь неизбежен, и на любой стадии этого коллапса равновесной конфигурации не существует. А это значит, что силы гравитации будут сжимать вещество звезды в состояние с бесконечной плотностью, в точку. Говоря другими словами, некоторые массивные звезды должны в конце своей жизни превратиться в черные дыры.

И нейтронные звезды и черные дыры являются релятивистскими объектами — объектами, в окрестности которых особенно выпукло проявляются следствия из общей теории относительности Эйнштейна.

Рассмотрим некоторые из них. К примеру, как внешний наблюдатель опишет гравитационный коллапс звезды с образованием черной дыры?

Естественно, легче всего наблюдать за изменением светимости звезды. Ясно, что во время коллапса до перехода через шварцшильдовский радиус звезда наблюдаема, и ясно, что число фотонов, которое она испускает, в худшем случае постоянно (или увеличивается). Тем не менее такая звезда погаснет «на глазах у изумленной публики» за доли секунды. «Последний вздох» коллапсирующей звезды очень короток.

Казалось бы, это утверждение противоречит тому, что для далекого неподвижного наблюдателя время достижения звездой гравитационного радиуса бесконечно велико. Ну а если это время бесконечно, то и звезда должна была бы светить бесконечно долго. Но это не так. Яркий пример относительности хода времени для внешнего наблюдателя и наблюдателя, «коллапсирующего» вместе со звездой, — это ход времени при наличии сильного гравитационного поля.

Свет от коллапсирующей звезды будет катастрофически краснеть при стремлении звезды к горизонту событий. Это вызвано как эффектом Доплера, поскольку поверхность коллапсирующей звезды непрерывно удаляется от нас, так и гравитационным покраснением квантов света. Что такое обычный эффект Доплера, мы с вами знаем. Но что такое гравитационное покраснение, или, точнее, гравитационное красное смещение?

Вспомним, что свет сам по себе — следствие различных колебаний в атомах и молекулах, переходов электронов с одного энергетического уровня в атоме на другой. Процессы эти, практически мгновенные в земной практике из-за сверхсильных гравитационных полей, могут показаться внешнему наблюдателю очень медленными. Ведь чем больше промежуток времени между двумя колебаниями, тем больше длина волны и тем меньше частота. Значит, действительно по мере приближения поверхности коллапсирующей звезды к гравитационному радиусу внешней наблюдатель будет видеть звезду, непрерывно изменяющую свой спектр (в сторону все более длинных волн).

Но, кроме того, и интенсивность света также будет падать, так как по часам внешнего наблюдателя промежутки времени между испусканием квантов света также будут увеличиваться, а следовательно, будет уменьшаться интенсивность светового потока. Проделанные оценки показывают, что коллапсирующая звезда с массой в два раза больше массы Солнца практически погаснет для внешнего наблюдателя за 2 · 10–5 секунды. Конечно, до достижения гравитационного радиуса фотоны будут еще выходить из звезды. Но нам от этого не легче. Что толку, если от этой звезды придет, грубо говоря, один квант света в год?

Говоря об эффектах ОТО в сильных гравитационных полях, нельзя не рассказать более подробно, как ведут себя световые лучи в окрестностях черной дыры.

В 1918 году астрономы попытались провести первые эксперименты по проверке общей теории относительности. В этом году произошло полное солнечное затмение, и во время наблюдений за ним удалось заметить отклонение лучей света в поле тяготения Солнца. Эксперимент подтвердил гениальное предсказание Эйнштейна. И хотя в окрестностях Солнца эффект искривления светового луча невелик, он достаточен для прямых наблюдений.

Поле тяготения черной дыры неизмеримо сильнее поля тяготения Солнца, и эффекты ОТО должны проявляться там гораздо заметнее. И действительно, расчеты показали, что свет, проходящий поблизости от черной дыры, будет гравитационно захвачен ею. На расстоянии, равном примерно полутора шварцшильдовским радиусам, существует воображаемая окружность, на которую световой луч будет «навиваться». Если луч проходит от дыры на более близком расстоянии, он будет поглощен ею.

Мы видим, что возможно столь сильное искривление луча света, что фотоны могут двигаться по замкнутой окружности. Отметим, что движение это неустойчиво. При малейшем возмущении квант света улетит с этой орбиты либо в гравитационную могилу, либо снова в космическое пространство.

Ряд дополнительных интересных эффектов возникнет в случае с вращающейся черной дырой. Дело в том, что Шварцшильд получил свое решение для неподвижной черной дыры, а в природе, по всей видимости, этот случай не должен иметь места вообще. Ведь нейтронные звезды вращаются очень быстро, а поскольку и нейтронные звезды, и черные дыры — продукт эволюции массивных звезд, черные дыры также должны иметь собственное вращение.

Вообще говоря, скорость вращения и масса полностью определяют свойства черной дыры. Есть еще, правда, электрический заряд, но все-таки большинство объектов во Вселенной можно считать электрически нейтральными, и поэтому главные параметры черных дыр — масса и вращение. Никакое другое свойство вещества, участвующего в образовании черной дыры, не передается ей «в наследство».

Если, к примеру, нам надо рассказать о Земле, мы должны знать ее форму, размеры, плотность, движение, параметры ее недр, поверхности, атмосферы. Черная дыра в этом смысле намного проще. Зная лишь ее массу и вращение, мы можем описать достаточно строго почти все ее свойства и характеристики. Я специально использовал здесь слово «почти», поскольку проблема сингулярности продолжает и, видимо, еще долгие годы будет продолжать как дамоклов меч висеть над всей современной физикой.

Итак, если черная дыра вращается, мы сталкиваемся с целым рядом новых ситуаций. Основное свойство вращающейся дыры состоит в том, что вокруг нее образуется область пространства-времени с весьма необычными свойствами, называемая эргосферой. Эта область ограничена воображаемой поверхностью, которая называется пределом стационарности. Между горизонтом событий и пределом станционарности ничто не может оставаться в покое, там само пространство-время как бы закручивается вокруг оси вращения черной дыры.

Лучи света, попавшие в эргосферу, даже если они шли по направлению к центру дыры, также будут крутиться там, хотя, впрочем, они могут и покинуть эту область. Космический корабль, залетевший в эргосферу, тоже может покинуть ее, но ничто не может внутри эргосферы быть неподвижным.

Экватор предела стационарности вращающейся черной дыры имеет одинаковый диаметр с горизонтом событий невращающейся черной дыры той же массы. Процесс вращения дыры приводит к одной удивительной возможности, на которую впервые обратил внимание английский физик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 году. Он доказал, что из эргосферы черной дыры можно черпать энергию.

Если какое-то тело попадает в эргосферу и разделяется там на две части таким образом, что одна из них будет двигаться к горизонту событий, а другая в противоположную сторону, то эта вторая часть будет подхвачена гравитационным вихрем эргосферы и выброшена с огромной скоростью из нее. Заметим, что энергия осколка будет превышать первоначальную энергию исходного тела.

Поскольку законы сохранения вещь незыблемая, должна уменьшаться общая энергия дыры. Ясно, что из самой дыры мы ничего извлечь не можем, по определению, а следовательно, энергия черпается из эргосферы за счет уменьшения энергии вращения дыры, замедления вращения.

Оценки показывают, что если бы можно было построить машину, использующую в качестве источника энергии эргосферу черной дыры, то такая машина от момента ее пуска до остановки (прекращения вращения дыры) дала бы количество энергии, равное примерно тридцати процентам первоначальной массы — энергии вращающейся дыры. Это огромная величина, поскольку термоядерные реакции могут превратить в энергию лишь один процент массы вещества.

Таким образом вращающиеся черные дыры могут быть в принципе самыми мощными источниками энергии во Вселенной.

Можно представить себе и такую фантастическую картину. Облучая потоком электромагнитного излучения вращающуюся черную дыру, при определенных условиях мы можем заставить ее работать как гигантский усилитель, который будет выдавать из эргосферы поток гораздо более интенсивный, чем тот, который падал на черную дыру. Это явление названо суперрадиацией.

Если теперь окружить дыру искусственной сферой, то усиленные волны будут отражаться от поверхности сферы, попадать в эргосферу дыры, усиливаться, вновь отражаться и т. д. Если сфера сплошная, то такое устройство будет работать как накопитель энергии, и рано или поздно энергия излучения внутри сферы разорвет ее. Такая — к счастью, чисто умозрительная — конструкция получила название гравитационной бомбы. Мы видим теперь, что слово «эргосфера» (от греческого слова «эргон» — работа) действительно имеет глубокий смысл, из нее (из эргосферы) можно черпать энергию.

Мощнейшим источником энергии может быть и гравитационное поле невращающейся дыры. К примеру, газопылевые облака, падая на черную дыру, друг с другом будут сталкиваться еще до того, как дыра поглотит их. В процессе столкновения они будут нагреваться до очень высоких температур и излучать огромное количество энергии задолго до того, как исчезнут за горизонтом событий. Кстати говоря, именно подобные процессы и лежат в основе возможности наблюдения черных дыр.

Но что же все-таки происходит под горизонтом событий? Человек не был бы человеком, если бы не попытался ответить на этот вопрос.

Таких попыток за последние годы было сделано немало. И, конечно же, все они сталкивались с барьером сингулярности. Заметим, что при обсуждении проблемы сингулярности появился так называемый принцип космической цензуры, согласно которому любая сингулярность всегда образуется только в пределах горизонта событий: голых сингулярностей быть не может. Многие ученые рассматривали вращающиеся черные дыры как своеобразные перемычки между различными Вселенными. Они, эти перемычки, могли бы в принципе дать возможность путешествий в другие миры. Именно таким образом предполагалось осуществить связь с иными цивилизациями.

Более того, высказывались мысли об использовании черных дыр для путешествий во времени. Но в последние годы все чаще и чаще высказываются сомнения по поводу использования дыр как «транспортного» средства.

Полностью надежды по поводу этих фантастических возможностей не исчезли. Они основываются на том, что нет еще окончательной ясности, что же на самом деле происходит внутри вращающейся черной дыры. Пока ясно лишь одно: дыры звездной массы полностью непригодны для любых путешествий чисто по техническим причинам.

Представим себе космический корабль, приближающийся к черной дыре. Пусть все неприятности и опасности путешествия в космосе позади и осталось лишь пересечь горизонт событий. Но и для космонавтов и для корабля эта задача может оказаться неразрешимой. В каком смысле? На космонавтов начнут действовать приливные гравитационные силы. Действие этих сил проявится в том, что силы гравитации различны вверху и внизу корабля. Те участки космического корабля, которые расположены ближе к горизонту событий, подвергнутся большей силе притяжения, чем части корабля, расположенные подальше. Эти приливные силы могут просто-напросто уничтожить, разорвать на части и корабль, и космонавтов в нем.

Заметим, что приливные силы действуют и на космонавта, летящего по околоземной орбите, но в этом случае они ничтожны. А вот если наш корабль будет приближаться к дыре с массой в 10 солнечных масс, то космонавт будет чувствовать себя так, как если бы он повис, уцепившись за перила на мосту, а за ноги его тянет вниз все население большого города.

Но если дыра будет более массивной, то космический корабль может безболезненно пересечь горизонт событий. Так, при встрече с черной дырой в 100 миллионов солнечных масс приливные эффекты практически не будут замечены экипажем. Но это вряд ли спасет их от последующей гибели, поскольку все равно рано или поздно, находясь внутри черной дыры, корабль устремится к сингулярности.

Ситуация здесь не кажется, впрочем, особенно трагичной, поскольку, наверное, скорее физики разберутся до конца с природой сингулярности и выдадут соответствующие рецепты, чем уровень техники позволит реализовать полет к сверхмассивным черным дырам (центр Галактики!). Поэтому исследование черных дыр еще долгое время будет прерогативой теоретической физики.

Но и здесь на листках бумаги рождаются поистине удивительные вещи. Наиболее поразительный эффект в поведении черных дыр был открыт в 1973 году профессором кафедры математики Кембриджского университета С. Хокингом. Эту должность до него занимали такие корифеи науки, как Ньютон и Дирак. Хокинг, один из крупнейших физиков-теоретиков нашего времени, заинтересовался вопросом об эволюции черных дыр.

На первый взгляд подобный вопрос может показаться бессмысленным. Действительно, как может эволюционировать гравитационная могила? Для нее ведь нет вопроса об устойчивости конфигурации. Все исчезает под горизонтом, все черные дыры равной массы и с равным угловым моментом абсолютно одинаковы («черные дыры не имеют волос»). И все они являются вечными поглотителями материи.

Все это так, за исключением одной тонкости. Оказалось, что черные дыры не вечны. Но, чтобы открыть это поразительное свойство черных дыр, вернее, предсказать его, этой задачей должен был заняться великий физик. Здесь, как никогда, уместно выражение Пушкина «…гений, парадоксов друг». Черными дырами занималось много крупных физиков, но самое неожиданное и блестящее открытие оказалось под силу Хокингу, которому в ту пору не было еще 30 лет.

Посмотрим, какое представление сформировалось в физике о черных дырах к началу 70-х годов.

Если черная дыра сформировалась, то никакое материальное тело, никакие сигналы, достигшие горизонта событий, не смогут выйти обратно. Черная дыра — область пространства, подвергшаяся гравитационному самозамыканию, невидима для внешнего наблюдателя. Единственный путь для обнаружения черных дыр — изучение их взаимодействия с окружающей материей. Образовавшаяся дыра должна существовать вечно, она вечно поглощает массу энергии, лишь увеличивая свои размеры и массу. Кстати, именно Хокинг проделал важные работы по изучению процесса слияния черных дыр. Он показал, что площадь горизонта событий при этом может только увеличиваться.

Казалось бы, все говорило о том, что черные дыры — один из самых стабильных объектов во Вселенной. Этот вывод абсолютно верен в рамках классических теорий. Но сделан этот вывод на основании предсказаний ОТО, а ОТО, как мы знаем, классическая физическая теория. Хокинг же исследовал квантовые эффекты поведения частиц вблизи горизонта событий, и именно этот новый подход позволил ему сделать выдающееся открытие.

Пример квантового процесса, имеющего прямое отношение к вопросу, который мы сейчас обсуждаем, хорошо известен. Это так называемый туннельный эффект. Альфа-частица, вылетающая из ядра атома при его радиоактивном распаде, с точки зрения классической теории, не может вылететь из ядра — ее кинетическая энергия меньше потенциальной энергии связи в ядре. Однако частица вылетает, и это противоречие решается именно с помощью законов квантовой механики.

Согласно этим законам частица имеет вполне определенную отличную от нуля вероятность преодолеть потенциальный барьер, пройти как бы сквозь него. Поэтому такие переходы называются туннельными.

Ну а теперь нам осталось разобраться в том, как рождаются частицы вблизи горизонта событий черной дыры. Собственно говоря, «спонтанное» рождение частиц для современной квантовой физики процесс неновый. Например, очень сильное электрическое поле в вакууме может вызвать рождение электрона и позитрона.

Суть открытия Хокинга состоит в том, что чудовищное гравитационное поле черной дыры также рождает частицы и античастицы. Иногда частица и античастица падают обратно в черную дыру, но возможен случай, когда в дыру попадает лишь один партнер, а другой покидает окрестность черной дыры с помощью туннельного эффекта.

Ясно, что для рождения пары должна быть затрачена энергия. Хокинг строго доказал, что весь этот процесс может и должен идти за счет уменьшения массы черной дыры, ее испарения. Ну а если происходит процесс испарения, пусть даже квантового испарения, то можно сказать, что тело имеет некоторую температуру. Хокинг вычислил значение температуры черных дыр, и оказалось, что чем больше масса черной дыры, тем меньше ее температура. Другими словами, чем массивнее дыра, тем меньше темп потери ею массы. Так, черная дыра с массой, равной массе Солнца, будет иметь температуру менее одной миллионной градуса, а испарится она полностью за 10^64 лет! Поразительный вывод!

Согласно классической теории и вещество, и энергия бесконтрольно и необратимо исчезали из нашего мира в бесконечных колодцах гравитационных могил — черных дыр. Квантовая физика описала все процессы с точностью «до наоборот». Наша книга не перегружена формулами, и поэтому давайте посмотрим на простые соотношения, определяющие температуру черных дыр и время их испарения. Итак,

Τ = M/M · 10–7 K

τисп = 10–35 · M^3 лет.

Здесь M, как обычно, масса Солнца, M — масса черной дыры в единицах массы Солнца, а во второй формуле массу черной дыры нужно выражать в граммах.

Уже первый взгляд на эти соотношения вызывает ощущение недоумения. Ведь достаточно горячими могут быть лишь дыры с массой, существенно меньше массы Солнца. Так, чтобы дыра имела температуру всего лишь в 1 К, она должна быть легче Земли. А ведь мы говорили о том, что лишь массивные звезды могут превратиться в черные дыры. В чем же здесь дело?

Значение открытия Хокинга состоит не только в том, что он опроверг устоявшееся представление о вечности черных дыр. Еще до появления в свет работы о квантовом испарении Хокинг показал, что в первые мгновения после Большого Взрыва флуктуации плотности могли привести к чудовищному сжатию сравнительно небольших объемов вещества. Следствием такого процесса должно было быть образование черных мини-дыр.

Подобные давления сейчас нельзя получить ни в одном процессе. Однако в те далекие времена у природы были широкие возможности. Чтобы ощутить грандиозность этих процессов, приведем следующий пример. Первичная черная дыра с массой в миллиард тонн имела бы размер, сравнимый с размером протона, а плотность, до которой должно было бы сжаться вещество, чтобы получить черную дыру, равнялась бы плотности вещества всех галактик наблюдаемой Вселенной, спрессованной в литровую банку! Температура ее составляла бы 100 миллиардов градусов, а мощность излучения — 6000 мегаватт.

Ясно, что чем горячее дыра тем быстрее она теряет массу. Самые маленькие первичные дыры должны были уже давно взорваться, а вот дыра с массой в миллиарды тонн будет испаряться примерно 10 миллиардов лет. Такие дыры должны взрываться в наше время. Конечная стадия испарения — взрыв — высвобождает огромное количество энергии равное взрыву десяти миллионов мегатонных водородных бомб.

Таким образом, если бы и удалось создать искусственно черную дыру для того, чтобы использовать ее как источник энергии, это было бы чрезвычайно опасной затеей. Трудно представить себе, чтобы источник энергии с мощностью, равной мощности нескольких крупных электростанции, имел бы размеры, сравнимые с размером протона! Если черные дыры звездной массы существуют, именно они произведут космический салют гибнущей Вселенной (в случае ее неограниченного расширения) через огромный, недоступный воображению промежуток времени. Их взрывы и ознаменуют собой превращение последних островков материи в излучение.

Идея черных мини-дыр настолько привлекательна, что с ее помощью пытались объяснить даже, казалось бы, такое далекое от релятивистской астрофизики событие, как падение Тунгусского метеорита. В свое время была опубликована работа, где утверждалось, что катаклизм в районе Подкаменной Тунгуски произошел в результате столкновения мини-дыры с Землей! Идея эта, конечно же, чересчур экстравагантна, но она, по всей видимости, все-таки «уступает» идеям связанным с взрывом в атмосфере Земли космического корабля пришельцев.

Все, о чем мы говорили сейчас, относится к области теоретической астрофизики. Но найдены ли черные дыры в природе?

Эти вопросы стоят сегодня с особенной остротой на повестке дня. Ведь черные дыры настолько часто привлекаются для объяснения различных явлений в космосе, что они — настоящий якорь спасения современной астрофизики. Более того, их отсутствие просто выбило бы почву из-под ног всей астрономии. Но как их искать?

Светящееся вещество в окрестностях черной дыры.

Если черная дыра представляет собой одиночный объект, ее практически невозможно заметить. Лишь в том случае, если она работает как гравитационная линза, мы могли бы сделать кое-какие выводы. Но пока, к сожалению, на роль гравитационных линз претендуют лишь массивные галактики.

Наиболее реальный способ обнаружения черных дыр — исследование их взаимодействия с окружающей материей. Понятно, что такое взаимодействие будет наиболее выпукло проявляться в двойных системах.

Вообще говоря, более половины звезд нашей Галактики входят в состав двойных систем. Поэтому вполне реально предположение о существовании двойных систем, содержащих в качестве одного из компаньонов черную дыру. Астрономы поначалу пытались определить наличие черной дыры в двойных системах по особенностям движения видимого компонента, но в результате всегда оказывалось, что второй компонент в системе белый карлик или нейтронная звезда. Поэтому-то наиболее обещающий метод — поиск активности черных дыр, которая проявляется во взаимодействии ее с веществом.

Мы уже говорили об аккреции вещества на нейтронную звезду, на белый карлик, на черную дыру, читатель знает, что это такое. Тем не менее вкратце напомним основные особенности этого процесса.

Пусть в состав двойной системы входит обычная звезда главной последовательности и черная дыра. Она будет перетягивать на себя вещество видимого компонента. Из-за вращения этих звезд вокруг общего центра тяжести это вещество не будет падать на дыру «по прямой», а образует аккреционный диск. На внешнем краю диска температура газа сравнительно невелика, порядка температуры самой звезды. Но по мере приближения частичек газа к горизонту событий температура за счет трения при вращении диска значительно повышается, достигая десятков миллионов градусов. Оценки показывают, что в таком процессе выделяется огромное количество энергии — до 10 процентов от mc^2.

Нагретый до чудовищных температур газ излучает в рентгеновском диапазоне, и поэтому советские ученые Я. Зельдович, И. Новиков, И. Шкловский предложили в 1966–1967 годах искать рентгеновские источники в составе тесных двойных систем. Ясно, что характеристики таких источников должны отличаться от рентгеновского излучения вращающейся нейтронной звезды, входящей в состав двойной системы. Такая звезда, как мы уже знаем, дает узконаправленное рентгеновское излучение прожекторного типа с изменяющимся периодом.

В 1970 году спутник «Ухуру» обнаружил на небе мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. Источник этот получил название Лебедь Χ-1. Мощность его излучения в рентгеновском диапазоне в тысячи раз превосходила полную (по всему диапазону волн) светимость Солнца. В следующем, 1971 году удалось выяснить, что этот источник совпадает с горячим голубым сверхгигантом НДЕ 226868. Но выяснилось, что объект НДЕ 226868 — двойная звезда, а голубой сверхгигант имеет невидимого компаньона. Мы знаем, что именно двойные системы представляют уникальную возможность взвешивания звезд. И вот оказалось, что невидимый компаньон голубого сверхгиганта весит примерно 8–11 солнечных масс. Эта величина существенно превышает предел устойчивости и белых карликов, и нейтронных звезд. Очень важно, что все характеристики излучения Лебедя Χ-1 резко отличаются от рентгеновского излучения пульсаров.

Таким образом, мы имеем на сегодня два существенных аргумента в пользу присутствия в созвездии Лебедя черной дыры.

Первый аргумент состоит в том, что в состав объекта НДЕ 226868 входит невидимый компаньон с массой, превышающей как чандрасекаровский предел, так и предел устойчивости нейтронных звезд.

Второе соображение касается характеристик излучения Лебедя Χ-1. Интересно, что оценки дают значение внутренних размеров диска примерно 200 километров, а сама черная дыра оказывается размером около 30 километров.

Итак, можно с большой степенью вероятности считать, что в источнике Лебедь Χ-1, на расстоянии 8 тысяч световых лет от Солнца, есть черная дыра. Правда, предполагались и другие возможности для объяснения феномена Лебедя Χ-1; например, модель тройной звездной системы, в состав которой входит нейтронная звезда, окруженная аккреционным диском. Однако периодические эффекты, неизбежные для тройной системы, не были замечены.

Кроме Лебедя Χ-1, есть и другие кандидаты в черные дыры. Это рентгеновский источник Циркуль Χ-1, находящийся от нас на расстоянии 25 тысяч световых лет. Это, наконец, знаменитый объект SS 433, на котором следует остановиться несколько подробнее.

Мощный источник радиоизлучения, расположенный вблизи центра остатка взрыва сверхновой, был обнаружен в 1978 году. Источник излучал и в рентгене. Вслед за этим было установлено, что пары спектральных линий на фоне неподвижных линий излучения этого источника перемещаются вправо и влево с периодом 164 дня. Когда были проделаны оценки скорости вещества на основании эффекта Доплера, оказалось, что значение скорости газа огромно, до 50 тысяч км/сек. Некоторые ученые предполагают, что в состав этого объекта также входит черная дыра, компаньоном которой является белый карлик.

Делались предположения о том, что даже наше Солнце входит в состав двойной системы. Компаньоном Солнца может быть нейтронная звезда с массой в 1 M, на расстоянии 800 астрономических единиц, или черная дыра с массой 150 M, на расстоянии 90 тысяч астрономических единиц.

Однако эта модель содержит слишком много косвенных допущений и скорее всего может служить хорошим примером неудержимого стремления ученого выдать желаемое за действительное.

Итак по-видимому, лишь Лебедь Χ-1, Циркуль Χ-1 да, возможно, SS 433 на сегодняшний день — наиболее вероятные кандидаты на присутствие черных дыр.

Солнце

Настольные солнечные часы. Середина XVIII века.

Желтый карлик

Когда мы говорим о звездах, прежде всего у нас возникает ассоциация с ночным небом, усеянным россыпями огней. Гигантские расстояния до звезд, измеряемые тысячами световых лет, завораживают разум человека. Мы уже привыкли ставить рядом со словом «звезды» слово «далекие». А между тем не надо забывать, что самая настоящая звезда находится буквально в «шаге» от нас. Правда, шаг этот астрономический, и равен он все-таки 150 миллионам километров.

Речь, как нетрудно догадаться, идет о нашем Солнце. Нет, наверное, другого небесного светила, которому поэзия уделяла бы столько внимания. А в то же время с точки зрения астрофизика наше Солнце ничем не выделяется среди 10^11 звезд Галактики и примерно 10^20 звезд главной последовательности в доступной наблюдениям Вселенной.

Типичная звезда спектрального типа G2 имеет, пожалуй, лишь одну немаловажную особенность: в планетной системе этой звезды на третьей планете есть жизнь. И возможность существования этой жизни, и закономерность ее развития полностью зависят от Солнца. Вполне естественно, что заинтересованная сторона пытается понять его природу и происходящие на нем явления.

Исследование Солнца обусловлено не только прикладным интересом к нему. Изучая эту звезду, мы открываем тем самым страницу в исследовании самых общих астрофизических процессов. Достаточно вспомнить проблему генерации ядерной энергии в звездах, которая была решена лишь потому, что перед астрономами и физиками стоял вопрос о причине светимости Солнца.

Но следует помнить о том, что основные успехи в исследовании Солнца были достигнуты сравнительно недавно. В течение тысячелетий люди занимались главным образом наблюдениями за положением Солнца на небе, за его движением по небесному своду. Некоторые просвещенные мыслители древности полагали даже, что и Солнце и Луна каждый вечер потухают, а на следующий день их заменяют новые солнца и луны. Считалось также, что Солнце — прозрачный, как стекло, шар, получающий тепло и свет от некоего центрального огня «хестиа» и от огня, находящегося за пределами небесной сферы.

Постепенно в древности сформировалось представление о том, что наше Солнце — «око мира» — небесное тело, состоящее из чистого света и огня. Эта точка зрения была поколеблена в XVII веке, когда телескопы обнаружили пятна на Солнце. Сначала их сравнивали со шлаками, по аналогии с расплавленным металлом, но затем постепенно стали появляться идеи о темном теле Солнца, окруженном океаном огня. Здесь тоже проводилась аналогия, но уже с Землей, окруженной океаном воды. В этой аналогии пятнам отводилась роль гор, возвышающихся над огненным океаном.

Однако более детальное изучение структуры пятен заставило астрономов отказаться от этой мысли. Пятна стали считать дырками в яркой оболочке, через которые можно видеть темную поверхность Солнца.

Поразительно, что великий Гершель в 1795 году предположил, будто Солнце является обителью живых существ. Огненный океан расположен над ними, а плотный слой облаков защищает жителей Солнца от жары. В качестве аргумента против того, что жар может уничтожить жизнь на Солнце, Гершель указывал на понижение температуры в горах на Земле, то есть в областях поверхности, расположенных ближе к Солнцу. Гершель писал: «…оно (Солнце. — Л. М.), весьма вероятно, так же как и остальные планеты, населено живыми существами, органы которых приспособлены к особым условиям этого обширного небесного тела».

Замечательно, что столь наивные, на наш взгляд, представления продержались в умах людей до второй половины XIX века, то есть до тех пор, когда появилось учение об энергии. Это является ярким свидетельством того, насколько физика отставала в те времена от наблюдательной астрономии.

Лишь появление спектрального анализа дало возможность полностью пересмотреть представления о Солнце. Изучение фраунгоферовых линий солнечного спектра продемонстрировало поразительную вещь: эти линии совпадали с эмиссионными линиями многих элементов, присутствующих на Земле. Кирхгоф, измеривший положение фраунгоферовых линий поглощения в спектре Солнца, сделал абсолютно верное предположение о том, что химические элементы, встречающиеся на Земле, есть и в атмосфере Солнца. Таким образом, спектральный анализ предоставил казавшуюся еще недавно совершенно невероятной возможность установить химический состав далеких небесных тел.

Определение положения в открытом море с помощью секстанта (по рисунку 1520 года).

Как не вспомнить здесь еще раз высказывание О. Конта, который говорил о полной невозможности узнать химический состав и температуру звезд.

Естественно, что новые открытия не могли не повлиять на представления об облике Солнца Очень интересно, как «видел» Солнце сам Кирхгоф. Он считал, что это раскаленный шар очень высокой температуры, окруженный более холодной атмосферой, в которой земные элементы присутствуют в газообразном состоянии. Солнечные пятна, по Кирхгофу, — облака в этой атмосфере.

Кирхгоф совершенно правильно говорил о том, что темный цвет пятен свидетельствует об их более низкой температуре. Не все ученые разделяли точку зрения Кирхгофа. Некоторые считали, что на месте солнечных пятен происходит истечение нагретого газа, который разрывает облачный покров.

Кстати говоря, к этому времени накопился огромный наблюдательный материал о солнечных пятнах. Основной вклад в этот материал был сделан, как мы уже говорили, аптекарем из Дессау Швабе. Сначала цель его наблюдений была совершенно иной: он хотел найти малую планету внутри орбиты Меркурия. И хотя никакой новой планеты открыть ему не удалось, имя его навсегда осталось в истории астрономии, поскольку именно он открыл, что количество пятен на Солнце меняется периодически. Как это случилось?

Сравнивая данные своих наблюдений за многие годы, Швабе обнаружил, что в 1828 и 1829 годах не было ни одного дня, когда Солнце было бы абсолютно чистым. И наоборот, в 1833 и 1843 годах в течение половины всех дней наблюдений на Солнце вообще не было пятен. За 1828 год Швабе наблюдал 225 пятен, а в 1833 году лишь 33. За 1837 год Швабе насчитал 333 пятна, а за 1843-й — только 34.

Швабе сделал заключение о том, что максимумы и минимумы повторялись примерно через 10 лет. Результат был проверен по историческим материалам, и вывод Швабе подтвердился. Свои результаты он опубликовал в 1851 году, и в этом же году появилось сообщение о том, что вариации магнитного поля Земли также имеют период в 10 лет, то же самое оказалось справедливым и для полярных сияний. Таким образом, связь процессов, происходящих на Солнце и на Земле, была установлена еще в прошлом столетии.

В эти же годы изучение положения пятен на Солнце и вращения самого Солнца позволило открыть очень интересное явление. Оказалось, что пятно, находящееся у экватора, двигается быстрее, чем пятно, находящееся на широте 45°. Если первое совершало оборот за 25 дней, то второе только за 27,5 дня. Именно таким образом был установлен и период вращения Солнца, и тот факт, что Солнце вращается дифференциально. К тому же это означало, что пятна никак не могут быть районами твердого тела Солнца.

Пятна на Солнце огромны. Некоторые из них превышают размеры земного шара. Они теснятся к экватору, избегая высоких широт Солнца. Пятна нередко располагаются симметрично относительно солнечного экватора. Кроме того, их положение зависит от солнечной активности. Если построить диаграмму зависимости широты пятен от времени, то получаются фигуры, напоминающие бабочек. По имени астронома, изучавшего солнечные пятна, эти фигуры получили название бабочек Д. Маундера.

Для изучения Солнца еще в XIX веке использовали фотографию, с помощью которой удалось установить, что пятна — самые дальние от нас образования, выше пятен расположены факелы. Видимую поверхность Солнца стали называть фотосферой (сферой света).

До середины XIX века было установлено, что фотосфера представляет собой отнюдь не сплошную поверхность. Эта видимая поверхность Солнца напоминает кипящую рисовую кашу. Иными словами, она имеет ячеистую, или гранулированную структуру. Астрономы многократно фотографировали эти структуры и назвали их гранулами.

В начале XX века в Пулковской обсерватории установили, что средняя продолжительность жизни отдельных гранул составляет примерно 5 минут. Затем гранула распадается, и на ее месте появляется новое образование такого же типа.

Великий узбекский астроном Улугбек (1394–1449).

До середины XIX века усилия астрономов были сосредоточены на наблюдениях поверхности Солнца. (Мы, конечно, должны все время помнить при этом, что никакой поверхности в общепринятом смысле этого слова Солнце не имеет.)

В 1842 году произошло событие, которое существенно расширило представления человека о Солнце. Речь идет о полном солнечном затмении, наблюдавшемся на юге Франции и в Северной Италии. За ним последовали затмения 1851 и 1860 годов. Астрономы могли наблюдать лучистый венец Солнца — корону и розовые «облака» — протуберанцы.

Вообще-то говоря, протуберанцы были известны человеку очень давно, упоминания о них мы находим даже в древнерусских летописях. В XVIII веке предполагалось, что протуберанцы — облака, плавающие в атмосфере Луны. Но только в 1851 году астрономы увидели, что протуберанцы генетически связаны с тонкой розовой оболочкой, окружающей Солнце со всех сторон. Эта оболочка была названа хромосферой (сферой цвета).

Естественно, что в наблюдениях сразу же использовали спектроскопию, причем широкому использованию этого метода помогло то обстоятельство, что, оказывается, можно было не ждать солнечного затмения, а просто направить щель спектроскопа на край незатмившегося Солнца. Это дало возможность наблюдать линии протуберанцев и изучать их поведение при полном дневном свете.

И уже в конце XIX века наблюдения протуберанцев стали таким же обычным делом, как и наблюдения солнечных пятен. Заметим, что в России наблюдения за солнечными пятнами были организованы выдающимся русским астрономом Ф. Бредихиным.

Итак, протуберанцы. Они появлялись на всех широтах вплоть до полярных районов Солнца. Особенно много их было в годы максимума пятен в низких широтах. Уже тогда было известно два основных типа протуберанцев: похожие на розовые облака «спокойные» протуберанцы, свободно плавающие над хромосферой, и «эруптивные», поднимающиеся как грандиозные фонтаны огня на колоссальную высоту, где они могли или рассеиваться, или как бы всасываться обратно в пятна.

Протуберанцы могут иметь форму волокон. Бывает, что волокно «выдувается» из Солнца в гигантскую красивую арку. Протуберанец такой формы наблюдался астрономами США, и сотрудники обсерватории дали ему ласковое название «Дедушка».

Самые разнообразные и причудливые формы — главная отличительная особенность протуберанцев.

Один из пионеров в наблюдении протуберанцев, Ж. Жансен, писал: «Я составил карты протуберанцев, которые показывают, с какой скоростью (иногда за несколько минут) эти колоссальные массы газа изменяют свою форму и положение». Поскольку протуберанцы холоднее короны, долгое время считалось, что они как бы продолжение хромосферы. Теперь стало понятным, что некоторые протуберанцы действительно подобны хромосфере, зато другие обнаруживают свойства, промежуточные между хромосферой и короной.

Во время солнечного затмения 1868 года, наблюдавшегося в Индии, ученые изучали спектры протуберанцев. В спектрах были отождествлены красная и зеленая линии водорода, а также желтая линия, которую поначалу приняли за линию натрия. Однако очень скоро выяснилось, что эта линия принадлежит не натрию, а элементу, который тогда еще не был известен на Земле. Этот элемент получил название «гелий» — солнечный.

Солнце. По наблюдениям А. Кирхера и П. Штайнера. 1635 год.

Некоторые протуберанцы тесно связаны еще с одним замечательным явлением на Солнце, открытым в 1859 году. Одним из соавторов этого открытия был астроном-любитель Кэррингтон, который, кстати говоря, обнаружил впервые дифференциальное вращение Солнца. Так вот, наблюдая пятна на Солнце, он вдруг увидел в белом цвете Солнца мгновенное увеличение яркости — вспышку, продолжавшуюся около пяти минут. Сам Кэррингтон полагал, что вспышка вызвана падением большого метеорита на Солнце.

Об этом открытии вспомнили более чем через полвека, когда в руках астрономов была уже более со вершенная техника, с помощью которой обнаружили внезапные извержения на Солнце, сопровождавшиеся вспышками излучения водорода. В 1933 году заметили удивительное совпадение: по мере «затухания» вспышки на Солнце происходило затухание коротковолновой связи на Земле.

Как правило, вспышки можно наблюдать в спектральных линиях водорода или какого-нибудь другого, но достаточно распространенного элемента на Солнце. Так что Кэррингтону, который наблюдал вспышку в белом цвете, в известной мере повезло, поскольку эта вспышка была чрезвычайно яркой.

Сегодня уже хорошо известно, что солнечные вспышки всегда связаны с пятнами. Именно они порождают сильные геомагнитные бури и полярные сияния на Земле, потоки частиц высоких энергий, а также мягкие космические лучи.

Изучение спектральных линий позволило установить ряд замечательных фактов. Оказалось, например, что хромосфера имеет более высокую температуру, чем фотосфера, что солнечные пятна окружены факельными полями и что поверхность Солнца неоднородна, покрыта как бы ячеистой сеткой — гранулами.

И, наконец, в конце XIX века в районах, прилегающих к солнечным пятнам, были найдены замечательные образования, напоминающие спиральные ветви, вихри. Узоры, связывающие два пятна, были очень похожи по рисунку на расположение железных опилок вокруг полюсов магнита. Так было открыто существование сильных магнитных полей на Солнце.

Особенно интересным оказался тот факт, что спиральные структуры вихрей, окружающих два соседних пятна, имели противоположные магнитные поля. Не менее замечательным было и то, что последовательность полярностей пар пятен в северном полушарии была обратной южному. В какой-то мере это напоминало поведение земных циклонов, имеющих противоположные направления вращения к северу и югу от экватора.

В 1912 году после очередного минимума солнечных пятен оказалось, что полярность северного и южного полушарий поменялась, а во время очередного минимума в 1922 году снова произошло изменение полярности.

Так, благодаря выдумке, упорству и терпению астрономов был накоплен огромный наблюдательный материал о Солнце. Не надо думать, однако, что все имеющиеся факты сразу получили правильное объяснение. Фундамент знаний о Солнце и по сей день имеет трещины. Достаточно вспомнить проблему солнечных нейтрино. Не меньше загадок задают и пятна на Солнце. Тем не менее сегодня мы в целом достаточно хорошо представляем себе происходящие на Солнце процессы, и это дает нам возможность перейти сейчас к их более подробному рассмотрению. Поскольку мы уже обсуждали с вами внутреннее строение звезд и в том числе Солнца, сейчас мы ограничимся рассмотрением «внешней стороны дела» — обликом нашего желтого карлика, властелина Солнечной системы.

Чтобы каким-то образом представить себе общие свойства Солнца, посмотрим на схематическое изображение его структуры. Здесь можно увидеть изменение температуры и плотности в зависимости от радиуса нашей звезды, способы переноса излучения, а также «деление» Солнца на различные зоны. Масштаб здесь не выдержан, эта схема дает лишь чисто качественную картину. (См. стр. 196.)

Фотосфера

Фотосферу удобно рассматривать как внешний, поверхностный слой Солнца, видимый в белом цвете. Этому слою можно приписать температуру 6700 K.

Слой этот по сравнению с другими довольно тонкий даже по нашим земным меркам, он простирается примерно на 500 километров, сливаясь, с одной стороны, с зоной конвекции, а с другой — с хромосферой. Поразительной особенностью фотосферы является так называемая грануляция, о которой мы уже упоминали чуть выше. Гранулы — это многоугольники на поверхности фотосферы, пересеченные узкими темными прожилками. Размеры гранул порядка тысячи километров, живут они несколько минут, сменяясь потом другими гранулами. Именно поэтому и возникло довольно удачное сравнение с кипящей рисовой кашей.

Уже чисто интуитивно напрашивается ответ на вопрос о природе подобных образований. Если каша кипит, то мы должны иметь дело с конвекцией.

И действительно, если мы начнем путешествие вместе с квантами излучения из центральных районов Солнца к его поверхности, то сначала ни кванты, ни воображаемый путешественник не будет испытывать заметных трудностей. Температуры там высоки, непрозрачность мала, и кванты без труда «просачиваются», диффундируют к поверхности.

С понижением температуры начинается рекомбинация электронов и ядер атомов в ионы, которые могут уже взаимодействовать с фотонами, в частности, поглощать их. Ясно, что непрозрачность при этом сильно возрастает.

Однако звезда должна «сбрасывать» энергию, выделяющуюся в ее недрах, если бы этого не было, она просто бы взорвалась. И вот здесь в игру вступает другой, уже известный нам механизм переноса энергии — конвекция, когда горячие элементы всплывают и отдают свое избыточное тепло окружающей среде, подогревают ее. Ну а вещество, которое опускается при конвективном перемешивании, холоднее окружающей среды, почему и кажется (при тех температурах, с которыми мы имеем дело) более темным. Поэтому можно считать, что разделяющие гранулы темные полосы — участки поверхности фотосферы.

Конвективная зона на Солнце начинается выше уровня, где значение радиуса достигает 0,85 полного радиуса Солнца. Здесь эффективность конвекции очень велика, она переносит почти весь поток солнечной энергии, хотя сама эта зона содержит всего около двух процентов массы Солнца.

Итак, грануляция фотосферы — типичное конвективное движение. Скорость этого движения около 300 метров в секунду, разница в температурах между светлыми и темными участками примерно 300 K.

В конвективной зоне происходит еще один удивительный процесс, имеющий большое значение не только для фотосферы, но и для хромосферы, и для короны Солнца. Что же это такое?

Еще раз вернемся к явлениям конвекции и грануляции. На первый взгляд может показаться, что и тот, и другой процессы должны быть совершенно хаотическими. Образование каждой ячейки, так же как и в кипящей рисовой каше, должно происходить случайно. Оказалось, однако, что это не так. В 1960 году было обнаружено, что вся поверхность в некоторых участках слоя, расположенного над верхней границей конвективной зоны, поднимается и опускается относительно некоторого среднего положения, смещаясь при этом на высоту примерно 25 километров. Причем горизонтальный размер области, которая поднимается и опускается, достигает 50 тысяч километров!

Долгое время это явление не находило объяснения. В последние годы картина все-таки прояснилась. Оказалось, что Солнце, вернее — его конвективная зона, работает как гигантский орган, генерируя акустические волны. Этот факт имеет огромное значение не только потому, что в руках астрофизиков появился новый метод изучения и фотосферы и конвективной зоны Солнца. «Пятиминутные» колебания переносят энергию в верхние слои атмосферы Солнца, определяя во многом происходящие в них процессы.

В последние годы в Крымской обсерватории под руководством академика А. Северного открыты более длиннопериодные колебания Солнца. Они носят глобальный характер. Здесь уже двигается вся «поверхность» Солнца в целом. Период этих колебаний составляет 160 минут.

Так как колебания охватывают весь раскаленный газовый шар, звезду, они, по всей видимости, также могут немало сказать о структуре недр Солнца. Однако объяснить природу этих колебаний сегодня нелегко, даже не учитывая причин их возбуждения. Более того, в рамках современных представлений о внутреннем строении Солнца и протон-протонном цикле внутри его теоретические оценки дают значение периода колебаний нашей звезды не 160, а 130 минут.

Таким образом, не только проблема солнечных нейтрино омрачает настроение теоретиков. Один из крупнейших специалистов в области исследования Солнца, А. Северный, полагает даже, что совокупность нерешенных вопросов может привести к «новому фундаментальному пересмотру наших представлений о внутренних процессах на Солнце». Он отмечает, что на сегодняшний день есть три «трещины» в фундаменте знаний о нашем светиле. О двух из них мы уже знаем. Это проблема борных нейтрино (в реакциях их образования участвует бор) и только что упоминавшиеся 160-минутные колебания.

Что касается третьей «трещины», то она, по всей видимости, не столь опасна, как две предыдущие. Связана эта «трещина» с противоречием, на первый взгляд очевидным, между палеоклиматическими и геологическими данными и следствиями, вытекающими из теории внутреннего строения Солнца. Вспомним, в чем состоит суть дела.

Если современные представления о внутреннем строении Солнца справедливы, то с того времени, как Солнце «село» на главную последовательность, и до настоящего момента его светимость должна была увеличиться примерно на 30 процентов. Но тогда мы должны были 3–4 миллиарда лет назад «иметь» очень холодную Землю, сплошь покрытую льдом. В то же время геологические данные неопровержимо свидетельствуют о том, что уже 3,8 миллиарда лет назад на Земле были океаны, была жизнь. В этом парадоксе некоторые астрофизики усматривают серьезный камень преткновения для теории внутреннего строения Солнца. Но на самом деле парадокс этот совсем не носит устрашающего характера. Он без труда разрешается в рамках теории возникновения и эволюции атмосфер планет.

Посмотрим, как это делается. Сначала обратим внимание на тот принципиальный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяется вода и углекислый газ. Об этом свидетельствуют множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов, отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4:1 до 10:1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, хотя Солнце грело плохо.

Гранулированная структура фотосферы Солнца.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной и Меркурием можно принять за 0,1. И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33° ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра: основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он, создавая парниковый эффект, начал подогрев. С ростом концентрации CO_2 в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько CO_2 должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0 °C. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан известным советским астрофизиком В. Морозом. Такой расчет не прост, точной цифры не получишь. Поэтому в конце концов были найдены верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? При выделении из мантии 10^13 граммов углекислоты в год (полагают, что именно так оно и было) давление 0,3 атмосферы будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние, и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу, происходит его растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывают снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан.

Правда, мы не учли весьма важного обстоятельства: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания CO_2 в цикле оценена нами в 1,5 × 10^21 граммов. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы CO_2 в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И расчеты строились на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

Бесспорно, что конкретные цифры, полученные в этих оценках, несут на себе печать некоторого произвола. Однако поскольку эти оценки основаны на хорошей физике, они в принципе полностью цементируют одну из «трещин» в теории Солнца.

Закончив наше небольшое отступление, посвященное одной из загадок Солнца, вернемся снова к фотосфере, вернее — к «дефектам» сферы света. Эти дефекты — пятна на Солнце, пожалуй, самые легкие для наблюдения объекты из всех явлений, связанных с нашим светилом. О них очень много известно, но тем не менее специалисты считают, что до сих пор мы не можем понять два основных факта, прямо касающихся пятен: почему пятна темные и почему они вообще существуют. Ответ на первый вопрос может показаться очевидным, поскольку разгадку может дать любой человек, мало-мальски знакомый с физикой.

«Разумеется, — ответит он, — пятна темные, так как они холодные». Этот ответ будет абсолютно правильным, пятна холоднее окружающей фотосферы на 1500–2000 K. Но почему они холодные?

Ясно, что тем или иным образом дело здесь связано с магнитными полями. Вообще говоря, магнитные силовые линии в сравнительно слабых полях как бы «вморожены» в вещество и следуют за ним при всех его движениях. Это понятно, так как при высоких температурах фотосферы мы имеем хорошую проводимость вещества. Но в области пятен магнитные поля в тысячи раз сильнее, чем среднее магнитное поле Солнца, и поэтому ряд исследователей считает, что сильные магнитные поля в области пятна подавляют конвективные движения, вещество как бы приклеивается к магнитным силовым линиям, и это тормозит восходящие и нисходящие потоки вещества.

Однако подобное объяснение сталкивается с целым рядом трудностей. Отнюдь не все специалисты разделяют эту точку зрения, и проблему понижения температуры фотосферы в области пятен никоим образом нельзя считать полностью решенной.

Пятна редко появляются в одиночку, обычно возникает сразу группа пятен. Иногда в области пятен можно наблюдать магнитное поле одной полярности, иногда группы пятен биполярны. Интересно, что пятна имеют небольшие собственные движения на диске Солнца.

Появлению пятен в активной области предшествует рождение факела — более яркой области фотосферы. Затем уже в районе факела можно увидеть темные поры. Разрастаясь, они сливаются друг с другом в пятно. Диаметр пятна составляет 10–15 тысяч километров, но, как мы уже говорили, бывают и более крупные пятна. Пятна, по всей видимости, вращаются быстрее, чем окружающий их газ.

Очень интересны результаты анализа поведения пятен за историческое время. Этот анализ показал, что начиная с 1645 по 1715 год, то есть в течение 70-летнего промежутка времени, циклы солнечной активности практически исчезли. С 1672 по 1704 год в северном полушарии Солнца пятен не было видно совсем! Этот период времени был назван маундеровским минимумом.

Схема строения Солнца.

Удивительно, что дифференциальное вращение поверхностных слоев Солнца в течение нескольких лет перед маундеровским минимумом было в три раза больше обычного. Вдобавок этот период времени (минимум) совпал с так называемым «малым ледниковым периодом» — чрезвычайно холодной погодой в северном полушарии. Внутренняя связь всех этих явлений не представляется очевидной, но ясно лишь одно — сюрпризы и загадки астрофизики находятся не только в глубинах Вселенной, но и прямо перед нашими глазами.

Явления, связанные с пятнами на Солнце, не ограничиваются одной лишь фотосферой. Так, например, «плюмажи» интенсивного излучения, имеющие форму замкнутых петель, уходят в корону. Но о короне позже. А сейчас мы поговорим о следующем за фотосферой слое Солнца хромосфере.

Хромосфера

Больше всего солнечная активность проявляется в хромосфере — сфере цвета, имеющей красноватый оттенок, хорошо видный в момент, непосредственно предшествующий полному покрытию Солнца Луной. Именно в хромосфере разыгрываются наиболее впечатляющие и поражающие взор человека процессы. И хотя, следуя традиции изложения, следовало бы сначала поговорить о структуре хромосферы, давайте все-таки посмотрим на самое интересное явление на Солнце — протуберанцы. Они могут принимать разнообразнейшие формы, а поведение их нередко совершенно непредсказуемо, словно поведение капризной женщины.

Протуберанцы во многом напоминают порождения Океана в романе С. Лема «Солярис». Есть спокойные, долгоживущие протуберанцы, плавающие над Солнцем, словно облака. Эти облака имеют форму занавесок, частоколов, воронок, спокойных волокон. Такие протуберанцы способны существовать месяцами. Правда, они могут изменять свою форму после вспышек на Солнце.

Солнечные протуберанцы.

Короткоживущие протуберанцы связаны с вспышками на Солнце и с пятнами. Такие протуберанцы представляют собой веерообразные выбросы, где вещество движется со скоростью до двух тысяч километров в секунду. Нередко после вспышек и выбросов возникают протуберанцы, имеющие вид красивых, сложных дуг, замкнутых петель, дождя, а протуберанцы, примыкающие к солнечным пятнам, похожи на волокна. Структура волокон изменчива, но сами протуберанцы живут довольно долго, в течение нескольких дней. Очень часто вещество вытекает из протуберанца и по изящной дуге втекает в солнечное пятно.

Ясно, что протуберанцы, как одно из проявлений активности Солнца, тесно связаны с магнитными полями. Их плотность существенно выше плотности окружающего вещества, и поэтому они в принципе не должны были бы существовать столь длительное время.

Пусть в хромосфере образовалась магнитная структура типа «примятой арки». Такие вещи могут появляться в активных областях на границе раздела полярности поля. Суть процесса в том, что на краях «арки» газ нагревается сильнее, чем в центре. Уменьшение нагрева на вершине приводит к тому, что газ охлаждается, сваливается в яму магнитного поля и там уплотняется. Это и есть зародыш протуберанца. Он непрерывно растет по мере добавления к нему все новых и новых порций газа, а магнитные линии прогибаются под его тяжестью, но тем не менее не дают ему возможности упасть обратно в хромосферу.

Солнечные протуберанцы. Структура типа «примятой арки» в хромосфере.

Такой механизм может за один день обеспечить появление над хромосферой довольно солидного протуберанца. Но не только структура поля типа «примятой арки» может обеспечить устойчивость протуберанца. К примеру, горизонтальные участки магнитного поля удерживают протуберанцы типа спокойных волокон.

Мы видим, что практически все проявления солнечной активности, будь то пятна, протуберанцы или вспышки, так или иначе связаны с магнитными полями на Солнце.

Феерическое зрелище протуберанцев не может оставить равнодушным того, кто хоть раз наблюдал это. Но наиболее мощным и сложным проявлением солнечной активности являются вспышки. Они характеризуются удивительным многообразием физических процессов. Здесь мы можем видеть и ядерные реакции и накопление огромного количества энергии с чрезвычайно быстрым последующим ее выделением. Достаточно сказать, что энергия вспышек в некоторых случаях эквивалентна взрыву сотен миллионов водородных бомб! Но давайте сейчас все-таки посмотрим, что представляет собой сама хромосфера — арена, на которой разыгрываются эти бурные события.

Хромосфера — область между фотосферой и короной. Но сразу же следует сказать, что выражена она несколько нечетко. Эта нечеткость проявляется особенно наглядно в верхней хромосфере, которая довольно плавно, без видимых границ переходит в солнечную корону.

Если задать неспециалисту «провокационный» вопрос, чья температура выше — фотосферы или хромосферы, наверное, ответ будет однозначен: фотосферы. Но этот ответ, хотя и построен на правильных общих предположениях, неверен. Оказывается, что над поверхностью фотосферы до высоты сто километров температура возрастает до 20 тысяч K, то есть на 1 K на каждые 5 метров! И чем выше, тем больше становится температура, на высоте 5 тысяч километров она достигает уже миллиона градусов. Однако эти высоты связаны с короной, и мы сейчас спустимся чуть пониже.

Естественно, возникает вопрос об источнике нагрева хромосферы и короны. Ведь действительно кажется по меньшей мере странным, что с удалением от центра Солнца, где расположены основные источники энергии, температура его внешних слоев начинает увеличиваться. Но против наблюдательных данных, как говорится, не пойдешь, и факт повышения температуры нужно было объяснять.

Объяснение оказалось далеко не тривиальным. В хромосферу и корону накачивают энергию, необходимую для нагрева… акустические волны. Именно голос Солнца, о котором уже говорилось выше, и греет верхние слои Солнца. Не правда ли, несколько неожиданный вывод? Но это именно так. А кроме того, корона возвращает часть полученной ею энергии обратно в хромосферу, так что источники ее нагрева сегодня известны.

Одно из самых интересных и красивых явлений в хромосфере — спикулы. Они наблюдались еще патером Секки, который сравнивал их с горящей прерией. На самом деле спикулы — это струи вещества, поднимающиеся вверх со скоростями 20–30 километров в секунду до высот более 6 тысяч километров. Другими словами, спикулы уходят в область солнечной короны.

Наблюдаемый лес спикул — постоянная особенность хромосферы. Отдельные спикулы геометрически тонки — толщина многих из них меньше 500 километров. Конечно, понятие «тонкий» совершенно различно для Солнца и Земли. Мы говорим о тонких спикулах в атмосфере Солнца, но представьте себе столб раскаленной плазмы с диаметром основания, равным расстоянию от Москвы до Ленинграда, а высотой с половину радиуса земного шара.

Некоторые ученые считают, что в каждый момент времени на Солнце имеется около полумиллиона спикул. Отдельные скопления спикул были названы «дикобразами».

Спикулы генетически связаны с более глубокими, чем фотосферные гранулы, элементами конвекции. Это так называемая супергрануляция, размеры элементов которой достигают 3 тысяч километров. Это явление было открыто сравнительно недавно.

Элементы супергрануляции живут уже не несколько минут, а сутки. Элементы супергрануляции, вернее — связанные с ними магнитные поля, воздействуют на хромосферу, инициируя в ней такие сложные структуры, как, в частности, спикулы. Система спикул, в свою очередь, образует в хромосфере более крупномасштабную структуру, называемую хромосферной сеткой.

Поразительные явления, возникающие в хромосфере, еще таят в себе немало загадок. Но, пожалуй, самым масштабным и самым сложным из всех процессов на Солнце являются все-таки солнечные вспышки, разговор о которых мы уже начинали.

Сегодня вспышки интересуют не только астрономов-наблюдателей, но и геофизиков и космонавтов. Это и неудивительно, поскольку вряд ли какое-либо другое явление на Солнце оказывает столь сильное влияние на Землю, как солнечные вспышки.

В настоящее время десятки станций, расположенных по всей Земле, непрерывно ведут службу Солнца (патрулирование), измеряют число, положение, площадь вспышек. По интенсивности вспышки оцениваются по трехбалльной системе в зависимости от их яркости. Самая яркая вспышка имеет балл 3.

В связи с этим я хочу рассказать забавную историю, связанную с началом патрулирования Солнца. Дело это было новое и нудное, поскольку, как говорится, нужно просто-напросто ждать у моря погоды, ждать вспышки. Администрация одной обсерватории решила вопрос с зарплатой наблюдателей просто и «мудро». Она платила за вспышку в 1 балл пять монет, за вспышку в два балла 10 монет, ну а за вспышку в три балла 15 монет. Нужно ли говорить о том, что данные этой обсерватории отличались огромным количеством сильных вспышек!

Связь вспышек с магнитными полями активных областей Солнца сейчас точно установлена. Посмотрим, что же такое активные области.

На Солнце существуют так называемые пояса активности, расположенные к северу и югу от экватора. Именно в этих поясах наблюдаются сильные магнитные поля, которые нарастают и распадаются за время от суток до месяцев. В тех местах, где происходит нарастание напряженности магнитного поля, и происходят такие явления, как пятна, вспышки и факелы. Области проявления вариаций солнечного магнетизма называются активными областями. Размеры их колеблются от десяти тысяч до сотен тысяч километров. Кроме пятен и вспышек, активные области замечательны тем, что они излучают рентгеновские и ультрафиолетовые фотоны. Мало того, над активными областями иногда исчезает верхняя хромосфера!

Структура активной области полностью определяется совокупностью магнитных полей в ней. Но что можно сказать о самих полях? Почему происходят такие сильные изменения в магнитных свойствах Солнца?

На Солнце мы имеем дело с веществом, представляющим собой плазму — хороший проводник. Движение же проводника в магнитном поле всегда приводит к появлению электрического тока.

Совершенно ясно, что токи эти, в свою очередь, вызывают изменение поля. Ну а поскольку, как мы знаем, на Солнце наблюдается весьма сложная картина движений плазмы — здесь и грануляция, и супергрануляция, дифференциальное вращение и многое другое, — она и приводит к сильной изменчивости магнитных полей, наиболее ярко проявляющихся в поясах активности.

Магнитные поля на Солнце не предоставлены самим себе. Они тесно взаимодействуют с проводящим веществом, и в этом суть дела. При высокой проводимости поле «вмораживается» в плазму, магнитный поток остается постоянным, двигаясь вместе с плазмой. Для этого, конечно, нужно, чтобы плотность плазмы была достаточно высока. Так и случается в конвективной зоне, откуда магнитные поля как бы всплывают вместе с веществом к фотосфере. Далее, уже в атмосфере Солнца, и разыгрываются все процессы, связанные с аннигиляцией, перезамыканием полей различной полярности.

Посмотрим теперь, что происходит на Солнце во время вспышки. Задолго до самой вспышки, в течение нескольких часов или даже суток, в активной области, в ее магнитных полях запасается избыточная энергия. Происходят процессы, внешне аналогичные закручиванию резинки в «двигателе» игрушечного самолета. Ситуации здесь действительно геометрически похожи — такие закрученные структуры нередко можно наблюдать в атмосфере Солнца, в районе областей сильного магнитного поля. В закрученных полях должны возникать токи, так как в них меняется направление поля.

К тому же может случиться, что всплывшее поле имеет другую полярность, чем то, которое уже было на этом месте. Здесь тоже, разумеется, возникают токи. Именно таким образом и запасается энергия перед вспышкой.

Сегодня принято считать, что главная причина появления вспышки лежит в очень быстрой перестройке магнитных полей, их перезамыкании. В области перезамыкания выделяется около половины общей магнитной энергии. Этого вполне хватает, чтобы обеспечить вспышку требуемой энергии и выбросить в корону нагретую плазму. Вообще говоря, чудовищная энергия магнитных полей высвобождается в виде взрыва, но этот взрыв длится иногда несколько минут, а то и сутки.

Значительная часть энергии идет на ускорение электронов, скорость движения которых достигает половины скорости света. Движение таких электронов в магнитном поле и окружающем газе вызывает радиоизлучение и жесткое рентгеновское излучение. Эффекты, вызываемые вспышками на Солнце, столь сильны, что они проявляются даже на нашей планете. Так, во время вспышек нарушается радиосвязь, или, наоборот, становится возможным прием удаленных телепередатчиков, или вдруг начинает приходить радиоизлучение от далеких гроз. Все эти вещи имеют не только научное, но и практическое значение, так как от этих эффектов, с одной стороны, зависит радиосвязь на Земле, а с другой стороны — космонавты в космосе практически ничем не защищены от жесткого излучения, сопровождающего вспышки.

Советский ученый А. Чижевский провел огромную работу, пытаясь установить зависимость между солнечной активностью и частотой различных эпидемий на Земле. Он обнаружил удивительные закономерности. Вспышки различных болезней очень точно «отслеживают» изменения в активности Солнца.

Труды Чижевского не сразу получили признание, хотя и до него ученые замечали, что активность Солнца связана с различными явлениями на Земле. Свою замечательную книгу «Земное эхо солнечных бурь» он написал на французском языке и впервые издал в Париже. Интересно, что одним из первых смелые идеи Чижевского оценил К. Циолковский.

Следует сказать о том, что Чижевский не считал солнечную активность прямой причиной вспышек эпидемий и заболеваний. Он полагал, что деятельность Солнца «лишь способствует» развитию болезней на Земле.

Одна из глав его книги называется очень образно: «Спазмы Земли в объятиях Солнца». В этой главе он приводит перечень явлений в органическом мире Земли, связанных с изменениями в солнечной активности.

Интересно, что еще В. Гершель отметил в 1801 году зависимость урожая зерновых от числа солнечных пятен. Поскольку хлеб все-таки вещь более нужная, чем вино, то лишь в 1878 году удалось выяснить, что количество и качество производимого в Германии вина тоже таинственным образом связано с пятнами на Солнце.

Да что там вино! Чижевскому удалось установить, что от активности Солнца зависит частота несчастных случаев, преступлений, внезапных смертей, эпизоотии и падеж скота и целый ряд других явлений: уровень озер, грунтовых вод, сток рек, толщина донных отложений ила, количество льда в полярных морях, повторяемость засух, ураганов, ливней, годовые температуры.

Удалось обнаружить 27-дневный цикл погоды. Но ведь период вращения Солнца вокруг собственной оси также равен примерно 27 дням.

Многие считают, что активность Солнца и, в частности, хромосферные вспышки оказывают прямое воздействие на погоду. Но у этой идеи есть и свои противники.

Да что там погода! Высказываются мысли о том, что с солнечной активностью связаны изменения скорости суточного вращения Земли! А ведь эти изменения могут вызывать такое грозное явление природы, как землетрясения. Кстати, от вращения планеты зависят и погода и климат.

Чижевского можно с полным правом считать первым человеком, который перекинул мост между Солнцем и Землей. Его идеи оказались настолько плодотворными, что сейчас возникает новая отрасль науки — гелиобиология. У нас в Советском Союзе различными вопросами гелиобиологии занимаются в частности в Крымской астрофизической обсерватории.

Многие десятки обсерваторий всего мира осуществляют круглосуточный контроль за Солнцем. Кроме того, различная научная аппаратура для исследования Солнца запускается на шарах, зондах, самолетах, ракетах и спутниках. Радиотелескопы слушают радиоголос Солнца. Долгоживущие орбитальные станции типа «Салют», космические корабли «Веги» и «Вояджеры» имеют на борту приборы, давшие неоценимую информацию о межпланетном пространстве, плазме, солнечном магнитном поле, ударных волнах и т. д.

Корона

О короне писать легко и приятно по той причине, что она устроена существенно проще хромосферы и фотосферы. Разумеется, это не означает, что мы знаем о ней больше, чем о нижних слоях. И все-таки ее жизнь не отягчена такими бурными событиями, как жизнь хромосферы и фотосферы, хотя, конечно, отголоски различных катаклизмов доходят и до короны.

Солнечную корону видел каждый, кому посчастливилось наблюдать полное солнечное затмение.

Корона особенно ярка вблизи Солнца, а длинные лучи простираются на большие расстояния. Форма короны заметно меняется в зависимости от уровня солнечной активности. В минимуме корона симметрична, а в максимуме над активными областями наблюдаются особенно интенсивные лучи.

Как мы уже говорили, характерной особенностью короны является ее чрезвычайно высокая (по сравнению с фотосферой) температура, превышающая миллионы градусов. Поскольку горячая корона представляет собой хорошо проводящую плазму, то отчетливо наблюдаемая в ней волокнистая структура как бы отслеживает «магнитные силовые линии и тем самым показывает» астрономам структуру магнитного поля Солнца. Кстати говоря, с высокой температурой короны связана одна поучительная история.

Уже давно в спектре короны наблюдались сильные эмиссионные линии, длины волн которых были точно известны более пятидесяти лет назад. Но в среде астрономов и спектроскопистов слишком сильно было предубеждение о невозможности высокой температуры короны. Поэтому перебиралось огромное количество «кандидатов» в качестве источников возбуждения этих линий, но все было тщетно.

Эти линии приписали неизвестному элементу «коронию». Затем линии «корония» открыли при исследовании спектров повторной новой Змееносца. Это случилось в 1933 году.

Заведомо было ясно, что уж во время вспышек новой температуры должны быть достаточно высоки. Но только шесть лет спустя удалось установить, что неизвестные линии в короне принадлежат не «коронию», а обычным земным элементам, в частности железу, но только атомы железа находятся в очень высокой степени ионизации: электронные оболочки атома просто «ободраны». Ну а поскольку такое возможно лишь при очень высоких температурах, стало ясно, что корона очень сильно нагрета. В состав короны входят полностью ионизированные водород и гелий, углерод, азот и кислород, ионизированные вплоть до электронов самой глубокой оболочки, и другие элементы с различной степенью ионизации.

На этом примере видно, как радикально изменялись представления о Солнце за очень короткий промежуток времени.

Не менее серьезные изменения произошли и в наших знаниях о межпланетной среде. Сегодня мы уже знаем, что это не пустота, земля буквально плавает в верхней части короны Солнца, и она обдувается потоком частиц — солнечным ветром.

Солнечная корона во время затмения.

Явление это, как нередко бывает в науке, предсказано было теоретически, «на кончике пера», в 1958 году, совсем недавно. Интересно, что толчком послужил анализ поведения комет.

Давно считалось, что солнечное излучение влияет на форму и давление вещества в хвостах комет, но только в начале 50-х годов нашего столетия было строго показано, что как ионизация, так и направленное наружу ускорение материала в хвостах комет намного больше, чем если бы это было вызвано одним световым давлением. Кроме того, хвосты комет явно реагировали на солнечную активность: ускорение движения вещества увеличивалось в годы повышенной солнечной активности.

Все встало на свои места, когда советская станция «Луна-2» обнаружила в межпланетном пространстве потоки плазмы, которые с довольно большими скоростями двигались от Солнца. Потоки эти состоят из протонов, электронов, более тяжелых ионов, и в зависимости от солнечной активности они имеют различную скорость от 200 до 1000 километров в секунду. Таким образом, оказалось, что из нашей звезды, из ее короны происходит непрерывное истечение вещества.

Связь солнечного ветра со структурой короны обнаружилась довольно быстро, и здесь ученым пришлось обратить особое внимание на обширные области в короне, практически не дающие рентгеновского излучения. Области эти получили название корональных дыр. Им присущи интересные особенности. Во-первых, плотность короны над дырами примерно в три раза ниже, чем для среднего спокойного Солнца. Во-вторых, температура короны над ними заметно ниже, она составляет «всего» миллион градусов, тогда как над спокойными нормальными областями приближается к двум миллионам градусов.

Солнечная корона в инфракрасном диапазоне.

Интересно, что в фотосфере и нижней хромосфере дыры проявляются мало, а чаще всего вообще не проявляются. Ни грануляция, ни супергрануляция, по всей видимости, никак с ними не связаны, приток механической энергии, проходящий через фотосферу вверх (акустические волны), вероятно, один и тот же внутри и вне дыр. Но тогда непонятно, на что же расходуется избыток энергии. Ведь температура и плотность в корональних дырах поменьше, чем в окружающих областях, а это означает меньшие потери на излучение (именно поэтому дыры и выглядят темными).

Вопрос этот не простой, и ответ на него был найден не сразу. Лишь данные, полученные в последнее время, самым решительным образом продемонстрировали тот факт, что таинственный избыток энергии идет на создание и ускорение солнечного ветра, который истекает главным образом из областей, где расположены корональные дыры.

Самые крупные дыры расположены у полюсов Солнца. Эти дыры живут особенно долго: космический корабль «Скайлэб» наблюдал полярную дыру в течение восьми месяцев. Размеры этих дыр позволяют предположить, что из полярных областей Солнца исходит солнечный ветер огромной силы. По сравнению с ним солнечный ветер, наблюдающийся в околоземном пространстве, показался бы совсем слабым.

Чтобы представить себе масштабы этого явления, заметим, что солнечный ветер уносит ежесекундно около миллиона тонн вещества! Солнечный ветер оказывает сильное воздействие на нашу планету, вызывая, например, полярные сияния. Давайте посмотрим немного подробнее, как взаимодействуют потоки солнечной плазмы с Землей, вернее, не с твердым телом планеты, а с самыми внешними ее оболочками.

Итак, в течение многих миллиардов лет потоки солнечной плазмы атакуют Землю. Первым защитным бастионом здесь является магнитное поле Земли. Именно оно не дает частицам солнечного ветра возможность напрямую бомбардировать Землю. Под воздействием потока плазмы геомагнитное поле «поджимается» ближе к дневной поверхности Земли, а солнечный ветер начинает обтекать магнитное препятствие, встретившееся на его пути. Причем, вполне естественно, напряженность геомагнитного поля при такой деформации возрастает.

Все эти события разыгрываются в некой довольно узкой зоне, расположенной от нас на расстоянии 10–12 земных радиусов. А во время сильных магнитных бурь граница магнитосферы сильно приближается к нам, и геомагнитное поле поджато до 4–6 земных радиусов.

Однако некоторые наиболее энергичные частицы могут прорываться через магнитосферные щели — участки, где поле очень слабое. Эти частицы ответственны за разрушение ионосферы Земли, и, следовательно, за все те нарушения радиосвязи, о которых мы говорили. Около магнитных полюсов силовые линии геомагнитного поля расположены ближе к поверхности Земли. Заряженные частицы солнечного ветра, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, проникают в полярных районах более глубоко в атмосферу и, взаимодействуя там с атомами и молекулами, передают им часть своей энергии. В верхней атмосфере возбуждается таким путем свечение, и мы можем наблюдать одно из самых красивых явлений природы — полярные сияния.

Все явления, о которых мы сейчас говорили, тесно связаны с магнитными полями Солнца. Природа вспышек, протуберанцев, солнечных пятен станет ясной лишь тогда, когда до конца будет понят механизм, приводящий к возникновению магнитных полей на Солнце. Сейчас общепринятой теории всех этих явлений нет. Именно поэтому мы не понимаем, в частности, чем обеспечена устойчивость солнечных пятен, как происходит нагрев короны и т. д.

Но чувство неудовлетворенности от в общем-то большого числа нерешенных загадок, которые ставит нам Солнце, отчасти смягчается тем обстоятельством, что все эти нерешенные вопросы мы не в состоянии даже поставить по отношению к другим солнцам — далеким звездам. Исследование Солнца дает нам ключ к пониманию множества процессов, проходящих в дальнем космосе, и, не будь Солнца, мы вынуждены были бы ограничиваться лишь догадками.

Заключение

В этом томе «Мира астрономии» мы познакомились с основными (но отнюдь не со всеми!) проблемами современной астрофизики. Более 50 лет назад Эйнштейн в одном из своих выступлений произнес замечательную фразу: «Если говорить честно, мы хотим не только знать, как устроена природа… но и по возможности достичь цели, утопической и дерзкой на вид, — узнать, почему природа является именно такой. В этом состоит „прометеевский элемент научного творчества“».

Вся астрономия, ее методология, цели, задачи прекрасно гармонируют с приведенным выше высказыванием великого физика. Действительно, наблюдательная астрономия занимается вопросом, как устроен мир; теоретики астрофизики пытаются выяснить, почему он устроен именно таким образом, а не как-нибудь иначе.

Успехи на этих двух генеральных направлениях современного естествознания очевидны. Порой бывает даже трудно осознать всю глубину изменений в наших представлениях об окружающем мире, происшедших за последние десятилетия. Каждая глава этой книги, а точнее — каждый раздел по необходимости носят конспективный характер, ведь только, например, на тему небольшого раздела о черных дырах лишь у нас в стране написано несколько популярных книг. Я не говорю уже о главе, посвященной эволюции Вселенной — этой теме посвящены десятки серьезных и популярных томов.

Некоторым интересным проблемам мы уделили явно недостаточное внимание. В числе таких проблем можно назвать, например, космические лучи, космические мазеры и, наверное, некоторые другие.

Тем не менее, прочтя эту книгу, читатель должен получить общее представление о том, как устроен окружающий нас мир, что находится в глубинах Вселенной.

Я не старался намеренно драматизировать ситуацию, довольно часто касаясь нерешенных вопросов астрофизики, связанных, как правило, с извечными «почему?». И все-таки некоторое чувство неудовлетворенности, связанное с большим числом нерешенных ключевых проблем, вполне могло остаться при чтении этой книги. Но ведь иначе и не может быть!

Смешно думать, что человек, который как биологический вид очень молод, за какие-то тысячелетия — ничтожный срок в космологической шкале времени — способен полностью разобраться в устройстве окружающего мира.

Предположим для наглядности, что со времени Большого Взрыва прошел один год. Тогда в этой шкале времени вся человеческая цивилизация существует всего несколько последних секунд! Нужно прямо сказать, что за эти отведенные ему природой секунды человек очень много узнал об окружающем его мире. Можно лишь удивляться тому невиданному упорству, настойчивости, изобретательности и вдохновению, с которыми человеческий мозг исследует глубины микро- и макромира.

Человек плохо видит — и созданы телескопы и микроскопы. Наши глаза не чувствуют инфракрасного излучения — и придуманы соответствующие приемники этого излучения. Мы не можем заглянуть в микромир — и построены гигантские ускорители. Человек родился спустя миллиарды лет после Большого Взрыва, но его мозг рисует картины этого взрыва, а потом оказывается, что «так оно и было». Человеку мало окружающей его Вселенной — и он строит модели других вселенных.

Здесь действительно есть все основания гордиться небольшим куском органической субстанции, называемой человеческим мозгом. Есть основания для гордости, но вряд ли могут быть основания для гордыни. А ведь сегодня высказываются мысли о том, что уже не за горами время, когда физика объяснит буквально все.

Подобный оптимизм нельзя считать совсем уж беспочвенным. Если в ближайшее время будут закончены теории великого объединения, супергравитации, мы действительно сумеем дать ответ на многие «почему». Но тем не менее не следует забывать, что речь идет о сегодняшнем дне. А завтра природа, неистощимость которой на сюрпризы никоим образом не стоит недооценивать, может поставить человечество перед новыми грандиозными проблемами.

Они, эти проблемы, кстати говоря, уже сейчас видны на горизонте. Это, например, проблема множественности миров, но не в том плане, в каком представлял ее себе Джордано Бруно, а в плане множественности вселенных. Ну а если просто помечтать, то ведь можно представить себе и проблему путешествий в другие вселенные, проблему взаимодействия различных миров.

И здесь сразу возникает вопрос о том, все ли законы природы нам известны. В том, что в наблюдаемой нами части Вселенной действуют одни и те же законы физики, сомневаться, пожалуй, не приходится, хотя, как мы с вами видели, даже этот тезис некоторыми учеными подвергается сомнению. Но в других возможных мирах, может быть, это не так. Я хочу сказать этим лишь то, что если человек может сегодня оценить каким-то образом степень своих знаний, то уровень незнания вряд ли поддается какой-либо разумной оценке. Эти вопросы тесно связаны в познавательном, философском плане с интригующей проблемой распространенности и формах разумной жизни во Вселенной.

Мне кажется, что грандиозные проблемы, стоящие перед современной наукой, вряд ли будут когда-либо исчерпаны. Процесс познания не прекратится до тех пор, пока будет существовать человечество как биологический вид. Ну а время его существования во многом зависит от него самого. Бесстрастная природа отпустила нам достаточно времени и на решение ее загадок, и на то, как лучше и разумнее устроить свою собственную жизнь. Хотелось бы надеяться, что человек разумно распорядится этой уникальной возможностью и оставит себе место в окружающем его прекрасном и удивительном мире.

Иллюстрации

Представления о мире в Средневековье. В основе сюжета картины, автором которой является известный французский астроном и популяризатор астрономии Камилл Фламмарион, лежит предание, будто бы одному монаху удалось после длительного путешествия достичь того места, где «земля с небом сходился», и даже заглянуть «по ту сторону неба».

«Персей». Созвездие Персей и Андромеда. Рисунок XIV века.

Туманность NGC-3372 — самая яркая часть Млечного Пути.

Яркая туманность в созвездии Щита.

Радиоизображение остатка сверхновой Кассиопеи Α. Наблюдение на волне 20 сантиметров.

Туманность Конская Голова NGC-2024.

Туманность в созвездии Ориона.

Схема эволюции звезд:

1 — сверхновая, 2 — нейтронная звезда, 3 — черная дыра, 4 — газопылевое облако, 5 — протозвезда, 6 — Солнце, 7 — красный гигант, 8 — белый карлик.

Гибель Земли в период превращения Солнца в красный гигант.

Распределение яркости в солнечной короне.

Радиоизображение Солнца.

Строение Солнца.

Содержание

От автора … 6

Системы мира

От Аристотеля до Коперника … 9

Мир по Ньютону … 13

Вселенная расширяется … 16

Отголоски начала … 20

Большой взрыв и космология

Планковская Вселенная … 25

Микрофизика … 30

Новые подходы … 37

Неортодоксальные взгляды … 41

Будущее Вселенной … 43

Астрономы наблюдают

Астрономия древности … 49

Тихо Браге и другие … 57

Телескопы — новая эра астрономии … 61

Расстояние до звезд, их яркость, спектр … 67

Всеволновая астрономия … 76

Галактики

Что такое галактика? … 91

Рождение галактик … 93

Свойства галактик … 100

Галактики задают вопросы … 104

Наша Галактика … 107

Ядра галактик … 114

Звезды

Характеристики звезд … 121

Как рождаются звезды … 123

Звезды светят … 131

Источник энергии … 138

Солнечные нейтрино … 142

Модели звезд … 146

Эволюция звезд … 151

Взрывающиеся звезды … 155

Сюрпризы гравитации

Нейтронные звезды 165

Черные дыры … 171

Солнце

Желтый карлик … 185

Фотосфера … 191

Хромосфера … 196

Корона … 202

Заключение … 206

Content

Лев Михайлович Мухин
Мир астрономии
Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

От автора

Системы мира

Большой взрыв и космология

Астрономы наблюдают

Галактики

Звёзды

Сюрпризы гравитации

Солнце

Заключение

Иллюстрации