Тайсон Нил Деграсс

Голдсмит Дональд

История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции.

3-е межд. издание

Благодарности Нилу Деграссу Тайсону

Посвящается каждому, кто поднимает глаза к небу, и всем, кто еще не знает, что по-другому просто нельзя.

«[Тайсон] затрагивает широкий спектр тем… с большим юмором, беспристрастностью и, что самое главное, добротой».

Entertainment Weekly

«Выдающаяся личность… Астроном до мозга костей».

Карл Циммер, Playboy

«Одно дело — быть прославленным астрофизиком, и совсем другое — уметь ко всему относиться с юмором. Сочетание этих черт встречается очень редко, но Нил обладает им в полной мере».

Джон Стюарт, The Daily Show

«Тайсон — удивительный человек, его страсть к познанию законов природы органично сочетается со способностью увлекательно объяснять самые разные темы — от темной материи до абсурдности существования зомби».

Parade

«[Тайсон] фонтанирует идеями».

Лиза де Мораес, Washington Post

«Нил Деграсс Тайсон — один из лучших представителей научной мысли на свете».

Мэтт Блюм, Wired

«Ныне как никогда важно находить авторов, способных рассказать не только о самих открытиях, но и том, как они совершались. Один из таких авторов — Нил Деграсс Тайсон».

Энтони Дорр, Boston Sunday Globe

«Тайсон популяризирует науку, и его мнение авторитетно».

People

«Яркий наследник Карла Сагана, объединивший в себе редкое сочетание мудрости и коммуникативных способностей».

Сет Макфарлейн, создатель анимационного ситкома «Гриффины»

Предисловие. Рассуждения о происхождении науки и науке о происхождении

В последнее время ответы на вопросы о наших истоках во Вселенной приходят не только из области астрофизики. Трудясь под эгидой целого объединения молодых областей науки, таких как астрохимия, астробиология и физика астрочастиц, астрофизики обнаружили, что взаимодействие с множеством разных научных дисциплин при поиске ответа на вопрос «Как мы здесь оказались?» дает исследователям доступ к информации немыслимой ранее ширины и глубины и помогает анализировать устройство нашей Вселенной.

Во втором издании книги «История всего: 14 миллиардов лет эволюции» мы хотим познакомить вас, читателей, с обновленной единой системой научных знаний, учитывающей потрясающие открытия в биологии, астрономии и астрофизике, совершенные в последнее время. Среди них:

• Обнаружение пяти тысяч «экзопланет», которые в совокупности обладают чрезвычайно богатым разнообразием поверхностных условий и орбитальных характеристик. Условия на некоторых из них определенно благоприятны для зарождения и существования жизни, а это в свою очередь дает нам надежду однажды убедиться, насколько в действительности разнообразна жизнь в космосе.

Использование астрофизиками детекторов совершенно нового класса, способных волны, которые идут от миллиарды световых лет предсказал существование улавливать гравитационные источников, удаленных на от Земли. Еще Эйнштейн гравитационных волн, но официально подтвердить его правоту научный мир смог только к 2017 году, после того как три независимых детектора, находящихся в разных концах мира, смогли зафиксировать это чудо. Им стало слияние двух черных дыр, каждая из которых в десятки раз массивнее нашего Солнца, — оно породило колебание гравитационного поля, прокатившееся по всей Вселенной.

• Новый взгляд на пять небесных тел, включая Марс, когда-то считавшихся слишком холодными или слишком маленькими для зарождения жизни. Теперь их рассматривают как заслуживающие дополнительного изучения. К ним относятся Церера, которая является крупнейшим из известных астероидов; Европа и Энцелад — спутники Юпитера и Сатурна соответственно: под ледяным покровом они скрывают огромные океаны; а также крупнейший спутник Сатурна Титан, поверхность которого покрыта озерами, образовавшимися благодаря жидкому азоту, — они могут играть ту же роль для зарождения жизни, что и вода на Земле.

• Появление новых наземных и космических обсерваторий. Они помогли расширить наши представления о далекой Вселенной и дали возможность изучать ее не только в видимом свете, но и в других диапазонах, например с помощью инфракрасного излучения и радиоволн. Возросшие возможности обсерваторий также помогли выявить несоответствие между двумя ключевыми методами определения скорости расширения Вселенной, что подтвердило: «кризис в космологии» продолжается, а его разрешение может дать новое понимание законов физики, управляющих космосом.

Эти и другие важные открытия позволяют исследовать происхождение не только Вселенной, но и отдельных крупнейших ее структур, образованных веществом. Среди них звезды, что сияют в космосе, планеты, обладающие наиболее пригодными условиями для зарождения жизни, и, собственно, сама жизнь, которая могла возникнуть на одной или нескольких таких планетах, в других местах Солнечной системы и во всей Вселенной.

Люди проявляют интерес к вопросам происхождения мира по многим причинам как логического, так и эмоционального характера. Мы едва ли способны объять суть чего бы то ни было, пока не узнаем, откуда оно появилось. Из всех историй, что мы когда-либо слышали, именно те, что говорят о первоисточнике, начале начал, находят в нас наибольший отклик.

Врожденная эгоистичность человека, обусловленная эволюцией его вида и приобретенным на Земле жизненным опытом, естественным образом заставляет нас сосредоточиваться на локальных событиях и явлениях, чтобы рассказать истории их происхождения. Однако с каждой новой ступенью знаний о строении Вселенной мы лишь убеждаемся, что живем на крупице космической пыли, которая вращается вокруг самой заурядной звезды где-то на отшибе самой обычной галактики — одной из сотен миллиардов галактик во Вселенной. Сам факт такой космической незначительности запускает в человеческой психике потрясающий защитный механизм. Многие из нас, сами того не подозревая, напоминают того парня из мультфильма, который глядит на звездные небеса и говорит своему приятелю: «Когда я вижу все эти звезды, то поражаюсь тому, сколь они незначительны».

На протяжении всей истории человечества различные культуры предлагали мифы о создании мира, в которых наше происхождение представлялось результатом действия неких высших сил, определяющих судьбу. Такие истории помогали нам бороться с чувством собственной незначительности. Большинство историй о мироздании, как правило, начинается с общей картины, но они с поразительной скоростью добираются до самой поверхности Земли, молнией проносясь сквозь рождение Вселенной, всего ее содержимого, жизни на Земле как таковой, и превращаются в длинные объяснения бесчисленных подробностей истории человечества и его социальных конфликтов, словно мы с вами и есть центр мироздания.

Почти все разрозненные ответы на вопрос о нашем происхождении так или иначе опираются на основополагающую предпосылку, что космос ведет себя в соответствии с рядом общих правил, которые, по крайней мере гипотетически, раскрываются, когда мы начинаем внимательно изучать окружающий нас мир. Философы Древней Греции вознесли эту предпосылку до невероятных высот. Они настаивали, что человек обладает способностью воспринимать и понимать принципы устройства природы, а также базовую реальность, скрытую под зримыми ее проявлениями. Эта реальность и есть те самые фундаментальные истины, управляющие всем на свете. Они также весьма метко утверждали, что докопаться до этих истин будет непросто. Двадцать четыре столетия назад в своем знаменитом высказывании о невежестве человека греческий философ Платон сравнил тех, кто стремится к знанию, с узниками в пещере, прикованными к полу: они не видят того, что у них за спиной, но пытаются постигнуть достоверную суть этих предметов по очертаниям теней на противоположной стене пещеры.

Этим сравнением Платон не просто подытожил попытки человека понять Вселенную, но и подчеркнул нашу естественную склонность к тому, чтобы приписывать таинственным и едва осознаваемым сущностям власть над ней. И это на основании знаний, которые в лучшем случае являются лишь верхушкой айсберга. От Платона до Будды, от Моисея до Мухаммеда, от гипотетического космического творца до современных фильмов о «матрице» — в каждой культуре люди рано или поздно приходят к выводу, что Вселенной управляют высшие силы, которых не смущает та пропасть, что лежит между реальностью и ее поверхностными внешними проявлениями.

Пятьсот лет назад постепенно сформировался и укрепился новый подход к пониманию природы. Сегодня мы называем этот подход наукой. Он появился в результате взаимодействия новых технологий и тех открытий, которые стали благодаря им возможны. Распространение печатных книг в Европе и одновременное улучшение наземного и водного сообщения позволили людям выходить на связь друг с другом быстрее и эффективнее. Они смогли в краткие сроки узнавать, что думают и говорят другие, и отвечать им гораздо быстрее, чем раньше. В XVI и XVII веках такая ускоренная двухсторонняя схема общения постепенно превратилась в новый формат получения знаний, основанный на принципе, что самый эффективный способ познания космоса — это тщательные наблюдения за ним в сочетании с попытками описать общие базовые принципы, которые объясняли бы множество таких наблюдений.

Кроме того, наука зависит от организованного скептицизма — постоянного и методического подвергания сомнению всех и вся. Немногие из нас сомневаются в собственных выводах, так что на практике наука в полной мере применяет базовый скептицизм, воздавая по заслугам тем, кто сомневается в чужих выводах. Возможно, такой подход следует считать неестественным, и не столько потому, что он поощряет недоверие к мыслям других людей, сколько потому, что наука поощряет и награждает тех, кто смог продемонстрировать, что другой ученый был попросту не прав. В глазах других ученых тот, кто смог поправить ошибку коллеги или назвать достойную причину сомневаться в его (или ее) заключениях, совершает благородное дело подобно учителю дзен-буддизма, который бьет по ушам уклоняющегося от медитации ученика. Правда, надо признать, ученые поправляют друг друга как равный равного, а не как учитель ученика.

Воздавая почести ученому, который заметил у другого ошибку — а такая задача в разы проще, чем заметить свои собственные промахи, — ученые создали внутри своего обособленного мирка врожденную систему самокоррекции. Они совместно учредили самый эффективный и действенный инструмент для анализа природы из доступных нам: ученые ищут способы развенчать предложенные другими теории, но исключительно потому, что искренне стремятся внести вклад в развитие человеческого знания. Таким образом, наука — это коллективная погоня за знанием, но уж точно не кружок взаимного восхищения, впрочем, последнее ей совершенно ни к чему.

Как и все попытки человека добиться прогресса, научный подход работает лучше в теории, чем на практике. Не все ученые подвергают друг друга сомнению так старательно, как следовало бы. Необходимость произвести впечатление на отдельных личностей, которые занимают влиятельные должности и иногда оказываются неосознанными жертвами внешних факторов, нередко вмешивается в самокоррекционные процессы науки. Тем не менее в долгосрочной перспективе ошибки не выживают — рано или поздно их обнаружат другие ученые, которые поднимутся по карьерной лестнице, объявив о своем открытии остальным. Те же заключения, которые выдерживают неоднократные нападки других ученых, в конце концов приобретают статус научных законов; их принимают в качестве состоятельных моделей описания реальности, даже при том, что ученые понимают: каждый из этих законов может в один день оказаться лишь частью какого-то большего и более фундаментального порядка вещей.

Однако нельзя сказать, что ученые тратят все свое время на то, чтобы доказать: кто-то другой был не прав. Большинство научных изысканий подразумевает тестирование не до конца утвержденных гипотез с использованием слегка улучшенных результатов наблюдений. Время от времени рождается принципиально новое вˆидение какой-то важной теории, или (чаще всего в эпоху технологического прогресса) целый свод новых наблюдений открывает глаза на новый возможный свод гипотез, которые способны объяснить эти новые наблюдения. Величайшие моменты научной истории всегда связаны с появлением нового объяснения, которое, возможно, вкупе с новыми результатами наблюдений провоцирует резкий скачок в нашем понимании устройства окружающего мира. Научный прогресс зависит от отдельных личностей из обоих лагерей: тех, кто собирает более качественные данные и осторожно делает новые выводы на их основании, и тех, кто рискует многим (но и многое выигрывает в случае успеха), бросая вызов общепризнанным умозаключениям.

Скептическое ядро науки делает ее неважным конкурентом человеческим сердцам и умам, которые шарахаются от ее бесконечных противоречий и предпочитают безопасную надежность вроде как «непреложных» истин. Если бы научный подход предлагал лишь очередную трактовку устройства Вселенной, он никогда бы не добился чего-либо значительного. Выдающийся успех науки заключается как раз в том, что она работает. Если вы полетите на самолете, построенном по всем канонам науки, то есть на основании принципов, которые выдержали бесчисленное количество попыток доказать их несостоятельность, то вы долетите до пункта назначения с гораздо большей вероятностью, чем если бы отправились в путешествие на самолете, собранном по правилам ведической астрологии.

Относительно новая история показывает, что люди, столкнувшиеся с тем, как успешно наука объясняет естественные явления, демонстрируют один из четырех типов реакции. Во-первых, узкое меньшинство принимает научный подход с распростертыми объятиями, видя в нем главную надежду на то, чтобы когда-нибудь понять природу во всем ее многообразии; они не ищут для себя дополнительных вариантов пояснения устройства Вселенной. Во-вторых, гораздо большее количество людей игнорируют науку, считая ее неинтересной, непроницаемой или противоречащей человеческому духовному началу (те, кто жадно смотрит телевизор, ни на секунду не задумываясь, откуда и как в нем появляются изображение и звук, напоминают нам о тесной этимологической связи слов «магия» и «машина»). В-третьих, еще одно меньшинство болезненно реагирует на то, как наука опровергает дорогие их сердцу верования, и потому активно стремится найти способы в свою очередь опровергнуть те научные результаты, что раздражают или даже гневят их. Правда, делают они это вне скептической системы координат науки. Это можно легко установить, просто задав любому из них вопрос: «Какие вещественные доказательства смогут убедить вас в том, что вы не правы?» Эти антиученые все еще пребывают в состоянии шока, столь искусно описанного Джоном Донном в его поэме «Анатомия мира: первая годовщина» в 1611 году, когда начали появляться первые плоды современной науки:

Все новые философы в сомненье.

Эфир отвергли — нет воспламененья,

Исчезло Солнце, и Земля пропала,

А как найти их — знания не стало.

Все признают, что мир наш на исходе,

Коль ищут меж планет в небесном своде

Познаний новых… Но едва свершится

Открытье — все на атомы крушится.

Все — из частиц, а целого не стало…[1]

Наконец, четвертая — довольно большая — доля общественности принимает научный подход в вопросах изучения природы, при этом сохраняя свою веру в сверхъестественных существ, которые управляют Вселенной за счет механизмов, чья работа находится за гранью нашего понимания. Барух Спиноза, философ, который навел самый прочный мост между естественным и сверхъестественным, отрицал какие-либо различия между природой и Богом и настаивал, что космос есть одновременно и природа, и Бог. Приверженцы более традиционных религий, которые, как правило, утверждают, что это различие есть и оно неоспоримо, часто разрешают для себя эту дилемму, всего лишь разделяя пространства, в которых действуют естественное и сверхъестественное.

К какому бы лагерю вы себя ни относили, нет никакого сомнения в том, что мы живем в благоприятное время для новых открытий, проливающих свет на устройство Вселенной. Так давайте же начнем свое путешествие к истокам человечества в необъятном космосе, побудем немного детективами, которые устанавливают сам факт преступления, исходя из найденных улик. Мы приглашаем вас присоединиться к поискам космических улик и способов их трактовки, чтобы вместе попытаться узнать, как же так вышло, что небольшая часть этой Вселенной превратилась… в нас с вами.

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

Для того чтобы насладиться великолепием цветных фотографий Большого Космоса (в первую очередь снимками с космического телескопа «Хаббл»), скачайте по ссылке файл с иллюстрациями: clck.ru/3DeHsQ.

Часть I. Происхождение Вселенной

Глава 1. В начале всех начал

В начале всех начал была физика. Физика описывает поведение вещества, энергии, пространства и времени и то, как они взаимодействуют друг с другом. В нашем театральном представлении космических масштабов эти взаимодействия лежат в основе всех биологических и химических явлений. По этой причине все фундаментальное и знакомое нам, землянам, начинается с законов физики и именно благодаря им возможно. Применяя эти законы к астрономическим декорациям, мы имеем дело с физикой астрономического масштаба и потому называем ее астрофизикой.

Практически в любой области научных изысканий, но особенно в физике, передовая научных открытий — словно линия на графике, которая соединяет точки экстремальных значений событий и ситуаций, отражающих наши возможности для их измерения. Для вещества такое экстремальное значение представляет собой район черной дыры, где гравитация серьезно искажает окружающий пространственно-временной континуум. На пике энергии при температуре 15 миллионов градусов в ядрах звезд протекает термоядерный синтез. Какое экстремальное значение ни возьми, оно всегда будет связано со умопомрачительно высокой температурой и очень высокой плотностью, характерными для самых первых мгновений жизни нашей Вселенной. Чтобы понять, что происходит в каждом из таких случаев, необходимо вооружиться законами физики, открытыми после 1900 года, в так называемую физиками современную эпоху (это позволяет отделить ее от классической эпохи, куда мы относим всю прочую физику с ее открытиями и теориями).

Одна из ключевых особенностей классической физики заключается в том, что описанные ею события, законы и прогнозы вполне разумны. Все они были открыты и проверены в обычных лабораториях в стенах обычных зданий. Законы тяготения и движения, электричества и магнетизма, природы и поведения тепловой энергии — обо всем этом до сих пор можно узнать на занятиях по физике в старших классах школы. Эти разоблачения тайн природы легли в основу индустриальной революции, изменив культуру и общество так, как предыдущие поколения не могли себе и вообразить, а также по сей день остаются в центре всего происходящего в мире, являются первопричиной всех событий.

В то же время в современной физике ничего разумным не кажется, ведь все события происходят в условиях, лежащих далеко за пределами восприятия доступными человеку чувствами. Это, кстати, даже хорошо. Мы можем радостно заключить, что наша повседневная жизнь протекает совершенно отдельно от физики экстремальных состояний и значений. Вообразите свое самое обычное утро: вы просыпаетесь, бродите по дому, что-нибудь едите и уходите по делам. В конце дня ваши близкие рассчитывают увидеть вас таким же, каким вы были с утра, более того, они уверены, что вы вернетесь домой целым. Теперь представьте себе: вы приезжаете в офис, заходите в перегретый конференц-зал, где в десять утра должно состояться важное собрание, — и вдруг теряете все до одного свои электроны. Или еще хуже — ваше тело рассыпается на миллионы отдельных атомов. Так себе, правда? Ладно, а теперь представим, что вы сидите у себя в кабинете и пытаетесь закончить работу при свете настольной лампы. Вдруг кто-то включает целых 1000 ватт основного освещения — и в результате ваше тело начинает беспорядочно отскакивать от стены к стене, пока вас наконец не выкидывает прямо из окна. А что, если вы пойдете на матч по сумо сразу после работы, где два почти шарообразных джентльмена столкнутся, исчезнут и тут же превратятся в два столпа света, после чего покинут помещение в противоположных направлениях? Или, предположим, по дороге домой вы выбираете непривычный маршрут, и темное здание у обочины сначала затягивает ваши ноги, неимоверно растягивая ваше тело с головы до ног и сжимая ваши плечи, а потом протаскивает вас сквозь узкое длинное отверстие в стене — и вас больше никто не увидит и не услышит…

Если бы подобные вещи происходили с нами в повседневной жизни, современная физика казалась бы нам гораздо менее странной. Наши знания основ теории относительности и квантовой механики были бы естественным отражением нашего жизненного опыта, а наши близкие, скорее всего, ни за что не отпускали бы нас на работу. Но в первые минуты существования Вселенной такие штуки происходили сплошь и рядом! Чтобы представить себе это и хотя бы приблизительно осознать, у нас нет иного выбора, кроме как поставить во главу угла новую форму здравого смысла — этакую адаптированную интуицию, подсказывающую, как именно ведет себя вещество и как законы физики описывают его поведение при экстремальных значениях температуры, плотности и давления.

Добро пожаловать в мир, где E = mc^2.

Впервые Альберт Эйнштейн опубликовал свое знаменитое уравнение в 1905 году в фундаментальной научной статье «К электродинамике движущихся тел», которая вышла в ведущем немецком научном журнале «Анналы физики»2. Она гораздо более известна как специальная теория относительности Эйнштейна: в ней были сформулированы понятия, навсегда изменившие наши представления о времени и пространстве. А ведь в 1905 году сотруднику патентного бюро в швейцарском городе Берне Эйнштейну было всего 26 лет. Позднее в этом же году он внес ряд дополнений в трактовку самого известного своего уравнения в новой выдающейся статье, уместившейся на двух с половиной страницах того же журнала, она называлась «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Не тратьте время на поиски оригинала статьи, эксперименты и проверку теории Эйнштейна: ответ на этот вопрос — «да». Как писал Эйнштейн, используя L там, где ныне мы используем E, и V для обозначения скорости света, которая в настоящее время обозначается как c:

«Если тело отдает в виде излучения энергию L, его масса уменьшается на величину L / V[2]. <..> Масса тела является мерой энергии, которая в нем содержится; если изменить энергию на L, масса изменится соответственно на L /9 х 10^20».

Не до конца убежденный в собственной правоте, он затем предполагает:

«Вполне вероятно, что данную теорию можно проверить на практике, изучив тела, энергия которых способна значительно изменяться (например, соли радия)».

Вот он — алгебраический рецепт на случай, если вам захочется преобразовать вещество в энергию или энергию в вещество. E = mc^2: энергия равняется массе, умноженной на скорость света в квадрате. Эта формула — эффективный вычислительный инструмент, дарящий нам широкие возможности для познания и осознания Вселенной: от ее сегодняшнего состояния и до ничтожных долей секунды после зарождения космоса. Она позволяет определить, сколько энергии может излучать звезда или сколько вы выгадаете, переведя монеты из своего кармана в полезную форму энергии.

Наиболее знакомая всем форма энергии освещает все вокруг, хотя многие даже не догадываются о ее энергетической сути и не задумываются о ее названии. Речь о фотоне — невесомой неделимой частице видимого света или любой другой формы электромагнитного излучения. Мы живем, постоянно купаясь в море из фотонов: они исходят от Солнца, Луны и звезд; духовок, люстр и ночников; сотен теле— и радиостанций; бесчисленных сигналов сотовых телефонов и радаров. Почему же мы не наблюдаем, как день за днем, каждый день энергия превращается в вещество, или наоборот? Дело в том, что энергия обычных фотонов слишком мала, много меньше выраженной через формулу E = mc^2 массы самых крохотных элементарных частиц. Такие фотоны производят слишком мало энергии, чтобы превратиться во что-либо еще, поэтому их удел — весьма незатейливое существование.

Хотите наглядный пример работы формулы E = mc^2? Обратитесь к фотонам гамма-излучения — в них как минимум в 200 000 раз больше энергии, чем в видимых фотонах. Вы очень быстро заболеете раком и умрете, но перед этим вам удастся разглядеть пары электронов: один из вещества, а другой из антивещества (физики называют их электроном и позитроном соответственно). Как и множество подобных динамичных пар в нашей Вселенной, они будут появляться там, где раньше были фотоны. Вы также увидите, как эти пары электронов, сталкиваясь, аннигилируют и вновь превращаются в фотоны гамма-излучения.

Увеличим энергию фотонов еще в 2000 раз и получим гамма-лучи, энергии которых хватит на то, чтобы превратить предрасположенных к этому людей в зеленых монстров наподобие Халка. Пары таких фотонов обладают энергией, описанной уравнением E = mc^2 и достаточной для того, чтобы создавать такие частицы, как нейтроны, протоны и их «антиверсии» — античастицы, каждая из которых имеет массу почти в 2000 раз больше массы обычного электрона. Фотоны с высокой энергией существуют во многих космических горнилах мироздания. Для гамма-излучения подходит практически любая среда, температурой выше нескольких миллиардов градусов.

Трудно переоценить космологическую важность наличия частиц и квантовой энергии, превращающихся друг в друга. В данный момент температура нашей расширяющейся Вселенной, которую можно вычислить, измерив все микроволновые фотоны во всем мировом пространстве, составляет смешные 2,73 градуса по шкале Кельвина. В ней нет отрицательных температур: частицы с наименьшей энергией располагаются на нулевой отметке; комнатная температура составляет 295 градусов; вода кипит при 373 градусах. Как и фотоны видимого света, микроволновые фотоны выше любых суетных попыток превратиться в какие-то частицы под диктовку формулы E = mc^2. Проще говоря, нам неизвестны частицы со столь малой массой, что в них мог бы превратиться микроволновый фотон. То же самое можно сказать и о фотонах, которые составляют радиоволны, инфракрасный и видимый свет, а также ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Еще проще говоря, для преобразований частиц необходимо гамма-излучение. Однако вчера Вселенная была чуть меньше и чуть горячее, чем сегодня, а позавчера — еще чуть меньше и горячее. Теперь откатимся назад, скажем на 13,8 миллиарда лет, и окажемся в самой гуще первичного бульона, образовавшегося после Большого взрыва. Тогда температура космоса была достаточно высокой для того, чтобы представлять собой астрофизический интерес, а гамма-излучение постепенно наполняло Вселенную.

Расшифровка поведения пространства, времени, вещества и энергии от Большого взрыва до сегодняшнего дня — одна из величайших побед человеческого разума. Если вам требуется развернутое объяснение всего, что происходило еще раньше, когда Вселенная была меньше и горячее, чем когда-либо потом, вам нужно найти способ заставить четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные — снова объединиться в одно целое и превратиться в единое метавзаимодействие. Вам также будет необходимо найти способ примирить между собой две физические дисциплины, которые в данный момент несовместимы друг с другом: квантовую механику (науку о малом) и общую теорию относительности (науку о большом).

Воодушевленные объединением квантовой механики и электромагнетизма в середине XX века, которое прошло столь же успешно, как объединение электричества и магнетизма столетием ранее, физики занялись слиянием квантовой механики и общей теории относительности в единую стройную теорию квантовой гравитации. Хотя ничего путного у них пока не вышло, мы уже знаем, когда произошло все самое интересное: во время так называемой планковской эпохи. Она описывает стадию развития космоса вплоть до 10–43 секунд (это одна десятимиллионо-миллиардно-миллиардно-миллиардная доля секунды) от начала времен. Так как информация никогда не путешествует быстрее скорости света (3 х 108 м/с), гипотетический наблюдатель, расположившийся где угодно во Вселенной во время планковской эпохи, смог бы увидеть не далее чем на 3 х 10–35 м вокруг себя (это три стомиллиардно-миллиардо-миллиардных метра). Немецкий физик Макс Планк, в честь которого и были названы эти с трудом вообразимые времена и расстояния, выдвинул гипотезу о квантовой энергии в 1900 году. Сегодня Планк — главный кандидат в общепризнанные отцы квантовой механики.

Однако с точки зрения повседневной жизни волноваться совершенно не о чем. Разногласия квантовой механики и силы тяготения не представляют практических проблем для современной Вселенной. Астрофизики используют принципы и инструменты общей теории относительности и квантовой механики в работе над совершенно разными категориями задач. Однако в самом начале, в планковскую эпоху, большое было одновременно и малым, значит, должен существовать какой-то способ, пусть даже поневоле, реабилитировать отношения этой семейной пары. Да, как ни печально, клятвы, произнесенные тогда у космического алтаря, нам пока узнать не удается, и потому ни один из известных нам законов физики не описывает достаточно убедительно, что же происходило во время краткого медового месяца Вселенной — до того, как ее расширение заставило большое и малое разойтись навсегда.

В конце планковской эпохи гравитация умудрилась отделиться от остальных, все еще объединенных сил природы и обрести независимые характеристики, которые замечательно описаны в наших сегодняшних теориях. Когда Вселенной исполнилось 10–35 секунд, она продолжила расширяться и остывать, и то, что оставалось от когда-то единой силы, постепенно разделилось на электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Еще чуть позже электрослабое взаимодействие поделилось на электромагнитное и слабое ядерное. Вот вам и четыре фундаментальных, хорошо знакомых взаимодействия: слабое управляет ядерным распадом, сильное удерживает вместе частицы атомного ядра, электромагнитное связывает отдельные атомы в целые молекулы, а гравитация помогает веществу образовывать крупные формы и структуры. К тому моменту, как Вселенной исполнилась одна миллиардная доля секунды, ее таинственно эволюционировавшие взаимодействия (а также еще несколько ключевых элементов) уже успели наделить космос своими фундаментальными свойствами, каждое из которых заслуживает отдельной книги.

Пока тянулась та бесконечная, первая в истории Вселенной одна миллиардная доля секунды, взаимодействие вещества и энергии не прекращалось. Незадолго до того, как сильное и электрослабое взаимодействия разделились (а также во время этого деления и после него), Вселенная состояла из кипящего океана кварков, лептонов и их сестер-античастиц, а также бозонов — частиц, которые помогали всем им взаимодействовать друг с другом. Исходя из данных, которыми мы обладаем сегодня, ни одно из этих семейств частиц не делится на что-либо еще меньшее по размеру (или «более базовое»). Однако при всей их фундаментальности в каждое из семейств в свою очередь входят несколько видов частиц. Фотоны — включая те, что образуют видимый свет, — относятся к семейству бозонов. Наиболее известные обывателю (но не физику!) лептоны — это электроны и, пожалуй, нейтрино, а самые общеизвестные кварки… на самом деле таких нет, потому что в повседневных условиях вы не встретите кварков самих по себе, они всегда составляют какие-то другие частицы, например протоны и нейтроны. Каждому виду кварков было дано абстрактное название, не имеющее никакой филологической, философской или педагогической подоплеки. Единственная цель этих названий — помочь различать отдельные виды кварков: верхний кварк (u-кварк) и нижний кварк (d-кварк), странный (s-кварк) и очарованный (c-кварк), истинный (t-кварк) и прелестный (b-кварк)[3].

Кстати, бозоны называются именно так в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. Название «лептон» происходит от греческого leptos — «легкий», «малый». А название «кварк» имеет гораздо более художественное происхождение и даже литературный характер. Американский физик Мюррей Гелл-Ман, выдвинувший гипотезу о существовании кварков в 1964 году и в том числе предположивший, что в семействе кварков есть только три члена, выбрал для них имя из одной довольно туманной строки романа «Поминки по Финнегану» писателя Джеймса Джойса, где герой восклицает: «Три кварка для Мастера Марка!»[4]. У кварков есть одно преимущество — у всех очень простые названия; химикам, биологам и геологам следовало бы поучиться умению физиков давать изучаемому простые и удобные названия, а то они вечно мудрят с терминологией.

Кварки — довольно ловкие ребята. В отличие от протонов, каждый из которых обладает электрическим зарядом +1, и электронов с зарядом –1 каждый, кварки наделены дробными зарядами, кратными одной третьей. За исключением самых экстремальных условий вам никогда не встретить кварк, который гуляет сам по себе: он всегда крепко держит за руку еще кварк-другой. Более того, сила, которая удерживает кварки рядом, только растет, когда вы пытаетесь разделить их, — словно они заключены в какое-то субъядерное эластичное кольцо, не дающее им расстаться. Правда, если все же развести их достаточно далеко, это «кольцо» лопнет. Энергия, высвобожденная при его разрыве, вспоминает о формуле E = mc^2 и приводит к созданию нового кварка на конце каждой половинки «кольца», за которые вы тянули… И все можно начинать сначала.

В эпоху кварков и лептонов, длившуюся первую триллионную долю секунды в жизни космоса, Вселенная была достаточно плотной, и среднее расстояние между связанными и несвязанными кварками было практически одинаковым. В данных условиях между соседними кварками не могли установиться однозначные связи, поэтому они просто свободно перемещались. Экспериментальное обнаружение такого состояния вещества, которое по понятным причинам было названо кварковым бульоном, впервые было объявлено в 2002 году командой физиков Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, Нью-Йорк).

Наблюдения и теория вкупе позволяют предположить, что некое происшествие в самом начале после рождения Вселенной (возможно, в момент выделения из единого силового поля каких-то типов взаимодействия) наградило космос примечательной асимметрией: на одну частицу антивещества приходился примерно миллиард частиц вещества. Сегодня все мы существуем именно по этой причине. Эту крошечную разницу никто бы с ходу и не заметил в период бесконечного создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (помните, они называются позитронами?), нейтрино и антинейтрино. В ту эпоху столь незначительного, казалось бы, преобладания вещества над антивеществом у этого самого «третьего лишнего» (а точнее, у «миллиард первого» лишнего) было множество возможностей встретиться еще с какой-нибудь частицей и аннигилировать. Да что там — все так и делали!

Но этому пришел конец. Вселенная продолжала расширяться и остывать, ее температура быстро упала ниже одного миллиарда градусов по шкале Кельвина. С начала всех начал прошла одна миллионная доля секунды, но в этой умеренно теплой Вселенной температуры и плотности вещества было уже недостаточно для того, чтобы изготавливать новые кварки. Все кварки быстренько нашли себе по партнеру и создали новое семейство тяжелых частиц, которые называются адронами (от греческого hadros — «плотный»). В результате перехода от просто кварков к адронам произошли протоны и нейтроны, а также другие, менее известные виды тяжелых частиц, представляющие собой различные комбинации кварков. Некоторая асимметрия в объеме вещества и антивещества в этом кварколептоновом бульоне передалась адронам… и последствия этого просто невероятны.

Вселенная продолжала охлаждаться, и количество энергии, доступное для спонтанного зарождения частиц, продолжало падать. Во время адронной эпохи фотонам уже не хватало сил на то, чтобы создавать пары «кварк — антикварк» по предписанию формулы E = mc^2: величина их энергии E была ниже, чем значение mc^2. Вдобавок ко всему те фотоны, что остались в живых после всех многочисленных аннигиляций, продолжали терять энергию, отдавая ее расширяющейся Вселенной. Их энергия упала ниже уровня, необходимого для создания пар «адрон — антиадрон». После каждого миллиарда аннигиляций на поминках оставались пировать миллиард фотонов и лишь один-единственный адрон — немое свидетельство былой асимметрии между веществом и антивеществом. Рано или поздно этим одиноким адронам доведется, образно выражаясь, оторваться на полную катушку: они станут сырьем для формирования галактик, звезд, планет и человечества.

Если бы не эта асимметрия, когда на миллиард части вещества приходится одна-единственная частица антивещества, вся масса Вселенной за исключением темной материи, чья форма до сих пор неизвестна, аннигилировала бы в течение первой же секунды своего существования: остался бы космос, в котором не было бы ничего, кроме фотонов. По сути, это самый близкий к историческому «Да будет свет!» сценарий, какой только можно себе вообразить.

С начала всех начал прошла уже целая секунда.

Для Вселенной температура в невообразимый один миллиард градусов — все еще «достаточно не холодно», чтобы производить электроны, которые наряду со своими напарниками-позитронами продолжают появляться и исчезать. Однако их дни (а на самом деле секунды) в этой постоянно расширяющейся и остывающей Вселенной уже сочтены. Что раньше было характерно для адронов, теперь сбывается и для электронов и позитронов: сталкиваясь, они аннигилируют, и в итоге остается один электрон из миллиарда — последний уцелевший герой после взаимного пакта о самоубийстве между частицами вещества и антивещества. Остальным же электронам и позитронам было суждено погибнуть, чтобы заполнить Вселенную еще большим количеством фотонов.

Подошла к концу эпоха электронно-позитронных аннигиляций, и космос «замирает» в состоянии, в котором на каждый электрон приходился один протон. Охлаждение продолжается, температура уже упала ниже 100 миллионов градусов, протоны сливаются с другими протонами и нейтронами, формируя собой атомные ядра и приводя к рождению Вселенной, в которой 90 % таких ядер — это водород, еще почти 10 % — гелий и крошечную долю составляют дейтерий, тритий и литий.

С начала всех начал прошло две минуты.

С нашим весьма аппетитным бульоном из атомных ядер водорода и гелия, электронов и позитронов в следующие 380 тысяч лет ничего особого не происходит. Все эти сотни тысячелетий температура Вселенной все еще остается достаточно высокой, чтобы позволить электронам свободно перемещаться между фотонами, толкаясь и подпихивая их.

В главе 3 мы подробнее расскажем, как это свободное перемещение резко закончилось, стоило температуре Вселенной упасть ниже 3000 градусов по шкале Кельвина (это примерно в два раза холоднее поверхности Солнца). Ну а пока электроны понемногу начинают вращаться вокруг отдельных атомных ядер, один за другим создавая атомы. Этот процесс соединения приводит к формированию Вселенной, в которой новенькие атомы купаются в едином море из фотонов видимого света. На этом и заканчивается история о том, как в первичной Вселенной были сформированы частицы и атомы.

Вселенная продолжает расширяться, а значит, ее фотоны все еще теряют энергию. Сегодня, куда бы астрофизики ни кинули взгляд, они обнаруживают космические следы микроволновых фотонов с температурой 2,73 градуса по шкале Кельвина, оставшиеся после тысячекратной потери фотонами энергии с тех пор, как в мире сформировался самый первый атом. Траектории движения фотонов в небе — то конкретное количество энергии, поступающей из самых разных направлений, — содержат в себе следы распространения вещества во Вселенной тех самых времен, когда атомы еще не начали формироваться. По этим траекториям астрофизики могут судить о многих вещах, включая предполагаемые возраст и форму Вселенной. Несмотря на то что сегодня атомы являются неотъемлемой составляющей существования Вселенной, уравнение Эйнштейна отнюдь не следует сбрасывать со счетов. Оно актуально для ускорителей частиц, в которых каждая пара вещества и антивещества создается из энергетических полей; для ядра Солнца, где 4,4 миллиона тонн вещества ежесекундно превращаются в энергию; для ядер всех остальных звезд.

Формула E = mc^2 умудряется напомнить о себе даже вблизи черных дыр, буквально сразу за их горизонтом событий: здесь пары частиц и их античастиц рождаются за счет феноменальной гравитационной энергии черной дыры. Британский космолог Стивен Хокинг впервые описал подобные выходки в 1975 году, показав, что вся масса черной дыры целиком может медленно испаряться благодаря данному механизму. Другими словами, черные дыры оказались не совсем черными. Это явление называют излучением Хокинга, и оно служит напоминанием о том, сколь плодотворно самое знаменитое уравнение Эйнштейна.

Но что же произошло до всей этой вселенской суматохи? Что произошло до того, как все началось?

Астрофизики не имеют ни малейшего понятия. Точнее говоря, наши самые творческие идеи ничем или почти ничем не обоснованы в рамках экспериментальной науки. При этом верующие люди любят утверждать, причем нередко с легким оттенком самодовольства, что все же что-то конкретное должно было все это «начать», некая сила, превосходящая все остальные силы, исток у истоков мира. Некая первопричина. В голове такого человека это самое «что-то», конечно же, Бог, природа которого может различаться в глазах разных верующих, но который всегда оказывается в ответе за то, что «все началось».

Но что, если Вселенная была всегда? В таком состоянии или при таких условиях, которые нам еще предстоит понять и описать, например в виде Мультивселенной, где все, что мы называем своей Вселенной, — лишь крошечный пузырек в пене океанического прибоя? А может, Вселенная «начала существовать» подобно частицам, просто появившись совершенно из ниоткуда и вообще без причины?

Подобные отповеди обычно никого не убеждают. Тем не менее они напоминают нам о том, что осведомленное невежество — это естественное состояние ума ученых-исследователей, которые стоят во главе движения за улучшение качества и количества знаний, доступных человеку. Люди, которые считают себя всезнающими, никогда не пытались обнаружить да и никогда не забредали случайно за границу знаний о космосе между известным нам и неизвестным. «Вселенная была всегда» — такой ответ не вызовет уважения в ответ на вопрос о том, «что же было до начала всех начал». При этом для верующих людей ответ «Господь был всегда» является очевидным и очень приятным ответом на вопрос «Что было до того, как появился Господь?»

Кем бы вы ни были, пускаясь навстречу открытиям, раскрывающим тайну о том, где и как все когда-то начиналось, вы почувствуете мощный эмоциональный подъем, как если бы знание о происхождении человечества каким-то образом делало вас более приспособленным к тому, чему еще предстоит случиться в будущем. Жизнь и Вселенная преподают нам один и тот же урок: знать, откуда ты пришел, не менее важно, чем знать, куда ты направляешься.

Глава 2. О важности антивещества

Физике элементарных частиц принадлежит пальма первенства за самый необычный и одновременно с этим игривый профессиональный жаргон среди всех физических дисциплин. В предыдущей главе мы познакомились не только с протонами, нейтронами и электронами, но также с фотонами, адронами, бозонами и кварками. Но этого недостаточно, чтобы почувствовать всю глубину бездны, в которой существуют названия, имеющие отношение к физике элементарных частиц. Где еще вы найдете отрицательный мюон и мюонное нейтрино, обменивающиеся нейтральным векторным бозоном? Или станете свидетелем глюонного обмена, благодаря которому соединяются странный и очарованный кварки? Где еще вам удалось бы встретить гравитино, фотино и скварки? А ведь помимо этих, казалось бы, бесчисленных частиц со странными названиями, физикам приходится также иметь дело с параллельной Вселенной из их античастиц, которые образуют собой антивещество. Несмотря на то что вы встречаетесь с антивеществом преимущественно в научной фантастике, оно существует на самом деле. Вы, наверное, уже догадываетесь, что оно склонно аннигилировать при контакте с обычным веществом?

Между частицами и античастицами в нашей Вселенной уже давно развивается нежный роман. Они могут вместе родиться из чистой энергии и аннигилировать, обращая свою обретенную при рождении массу обратно в энергию. Антиматерия может возникнуть из ничего или, точнее, из тонкого пространства. Гамма-фотоны с достаточно высокой энергией могут трансформироваться в пары «электрон — позитрон», преобразуя тем самым свою огромную энергию в небольшое количество материи, энергетический баланс которой удовлетворяет формуле E = mc^2. Энергия, заключенная в паре «электрон — позитрон», эквивалентна энергии движения фотона гамма-излучения.

В 1932 году американский физик Карл Дэвид Андерсон открыл позитрон — положительно заряженную частицу антивещества, аналог отрицательно заряженного электрона. С той поры физики, занимающиеся элементарными частицами, регулярно изготавливают самые разные античастицы в ускорителях частиц по всему миру, но лишь совсем недавно им удалось собрать античастицы в полноценные атомы. С 1996 года международная группа ученых под руководством Вальтера Улерта при Институте ядерной физики исследовательского центра в немецком городе Юлихе создает атомы антиводорода, в которых антиэлектрон благосклонно вращается вокруг антипротона. Чтобы сделать несколько первых подобных антиатомов, физики воспользовались огромным ускорителем частиц, принадлежащим Европейской организации ядерных исследований (гораздо более широко известной как ЦЕРН[5]), расположенной в Женеве, Швейцария. Благодаря ему свершилось множество важных открытий и событий в области мировой физики элементарных частиц.

Физики применяют довольно простую методику для создания антиатомов: сначала они изготавливают антиэлектроны и антипротоны, потом подталкивают их друг к другу при подходящей для этого температуре, а затем ждут, пока они не соединятся в атомы (то есть антиатомы). Во время первого раунда экспериментов команда Улерта смогла создать девять атомов антиводорода. Но в мире, в котором преобладает вещество, атому антивещества живется довольно туго. Эти атомы антиводорода просуществовали менее 40 наносекунд (40 миллиардных долей секунды), прежде чем аннигилировали один за другим вместе с атомами обычного вещества.

Открытие антиэлектрона стало одним из величайших триумфов теоретической физики, ведь его существование было предсказано родившимся в Великобритании физиком Полем Андриеном Морисом Дираком буквально за несколько лет до этого. Чтобы описать вещество на уровне атомных и субатомных частиц, в 1920-е годы физики разработали новую отрасль науки, которая занималась бы разъяснением результатов их экспериментов с этими частицами. Используя новый установленный свод правил, сегодня известный как квантовая теория, Дирак вывел из второго решения своего уравнения постулат о том, что некий электрон-призрак с «другой стороны» Вселенной может иногда залетать в наш мир в качестве обычного электрона, оставляя за собой пробел — недоимку — в море отрицательной энергии. Дирак надеялся, что это поможет ему лучше понять и описать природу протонов, но другие физики предположили, что подобный энергетический пробел, или «дырка», заявит о себе как антиэлектрон с положительным зарядом. В итоге его назвали позитроном, что отражает приписанный ему положительный электрический заряд. Обнаружение реально существующих позитронов подтвердило базовые предположения Дирака и окончательно возвело антивещество в ранг явлений, достойных не меньшего внимания, чем обычное вещество.

Уравнения, имеющие два решения, довольно распространены. Один из самых простых примеров здесь, безусловно, — это ответ на вопрос: «Какое число нужно умножить само на себя, чтобы получить девять?» 3 или –3? Конечно, оба ответа верны, потому что 3 х 3 = 9, но и (–3) х (— 3) = 9. Физики не могут гарантировать, что все решения конкретного уравнения будут соответствовать событиям в — реальном мире, но если у нас есть состоятельная математическая модель физического явления, то манипуляции с ней могут быть не менее полезны (и при этом в разы проще), чем манипуляции с целой Вселенной как таковой. Как и в случае с Дираком и антивеществом, подобные шаги часто приводят к предсказаниям, которые со временем удается проверить. Если предсказания оказываются неверными, теорию отвергают. Но каким бы ни был физический — материальный — результат, математическая модель позаботится о том, чтобы выводы, которые из нее можно сделать, одновременно были логичными и не содержали внутренних противоречий.

Субатомные частицы имеют множество измеримых свойств, среди которых масса и электрический заряд значатся как одни из самых важных. За исключением массы частицы, которая всегда одинакова для нее и ее античастицы, прочие свойства каждого типа античастицы всегда оказываются диаметрально противоположными тем, что мы наблюдаем у вещества. Так, например, масса позитрона всегда равна массе электрона, но у позитрона одна единица положительного заряда, в то время как электрон обладает ровно одной единицей отрицательного заряда. Сходным образом антипротон — это заряженная «наоборот» античастица протона.

У нейтрона с его нулевым зарядом тоже есть античастица — антинейтрон. У антинейтрона противоположный нулевой заряд по сравнению с обычным нейтроном. Это арифметическое волшебство возможно благодаря тому, что каждый нейтрон состоит из трех кварков, в свою очередь обладающих дробными зарядами. У трех кварков, которые образуют нейтрон, следующие заряды: –1/3, –1/3 и +2/3. В таком случае антинейтрон состоит из антикварков с зарядами +1/3, +1/3 и –2/3. Совокупный заряд каждой троицы равен нулю, но этот нуль образован тройками противоположно заряженных составных субатомных частиц — кварков и антикварков.

На самом деле антивещество можно получить буквально из ничего. Если у фотонов гамма-излучения будет достаточно энергии, они смогут превратиться в пары «электрон — позитрон», конвертируя всю свою немалую энергию в небольшое количество вещества. Этот процесс полностью соответствует знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc^2. Говоря языком оригинальной интерпретации Дирака, фотон гамма-излучения выталкивает электрон из среды отрицательной энергии, создавая обычный электрон и «дырку» в месте его отсутствия. Возможен и обратный процесс: если столкнутся частица и античастица, они аннигилируют, заполняя собой «дырку» и выделяя гамма-излучение. Надо отметить, что оно относится к тому типу излучения, которого следует сторониться.

Если вам удастся создать каплю из античастиц в домашних условиях, вы окажетесь в безвыходном положении. Встанет вопрос, как их хранить, ведь ваши античастицы немедленно аннигилируют при контакте с обычным веществом, то есть с любым пакетом, банкой или коробкой. Подходящая система хранения для антивещества — мощная магнитная ловушка, которая удерживала бы античастицы в одном месте, не давая им коснуться стен, дна или крышки «контейнера». Если вы создадите такое магнитное поле в вакууме, то сможете вздохнуть с облегчением: теперь ваши античастицы в безопасности и аннигиляция им не угрожает. Такой магнитный аналог пробирки подойдет и для обращения с другими материалами, которые плохо сочетаются с контейнерами любого типа, например для светящихся газов с температурой в сотни миллионов градусов, которые используют в экспериментах по ядерному синтезу (разумеется, под присмотром ученых). Однако еще более глобальная проблема хранения возникает, когда у вас на руках появляются целые антиатомы, ведь антиатомы, как и атомы, обычно не отскакивают от магнитных стенок. Лучше всего будет хранить позитроны и антипротоны в отдельных магнитных ловушках вплоть до ключевого момента, когда вы соберетесь их — соединить.

На создание антивещества уходит как минимум столько же энергии, сколько вы сможете получить, когда оно аннигилирует с веществом, чтобы вновь превратиться в энергию. То есть если перед запуском космического корабля у вас нет с собой полного бака антивещества, то работающий по принципу «автогенерации антивещества» двигатель будет просто постепенно отбирать у вашего корабля обычную энергию. Возможно, в первоначальной версии кино и телесериала «Звездный путь»[6] данный факт и был как-то принят к сведению сценаристами, однако капитан Кирк регулярно просил «прибавить ходу» за счет двигателей, работающих на веществе и антивеществе, на что главный инженер Скотти неизменно отвечал ему со своим чудесным шотландским акцентом: «Да больше некуда!»

Хотя физики считают, что атомы водорода и антиводорода должны вести себя одинаково, им пока не удалось подтвердить или опровергнуть это утверждение в экспериментальных условиях. Это связано в первую очередь с проблемой сохранения атомов антиводорода собственно в виде атомов — ведь они почти сразу же аннигилируют при контакте с протонами и электронами. Ученые хотели бы удостовериться, что поведение позитрона, связанного с антипротоном в атоме антиводорода, досконально следует всем законам квантовой теории и что сила гравитации, создаваемая антиатомами, работает точно так же, как создаваемая обычными атомами.

Может ли антиатом порождать антигравитацию, или отталкивающую силу, вместо обычной гравитации — силы притяжения? Вся теория указывает на то, что этот сценарий невозможен, но вдруг это не так? Если мы найдем антигравитацию в антиатомах, это станет источником новых удивительных открытий и знаний об устройстве окружающего мира. В масштабе отдельных атомов величина гравитации между двумя отдельными частицами ничтожно мала. Не гравитация, но электромагнитное и ядерное взаимодействия определяют поведение этих крохотных частиц, каждое из них в разы мощнее гравитации. Для проверки возможности существования антигравитации понадобится много антиатомов, чтобы собрать из них объекты достаточных размеров, позволяющих достоверно оценить и измерить их свойства, а затем сравнить со свойствами привычного нам вещества. Если сделать набор бильярдных шаров (стол и кии) из антивещества, будет ли игра в антибильярд неотличима от игры в бильярд? Будет ли антишар с нарисованной на нем антивосьмеркой падать в угловую лузу точно так же, как и обычный шар с восьмеркой? Вращаются ли антипланеты вокруг своих антизвезд так же, как и обычные планеты вокруг обычных звезд?

Предположение, что суммарные свойства антивещества окажутся равнозначными свойствам обычного вещества, демонстрируя привычную силу тяготения, привычные столкновения, свет и т. д., — разумно с философской точки зрения и не идет вразрез со всеми прогнозами и предписаниями современной физики. К сожалению, это означает, что, если бы в нашу сторону двигалась некая антигалактика, столкновение которой с Млечным Путем было бы неизбежным, мы не имели бы никакой возможности различить ее заранее, а потом уже было бы слишком поздно что-то предпринимать. Правда, столь плачевная судьба не может быть регулярным явлением в сегодняшней Вселенной: если бы, например, одна антизвезда аннигилировала с одной обычной звездой, превращение их вещества и антивещества в энергию гамма-излучения было бы мгновенным, яростным и тотальным. Если бы две звезды массой примерно с наше Солнце (в каждой из них тогда было бы 10^57 частиц) столкнулись в нашей галактике, их аннигиляция создала бы такой яркий источник света, что он временно превысил бы по силе всю энергию всех звезд сотни миллионов галактик и изжарил бы нас в мгновение ока. У нас нет никаких убедительных доказательств того, что нечто подобное хоть раз произошло где-либо в нашей Вселенной. По этой причине, насколько мы можем судить, во Вселенной все же преобладает обычное вещество, более того, так оно и было с первых же минут ее существования после Большого взрыва. Так что не беспокойтесь: когда вы в следующий раз отправитесь в межгалактическое путешествие, мгновенную и немучительную смерть от тотальной аннигиляции из-за столкновения большой массы вещества и антивещества можно смело вычеркнуть из списка первоосновных вопросов безопасности.

Однако теперь получается, что Вселенная пребывает в пугающем неравновесии. Мы предполагаем, что частицы и античастицы должны создаваться в равном количестве, но во все стороны от нас простирается космос, где вещества существенно больше и ему нисколько не мешает недостаток антивещества. Может, где-то есть тайные космические пазухи, в которых прячется все антивещество, которого мы недосчитались? Может, какие-то законы физики были нарушены в первые мгновения существования Вселенной (или тогда всем руководил какой-то неизвестный нам сегодня закон), из-за чего было навсегда нарушено равновесие между веществом и антивеществом? Недавние результаты, полученные в ЦЕРН, дразнят намеками на то, что антивещество, если его оставить в покое на достаточно долгое время, может самопроизвольно превратиться в обычное вещество, что нарушает все известные законы физики элементарных частиц. Мы можем никогда не узнать ответов на эти вопросы, но вот вам один хороший совет: если над лужайкой у вашего дома в воздухе повиснет инопланетянин и протянет вам щупальце в знак приветствия, не торопитесь протягивать руку в ответ. Сперва киньте ему свой любимый бильярдный шар-восьмерку. Если щупальце и шар взорвутся, инопланетянин, скорее всего, состоит из антивещества. (Не будем останавливаться здесь на том, как он сам и его приятели отреагируют на взрыв, или на том, что будет с вами в результате такого взрыва.) Если же ничего плохого не случится, берите своего нового друга за космическую лапу и ведите его к лидеру человечества.

Глава 3. Да будет свет!

Одного взгляда на ночное небо в ясную, безоблачную погоду достаточно, чтобы убедиться: Вселенная наполнена светом. Ночью мы можем любоваться теми звездами, которые ближе всего расположены к Солнцу, но за ними скрываются сотни миллиардов других, невидимых невооруженному глазу, и все это наши соседки по Млечному Пути. А сколько их в других галактиках? Триллионы и триллионы — это очень трудно себе вообразить, однако современное развитие наших космологических знаний основано не только на наблюдениях в видимом диапазоне спектра. То, что скрыто от наших телескопов, тоже снабжает нас интереснейшей информацией.

Видимый свет занимает небольшую центральную часть всего спектра электромагнитного излучения, который простирается от гамма-лучей с самой короткой длиной волны на одном конце до радиоволн с самой большой длиной волны на другом. Каждый тип электромагнитного излучения состоит из фотонов, частиц без массы, которые движутся в пространстве с одинаковой скоростью, «скоростью света», преодолевая за секунду около 186 000 миль, или 300 000 километров. Фотоны различаются длиной волны, частотой вибрации и энергией, которую несет каждый из них. Однако знаменитая формула Эйнштейна описывает количество энергии, содержащейся в массе частицы, а именно ее у фотонов не имеется. Они несут энергию движения, и это позволяет им воздействовать на материю: например, фотоны видимого света могут вызывать химические изменения в сетчатке человеческого глаза. Гамма-лучи, обладающие наибольшей удельной энергией, представляют опасность для тканей человека; радиоволны, даже самые короткие, могут проходить сквозь стены (и нас), практически не оказывая никакого влияния.

В принципе все фотоны можно называть «светом», если помнить, что полный спектр «света» включает множество разновидностей. Эта терминология служит прекрасным напоминанием о фундаментальном сходстве всех типов фотонов и лежит в основе поэтического описания космоса, гласящего, что Вселенная родилась в яркой вспышке света, заполнившей все пространство, после чего она продолжила испускать свет и будет это делать всегда. С тех пор продолжающееся расширение Вселенной привело к — постепенному увеличению длины волн фотонов и уменьшению их энергии. А 14 миллиардов лет спустя сияние света стало — настолько скромным, что его удалось заметить только после 1964 года.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой пенящийся океан частиц с чрезвычайно высокой энергией, чьи столкновения порождали другие типы частиц и античастиц, которые тут же уничтожали друг друга. Но по мере расширения Вселенной и создания новых пространств энергия частиц уменьшалась, и уже через полчаса рождения эпоха созидания и разрушения вселенских масштабов подошла к концу. К этому времени в космосе сформировалась базовая смесь, состоящая из «обычной» материи, то есть знакомой нам материи, которую можно противопоставить загадочной «темной материи», обсуждаемой в главе 4. Обычная материя существовала лишь в нескольких основных разновидностях: протоны, электроны, ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), поток фотонов и поток частиц-«призраков», называемых нейтрино.

За следующие 3800 столетий, пока расширение Вселенной продолжало уменьшать энергию беспокойных частиц, мало что изменилось. Она оставалась непрозрачной для фотонов, которые могли преодолевать лишь крошечные расстояния, прежде чем встречали свободно движущиеся электроны и отскакивали в другом направлении. Даже если бы у вас была возможность увидеть всю Вселенную, вы и тогда бы не смогли этого сделать, поскольку фотоны, направляющиеся к сетчатке вашего глаза, за наносекунды или пикосекунды до того, как достигнуть ее, отражались бы от электронов прямо перед вашим лицом и создавали светящийся туман во всех направлениях. Электроны оставались свободными, потому что удары гигантского количества фотонов мешали их естественному стремлению создавать атомы, выходя на орбиты вокруг протонов или ядер гелия. Все вновь созданные атомы немедленно разрушались, когда в них попадали энергичные фотоны и выбивали из них электроны. Эти постоянные взаимодействия между фотонами и материей сгладили Вселенную, так что каждый кубический сантиметр стал иметь почти одинаковую плотность материи, одинаковое количество фотонов и одинаковую температуру на протяжении всего ее пространства.

Космологи характеризуют море фотонов, подобных тем, что наполняют Вселенную, исходя из понятия описательной температуры. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля (скажем прямо, что ни один объект не имеет такой температуры) будет излучать фотоны различной энергии, но в основном с энергией, зависящей от его температуры. Ваше тело, например, имеющее температуру около 310 градусов выше абсолютного нуля, излучает преимущественно инфракрасные фотоны. Ученые определяют эту температуру как 310 К, где К обозначает абсолютную температуру по шкале Кельвина, которая начинается с 0 в точке абсолютного нуля и делится на те же температурные интервалы между градусами, что и шкала Цельсия. Гораздо более горячие объекты — например, звезды — излучают большую часть своих фотонов с энергиями, характерными для видимого света. Температура частиц, обладающих массой, изменяется прямо пропорционально средней кинетической энергии частицы, и наоборот. Пик энергии излучения, производимого частицами, определяется температурой этих частиц. Когда астрофизики говорят, например, что излучение Солнца имеет характерную температуру 6000 К, они подразумевают, что газ, испускающий это излучение, имеет такую же температуру.

Создание нового пространства гораздо легче описать, чем представить. Тем не менее этот процесс продолжается до сих пор, а значит, энергия всех частиц по-прежнему уменьшается. В конце концов, в настоящее время не осталось ни одного фотона, который обладал бы таким количеством энергии, чтобы с ее помощью освободить электроны из атома. Однако фотоны, хоть и лишенные энергии, могут свободно путешествовать по космосу со скоростью света. Начало «эпохи разделения», наступившей через 380 000 лет после Большого взрыва, считается одной из ключевых вех в космической истории, потому что знаменует переход от непрозрачной Вселенной к прозрачной. С тех пор фотоны, наполнявшие (и продолжающие наполнять) космос, беспрепятственно путешествуют по пространству, изменяясь только за счет постоянного уменьшения их энергии, вызванного расширением Вселенной. Появившись как гамма-излучение, фотоны постепенно превратились в ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные фотоны, при этом они никогда не переставали быть фотонами, несмотря на то, что длина их волн увеличивается, а энергия, наоборот, уменьшается.

Астрофизики придумали термин «реликтовое излучение», чтобы описать вселенское множество фотонов, вырвавшихся на свободу после того, как атомы получили возможность формироваться и сохраняться по всей Вселенной. Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после рождения Вселенной, фотоны реликтового излучения сместились вниз в рамках спектра, превратившись в микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение. Вот почему астрофизики называют его космическим микроволновым фоном, хотя термин «реликтовое излучение» все же пользуется большей популярностью. Пройдет еще сотня миллиардов лет, Вселенная станет еще огромней и прохладнее, и астрофизики будущего назовут наше реликтовое излучение космическим радиоволновым фоном.

Наблюдая реликтовое излучение, мы изучаем фотоны, путешествовавшие почти 14 миллиардов лет. А учитывая тот факт, что любые фотоны, возникшие до момента разделения, тоже путешествовали далеко от нас со скоростью света в течение того же периода времени, можно сделать вывод: раз реликтовое излучение поступает к нам почти в одинаковом количестве со всех сторон, значит, Вселенная была однородной почти повсюду.

Но почему нас должно волновать это излучение? Что интересного может сообщить нам космическое море фотонов? Ответ имеет огромную информационную ценность: эти фотоны несут отпечаток давно минувшего прошлого, самого давнего, которое только можно наблюдать (за исключением еще более отдаленного прошлого, которое человечество сможет наблюдать в XXII веке), и раскрывают важнейшие факты о молодой Вселенной, когда ее возраст был меньше одной сорокатысячной нынешнего возраста.

Особое удовлетворение астрофизикам доставляют крошечные различия в количестве и энергии фотонов реликтового излучения, которые приносит к нам из разных направлений. Эти вариации обусловлены неравномерным распределением вещества в эпоху разделения. В некоторых областях плотность материи была чуть выше средней, в некоторых — чуть ниже. Вся структура современной Вселенной отражает эти различия в плотности, потому что море фотонов накапливало их все это время. Области с более высокой плотностью имели больше шансов сформировать огромные скопления галактик; области с более низкой плотностью были лишены возможности концентрировать материю и превратились в пустоты.

Реликтовое излучение — прекрасный пример того, как появление результатов достаточно точных наблюдений приводит к победе одной из соперничающих теорий. Это открытие примечательно тем, что существование реликтового излучения было предсказано еще до того, как ученые получили возможность наблюдать его, и в данном случае предсказание было сделано за два десятилетия до появления технологии, позволившей доказать его верность. В 1927 году бельгийский католический священник Жорж Леметр, который также был космологом (в чем, конечно, есть определенный смысл), основываясь на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, создал концепцию «первоначального атома» — по сути дела предтечи модели Большого взрыва. Двадцать лет спустя, следуя рассуждениям Леметра, физик украинского происхождения Георгий Гамов (к тому времени гражданин США) в сотрудничестве с Ральфом Алфером и Робертом Херманом пришел к выводу, что ранняя Вселенная должна была быть чрезвычайно горячей, а затем постепенно охлаждаться. Алфер и Херман использовали законы физики для описания расширения Вселенной после момента разделения, когда образовались первые атомы, а фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, и пришли к выводу, что теперь реликтовое излучение должно иметь температуру, близкую к 5 К.

Да, их подсчет оказался неверным — сегодня мы знаем, что фактическая температура реликтового излучения составляет 2,73 градуса по шкале Кельвина. Но это не умаляет того факта, что эти трое ученых пришли к верному выводу об устройстве мира в столь древнюю космическую эпоху — и это достижение не менее важно, чем любое другое в истории науки. Взять за основу базовые закономерности физики, сидя в уютной лаборатории, и выявить с их помощью крупнейший комплекс данных, когда-либо измеренных, — получить кривую температурной истории Вселенной, — если это не сногсшибательно, то тогда вообще неясно, что можно считать таковым. Профессор Джон Ричард Готт III, астрофизик Принстонского университета, дал следующую оценку этому успеху в своей книге «Путешествия во времени в эйнштейновской Вселенной»[7]:

«Предсказать существование излучения и затем предположить значение его температуры, ошибившись менее чем в два раза, — это замечательное достижение: это как если бы вы предсказали, что летающая тарелка диаметром 50 футов[8] приземлится на газон у Белого дома, и затем стали свидетелем того, как именно туда прилетает и садится 27-футовая[9] тарелка».

Когда Гамов, Алфер и Херман озвучили свои предположения, физики все еще не имели на руках точной истории зарождения Вселенной. В 1948 году, когда увидела свет работа Алфера и Германа, в Англии также вышли две научные статьи о теории «стационарной Вселенной». Одна из них была написана математиком Германом Бонди и астрофизиком Томасом Голдом, а другая — космологом Фредом Хойлом. Согласно теории стационарной Вселенной, последняя, хотя и расширяется, всегда выглядела и выглядит одинаково. Надо признать, эта гипотеза весьма привлекательна своей простотой. Но так как Вселенная все же расширяется, а стационарная Вселенная не могла бы вчера оказаться более горячей или более плотной, чем сегодня, сценарий Бонди, Голда и Хойла предполагает, что она постоянно «пополняется» новым веществом как раз с нужной скоростью для того, чтобы плотность бесконечно расширяющегося космоса не менялась. В противовес этому теория Большого взрыва (такой «кличкой» ее презрительно наградил Хойл, не зная, что она приживется) подразумевает, что все вещество, имеющееся сегодня во Вселенной, появилось разом. Некоторые находят в этой идее определенное утешение. Обратите внимание: теория стационарной Вселенной просто отодвигает в неопределенное прошлое сам вопрос о ее возникновении как таковом — уж очень удобная позиция для тех, кто предпочел бы вообще не касаться этой колючей темы.

Высказанное предположение о реликтовом излучении стало своеобразным предупредительным выстрелом в стан поклонников теории стационарной Вселенной. Его существование явно доказало бы, что когда-то Вселенная была совсем другой — гораздо плотнее и горячее, чем сегодня. Соответственно первые прямые улики, говорящие о реликтовом излучении, вогнали первые несколько гвоздей в крышку гроба стационарной теории (хотя Фред Хойл так никогда до конца и не принял факта существования реликтового излучения, подрывающего его элегантную теорию, и до самой смерти пытался найти ему альтернативное объяснение). В 1964 году реликтовое излучение было по счастливому стечению обстоятельств обнаружено радиофизиками Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в лабораториях компании Bell Telephone в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Чуть более десятилетия спустя Пензиас и Уилсон получат Нобелевскую премию за свою невероятную удачу и кропотливую работу.

Что же привело Пензиаса и Уилсона в нобелевские лауреаты? В начале 1960-х все физики были знакомы с микроволновым излучением, но почти никому не удавалось обнаружить наиболее слабые сигналы в микроволновой части спектра. В те дни большинство беспроводных способов коммуникации (рации, детекторы и др.) работало на радиоволнах, а их длина превышает длину СВЧ-волн. Ученым требовалось устройство, способное обнаружить волну более короткой длины, то есть была нужна более чувствительная антенна, которая могла такой сигнал уловить. В лабораториях Bell Telephone имелась одна огромная антенна в форме рога (или воронки), которая могла улавливать микроволновые сигналы не хуже, чем любой аналогичный аппарат на Земле.

Если вы соберетесь отправить или получить какой бы то ни было сигнал, вам не захочется, чтобы его нарушали другие сигналы. Пензиас и Уилсон пытались создать для Bell Labs[10] новый коммуникационный канал, поэтому они хотели точно определить, какой объем фонового шума будет портить им сигнал — неважно, откуда бы он исходил: от Солнца, из центра галактики, от наземных источников. И они приступили к весьма стандартному, очень важному и совершенно невинному процессу измерения, по итогам которого должны были понять, насколько это вообще легко — улавливать микроволновое излучение. Да, Пензиас и Уилсон обладали определенными знаниями в области астрономии, но они не были космологами: эта пара физиков-техников просто хотела исследовать СВЧ-волны, понятия не имея о предсказаниях Гамова, Альфера и Германа. И уж чего они точно не собирались искать и обнаруживать, так это космическое микроволновое (оно же реликтовое) излучение.

Они провели запланированные исследования и скорректировали полученные данные, учтя все известные им источники помех. Однако в сигнале присутствовал фоновый шум, избавиться от которого не получалось, как бы они ни старались. Казалось, этот шум шел одновременно отовсюду, и его уровень оставался неизменным. Тогда они заглянули в свой огромный рог. Там гнездились голуби, из-за чего весь рупор и его ближайший радиус были покрыты «белым диэлектрическим веществом» (а попросту голубиным пометом). Видимо, Пензиас и Уилсон уже были на грани отчаяния, ибо они задались вопросом: может ли помет быть причиной непропадающего фонового шума? Они все тщательно очистили, и, надо признать, шум слегка уменьшился, но избавиться от него полностью так и не удалось. В 1965 году они опубликовали в «Астрофизическом журнале»[11] научную статью, в которой назвали эту неразрешимую загадку «повышенной температурой антенны»; назвать ее «астрономическим открытием века» им просто не пришло в голову.

Пока Пензиас и Уилсон выскребали из рупора антенны птичий помет, команда физиков Принстонского университета во главе с Робертом Генри Дикке строила детектор, предназначенный специально для того, чтобы обнаружить то самое реликтовое излучение, о котором говорили Гамов, Алфер и Херман. Правда, профессора не располагали такими ресурсами, как сотрудники Bell Labs, поэтому работа у них продвигалась медленнее. Стоило Дикке и его коллегам услышать о полученных Пензиасом и Уилсоном результатах, как стало ясно: их обогнали. Принстонская команда прекрасно знала, что это за «повышенная температура антенны». Все вписывалось в теорию: температура, тот факт, что сигнал приходил равномерно и со всех сторон и не менялся в зависимости от вращения Земли (времени суток) или ее расположения на орбите Солнца (времени года).

Принятию подобной трактовки способствовало несколько причин. Фотонам нужно время на то, чтобы добраться до нас с вами из далеких уголков космоса, поэтому получается, что, глядя в космос, мы на самом деле смотрим в далекое прошлое. Это значит, что, если бы некие разумные обитатели одной далекой-далекой галактики измерили бы для своих нужд температуру реликтового излучения задолго до того, как это удалось сделать нам, они получили бы значение выше 2,73 градуса по шкале Кельвина, потому что жили бы намного раньше, — когда Вселенная была моложе, компактнее и горячее, чем сегодня.

Проверить это смелое утверждение легко! Оказывается, соединение углерода и азота под названием «циан» (с ним особенно хорошо знакомы смертники американской судебной системы — это активный ингредиент ядовитого газа) приходит в возбуждение под воздействием СВЧ-излучения. Температура микроволнового излучения выше, чем реликтового, поэтому микроволновое излучение приводит молекулу циана в большее возбуждение. Таким образом, соединения циана можно использовать в качестве космического термометра. Обозреваемые нами с большого расстояния (а значит, передающие привет из более молодых галактик) молекулы циана купаются в более теплых реликтовых лучах, чем посчастливилось циану в галактике Млечный Путь. Другими словами, получается, что те, другие, галактики с точки зрения циана живут более насыщенной жизнью. И ведь так и есть! Обозримый спектр циана в далеких галактиках демонстрирует микроволновое излучение именно той температуры, какую ожидалось бы увидеть и в нашей Вселенной в более ранний период ее существования.

Поверьте, выдумать такое просто невозможно.

Реликтовое излучение — это не просто прямое свидетельство более молодой и горячей Вселенной, оно оказывает астрофизикам (а значит, и теории Большого взрыва) гораздо более важную услугу. Оказывается, те фотоны, что входят в состав реликтового излучения, достигают нас с вами с огромным багажом информации о состоянии космоса как до, так и после обретения им прозрачности. Мы уже отмечали, что, пока с момента Большого взрыва не прошло примерно 380 тысяч лет, Вселенная была непрозрачной, и увидеть, как вещество обретает форму, было невозможно — даже если усесться в первом ряду этого космического кинотеатра. Прежде чем кто-нибудь смог бы где-нибудь увидеть что-нибудь стоящее, фотонам предстояло обрести возможность перемещаться беспрепятственно, пересекая Вселенную в любом направлении. Когда настало подходящее время, каждый фотон начал свое путешествие сквозь космос и не останавливался, пока не столкнулся с «первым и последним» в его жизни электроном. Все больше и больше фотонов прорывалось к дальним уголкам Вселенной, не встречая на — своем пути ни одного электрона (потому что последние постепенно прикреплялись к атомным ядрам). Там им предстояло создать растущий щит из фотонов, астрофизики называют его «поверхностью последнего рассеивания». Этот щит, на формирование которого ушло примерно 100 тысяч лет, отмечает собой эпоху, в которую родились практически все атомы существующей сегодня Вселенной.

К тому времени вещество в крупных регионах Вселенной уже начинало понемногу объединяться. В местах его скопления возрастала и гравитация, вследствие чего вещества становилось еще больше. В таких регионах начали формироваться галактические суперкластеры, в то время как остальные регионы оставались относительно пустыми. Последние фотоны, оттолкнувшиеся от каких-либо электронов в пределах таких регионов скопления вещества, приобретали новый, чуть более холодный спектр по мере того, как покидали все увеличивающееся гравитационное силовое поле, которое частично забирало себе их энергию.

Реликтовое излучение действительно позволяет обнаружить регионы, температура которых чуть выше или чуть ниже среднего значения; разница, как правило, не составляет больше одной стотысячной градуса. Такие теплые и прохладные участки отмечают собой наиболее рано сформировавшиеся скопления вещества. Мы знаем, как вещество выглядит сегодня, потому что можем наблюдать за галактиками, их скоплениями и сверхскоплениями. Чтобы понять, как образовались эти космические системы, мы прощупываем реликтовое излучение — реликвию далекого прошлого, которая до сих пор наполняет собой Вселенную. Анализ распределения реликтового излучения — это что-то вроде космической френологии: мы считываем бугорки на «черепе» молодой Вселенной и по ним определяем поведение не только Вселенной-младенца, но и Вселенной-взрослого.

Дополняя общую картину другими наблюдениями локальных и удаленных уголков Вселенной, астрономы могут составить представление о самых разных фундаментальных свойствах реликтового излучения. Сравнивая распределение размеров и температур чуть более теплых или холодных его областей, к примеру, мы можем прикинуть силу гравитации в более ранние периоды существования Вселенной, а значит, и то, как быстро вещество скапливалось в тех или иных регионах. Отсюда мы можем вычислить, сколько именно обычного вещества, темной материи и темной энергии включает в себя Вселенная (5, 27 и 68 % соответственно). Тут уже становится совсем легко определить, будет ли Вселенная расширяться до бесконечности и будет ли это расширение ускоряться или замедляться с течением времени.

Обычное вещество — это то, из чего сделаны все мы. Оно является источником гравитации и может поглощать, выделять или другим образом взаимодействовать со светом. Темная материя, как мы увидим в главе 4, представляет собой субстанцию неизвестной нам природы, которая, будучи источником гравитации, не взаимодействует со светом каким-либо известным нам образом. А темная энергия, знакомство с которой ждет нас в главе 5, ускоряет расширение Вселенной, заставляя ее увеличиваться в размерах быстрее, чем в случае, если бы темной энергии в ней не было вовсе. Френологические исследования показывают: сегодняшние космологи понимают, как вела себя новорожденная и юная Вселенная, однако в ней гораздо больше того, о чем они не имеют ни малейшего понятия. И все же, невзирая на существенные пробелы в понимании устройства Вселенной, сегодня у науки о космосе есть якорь — и более увесистый, чем когда-либо. Ведь реликтовое излучение несет на себе отпечаток того самого портала, через который все мы когда-то прошли, чтобы стать частью этого мира.

Открытие реликтового излучения привнесло в космологию новый уровень точности: оно подтвердило собой заключение, изначально полученное путем наблюдений за далекими галактиками, о том, что Вселенная расширяется уже миллиарды лет. Четкая и подробная карта реликтового излучения, впервые созданная для маленьких участков неба с помощью инструментов и телескопов, увлекаемых запущенными с Южного полюса аэростатами вверх, а затем и для целого небосвода с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (или спутника WMAP[12]), закрепила за космологией отдельное место за столом экспериментальной науки. До того как мы с вами подойдем к концу нашего космологического повествования, мы еще не раз вернемся к спутнику WMAP, в 2003 году представившему первые результаты своих исследований.

Космологи — ребята с большим самомнением, иначе им вряд ли хватило бы наглости вычислять, с чего когда-то началась сама Вселенная. Правда, для новой эры наблюдательной космологии, возможно, будет характерна более скромная и менее раскованная позиция. Каждое новое наблюдение, каждая новая крупица данных могут пойти на пользу или оказаться во вред имеющимся теориям. С другой стороны, наблюдения обеспечивают базовый фундамент космологии, который учеными во многих других научных областях достается в разы проще, потому что им достаточно тех обширных результатов наблюдений, которые можно получить в лабораторных условиях. В то же время новые данные почти наверняка смогут развенчать некоторые небылицы, родившиеся когда-то за неимением возможности получить результаты наблюдений, позволивших бы их подтвердить или опровергнуть.

Нет такой науки, которая развивалась бы, не оперируя точными данными. И мы приветствуем космологию в рядах точных наук!

Глава 4. Да будет тьма!

Наиболее распространенная из известных сил природы — гравитация — одновременно наиболее и наименее изученное нами явление. Нужно было родиться Исааком Ньютоном, самым выдающимся и влиятельным мыслителем тысячелетия, чтобы осознать, что это таинственное «действие на расстоянии» силы притяжения — прямое следствие естественных, заложенных природой свойств каждой крупицы вещества и что силу притяжения между двумя объектами можно описать с помощью довольно простого алгебраического уравнения. Нужно было родиться Альбертом Эйнштейном, самым выдающимся и влиятельным мыслителем XX века, чтобы показать, что это «действие на расстоянии» можно определить еще более точно: как искажение канвы пространства и времени, возможное при любом сочетании вещества и энергии. Эйнштейн продемонстрировал, что теория Ньютона требует ряда корректировок, чтобы максимально точно описывать гравитацию, например, когда речь идет об определении степени преломления лучей света, огибающих крупное препятствие. Хотя уравнения Альберта Эйнштейна более замысловаты, чем ньютоновские, в этом мире они действительно весьма удачно пристраивают знакомое и столь любимое нами вещество. То самое вещество, которое можно увидеть, потрогать, ощутить и иногда попробовать на вкус.

Мы уже почти столетие ждем, когда появится еще один выдающийся ученый, который наконец расскажет нам, как же так выходит, что главным источником измеренной нами гравитации во Вселенной является субстанция, которой никто не видел, не щупал, не осязал и не пробовал на вкус. Может, излишек гравитации вообще никак не связан с материей, может, ее источником является что-то принципиально иное.

Как бы то ни было, мы не имеем об «этом» ни малейшего понятия. Сегодня мы ничуть не ближе к разгадке, чем в 1933 году, когда проблема так называемой недостающей массы (или скрытой массы) была впервые озвучена астрономами, измерявшими скорость движения галактик, чья гравитация оказывала воздействие на ближайшие соседние галактики. Эта тема была подвергнута более глубокому анализу в 1937 году астрофизиком болгаро-швейцарско-американского происхождения Фрицем Цвикки. Он преподавал в Калифорнийском технологическом институте в США более сорока лет и был известен не только своими обширными познаниями о космосе, но и цветистой манерой выражать свои мысли и удивительной способностью настраивать против себя своих коллег.

Цвикки изучал перемещение галактик, принадлежащих к громадному галактическому кластеру, расположенному далеко за пределами местных звезд Млечного Пути и называемому Волосами Вероники (в честь древнеегипетской царицы). Этот кластер, он же скопление Кома, как называют его специалисты, представляет собой изолированный и «густонаселенный» ансамбль галактик примерно в 325 миллионах световых лет от Земли. Тысячи и тысячи галактик вращаются вокруг центра скопления, двигаясь в самых разных направлениях, словно пчелы вокруг улья. Используя движения нескольких десятков галактик в качестве маркеров гравитационного поля, охватывающего весь кластер целиком, Цвикки обнаружил, что они обладают потрясающе высокой средней скоростью. Так как большая сила притяжения соответствует большой скорости объектов под ее влиянием, Цвикки обнаружил, что масса скопления Комы намного больше расчетной. Если сложить предполагаемые массы всех галактик, Кома окажется одним из крупнейших и самых массивных кластеров во Вселенной. При этом в кластере нет достаточного количества видимого вещества, чтобы объяснить наблюдаемую скорость движения входящих в него галактик. Вещества просто слишком мало.

Если вооружиться законом земного притяжения Ньютона и взять за основу предположение, что кластер не пребывает в состоянии расширения или коллапса, можно будет вычислить характерную среднюю скорость составляющих его галактик. Нужно только знать размер кластера и примерную величину его массы: масса, действующая на расстояниях, заданных размером кластера, определяет то, как быстро должны двигаться галактики, чтобы избежать «падения» в самый центр кластера или, наоборот, никогда не покинуть кластер в принципе.

Как показал Ньютон, подобный расчет способен помочь определить и скорость, с которой каждая из планет, удаленных от Солнца на конкретное расстояние, должна двигаться вокруг него. Никакого волшебства: полученные таким образом значения скорости полностью удовлетворяют тем гравитационным обстоятельствам, в которых существует каждая из планет. Если бы масса Солнца неожиданно увеличилась, Земле и другим планетам в Солнечной системе пришлось бы ускориться для того, чтобы удержаться на своих орбитах. Однако если они разовьют слишком высокую скорость, силы притяжения Солнца будет недостаточно для того, чтобы сохранить эти небесные тела на их орбитах. Если бы мы увеличили орбитальную скорость[13] Земли, умножив ее на значение квадратного корня из двух или более, наша планета достигла бы так называемой третьей космической скорости (скорости преодоления силы притяжения Солнца) и покинула бы Солнечную систему. Эту же логику мышления можно применить и к более крупным объектам, таким как наша собственная галактика Млечный Путь, где звезды вращаются по орбитам в соответствии с гравитацией остальных окружающих их звезд, или таким, как галактические кластеры, в которых каждая отдельная галактика тоже ощущает на себе гравитацию своих соседок. Как написал когда-то Эйнштейн в честь Исаака Ньютона (на немецком звучит в разы лучше, чем на английском, хотя переводил эти строки сам Дональд Голдсмит):

Look unto the stars to teach us

How the master's thoughts can reach us

Each one follows Newton's math

Silently along its path[14].

Изучая скопление Кома, как и Цвикки в 1930-е годы, мы видим, что все входящие в его состав галактики движутся со скоростью, превышающей скорость, необходимую для покидания этого кластера. Это при условии, что мы определяем данную скорость на основании общей арифметической суммы масс всех галактик, которую, в свою очередь, мы можем определить, исходя из их яркости. Получается, что кластер должен был бы разлететься во все стороны, оставив едва различимые следы своего существования за какие-то несколько сотен миллионов, в крайнем случае за миллиард лет. Однако возраст этого кластера насчитывает более десяти миллиардов лет — он почти такой же древний, как и сама Вселенная. Так родилась та самая астрономическая загадка, которую мы не в силах разгадать и по сей день.

На протяжении десятилетий после оглашения результатов исследований Цвикки все новые и новые кластеры галактик обнаруживали те же загадочные свойства. Значит, скопление Кома не обвинишь в том, что оно — белая ворона космических масштабов. Кого же нам винить? Ньютона? Но его теории исправно проходили одну практическую проверку за другой в течение последних 250 лет. Эйнштейна? Нет. Удивительная гравитация галактических кластеров не настолько высока, чтобы со всей силы опустить на нее молот общей теории относительности Эйнштейна, которой и было-то всего 20 лет от роду, когда Цвикки проводил свои исследования. Возможно, «недостающая масса», помогающая удерживать скопление Кома вместе, действительно существует, но в какой-то неизвестной и невидимой нам форме. В течение некоторого времени астрономы предпочитали термин «недостающий свет», так как именно его нам не хватает для того, чтобы увидеть эту предположительно существующую массу, скрытую в каких-то космических сумерках и выдающую себя лишь по измеряемой гравитации. Сегодня же астрономы окончательно определились с выбором термина: они называют такую массу «темной материей», хотя название «темная гравитация» было бы еще более точным.

Вопрос темной материи был поднят и во второй раз. В 1976 году американский астрофизик Вера Рубин из Вашингтонского института Карнеги обнаружила аналогичную аномалию «недостающей массы» внутри отдельных спиральных галактик. Изучая скорость, с которой звезды вращаются вокруг центра своих галактик, Рубин сначала увидела ровно то, что и ожидала: в рамках видимого диска каждой галактики скорость вращения звезд тем выше, чем они дальше от центра этой галактики. Между центром и наиболее удаленной от него звездой помещается больше вещества (другие звезды и газ), из-за чего такой далекой звезде нужно вращаться с большей скоростью, чтобы удержаться на своей орбите. Однако за пределами сияющего галактического диска мы все еще можем обнаружить отдельные газовые облака и несколько ярких звезд. Рубин использовала данные объекты в качестве маркеров гравитационного поля «за пределами» галактики, где видимое нами вещество больше не участвует в поддержании внутренней гравитации. Она обнаружила, что орбитальные скорости таких отдельных объектов, которые должны были снижаться с увеличением расстояния до самой галактики — там, в космическом захолустье, — тем не менее оставались высокими.

Эти в основном «пустые» объемы пространства — этакие провинциальные регионы каждой галактики — содержат слишком мало видимого вещества для того, чтобы обосновать высокие орбитальные скорости объектов-маркеров. Рубин рационально (и верно) предположила, что темная материя в той или иной форме должна располагаться именно в этих удаленных регионах, далеко за пределом видимости каждой спиральной галактики. И в самом деле, темная материя формирует собой что-то вроде нимба вокруг галактической массы.

Такой же темный нимб (астрофизики называют его гало) есть и в нашей родной галактике Млечный Путь. От одной галактики к другой, от кластера к кластеру несоответствие между массой видимых объектов и общей массой системы составляет от двух— или трехкратной величины видимой массы и вплоть до разницы в сотни раз. Среднее значение данного фактора-множителя по всей Вселенной составляет около шести. То есть масса невидимой темной материи примерно в шесть раз больше, чем масса всего видимого вещества.

За последние 50 лет исследования показали, что большая часть темной материи не может просто состоять из обычного вещества, которое по некой причине не излучает свет. Данное заключение базируется на двух основных аргументах. Во-первых, мы как профессиональные сыщики можем исключить почти со стопроцентной уверенностью почти всех гипотетических подозреваемых. Может ли темная материя прятаться в черных дырах? Нет, иначе мы бы уже давно обнаружили это несметное количество черных дыр в нашей галактике по тому гравитационному влиянию, которое они оказывали бы на близлежащие звезды. Может, дело в темных облаках? Нет, они бы поглощали или любым другим образом взаимодействовали со светом, излучаемым расположенными за ними звездами, а настоящая темная материя так себя не ведет. Может, виной всему межзвездные (и даже межгалактические) планеты, астероиды и кометы, которые не производят своего собственного света? С трудом верится, что Вселенная могла бы наковать в шесть раз больше планет с точки зрения массы, чем звезд. Ведь тогда у нас было бы по шесть тысяч Юпитеров на каждую звезду в галактике или (что еще невероятнее) по два миллиона планет по имени Земля на каждую звезду. В нашей собственной Солнечной системе, например, все, что не есть Солнце, составляет смехотворные 0,2 % от его массы.

Итак, лучшее, что мы можем предположить, — это то, что темная материя не является обычным веществом, которое просто почему-то «темное». Выходит, это нечто совершенно иное. Темная материя создает гравитацию согласно тем же правилам, что и обычное вещество, но, помимо этого, больше ничего особо и не делает, ограничивая наши возможности по ее обнаружению. В итоге мы зависли в своем анализе из-за того, что не знаем точно, что же представляет собой темная материя. Трудности в ее обнаружении тесно связаны с трудностями определения, что же это такое. Отсюда возникает вопрос: если все вещество обладает массой, а вся масса обладает силой тяготения, значит ли это, что вся сила тяготения обладает веществом? Ответа мы пока не знаем. Сам термин «темная материя» заключает в себе предположение о том, что существует альтернативный тип вещества, которое создает гравитационный эффект, но оно до сих пор нами не понято.

Есть вероятность, что мы не понимаем именно суть самой гравитации, а не суть вещества.

Чтобы исследовать темную материю, не касаясь ее сути, астрофизики стремятся найти в космосе ее скопления. Например, если бы темная материя существовала только на внешнем периметре или в дальних уголках галактических кластеров, тогда скорость галактик не шла бы вразрез с присутствием темной материи, ведь скорость галактик и их траектории зависят только от источников гравитации, расположенных внутри их орбит. Если бы темная материя занимала собой только центральные регионы кластеров, тогда значения скорости галактик, измеренные от центра кластера в направлении его краев, были бы привязаны только к обычному веществу. Однако динамика движения в галактических кластерах демонстрирует нам, что темная материя наполняет собой весь объем вращающихся вокруг центра кластера галактик. По сути, месторасположение обычного вещества и темной материи приблизительно совпадают. Несколько лет назад команда исследователей во главе с американским астрофизиком Дж. Энтони Тайсоном, работавшим тогда в компании Bell Labs, а сегодня являющимся сотрудником Калифорнийского университета в Дэвисе (один из нас зовет его «кузеном Тони», хотя он не приходится нам родственником), получил первую подробную карту распределения гравитации, источником которой является темная материя, внутри одного огромного галактического кластера и за его пределами. При изучении больших галактик мы также обнаруживаем внутри соответствующего кластера более высокую концентрацию темной материи. Справедливо и обратное: регионы, в которых видимых галактик нет, демонстрируют и недостаток темной материи.

Несоответствие между массой темной материи и обычного вещества сильно разнится от одной астрофизической среды к другой, но в целом становится тем выше, чем крупнее объект — галактика или целый кластер. У маленьких объектов — лун и планет — такого несоответствия не наблюдается. Например, сила тяготения Земли полностью объясняется и описывается тем, что находится у нас под ногами. Так что, если вы на Земле слишком много весите, не надо обвинять в этом темную материю. Темная материя также никоим образом не влияет на орбиту, описываемую Луной вокруг Земли, не влияет она и на движение планет вокруг Солнца. Но без нее не обойтись, когда мы анализируем движение звезд вокруг центра галактики.

Возможно ли, что в галактических масштабах действует принципиально иная физика тяготения? Вряд ли. Гораздо более вероятной кажется идея, что темная материя состоит из вещества, природу которого нам еще только предстоит разгадать; из вещества, которое скапливается в одном месте гораздо менее охотно, чем это делает обычное вещество. В противном случае мы обнаружили бы себя в ситуации, когда на каждые шесть частей темной материи приходилась бы одна часть обычного вещества. Насколько мы можем судить сегодня, это совсем не так.

Рискуя вызвать всеобщую депрессию, астрофизики иногда предполагают, что все то вещество, которое мы знаем и любим уже столько лет, — все эти звезды, планеты и «жизнь», — представляет собой лишь одинокие поплавки в огромном космическом океане чего-то, что выглядит как «ничто».

Что, если эта мысль лишена смысла? Когда долгое время ничего не получается, некоторые ученые начинают (и их нельзя винить в этом) ставить под сомнение даже фундаментальные законы физики, лежащие в основе всех наших предположений об устройстве Вселенной.

В начале 1980-х годов израильский физик Мордехай Милгром из Научно-исследовательского института имени Вайцмана в израильском городе Реховоте предложил поправки к ньютоновской теории гравитации. Его теория известна как модифицированная ньютоновская динамика, сокращенно — МОНД[15]. Принимая сам факт, что стандартная ньютоновская динамика успешно выполняется в «более мелких» масштабах, то есть не галактических, Милгром предположил, что Ньютону необходима помощь в описании эффектов гравитации на расстояниях, существенно более значительных: в масштабах галактик и галактических кластеров, внутри которых отдельные звезды и звездные скопления находятся так далеко друг от друга, что почти не оказывают друг на друга гравитационного воздействия. Милгром добавил в формулу Ньютона дополнительный параметр, приводящий в равновесие всю гравитационную систему в астрономически огромных масштабах. Хотя МОНД создавалась как вычислительный инструмент, Милгром не исключал возможности, что она станет теоретическим объяснением нового природного явления.

Успех МОНД был весьма ограничен. Эта теория учитывает движение изолированных объектов на дальних перифериях многих спиральных галактик, но вызывает больше вопросов, чем дает ответов. Теория МОНД не способна достоверно предсказать динамику более сложных конфигураций, таких как движение галактик в бинарных и множественных системах. Более того, подробная карта реликтового излучения, полученная благодаря зонду WMAP в 2003 году, позволила ученым отдельно измерить влияние темной материи на раннюю Вселенную. Полученные результаты соответствуют модели эйнштейновской стабильной Вселенной, опирающейся на традиционные теории о гравитации, поэтому количество почитателей МОНД существенно упало.

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва — а это одно краткое мгновение для 14-миллиардной истории космоса — вещество уже понемногу собиралось в сгустки, которым позднее предстояло сформировать собой кластеры и суперкластеры галактик. Но все это время Вселенная продолжала расширяться, и в следующие полмиллиона лет ей суждено было двукратно увеличиться в размерах. Итак, у нас есть Вселенная, пребывающая во власти двух противоборствующих воздействий: гравитация тянет отдельные части вещества друг к другу, а расширение стремится растащить их друг от друга подальше. Посчитав, вы быстро поймете, что гравитационной силы обычного вещества не хватило бы на то, чтобы победить в этой схватке. Здесь требовалась помощь темной материи, без которой мы бы с вами жили — точнее, не жили — во Вселенной без какой-либо структуры: ни кластеров, ни галактик, ни планет, ни людей. Так сколько же дополнительной гравитации пришлось «дополучить» у темной материи? Ответ вы уже знаете: в среднем в шесть раз больше, чем могло предоставить обычное вещество само по себе. Данный анализ не оставляет места для скромных поправок законов Ньютона от МОНД. Анализ не дает нам понять, что представляет собой темная материя, но утверждает, что ее влияние реально и, как бы вам ни хотелось считать иначе, обычному веществу в одиночку столько гравитации не создать.

Темная материя играет еще одну ключевую роль во Вселенной. Чтобы оценить по достоинству все ее заслуги, давайте вернемся назад, в прошлое, когда с момента Большого взрыва прошла всего пара минут и Вселенная была столь обжигающе горячей и плотной, что ядра водорода (протоны) могли в процессе синтеза сплавляться друг с другом. В этом плавильном котле новорожденного космоса водород превратился в гелий, попутно создав также некоторое количество лития и еще меньше дейтерия, который представляет собой более тяжелую версию ядра водорода с нейтроном в довесок к протону. Этот состав атомных ядер — еще один космический отпечаток Большого взрыва, некая ценная реликвия, которая позволяет нам восстановить события, происходившие во Вселенной, когда ей было всего несколько минут от роду. В создании этого отпечатка первоосновную роль сыграло сильное ядерное взаимодействие — та сила, что объединяет протоны и нейтроны внутри ядра, но никак не гравитация: она слишком слаба для этого. Ее влияние становится актуальным лишь тогда, когда частицы скапливаются вместе в огромных количествах.

К тому времени, как температура Вселенной упала ниже определенного значения, термоядерный синтез произвел по одному гелиевому ядру на каждые десять водородных. Вселенная также успела превратить примерно одну тысячную долю всего своего вещества в ядра лития и около двух стотысячных долей вещества — в дейтерий. Представим, что темная материя состоит не из какой-то не взаимодействующей с окружением субстанции, а из обычного, пусть и темного, вещества (а значит, вещества, допускающего обычный синтез). Учитывая, что в ранней Вселенной было в шесть раз больше темной материи, чем обычного вещества, на каждую единицу объема, ее наличие должно было бы существенно увеличить скорость синтеза водорода. В результате мы получили бы заметный переизбыток гелия — в сравнении с наблюдаемым нами количеством, — и родилась бы Вселенная, совсем не похожая на наш с вами космический дом.

Ядра гелия довольно просто получить в лабораторных условиях, а вот соединить их с ядрами других элементов очень трудно. Так как звезды продолжали производить гелий из водорода в своих кипящих недрах и одновременно с этим понемногу разрушали литий в процессе еще более замысловатого термоядерного синтеза, мы вправе ожидать, что те области Вселенной, где мы находим меньше всего гелия, должны на самом деле содержать его ничуть не меньше, чем образовалось во Вселенной в первые несколько минут. Конечно, те галактики, чьи звезды пока еще переварили лишь минимум своего вещества, действительно на одну десятую состоят из атомов гелия. Собственно, именно такие пропорции мы и получаем из привычной нам картинки Большого взрыва (при условии, что темная материя, уже тогда существовавшая во Вселенной, не принимала никакого участия в термоядерном синтезе, из которого возникли атомные ядра).

Итак, темную материю можно назвать нашим другом. Однако астрофизики начинают испытывать неловкость, когда им приходится основывать свои расчеты на концепциях, которых они не понимают, хотя это и не первый раз, когда им приходилось так поступать. Например, астрофизики измерили энергию Солнца задолго до того, как стало известно, что за это отвечает термоядерный синтез. Тогда, в XIX веке, до рождения квантовой механики и обнаружения целого ряда полезных и важных закономерностей в поведении вещества в самом малом масштабе, концепции термоядерного синтеза не существовало в принципе.

Неутомимые скептики могут, конечно, сравнить сегодняшнюю теорию о темной материи с гипотетическим и теперь уже вышедшим из моды «эфиром», который несколько веков назад считался невесомым прозрачным посредником, позволявшим свету перемещаться в пространстве. Долгие годы, вплоть до знаменитого эксперимента 1887 года, который провели в Кливленде Альберт Михельсон и Эдвард Морли, физики считали, что эфир существует, хотя у них не было ни малейшего вещественного доказательства в поддержку этой гипотезы. Поскольку было известно, что свет — это волна, также считалось, что требуется среда, в которой эта волна должна распространяться, подобно тому, как для распространения звуковых волн необходим воздух. Оказалось, что свет способен путешествовать и сквозь вакуум, прекрасно обходясь без дополнительных средств передвижения: в отличие от звуковых волн, состоящих из колебаний воздуха, световые волны распространяются сами.

Однако возможное невежество в вопросах темной материи фундаментально отличается от незрелых теорий об эфире. Если эфир в свое время всего лишь заполнял пробелы в неполном понимании сути вещей, то идея существования темной материи взята не из воздуха — она основана на очевидных для нас эффектах: ее гравитационном влиянии на видимое вещество. Темная материя не высосана из пальца, ее наличие доказано фактами, полученными с помощью наблюдений. Темная материя не менее реальна, чем тысячи планет, обнаруженных на орбитах других звезд, помимо Солнца, — и почти все они были открыты исключительно за счет своего гравитационного воздействия на «свои» звезды. В худшем случае физики (или другие не менее умные люди) обнаружат, что темная материя не состоит из материи вовсе, а представляет собой что-то совсем иное, просто игнорировать ее категорически нельзя. Может ли темная материя оказаться проявлением каких-то сил или взаимодействий из другого измерения? Может ли быть так, что наша Вселенная пересекается с параллельной? В обоих случаях успешное и неотъемлемое участие гравитационного воздействия темной материи в уравнениях, которые помогают нам понять процесс формирования и развития Вселенной, останется неизменным.

Другие столь же неутомимые скептики могут заявить, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Что ж, этот подход прекрасно работает во многих сферах нашей жизни — начиная с инженерного дела и рыбалки и заканчивая, пожалуй, романтическими знакомствами. Судя по всему, жителей штата Миссури такой подход тоже вполне устраивает. Однако наука занимается не только разглядыванием. Наука измеряет — и не просто чьими-то глазами, которые воспринимают окружение в неразрывной связи со всем, что уже хранится в мозгу: заранее сформированными идеями, приобретенным убеждениями, воображением, не скорректированным отсылкой к дополнительным данным, и необъективностью.

Не давая обнаружить себя непосредственно на Земле на протяжении трех четвертей века, темная материя превратилась для исследователей нашего мироздания в что-то вроде теста Роршаха. Некоторые физики, изучающие частицы, утверждают, что темная материя должна состоять из какого-то призрачного класса еще не открытых нами частиц, которые взаимодействуют с веществом посредством гравитации, но во всех остальных «областях» взаимодействуют с веществом или светом очень слабо или никак. Да, это звучит неожиданно, но прецедент у такого предположения есть. Те же нейтрино: они существуют, хотя их взаимодействие с обычным светом и веществом минимально. Нейтрино, что летят к нам с Солнца — по два нейтрино на каждое ядро гелия прямо из сердца звезды, — движутся в космическом вакууме практически со скоростью света и проходят сквозь Землю так, словно она пустое место. Немного занимательной математики: денно и нощно 100 миллиардов нейтрино с Солнца ежесекундно проникают в каждый квадратный дюйм[16] вашего тела и покидают его без вашего на то ведома или разрешения.

Нейтрино можно остановить. Изредка они «замечают» вещество за счет слабого ядерного взаимодействия. Если частицу можно остановить, значит, ее можно обнаружить. Сравните «скользкое» поведение нейтрино с неуловимостью Человека-невидимки (в тот момент, когда он, собственно, невидим) — хороший кандидат на звание темной материи. Однако если Человек-невидимка мог проходить сквозь стены и двери, словно их там и не было, то почему же он тогда не проваливался сквозь пол до самого подвала дома?

Если мы построим достаточно чувствительные детекторы, может быть, частицы темной материи и будут пойманы врасплох за каким-то известным нам типом взаимодействия с окружением. Возможно и то, что они обнаружат свое присутствие с помощью какого-либо нового вида взаимодействия (не сильного ядерного, не слабого ядерного, не электромагнитного). Эти три силы (плюс гравитация) управляют всеми возможными типами взаимодействия между всеми известными нам видами частиц. Так что вариантов немного: либо частицам темной материи придется дождаться того, что мы их обнаружим и откроем для себя новый тип взаимодействия (или даже целый класс типов), благодаря которому частицы темной материи вступают в контакт друг с другом, либо выясним, что частицы темной материи все же взаимодействуют с окружением посредством знакомых нам сил, но делают это невероятно слабо.

Если предложить теоретикам — приверженцам МОНД — тест Роршаха, они не увидят в нем ничего экзотического. Они скажут, что новая трактовка нужна самой гравитации, а не частицам как таковым. Вот они и обрадовались в свое время появлению модифицированной ньютоновской динамики в смелой попытке что-то кому-то доказать. Кажется, эта попытка провалилась, но тем не менее она является предшественницей многих последующих попыток изменить наше видение гравитации, а не понимание элементарных частиц.

Есть физики, которые придерживаются так называемой теории великого объединения. Согласно одной из ее версий, наша Вселенная расположена в непосредственной близости с параллельной Вселенной, сообщаться с которой у нас получается только за счет силы тяготения. В жизни вы никогда не наткнетесь ни на что из той параллельной Вселенной, но вы можете почувствовать, как она немного тянет вас куда-то, когда входит в пространственное измерение нашей Вселенной. Представьте себе, что до еще одной Вселенной-призрака буквально рукой подать, но вы не видите ее, только знаете о существовании благодаря гравитационному воздействию. Звучит экзотично и малоубедительно, но, возможно, ничуть не в большей степени, чем первые заявления о том, что именно Земля вращается вокруг Солнца или что наша галактика — не единственная во Вселенной.

Воздействие темной материи игнорировать невозможно. Просто мы не знаем, что она собой представляет. Она вроде бы не демонстрирует сильного ядерного взаимодействия, а значит, не может создавать атомные ядра. Не похоже, чтобы она увлекалась слабым ядерным взаимодействием — хотя даже непостоянные нейтрино на это способны. Электромагнитного взаимодействия мы тоже не наблюдаем, а это значит, что темная материя не производит молекул, не поглощает, не излучает, не отражает и не рассеивает свет. А вот гравитационным эффектом она обладает, и обычное вещество на него отзывается. И всё. За все годы исследований астрофизикам так и не удалось обнаружить какой-либо еще тип взаимодействия темной материи с окружающим миром.

Подробные карты реликтового излучения показывают, что темная материя существовала и в первые 380 тысяч лет жизни Вселенной. Без темной материи мы и сегодня никуда — она нужна в каждой галактике, включая нашу, чтобы объяснить движение ее объектов. Но насколько мы можем судить, славный марш астрофизики пока еще не сбит с курса и не заведен в тупик нашим невежеством. Темная материя просто шагает в ногу с нами, как странный навязчивый приятель, и мы вспоминаем о ней каждый раз, когда во Вселенной необходимо ее участие.

Мы надеемся, что в не столь далеком будущем веселье продолжится и мы научимся использовать темную материю в своих целях. Это произойдет, как только мы определимся с тем, что же она собой представляет. Только вообразите: невидимые игрушки; машины, которые проезжают сквозь друг друга, не попадая в аварии; или самолеты-невидимки «Стелс» нового поколения. История неясных и даже на первый взгляд бессмысленных открытий в науке пестрит именами личностей, которые оказывались тут как тут после громких открытий и умудрялись сразу понять, как наилучшим образом конвертировать эти новые знания в свою собственную экономическую выгоду или же поставить на служение всей планете.

Глава 5. Да будет больше тьмы!

Мы с вами уже знаем, что у Вселенной есть две стороны: светлая и темная. На светлой стороне — все привычные и знакомые нам небесные тела: звезды, которые скапливаются миллиардами и образуют галактики, а также планеты и разнообразный космический мусор, который, хотя и не всегда излучает видимый свет, все же является источником других форм электромагнитного излучения, например инфракрасных или радиоволн.

Еще мы знаем, что на темной стороне Вселенной царит загадочная темная материя, обнаружить которую можно только за счет ее гравитационного воздействия на видимое вещество, но ни ее форма, ни состав нам совершенно не известны. Ограниченное количество этой темной материи может оказаться самым обычным веществом, невидимым потому, что у него отсутствует обнаружимое излучение. Но, как уже стало ясно из предыдущей главы, преобладающая масса темной материи должна состоять из чего-то необычного — такого, чью природу мы никак не постигнем, за исключением установленного гравитационного воздействия этого «чего-то» на видимое вещество.

Помимо всего, что связано с темной материей, на темной стороне Вселенной есть еще кое-что, интересное принципиально по другой причине. Данный интерес затрагивает не вещество как таковое, а само пространство Вселенной. Этой концепцией, а также теми замечательными выводами, к которым она подвела научный мир, мы обязаны отцу современной космологии (снимаем шляпы) Альберту Эйнштейну.

Более века тому назад усовершенствованные пулеметы Первой мировой войны косили солдат тысячами, а в это время в нескольких сотнях миль к западу Альберт Эйнштейн сидел в своем берлинском офисе и размышлял об устройстве Вселенной. В самом начале войны Эйнштейн и его коллега распространили антивоенную петицию в своих кругах общения, им удалось собрать в общей сложности четыре подписи — помимо них самих, под петицией свои имена поставили лишь еще два человека. Этот поступок выделил самого Альберта Эйнштейна на фоне других ученых и, среди прочего, погубил карьеру его коллеги: тогда многие предпочитали подписывать совсем другие бумаги, обязуясь во всем поддерживать Германию. Но увлекающаяся и страстная натура Эйнштейна и его научная слава позволили ему сохранить уважение и даже некоторое преклонение своих сверстников. Он продолжил работать над поиском таких уравнений, которые помогли бы ему точно описать нашу Вселенную.

Не успела окончиться война, а Эйнштейн уже добился успеха, вполне возможно, самого значительного в своей карьере. В ноябре 1915 года он сформулировал общую теорию относительности, которая описывает взаимодействие пространства и вещества: вещество задает кривизну пространства, а пространство задает направление движению вещества. Чтобы дать объяснение загадочному «действию на расстоянии» Исаака Ньютона, Эйнштейн решил рассматривать гравитацию как локальное искажение в канве пространства. Например, Солнце создает что-то вроде ямочки — углубления, и чем ближе к Солнцу, тем заметнее деформируется вокруг него пространство. Планеты «скатываются» в это углубление, но за счет своих инерционных свойств не могут скатиться в него окончательно. Вместо этого они движутся вокруг Солнца по своим орбитам на более или менее постоянном расстоянии от образовавшегося вокруг него углубления в пространстве. Через несколько недель после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию, физик Карл Шварцшильд, стремясь отвлечься от ужасов службы в рядах немецкой армии (где заболел неизлечимой болезнью), воспользовался теорией Эйнштейна для того, чтобы показать следующее: объект, обладающий достаточно большой силой тяжести, создает в пространстве «сингулярность». В этой точке пространство полностью обертывается вокруг объекта, не позволяя ничему, включая свет, покидать его ближайшие окрестности. Сегодня мы называем такие объекты черными дырами.

Общая теория относительности Эйнштейна привела его к той самой ключевой формуле, которую он искал, той, что помогает связать содержимое пространства с его поведением. Изучая эту формулу наедине с самим собой в кабинете и мысленно создавая одну модель Вселенной за другой, Эйнштейн оказался на пороге открытия расширяющейся Вселенной — на десяток с лишним лет раньше, чем ее обнаружил в своих исследованиях Эдвард Хаббл.

Базовое уравнение Эйнштейна подразумевает, что во Вселенной, в которой вещество распределено более или менее равномерно, пространство не может быть «статическим». Космос не может просто «лежать себе», как нам подсказывают наша интуиция и все имевшиеся на тот момент результаты астрономических наблюдений. Нет, все пространство вокруг нас должно постоянно пребывать в состоянии либо расширения, либо сжатия: пространство должно вести себя как надувающийся или сдувающийся воздушный шарик, но не как шарик, надутый раз и навсегда до определенного размера.

Это беспокоило Эйнштейна. В кои-то веки этот смелый теоретик, не испытывавший доверия к авторитетам и никогда не боявшийся бросить вызов идеям традиционной физики, почувствовал, что зашел слишком далеко. Ни одно астрономическое наблюдение не предполагало расширяющейся модели Вселенной, потому что на тот момент астрономы располагали лишь информацией о движении ближайших к нам звезд и еще не могли определить расстояния до тех объектов, которые сегодня мы называем галактиками. Вместо того чтобы объявить всему миру, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься в объеме, Эйнштейн вновь засел за свое уравнение в поисках способа придать космосу статичность.

Вскоре он его нашел. Базовое уравнение Эйнштейна допускало присутствие члена с постоянным, но неизвестным значением, который отражал количество энергии, содержащейся в каждом кубическом сантиметре пустого пространства. Так как ничто не указывало на то, что этой постоянной величине следовало приписать то или иное значение, Эйнштейн изначально приравнял ее к нулю. Теперь же Эйнштейн опубликовал научную статью, в которой показывал: если бы у этой постоянной величины, которую ученые позднее назовут космологической постоянной, было определенное значение, тогда статическое пространство — в нашем случае не какое-нибудь, а космическое — возможно. Таким образом, противоречие теории Эйнштейна имеющимся на тот момент представлениям о Вселенной было исчерпано и уравнение можно было считать верным.

Однако предложенное Эйнштейном решение столкнулось с серьезными трудностями. В 1922 году российский математик Александр Фридман доказал, что статическая Вселенная Эйнштейна нестабильна, словно карандаш, стоящий на грифельном острие. Малейшее изменение — и пространство тут же начнет расширяться или сжиматься. Сначала Эйнштейн отверг написанное Фридманом, но позднее признал ошибочность своей оценки и опубликовал новую статью, отзывая критику и объявляя теорию Фридмана верной. В конце 1920-х годов Эйнштейн пришел в полный восторг, узнав об открытии Хабблом расширяющейся Вселенной. Как вспоминает Георгий Гамов, Эйнштейн назвал тогда космологическую постоянную своей грубейшей ошибкой. За исключением нескольких космологов, которые продолжали придерживаться ненулевого значения космологической постоянной (при этом отличного от того, которое когда-то предлагал сам Эйнштейн) в попытках объяснить свои некоторые загадочные наблюдения. Большинство из них затем оказались неверными, и ученые всего мира вздохнули с облегчением: оказывается, космическое пространство прекрасно обходится без этой самой постоянной.

Точнее, это они так думали. Главная и самая увлекательная космологическая история конца XX века — тот сюрприз, что схватил всех космологов мира за одно ухо, как непослушных мальчишек, и пропел им новую мелодию в другое, — заключается в удивительной находке. В 1998 году было объявлено, что для Вселенной действительно характерна ненулевая космологическая постоянная. В пустом пространстве действительно есть энергия, называемая темной энергией, и ее крайне необычные свойства и есть то самое, от чего зависит будущее всей Вселенной.

Прежде чем принять на веру такие серьезные утверждения, мы должны проследить за ключевыми этапами мышления космологов, которые пришлись на следующие 70 лет после открытия Хабблом расширяющейся Вселенной. Фундаментальное уравнение Эйнштейна допускает возможность того, что пространство обладает кривизной, которой математически можно придать положительное, нулевое или отрицательное значение. Нулевая кривизна характерна для «плоского пространства», того самого, которое нашему разуму кажется единственно возможным положением вещей. Это пространство бесконечно простирается во все стороны, словно поверхность школьной доски, у которой нет ни конца, ни края. Пространство с положительной кривизной — это аналог поверхности шара: двухмерное пространство, искривление которого можно обнаружить только при использовании третьего измерения. Обратите внимание: центр такого шара — точка, не меняющая своего расположения независимо от расширения или сжатия двухмерной поверхности, — находится в третьем измерении. Ее не найти на самой поверхности, которая в данном раскладе представляет собой все мировое пространство.

Все поверхности с положительной кривизной обладают не только некой конкретной ограниченной площадью, но и ограниченным объемом. Для положительно искривленного космоса характерна следующая особенность: если вы покинете Землю и отправитесь в путешествие, на которое отведено очень и очень много времени, вы рано или поздно вернетесь в пункт отправления, как Магеллан, путешествующий вокруг света. В отличие от сферических поверхностей с положительной кривизной отрицательно искривленные пространства простираются бесконечно, хотя и не являются плоскими. Двухмерная поверхность с отрицательной кривизной напоминает собой бесконечное конное седло: в одном направлении оно загибается «вверх» (сзади и спереди), а в другом — «вниз» (справа и слева).

Если космологическая постоянная равна нулю, нам хватит всего двух чисел для того, чтобы описать общие свойства Вселенной. Одно такое число — постоянная Хаббла — измеряет скорость, с которой Вселенная расширяется в данный момент; другое отражает кривизну пространства. Во второй половине XX века почти все космологи верили в то, что космологическая постоянная равна нулю, и считали своей приоритетной задачей изучение скорости расширения и кривизны космического пространства.

Оба значения можно найти с помощью точного измерения скоростей, с которыми объекты, расположенные от нас на разных расстояниях, удаляются еще дальше. Связь между расстоянием и скоростью удаления от нас галактик определяется постоянной Хаббла, а незначительные отклонения от общей тенденции, которые можно обнаружить только при изучении наиболее удаленных от нас объектов, помогают определить кривизну пространства. Когда астрономы наблюдают за объектами в миллиардах световых лет от Млечного Пути, они смотрят в столь далекое прошлое, что видят Вселенную не такой, какая она сейчас, но такой, какой она была спустя гораздо меньшее время с момента Большого взрыва. Наблюдения за галактиками в пяти и более миллиардах световых лет от Млечного Пути позволяют космологам восстановить картину огромной части истории расширяющейся Вселенной, в том числе выяснить, как менялась скорость расширения со временем, что и есть ключ к определению типа и значения кривизны пространства. Этот инструмент действителен хотя бы потому, что степень искривления пространства провоцирует малозаметные изменения в скорости, с которой Вселенная расширялась на протяжении последних нескольких миллиардов лет.

На практике астрофизики пока не могли реализовать эту заманчивую программу: у них не было возможности с достаточной точностью измерить расстояния до галактических кластеров в миллиардах световых лет от Земли. Правда, у них оставался один козырь: если бы им удалось измерить среднюю плотность всего вещества во Вселенной — среднее количество граммов вещества на один кубический сантиметр пространства, — они могли бы сравнить полученное число с «критической плотностью», значение которой было предсказано в описывающих расширяющуюся Вселенную уравнениях Эйнштейна. Критическая плотность определяет точную плотность вещества, соответствующую Вселенной с нулевой кривизной пространства. Если фактическая плотность оказывается выше этого значения — перед нами Вселенная с положительной кривизной. В таком случае (и при нулевой космологической постоянной) Вселенная в какой-то момент прекратит расширяться и начнет сжиматься. Если же фактическая плотность равняется критической или оказывается ниже ее значения, тогда Вселенная будет расширяться бесконечно. Полноценное равенство фактического и критического значения плотности возможно в космосе с нулевой кривизной, а во Вселенной с отрицательным искривлением фактическая плотность меньше критической.

К середине 1990-х годов космологи поняли, что, даже если учесть в расчетах всю темную материю, к тому моменту уже обнаруженную по ее гравитационному воздействию на обычное видимое вещество, суммарная плотность вещества в нашей Вселенной едва достигнет и четверти значения критической плотности. Результат не то чтобы удивительный — он всего лишь подразумевает, что Вселенная никогда не перестанет расширяться и мы живем в космическом пространстве с отрицательной кривизной. Но это, безусловно, огорчило тех, кто уже привык считать, что кривизна пространства равна нулю.

Данное убеждение было основано на так называемой инфляционной модели Вселенной, которая получила свое название в эпоху стремительно растущего индекса потребительских цен[17] (да, неизобретательно). В 1979 году Алан Гут, физик из Стэнфордского центра линейного ускорителя, который находится в Калифорнии, выдвинул гипотезу о том, что в первые мгновения своего существования Вселенная расширилась с невероятной скоростью — столь высокой, что отдельные частички вещества разлетелись прочь друг от друга со скоростью, существенно превышающей скорость света. Но разве, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света не является максимально возможной для любого вида движения? Не совсем. Эйнштейновское ограничение применимо только к объектам, движущимся в пространстве, но не к расширению пространства как таковому. В эпоху инфляции, которая продолжалась с 10–37 до 10–33 секунды после Большого взрыва, Вселенная увеличилась примерно в 10^50 раз.

Что же вызвало столь невообразимое расширение космоса? Гут предположил, что все космическое пространство, вероятно, прошло сквозь некое «фазовое превращение»: что-то вроде того, что происходит с водой, когда она очень быстро превращается в лед. После ряда существенных корректировок и дополнений от коллег Гута из Советского Союза, Объединенного Королевства и Соединенных Штатов идея ученого показалась столь заманчивой, что возглавила список теорий о зарождении Вселенной и оставалась на его первой строке в течение 20 лет.

Так почему же инфляция кажется столь заманчивой? Дело в том, что эпоха инфляции объясняет тот факт, что Вселенная со всеми ее общими свойствами выглядит одинаково, куда бы мы ни глядели: все, что мы видим (и на самом деле гораздо больше), появилось и раздулось из одной-единственной крошечной точки в пространстве, наделяя своими локальными свойствами целую огромную Вселенную. У теории есть и ряд других преимуществ, отметим только, что любители строить модели Вселенной в уме их признают. Но кое-что все же стоит упомянуть отдельно. Инфляционная модель дает один непосредственный и проверяемый прогноз: пространство нашей Вселенной должно быть плоским, без каких-либо положительных или отрицательных значений кривизны — таким же плоским, каким оно видится нам на уровне интуиции.

Согласно этой теории плоская форма пространства является следствием того самого гигантского расширения, что произошло в эпоху инфляции. В качестве художественного примера вообразите себя на поверхности воздушного шарика — а теперь пускай он увеличится во столько раз, что вы даже нули в множителе посчитать не сумеете. После такого расширения та часть шара, которую вы способны увидеть, будет казаться плоской, как блинчик, испеченный бабушкой. Именно таким и должен в итоге оказаться тот космос, который мы в принципе смеем надеяться когда-либо измерить, — если, конечно, инфляционная модель окажется достоверной картинкой реальной Вселенной.

Однако суммарная плотность вещества достигает лишь около одной четверти от значения, необходимого для придания пространству совершенной плоскости. В 1980-х и 1990-х годах многие убежденные теоретики среди космологов верили: так как инфляционная модель должна оказаться верной, новые данные когда-нибудь закроют этот космический пробел в массе, выраженный в несоответствии фактической суммарной плотности вещества, указывавшей на отрицательную кривизну пространства и ее критического значения, необходимого для плоского космоса. Их убежденная вера помогала им двигаться дальше, хотя убежденные наблюдатели среди космологов и насмехались над теоретиками за излишнее доверие к теоретическому анализу.

И тут насмешки прекратились.

В 1998 году две соперничавшие команды астрономов объявили о ряде новых открытий, которые подтверждали существование ненулевой космологической постоянной. Ее значение отличалось от того, что когда-то предложил Эйнштейн в целях сохранения статичности своей Вселенной. Была дана принципиально иная величина, и она показывала, что Вселенной предстоит расширяться бесконечно и все быстрее и быстрее.

Если бы теоретики просто заявили о том, что придумали еще одну модель Вселенной, мир вряд ли обратил бы на них серьезное внимание и недолго помнил бы об этом в принципе. В данном случае уважаемые эксперты по наблюдению за реальной Вселенной выказали друг к другу недоверие, проверили подозрительную активность своих соперников и обнаружили, что согласны и с данными, и с выводами друг друга. Результаты наблюдений не только подтверждали наличие космологической постоянной, не равной нулю, но и смогли приписать этой постоянной значение, делающее наше пространство плоским.

Простите, что-что? Как вы сказали? Космологическая постоянная, которая выравнивает пространство до плоского состояния? Вы намекаете, что мы все, как Королева из «Алисы в Зазеркалье», верим «в десяток невозможностей до завтрака»[18]? Однако при более зрелом размышлении вы убедитесь в том, что, если, как оказалось, в пустом пространстве все же имеется энергия (!), значит, эту энергию можно выразить в виде массы согласно знаменитому уравнению Эйнштейна, где E = mc^2. При наличии энергии E вы можете вывести соответствующее ей значение массы m, равное E, разделенной на c^2. Тогда вы получите суммарную плотность, составленную из двух отдельных величин: плотности вещества и плотности энергии.

И вот эту самую новую суммарную плотность и следует сравнивать с критической. Если их значения равны, значит, мы имеем дело с плоским пространством. Это соответствует прогнозам инфляционной модели о плоском пространстве, которой совершенно все равно, откуда берется значение суммарной фактической плотности вещества во Вселенной: составляйте из чего хотите — вещества, энергии или и того и другого, главное — конечный результат.

Важнейшие свидетельства ненулевой космологической постоянной, а значит, и существования темной энергии, были получены в процессе астрономических наблюдений за особым типом сверхновых звезд, которые, взрываясь с невероятной силой, гибнут в сопровождении ярчайшей вспышки света. Такие сверхновые звезды называются сверхновыми типа Ia[19] и отличаются от других типов, которые появляются после того, как ядра огромных звезд испытывают коллапс в конце своего жизненного цикла, исчерпав все свои возможности по производству энергии за счет термоядерного синтеза. В отличие от них сверхновые типа Ia обязаны своим происхождением так называемым белым карликам, принадлежащим к бинарным звездным системам. Две звезды, которым довелось образоваться рядом друг с другом, следуют своим жизненным циклам, одновременно вращаясь вокруг общего для них центра массы. Если одна из двух таких звезд обладает большей массой, ее жизненный цикл быстрее подойдет к концу, в большинстве случаев такие звезды теряют внешнюю газовую оболочку, обнажая перед космосом свое ядро в виде съежившегося, вырожденного белого карлика — объекта размером не больше Земли, но по массе сравнимого с Солнцем. Физики называют вещество в белых карликах вырожденным, потому что его плотность настолько высока (она превышает плотность железа или золота более чем в сотню тысяч раз), что законы квантовой механики преобладают над веществом в общем объеме, не давая ему схлопываться под воздействием невообразимо мощной гравитации, направленной на самого себя.

Белый карлик на взаимной орбите со стареющей звездой-компаньоном притягивает к себе газообразный материал, который она более не в силах удержать. Такое вещество, как правило, все еще достаточно богато водородом, и оно скапливается на поверхности белого карлика, становясь все более плотным и горячим. В конце концов, когда температура достигает десяти миллионов градусов, вся звезда целиком вспыхивает в термоядерном взрыве. Словно водородная бомба, но в миллиарды раз мощнее. Такой взрыв разрывает всего белого карлика на части… и становится сверхновой звездой типа Ia.

Такие сверхновые типа Ia представляют для астрономов особенный интерес благодаря двум уникальным свойствам. Во-первых, взрывы этих сверхновых становятся самыми яркими во Вселенной — их видно миллиарды световых лет спустя. Во-вторых, природа установила ограничение по массе для любого белого карлика: она не может превышать величину массы Солнца, умноженную примерно на 1,4. Вещество может накапливаться на поверхности белого карлика только до тех пор, пока его новая суммарная масса не достигнет значения примерно 1,4 массы Солнца. Как только это случится, термоядерные реакции разорвут белого карлика на части — взрыв всегда происходит с объектами одной и той же массы (ибо превысить ее невозможно) и одного и того же состава, раскиданными по всей Вселенной. Получается, что при рано или поздно наступающем взрыве такие сверхновые белые карлики достигают одного и того же максимального значения энергии взрыва, а их яростное сияние гаснет с примерно одинаковой скоростью после достижения своего пика.

Эти свойства позволяют астрономам использовать сверхновые типа Ia в качестве очень ярких и легко различимых «стандартных свечей» — объектов, дающих одинаковый выход энергии, где бы они ни находились. Конечно, расстояние от наблюдателя влияет на видимую яркость такой сверхновой звезды. Две звезды типа Ia в двух разных далеких галактиках будут излучать свет одинаковой степени яркости только в том случае, если они находятся на одинаковом расстоянии от нас. Соответственно, если одна находится в два раза дальше другой, ее сияние будет в четыре раза менее ярким (так как светимость любого объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния от наблюдателя до такого объекта).

Когда астрономы научились распознавать сверхновые звезды типа Ia на основании подробного анализа светового спектра каждого из таких объектов, у них в руках оказался золотой ключик от двери, за которой прятался ответ на вопрос «Как точно измерить расстояние до небесных тел?» Измерив (другими способами) расстояние до нескольких ближайших сверхновых типа Ia, ученые смогли вычислить гораздо более существенные расстояния до других сверхновых типа Ia, просто сравнив светимость относительно близких и далеких объектов.

В 1990-е годы две команды специалистов по сверхновым звездам (одна — из Гарварда, а другая — из Калифорнийского университета в Беркли) усовершенствовали эту методику, найдя способ компенсировать в своих расчетах небольшие, но реальные различия между сверхновыми типа Ia, которые можно отследить по их спектрам. Чтобы воспользоваться новеньким блестящим ключом от расстояний до самых далеких сверхновых звезд, исследователям был нужен телескоп, способный наблюдать за далекими галактиками и записывать свои наблюдения с ювелирной точностью. Они обратились к телескопу Хаббла, который в 1993 году получил новое основное зеркало (старое было изготовлено с погрешностью). С помощью наземных телескопов эксперты по сверхновым звездам обнаружили десятки объектов типа Ia в галактиках в миллиардах световых лет от Млечного Пути и запросили необходимое время для работы с телескопом Хаббла, чтобы повнимательнее их изучить.

1990-е годы подходили к концу, две команды наблюдателей за сверхновыми звездами соревновались друг с другом за право первой представить новую и улучшенную версию «диаграммы Хаббла» — ключевого для космологии графика, на который расстояния удаленности от нас галактик наносятся в соответствии со скоростями, с которыми эти галактики удаляются от нас. Астрофизики вычисляют значения таких скоростей на основании эффекта Доплера (более подробно о нем — в главе 13), который изменяет цвет излучения галактик в зависимости от той скорости, с которой эти галактики от нас удаляются.

Соответствующие каждой галактике удаленность и скорость удаления отмечены на диаграмме Хаббла. В случае с относительно близкими галактиками кривая, соединяющая эти точки, вполне синхронно идет вверх, так как одна галактика, удаленная от нас в два раза больше, чем другая, демонстрирует и в два раза большую скорость удаления. Прямую пропорциональность между расстояниями до галактик и их скоростями удаления можно алгебраически выразить законом Хаббла — простым уравнением, описывающим базовые повадки Вселенной: v = H_0 d. Здесь v — скорость удаления, d — расстояние, а H_0 — универсальная постоянная (постоянная Хаббла), которая описывает всю Вселенную целиком в любой конкретный момент времени.

Сторонние наблюдатели со всей Вселенной, изучая ее через 14 миллиардов лет после Большого взрыва, обнаружат, что галактики удаляются согласно описанной законом Хаббла формуле, и каждый такой наблюдатель получит одно и то же значение постоянной Хаббла, хотя назовут ее все они, конечно, по-разному. Эта предполагаемая межкосмическая демократия лежит в основе всей современной космологии. Мы не можем доказать, что вся Вселенная без исключения следует принципам этой демократии. Возможно, далеко за пределами доступной нам видимости космос ведет себя совсем иначе, чем «здесь». Но космологи отвергают подобные идеи, по крайней мере для видимой и наблюдаемой нами Вселенной. Так что будем считать, что формула V = Н0 * d представляет собой универсальный — вселенский! — закон.

Надо отметить, что постоянная Хаббла меняется со временем. Новая и улучшенная диаграмма Хаббла, включающая в себя галактики в миллиардах световых лет от нас, когда-нибудь откроет не только значение сегодняшней постоянной Хаббла (выраженной в градиенте линии, соединяющей точки соответствия расстояния и скорости удаления каждой отдельной галактики), но и динамику скорости расширения Вселенной за последние миллиарды лет. Значение скорости расширения Вселенной в начале ее существования будет определено данными в верхних значениях графика, так как они соответствуют наиболее далеким из изученных галактик (а значит, предстающим перед нами в своем глубоко «прошлом» виде). Таким образом, диаграмма Хаббла, охватывающая расстояния вплоть до многих миллиардов световых лет, сможет дать нам историческую картину расширения Вселенной, описанную ее переменной скоростью расширения.

На пути к данной цели миру астрофизиков повезло: у них было две команды-соперницы и обе тщательно изучали сверхновые звезды. Результаты этих исследований были впервые обнародованы в феврале 1998 года, и их эффект превзошел все ожидания. Если бы гонцом космических новостей была только одна группа ученых, ей вряд ли удалось бы пробить естественный скептицизм своих многоуважаемых коллег, которые не сдали бы без боя свои давно признанные и выпестованные убеждения об устройстве Вселенной. Но в этом случае две команды скептически целились в первую очередь друг в друга и потому особо тщательно принялись искать ошибки в полученных соперниками данных или выводах на их основании. Когда и те и другие объявили, что их все устраивает (несмотря на изначальную предубежденность друг против друга) и что конкуренты справились с задачей, миру космологии не оставалось иного выбора, кроме как принять, хотя поначалу довольно сдержанно, новости с передовой космических исследований.

Новости заключались в том, что самая далекая сверхновая звезда типа Ia оказалась более бледной, чем ожидалось. Это означает, что сверхновые расположены чуть дальше, чем следовало бы, что, в свою очередь, означает, что что-то заставило Вселенную расширяться еще быстрее. Что же спровоцировало ускорение расширения? Единственный возможный обвиняемый, подходящий по всем параметрам, — это темная энергия, таящаяся в пустом пространстве, та самая энергия, чье существование соответствует ненулевой космологической постоянной. Определив расстояние, на которое та далекая сверхновая звезда оказалась дальше, чем ожидалось, две команды астрономов определили саму форму и судьбу Вселенной.

Когда две команды, изучавшие сверхновые звезды, достигли единодушия, оказалось, что космос… плоский. Для наглядности придется немного повозиться с греческим алфавитом. Чтобы описать Вселенную с ненулевой космологической постоянной, нам нужно еще одно число. К постоянной Хаббла, обозначаемой нами как Н0 (это ее значение в наше время), и к средней плотности вещества, которая сама по себе определяет кривизну пространства при нулевом значении космологической постоянной, мы должны добавить эквивалент плотности, которую обусловливает темная энергия. Она, согласно эйнштейновской формуле Е = тс 2, обладает выраженным в массе (т) эквивалентом энергии (Е).

Космологи записывают плотность вещества и темной энергии с помощью символов ΩM и ΩΛ, где Ω (греческая заглавная «омега») представляет собой отношение космической плотности к критической. ΩM — это отношение средней плотности всего вещества во Вселенной к критической плотности, а Ω — отношение эквивалентной плотности темной энергии к критической. В данном случае Λ (греческая заглавная «лямбда») представляет собой космологическую постоянную. В плоской Вселенной с нулевой кривизной пространства сумма ΩM и ΩΛ всегда равняется единице, потому что суммарная плотность (вещества и эквивалентной веществу темной энергии) должна строго равняться критической плотности.

Наблюдения за далекими сверхновыми типа Ia помогли измерить разницу между ΩM и ΩΛ. Вещество замедляет расширение Вселенной, так как гравитация притягивает все ко всему остальному, затрудняя отдаление друг от друга. Чем выше плотность вещества, тем больше гравитационное взаимодействие замедляет процесс. Однако темная энергия делает кое-что принципиально другое. В отличие от скоплений вещества, чье взаимное притяжение замедляет космическое расширение, темная энергия обладает странным свойством: она заставляет пространство расширяться, тем самым дополнительно ускоряя этот процесс. Чем шире пространство, тем больше в нем становится темной энергии, так что расширяющаяся Вселенная — самый что ни на есть настоящий бесплатный сыр сами знаете где. Новоявленная темная энергия заставляет космос расширяться еще быстрее, и бесплатного сыра становится все больше и больше — и так до бесконечности. Значение ΩΛ отражает собой размер космологической постоянной и позволяет нам оценить абсолютное значение тенденции темной энергии к расширению своего окружения.

Когда астрономам удалось измерить отношение удаленности галактик к их скоростям удаления, они обнаружили, во что выливается противостояние гравитации и темной энергии. Согласно их подсчетам, ΩΛ — ΩM = 0,46 (±0,03). Так как астрономы на тот момент уже определили, что значение ΩM составляет примерно 0,25, на основе этой формулы легко установить, что ΩΛ предположительно равняется 0,71. Тогда в сумме ΩΛ и ΩM дают 0,96 — а это почти полноценная единица, которую прочит нам инфляционная модель Вселенной. Более свежие данные внесли в эти цифры уточняющие дополнения, благодаря чему сумма ΩΛ + ΩM еще больше приблизилась к единице. В настоящее время вам будет трудно найти космолога, не согласного с выводом о том, что Вселенная плоская.

Несмотря на единодушие между двумя соперничающими группами экспертов по сверхновым звездам, некоторых космологов все же было трудно убедить до конца. Не каждый день ученым случается оставить многолетние убеждения, такие, скажем, как нулевое значение космологической постоянной, и заменить их принципиально новым выводом о том, что темная энергия заполняет собой каждый кубический сантиметр пустого пространства. Почти все скептики, которые внимательно следили за приключениями теорий об устройстве космоса, в конце концов присоединились к новой версии, после того как смогли переварить результаты новой серии отчетов спутника, созданного для того, чтобы с беспрецедентной точностью записывать свои наблюдения за реликтовым излучением. Этот спутник — всемогущий WMAP, уже упомянутый в главе 3, к началу 2003 года накопил для космологов достаточно данных для того, чтобы на их основании составить всеохватную небесную карту микроволнового излучения, несущего на себе бо́льшую часть космического фонового излучения. Хотя более ранние исследования уже позволили сделать несколько базовых выводов и без такой карты, они все же были сделаны на основании куда более скудных данных, собранных лишь с отдельных участков неба. Полноценная карта неба от WMAP стала кульминацией многолетних трудов множества специалистов, а также определила раз и навсегда самые важные особенности реликтового излучения.

Самый выдающийся и значительный аспект новой карты, как и в случае с наблюдениями с аэростатов и наблюдениями, сделанными с помощью предшественника WMAP — спутника COBE[20], заключается в ее почти полной безликости. Вы не найдете никаких заметных различий в интенсивности излучения, идущего со всех сторон, пока не доберетесь в своих измерениях примерно до одной тысячной доли значений. Но и тогда едва различимые отличия принимают форму лишь незначительного повышения интенсивности излучения в одном конкретном направлении и соответствующего незначительного понижения интенсивности излучения в противоположном направлении. Эти различия вызваны движением нашей галактики Млечный Путь среди соседних с ней галактик. Из-за эффекта Доплера мы принимаем чуть более явный сигнал в направлении такого движения не потому, что само реликтовое излучение сильнее, а потому, что наше движение навстречу ему слегка увеличивает энергетический след фотонов, которые мы можем обнаружить.

Скорректировав результат со скидкой на эффект Доплера, мы получаем ровное реликтовое излучение, но это только вплоть до уровня стотысячных долей его величины. На этом уровне обнаруживаются крошечные отклонения от всеобщего единообразия. Эти отклонения можно сопоставить с участками, из которых реликтовое излучение приходит чуть более или чуть менее ярким. Как уже отмечалось ранее, разница в интенсивности связана с направлениями, в которых вещество чуть горячее и плотнее (или прохладнее и разреженнее) среднестатистического вещества в районе 380 тысяч лет после Большого взрыва. Спутник COBE первым заметил эти различия. Инструментальные измерения с помощью аэростатов и исследования на Южном полюсе уточнили имеющиеся у нас данные, а затем спутники WMAP и Planck предоставили еще более детальные сведения о небесном своде, что дало космологам возможность создать подробную карту плотности реликтового излучения с невообразимой ранее точностью углового разрешения вплоть до одного градуса.

Незначительные отклонения в однообразии реликтового излучения, обнаруженные спутниками COBE, WMAP и Planck, представляют для космологов более чем просто мимолетный интерес. Так, они показывают нам зачатки структурного строения Вселенной в то время, когда фоновое излучение перестало взаимодействовать с веществом. Регионы, в которых вещество чуть плотнее среднего, в те далекие времена получили фору для дальнейшего сокращения и выиграли эти космические соревнования, собрав у себя большую часть вещества с помощью гравитации. Первым важным заключением, которое позволяет сделать новая карта распределения реликтового излучения, является следующее: подтверждаются космологические теории о том, что огромная разница в плотности вещества от региона к региону Вселенной, наблюдаемая сегодня, существует благодаря крошечным различиям в плотности вещества, которые сложились во Вселенной через несколько сотен лет после Большого взрыва.

Однако космологи могут использовать новые результаты своих наблюдений за реликтовым излучением еще и для того, чтобы разгадать другую, более фундаментальную особенность устройства Вселенной. Подробная карта распределения реликтового излучения показывает нам кривизну самого пространства. Это удивительное заключение основано на том факте, что кривизна пространства влияет на путешествующее сквозь него излучение. Если, например, пространство искривлено положительно, тогда при наблюдении за реликтовым излучением мы оказываемся примерно в позиции стороннего наблюдателя, стоящего на Северном полюсе и глядящего вдоль поверхности Земли в направлении источника излучения в районе экватора. Так как линии долготы сходятся на полюсе, источник излучения предстает перед таким наблюдателем более остроугольным, чем было бы при абсолютно плоском пространстве.

Чтобы понять, как кривизна пространства влияет на угловой размер составляющих реликтового излучения, представьте себе время, когда оно наконец-то перестало взаимодействовать с веществом. Тогда крупнейшие отклонения от однообразия, которые только могли существовать во Вселенной, обладали размером, который космологи могут подсчитать: возраст Вселенной, умноженный на скорость света, равняется примерно 380 тысячам световых лет в поперечнике. Это то самое максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости. В случае с большими расстояниями «новости» от других частиц просто еще не успели бы добраться куда следовало, так что их нельзя винить в нарушениях распределения реликтового излучения.

Под каким углом эти максимальные отклонения расположились бы на небе сейчас, зависит от кривизны пространства, которую можно определить, сложив ΩM и ΩΛ. Чем ближе эта сумма к единице, тем ближе кривизна пространства к нулю (то есть тем более плоское пространство мы имеем) и тем больше угловой размер наблюдаемых нами максимальных отклонений от однообразия реликтового излучения. Данная кривизна пространства зависит только от суммы двух Ω, потому что оба типа плотности провоцируют кривизну пространства одинаковым образом. Получается, что наблюдения за реликтовым излучением предлагают нам прямое значение суммы ΩM и ΩΛ, а изучение сверхновых звезд — значение алгебраической разницы между Ом и ОЛ.

Данные спутника WMAP показывают, что для самых заметных отклонений от однообразия реликтового излучения характерен угол 1 градус, и это означает, что сумма ΩM + ΩΛ равняется 1,02 (±0,02). Так, в рамках границ экспериментально допустимой точности мы можем сделать вывод, что Ом + ОЛ = 1. Значит, пространство плоское. Результаты наблюдений за далекими сверхновыми типа Ia можно резюмировать строчкой □л — Ом = 0,46. Если мы совместим этот результат с утверждением о том, что Ом + ОЛ = 1, то получим следующие значения: Ом = 0,27, а ОЛ = 0,73; погрешность каждого из них составляет несколько процентов. Более точные данные, полученные с помощью спутника Planck, дают значения QM = 0,31 и ОЛ = 0,69. Как уже отмечалось ранее, это лучшая на сегодня оценка двух ключевых космических параметров: их неопределенность уменьшилась до ±2 %. Они демонстрируют, что на вещество — как на обычное, так и на темную материю — приходится лишь 31 % суммарной плотности вещества (или обычной энергии в его эквиваленте), в то время как на долю темной энергии приходится 69 %. Если хотите, можно рассматривать массовый эквивалент темной энергии — E/c2; тогда на долю темной энергии приходится 69 % всей массы Вселенной.

Ученые установили, что при ненулевом значении космологической постоянной относительное влияние вещества и темной энергии должны меняться с течением времени. С другой стороны, плоская Вселенная навсегда останется плоской, от своего рождения в результате Большого взрыва и вплоть до того бесконечного будущего, что ждет нас впереди. В плоской Вселенной сумма ΩM и ΩΛ всегда равна единице, а значит, если изменится одно слагаемое, то другое не сможет остаться неизменным.

В космические эпохи, наступившие вскоре после Большого взрыва, темная энергия не играла во Вселенной почти никакой роли. По сравнению с предстоящими вехами в ее истории Вселенная тогда была столь мала, что на долю ΩΛ приходилось число немногим больше нуля, в то время как ΩM практически равнялась единице. В те времена Вселенная напоминала собой пространство без какой-либо космологической постоянной. Шло время, и значение ΩM постепенно уменьшалось, зато значение ΩΛ росло в обратной к нему пропорции, сумма же неизменно оставалась равной единице. Рано или поздно, через сотню миллиардов лет от сегодняшнего дня, ΩM упадет почти до нуля, зато ΩΛ будет расти и расти, пока не приблизится по своему значению к единице. Мы видим, что история плоской Вселенной с ненулевой космологической постоянной подразумевает переход от «ранних лет», когда темной энергии отводилась самая незначительная роль, к «настоящему», когда ΩM и ΩΛ были приблизительно равны, а затем и к бесконечному будущему, в котором вещество будет распределено по Вселенной столь разреженно, что ΩM будет бесконечно стремиться к нулю, хотя сумма двух Ω все равно будет оставаться равной единице.

Наши наблюдения позволяют, с одной стороны, вычислить, что в данный момент в галактических кластерах величина ΩM составляет примерно 0,29, с другой — наблюдения за реликтовым излучением и далекими сверхновыми звездами приводят значение, скорее близкое к 0,31. С учетом экспериментальной погрешности эти два значения можно считать «совпадающими». Если мы действительно живем во Вселенной с ненулевой космологической постоянной и если эта постоянная отвечает (в паре с веществом) за формирование плоской Вселенной, как это предсказывает инфляционная модель, тогда космологическая постоянная должна иметь значение, которое, в свою очередь, приближает значение ΩΛ к 0,7 с лишним. То есть оно в два с половиной раза больше значения ΩM. Другими словами, ΩΛ сейчас выполняет основную часть работы во имя того, чтобы сумма ΩM + ΩΛ равнялась единице. Это означает, что мы уже оставили позади ту эпоху, в которой вклад вещества и космологической постоянной в поддержание плоской формы Вселенной был равен (значение каждой Ω составляло 0,5).

Прошло менее десяти лет, и прозвучавший двойной выстрел результатов наблюдений за сверхновыми звездами типа Ia и реликтовым излучением привел к переходу концепции темной энергии из статуса «какой-то там» идеи, на которой в свое время ненадолго остановился Эйнштейн, в статус непреложного космического факта о жизни. Если только в будущем не окажется, что все эти многочисленные данные получили неверную трактовку, были некорректно собраны или просто в корне неверны, нам останется лишь принять тот факт, что Вселенная никогда не сожмется в размере и не прекратит свое существование. Вместо этого нас ждет довольно скучное будущее: через сотню миллиардов лет, когда большинство звезд уже выгорит, все, кроме самых ближайших галактик, навсегда исчезнет из нашего поля зрения.

К тому времени Млечный Путь соединится со своими ближайшими соседями, создав одну огромную — гигантскую! — галактику в буквальном смысле в настоящей космической глуши. В нашем ночном небе останется сколько-то звезд, мертвых или еще функционирующих, и больше ничего. Астрофизикам будущего предстоит жить в весьма жестоком мире. Вокруг не будет ни одной галактики, которая помогла бы им отследить факт расширения Вселенной, и они, как и Эйнштейн, ошибочно предположат, что живут в статической Вселенной. Космологическая постоянная и ее темная энергия доведут Вселенную до состояния, в котором их нельзя будет не только измерить, но и в принципе вообразить.

Рекомендуем получать удовольствие от космологии, пока это еще возможно.

Глава 6. Напряжение в космосе!

С открытия темной энергии прошло не так много времени, но она уже заняла одно из главенствующих мест в списке самых волнующих вопросов существования Вселенной. К ответам на них ученые так пока и не приблизились, но их можно простить: за этот период астрофизики смогли еще точнее определить параметры, с помощью которых можно описать Вселенную на всем пути ее существования. И они продолжают работать над тем, чтобы еще точнее установить основной из них — скорость расширения. Для ее измерения ученые разработали два метода, почти равноценные по точности, однако их усилия привели к появлению еще одной животрепещущей, провокационной и многообещающей проблемы — оба метода дали совершенно разные результаты.

К такой противоречивости можно относиться по-разному. С одной стороны, воспринимать расхождение результатов как неверное, считая, что оно, вероятно, обусловлено не свойствами Вселенной, а неправильной интерпретацией, ошибками в расчетах или неточными исходными данными. С другой стороны, видеть в этом потенциал. Если мы будем работать над уточнением соответствующих знаний о космическом пространстве, его законах и истории развития либо — что еще более интересно — сможем открыть нечто новое в области базовой физики, которая лежит в основе любого космологического анализа, то сможем обрести новое понимание Вселенной.

Расхождение, о котором идет речь, касается значения основного параметра современной космологии — постоянной Хаббла H_0, которая выражает скорость расширения Вселенной в настоящее время. Нужно отметить, что астрофизики описывают постоянную Хаббла в единицах «км/с на мегапарсек», то есть на сколько километров в секунду увеличиваются скорости удаления галактик с увеличением расстояний до них, измеряемых в мегапарсеках (один мегапарсек соответствует 3,26 миллиона световых лет). Один метод определения постоянной Хаббла дает значение чуть больше 67 километров в секунду на мегапарсек, а второй демонстрирует результат, который примерно на 10 % больше первого и близок к 73. Разница между этими двумя числами привела к ситуации, которую космологи часто называют «космическим напряжением», или «напряжением Хаббла». Мы могли бы дать ей и другое, гораздо более звучное имя, например «кризис космологии», чтобы привлечь еще больше внимания, но давайте ограничимся словом «напряжение» и подумаем лучше вот о чем: «Что означает данное явление для нас и в целом для науки?»

Если мы обратимся к истории, то заметим, что нынешнее взволновавшее всех расхождение в оценках больше похоже на сближение. До появления телескопа «Хаббл» выдающиеся астрофизики, которые делали попытки определить значение постоянной Хаббла, расходились в своих оценках ровно в два раза: одни принимали за верное число 50, а другие — 100. Учитывая, какое напряжение породила разница между значениями 67 и 73, занимающая ученых сегодня, можно представить, как далеко мы продвинулись за одну жизнь.

Некоторые астрофизики — обычно не те, кто непосредственно участвует в измерениях или интерпретации результатов — спокойно смотрят на ситуацию. Они считают, что напряжение Хаббла разрешится довольно прозаически, и причем довольно скоро, а правильным будет признано значение, близкое к 70. Но многие из тех, кто потратил годы и даже десятилетия на определение точного значения постоянной Хаббла, придерживаются противоположной точки зрения (что, впрочем, вполне ожидаемо) и продолжают участвовать в жарких спорах. Если оба лагеря окажутся правыми в своих оценках, то с точки зрения истории настоящее вполне может быть названо эпохой, в которой два разных числа открыли дверь в новую физику.

Какие же методы породили напряжение Хаббла? С помощью первого было выявлено существование темной энергии; он использует оценки расстояний, полученные из наблюдений взрывов сверхновых в далеких галактиках. Постоянно совершенствующиеся средства наблюдения за взрывами этих сверхновых, а также уточнения тонких различий между ними привели к получению значений, близких к 73. Однако прежде чем обсуждать неопределенности, связанные этим числом, необходимо изучить главный альтернативный метод определения постоянной Хаббла.

Этот подход основан на использовании того, что космологи называют «стандартной линейкой» по аналогии со «стандартными свечами» — сверхновыми, используемыми в традиционном подходе вычисления постоянной Хаббла. Как рассказывалось в предыдущей главе, в эпоху разделения, которая наступила через 380 тысяч лет после Большого взрыва, некогда существенное гомогенизирующее воздействие излучения на материю наконец прекратилось. С той поры излучение свободно путешествует среди частиц материи, не оказывая на них весомого воздействия. Это произошло, когда максимальное расстояние, на котором частицы материи могли воздействовать друг на друга, составляло около 420 тысяч световых лет — более удаленные друг от друга области не успели каким-либо образом повлиять друг на друга. Это расстояние послужило ученым стандартной линейкой. В предыдущей главе оно было отмечено как максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости.

С расширением пространства расширялась и стандартная линейка, соответствующая наибольшим расстояниям в пространстве, в пределах которых могли возникнуть когерентные отклонения плотности материи от среднего значения. Теперь мы можем «увидеть» линейку — точнее, ее влияние — в двух разных эпохах. С первой из них мы уже знакомы. Это эпоха разделения, когда возникли небольшие неоднородности в распределении реликтового излучения, отражающие неравномерность распределения материи. В течение следующих миллиардов лет эти отклонения в плотности, составляющие стотысячные доли, превратились в чрезвычайно большие различия в плотности распределения материи внутри гигантских скоплений галактик и в областях между ними. Максимальные размеры этих скоплений показывают, насколько увеличился размер стандартной линейки с эпохи разделения до настоящего времени.

Таким образом, второй метод определения постоянной Хаббла основан на создании точной карты современной Вселенной и ее сравнении с первоначальными различиями в реликтовом излучении. (На самом деле слово «современный» означает «всего пару миллиардов лет назад» — это среднее время, необходимое для наблюдения за скоплениями галактик, выросшими из крошечных отклонений в реликтовом излучении.) В первые десятилетия XXI века проект Sloan Digital Sky Survey для большей точности задействовал специальный телескоп в Апач-Пойнт (штат Нью-Мексико, США), чтобы составить карты трехмерного распределения галактик в космосе и определить современный размер стандартной линейки. Он оказался равен примерно 490 миллионам световых лет. Сравнение этого расстояния с размером 450 тысяч световых лет, который имела линейка в эпоху разделения, приводит к значению постоянной Хаббла, близкому к 67.

Какую погрешность имеет каждый из этих двух методов, давших оценки 67 и 73? Самый последний анализ, проведенный группами астрофизиков, которые используют подход со стандартной линейкой, дает значение 67,3 (±0,6). Альтернативный подход к определению постоянной Хаббла, основанный на измерении светимости сверхновых, практикуется несколькими независимыми группами наблюдателей, состязающимися не только в точности результатов, но и в привлекательности аббревиатур команд, две из которых, H0LiCOW и SH0ES, с удовольствием включили H_0 в свои названия. Самая последняя оценка, полученная группой SH0ES, равна 73,3 (±1,0), тогда как H0LiCOW дает оценку 73,3 (±1,8). Разница между 67+ и 73+ вместе с оценками погрешности создает то, что ученые называют «разницей в пять сигм», что в переводе на простой человеческий звучит как «слишком большая, чтобы ее игнорировать». (Большинство ученых считают значимым расхождение в больше, чем три сигмы, при условии, что они доверяют данным, лежащим в основе расчетов.)

Прежде чем заняться разбором этих противоречивых результатов, следует отметить, что, к нашему удивлению, астрофизики имеют в своем арсенале еще три подхода для определения значения постоянной Хаббла. Один из них уже используется, а еще два скоро будут готовы помочь уточнить наши знания.

Первый из них основан на оценке расстояний до сверхновых в сравнительно близких галактиках путем пристального наблюдения за самыми яркими звездами в гигантских звездных скоплениях. Благодаря изучению этапов эволюции звезд астрофизики знают, сколько энергии те излучают. Как и в случае с наблюдениями сверхновых, сравнение видимых яркостей объектов, которые, как известно, имеют одинаковую истинную светимость, дает соотношение расстояний до объектов. Этот метод не распространяется на такие большие расстояния, которые позволяет измерять метод наблюдения за сверхновыми, но его результаты позволяют предположить, что постоянная Хаббла имеет компромиссное значение 70, упомянутое выше. Анализ полученных результатов, проведенный сторонниками значения 73, привел их к выводу, что это число лишь немного занижено. Из таких конфликтов может возникнуть окончательное решение.

Два других независимых метода оценки постоянной Хаббла достигли определенного успеха, но пока находятся в зачаточном состоянии. Оба открывают новые горизонты, опираясь на общую теорию относительности Эйнштейна. Один из них связан с искривлением пространства гравитационными силами, а другой — с гравитационным излучением, которое ученые обнаружили только в последние несколько лет. Как и более старые, хорошо зарекомендовавшие себя методы, новые нацелены на более точное определение расстояний до объектов и сравнение скоростей, с которыми они удаляются от нас. Первый из этих методов основан на анализе гравитационного отклонения реликтового излучения, проходящего мимо множества галактик на пути к нам. Второй, более подробно описанный в главе 9, основан на наблюдении за «стандартными сиренами» — подмножеством источников гравитационного излучения со схожими характеристиками, разбросанных в наблюдаемой части Вселенной. Название «стандартные сирены» было выбрано по аналогии со «стандартными линейками». Оба подхода, основанные на измерении искривления пространства и на наблюдении за стандартными сиренами, обещают дать результаты, более точные, чем позволяют получить лучшие на данный момент методы измерения скорости расширения Вселенной.

Как же все-таки оценить значение нынешнего напряжения в космологии? Как и астрофизики, проницательные читатели могут предсказать решение, опираясь на собственный опыт. Вы предпочитаете консервативный подход, сохраняете спокойствие и ожидаете, что вскоре все оценки сойдутся к значению 70? Или предпочитаете революцию: конфронтацию доказательств между значениями 67 и 73, которая откроет дверь в новую физику? В любом случае мы можем быть уверены, что в самой Вселенной нет никакого кризиса. Проблемы возникают на Земле, где человеческое понимание пока очень далеко от совершенства. Космологи и физики, считающие, что это напряжение требует решения, попытались, как того требуют их должностные инструкции, разрешить его, определив, что было упущено в нашем понимании Вселенной.

Список предлагаемых решений, к чести их создателей, может утомить большинство читателей. Почти все подобные предложения либо меняют принятую в настоящее время модель расширения Вселенной, либо вводят «новую физику», которая включает изменение теории относительности или законов гравитации. Самые популярные предложения новой физики связаны с неизвестными гипотетическими частицами (отличными от неизвестных гипотетических частиц, образующих темную материю), либо гипотетическими тонкими изменениями количества темной энергии во время раннего расширения Вселенной до момента разделения или вскоре после этого. К несчастью для некоторых из этих теорий, но к счастью для прогресса науки, точность наших нынешних наблюдений реликтового излучения накладывает жесткие ограничения на эти гипотезы, а в самых простых случаях делает их с высокой степенью вероятности несостоятельными.

С определенной точки зрения, это увеличивает волнение, которое напряжение Хаббла вносит в космологию: мы можем обнаружить, что за кажущимся скромным разногласием между 67 и 73 скрывается не только новая физика, но также и тот факт, что добавления «простой» новой физики может оказаться недостаточно. В последнем случае должен произойти более широкий пересмотр нашего понимания, чтобы напряжение Хаббла разрешилось само собой и астрофизики смогли сосредоточиться на новых загадках, которые, несомненно, возникнут в результате будущих наблюдений.

Глава 7. Одна Вселенная или множество?

Немного блегчить головную боль, которую вызывают попытки разрешить напряжение Хаббла, можно. Для этого нужно вспомнить о том, что каким бы ни было значение H_0, мы можем быть уверены в двух фактах, связанных с космосом, — во-первых, мы живем в расширяющейся Вселенной, а во-вторых, это расширение ускоряется. Опровержение любой из этих характеристик положило бы начало космологической революции, более глубокой, чем признание любой новой физики. Чтобы отдать должное открытию того, что мы живем в расширяющейся Вселенной, и понять, почему астрофизики так доверяют этому выводу, оглянемся назад и вспомним времена, когда открытие ускоряющегося расширения потрясло мир космологии. Так почему же оно быстро получило широкое признание?

В начале 1998 года мир космологии потрясло открытие, что мы живем в ускоряющемся мире, в котором Вселенная не только постоянно расширяется, но и делает это все быстрее и быстрее. Тогда были объявлены первые результаты наблюдений за сверхновыми звездами, которые и помогли ученым прийти к заключению о расширении Вселенной. Сегодня, когда эта идея также окончательно заручилась поддержкой исследователей реликтового излучения (а у космологов было достаточно лет для того, чтобы пропустить через себя мысль о постоянно ускоряющемся космическом расширении), возникают два серьезных вопроса, и в поиске ответов на них космологи проводят дни и ночи: почему скорость расширения Вселенной растет, почему у этого ускорения именно такое значение и как оно характеризует Вселенную?

Простой ответ на первый вопрос перекладывает всю ответственность за ускорение расширения Вселенной на сам факт существования темной энергии или же, что равнозначно, на наличие ненулевой космологической постоянной. Сама степень ускорения напрямую зависит от количества темной энергии на каждый кубический сантиметр пустого пространства: чем больше энергии, тем быстрее ускорение. Так, если бы ученые смогли объяснить, откуда берется эта самая темная энергия и почему сегодня во Вселенной ее именно столько, сколько есть, они могли бы с чистой совестью заявить, что разгадали фундаментальную загадку Вселенной. То есть определили происхождение этой провоцирующей космос на дальнейшее и все более стремительное расширение энергии в пустом пространстве. Вперед в будущее, в котором нас ждет поистине необъятное космическое пространство, не менее гигантские запасы темной энергии в нем и почти никакого вещества на один кубический световой год.

Откуда берется и что представляет собой темная энергия? Нащупать ответ космологи могут в глубинных пластах своих знаний о физике частиц: темная энергия — это продукт каких-то событий, происходящих в пустом пространстве (если не терять надежды на то, что квантовая теория достоверно описывает суть вещества и энергии). Вся физика частиц основана на данной теории, состоятельность которой столь многократно и очень точно была подтверждена в микроскопических условиях, что почти все физики не видят повода сомневаться в ней. Неотъемлемая часть квантовой теории подразумевает, что так называемое пустое пространство на самом деле гудит и дрожит от «виртуальных частиц», которые появляются в нем и исчезают быстрее, чем мы успеваем их заметить, однако позволяют нам отследить эффект своего существования (темную энергию). Собственно, возникает она в результате этого постоянного мельтешения — появления и исчезновения — виртуальных частиц, которое мы называем квантовыми флуктуациями вакуума (это специально для тех, кому нравится звонкая терминология физиков, остальные могут использовать слово «колебания»). Более того, исследователи частиц могут без особых трудностей вычислить точное количество энергии, заполняющей каждый кубический сантиметр вакуума. Непосредственное применение квантовой теории к так называемому вакууму напрямую предполагает, что такие квантовые колебания должны производить темную энергию. Со стороны эта история звучит весьма непринужденно, и возникает резонный вопрос: почему же космологам понадобилось так много времени на то, чтобы обнаружить существование этой энергии?

К сожалению, в силу особенностей реального расклада вещей нам следует иначе сформулировать вопрос: как могли физики, изучающие частицы, так радикально ошибиться? Подсчеты количества темной энергии на каждый кубический сантиметр вакуума указывают на число примерно в 10^120 раз большее, чем значение, экспериментально найденное космологами в процессе наблюдения за сверхновыми звездами и реликтовым излучением. В абстрактных астрономических ситуациях расчеты, которые оказываются приблизительно верными, демонстрируя ошибочность в десять или менее раз, зачастую воспринимаются как «временно удовлетворительные». Однако ошибку в 10^120 раз под диван не спрячешь, даже если вы неисправимый оптимист в огромных очках с толстыми розовыми стеклами. Если бы в реальном вакууме темной энергии было столько, сколько следует из квантовых законов физики, Вселенная уже давно распухла бы до таких размеров, которых нам с вами никогда даже близко не вообразить, причем крошечной доли секунды хватило бы на то, чтобы разнести вещество по всему космосу в невероятно разреженном виде. Теория и наблюдения единодушны в своих выводах о том, что в пустом пространстве содержится темная энергия, однако в вопросах того, сколько именно такой энергии там можно обнаружить, они расходятся в триллион в десятой степени раз. Чтобы наглядно проиллюстрировать это колоссальное расхождение, не получается придумать ни одного «земного» примера, да и космический тоже не приходит в голову. Расстояние от Земли до самой далекой известной нам галактики превышает размер одного протона в 10^40 раз. Даже это гигантское число — всего лишь кубический корень из того, во сколько раз расходятся теория и практика относительно значения нашей космологической постоянной.

Специалисты по физике частиц и космологи давно знают, что квантовая теория задает неприемлемо высокое значение для объема мировой темной энергии. Но в те дни, когда считалось, что значение космологической постоянной равно нулю, они надеялись обнаружить какое-либо еще объяснение своим наблюдениям — такое, которое, по сути, свело бы на нет сам вопрос к устройству Вселенной с помощью взаимного исключения положительных и отрицательных величин теории. Подобное взаимоисключение когда-то решило проблему того, каким количеством энергии виртуальные частицы наделяют обычные — видимые нам — частицы. Теперь же, когда мы знаем, что космологическая постоянная не равна нулю, надежды на то, что подобное решение методом «взаимоисключения» найдется, довольно призрачны. Однако, если такое решение существует, оно каким-то образом должно будет обесценить практически все те теоретические знания, которыми мы обладаем на сегодняшний день. Сейчас, из-за отсутствия объяснения размера космологической постоянной, ученым остается лишь продолжать плотное сотрудничество в областях космологии и физики частиц, стремясь найти способ привести в соответствие теорию о том, как в космосе рождается темная энергия с ее невероятно высокой концентрацией из расчета на один кубический сантиметр вакуума.

Светила современной физики частиц и космологии тратят немало сил на то, чтобы объяснить значение космологической постоянной — и безрезультатно. Отсюда и жаркий гнев бессилия в рядах ученых-теоретиков, не в последнюю очередь потому, что тот, кто сможет объяснить, как природа смогла создать именно такое космическое пространство, каким мы его наблюдаем, получит и Нобелевскую премию, и невообразимую радость открытия и научного прорыва. Но объяснение требуется еще многим вещам, и одна из них имеет самое прямое отношение к нашей теме обсуждения: почему количество темной энергии, выраженное в ее массовом эквиваленте, примерно равно количеству энергии, производимой всем веществом во Вселенной?

Этот вопрос можно задать и иллюстративно, с помощью двух Ω, представляющих собой плотность вещества и плотность массового эквивалента темной энергии: почему значения ΩM и ΩΛ приблизительно равны? Почему одно из них не больше другого в разы?

В первый миллиард лет после Большого взрыва ΩM была практически равна единице, в то время как ΩΛ — нулю. В те далекие времена ΩM сначала была в миллионы, затем в тысячи и потом уже в сотни раз больше ΩΛ. Сегодня же, когда ΩM = 0,31 и ΩΛ = 0,69, эти два значения можно считать примерно равными друг другу, хотя ΩΛ и явно выше ΩM. В далеком будущем, примерно через 50 миллиардов лет, ΩΛ будет сначала в сотни, потом в тысячи, а затем в миллионы и даже в миллиарды раз больше ΩM. Только в течение периода космической истории примерно от 3 до 50 миллиардов лет после Большого взрыва эти два значения более или менее соответствуют друг другу.

Для беспечного ума обывателя промежуток времени от 3 до 50 миллиардов лет — это очень много. С астрономической точки зрения это совсем мало. В астрофизике популярен логарифмический подход ко времени, когда рассматриваемый промежуток для удобства делят на интервалы так, чтобы каждый последующий был больше предыдущего в десять раз. Сначала Вселенной было столько-то лет, потом она стала в десять раз старше, потом еще в десять раз старше и так до бесконечности — бесконечное количество умножений на десять. Предположим, мы начали отсчитывать время в тот самый миг, который с точки зрения квантовой теории имеет хотя бы какое-то значение — в 10–43 секунд после Большого взрыва. Так как в каждом году примерно 30 миллионов секунд (если точнее, то их 3 × 10^7), нам нужно примерно 60 степеней десяти (10^60), чтобы пройти путь от 10–43 секунд после Большого взрыва до трех миллиардов лет спустя. Но нам требуется всего лишь чуть больше, чем умножить имеющееся на этот момент число еще на десять, чтобы проскочить отрезок от 3 до 50 миллиардов лет — а именно в этот промежуток времени ΩM и ΩΛ приблизительно равны. Еще дальше — и бесконечное количество степеней десяти открывают дорогу в бесконечное будущее. С такой логарифмической точки зрения вероятность того, что мы будем жить в космических условиях приблизительного равенства ΩM и ΩΛ, ничтожно мала. Майкл Тернер, ведущий американский космолог, даже дал этому парадоксальному явлению — вопросу о том, почему нам довелось жить в эпоху приблизительного равенства ΩM и ΩΛ, — шуточное название «загадка Нэнси Керриган», в честь олимпийской чемпионки по фигурному катанию из США, которая, получив удар по коленке перед выходом на лед на этапе чемпионата США, в слезах вопрошала: «Почему я? Почему сейчас?»[21]

Несмотря на то что космологам не удается вычислить такое значение космологической постоянной, которое хотя бы приблизительно походило на правду, у них есть ответ на загадку Нэнси Керриган. Правда, мнения о важности этого ответа и возможных из него выводах сильно расходятся. Одни принимают предлагаемые объяснения; другие внимают им весьма неохотно; третьи гарцуют вокруг да около; а четвертые отвергают полностью. Это объяснение связывает значение космологической постоянной с тем фактом, что вот они мы — живем именно на этой планете, вращающейся вокруг средней звезды в средней галактике именно сейчас. Аргумент следующий: раз мы существуем, значит, параметры, описывающие Вселенную, — и особенно величина космологической постоянной — обладают такими значениями, которые допускают наше существование.

Представьте, какой была бы Вселенная, в которой космологическая постоянная существенно превышала бы свое реальное значение. В разы большее количество темной энергии существенно увеличило бы значение ΩΛ по сравнению с ΩM, и на это не понадобилось бы 50 миллиардов лет — хватило бы всего нескольких миллионов. К этому времени в космосе, в котором преобладало бы ускорение — продукт темной энергии, — вещество разлетелось бы в разные стороны так быстро, что ни галактики, ни звезды, ни планеты просто не успели бы сформироваться. Если предположить, что от начала формирования первых небольших скоплений вещества до зарождения на Земле жизни прошло не менее одного миллиарда лет, мы можем достаточно уверенно заключить, что само наше существование ограничивает значение космологической постоянной некоторой величиной в промежутке от нуля до числа, в несколько раз превышающего ее реальное значение. Бесконечно большие значения она явно принимать не может.

Аргумент начинает выглядеть более весомо, если предположить вместе со многими космологами, что все, что мы с вами называем Вселенной, является частью гораздо более огромной Мультивселенной (ее еще называют «мультиверс» — от англ. multiverse). Мультивселенная состоит из бесконечного множества вселенных, никаким образом друг с другом не взаимодействующих. Согласно концепции Мультивселенной, все устройство каждой отдельной вселенной — это высокая материя и некие высшие измерения, вследствие чего пространство нашей Вселенной недоступно ни для какой другой вселенной — и наоборот. Это отсутствие даже гипотетического взаимодействия между ними ставит теорию Мультивселенной в число непроверяемых, а значит, неподтверждаемых (но и неопровергаемых!) гипотез, как минимум пока какие-нибудь мудрецы не найдут способа ее проверить. В Мультивселенной новые вселенные зарождаются в произвольном порядке и с произвольной частотой, раздуваются за счет инфляции до гигантских размеров, но никак при этом не взаимодействуют с бесконечным количеством других вселенных.

В Мультивселенной каждая новая вселенная зарождается и существует по своим законам физики, обладая своими характерными космическими параметрами — включая те, что определяют для такой вселенной значение космологической постоянной. У большого количества таких вселенных космологическая постоянная в разы превышает нашу — и они быстро разгоняются и разбегаются до состояния почти нулевой плотности вещества; жизни в таких вселенных просто не из чего появиться. Только в крошечной доле всех вселенных, составляющих Мультивселенную, комплекс условий складывается так, чтобы допустить возможность зарождения и существования жизни, потому что только эти несколько комбинаций параметров позволяют веществу сформировать галактики, звезды и планеты и дают возможность всем этим объектам существовать миллиарды лет.

Космологи называют такой подход к объяснению величины космологической постоянной антропным принципом, хотя термин «антропный подход» был бы, пожалуй, более уместен. У такого подхода к объяснению одного из ключевых вопросов в космологии есть одна несомненно привлекательная особенность: его любят или ненавидят, но редко кто относится к нему равнодушно. Как и многие другие увлекательные идеи, антропный подход можно подгонять под разные теологические и телеологические системы мышления или делать вид, что он удачно «подгоняется». Некоторые религиозные фундаменталисты отмечают, что антропный принцип устройства Вселенной перекликается с их верованиями, потому что отводит человечеству центральную роль: если бы космос — по меньшей мере известный нам космос — некому было изучать и наблюдать, его бы не могло и не должно было «быть». Значит, некие высшие силы создали его таким, чтобы и нам нашлось в нем уютное местечко. Противник подобного хода мысли может сказать, что антропный принцип подразумевает совсем не это и на теологическом уровне этот вроде как аргумент в пользу существования Всевышнего указывает на невероятно нехозяйственного и расточительного Создателя, который зачем-то мастерит бесчисленное множество вселенных, из которых лишь крохотная часть способна создать условия для зарождения жизни. Почему бы не избавиться от этого неловкого посредника и не следовать мифам и легендам о мироздании, которые сразу ставят человека во главу угла?

С другой стороны, если вы предпочитаете видеть Божественное провидение во всем, что вас окружает (как Спиноза, например), вы не устанете восхищаться Мультивселенной, в которой вселенные расцветают одна за другой, словно цветы. Как и большинство новостей с переднего края науки, концепцию Мультивселенной и антропного принципа можно с легкостью «склонять» по-своему — так, чтобы привести в соответствие с конкретной системой устоев и убеждений. Стивен Хокинг, обладатель почетной должности Лукасовского профессора Кембриджского университета по астрономии[22] (как и когда-то Исаак Ньютон до него), считает антропный подход превосходным решением загадки Нэнси Керриган. Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии по физике за свои исследования и открытия в области физики элементарных частиц, недолюбливает этот подход, но тем не менее относит себя к его последователям. По крайней мере, «пока» не будет предложено что-то более разумное.

Возможно, когда-нибудь история рассудит нас, показав космологам, что они занимались не той задачей — в том смысле, что не до конца понимали, какая именно задача перед ними стоит. Вайнбергу нравится проводить аналогию с попыткой Иоганна Кеплера объяснить, почему у Солнца шесть планет (как тогда считали астрономы) и почему они вращаются именно на таких орбитах. С тех пор прошло 400 лет, а астрономы до сих пор знают слишком мало о происхождении планет, чтобы дать объяснение их числу в Солнечной системе. Мы знаем, что гипотеза Кеплера о том, что расстояния между планетами, вращающимися вокруг Солнца, можно объяснить возможностью вписать между соседними орбитами одно из пяти платоновых тел (или правильных многогранников), в корне неверна и не имеет ничего общего с реальным устройством Вселенной. Правильные многогранники вписываются меж орбит не так уж хорошо, и, что важно, у нас нет никакого повода считать, что орбиты планет должны следовать такому принципу формирования. Так что вполне возможно, что будущие поколения ученых будут видеть в космологах сегодняшнего дня этаких Кеплеров, старающихся изо всех сил объяснить пока необъяснимое с помощью тех инструментов для изучения и понимания Вселенной, что им уже доступны.

Не все однозначно одобряют антропный подход. Некоторые космологи критикуют его за пораженчество и антиисторичность (так как он идет вразрез с многочисленными историями успеха традиционной физики, которой не раз удавалось рано или поздно найти объяснение явлениям, до этого считавшимся мистическими); еще они называют его опасным — ведь от него попахивает креационизмом. Многие космологи также находят неприемлемым построение целой теории на предположении о том, что мы живем в Мультивселенной, состоящей из бесчисленного множества других вселенных, с которыми мы никак и ни при каких обстоятельствах не можем взаимодействовать, даже теоретически.

Дебаты, которые разворачиваются на фоне антропного принципа, лишний раз подчеркивают тот скептицизм, что лежит в основе научного подхода к пониманию Вселенной. Теория, которая нравится одному ученому (как правило, тому, кто ее придумал), может показаться абсурдной — да и просто в корне неверной — другому. При этом и тот и другой знают, что теории выживают и расцветают пышным цветом только тогда, когда ученые находят их наиболее эффективными в объяснении большей части полученных с помощью наблюдений данных. Как однажды сказал один известный ученый, «опасайтесь теории, которая способна объяснить все данные — ведь с немалой долей вероятности какие-то из них потом окажутся неверными».

Данное противоречие может так и остаться неразрешенным еще долгое время, но оно обязательно спровоцирует и другие попытки объяснить устройство Вселенной. Например, Пол Штайнхардт из Принстонского университета при поддержке Нила Тюрока из Кембриджского университета создал теоретическую экпиротическую модель Вселенной. Воодушевленный теорией струн (одним из весьма интересных разделов физики элементарных частиц), Штайнхардт предлагает нам Вселенную с одиннадцатью измерениями, большинство из которых «компактифицированы» — свернуты в пространстве, как носки в ящике, благодаря чему они занимают в нем не так уж много места. Но некоторые из таких измерений обладают реальными размерами и значением — мы просто не можем их обнаружить и оценить, потому что заточены в своем четырехмерном мире. Попробуйте представить, что все пространство нашей Вселенной представляет собой бесконечную и бесконечно тонкую плоскую поверхность (в данной модели сетка измерений насчитывает всего два, а не три измерения), затем представьте еще одну такую листообразную поверхность, а потом — как она приближается и сталкивается с первой. В момент самого столкновения происходит Большой взрыв, и пока эти плоскости удаляются друг от друга вследствие удара, история каждой из них идет своим чередом, давая жизнь галактикам и звездам. В какой-то момент эти две плоскости прекращают удаляться друг от друга и начинают снова двигаться друг другу навстречу. Рано или поздно мы получаем новое столкновение и новый Большой взрыв в каждой из них. Получается, что Вселенная циклична: она повторяется, пусть и в огромных временных масштабах, каждые несколько сотен миллиардов лет. С греческого языка слово ekpyrosis означает «возгорание»

(однокоренное ему слово «пиротехника» вам наверняка знакомо), и поэтому фраза «экпиротическая Вселенная» напоминает каждому из нас, обладающему тайным знанием греческого, о том великом огне и той космически жаркой печи, в которой родилась в свое время та Вселенная, которую мы знаем сегодня.

У экпиротической модели Вселенной есть определенная эмоциональная и интеллектуальная привлекательность, которой, однако, оказалось недостаточно, чтобы завоевать умы и сердца многих коллег Штайнхардта из области космологии. Пока недостаточно, во всяком случае. Что-то отдаленно напоминающее такую экпиротическую модель может когда-нибудь оказаться тем самым прорывом в понимании происхождения и природы темной энергии, которого космологи, затаив дыхание, ждут уже столько лет. Даже те, кто поддерживает антропный подход к ее трактовке, вряд ли будут упрямиться, если появится новая теория, способная предложить хорошее объяснение тому, откуда и как берется космологическая постоянная, не прибегая к бесконечной веренице бесконечных вселенных, среди которых наша — просто особо удачливая.

Попытки объяснить космологическую постоянную или любой другой физический параметр, описывающий Вселенную, напоминают нам, что каждое новое открытие какого-либо аспекта Вселенной вызывает новые вопросы, на решение которых потребуются многие годы. Циники могут задаться вопросом: «Кого это волнует?» Не только антропный принцип, но и весь спектр теорий устройства Вселенной, от придуманных древними греками до Мультивселенной, почти не оказал влияния на нашу повседневную жизнь. И все же вопросы мироустройства продолжают волновать многих из нас, ставя нас лицом к лицу (как писал Ф. Скотт Фицджеральд в своем романе «Великий Гэтсби») с чем-то соизмеримым и заложенной в нем способностью к восхищению.

Тем, кто ищет знания поближе к дому, следует обратить внимание на отдельные космические объекты, которые действительно оказывают непосредственное влияние на нашу жизнь. Мы можем начать с того же, с чего начала Вселенная, — с крупнейших из них, а затем перейти к менее значимым, которые можем исследовать, стоя на твердой почве.

Часть II. Происхождение галактик и структура Вселенной

Глава 8. Как были обнаружены галактики

Два с половиной столетия назад, незадолго до того как — английский астроном сэр Уильям Гершель собрал первый по-настоящему большой телескоп в мире, известная человеку Вселенная состояла всего лишь из звезд, Солнца и Луны, нескольких планет и нескольких спутников Юпитера и Сатурна, какого-то количества туманных объектов, а также Галактики, образующей молочно-белый пояс на талии ночного неба. Действительно, слово «галактика» переводится с греческого как «молоко». В небе были также обнаружены объекты неясного очертания, позднее названные туманностями[23] из-за того, что были до определенной степени бесформенными, например Крабовидная туманность в созвездии Тельца или туманность Андромеды, уютно расположившаяся в пределах созвездия одноименного созвездия.

Телескоп Гершеля был оснащен зеркалом шириной 48 футов[24] — беспрецедентный формат для 1789 года, когда он был сооружен. Из-за своей сложной системы балок и стоек, необходимой для закрепления и направления его под нужным углом, телескоп был весьма неповоротливым, но, направляя его в небо, Гершель мог сразу же увидеть бесчисленные звезды, образующие Млечный Путь. С помощью этого 48-футового гиганта и еще одного телескопа поменьше Гершель и его сестра Каролина составили первый подробный каталог северных туманностей дальнего космоса. Сэр Джон — сын Гершеля — тоже внес вклад в семейное дело, дополнив составленный отцом и тетей каталог северных объектов: во время своего пребывания на мысе Доброй Надежды на юге Африки он добавил в него более 1700 туманных объектов, которые можно было разглядеть из Южного полушария. В 1864 году сэр Джон собрал все семейные открытия и записи в единый реестр, который назвал «Общим каталогом туманностей и скоплений звезд». В него вошло более 5000 наименований.

Несмотря на столь внушительный объем данных, в то время никто не понимал истинной природы туманностей, не представлял, насколько далеко от Земли они расположены или чем отличаются друг от друга. Тем не менее вышедший в 1864 году каталог позволил классифицировать туманности по их морфологическим признакам, то есть в зависимости от формы. В духе лучших традиций бейсбольных судей (а они появились в то же время, когда каталог Гершеля-младшего увидел свет) ученые дали туманностям названия по принципу «что вижу, о том и пою». Туманности спиральной формы получили название спиральных; те, что напоминали эллипс, стали эллиптическими; а все остальные, обладавшие неопределенными формами, были названы неправильными. Ученые добрались и до маленьких округлых туманностей, напоминающих в объективе телескопа планеты, и назвали их планетарными, что потом регулярно сбивало с толку новичков в области астрономии.

На протяжении почти всей своей истории астрономия придерживалась максимальной прямолинейности, используя описательные методы изучения, во многом схожие с принятыми в ботанике. Вооружившись все увеличивающимся списком обнаруженных звезд и туманных объектов, астрономы искали в них сходства и различия, которые позволили бы классифицировать их тем или иным образом. Между прочим, это очень разумно. Многие люди с самого детства интуитивно склонны организовывать вещи согласно их внешнему виду и форме. Гершели предполагали, что раз уж объекты, наблюдаемые ими в ночном небе, имеют примерно одинаковые видимые размеры, значит, они находятся на одном и том же расстоянии от Земли. По этой причине для них руководствоваться единым для всех туманностей принципом группирования и классификации было более чем естественно.

Однако это было грубой ошибкой — предполагать, что все туманности находятся на одном и том же расстоянии от нас. Природа бывает обманчива и даже коварна. Некоторые из туманностей в классификации Гершелей на самом деле находятся от нас не дальше, чем звезды, потому-то они столь малы (если, конечно, миллиарды километров от края до края — это «мало»). Другие туманности оказались гораздо дальше от нас, а это значит, что фактически они в разы крупнее тех туманных объектов, что находятся ближе (раз предстают перед нами в одном и том же размере).

Из этого важно вынести следующий урок: в какой-то момент нужно перестать зацикливаться на том, как выглядит тот или иной предмет, и начать спрашивать, что он из себя представляет. К счастью, к концу XIX века научный и технологический прогресс позволил астрономам поступить именно так: заняться чем-то более интересным и важным, чем раскладывание по папкам и полочкам содержимого нашей Вселенной. Этот сдвиг ознаменовал собой рождение астрофизики, которая представляет собой прикладное применение законов физики к ситуациям и явлениям астрономических масштабов.

В то время, когда сэр Джон Гершель опубликовал свой внушительный каталог туманностей, был изобретен новый научный прибор — спектроскоп. Его единственное назначение — разбивать свет на богатую палитру составляющих его цветов. Эти цвета и их свойства не только много рассказывают нам о химическом составе источника света, но и благодаря явлению под названием «эффект Доплера» повествуют о движении источника света относительно Земли — навстречу нашей планете или прочь от нее.

Спектроскопия показала ученым кое-что удивительное: почти все спиральные туманности, которых особенно много сразу за пределами Млечного Пути, постоянно удаляются от Земли на высоких скоростях. В противовес этому все планетарные туманности и почти все неправильные туманности движутся с относительно низкой скоростью: некоторые навстречу нам, другие прочь от нас. Может, в самом сердце Млечного Пути произошел какой-то катастрофический взрыв, мощность которого изгнала за его пределы исключительно спиральные туманности? Может, мы как раз живем в момент (или, скорее, период) протекания этой катастрофы? Несмотря на технические инновации, которые в то время переживала фотография (включая появление пленок с эмульсионным покрытием более быстрого проявления) и которые позволяли астрономам измерять спектр даже наиболее бледных туманностей, ответа на вопрос, почему они продолжают уходить от нас одна за другой, так и не находилось.

Большая часть прорывов в астрономии, как и в других науках, связана с появлением более совершенных технологий. На рубеже 1920-х годов в обиходе ученых появился еще один ключевой инструмент: 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон в окрестностях Пасадены, штат Калифорния, США. В 1923 году американский астроном Эдвин П. Хаббл с его помощью — а на тот момент это был самый большой телескоп в мире — обнаружил особый вид звезд в туманности Андромеды: так называемые переменные звезды цефеиды. Переменные звезды любого типа обладают переменной светимостью, которая претерпевает изменения в соответствии с определенным циклом. Так, цефеиды, получившие свое название в честь одной из таких звезд, найденных в созвездии Цефея, отличаются исключительной светимостью (яркостью) и потому видны на очень далеких расстояниях. Так как их светимость изменяется в рамках определенного цикла, терпение и упорство помогают дотошному наблюдателю обнаруживать все больше и больше таких звезд. Хаббл нашел несколько цефеид внутри Млечного Пути и прикинул их расстояние от Земли. К его изумлению, цефеида, обнаруженная им в туманности Андромеды, оказалась намного бледнее остальных.

Самое очевидное этому объяснение напрашивается само собой: новая переменная цефеида — как и ее «хозяйка» туманность Андромеды — находится гораздо дальше, чем цефеиды Млечного Пути. Хаббл понял, что его открытие отодвигает туманность Андромеды на столь далекое расстояние, что она никак не может быть частью созвездия Андромеды, более того, она вообще не может входить в состав Млечного Пути; и если и был какой-либо (тогда предполагаемый) катастрофический инцидент, когда «звездное молоко» расплескалось за пределы Млечного Пути, то туманность Андромеды не могло просто выплеснуть из него вместе с ее спиральными сестрицами.

От напрашивающихся выводов захватывало дух. Открытие Хаббла показало, что спиральные туманности — это целые отдельные звездные системы, равноправные соседки Млечного Пути, в которых не меньше своих собственных звезд. Перекликаясь с идеей философа Эммануила Канта об «островных вселенных», полученные Хабблом данные демонстрировали, что за пределами нашей собственной звездной системы лежат десятки, а может, и сотни аналогичных систем — ведь цефеида в туманности Андромеды была лишь одним из множества маяков, сигнализирующих об этом. Туманность Андромеды оказалась… галактикой Андромеды.

К 1936 году с помощью телескопа Хукера было обнаружено и задокументировано уже так много островных вселенных, что и Хабблу тоже захотелось попробовать себя в морфологии. Его анализ типов галактик основывался на непроверенном предположении, что различия в их формах отражают собой различные стадии в эволюции галактики, от рождения до смерти. В 1936 году в своей книге под названием «Царство туманностей»[25] он классифицировал галактики, разместив их на диаграмме, по форме напоминавшей музыкальный камертон. Его рукоятка представляла собой эллиптические галактики (наименее вытянутые, почти круглые попали в дальний край этой рукоятки, а наиболее вытянутые — в то место, где у рукоятки соединяются две ножки камертона). Вдоль одной из ножек расположились обычные спиральные галактики: у рукоятки — особенно туго скрученные, а на кончике ножки — наиболее «расправленные» и свободные. Вдоль другой ножки камертона разместились спиральные галактики, центральный регион которых представляет собой некую «перемычку», в остальном же они не отличаются от обычных спиральных галактик.

Хаббл предположил, что галактики приходят в этот мир в форме эллипса и становятся все более и более плоскими, продолжая принимать свойственную им форму, пока в какой-то момент не обретают спиральную структуру, постепенно расправляющуюся с течением времени. Отличная идея. Красивая. Даже изящная. Но в корне неверная. Мало того, что в эту схему совершенно не вписывались неправильные галактики всех форм и размеров, так астрофизикам еще и предстояло в будущем определить, что возраст самых старых звезд в каждой из галактик примерно одинаков. Это означает, что все галактики зародились в одну и ту же эпоху в истории Вселенной и сами по себе приняли ту или иную форму.

На протяжении следующих 30 лет (какое-то количество возможностей было, безусловно, упущено из-за Второй мировой войны) астрономы наблюдали и описывали свойства галактик в соответствии с диаграммой Хаббла, разделяя их на эллиптические, спиральные и спиральные с перемычкой, также не забывая о неправильных галактиках, которым не нашлось места на диаграмме из-за их странных форм. Говоря об эллиптических галактиках, можно процитировать слова Рональда Рейгана o калифорнийских красных соснах: видел одну — считай, видел их все. Эллиптические галактики очень похожи одна на другую: у них нет ни спиральных ответвлений, ни спиралей с перемычкой, ни гигантских облаков межзвездного газа и пыли, из которых рождаются новые звезды. В таких галактиках новые звезды перестали формироваться миллиарды лет назад, оставив за собой сферические или эллипсоидные группы звезд. В крупнейших эллиптических галактиках, как и в крупнейших спиральных, насчитываются многие сотни миллиардов звезд — возможно даже триллионы или больше, — а их диаметры равны примерно сотне тысяч световых лет. Никто, кроме профессиональных астрономов, никогда не вздыхал от умиления или восхищения, исследуя фантастические структуры и истории происхождения сложных звездных формирований, коими являются эллиптические галактики, по одной замечательной причине: как минимум в сравнении со спиральными у эллиптических галактик довольно простая форма и формирование звезд в них происходило довольно очевидным образом — все они рождались из газа и пыли, пока эти газ и пыль не закончились.

К счастью, спиральные галактики — и с перемычкой, и без нее — восполняют недостаток увлекательности эллиптических галактик. Самое яркое и однозначно незабываемое изображение галактики «со стороны», которое нам когда-либо предстоит увидеть, — это фотография всего Млечного Пути, которую нам, может быть, посчастливится сделать. Нужно только отправить фотоаппарат на несколько сотен тысяч световых лет выше или ниже центральной плоскости нашей Галактики — и полученные кадры непременно захватят дух и зажгут умы и сердца. Если учитывать, что самые продвинутые космические зонды, которыми располагает человечество, смогли преодолеть на сегодня от силы одну миллиардную долю этого расстояния, такая задача кажется категорически невыполнимой. Действительно, даже если бы зонд смог развить скорость, близкую к скорости света, нам пришлось бы ждать очень и очень долго — гораздо больше лет, чем на данный момент насчитывает наша история, доступная в документальном виде, — чтобы посмотреть на результат. Так что пока астрономам остается и дальше составлять карту Млечного Пути изнутри и делать наброски этого галактического леса, вычерчивая его звездные и туманные деревья одно за другим. На данный момент мы можем утверждать, что наша галактика очень похожа на ближайшую ее соседку — огромную спиральную галактику Андромеды — с одним заметным отличием: Млечный Путь — это спиральная галактика с перемычкой. Удобно расположенная в 2,5 миллиона световых лет от нас, галактика Андромеды предоставила нам огромное количество бесценной информации о базовых структурных свойствах спиральных галактик, а также о различных типах звезд и об их эволюции. Так как все звезды галактики Андромеды находятся на одном и том же расстоянии от нас (плюс-минус несколько процентов), астрономы знают, что яркость сияния этих звезд напрямую связана с мощностью их излучения, то есть с тем количеством энергии, что они излучают каждую секунду. Астрономы не могут оперировать данным фактом, изучая объекты в собственном Млечном Пути, но он превращается в доступный инструмент исследования всех остальных галактик, позволяя сформулировать ряд ключевых выводов о звездной эволюции с гораздо меньшими трудозатратами, чем при изучении объектов Млечного Пути. Количество звезд, формирующих собой пару эллиптических галактик-спутников, вращающихся вокруг галактики Андромеды, представляет собой лишь несколько процентов от числа звезд самой Андромеды; но и они стали для нас источниками важной информации о том, как живут звезды, и о том, как формируются структуры эллиптических галактик. Ясной ночью, подальше от городских огней, зоркий наблюдатель, знающий, куда смотреть, сможет найти в небе размытые контуры галактики Андромеды — самого далекого космического объекта из тех, что можно разглядеть невооруженным глазом. Она сияет светом, оставленным ею во Вселенной по мере удаления от нас еще тогда, когда наши с вами предки учились собирать ягоды и коренья в африканских ущельях.

Как и Млечный Путь, галактика Андромеды лежит примерно в середине одной из «ножек камертона» диаграммы Хаббла: она не слишком туго скручена и не особо расправлена с точки зрения своей формы. Если бы галактики были животными в зоопарке, все, имеющие эллиптическую форму, поместились бы в одной клетке, а вот спиральным галактикам понадобилось бы несколько полноценных вольеров. Изучать полученное с помощью телескопа Хаббла изображение одного из таких существ, которые позволяют нам увидеть себя с расстояния 10–20 миллионов световых лет (и это самые близкие из них), — значит шагнуть в невероятно насыщенный возможностями визуальный мир, столь непохожий на жизнь на Земле и столь замысловатый по структуре, что неподготовленный ум может пошатнуться от потрясения или же просто запустить защитный механизм, напоминая своему хозяину, что это все равно не имеет ни малейшего применения на практике.

Неправильные галактики — эти сироты галактической классовой иерархии — составляют около 10 % всех галактик; все остальные — это преимущественно спиральные и некоторое количество эллиптических. В отличие от эллиптических, неправильные галактики зачастую содержат пропорционально больше газа и пыли, чем спиральные, и в них формирование новых звезд идет наиболее динамично. У Млечного Пути есть две крупные галактики, выполняющие роль спутников, и обе неправильные. В свое время их ошибочно назвали Магеллановыми Облаками. Первыми, кто обратил на них внимание, были моряки, принимавшие участие в кругосветном плавании Магеллана в 1520 году: они подумали, что видят клочья облаков в ночном небе. Экспедиции Магеллана выпала честь увидеть их потому, что они расположены так близко к Южному полюсу небесной сферы (речь идет о точке прямо над Южным полюсом Земли), что они никогда не оказываются над линией горизонта, которую могут видеть наблюдатели наиболее густонаселенных широт Северного полушария, включая жителей Европы и большей части США. В каждом из Магеллановых Облаков — миллиарды и миллиарды звезд, но все же не сотни миллиардов, что характерно для Млечного Пути и других крупных галактик. В них также можно обнаружить поистине монументальные регионы формирования звезд — самая известная из них называется туманностью Тарантула, а расположена она в Большом Магеллановом Облаке. Эта галактика также знаменательна тем, что в ее составе была обнаружена самая близкая к нам и самая яркая сверхновая звезда за последние 300 лет: она называется сверхновой 1987А (или SN 1987A). На самом деле она должна была взорваться примерно за 160 000 лет до н. э., чтобы в 1987 году ее свет смог наконец достигнуть Земли.

До 1960-х годов астрономов устраивала классификация галактик, включающая в себя спиральные, спиральные с перемычкой, эллиптические и неправильные. И правда была на их стороне, ведь более 99 % всех известных галактик можно было отнести к одному из этих классов. (Нельзя не признать, что это вообще беспроигрышный ход — назвать один из классов неправильными галактиками.) Но в то десятилетие американский астроном Хэлтон Арп стал настоящим чемпионом по обнаружению галактик, которые никак не хотели вписываться в относительно простую диаграмму Хаббла (даже с учетом удобного «неправильного» класса). Словно взяв на вооружение строки «отдайте мне всех тех, кого гнетет жестокость вашего крутого нрава, — изгоев, страстно жаждущих свобод»[26], Арп воспользовался крупнейшим в мире телескопом — 200-дюймовым телескопом Хейла из Паломарской обсерватории (недалеко от Сан-Диего, штат Калифорния), — чтобы запечатлеть на фото 338 исключительно неисправных (нарушенных, поврежденных, разупорядоченных, взбаламученных) на вид звездных систем. Издание «Атлас пекулярных галактик», вышедшее в 1966 году, стало настоящим сундуком сокровищ, каждое из которых прекрасный пример того, что в нашей Вселенной что-то может пойти не так. Хотя «пекулярные галактики»[27] (галактики настолько странной формы, что их нельзя отнести даже к неправильным) и составляют крошечную долю всех галактик Вселенной, они — важный источник информации о том, какие нарушения в формировании галактик возможны в принципе. Например, оказалось, что многие странные галактики из «Атласа» являются совмещенными останками двух когда-то независимых и впоследствии столкнувшихся галактик. Получается, что пекулярные галактики не всегда являются новым видом галактик, по крайней мере, их столь же трудно отнести к новому виду, как и побывавший в аварии «лексус» на основании того, что он уже не очень похож на новый, только что сошедший с конвейера.

Чтобы наблюдать, как разворачиваются подобные космические аварии, потребуется гораздо больше, чем карандаш и бумага: в обеих галактических системах есть свои звезды, а у каждой звезды — своя гравитация, и это одновременно оказывает воздействие на все остальные звезды обеих систем. Короче, вам потребуется компьютер. Столкновение галактик — это величественное зрелище, которое занимает сотни миллионов лет от начала и до конца. С помощью компьютерной симуляции вы можете запустить и в любой момент поставить на паузу процесс столкновения двух галактик, «фотографируя» происходящее, скажем, каждые 50 или 100 миллионов лет. Перед вашими глазами будут постоянно происходить изменения. Вот вы уже приоткрыли «Атлас» Хэлтона Арпа — вуаля! — вот фотография ранней стадии столкновения, а вот более поздняя стадия. Вот скользящий удар, а вот и лобовое столкновение!

Первые подобные компьютерные симуляции были выполнены в 1960-е годы, хотя еще в 1940-х шведский астрофизик Эрик Хольмберг сделал хитрую попытку воссоздать столкновение галактик «на коленке», используя свет в качестве аналога гравитационного взаимодействия. В 1972 году братья Алар и Юри Тумре, преподаватели Массачусетского технологического института, представили первое убедительное изображение «нарочито упрощенного» столкновения двух спиральных галактик. Модель Тумре показала, что приливные силы — различия в величине гравитации от одного участка пространства к другому — могут в буквальном смысле разорвать галактику на части. По мере приближения одной галактики к другой гравитация вдоль их внешних границ стремительно возрастает, растягивая и искажая обе галактики в процессе их движения мимо или сквозь друг друга. Это растягивание и искажение является первоосновной причиной формирования тех самых пекулярных галактик из «Атласа» Арпа.

Как еще можно использовать компьютерные симуляции для лучшего понимания природы галактик? Камертон Хаббла подчеркивает разницу между «обычными» спиральными галактиками и теми, у которых в середине имеется плотная перемычка из звезд, словно прочерченная линия. Симуляции показали нам, что данная перемычка может с немалой вероятностью оказаться временным элементом структуры галактики, а не полноправным свойством, позволяющим выделить такие галактики в отдельный вид. Возможно, сегодняшние наблюдатели за галактиками с перемычкой просто видят их на том этапе, когда эта перемычка у них еще есть; возможно, через 100 миллионов лет ее уже не будет. Но мы не можем позволить себе задержаться на сотню миллионов лет, чтобы проверить, не исчезнет ли перемычка, зато у нас есть компьютеры, которые способны сократить временные отрезки в миллиард лет до нескольких минут.

Пекулярные галактики Арпа оказались лишь верхушкой айсберга — странным миром этаких «не совсем галактик», чьи очертания астрономы впервые разглядели в 1960-х годах, а еще несколько десятков лет спустя научились немного понимать. Прежде чем объяснить истинную важность и ценность этого галактического зоопарка, следует все же вернуться к истории эволюции космоса. Нам предстоит изучить происхождение всех галактик — обычных, почти обычных, неправильных, пекулярных и радикально экзотических, чтобы узнать, как они зарождались, узнать, как так вышло, что нам повезло оказаться в этом относительно спокойном уголке космоса, где мы парим на окраине огромной спиральной галактики, примерно в 30 тысячах световых лет от ее центра и в 20 тысячах световых лет от ее зыбкого периметра. Благодаря общепринятому в спиральных галактиках порядку вещей, которому в первую очередь были вынуждены подчиниться газовые облака, что позднее превратились в звезды, наше Солнце сегодня вращается вокруг центра Млечного Пути по практически идеальной круговой орбите, каждое «кругосветное» путешествие занимает у него 240 миллионов лет (это иногда называется галактическим годом). Сегодня, через 20 галактических лет после своего рождения, Солнце вполне бодро продолжает движение, и его запала должно хватить еще как минимум на столько же.

А мы с вами пока узнаем о том, откуда в нашей Вселенной возникли галактики.

Глава 9. Происхождение структуры

Изучая историю происхождения и эволюции вещества во Вселенной, мы стремимся заглянуть как можно глубже в ее прошлое, насчитывающее 14 миллиардов лет, и тут же сталкиваемся с тенденцией, требующей разъяснения. В каждом уголке нашего необъятного космоса вещество всегда стремилось объединиться в структурные объекты. Начиная с почти идеально равномерного распределения в пространстве сразу после Большого взрыва, на протяжении всей своей истории частицы вещества тянутся друг к другу в самых разных масштабах, образуя гигантские кластеры и суперкластеры галактик, а также отдельные галактики внутри этих кластеров, отдельные звезды, из миллиардов которых формируются эти галактики, и все остальные, еще меньшие объекты — планеты, их спутники, астероиды и кометы, что вращаются вокруг большей части (если не всех без исключения) звезд.

Чтобы понять происхождение тех объектов, из которых сегодня состоит обозримая Вселенная, нам следует сосредоточиться на механизмах, что когда-то преобразовали рассеянную материю в многочисленные сложные структуры. Если мы хотим получить полноценное описание того, как в космосе смогли сформироваться отдельные структуры, потребуется каким-то образом срастить два свойства реального мира, взаимодействие которых пока ускользает от нас. Как уже говорилось в предыдущих главах, нам нужно понять, как квантовая механика, описывающая поведение молекул, атомов и образующих их частиц, соотносится с общей теорией относительности, которая диктует нам условия и способы взаимодействия между космически огромными объемами вещества и мировым пространством.

Первые попытки создать единый теоретический свод знаний о субатомном малом и об астрономическом большом делал еще Альберт Эйнштейн. С относительно невзрачным успехом они совершаются и по сей день — и так будет еще долго, пока не состоится то самое «великое объединение». Среди всех неизвестностей и загадок, в которых вынуждены жить современные космологи, отсутствие единого свода законов физики для квантовой механики и общей относительности задевает их, несомненно, больше всего. Тем временем эти никак не поддающиеся смешению области физики — наука о малом и наука о большом — равнодушны к нашему невежеству и нашим мучениям: вместо этого они с удивительным успехом продолжают существовать бок о бок внутри одной Вселенной, снисходительно насмехаясь над нашими попытками сделать из них единое целое. Галактике из сотни миллиардов звезд неинтересно, как работают законы физики, согласно которым существуют и взаимодействуют атомы и молекулы, составляющие все ее звездные системы и газовые облака. Столь же равнодушны к этим процессам и более крупные скопления вещества, которые мы называем галактическими кластерами и суперкластерами, которые, в свою очередь, состоят из сотен и даже тысяч самостоятельных галактик. Но ведь самим своим существованием эти крупнейшие структуры во Вселенной обязаны тем самым крошечным квантовым флуктуациям первозданного космоса. Чтобы понять, как могли сформироваться эти структуры, нам нужно приложить максимум усилий с учетом нашей общей сегодняшней неосведомленности и даже невежества, чтобы проследить всю цепочку трансформаций и явлений, весь путь от крохотных частиц, живущих по законам квантовой механики и являющихся ключом к разгадке самого происхождения структуры во Вселенной, до тех громадных объектов, в жизни которых главную роль играет не квантовая механика, а законы и закономерности общей теории относительности.

Таким образом, нам предстоит рассмотреть структурированную Вселенную сегодняшнего дня как итог неких преобразований, через которые прошло все ее содержимое с момента Большого взрыва. Любая попытка нащупать происхождение структур в нашем мире в прошлом невозможна без учета того, в какой Вселенной мы живем в настоящее время. Но даже при выполнении столь скромной задачи астрономы и космологи не избежали ряда фальстартов и ошибок, которые мы (хотелось бы верить!) уже оставили позади, чтобы отныне шагать вперед в ярком свете верных представлений о мироздании.

На протяжении большей части истории современной космологии астрофизики предполагали, что распределение вещества во Вселенной можно охарактеризовать как гомогенное и изотропное. В гомогенной Вселенной любое место выглядит так же, как и любое другое, — как две капли гомогенизированного молока. Изотропная Вселенная выглядит одинаково с любой точки обзора в любой заданный момент времени, простираясь от наблюдателя во все стороны. На первый взгляд может показаться, что это одна и та же концепция, однако это не так. Например, линии долготы на Земле не являются гомогенными, потому что в одних местах они дальше друг от друга, чем в других, при этом в двух точках — на Северном и Южном полюсах — они изотропны, потому что там все линии долготы сходятся. Если встать «сверху» или «снизу» мира, сетка линий долготы будет выглядеть совершенно одинаково, куда бы вы ни посмотрели. Есть и другой пример: представьте себя на вершине идеально ровной конусообразной горы — единственного предмета рельефа в целом мире. С такой «жердочки», куда бы вы ни повернулись, Земля выглядела бы совершенно одинаково. Так же дела обстояли бы, если бы вы жили в самом центре круглой мишени для стрельбы и если бы были пауком в центре идеально симметричной паутины. Во всех этих случаях ваш обзор был бы изотропным, но определенно не гомогенным.

Пример гомогенной, но не изотропной ситуации — стена традиционной кладки из совершенно одинаковых прямоугольных кирпичей, такая, где каждый горизонтальный ряд словно сдвинут вправо или влево на полкирпича относительно предыдущего ряда. В масштабе нескольких расположенных поблизости друг от друга кирпичей и скрепляющего их раствора стена выглядит одинаково, какой ее участок ни выбери — кирпичи да кирпичи, — но взгляд, направленный в какую-либо сторону из разных точек на такой стене, будет натыкаться на разные узоры линий цементного раствора; изотропии не получится.

Самое интересное заключается в том, что математический анализ сообщает: космос может быть гомогенным только в том случае, если он окажется одновременно и изотропным. Еще одна формальная математическая теорема подсказывает нам, что если космос оказывается изотропным в любых трех своих точках, то его изотропия повсеместна. А ведь кто-то отвергает науку математику как «неинтересную» и «неэффективную»!

Хотя космологи и предположили — в первую очередь, именно с эстетической точки зрения, — что распределение вещества во Вселенной гомогенно и изотропно, со временем они приняли эту идею и в качестве фундаментального космологического принципа. Можем назвать его принципом заурядности: с чего бы это одной части Вселенной быть более интересной, чем другой? В малых масштабах расстояний и размеров ошибочность этого заявления сразу бросается в глаза. Мы с вами живем на твердой планете, где средняя плотность вещества составляет 5,5 грамма на кубический сантиметр (фанатам американской системы мер будет понятнее формулировка «340 фунтов на кубический фут»). Средняя плотность вещества на Солнце, типичной звезде нашей системы, составляет 1,4 грамма на кубический сантиметр. Межпланетное пространство между ними при этом отличается существенно меньшей средней плотностью вещества — она примерно в один миллиард раз меньше. Межгалактическое пространство, занимающее большую часть объема всей Вселенной, содержит менее одного атома вещества на каждые десять кубических метров. Здесь средняя плотность вещества еще в один миллиард раз ниже, чем в межпланетном пространстве, — от этих чисел даже начинает казаться, что фразу «Ты довольно плотный!..» следует воспринимать исключительно как комплимент.

Раздвигая горизонты своих научных знаний, астрофизики обратили внимание на то, что галактики вроде нашего родного Млечного Пути состоят из звезд, которые «парят» в практически пустом межзвездном пространстве. Соответственно и галактики тоже объединяются в кластеры, что напрямую нарушает условия как гомогенности, так и изотропии Вселенной. Но оставалась надежда, что стоит астрофизикам нарисовать подробную карту распределения вещества во Вселенной в самых крупных масштабах, как они заметят, что сами по себе галактические кластеры распределены в ней гомогенно и изотропно. Для того чтобы гомогенность и изотропия могли одновременно существовать в конкретно взятом регионе космоса, он должен быть настолько крупным, чтобы внутри него нельзя было обнаружить какие-либо уникальные структуры (или уникальное отсутствие структур). Возьмем какой-то условный фрагмент такого региона: условия гомогенности и изотропии диктуют нам, что общие свойства такого региона должны быть тождественны средним свойствам любого фрагмента из любой части данного региона. Было бы как-то неловко, если бы правая часть Вселенной выглядела совсем не так, как левая, правда?

Какого же размера регион нужно изучить, чтобы обнаружить гомогенную и изотропную Вселенную? Диаметр нашей планеты Земля составляет 0,04 световой секунды. Диаметр орбиты Нептуна примерно равен восьми световым часам. Звезды Млечного Пути образуют собой широкий и плоский диск примерно в 100 тысяч световых лет от края до края. Галактический суперкластер Девы, в который в том числе входит и наш Млечный Путь, достигает в ширину 60 миллионов световых лет. Получается, что подходящий объем, который, возможно, позволит нам обнаружить гомогенность и изотропию во Вселенной, должен превышать собой объем суперкластера Девы. Когда астрофизики занялись исследованием распределения галактик в космическом пространстве, они обнаружили, что даже в столь гигантских масштабах — вплоть до сотни миллионов световых лет — Вселенная местами и временами демонстрирует нам огромные и относительно пустые пробелы в содержимом, окруженные галактиками, которые выстроились вокруг этих «пробелов», по структуре напоминая пересекающиеся листы бумаги или волокна. Нисколько не похожее на бурлящий энергией гомогенный космический муравейник, распределение галактик в таком масштабе напоминает собой большую банную мочалку.

Однако космологам в итоге удалось создать такую карту, в которой гомогенность и изотропия были несомненны. Оказывается, если взять фрагмент Вселенной шириной примерно 300 миллионов световых лет, он будет удивительно похож на любой такой же фрагмент из другого ее региона. Желанный и долгожданный критерий гомогенности был достигнут. Однако в более скромных масштабах все неравномерно распределенное вещество до сих пор выглядит более чем негомогенным и неизотропным.

Три столетия назад Исаак Ньютон задумался над тем, как могло вещество обрести структуру. Его изобретательный ум с легкостью принял концепцию изотропной и гомогенной Вселенной, но в нем не мог не прозвучать вопрос, который многие из нас себе и не задали бы: «Как можно сформировать какую бы то ни было структуру во Вселенной так, чтобы все составляющее ее вещество не собралось при этом в единую целую массу гигантских размеров?» Ньютон считал, что раз мы такого во Вселенной не наблюдаем, значит, она бесконечна. В 1692 году в своем письме к Ричарду Бентли, одному из магистров Тринити-колледжа (или колледжа Святой Троицы) Кембриджского университета, Ньютон выдвинул следующее предположение.

«Мне кажется, что, если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было бы равномерно рассеяно в небесных глубинах, и если бы каждая частица имела врожденное тяготение ко всем остальным, и если бы, наконец, пространство, в котором рассеяна эта материя, было конечным, вещество снаружи этого пространства благодаря указанному тяготению влеклось бы ко всему веществу внутри и вследствие этого упало бы в середину всего пространства и образовало бы там одну огромную сферическую массу. Однако, если бы это вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, оно никогда не могло бы объединиться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству»[28].

Ньютон также предполагал статичность своей бесконечной Вселенной — она не расширялась и не сжималась. В такой Вселенной объекты «порождались» силами тяготения, тем притяжением, которым каждый объект, обладающий массой, воздействует на все другие объекты системы. Его заключение о центральной роли гравитации в зарождении структуры пространства актуально и сегодня, хотя перед современными космологами стоит гораздо более тяжелая задача, чем в свое время перед Ньютоном. Вместо того чтобы наслаждаться теми удобствами, которые предлагала бы нам статическая Вселенная, мы вынуждены ни на минуту не забывать о том, что она, начиная непосредственно с момента Большого взрыва, постоянно расширяется, а это естественным образом препятствует скапливанию вещества в единую массу под воздействием гравитации. Задача по преодолению настойчивого противостояния космического расширения каким-либо гравитационным процессам встает еще более остро, когда вспоминаешь, что Вселенная выросла в размерах особенно стремительно в ближайшее после Большого взрыва время — и именно в ту эпоху начали формироваться первые ее структуры. На первый взгляд рассчитывать на то, что в тот период гравитации хватит на формирование огромных объектов из рассеянного газа, глупо. Но каким-то образом гравитации это удалось!

В своем самом нежном возрасте Вселенная разрослась столь быстро, что, если бы она была строго однородной и изотропной в любых своих масштабах, гравитация просто не смогла бы одержать победу над расширением. Сегодня в мире не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет или людей, только атомы равномерно заполняли бы собой мировое пространство. В этом скучном и неинтересном космосе не было бы ни одного восхищенного наблюдателя и ни одного достойного восхищения объекта. Но мы живем в веселой и увлекательной Вселенной именно потому, что в эти самые первые мгновения ее существования появились неоднородность и анизотропия вещества. Это как если бы из некоего бульонного кубика планировалось приготовить космический бульон из вещества и энергии самых разных концентраций. Если бы не этот бульонный кубик, стремительно расширяющаяся Вселенная не позволила бы гравитации стянуть хоть сколько-нибудь вещества в единые объекты и позднее сформировать знакомые нам структуры, которые мы сегодня частенько принимаем как должное, не задумываясь об их происхождении во Вселенной.

Откуда взялись эти отклонения — образцы негомогенности и анизотропии, ставшие семенами всей структуры нашей Вселенной? Ответ можно найти в царстве квантовой механики — Исааку Ньютону такое и присниться не могло, но это нужно нам для того, чтобы понять, откуда мы появились в этом мире. Квантовая механика сообщает, что в самых крошечных масштабах сохранить гомогенность и изотропию распределения вещества невозможно. Вместо этого нам предлагаются произвольные колебания в его распределении — компоненты приходят, уходят и возвращаются, и вещество начинает напоминать собой дрожащую массу исчезающих и возрождающихся частиц. В каждый конкретно взятый момент времени в одних регионах космоса частиц было чуть больше, чем в других, то есть плотность вещества там была выше. Из этой противоречащей здравому смыслу и в целом оторванной от реальности фантазии следует все, что мы имеем на сегодня, — все, что существует в мире. У чуть более плотных регионов было больше шансов привлечь к себе дополнительные частицы с помощью силы тяготения, после чего их шансы только возросли… и так до тех пор, пока из соответствующих мест изначально чуть большего скопления вещества не сформировались определенные структуры.

Стремясь отследить формирование структур с эпох, последовавших вскоре за Большим взрывом, мы можем узнать кое-что полезное, если обратимся к уже знакомым нам двум ключевым вехам истории Вселенной: эпохе инфляции, когда она расширилась с выдающейся скоростью, и эпохе разделения примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда реликтовое излучение перестало взаимодействовать с веществом.

Эпоха инфляции длилась где-то между 10–37 и 10–33 секундами после Большого взрыва, в этот относительно короткий срок канва пространства и времени расширялась быстрее скорости света — за одну миллиардную долю одной триллионной одной триллионной доли секунды она выросла от размера в одну сотню миллиардов миллиардов раз меньшего, чем протон, до примерно 4 дюймов[29] в диаметре. Да, наша Вселенная когда-то была размером с грейпфрут. Но что же стало причиной этой инфляции? У космологов есть главный подозреваемый — фазовое превращение, оставившее за собой видимый след в космическом реликтовом излучении.

Фазовые превращения (или переходы) встречаются отнюдь не только в космологическом контексте, например, они часто происходят у нас дома. Мы замораживаем воду, чтобы получить кубики льда, кипятим воду, чтобы получить пар. Сладкая вода способна вырастить сладкие кристаллы на опущенной в нее нитке, а влажное и липкое тесто превращается в пирог, стоит подержать его немного в духовке. Заметили характерную тенденцию? В каждом случае подопытный материал очень сильно различается до и после перехода. Инфляционная модель Вселенной утверждает, что, когда Вселенная была юной, преобладающее в ней энергетическое поле претерпело фазовый переход — один из нескольких, что могли произойти в те далекие времена. Это конкретное событие не только запустило раннее и суперскоростное расширение Вселенной, но и наделило ее особенной тенденцией к переменному формированию более и менее богатых на вещество регионов. Эти переменные колебания впечатались в расширяющуюся канву пространства, создавая что-то вроде чернового наброска для будущего расположения галактик, которым еще только предстояло сформироваться. В лучших традициях Пу-Ба, персонажа из оперы Гильберта и Салливана «Микадо», который с гордостью отследил свое происхождение до «первозданной горстки атомов», мы тоже можем списать свое происхождение и начало формирования всех структур на колебания распределения вещества в субъядерном масштабе, которые имели место быть в эпоху инфляции.

Какие факты можно привести в поддержку этого смелого заявления? Астрофизики не могут заглянуть в прошлое вплоть до первой 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 секунды в истории Вселенной, поэтому им остается лишь основная тому альтернатива — использовать научную логику для того, чтобы связать ту раннюю эпоху с другими, наблюдать за которыми у них возможность есть. Если теория инфляции верна, тогда изначальные колебания, образовавшиеся в ту эпоху (как неизбежное отражение законов квантовой механики, которая утверждает, что небольшие вариации плотности в целом гомогенной и изотропной жидкости время от времени неизбежны), вполне могли стать основой для формирования регионов с различной степенью концентрации вещества и энергии. Мы можем надеяться обнаружить доказательства таких вариаций где-то в реликтовом излучении, служащем авансценой, отделяющей текущую эпоху от первых моментов жизни новорожденной Вселенной и одновременно с этим помогающей связать одно с другим.

Как мы уже знаем, реликтовое излучение состоит из фотонов, образовавшихся в первые несколько минут после Большого взрыва. В самом начале истории Вселенной эти фотоны еще взаимодействовали с веществом, врезаясь в любые атомы, что умудрялись сформироваться, на полной скорости — и так энергично, что атомы распадались обратно под этой бурной атакой. Но непрекращающееся расширение Вселенной, по сути, отобрало у фотонов их энергию. В конце концов в момент наступления эпохи разделения ни у одного из таких фотонов уже не хватало энергии на то, чтобы прерывать движение электронов по своим орбитам вокруг протонов и ядер гелия. С тех самых пор, начиная примерно с 380 тысяч лет после Большого взрыва, атомы непоколебимы, за исключением некоторых локальных нарушений вроде излучения близлежащей звезды. В свою очередь фотоны, продолжающие терять энергию, так и путешествуют по Вселенной, формируя во всем своем множестве то самое фоновое космическое, или реликтовое, излучение.

Реликтовое излучение — это историческое вещественное доказательство, своеобразная фотография того, как выглядела Вселенная в эпоху разделения. Астрофизики научились изучать эту фотографию со все возрастающей точностью. Во-первых, сам факт существования реликтового излучения доказывает, что их базовое понимание устройства и истории Вселенной верно. Во-вторых, они провели многие годы, совершенствуя свои навыки и методики измерения этого самого реликтового излучения, и их замысловатые аэростаты и спутники подарили им карту микроскопических отклонений реликтового излучения от своей общей однородности. Эта карта словно документ, отражающий крохотные в прошлом колебания, размеры которых возрастали по мере расширения Вселенной в течение первых нескольких сотен тысяч лет после эпохи инфляции и доросли — за следующий миллиард лет или около того — до космических масштабов распределения вещества во Вселенной.

Каким бы удивительным это ни казалось, реликтовое излучение — тот самый инструмент, который позволяет нам выявить следы давным-давно исчезнувшей в реальности Вселенной и определить местонахождение вплоть до расстояний в 14 миллиардов световых лет в любом от нас направлении — регионов чуть большей плотности вещества: им-то и предстоит стать галактическими кластерами и суперкластерами. Регионы с плотностью вещества чуть выше среднего оставили за собой чуть больше фотонов, чем регионы с плотностью чуть ниже средней. В то время как Вселенная неумолимо обретала прозрачность, что происходило за счет постепенной утраты фотонами энергии (из-за чего они все хуже взаимодействовали с формирующимися атомами), каждый фотон отправлялся в путешествие, уносясь очень и очень далеко. Наше непосредственное окружение (в космосе) покинуло множество фотонов, которые в течение 14 миллиардов световых лет разбегались от нас во всех направлениях, становясь частью реликтового излучения, которое, возможно, в этот самый момент изучают сторонние наблюдатели — представители далеких неземных цивилизаций на том краю Вселенной, а «их» фотоны, в свою очередь, добравшись до нас, рассказывают нам о том, как обстояли дела в далеком и глубоком прошлом — в те времена, когда наша Вселенная лишь начинала обретать свою структуру.

Начиная с 1965 года, когда впервые было обнаружено реликтовое излучение, астрофизики вот уже более четверти века пребывают в поисках в нем анизотропий. С теоретической точки зрения найти их — острая необходимость, потому что без наличия в реликтовом излучении анизотропий на уровне нескольких сотенно-тысячных долей вся их базовая модель о зарождении структуры потеряет актуальность. Без тех крошечных посевов вещества, о которых говорят отклонения от равномерного распределения реликтового излучения, у нас нет никакого объяснения того, почему мы с вами существуем. И ученым снова повезло! Обнаружение анизотропий состоялось словно по заранее оговоренному расписанию. Как только космологам удалось создать инструменты, способные обнаружить анизотропии на соответствующем уровне, они их и обнаружили: сначала с помощью спутника COBE в 1992 году, а затем и при участии много более точных инструментов, увлекаемых в небо аэростатами, и, конечно же, спутника-зонда WMAP из главы 3. Крошечные разночтения в локальной концентрации микроволновых фотонов, образующих собой реликтовое излучение, определенные со впечатляющей точностью спутником WMAP, несут в себе, как записи в личном дневнике Вселенной, картину космических флуктуаций в то время, когда после Большого взрыва прошло 380 тысяч лет. Типичные колебания приходятся всего лишь на несколько стотысячных долей градуса — выше или ниже средней температуры реликтового излучения, поэтому находить их — словно выискивать едва различимые пятна масла на поверхности пруда диаметром в одну милю, делающие местами воду лишь чуть более плотной на вид. Как бы малы ни были эти анизотропии, их оказалось достаточно для того, чтобы запустить механизм формирования структуры.

На современных картах реликтового излучения более крупные и «горячие» участки соответствуют тем регионам, в которых гравитация смогла преодолеть процесс постоянного расширения Вселенной и собрать в одном месте достаточное количество вещества, чтобы в итоге создать из него галактические суперкластеры. Сегодня эти регионы вмещают в себя около тысячи галактик каждый, а каждая такая галактика состоит из сотен миллиардов звезд. Если мы добавим нужное количество темной материи в такой среднестатистический суперкластер, его суммарная масса достигнет величины, равнозначной массе 10^16 Солнц. Соответственно более крупные и «прохладные» участки, лишенные возможности противостоять расширению Вселенной, в итоге превратились в огромные пустоты, практически лишенные каких-либо крупных структур. Астрофизики называют такие регионы «войдами»[30]: сам термин подразумевает, что такой космический участок окружают непустые «не войды». Получается, что гигантские стены и нити галактик, которые мы видим в небе, не только формируют кластеры в местах своего пересечения, но и очерчивают собой самые причудливые с точки зрения геометрии границы космических пустырей.

Галактики не появились просто так, сами по себе, не сформировались полностью в мгновение ока из скоплений вещества, чуть более концентрированных, чем в среднем по Вселенной. Начиная с 380 тысяч лет после Большого взрыва и еще примерно в течение 200 миллионов лет после этого вещество продолжало понемногу накапливаться, но в той Вселенной еще ничего не сияло — ее первым звездам пока только предстояло появиться на свет. В эту темную эпоху космической истории во Вселенной было только то, что она произвела в первые несколько минут своего существования: водород и гелий, а также ничтожное количество лития. Более тяжелых химических элементов (углерода, азота, кислорода, натрия, кальция и т. д.) еще просто не было, и в космосе не нашлось бы ни одной из широко известных сегодня молекул или атомов, которые могли бы поглощать излучение новорожденной звезды. Сегодня в присутствии таких молекул и атомов свет заново сформировавшейся звезды оказывает на них давление, отталкивая от себя огромные объемы газа, который в противном случае упал бы на саму звезду. Подобное отталкивание накладывает естественное ограничение на максимально возможную массу новорожденной звезды: она составляет менее одной сотой доли от массы Солнца. Но когда начали формироваться самые первые звезды, отсутствие таких молекул и атомов, которые могли бы поглотить их сияние, стало причиной того, что этот газ состоял почти целиком из водорода и гелия, чего даже формально не хватало для того, чтобы противостоять звезде. Это позволило сформироваться звездам с многократно большими массами — в сотни и даже тысячи раз тяжелее Солнца.

Звезды с большой массой живут на полную катушку, и чем больше такая звезда, тем короче ее жизненный цикл. Они переводят вещество в энергию с ошеломляющей скоростью, вырабатывая более тяжелые химические элементы и умирая в пламени взрыва еще «совсем юными». Продолжительность их жизни составляет не более нескольких миллионов лет, а это, в свою очередь, менее одной тысячной доли от предполагаемой продолжительности жизни Солнца. Сегодня вряд ли осталась хотя бы одна звезда из той далекой эпохи: эти ранние пташки должны были выгореть многие миллионы лет назад. Более того, сегодня, когда более тяжелые химические элементы встречаются в самых разных уголках Вселенной, формирование новых подобных звезд с огромной массой в принципе невозможно. И действительно — на сегодня ученым не удалось обнаружить и изучить хотя бы одну звезду-гиганта «тех времен». Но мы приписываем им ответственность за то, что когда-то они впервые привнесли во Вселенную все те ее столь знакомые элементы, которые мы сегодня воспринимаем как должное: углерод, кислород, кремний и железо. Хотите называйте это «обогащением» или «загрязнением». Однако отрицать нельзя: жизнь впервые зародилась в тех самых первых звездах-гигантах.

В первые несколько миллиардов лет после эпохи разделения провоцируемый гравитацией коллапс шел довольно азартно: сила тяготения сгоняла вещество в различные скопления самых разных масштабов. Одним из естественных последствий бесперебойной работы гравитации служит формирование сверхмассивных черных дыр, масса каждой из которых в миллионы и даже миллиарды раз больше, чем масса Солнца. Диаметр черных дыр, обладающих подобной массой, соответствует диаметру орбиты Нептуна, и они наносят основательный ущерб своему ближайшему окружению. Газовые облака, которые притягивает к таким черным дырам, стремятся набрать скорость, но не могут, потому что на пути у них встречается слишком много препятствий. Вместо этого они врезаются и впечатываются во все те препятствия на их пути к черной дыре, образуя в своем окружении нечто вроде бушующего водоворота. Но буквально перед тем, как такие облака исчезнут навсегда, все эти столкновения с их раскаленным веществом становятся источниками титанических объемов энергии, в миллиарды раз превышающих сияние Солнца, и все это в пределах Солнечной системы. Громадные потоки вещества и излучения выплескиваются вперед, оставляя след в сотни тысяч световых лет над и под вихреобразными потоками газа, в то время как энергия рвется наружу, стремясь во что бы то ни стало покинуть эту воронку. Пока коллапсирует одно облако, а другое уже ждет своей очереди, подтягиваясь все ближе, яркость свечения всей системы колеблется, демонстрируя то повышенное, то пониженное излучение в течение часов, дней или недель. Если потоки энергии будут направлены прямо на вас, система покажется вам еще более яркой, а вариации в ее свечении — более явными. Это в отличие от тех случаев, когда такие потоки движутся куда-то вбок. Если взять все участки, попадающие под описание в стиле «у нас есть черная дыра, и в нее падает вещество», они окажутся на удивление небольшими и при этом очень яркими по сравнению с той галактикой, что мы можем наблюдать сегодня. Дело в том, что во Вселенной есть еще один тип объектов, чье рождение мы только что проследили на словах, — квазары.

Квазары были обнаружены в начале 1960-х годов, когда астрофизики стали переходить на телескопы с детекторами, достаточно чувствительными для того, чтобы реагировать на невидимое излучение, такое как радиоволны и рентгеновские лучи. Новые портреты галактик теперь могли также включать в себя информацию о том, как выглядят галактики в гораздо более широком диапазоне спектра электромагнитного излучения. Добавьте сюда дальнейшие улучшения в составе и работе фотоэмульсий — и из глубин космоса уже выглядывает целый новый зоопарк различных видов галактик. Наибольший интерес среди них представляли объекты, которые на фотографиях выглядели как обычные звезды, но, в отличие от звезд, обладали исключительно высоким радиоизлучением. В качестве рабочего описания для этих объектов был выбран термин «квазизвездный источник радиоизлучения», быстро сократившийся до одного слова — «квазар»[31]. Еще больший интерес вызвало даже не радиоизлучение данных объектов, а их удаленность: как отдельный класс небесных тел они оказались самыми далекими из всех известных нам объектов во всей Вселенной. Будучи столь небольшими и при этом обладая столь высокой светимостью, которая делала их видимыми на немыслимо огромных расстояниях, квазары явно походили на принципиально новый тип небесного объекта. Что значит «небольшими»? Не больше Солнечной системы. Что значит «высокая светимость»? Это значит, что даже самый захудалый и бледный квазар излучает больше света, чем среднестатистическая галактика.

К началу 1970-х годов астрофизики сошлись на том, что двигателем и сердцем квазаров являются сверхмассивные черные дыры, поглощающие за счет своей гравитации все, до чего «могут дотянуться». Такая модель объясняет относительно малый размер квазаров и их яркость, но ничего не рассказывает нам об источниках питания черных дыр. Только в 1980-х годах астрофизики начали проникать в устройство окружающей среды квазаров. Огромная яркость центральных регионов квазара не давала толком рассмотреть его более бледное окружение, однако с помощью новых методик — визуального приглушения центрального свечения квазаров астрофизикам удалось обнаружить слабосветящиеся туманности, окружающие некоторые из менее ярких квазаров. По мере совершенствования методик и технологий обнаружения излучения было продемонстрировано, что такая туманность есть вокруг каждого квазара, более того, выяснилось, что некоторые из них обладают спиральной структурой. Оказывается, квазар — это не новый тип объекта, а, скорее, новый тип галактического ядра.

В апреле 1990 года Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) отправило в космос один из самых дорогих астрономических инструментов в истории человечества — космический телескоп Хаббла. Размером с крупный автобус и управляемый с Земли, телескоп Хаббла занял наблюдательную позицию на орбите за пределами нашей атмосферы, частично искажающей получаемые с Земли картины космоса. Как только астронавты установили линзы, исправляя ошибки в рабочих характеристиках его основного зеркала, телескоп получил возможность заглядывать в ранее не описанные учеными регионы обычных галактик, включая их самый центр. Бесстрастно изучая эти центры, телескоп обнаружил в них звезды, движущиеся с неприлично высокой скоростью — это с учетом воздействия на них гравитации других близлежащих звезд, обнаруживаемых за счет своего излучения. М-м-м… сильная гравитация… малая площадь… да это же черная дыра! Одна за другой, целыми десятками, галактики обнаруживали в самом своем центре подозрительно проворные звезды. Всегда, когда телескопу Хаббла удавалось получить ясный и четкий обзор центра такой галактики, там находились такие звезды.

Теперь уже не кажется невероятным, что внутри каждой огромной галактики находится сверхмассивная черная дыра, которая могла бы служить неким гравитационным зерном, вокруг которого постепенно собирается вещество, в том числе с самых окраин галактики. Но не все галактики в своей молодости представляли собой квазары.

От постоянно растущего списка обычных галактик, в сердце которых обнаруживались черные дыры, исследователи постепенно испытывали все большее изумление: сверхмассивная черная дыра, которая не является квазаром? Квазар, вокруг которого расположилась целая галактика? Отогнать от себя вырисовывающуюся новую картину мироздания становится все труднее. Эта картина повествует о том, что некоторые галактики начинают свое существование в качестве квазаров. Чтобы быть квазаром, который, по сути, представляет собой яростно сияющее ядро в остальном заурядной галактики, системе нужна не только массивная и голодная черная дыра в самом своем центре, но и щедрый запас падающего в нее газа. Как только сверхмассивная черная дыра поглотит всю доступную в ее окружении пищу, оставляя нетронутыми более далекие звезды и газ, занимающие безопасно удаленные орбиты, квазар просто «выключается». И мы получаем смирную галактику, в центре которой спит, сладко посапывая, сытая черная дыра.

Астрофизики нашли и другие новые типы объектов, которые они классифицировали как нечто среднее между квазарами и нормальными галактиками. Их свойства тоже зависят от хулиганского поведения сверхмассивных черных дыр. Иногда потоки вещества, падающего в направлении центральной черной дыры, движутся медленно и однообразно. В других случаях эти потоки «рваные» и эпизодичные. Подобные системы населяют мировой зверинец галактик с активными, но не агрессивными ядрами. За прошедшие годы для разных типов таких объектов сформировались и устоялись определенные названия: слабоионизированные регионы с узкими эмиссионными линиями (англ. LINERs — low-ionization nuclear emission-line regions), сейфертовские галактики, N-галактики, блазары. Все вместе они называются АЯГ, что расшифровывается как «активные ядра галактик». В отличие от квазаров, которые можно обнаружить лишь на огромных расстояниях от нас, АЯГ появляются как далеко от нас, так и относительно близко. Получается, что АЯГ дополняют собой список непослушных галактик-хулиганок. Квазары уже давным-давно «отобедали», и мы можем видеть их лишь тогда, когда заглядываем в далекое прошлое, изучая их излучение. Зато АЯГ отличаются более скромным аппетитом, поэтому для некоторых из них «обед» может затянуться на несколько миллиардов лет.

Классификация АЯГ исключительно на основании их внешнего вида, безусловно, не позволяет составить полноценное представление об их природе, поэтому астрофизики делят АЯГ на категории по спектру и по диапазону их электромагнитного излучения. В период середины и конца 1990-х годов исследователи усовершенствовали свою модель черных дыр и обнаружили, что могут достаточно точно описать практически всех обитателей разношерстного зверинца АЯГ, измерив лишь несколько параметров: массу черной дыры объекта, скорость поглощения ею окружающего материала и наш угол обзора аккреционного диска и его потоков материала. Если бы, к примеру, нам довелось проследить взглядом прямо в направлении такого потока, появляющегося из окрестностей сверхмассивной черной дыры, мы увидели бы гораздо более яркий объект, чем если бы смотрели на него сбоку под принципиально другим углом. Вариации данных трех параметров позволяют описать практически весь впечатляющий диапазон квазаров, который на данный момент знаком астрофизикам, и свести на нет определенные видовые классификации, в обмен предлагая более глубокое понимание того, как формируются и эволюционируют галактики. Сам факт того, что столь многое можно отразить всего лишь несколькими переменными (различия в формах, размерах, светимости и палитре), является незаслуженно невоспетым триумфом астрофизики конца XX века. Да, на это ушло много лет, много часов, проведенных у телескопа, на это были положены усилия множества людей, поэтому в вечернем выпуске новостей об этом не всегда услышишь, но в том, что это самый настоящий триумф, нет ни малейшего сомнения.

Не будем делать поспешных заключений о том, что сверхмассивные черные дыры являются ключом к объяснению всех и вся. Даже несмотря на то что они обладают массой, в миллионы и миллиарды раз превосходящей массу Солнца, их вклад незначителен по сравнению с вкладом тех галактических масс, внутри которых они расположены. Как правило, масса черной дыры составляет менее 1 % суммарной массы крупной галактики. Принимая во внимание существование темной материи или других невидимых нам источников гравитации во Вселенной, мы можем считать такие черные дыры несущественными и не принимать их гравитационное воздействие в расчет. Но когда мы подсчитываем, сколько энергии они производят (речь об энергии, излученной в процессе формирования), то оказывается, что черные дыры играют преобладающую роль в энергетическом обороте формирования галактик. Вся энергия всех орбит всех звезд и газовых облаков, составляющих собой галактику, меркнет в сравнении с энергией, необходимой для существования черной дыры. Без сверхмассивных черных дыр где-то в подвалах мироздания галактики могли вообще никогда не сформироваться. Когда-то сияющая, а ныне невидимая черная дыра, парящая в центре каждой гигантской галактики, является тайной связкой — физическим объяснением того, как могло вещество собраться в сложную систему из миллиардов звезд, вращающихся вокруг общего для них центрального ядра.

Более широкое объяснение принципа формирования галактик основано не только на гравитации сверхмассивных черных дыр, но и на гравитации в более традиционном астрономическом ее понимании. Что соединило миллиарды звезд в одну галактику? Это заслуга гравитации, благодаря которой в одном облаке газа и материи образовывалось до сотен тысяч звезд. Большинство звезд галактики рождается в довольно «демократичных» скоплениях вещества. Более компактные регионы звездообразования остаются различимыми «звездными скоплениями», внутри которых звезды вращаются вокруг центра скопления, прокладывая себе траектории в пространстве и повинуясь хореографии чудесного космического балета, поставленного главным маэстро — гравитацией, которую излучают все остальные звезды внутри скопления. Не забывайте о том, что каждое такое скопление — кластер — само вращается по своей собственной орбите вокруг центра галактики, пребывая в безопасном удалении от разрушительной силы центральной черной дыры.

Внутри самого кластера звезды движутся с разной скоростью, некоторые из них так быстро, что рискуют вообще покинуть систему, «вылетев» из нее. Иногда это действительно происходит — особенно быстрые звезды вырываются из-под влияния гравитации всего кластера и отправляются в свободное плавание по галактике. Такие свободно пасущиеся звезды вместе с так называемыми шаровыми звездными скоплениями, содержащими сотни тысяч звезд каждое, становятся частью сферических гало галактик. Изначально светящиеся, но на сегодня уже лишившиеся своих самых ярких звезд из-за их короткой продолжительности жизни, галактические гало — самые древние видимые объекты во всей Вселенной; их свидетельства о рождении можно проследить вплоть до формирования самих галактик.

Последние в очереди на коллапс, а значит, и последние в очереди на превращение в звезды — это газ и звездная пыль, которые притягивает и удерживает на себе галактическая плоскость. В эллиптических галактиках ее не существует, так как в них весь газ уже давно превратился в звезды. Зато в спиральных галактиках вещество распределено очень «плоско»: для них характерна некая центральная плоскость, внутри которой самые молодые и яркие звезды формируют спиральные нити, что является доказательством крупнейших вибрирующих волн плотного и разреженного газа, сменяющих друг друга и вращающихся вокруг центра галактики. Как горячие кусочки зефира, мягко слипающиеся, если прижать их друг к другу, весь газ в спиральной галактике, который не смог принять участие в создании звездных кластеров, уже упал в направлении галактической плоскости, собрался в единое целое и сформировал собой диск вещества, из которого там будут медленно создаваться звезды. Так было на протяжении последних миллиардов лет, и так будет продолжаться еще многие миллиарды лет: в спиральных галактиках будут формироваться звезды, и каждое поколение будет все богаче на тяжелые химические элементы, чем предыдущее. Эти тяжелые элементы (под ними астрофизики подразумевают все, что тяжелее гелия) были выпущены в межзвездное пространство исходящими потоками вещества от стареющих и слабеющих звезд или попали туда после взрыва какой-нибудь звезды с большой массой, одной из сверхновых. Их существование располагает галактику, а значит, и всю Вселенную к тем химическим процессам, что необходимы для зарождения и поддержания жизни.

Мы описали в общих чертах процесс рождения классической спиральной галактики, взяв за основу эволюционную последовательность, которая повторялась в мире десятки миллиардов раз, создавая галактики самых разных формирований: кластеры галактик, нити и ленты галактик, а также пласты галактик.

Так как, заглядывая в глубину космоса, мы смотрим в прошлое, у нас есть уникальная возможность рассматривать галактики не такими, какие они есть сейчас, а такими, какими они были миллиарды лет назад. Для этого нам достаточно лишь поднять глаза к небу. Однако воплотить это в реальность не так уж просто: расположенные от нас в миллиардах световых лет галактики выглядят ужасно маленькими и бледными, и даже наши лучшие телескопы могут лишь с трудом зафиксировать их общие очертания. Тем не менее астрофизики сделали существенный прорыв в этом направлении за последние несколько лет. Главный успех пришелся на 1995 год, когда Роберт Уильямс, занимавший тогда должность директора Института исследования космоса с помощью космического телескопа при Университете Джона Хопкинса[32], направил телескоп Хаббла в одном-единственном направлении — примерно в сторону Большой Медведицы — и оставил его записывать наблюдения в течение целых десяти дней. Это считается заслугой в первую очередь Уильямса потому, что Комитет по распределению рабочего времени телескопа, дающий к нему ограниченный доступ на основании одобренных им же заявок на различные космические исследования, изначально отказал Уильямсу в его запросе. Уильямс просил десять дней на изучение региона, специально выбранного за отсутствие в нем чего-либо откровенно интересного, — типичного «скучного» участка неба. Соответственно от его исследований другим текущим проектам не было бы особой пользы, а ведь конкуренция за драгоценные часы у телескопа и так была очень высокой. К счастью, Уильямс, как директор Института исследования космоса, имел право на бронирование времени у телескопа в «личных директорских целях» и не постеснялся воспользоваться этим преимуществом. По итогам проекта Hubble Deep Field[33] получил одну из самых знаменитых фотографий в мире астрономии.

Десятидневное наблюдение, случайно совпавшее с временным прекращением работы американского правительства в 1995 году, подарило миру самый изучаемый и исследуемый снимок в истории астрономии. Усыпанный галактиками и галактикообразными объектами, он предлагает нам своеобразный космический палимпсест, на котором объекты, находящиеся на самых разных расстояниях от Млечного Пути, оставляли свои автографы светом на протяжении многих лет. На фотографии мы видим объекты такими, какими они были, скажем, 1,3 миллиарда, 3,6 миллиарда, 5,7 миллиарда или 8,2 миллиарда лет назад; эпоха каждого объекта определяется его удаленностью от нас. Сотни астрофизиков уцепились за этот кладезь информации, уместившийся на одном-единственном снимке, чтобы получить новые данные о том, как эволюционировали галактики, и о том, как они выглядели в ближайшее время после своего формирования. В 1998 году телескоп добавил к этому снимку еще один — так называемый Hubble Deep Field South. На этот раз в течение десяти дней наблюдения непрерывно велись на другом участке неба — в противоположном направлении от первого, над Южным полушарием. Сравнение двух снимков позволило астрономам убедиться, что результаты первого из них не являются аномальными (например, если бы оба снимка получились совершенно идентичными или же категорически разными вплоть до мельчайших подробностей, мы могли бы заподозрить тут происки потусторонних сил), а также дополнительно скорректировать умозаключения о том, как рождаются и формируются разные типы галактик. После успешного ремонтного обслуживания, в рамках которого телескоп Хаббла был оснащен еще более чувствительными детекторами, Институт исследования космоса с помощью космического телескопа не смог устоять перед тем, чтобы в 2004 году не дать разрешения на проект Hubble Ultra Deep Field, в рамках которого предстояло проникнуть в еще более далекие регионы Вселенной.

К сожалению, самые ранние стадии формирования галактик, которые можно было бы оценить, наблюдая за еще более далекими звездными скоплениями, оказались недоступными даже для телескопа Хаббла — не в последнюю очередь потому, что космическое расширение сместило бо́льшую часть их излучения в инфракрасный диапазон спектра, который остается недоступным для оборудования телескопа. Для того чтобы увидеть эти еще более дальние галактики, астрофизики долго ждали появления преемника телескопа Хаббла — космического телескопа имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, или JWST). Он получил свое название в честь главы NASA времен программы «Аполлон» и был запущен в Рождество 2021 года.

Телескоп JWST оснащен в два с половиной раза большим зеркалом, чем хаббловский, причем оно сделано не из цельного куска стекла, а собрано из 18 зеркал в форме шестиугольных сот, развертывающихся и раскрывающихся в космосе в виде замысловатого механического цветка. Это сделано для того, чтобы сформировать отражающую поверхность, превышающую по площади любую из тех, что вообще можно разместить на борту наших космических ракет. Новый космический телескоп также оснащен богатым инструментарием, превосходящим оснащение телескопа Хаббла, которое было изначально разработано в 1960-х годах, построено в 1970-х и запущено в работу в 1991 году. По этой причине, хотя в 1990-х годах оно и было усовершенствовано, оборудование «Хаббла» все-таки не обладает фундаментальными возможностями вроде умения обнаруживать инфракрасное излучение. Некоторые из подобных возможностей сегодня есть у космического телескопа «Спитцер»[34], запущенного в космос в 2003 году и выведенного из эксплуатации в 2020 году: он вращался вокруг Солнца и располагался гораздо дальше от Земли, чем телескоп Хаббла, что позволяло ему обходить помехи в виде бесчисленных потоков инфракрасного излучения, источником которого является наша планета. По этой же причине телескоп выведен на более удаленную орбиту, чем телескоп Хаббл и телескоп JWST. В точке L2, которая находится в космосе на расстоянии, в четыре раза превышающем расстояние до Луны, и в направлении, точно противоположном Солнцу, JWST сохраняет постоянное положение относительно Земли, вместе с ней вращаясь вокруг нашей звезды. Большое расстояние до точки L2 — 1,5 миллиона километров — и наши текущие возможности не позволяют отправить к телескопу команду техобслуживания, поэтому NASA пришлось приложить все силы, чтобы все получилось с первого раза. После нескольких месяцев испытаний в середине 2022 года JWST начал полноценную работу и готов предоставить человечеству все свои уникальные возможности для дальнейшего изучения Вселенной.

Получение новых знаний о Вселенной станет возможным в первую очередь благодаря способности JWST наблюдать Вселенную в инфракрасном спектре, которой очень не хватает в наборе возможностей Хаббла. Длина волны света, исходящего от объектов, которые удалены от нас на многие миллиарды световых лет, больше длины волны видимого света в 5, 10 или даже 20 и более раз. Значительная часть излучения, испускаемого в видимом и даже в ультрафиолетовом диапазоне, сместилась в инфракрасную область спектра, и для его регистрации требуются специализированные детекторы. Возможность воспринимать инфракрасное излучение позволит телескопу JWST наблюдать эпоху формирования галактик, которая началась менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

В дополнение к этим новшествам в арсенале традиционных методов астрономических наблюдений в последние несколько лет появились также новые средства исследования космоса. Например, в 2015 году благодаря первому обнаружению «гравитационного излучения» было прорублено новое окно во Вселенную, позволяющее наблюдать за ней.

В мире науки слово «излучение» имеет несколько значений. Обычно оно описывает электромагнитное излучение — потоки фотонов, не имеющих массы, разные типы которых несут разное количество энергии. Термин же «ядерное излучение», вносящий некоторую путаницу в определение, включает в себя как фотоны, так и частицы с массой, которые участвуют в ядерных реакциях. От этих видов излучений полностью отличается гравитационное излучение, также называемое гравитационными волнами. Это рябь самого пространства, которая заставляет все, что в нем находится, покачиваться ей в такт. Фотоны путешествуют в пространстве, но гравитационные волны — это само пространство, точнее, ритмическое искривление пространства, которое распространяется со скоростью света. Если бы гравитационные волны не были такими слабыми (напомню, что гравитация считается самой слабой из основных сил природы), мы бы чувствовали, что нас вместе с нашей планетой постоянно качает на волнах интенсивного гравитационного излучения, вызванного самыми разрушительными событиями во Вселенной, которые заставляют пространство дрожать.

Хотя существование гравитационных волн было предсказано еще Эйнштейном, обнаружить их получилось только столетие спустя. Еще в 1916 году, развивая свою общую теорию относительности, которая утверждает, что гравитационные силы искривляют пространство, Эйнштейн пришел к выводу, что источник с сильной гравитацией, движущийся чрезвычайно быстро, может создавать заметные волны в космосе, и эта рябь должна распространяться, теряя силу подобно световым волнам. Но как выделить гравитационные волны на фоне электромагнитного излучения? Нужен был совершенно новый вид приборов.

В своей теории Эйнштейн отметил крайнюю слабость гравитационных волн. Он глубоко сомневался, что их вообще удастся обнаружить непосредственно, и это суждение оставалось верным на протяжении нескольких поколений. Однако в последние десятилетия XX века астрофизики открыли системы, в которых пары «нейтронных звезд» — коллапсирующие ядра звезд, взорвавшихся как сверхновые, — регулярно испускают импульсы радиоволн, вращаясь вокруг общего центра масс. Нейтронные звезды движутся в такой непосредственной близости и на таких высоких скоростях, что гравитационные волны уносят энергию в количествах, достаточных для уменьшения размеров их орбит. Потрясающая регулярность радиоимпульсов и крохотные изменения времени их прибытия позволили измерить изменение размеров орбит нейтронных звезд. А полученные данные опосредованно подтвердили верность предсказания Эйнштейна о существовании гравитационного излучения. Это открытие принесло выполнившим измерения Расселу Халсу и Джозефу Тейлору Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Прошло два десятилетия, прежде чем начала работать система, способная напрямую регистрировать рябь, о которой говорил Эйнштейн. Для этого потребовалось создать совершенно одинаковые детекторы и разместить их в штатах Луизиана и Вашингтон — так была образована лазерноинтерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO[35]. Каждый детектор — это Г-образная система из двух четырехкилометровых туннелей с почти идеальным вакуумом. На концах туннелей установлены зеркала, отражающие лазерные лучи в направлении других зеркал, расположенных в месте соединения туннелей. Таким образом два луча проходят через туннели взад-вперед сотни раз, прежде чем встретиться в центральной точке буквы Г. Такое устройство позволяет ученым обнаруживать различия всего в десять миллиардно миллиардных долей сантиметра в общей длине путей, пройденных лазерными лучами. Согласно расчетам, любые такие крошечные различия, зарегистрированные почти одновременно в двух детекторах, разделенных тысячами километров, могут быть обусловлены настоящей рябью пространства, а не близлежащими возмущениями. В 2018 году после модернизации, улучшившей чувствительность детекторов, в обсерватории LIGO были зафиксированы первые гравитационные волны. Затем к экспериментам присоединились третий детектор, названный VIRGO и расположенный недалеко от города Пиза в Италии, и четвертый, KAGRA, в центре Японии, что позволило ученым регистрировать самые крошечные, обусловленные конечной скоростью света различия во времени при прохождении ряби и определять, откуда приходят гравитационные волны. В 2017 году Райнеру Вайсу и Кипу Торну, специалистам по теории гравитационного излучения, а также Барри Баришу, ключевой фигуре в строительстве LIGO, была присуждена Нобелевская премия по физике.

Основными источниками гравитационных волн (по крайней мере, в масштабах человеческого времени) являются столкновения и слияния массивных и плотных объектов. За годы исследований многочисленное сообщество ученых-физиков, изучающих гравитационные волны, создало мощную теоретическую базу, описывающую, какой узор гравитационных возмущений будут создавать конкретные пары масс по мере их сближения по спирали, прежде чем они внезапно сольются в единый объект. Временные характеристики этих узоров гравитационных возмущений, достигающих каждого детектора и поочередно сжимающих и растягивающих каждый туннель, позволяют с высокой точностью рассчитать массы сливающихся объектов. Кроме того, характерные особенности чередования событий во времени предполагают, что в слияниях должны участвовать объекты с высокой плотностью, такие как черные дыры или нейтронные звезды, и позволяют определить массы сливающихся объектов.

К настоящему времени сеть гравитационно-волновых обсерваторий обнаружила почти 100 событий, в которых участвуют пары сливающихся объектов, чьи массы можно определить. Подавляющее большинство этих объектов настолько велики, что масса каждого в отдельности в несколько десятков раз превышает массу Солнца. Это означает, что в слияниях могут участвовать не только нейтронные звезды, теоретический предел масс которых составляет примерно 2,2 массы Солнца, но и черные дыры, для которых нет такого предела. Фактически астрофизики подсчитали, что типичные черные дыры должны иметь массу от десяти до пятидесяти раз бо́льшую, чем масса Солнца, потому что они образуются в результате коллапса чрезвычайно массивных звезд, потерявших способность противостоять собственной гравитации. Накопленные к настоящему времени данные показывают, что в прошлые эпохи черные дыры сливались намного чаще, а наиболее интенсивное звездообразование происходило около восьми миллиардов лет назад. Именно в ту пору, предполагается, возникли самые массивные звезды, чья жизнь длится всего несколько миллионов лет и чья смерть приводит к появлению самых массивных черных дыр.

Некоторые из гравитационно-волновых событий обусловлены слиянием объектов с массой менее 2,2 массы Солнца, а это означает, что они действительно являются нейтронными звездами, а не черными дырами. В августе 2019 года детекторы зафиксировали необычное слияние двух объектов, чьи массы превосходили массу Солнца в 23 и 2,6 раза. Первый объект, вне всяких сомнений, — это типичная черная дыра, но вот второй… Второй являлся либо самой маленькой черной дырой из всех когда-либо обнаруженных, либо самой большой нейтронной звездой, масса которой превысила расчетный предел. Если, конечно, расчеты верны, что, учитывая определенные сложности, может и не подтвердиться.

На примере данного события мы можем убедиться в том, что применение новых методов наблюдения за Вселенной практически всегда приводит к открытию новых граней космоса. А то, что мы можем изучать его с помощью явления, которое впервые удалось наблюдать напрямую всего несколько лет назад, открывает перед нами невообразимые перспективы. Вдруг мы встретили объект, который принадлежит к типу, который астрономическое сообщество еще никогда не наблюдало?

Используя расчеты, основанные на общей теории относительности Эйнштейна, ученые могут по временным характеристикам гравитационного излучения определить не только массы двух сливающихся объектов, но и силу гравитационных волн, созданных в результате слияния. Сравнение наблюдаемой силы гравитационной волны с расчетной позволяет определить расстояние до объектов. Следуя этой логике, в 2017 году исследователи гравитационных возмущений обнаружили волны, исходящие от двух сливающихся нейтронных звезд. Таким источникам астрофизики дали название «стандартные сирены», понимая под ними объекты, расстояние до которых можно определить по гравитационным волнам, а скорость удаления — по гамма-излучению, которое также возникает в результате слияния. Возможность определить расстояние до события и скорость его удаления дает новый способ вычисления постоянной Хаббла. (Совпадение времени прихода гамма-лучей и гравитационных волн также доказывает, что гравитационное излучение распространяется со скоростью света.) Наблюдаемая пока единственная стандартная сирена дала значение постоянной Хаббла, близкое к значению, определенному более известными методами, но с гораздо большей погрешностью, около 15 %. Со временем наблюдение за другими слияниями поможет повысить точность и, следовательно, разрешить космическое напряжение, описанное в главе 6.

Карл Саган любил повторять, что только сделанный из дерева человек не способен испытывать восхищение и уважение ко всему, что на сегодня удалось сотворить космосу. Благодаря новым возможностям наблюдения мы теперь знаем больше, чем Саган в свое время, о той изумительной последовательности событий, что легли в основу нашего существования. Знаем о квантовых флуктуациях в распределении вещества и энергии в масштабе менее одного протона, которые в результате привели к формированию суперкластеров галактик размером до 30 миллионов световых лет от края до края. От хаоса к космосу эта причинноследственная связь охватывает более 38 степеней десяти в размере и более 42 степеней десяти во времени. Словно микроскопические нити ДНК, которые предопределяют сущность макроскопического биологического вида и уникальные характеристики составляющих его особей, современный образ Вселенной был вплетен в ее канву с самого начала и пронесен сквозь время и пространство. Мы ощущаем это, когда смотрим вверх. Мы ощущаем это, когда смотрим вниз. Мы ощущаем это, когда заглядываем внутрь самих себя.

Часть III. Происхождение звезд и планет

Глава 10. Пыль к пыли

Выбравшись подальше от городских огней и взглянув на ясное ночное небо, вы сразу заметите облачное формирование бледного света, местами дополненное более темными пятнами, которое тянется от горизонта до горизонта. Уже давно известная всем как небесный «млечный путь» (да, с маленькой буквы), эта молочно-беловатая дымка несет в себе свет огромного количества звезд и газовых туманностей. Те, кому посчастливится глядеть на «млечный путь» сквозь бинокль или собственный домашний телескоп, смогут увидеть, как при приближении более темные и скучные участки… остаются такими же темными и скучными, в то время как рассеянное сияние более ярких участков превращается в мириады звезд и туманностей.

В свою небольшую книгу «Звездный вестник»[36], опубликованную в 1610 году в Венеции, Галилео Галилей включил первый отчет о небесах, таких, какими он видел их через телескоп; также он приложил к отчету описание более светлых участков Млечного Пути. Называя свой научный инструмент зрительной трубой, так как термина «телескоп» в обиходе еще не было (кстати, с греческого это слово переводится как «далеко смотрящий»), Галилей едва мог сдержать волнение.

«…Предметом нашего наблюдения была сущность или материя Млечного Пути. С помощью зрительной трубы ее можно настолько ощутительно наблюдать, что все споры, которые в течение стольких веков мучили философов, уничтожаются наглядным свидетельством, а мы избавляемся от многословных диспутов. Действительно, Галаксия является не чем иным, как собранием многочисленных звезд, расположенных группами. В какую бы его область ни направить зрительную трубу, сейчас же взгляду представляется громадное множество звезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошо заметными. Множество же более мелких не поддается исследованию»[37].

Это самое «громадное множество звезд» Галилея, безусловно, похоже на объект основного астрономического интереса, ведь оно являет нам самые густонаселенные звездами регионы нашей галактики Млечный Путь. Так зачем кому бы то ни было интересоваться темными ее участками, в которых нет видимых звезд? Исходя из их внешнего облика такие темные участки, скорее всего, представляют собой космические дыры, открывающие путь к бесконечному и пустому пространству, что кроется за ними.

Пройдет еще целых три столетия, прежде чем кому-то придет в голову, что темные участки Млечного Пути не просто не являются «дырами», но состоят из плотных облаков газа и пыли, которые скрывают от нас более удаленные скопления звезд и, более того, могут размещать в своих недрах целые звездные кухни. Разделяя более ранние предположения американского астронома Джорджа Кэри Комстока, которого интересовало, почему далекие звезды выглядят бледнее, чем должны были бы согласно их предполагаемому расстоянию от нас, голландский астроном Якоб Корнелий Каптейн обнаружил виновника этого в 1909 году. В двух научных статьях с одинаковыми названиями «О поглощении света в космосе»[38] Каптейн представил наглядные доказательства того, что такие темные облака (его новообретенные «межзвездные среды») не только заслоняют свет, исходящий от звезд, но и делают это неравномерно с точки зрения палитры спектра излучения таких звезд: они поглощают и затем рассеивают, а значит, разбавляют свет в фиолетовом сегменте видимого спектра более эффективно, чем в красном. Такое избирательное поглощение приводит к тому, что фиолетового света нейтрализуется больше, чем красного, из-за чего удаленные звезды кажутся более красными, чем те, что расположены ближе к нам. Количество такого межзвездного покраснения звездного света увеличивается пропорционально суммарному объему материала, который свет встречает на своем пути к нам.

Обычные водород и гелий, принципиальные ингредиенты космических газовых облаков, не придают свету красноту. Однако сложные молекулы из многих атомов на это способны, особенно те, в которых содержатся углерод и кремний. Когда межзвездные частицы вырастают до такого размера, что становится неуместным называть их молекулами, учитывая составляющие их сотни тысяч или даже миллионы отдельных атомов в каждой такой «молекуле», мы называем их пылью. Большинству из нас знакома домашняя бытовая пыль, хотя немногие в курсе, что в совершенно закрытом доме такая пыль состоит из мертвых клеток человеческой кожи (а также перхоти домашних животных, если они у вас есть). Насколько нам известно, в состав космической пыли человеческий эпидермис не входит. Однако межзвездная пыль содержит исключительно богатый ассортимент сложных молекул, которые излучают фотоны в основном в инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра. До 1960-х годов у астрофизиков не было хороших микроволновых телескопов, а приличных инфракрасных не имелось вплоть до 1970-х годов. Но как только они разработали и создали эти инструменты наблюдения, они смогли исследовать истинное химическое разнообразие всего того, что лежит между звезд. В течение десятилетий, последовавших за соответствующими прорывами в области технологий, на свет постепенно появлялась удивительная и сложная картина образования звезд.

Звезды формируются не из всех газовых облаков. Довольно часто газовое облако оказывается в ситуации, когда не понимает, что ему дальше делать. Точнее, это астрофизики не понимают, что им делать. Мы знаем, что межзвездное облако «хочет» коллапсировать под воздействием своей собственной гравитации, чтобы образовать из своего материала одну звезду или более. Но его вращение, как и влияние турбулентного движения газа внутри самого облака, мешает ему достигнуть этой цели. Кстати, давление газа, о котором всем вам должны были рассказывать в старших классах школы, тоже препятствует коллапсу. Да и магнитные поля ему совсем не способствуют: они проникают в облако и ограничивают динамику любых свободно передвигающихся внутри него заряженных частиц, препятствуя сжатию, а значит, чиня помехи попыткам самого облака среагировать на свою собственную гравитацию. Самый страшный вывод, который можно сделать из этого последовательного мышления, заключается в следующем: если бы никто заранее не знал, что звезды на самом деле существуют, даже самые передовые исследования предоставили бы нам достаточно убедительных причин того, что звезды никогда не могли бы сформироваться в принципе.

Как и несколько миллиардов звезд в нашей галактике Млечный Путь, получившей свое название в честь той широкой полосы света, что тянется через весь небесный свод и представляет собой наиболее густонаселенные звездами регионы, гигантские газовые облака тоже вращаются вокруг центра нашей галактики. Звезды — это песчинки размером всего лишь в несколько световых секунд в диаметре, парящие в огромном океане почти пустого пространства и изредка проплывающие одна мимо другой, словно корабли в открытом море. Напротив, газовые облака — огромны. Как правило, они достигают в размере нескольких сотен световых лет, а масса каждого из них — массы миллиона Солнц. Неуклюже передвигаясь по всей галактике, эти гигантские облака нередко сталкиваются, цепляясь своими газовыми и пылевыми внутренностями друг за друга. Иногда в зависимости от их относительных скоростей и углов столкновения облака так и остаются вместе, становясь одним целым и еще более гигантским облаком, в других случаях, нанося друг другу ощутимые повреждения при столкновении, они, наоборот, разрывают друг друга на части.

Если температура облака упадет до достаточно низкого уровня (не более 100 градусов выше абсолютного нуля), составляющие его атомы при столкновении будут слипаться, а не отскакивать друг от друга в разные стороны, как это происходит при более высоких температурах. Этот химический переход влечет за собой всеобъемлющие последствия. Растущие в объеме частицы, которые теперь насчитывают десятки атомов каждая, начинают рассеивать видимый свет во все стороны, сильно ослабляя свет звезд, расположенных за таким облаком. К тому времени как эти частицы станут полноценными твердыми частицами космической пыли (этакими «зернышками»), в них будут уже миллиарды атомов. Стареющие звезды производят подобные твердые частицы и ненавязчиво отправляют их в межзвездное пространство в то время, когда сами находятся в стадии красного гиганта своего жизненного цикла. В отличие от меньших частиц, такие твердые частицы космической пыли, состоящие из миллиардов атомов, больше не рассеивают фотоны видимого света, источником которых являются звезды, расположенные за облаком. Вместо этого они поглощают эти фотоны и затем снова излучают их энергию «как свою» — в виде инфракрасного излучения, которое легко покидает облако космической пыли. В то время как это происходит, давление фотонов, передаваемое поглощающим их молекулам, толкает облако в направлении, противоположном направлению источника света. И вот наше облако уже практически есть звездный свет!

Звезды рождаются тогда, когда силы, делающие облако все более плотным, в конце концов приводят к его коллапсу под воздействием собственной гравитации: в это время каждый участок облака старается притянуть все остальные его участки как можно ближе к себе. Так как горячий газ противостоит сжатию и коллапсу более эффективно, чем холодный, возникает неоднозначная ситуация. Облако должно остыть, прежде чем оно сможет снова разогреться само в процессе формирования звезды. Другими словами, для создания звезды, ядро которой разогревается до десяти миллионов градусов (этого как раз хватает для запуска процесса термоядерного синтеза), облако сначала должно остыть до минимально достижимой в его условиях температуры. Только при экстремально низких температурах всего в несколько десятков градусов выше абсолютного нуля наше облако сможет коллапсировать и запустить процесс звездообразования.

Что же такого происходит внутри облака, чтобы от коллапса оно могло вдруг перейти к выковыванию новой звезды? Астрофизики здесь могут только разводить руками. Как бы им ни хотелось отследить динамику событий, происходящих внутри огромного межзвездного облака в этот период, создать компьютерную модель, которая учла бы все известные законы физики, все внешние и внутренние воздействия на такое облако и все актуальные химические реакции, которые могут в это время протекать внутри него, — это пока за пределами наших возможностей. Следующая непростая загадка: почему первоначальное облако, из которого со временем получится звезда, обладает размером, в миллиарды раз большим, чем ее конечный размер, а плотность такой звезды затем составит в 100 секстиллионов раз больше средней плотности облака-родителя? В таких ситуациях то, что имеет наибольшую важность в контексте одной шкалы размеров, может оказаться не заслуживающим интереса в контексте другой шкалы.

Тем не менее, полагаясь на уже увиденное нами в космосе, мы можем с уверенностью заявить, что в центре межзвездного облака, в его самых глубоких, темных и плотных регионах, где температура предположительно падает примерно до уровня десяти градусов выше абсолютного нуля, гравитация способна провоцировать коллапс отдельных объемов газа (так называемых газовых карманов), с легкостью преодолевая сопротивление магнитных полей и другие помехи. Это сжатие, в свою очередь, преобразует гравитационную энергию таких газовых карманов в тепловую. Температура каждого из таких участков облака, которым вскоре предстоит сформировать собой ядро новорожденной звезды, стремительно возрастает во время коллапса, не давая твердым частицам космической пыли в своем непосредственном окружении соединяться при столкновении и раскидывая их в стороны. В какой-то момент температура в центре коллапсирующего газового кармана достигает критической отметки в десять миллионов градусов по абсолютной шкале.

При этой волшебной температуре некоторые протоны (представляющие собой, по сути, обнаженные атомы водорода, лишенные своего электрона) движутся достаточно быстро, чтобы преодолеть взаимное отталкивание. Их высокая скорость позволяет им в какой-то момент оказаться достаточно близко друг к другу, чтобы под влиянием сильного ядерного взаимодействия соединиться. Это взаимодействие, работающее только на исключительно малых расстояниях, удерживает протоны и нейтроны вместе во всех атомных ядрах. Термоядерный синтез протонов, где «термо» намекает на необходимую для него высокую температуру, а «ядерный синтез» подразумевает, что из отдельных частиц синтезируются целые ядра, приводит к созданию ядер гелия, масса каждого составляет чуть меньше, чем суммарная масса тех частиц, что пошли на его изготовление. Та масса, что пропадает во время синтеза, превращается в энергию согласно знаменитому и уже так хорошо знакомому нам уравнению Эйнштейна. Энергия, выраженная в массе (всегда в количестве, равном массе, умноженной на квадрат скорости света), может трансформироваться в иные формы энергии, например, в дополнительную кинетическую энергию (энергию движения) быстро перемещающихся частиц, которые рождаются вследствие реакций ядерного синтеза.

В то время как новая энергия, полученная за счет термоядерного синтеза, расходится во все стороны, газ нагревается и начинает светиться. Затем у поверхности звезды та энергия, что ранее была заключена в отдельные ядра, вырывается в космос в форме фотонов, образованных газом в то время, как освобожденная при термоядерном синтезе энергия нагревала этот газ до температуры в несколько тысяч градусов. И несмотря на то что этот огромный участок раскаленного газа все еще находится внутри космической утробы огромного межзвездного облака, мы уже можем смело поздравлять счастливого родителя по имени Млечный Путь с рождением новой звезды.

Астрофизики знают, что диапазон масс звезд составляет от одной десятой доли массы Солнца до величин, превосходящих ее почти в сотню раз. По не совсем ясным причинам в типичном гигантском газовом облаке может образоваться множество холодных газовых карманов, которые зачастую коллапсируют примерно в одно и то же время, давая жизнь звездам от мала до велика. Однако перевес на стороне звезд поменьше: на каждую крупную звезду приходится около тысячи малых. Тот факт, что в общей сложности лишь несколько процентов всего газа исходного облака принимают участие в формировании звезды, предлагает нам классическую загадку: почему этот «небольшой хвост» виляет этой «большой собакой» из газа и пыли, а не наоборот? Вероятно, ответ лежит в излучении новорожденных звезд, которое не дает новым звездам сформироваться из тех газа и пыли, что не пошли на образование самой новорожденной звезды.

Нам нетрудно объяснить нижний предел массы, которой может обладать новорожденная звезда. Карманам коллапсирующего газа с массой, составляющей менее одной десятой массы Солнца, не хватает гравитационной мощи для того, чтобы раскалить свой центр до десяти миллионов градусов, необходимых для термоядерного синтеза водорода. Соответственно рождение звезды, способной на ядерный синтез, невозможно. Вместо этого появляется несостоявшаяся «почти звезда» — астрофизики называют такие объекты коричневыми карликами. Не имея своего собственного источника энергии, коричневый карлик понемногу потухает, излучая тот скромный свет, что образовался во время изначального коллапса. Газообразные внешние слои коричневого карлика настолько холодны, что многие крупные молекулы, которые обычно разрушаются вблизи более горячих звезд, прекрасно чувствуют себя и продолжают существовать около таких карликов. Из-за незначительной светимости их невероятно трудно обнаружить. Чтобы все же найти хотя бы несколько, астрофизикам приходится применять сложные методики наподобие тех, что используются иногда для обнаружения планет, и ориентироваться по едва различимому инфракрасному излучению объектов. Лишь в последние несколько лет астрофизикам удалось разыскать во Вселенной достаточное количество коричневых карликов для того, чтобы даже разделить их как класс на несколько отдельных категорий.

Мы с легкостью можем определить и максимально возможную массу формирующейся звезды. Если масса звезды превысит массу Солнца более чем в сотню раз, ее светимость сделает ее настолько яркой, что она будет похожа на огромный шарообразный факел энергии в форме инфракрасного и ультрафиолетового света, а любые газ или пыль, стремящиеся к ней под воздействием ее гравитации, будут отталкиваться обратно под давлением звездного света. Фотоны, излучаемые звездой, отталкивают частицы пыли, которые, в свою очередь, увлекают за собой и газ. Это давление излучения столь эффективно, что буквально несколько крупных звезд с высокой массой в одном темном облаке могут обладать достаточной суммарной светимостью для того, чтобы равномерно разогнать вокруг себя межзвездное вещество, выставляя напоказ перед Вселенной десятки, если не сотни новорожденных звезд — по сути, родственниц друг другу — во всей их красе.

Когда вы будете наблюдать туманность Ориона, расположенную прямо под тремя яркими звездами, образующими Пояс Ориона, обратите внимание примерно на середину бледного меча охотника: там вы увидите как раз такие звездные ясли. В этой туманности родились тысячи звезд, в то время как еще тысячи лишь ожидают своего часа. На этом месте со временем образуется огромный кластер, который будет становиться все ярче и заметнее по мере рассеивания «неиспользованных» пыли и газа этой туманности. Наиболее крупные из ее новых звезд, формирующие собой группу под названием Трапеция Ориона, в данный момент очень заняты проделыванием огромной ясной дыры в середине того облака, из которого образовались. Фотографии этого региона, сделанные телескопом Хаббла, говорят о сотнях новых звезд на одном только этом участке космоса. Каждая из новорожденных малышек бережно запеленута в еще только зарождающийся протопланетарный диск из пыли и других молекул, позаимствованных у первоначального облака. Внутри каждого из таких дисков постепенно формируется своя собственная система планет.

Через десять миллиардов лет после образования Млечного Пути новые звезды продолжают формироваться по всей нашей галактике. Хотя звездообразование в типичных огромных галактиках вроде нашей большей частью уже давно завершилось, нам повезло, что новые звезды все же еще не исчерпаны и будут рождаться еще многие миллиарды лет. Наше везение заключается в том, что мы можем наблюдать за их формированием и изучать самые молодые из них в поисках улик, которые расскажут нам полную историю о том, как из холодного газа и межзвездной пыли получаются сияющие звезды.

Возраст некоторых звезд можно определить с помощью спектрального анализа. Среди многочисленных способов оценки возраста звезд, которые были разработаны астрофизиками, анализ палитры спектра звездного излучения является самым надежным. Каждый цвет — каждое сочетание конкретной длины и частоты световой волны — рассказывает нам о том, как вещество произвело этот свет, или повлияло на тот свет, что покинул свой источник-звезду, или просто оказалось на пути между нами и звездой в направлении нашего взгляда. Путем тщательного сравнения со спектрами, полученными в лабораторных условиях, физики смогли найти множество вариантов воздействия разных типов атомов и молекул на ту радугу, что представляет собой видимый свет.

Они могут применить эти обширные знания к наблюдениям за звездными спектрами и определить количество атомов и молекул, оказавших воздействие на свет, исходящий от определенной звезды, а также температуру, давление и плотность таких частиц. За годы сравнения лабораторного спектра со спектрами звезд и исследований спектральных особенностей разных атомов и молекул, астрофизики научились читать между строк видимого спектра объекта — словно космическую схему, показывающую нам, какими физическими характеристиками обладают внешние слои звезды, излучающие свет во все стороны прямо в космос. Вдобавок к этому астрофизики умеют определять, как могли повлиять на спектр звездного излучения атомы и молекулы, свободно парящие в межзвездном пространстве при гораздо более низких температурах, а значит, определять химический состав, температуру, плотность и давление этого межзвездного вещества.

В таком спектральном анализе каждый отдельный тип атома или молекулы может рассказать что-то свое. Например, присутствие молекул любого конкретного типа, что можно определить по их характерному воздействию на определенные цвета спектра, показывает, что температура внешних слоев звезды составляет меньше 3000 градусов по шкале Цельсия (или 5000 по шкале Фаренгейта). При более высоких температурах молекулы перемещаются так быстро, что при столкновении разбиваются на отдельные атомы. Применяя подобный анализ к самым разным субстанциям, астрофизики могут получить почти полную и в любом случае весьма подробную картину условий, характерных для атмосферы разных звезд. Говорят, некоторые особенно трудолюбивые астрофизики знают о спектрах звезд гораздо больше, чем о своих собственных семьях. Возможно, это оказывает неблагоприятное влияние на человеческие взаимоотношения, но однозначно идет на пользу нашему пониманию взаимоотношений межзвездных.

Из всех встречающихся в природе элементов — тех разных типов атомов, что могут влиять на спектр звезды, — астрофизики используют один конкретный элемент для того, чтобы определять возраст наиболее молодых звезд. Речь идет о литии — третьем по простоте строения и легкости элементе периодической таблицы, знакомом некоторым землянам в качестве активного ингредиента ряда антидепрессантов. В периодической таблице элементов литий занимает место сразу вслед за водородом и гелием, которые гораздо более знамениты, потому что в космосе их несметное количество. В первые минуты своего существования Вселенная синтезировала ядра гелия из водорода в огромных количествах, но выработала лишь относительно крошечные объемы других, более тяжелых ядер. В итоге литий остался довольно редким элементом, и астрофизики отмечают тот факт, что звезды почти не производят дополнительных партий лития, они только потребляют уже имеющиеся его запасы. У лития, так сказать, билет в один конец: каждой звезде гораздо проще уничтожить литий, чем создать его. Поэтому его космические запасы постепенно таяли, тают и будут таять. Если вам хочется заполучить себе немного лития, не медлите и приобретайте его сейчас же.

Эта особенность лития превращает его в невероятно полезный для астрофизиков инструмент измерения возраста звезд. Все звезды приходят в мир с соответствующим запасом лития, оставшимся после термоядерного синтеза, что протекал во Вселенной в первые полчаса ее существования, а также непосредственно во время Большого взрыва. Что значит «соответствующий запас»? Это значит — примерно одно ядро лития на сто миллиардов ядер других элементов. После того как новорожденная звезда приходит в наш мир с таким «богатым» запасом лития, дальнейшая судьба этого элемента весьма незавидна: ядерные реакции в недрах звезды начинают понемногу перерабатывать его. Стабильное и иногда эпизодическое смешение вещества в ядре звезды с веществом извне уносит получающийся материал к ее поверхности, поэтому спустя тысячи лет внешние слои звезды могут показать нам, что же раньше происходило в ее центре.

Когда астрофизики ищут в небе самые молодые звезды, они следуют простейшему правилу: нужно искать те звезды, в которых больше всего лития. Соотношение количества ядер лития каждой звезды к, скажем, количеству ядер водорода (что можно определить по спектру ее излучения) помогает подобрать для этой звезды место на графике, отображающем корреляцию возраста звезды и лития во внешних ее слоях. Этот метод позволяет астрофизикам определять с большой точностью самые юные звезды в конкретном кластере и приписывать каждой из них основанный на литиевом анализе возраст. Так как звезды очень продуктивно разрушают литий, в более старых звездах обнаружить его почти невозможно. Соответственно такой подход хорош только в применении к звездам, чей возраст не превышает несколько сотен миллионов лет: для этих юных особ литиевый метод работает просто замечательно! Недавние исследования двух дюжин молодых звезд в туманности Ориона, масса каждой из которых примерно равна массе Солнца, показали, что их возраст составляет от одного до десяти миллионов лет. Наступит день, когда астрофизикам удастся найти еще более молодые звезды, ну а пока один миллион лет — это лучшее, что они могут нам предложить.

Долгое время после своего рождения группы молодых звезд только распыляют скопления газа, из которого образовались, превращают водород в гелий внутри своих ядер и пожирают запасы лития. Но ничто не вечно. За многие миллионы лет большинство потенциальных звездных кластеров, подверженных постоянному гравитационному воздействию проплывающих мимо огромных облаков, «испаряется», и их участники присоединяются к числу прочих звезд галактики.

Спустя пять миллиардов лет после формирования Солнца определить в галактике его родственниц и узнать, живы ли они еще, невозможно. Все звезды Млечного Пути и других галактик с низкой массой, из-за чего они очень медленно потребляют свое топливо, живут практически бесконечно. Звезды «в среднем весе», вроде Солнца, рано или поздно превращаются в красных гигантов, увеличивая границы своих внешних газовых слоев в сотни раз и умирая медленной смертью. Эти внешние слои столь условно связаны со звездой, что постепенно отчаливают прочь в открытый космос, обнажая то самое ядро, полное переработанного ядерного топлива, что кормило звезду на протяжении всех десяти миллиардов лет ее жизни. Газ, который возвращается в межзвездное пространство, будет так или иначе подхвачен проходящими мимо облаками и когда-нибудь примет участие в новом этапе звездообразования.

Несмотря на их редкость в природе, звездам с самой высокой массой достались почти все козыри эволюции. Их огромная масса дает им самую мощную светимость — для некоторых она в миллион раз выше светимости Солнца. Так как эти звезды перерабатывают ядерное топливо гораздо быстрее своих малых товарок, они проживают жизнь быстрее других: всего за несколько миллионов лет, а то и меньше. Непрекращающийся термоядерный синтез внутри звезд с высокой массой позволяет им производить десятки элементов, начиная с водорода и заканчивая гелием, углеродом, азотом, кислородом, неоном, магнием, кремнием, кальцием и так далее вплоть до железа. Ближе к концу своей жизни такие звезды, излучая последние вспышки света, все еще вырабатывают новые химические элементы, иногда затмевая своим сиянием всю родную галактику. Астрофизики называют каждую такую вспышку сверхновой звездой: при внешнем сходстве со сверхновыми звездами типа Ia, описанными в главе 5, они совсем другие по природе. Энергия взрыва сверхновой звезды раскидывает химические элементы прошлой и самой свежей выработки по всей галактике, проделывая дыры в распределении газа и обогащая близлежащие облака новым сырьем для образования твердых частиц космической пыли. Этот взрыв на сверхзвуковой скорости прорывается сквозь межзвездные облака, сжимая их газовое и пылевое содержимое и, вполне возможно, создавая ряд газовых карманов высокой плотности, из которых потом смогут образоваться новые звезды.

Вселенной от таких сверхновых звезд перепадает великий дар — все химические элементы, помимо водорода и гелия: те самые элементы, из которых могут образовываться планеты, простейшие организмы и люди. Мы живем на Земле только потому, что миллиарды лет назад где-то в космосе взорвалось бессчетное количество звезд — в те далекие эпохи истории Млечного Пути, когда Солнца и его планет еще и в помине не было и им лишь предстояло собраться в единые скопления внутри пыльного и темного космического межзвездного облака, которое, в свою очередь, несло в себе химические богатства, унаследованные от предыдущих поколений звезд с высокой массой.

Персональная премия авторов этой книги за самое недооцененное научное достижение XX века присуждается открытию того факта, что сверхновые звезды — мощные финальные взрывные аккорды особо крупных умирающих звезд — являются первостепенным источником тяжелых элементов в природе. Это относительно невоспетое озарение впервые было высказано в научной статье, авторами которой выступили Э. Маргарет Бербидж, Джеффри Р. Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл. Она была опубликована в 1957 году в американском журнале «Обзоры современной физики»[39] под заголовком «Синтез элементов в звездах» и содержала теоретическую и вычислительную схему, которая по-новому трактовала и объединяла размышления других ученых за последние 40 лет по двум основным темам: об источниках звездной энергии и о преобразованиях химических элементов.

Космическая ядерная химия и попытки понять, как в процессе термоядерного синтеза появляются и разрушаются разные типы ядер, всегда были непростым делом. В числе самых главных вопросов непременно значились следующие: как ведут себя химические элементы под воздействием разных температур и разного уровня давления? Соединяются ли эти элементы или распадаются? Насколько это трудоемкий процесс? Выделяется ли при этих процессах новая кинетическая энергия или потребляется существующая? Как эти процессы отличаются между собой в случае с каждым отдельным элементом периодической таблицы?

Что для вас значит периодическая таблица химических элементов? Если вы не отличаетесь от большинства школьников, то наверняка помните огромную таблицу на стене кабинета химии. Некие загадочные буквы и символы в ее прямоугольных ячейках ассоциировались с лабораториями, в которые незачем заходить без явной на то причины. Но для тех, кому знакомы ее секреты, эта таблица — книга рассказов о космической жестокости, в результате которой ее компоненты, собственно, и появились на свет. В периодической таблице перечислены все известные человечеству природные элементы Вселенной, выстроенные от малого до великого по мере увеличения количества протонов, приходящихся на ядро каждого из них. Два самых легких элемента — это водород (один протон на ядро) и гелий (два). Как верно подметили четверо авторов той самой научной статьи, при наличии должных условий — температуры, плотности и давления — звезда может использовать свои запасы водорода и гелия для того, чтобы собрать из них все остальные элементы периодической таблицы.

Подробности этого созидательного процесса и прочих взаимодействий, которые ведут не к созданию, а к распаду ядер, составляют собой основу науки ядерной химии. Она занимается тем, что рассчитывает и использует «сечения столкновений», чтобы измерить, как близко одна частица должна оказаться к другой, чтобы они могли вступить в какое-либо существенное взаимодействие. Физики могут запросто рассчитать сечения столкновений для бетономешалок или огромных жилых трейлеров, путешествующих по улице в кузове эвакуатора, а вот проанализировать поведение крошечных ускользающих от внимания субатомных частиц уже в разы труднее. Уверенное понимание концепции сечения столкновения позволяет физикам прогнозировать скорость ядерных реакций и их динамику. Нередко небольшие неясности в сверочных таблицах значений этих сечений приводят ученых к вопиюще ошибочным заключениям. Трудности, которые им приходится преодолевать, можно сравнить с попытками ориентироваться в метро одного города, вооружившись схемой метро другого: при всей корректности вашей базовой теории любой нюанс ситуации может оказаться критическим.

Несмотря на то что ученые ничего не знали о сечениях столкновений, в первой половине XX века они на протяжении долгого времени подозревали, что если и есть во Вселенной место для экзотических ядерных процессов, то ядра звезд для них — самый подходящий вариант. В 1926 году британский астрофизик-теоретик сэр Артур Эддингтон опубликовал статью, которая называлась «Внутреннее строение звезд»[40]. В ней он доказывал, что лаборатория имени Кавендиша, бывшая ведущим центром по исследованиям в области атомной и ядерной физики, не может быть единственным местом во Вселенной, где умеют переплавлять одни элементы в другие.

«Но возможно ли признать, что такое преобразование происходит? Утверждать это непросто, но отрицать, что это происходит, пожалуй, еще сложнее… и если что-то можно совершить в лаборатории Кавендиша, вряд ли так уж сложно повторить это внутри Солнца. Думаю, что предположение о том, что звезды — плавильные котлы, в которых более легкие атомы, взятые из туманности, соединяются в более сложные элементы, в целом должно поддерживаться»[41].

Статья Эддингтона, которая легла в основу книги под тем же названием, которая вышла в 1926 году, предвосхитила более подробные исследования четверки ученых из 1957 года. Она вышла на несколько лет раньше открытия квантовой механики, без которой наше понимание физических свойств атомов и атомных ядер было бы, мягко говоря, жалким. Словно пророк, Эддингтон сформулировал подобие сценария для создания звездной энергии с помощью термоядерного синтеза водорода и гелия.

«Нам не следует привязываться к реакции образования гелия из водорода как к единственно возможному источнику энергии [для звезды], хотя что-то подсказывает, что для дальнейших этапов создания химических элементов характерно гораздо меньше выделения и гораздо больше поглощения энергии. Позицию можно сформулировать следующим образом: атомы всех элементов состоят из атомов водорода, прочно связанных друг с другом, и, вероятно, когда-то они были образованы из водорода; нутро звезды — столь же подходящее место для свершения эволюции, как и любое другое»[42].

Любая модель преобразования элементов должна объяснять то их разнообразие, которое мы наблюдаем на Земле и в других регионах Вселенной. Для этого физикам требовалось найти некий фундаментальный процесс, который позволял бы звездам извлекать энергию из процесса переплавки одних элементов в другие. К 1931 году, когда теории квантовой механики уже вполне оформились (хотя еще не были открыты нейтроны), другой британский астрофизик, Роберт д'Эскур Аткинсон, опубликовал подробную статью, которая предлагала читателю «теорию синтеза звездной энергии и происхождения элементов… в которой различные химические элементы постепенно создаются из более легких внутри самих звезд с помощью успешной переработки протонов и электронов одного за другим».

В том же году американский ядерный химик Уильямс Д. Харкинс опубликовал статью, в которой отметил, что «элементы с низким атомным весом (помните? речь о количестве протонов и нейтронов в каждом ядре) имеются в природе в гораздо большем изобилии, нежели тяжелые элементы, а элементы с четными атомными числами (по количеству протонов в атомном ядре) в среднем встречаются примерно в десять раз чаще, чем элементы с нечетными атомными числами, но примерно того же достоинства». Харкинс выражал догадку, что относительное изобилие ряда элементов скорее зависит от ядерного синтеза, чем от такого химического процесса, как возгорание, и что более тяжелые химические элементы наверняка получились из более легких.

Подробности механики самого процесса термоядерного синтеза, протекающего в звездах, могли бы в результате объяснить наличие в космосе многих элементов, особенно тех, которые получаются каждый раз, когда вы прибавляете ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами к тому элементу, который получили на предыдущем этапе синтеза. Такие элементы и представляют собой те самые изобилующие с «четными атомными номерами», о которых говорил Харкинс. Однако существование и относительные количества многих других элементов так и оставались необъясненными. Значит, сборка элементов по кирпичикам в космосе происходила по какому-то другому принципу.

Нейтрон, который был открыт в 1932 году британским физиком Джеймсом Чедвиком во время работы в тех же лабораториях им. Кавендиша, играет важнейшую роль в ядерном синтезе — роль, которую Эддингтон себе и вообразить не мог. Собрать что-то из протонов — это большой труд, ведь они естественным образом отталкивают друг друга, как и все одинаково заряженные частицы. Чтобы соединить протоны, нужно приблизить их друг к другу на достаточно малое расстояние (как правило, это делается при воздействии высоких температур, давления и плотности), позволяющее преодолеть их природную взаимную неприязнь, — и тогда сильное ядерное взаимодействие привяжет их друг к другу. — Нейтрон, однако, не имея заряда, не отталкивает от себя другие частицы, поэтому он может запросто проследовать в атомное ядро и присоединиться к банкету собравшихся там частиц, удерживаясь на месте благодаря той же силе, что удерживает там и протоны. В итоге новый элемент не образуется, ведь для этого в ядре нужно изменить количество протонов. Но, добавляя нейтрон, мы создаем «изотоп» ядра исходного элемента, который лишь немного отличается от своего прототипа, так как даже суммарный электрический заряд у него остается тем же. В некоторых случаях свежепойманный нейтрон, стоит добавить его к ядру, оказывается нестабильным: тогда он спонтанно преобразует сам себя в протон (который уже вполне стабилен и не покидает ядро) и в электрон (который тут же покидает данную систему частиц). Именно таким образом, словно внутри троянского коня, протоны могут проникать в атомные ядра под видом нейтронов.

Если стабильный поток нейтронов не иссякает, каждое ядро может успеть поглотить немало нейтронов, прежде чем первый из них распадется на протон и электрон. Такие «быстро усвоенные» нейтроны помогают образовать группу элементов, происхождение которых отождествляется с «быстрым процессом захвата нейтронов» и которые отличаются от тех элементов, что образуются за счет медленной подачи в их ядро нейтронов (когда каждый последующий нейтрон попадает в ядро только после того, как предыдущий распадется на протон и электрон).

Обе модели захвата нейтронов — быстрая и медленная — в ответе за создание множества элементов, которые не могут сформироваться в процессе традиционного термоядерного синтеза. Все остальные элементы в природе могут быть получены за счет еще ряда процессов, в том числе сталкивания на огромной скорости сильно заряженных фотонов (гамма-излучение) с ядрами тяжелых атомов, которые затем распадаются на несколько меньших по размеру.

Рискуя чрезмерно упростить суть жизненного цикла звезды с высокой массой, мы все же позволим себе заявить, что каждая звезда живет за счет того, что внутри нее создается и высвобождается энергия, которая позволяет звезде противостоять гравитации. Если бы не это производство энергии с помощью термоядерного синтеза, каждый звездный газовый шар просто коллапсировал бы под тяжестью своего собственного веса. Эта доля ожидает те звезды, которые уже истощили запасы ядер водорода (протонов) в своих звездных ядрах. Как уже было отмечено ранее, превратив водород в гелий, ядро звезды принимается делать из гелия углерод, затем из углерода — кислород, из кислорода — неон и так далее, пока дело не дойдет до железа. Чтобы успешно синтезировать все новые и новые и все более тяжелые элементы в этой последовательности, сопутствующая температура реакций должна постоянно повышаться, чтобы атомные ядра могли преодолевать возникающие между ними силы отталкивания. К счастью, это происходит само собой, потому что в конце каждой промежуточной стадии, когда источник энергии звезды временно перекрывается, ее внутренние регионы сжимаются, температура подскакивает — и запускается новый этап ядерного синтеза. Так как ничто не продолжается вечно, звезда в какой-то момент сталкивается с серьезной проблемой: оказывается, во время синтеза железа энергия не выделяется, но поглощается. Плохие новости для нашей звезды! В ее термоядерной шляпе фокусника нет больше волшебной палочки, одним взмахом которой она могла бы запустить новый процесс, выделяющий энергию для противопоставления своей собственной гравитации. В этот момент звезда резко коллапсирует, из-за чего ее внутренняя температура возрастает столь стремительно, что она взрывается, раскидывая свои звездные внутренности во все стороны.

В процессе самого взрыва наличие нейтронов, протонов и энергии позволяет сверхновой звезде создавать элементы множеством разных способов. В статье 1957 года четверка авторов объединила:

• хорошо проверенные положения квантовой механики;

• физические особенности взрывов;

• свои новейшие сечения столкновений;

• разнообразные процессы преобразования одних элементов в другие;

• основы теории эволюции звезд.

Все это для того, чтобы подвести читателя к одной мысли: взрывы сверхновых звезд — это первоосновной источник всех элементов тяжелее водорода и гелия в нашей Вселенной.

Помимо звезд с большой массой в качестве источников тяжелых элементов и сверхновых звезд в качестве наиболее вероятного источника распространения этих элементов великолепная четверка заодно получила решение еще одной задачи совершенно даром: когда внутри звездного ядра синтезируются элементы тяжелее водорода и гелия, никакого прока от этого нет, если не отправить их на все четыре стороны в межзвездное пространство, чтобы там из них рано или поздно получился мир, в котором могут рождаться такие существа, как вомбаты. Э. Маргарет Бербидж, Джеффри Р. Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл (их еще называют командой Б2ФХ) объединили наше понимание ядерного синтеза в звездах с той вселенской кузницей элементов, следы которой мы находим в космосе повсеместно. Их выводы пережили десятилетия скептического анализа, поэтому опубликованной ими статье можно отвести лишь одну роль — роль переломной работы в истории изучения человеком устройства Вселенной.

В последние годы астрофизики осознали, что для производства новых элементов у звезд есть два дополнительных пути. Когда звезды с большой массой становятся красными гигантами, они, как было описано в главе 8, отбрасывают свои внешние слои, которые образуют то, что ошибочно было названо планетарными туманностями. Эти газы, богатые образовавшимися в результате ядерного синтеза углеродом и азотом, в конечном итоге сливаются с веществом, плавающим в галактике, и могут поглощаться новыми поколениями звезд. Именно таким путем попала в нашу экосистему большая часть углерода и азота, необходимых для жизни на Земле.

Занимая шестую и седьмую позиции в таблице Менделеева, углерод и азот входят в число самых легких элементов. Следующие 30 или около того элементов, от кислорода до рубидия, возникли в горниле взрывов сверхновых, которые Б2ФХ назвали фабрикой элементов. Еще более тяжелые элементы, как теперь считают астрофизики, появились в результате других масштабных космических событий: слияний нейтронных звезд, описанных в главе 9. В 2017 году, который стал поворотным для прогресса в астрономии, три детектора зафиксировали гравитационное излучение от источника, известного как GW170817. А одновременное исследование гамма-излучения, видимого света и других типов электромагнитного излучения, исходящих из одного источника, открыло для мира «астрономию нескольких посыльных», что журнал Science после назвал прорывом года. В отличие от слияний двух черных дыр, которые генерируют большую часть гравитационного излучения, обнаруженного до сих пор, и почти не оставляют вещественных следов, слияния нейтронных звезд производят облака материи, испускающие электромагнитное, гамма— и рентгеновское излучение, а также радиоволны и видимый свет, раскрывающий детали химического состава обломков.

Свет от события, наблюдаемого в 2017 году, выявил присутствие стронция (38-го элемента), подтвердив расчеты астрофизиков, предсказавших, что слияния нейтронных звезд производят тяжелые элементы. Как показывают расчеты, их подавляющее, возникая в результате описанного выше процесса быстрого захвата нейтронов, обязано своим существованием скручиванию спиралей и возможному слиянию нейтронных звезд в двойных системах. Поскольку нейтронные звезды — это схлопнувшиеся ядра бывших сверхновых, ученые, изучающие сверхновые, могут справедливо заявить, что здесь мы тоже наблюдаем образование элементов, порождаемых взрывающимися звездами, только в этом случае элементы возникают в одном шаге от взрыва.

Да, Земля и вся жизнь на ней суть звездная пыль. Нет, мы еще не ответили на все интересующие нас химические вопросы космического масштаба. Так, любопытную загадку современности представляет собой технеций — первый химический элемент, полученный (в 1937 году) искусственным путем в земной лаборатории. (Само слово «технеций», как и другие с префиксом «тех», отсылает к греческому «технетос», что означает «искусственный».) Найти технеций в природе на Земле нам еще предстоит, но астрономы уже нашли его в атмосферах небольшого количества красных гигантов, входящих в нашу галактику. Само по себе это не столь удивительно, если бы не тот факт, что технеций преобразуется в другие элементы с периодом полураспада в два миллиона лет, что в разы меньше возраста и средней продолжительности жизни звезд, за которыми мы наблюдаем. Эта головоломка привела к рождению разных экзотических теорий, которые пока не получили единодушного одобрения мирового сообщества астрофизиков.

Заинтересованных ученых подобные бесконечные химические загадки пленят столь же сильно, как и темы черных дыр, квазаров и ранней Вселенной. Но вам прочитать о них редко где удается. Почему так? Потому что средства массовой информации уже давно решили, о чем следует писать, а о чем — нет. Судя по всему, новости о космическом происхождении каждого отдельного химического элемента, из которых в общей сложности состоит ваше тело, в повестку дня не попадают. И все же, как рассуждал директор Гарвардской обсерватории Харлоу Шепли в своей книге «Вид с далекой звезды», вышедшей в 1963 году, «человечество состоит из звездного вещества и подчиняется Вселенским законам».

Глава 11. В эпоху юности миров

В своих попытках разузнать историю Вселенной мы неоднократно убеждались в том, что наиболее плотно укутанные завесой тайны этапы мироздания — это те, что относятся непосредственно к началу начал: к истокам самой Вселенной, ее наиболее крупных структур (галактик и галактических кластеров) и ее звезд, которые являются источником большей части света в космосе. Каждая из этих историй о происхождении играет определенную и жизненно важную роль — и не только в объяснении того, как предположительно бесформенный космос произвел на свет сложные объединения различных типов объектов, но и в определении того, как и почему через 14 миллиардов лет после Большого взрыва мы вообще живем на планете Земля и можем задаться этим вопросом: «Как же все это произошло?»

Не в последнюю очередь подобные загадки рождаются потому, что во время «темных веков» космической истории, когда вещество еще только начинало скапливаться в самодостаточные единицы, такие как звезды или галактики, большая часть всего этого вещества производила очень мало или вообще не производила обнаружимого излучения. То темное время оставило нам лишь минимум возможностей (все еще не до конца исследованных) для того, чтобы каким-то образом узнать, как выглядело вещество на тех ранних стадиях организации. В свою очередь, это означает, что нам следует полагаться — в пугающе высокой степени — на свои собственные теории о том, как должно вести себя вещество, и что у нас не так уж много инстанций, в которых мы могли бы сопоставить свои теории со своими наблюдениями.

Стоит нам обратиться к происхождению планет, как загадки лишь множатся и усугубляются. У нас нет не только результатов наблюдений за ключевыми первоначальными стадиями формирования планет, но и успешных теорий о том, как же именно в свое время планеты сформировались. В качестве позитивной ремарки спешим отметить, что вопрос «Откуда появились планеты?» за последние годы стал рассматриваться гораздо шире. На протяжении большей части XX века в поисках ответа на него ученые акцентировали внимание только на планетах Солнечной системы. За прошедшее же десятилетие рядом с относительно близкими звездами было найдено более сотни экзопланет, которые подарили ученым существенно больше данных для того, чтобы попробовать определить раннюю историю их рождения и существования — в первую очередь как эти астрономически малые, темные и плотные объекты сформировались среди звезд, дающих им свет и жизнь.

Сегодня у астрофизиков, может быть, и имеется больше данных, чем раньше, но это не помогло им получить ответы на свои вопросы. Более того, обнаружение экзопланет, многие из которых движутся по орбитам, заметно отличающимся от орбит планет Солнечной системы, во многом даже усложнило задачу, не приблизив ученых к разгадке истории планетообразования. Мы можем утверждать, что у нас нет объяснения тому, как планеты начали образовываться из газа и пыли, хотя мы можем с легкостью объяснить, как уже запущенный процесс планетообразования был способен сделать из малых объектов большие и почему это заняло относительно немного времени.

Начало образования планет — тема на удивление неподатливая, вплоть до того, что один из главных мировых экспертов в этой области, Скотт Тримейн из Принстонского университета, позволил себе следующие высказывания, пусть и не до конца всерьез. Он сформулировал свод законов планетообразования, первый из которых утверждает, что «все теоретические предсказания о свойствах экзопланет неверны», а второй — что «самая надежная теория о том, как образовались планеты, — теория, говорящая, что это в принципе невозможно». Юмор Тримейна, однако, подчеркивает тот необъяснимый факт, что планеты все же существуют — при всем нашем неумении разрешить эту астрономическую головоломку.

Более двух веков назад, пытаясь объяснить формирование Солнца и его планет, Иммануил Кант высказал «небулярную гипотезу», согласно которой закрученная масса газа и пыли, окружающая нашу главную звезду в процессе ее формирования, конденсировалась в сгустки, из которых позднее сформировались планеты. В самом широком смысле гипотеза Канта и сегодня является основой для современных астрономических теорий о планетообразовании, одержав верх над другой концепцией, весьма популярной в первой половине XX века. Она заключалась в том, что планеты Солнечной системы образовались вследствие прохождения другой звезды мимо Солнца на пути по своим космическим делам. Такой сценарий подразумевает, что гравитационное воздействие должно было повыдергивать газовые облака из обеих звезд, после чего какое-то количество такого газа впоследствии охладилось и скондесировалось, образовав планеты. У этой гипотезы, продвигаемой известным британским астрофизиком Джеймсом Джинсом, был один дефект (или же изюминка, как предпочитают думать некоторые): исходя из нее, планетные системы должны быть очень редким явлением — ведь близкое общение звезд при личной, так сказать, встрече, скорее всего, состоялось буквально считанные разы за всю историю существования галактики. Как только расчеты показали, что весь газ, выдернутый из звезд, будет улетучиваться в разных направлениях, а не конденсироваться, астрофизики отказались от гипотезы Джинса и вернулись к кантовской, согласно которой у большинства звезд, если не у всех вообще, орбиты должны быть украшены планетами.

Теперь у астрофизиков есть надежные доказательства того, что сами звезды формируются — и не по одной, а сразу тысячами и десятками тысяч — внутри огромных облаков газа и пыли, причем из одного такого облака в итоге может образоваться до миллиона отдельных звезд. В таких гигантских звездных яслях в свое время сформировалась туманность Ориона — ближайший к Солнечной системе регион активного звездообразования. Еще через несколько миллионов лет в этом регионе появятся сотни тысяч новых звезд, которые разгонят большую часть оставшегося в туманности газа и пыли в открытый космос; и астрономы сотни тысяч поколений спустя смогут наблюдать эти молодые звезды, которые не будут больше скрываться за остатками своих газовопылевых коконов.

Сейчас астрофизики используют радиотелескопы для того, чтобы фиксировать распределение охлажденного газа и пыли в непосредственном окружении молодых звезд. Как правило, на таких картах распределения можно увидеть, что молодые звезды не плывут в космосе, лишенные какого-либо окружающего вещества. Наоборот — у звезд, как правило, есть вращающийся вокруг них газопылевой диск, похожий по размеру на Солнечную систему, но состоящий из водорода (и других газов, представленных гораздо менее широко) и чуть присыпанный частичками межзвездной пыли. В данном случае термин «пыль» описывает группы частиц, состоящих из нескольких миллионов атомов каждая и по размеру все равно недотягивающих даже до размера точки, которая стоит в конце этого предложения. Многие частицы такой пыли состоят в большей степени из атомов углерода, объединенных в вещество графит (основной ингредиент в стержнях карандашей). Другие твердые частицы состоят из сочетаний кремния и кислорода — по сути, это крошечные камешки, чьи каменистые сердца окутывает ледяная мантия.

Образование этих твердых частиц пыли в межзвездном пространстве уже само по себе загадочно и описано одновременно в множестве теорий, на которых мы можем здесь не останавливаться: достаточно запомнить, что пыль в космосе есть. Чтобы сформировать эту пыль, атомам приходится собираться бок о бок миллионами; если учесть, сколь мала плотность какого бы то ни было вещества в межзвездном пространстве, наиболее очевидным местом для формирования этой пыли кажутся внешние атмосферы прохладных звезд, которые понемногу отправляют свой отработанный материал в космос.

Благодаря тому, что космический телескоп Уэбба способен регистрировать инфракрасное излучение, мы можем заглянуть в давно прошедшую эпоху формирования галактик, что определенно поможет понять, как формируются планеты. Поскольку инфракрасное излучение проходит через богатые пылью регионы гораздо легче, чем видимый свет, мы также более подробно исследуем регионы звездообразования и газопылевые диски, окружающие молодые звезды, из которых могут образовываться планеты.

Частицы межзвездной пыли — первый шаг на пути к формированию планет. Это касается не только твердых планет вроде нашей с вами, но и огромных газовых гигантов, представленных в Солнечной системе Юпитером и Сатурном. Даже несмотря на то что эти планеты состоят преимущественно из водорода и гелия, астрофизики, проанализировав внутренние структуры этих гигантов в сочетании с их подсчитанными массами, пришли к заключению, что их ядра все же твердые. Из всей суммарной массы Юпитера, в 318 раз превышающей массу Земли, его твердое ядро представлено массой в несколько дюжин земных масс. А у Сатурна, в 95 раз превышающего массу Земли, — в одну-две дюжины. У Солнца есть еще две планеты из числа газовых гигантов поменьше — Уран и Нептун, и их твердые ядра пропорционально большего размера. Каждая из них превышает массой Землю в 15 и 17 раз соответственно, и вполне возможно, что ядро в них составляет не менее 50 % всей массы планеты.

Для каждой из этих четырех планет и, вероятно, для всех гигантских планет, недавно обнаруженных на орбитах других звезд, их планетные ядра сыграли ключевую роль в процессе формирования: сначала появилось ядро, а затем и газ, притянутый этим ядром. Выходит, для образования любой планеты просто необходимо, чтобы сначала образовался большой комок плотного вещества. В Солнечной системе, например, у Юпитера самое большое ядро, следом идет Сатурн, а затем Нептун, Уран и на пятом месте — Земля, которая также занимает пятое место среди всех планет по размеру. Истории их формирования ставят перед нами ребром один фундаментальный вопрос: как смогла природа заставить вещество сгуститься и в итоге собраться в «комки», насчитывающие многие тысячи миль в диаметре?

Ответ на этот вопрос состоит из двух частей — одной известной и одной неизвестной; последняя, как нетрудно догадаться, лежит ближе к самому истоку. Как только вам удастся образовать объекты шириной примерно в полмили, которые астрономы называют планетезималями, каждому из них хватит своей собственной гравитации для того, чтобы успешно подтянуть к себе и другие объекты. Взаимное гравитационное воздействие планетезималей друг на друга довольно быстро порождает первые планетные ядра, а затем и сами планеты. Нужно всего несколько миллионов лет, чтобы пройти путь от некоторого количества «комков», размером с небольшой город каждый, до полноценных новых миров, дозревших до состояния, в котором они готовы либо приобрести тонкий слой атмосферного газа (что и произошло с Венерой, Землей и Марсом), либо укутаться в толстенный слой водорода и гелия (как в случае с четырьмя газовыми гигантами, которые вращаются вокруг Солнца на достаточном от него расстоянии, чтобы притянуть к себе огромные объемы этих двух легчайших в мире газов). Для астрофизиков переход от планетезималя шириной в полмили к полноценной планете сводится к ряду хорошо проработанных компьютерных моделей, которые описывают процесс во всех подробностях и почти всегда приводят к формированию маленьких, каменистых и плотных внутренних планет звездной системы в сочетании с крупными и (за исключением ядра) газовыми — даже разреженными — внешними планетами. В течение этого процесса многие планетезимали, как и некоторые объекты, которые они образуют, оказываются выкинутыми за пределы Солнечной системы в результате гравитационного взаимодействия с еще более крупными объектами.

Все это отлично работает на компьютере, но вот создание собственно планетезималей в полмили шириной пока остается за гранью понимания даже самых светлых умов современной астрофизики, которые все еще не в состоянии должным образом объединить свои познания о физике нашего мира с возможностями современных компьютеров. Гравитация не может создавать планетезимали, потому что скромной взаимной силы тяготения маленьких объектов недостаточно, чтобы удержать их друг рядом с другом. Для того чтобы получить планетезимали из межзвездной пыли, существуют две теоретические возможности — и ни одна из них не является особо удовлетворительной. Первая модель предлагает формирование планетезималей посредством аккреции, которая совершается в тот момент, когда твердые частицы пыли сталкиваются и слипаются. В принципе, аккреция — это вполне рабочая идея, так как большинство частиц пыли и вправду слипаются друг с другом при столкновении; вот почему под диваном могут образоваться целые хлопья пыли. Теперь остается лишь представить огромные хлопья межзвездной пыли, танцующие вокруг Солнца, и нужно еще всего одно небольшое умственное усилие для того, чтобы позволить им в своем воображении разрастись до размера стула, дома, городского квартала… и, наконец, планетезималя, уже готового к основательной гравитационной работе над собой и своим окружением.

К сожалению, в отличие от хлопьев поддиванной пыли, на взращивание целого планетезималя из хлопьев межзвездной пыли уходит слишком много времени. Датирование с помощью радиоизотопов нестабильных ядер, обнаруженных в самых древних метеоритах, показало, что на формирование Солнечной системы ушло всего лишь несколько десятков миллионов лет — а то и намного меньше. В сравнении с текущим возрастом наших планет, который составляет примерно 4,55 миллиарда лет, это словно капля воды в наполненном ею до краев ведре: всего 1 % (или даже меньше) от общей продолжительности существования Солнечной системы. Но на процесс аккреции, который помог бы сформировать из пыли первоначальные планетезимали, ушло бы существенно больше нескольких десятков миллионов лет, так что, если только астрофизики не упустили что-то очень важное в понимании того, как именно в процессе аккреции пыль собирается в крупные структуры, нам требуется иной механизм образования планетезималей, который более красиво впишется в имеющиеся у нас временные рамки.

Второй гипотетический механизм опирается на огромные воронки, в которые частицы межзвездной пыли улетают целыми тучами и очень стремительно прямо навстречу их счастливому объединению в более крупные структуры. Так как сжимающееся облако газа и пыли, которому в конце концов предстояло превратиться в Солнце и его планеты, в процессе трансформации приобрело вращающий момент, оно вскоре изменило свою общую форму со сферической на тарелкообразную, оставив формирующееся Солнце в виде относительно плотной сжимающейся сферы в своем центре и окружив его сильно сплющенным диском материала, вращающегося вокруг этой самой сферы. На сегодняшний день орбиты всех планет Солнца, которые движутся в одном и том же направлении и располагаются фактически в одной плоскости, служат доказательством в пользу теории о дискообразном распределении вещества и формировании из него планетезималей и планет. Астрофизики предполагают, что внутри такого вращающегося диска будут появляться «нестабильные участки», словно подернутые рябью, — чередующиеся области с большей и меньшей плотностью вещества. Более плотные регионы вбирают в себя как газ, так и пыль, парящую внутри этого газа. Через несколько тысяч лет такие нестабильные участки превратятся в закрученные воронки, которые смогут сгонять большие партии пыли в одно место и сжимать их до относительно небольших и плотных объемов.

Эта модель воронкообразного формирования планетезималей выглядит многообещающе, хотя пока ей не удалось завоевать сердца тех, кто продолжает искать объяснение тому, как Солнечная система произвела на свет все необходимое для юных планет. После тщательного анализа становится ясно, что модель предлагает более удачную трактовку процессов формирования ядер Юпитера и Сатурна, чем Урана и Нептуна. Так как у астрономов нет возможности доказать, что те нестабильные участки, без которых модель становится голословной, действительно когда-то существовали, нам тоже следует воздержаться от каких-либо личных суждений. Существование бесчисленного количества малых астероидов и комет, которые своими размерами и составом весьма напоминают планетезимали, поддерживает идею о том, что миллиарды лет назад из миллионов планетезималей образовались многочисленные планеты. Так что давайте относиться к образованию планетезималей как к установленному, пусть и не до конца понятному, явлению, которое каким-то образом заполняет зияющий пробел в наших знаниях, и перейдем к следующему развлечению: рассмотрим, что происходит, когда планетезимали сталкиваются.

После того как из окружающих Солнце газа и пыли сформировалось несколько триллионов планетезималей, все эти объекты принялись сталкиваться друг с другом, слипаться и создавать более крупные объекты, чтобы в конце концов образовать собой четыре внутренние планеты Солнечной системы и ядра ее четырех внешних планет-гигантов. Нельзя забывать и о лунах планет — объектах с более скромными размерами, что вращаются вокруг каждой планеты Солнца за исключением самых близких к нему: Меркурия и Венеры. Самые крупные из этих лун, диаметры которых составляют от нескольких сотен до нескольких тысяч миль, вроде бы аккуратно вписываются в созданную нами модель: предположительно они образовались вследствие тех самых столкновений планетезималей. Образование лун завершилось, когда в результате столкновений миры-спутники доросли до своих сегодняшних размеров, потому что (позволим себе предположить) к тому времени близлежащие планеты с их более сильной гравитацией присовокупили к себе большинство расположенных рядом планетезималей. В эту картину надо не забыть включить сотни тысяч астероидов, что вращаются вокруг Марса и Юпитера. Самые большие из них достигают в диаметре нескольких сотен миль (намного меньше того, который взорвал герой Брюса Уиллиса в фильме «Армагеддон» 1998 года), и они тоже наверняка выросли за счет столкновений планетезималей. Правда, в какой-то момент обнаружили, что расти и дальше им уже не дает гравитационное вмешательство близлежащего гиганта Юпитера. Самые мелкие астероиды, менее километра в ширину, вполне могут представлять собой обнаженные планетезимали. То есть объекты, образовавшиеся из пыли, но ни разу не столкнувшиеся с себе подобными — опять же благодаря влиянию Юпитера, — после того как они достаточно выросли, чтобы участвовать в гравитационном взаимодействии.

Для спутников гигантских планет такой сценарий вполне подходит. У всех четырех гигантских планет есть семейства спутников, размеры которых варьируются от огромных и невероятно огромных (вплоть до размеров Меркурия!) до маленьких и даже крошечных. Самые маленькие из таких лун, менее мили в диаметре, тоже могут оказаться обнаженными планетезималями, лишенными вследствие близости других объектов, которые уже успели вырасти в разы крупнее, каких-либо возможностей дальнейшего роста за счет столкновений. В каждом из этих четырех семейств спутников почти все наиболее крупные луны вращаются вокруг своих планет в одном и том же направлении и делают это практически в одной и той же плоскости. Трудно удержаться от того, чтобы не объяснить этот факт так же, как и в случае с планетами, которые вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и примерно в одной плоскости: вокруг каждой из этих планет вращалось когда-то облако газа и пыли, из которого потом сформировались «комки» вещества, позднее выросшие до размеров планетезималей, а затем и лун.

Во внутренней Солнечной системе только у нашей Земли есть луна значительного размера. У Меркурия и Венеры лун нет, а две картофелеобразные луны Марса — Фобос и Деймос — насчитывают всего несколько миль в поперечнике каждая, из чего следует, что они представляют собой более ранние стадии формирования более крупных объектов из имеющихся уже планетезималей. Некоторые теории приписывают происхождение этих лун астероидному поясу, а их сегодняшние орбиты — воздействию гравитации Марса, которому удалось с успехом подтянуть два этих бывших астероида к себе поближе.

Диаметр нашей Луны составляет более 2000 миль, и крупнее ее из всех лун Солнечной системы лишь Титан, Ганимед, Тритон и Каллисто; в целом по размеру наша Луна сравнима с Ио и Европой. Так является ли Луна продуктом столкновений планетезималей, как и четыре внутренние планеты нашей системы?

Пока человек не привез на Землю образцы лунных пород, эта теория казалась вполне состоятельной. Более 30 лет назад химический состав этих образцов, доставленных на Землю по итогам успешного возвращения «Аполлона», наложил сразу два ограничения на вероятное происхождение Луны. С одной стороны, состав лунного грунта настолько сильно напоминает земные породы, что предположение о формировании Луны независимо от нашей планеты более не кажется приемлемым. С другой — состав лунного камня достаточно отличается от состава коры Земли, чтобы стало очевидным: спутник Земли не целиком образовался из того же земного материала, что и сама планета. Но если Луна сформировалась где-то рядом с Землей и при этом не из аналогичного источника материала, то как и откуда она тогда взялась?

Принятый сегодня ответ на этот непростой вопрос, на первый взгляд вызывающий изумление, строится на когда-то популярной гипотезе о том, что Луна сформировалась в самом начале истории Солнечной системы вследствие какого-то колоссального по силе внешнего воздействия, которое «вычерпнуло строительный материал» со дна Тихого океана и закинуло его в космос, где он сжался в единый объект и образовал нашу Луну. Согласно этой новой версии, которая уже обрела довольно широкое признание как наиболее качественное из доступных человеку объяснений, Луна действительно сформировалась после того, как о Землю ударился гигантский небесный объект, который астрофизики назвали Тейей в честь матери Селены — богини Луны. Но его размер был настолько велик — практически размером с Марс, — что часть его собственного вещества естественным образом добавилась к веществу, отброшенному с Земли в космос. Большая часть материала, отбывшего в космос в результате этого происшествия, могла разлететься достаточно далеко, но все же материала осталось достаточно для того, чтобы образовать нашу Луну, сделанную из земного вещества с добавлением неземного. Все это произошло примерно 4,5 миллиарда лет назад, в первые 100 миллионов лет после того, как началось образование планет Солнечной системы.

Если объект размером с Марс ударился о Землю в те незапамятные времена, то где же он сейчас? Удара вряд ли было бы достаточно для того, чтобы расколоть этот предмет на столь крохотные останки, что мы не могли бы их увидеть: наши лучшие телескопы способны обнаружить во внутренних областях Солнечной системы объекты не крупнее планетезималей. Ответ на это возражение предлагает нам полноценную новую картину всей Солнечной системы — картину, которая подчеркивает ее жестокую и склонную к столкновениям природу. Сам факт, что планетезимали способны были слипнуться в один объект размером с Марс, еще не является гарантией того, что этот объект просуществовал достаточно долго. Вероятно, он не только столкнулся с Землей, но и разбросал свои куски в результате столкновения во все стороны по всей Солнечной системе, где они продолжали время от времени сталкиваться с самой Землей и другими внутренними планетами, друг с другом и с той же Луной (когда она закончила формироваться). Другими словами, во внутренней Солнечной системе на протяжении первых нескольких сотен миллионов лет царила ужасная сутолока, и те куски, что прикреплялись к планетам после столкновения с ними, становились частью этих планет. Встреча Земли с Тейей — это не единственное, но всего лишь одно из самых крупных и мощных событий во время продолжительного дождя из падающих на Землю и ее соседей объектов и даже планетезималей самой разной величины, бомбардирующих всех и вся в эту эпоху разрушений.

Если взглянуть на все это под другим углом, такая смертельная бомбардировка лишь послужила очередной точкой отсчета, обозначая собой финальные стадии планетообразования. Кульминацией всего процесса стала Солнечная система — такая, какой мы видим ее сегодня, не слишком изменившаяся за последние четыре с лишним миллиарда лет. Одна обычная звезда, вокруг которой вращаются восемь планет (плюс льдистый Плутон, который все же больше сродни комете, нежели планете), сотни тысяч астероидов, триллионы метеоритов (мелкие сгустки вещества, которые ежедневно тысячами падают на Землю) и множество комет — грязноватых снежков, которые образовались на расстоянии от Солнца, в десятки раз превышающем расстояние от него до Земли. Не будем забывать о спутниках планет, которые стабильно движутся по своим орбитам (за весьма редким исключением) с самого своего рождения, состоявшегося около 4,6 миллиарда лет назад.

На протяжении большей части нашей истории Солнечная система считалась единственной известной нам планетной системой. Вполне естественно, что, когда астрофизики приступили к поискам планет вокруг других звезд, они ожидали найти системы, в целом похожие на Солнечную по своим размерам и орбитам планет. Как же они ошибались! И насколько реальность оказалась более увлекательной, чем то, что предлагало наше воображение!

Глава 12. Планеты за пределами Солнечной системы

Когда себя являет Бог в мирах,

Являет ли нам Бога здешний прах?

Кто видит сквозь невидимый покров

Сложение Вселенной из миров,

Другие солнца, коим счету нет,

В круговращении других планет,

Других созданий и других эпох,

Тот скажет нам, как сотворил нас Бог.

Александр Поуп, «Опыт о человеке» (1733)[43]

Почти пять веков назад Николай Коперник возродил гипотезу, впервые предложенную еще древнегреческим астрономом Аристархом. Отнюдь не являясь центром Вселенной, заявил тогда Коперник, Земля — лишь одна из планет, что вращаются вокруг Солнца. Правда, многим людям еще только предстоит признать это, ибо они до сих пор свято верят в то, что именно небеса вращаются вокруг нашей неподвижной Земли. Однако астрономы уже давно не скрывают ни от кого убедительных доказательств тому, что Коперник был тогда совершенно прав насчет нашего родного космического дома. Заключение о том, что Земля лишь одна из планет Солнца, позволяет немедленно предположить, что другие планеты очень похожи на нее и что на них вполне могут жить обитатели, обремененные, как и мы с вами, своими планами и мечтами, работой, играми и фантазиями.

Таким образом, планеты, вращающиеся вокруг других звезд, смогут послужить нам космической лабораторией и помочь понять, как и когда жизнь появляется в космосе, как она развивается и как влияет на миры, в которых она возникла. Планеты-соседки Земли по Солнечной системе — это лишь ограниченный набор примеров других миров Александра Поупа, «коим счету нет». Исследование Марса и других планет Солнечной системы может привести к обнаружению жизни на соседних с нами мирах. С другой стороны, мы можем обнаружить, что наша планета сформировалась в узком диапазоне расстояний от Солнца, где обеспечивается температура, благоприятная для жизни, а все остальные планеты оказались за пределами «обитаемой зоны». Возможно когда-нибудь наши потомки исследуют планетные системы, близкие к нашей, не только ради удовлетворения внутреннего интереса, но и ради того, чтобы узнать, что они могут рассказать нам о разнообразии жизни по всему Млечному Пути и за его пределами.

Все это случится еще очень и очень нескоро, но уже сейчас мы можем отдать должное тому, как далеко все-таки мы продвинулись за одно человеческое поколение. На протяжении многих веков астрономам, которые пользовались телескопами для наблюдения за сотнями тысяч отдельных звезд, не хватало навыков и возможностей, чтобы определить, есть ли у этих звезд свои собственные планеты. Их наблюдения позволяли утверждать, что наше Солнце вполне себе среднестатистическая звезда и что ее братья и сестры, почти идентичные ей, в огромном множестве рассыпаны по галактике Млечный Путь. Если у Солнца есть свое семейство планет, то почему бы ему не быть и у других звезд? Получается, что на таких планетах тоже могли возникнуть условия для жизни самых разных существ. Джордано Бруно, к сожалению, выразил свою солидарность с этой мыслью в оскорбительной манере, подрывающей авторитет церкви, за что и угодил в 1600 году на костер. Сегодня любой турист, одолев толпы людей и столики уличных кафе на римской площади Кампо ди Фиори, может оказаться у подножия памятника Бруно и, возможно, поразмышлять немного о том, как сила его мыслей и идей (пусть и не его личная сила) одержала блестящий триумф над теми силами, что пытались подавить его.

Как наглядно демонстрирует судьба Джордано Бруно, сама идея жизни в других мирах — одна из самых сильных мыслей, на которую способен человеческий разум. Если бы это было не так, Бруно дожил бы до более зрелых лет, а NASA не на что было бы просить финансирование. Все эти разговоры о жизни в других мирах на протяжении всей истории — а NASA увлекается ими и сегодня — вертелись вокруг планет Солнечной системы. Однако в поисках внеземной жизни мы столкнулись с определенной проблемой: ни один из миров нашей Солнечной системы, за исключением Земли, не подходит для жизни.

Хотя этот вывод совершенно не отдает должное самому факту, что жизнь в принципе может зародиться и поддерживать себя миллионами возможных способов, все же доказательства налицо: наши первоначальные исследования Марса и Венеры, а также Юпитера и его наиболее крупных лун не смогли обнаружить на них сколько-нибудь убедительных признаков жизни. Скорее наоборот: мы обнаружили множество аргументов в защиту утверждений о том, что на этих планетах и лунах условия категорически неблагоприятны для жизни в привычном для нас виде. Нам предстоит продолжать свои исследования еще очень долго, и, к счастью (в том числе для тех, кто любит обо всем этом поразмышлять), мы не прекращаем их ни на секунду — особенно в погоне за признаками жизни на Марсе. Тем не менее вероятность того, что финальный вердикт по наличию внеземной жизни в пределах Солнечной системы будет отрицательным, настолько велика, что многие умы уже переключились на поиски этой жизни за ее пределами, избрав своей целью те многочисленные миры, что вращаются не рядом с нашим Солнцем, но вокруг других звезд.

До 1995 года гипотезы о планетах на орбитах других звезд выдвигались практически вне контекста каких-либо признанных фактов. За исключением ряда объектов размером примерно с Землю, вращающихся вокруг останков взорвавшихся звезд, которые почти наверняка образовались только после взрыва сверхновой и едва ли могут считаться планетами, астрофизикам ни разу не удалось наткнуться на экзопланету — мир, вращающийся вокруг какой-то другой звезды. В конце 1995 года было сделано заявление о первом открытии подобного рода, несколько месяцев спустя было обнаружено еще четыре экзопланеты. И тогда словно прорвало плотину — обнаружение новых миров было практически поставлено на поток. Сегодня нам известно о более чем сотне экзопланет, вращающихся вокруг других звезд. В ближайшие годы это число непременно будет только расти.

Изобретательность и упорство астрофизиков позволили им разработать как минимум восемь различных методов обнаружения экзопланет. С помощью двух из них была совершена большая часть открытий, еще два позволили нам узнать о более 150 новых планетах, а последние четыре — о более 100. Нам с вами достаточно будет познакомиться с первыми четырьмя из этих восьми методов, начав с тех, что дают меньший результат, а затем перейдя к триумфальной паре.

Самый простой метод поиска экзопланет заключается в непосредственном наблюдении с использованием мощной оптической системы. Однако, несмотря на всю очевидность, этот метод сопряжен с огромной проблемой, которая десятилетиями ставила в тупик астрофизиков: с астрономической точки зрения планеты располагаются в непосредственной близости от своих звезд и светят очень слабо, лишь отражая звездный свет. Далекий наблюдатель, рассматривающий нашу Солнечную систему в телескоп, наверняка различит Юпитер, но при этом должен будет смириться с тем фактом, что этого самого крупного обитателя Солнечной системы затмевает Солнце, которое светит ярче в миллиард раз. Наблюдения в инфракрасном диапазоне смогут немного помочь: разница в яркости уменьшится до миллиона, но по-прежнему будет представлять огромную проблему для выделения отдельных объектов, обладающих несопоставимо меньшей яркостью. О чем это нам говорит? О том, что около 150 экзопланет, которые удалось увидеть ученым в последнее время, обладают двумя общими характеристиками: они такие же крупные, как Юпитер, или даже крупнее него; большинство из них находятся от своих звезд дальше, чем Сатурн от Солнца — в три и даже в сто раз. Все изображения таких экзопланет, которые удалось получить с огромным трудом, обычно выглядят как туманные пятнышки, ничем не привлекающие к себе внимания. Всего известно о 5000 экзопланетах в 3600 планетных системах, но астрофизики никогда не видели ни одной, кроме тех, которые мы наблюдаем непосредственно в виде тех самых непримечательных пятен.

То, что вы могли бы счесть серьезным недостатком, на самом деле ярко иллюстрирует триумф науки, которая способна решать подобные проблемы. Например, с помощью следующего метода обнаружения планет, который носит название «гравитационное линзирование» и основан на идее Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что силы гравитации искривляют пространство и, следовательно, искривляют пути световых лучей, проходящих вблизи массивных объектов, таких как звезды. Если, двигаясь в пространстве, звезда окажется на пути света, идущего к нам от другой, более далекой звезды, то гравитация ближней звезды сфокусирует свет далекой звезды подобно своеобразной линзе и вызовет резкий всплеск наблюдаемой яркости далекой звезды. Если у более близкой звезды есть одна или несколько планет, то каждая из них будет вызывать одинаковое, хотя и более короткое и гораздо менее выраженное увеличение яркости. Величина вторичных всплесков яркости зависит от масс объектов, которые их вызывают, а точное время между первичным и вторичным всплесками зависит от расстояний между звездой и планетой. Обследуя большое количество звезд каждую ясную ночь, получая все более точные данные об их яркости, астрофизики с помощью телескопов в Австралии и Соединенных Штатах смогли обнаружить таким способом более 150 экзопланет, что близко к числу, обнаруженному методом прямого наблюдения. Гравитационное линзирование хорошо работает для планетарных систем, находящихся от нас намного дальше, чем те, которые можно найти альтернативными методами, но все открытия, сделанные с его помощью, являются одноразовыми, поскольку движущаяся звезда никогда не вернется в то же положение по отношению к ее более удаленным соседкам.

К наиболее эффективным методам обнаружения экзопланет относится непосредственное наблюдение за звездами, а не их планетами. Такой способ помогает выявить кратковременные небольшие уменьшения их яркости либо периодические, повторяющиеся изменения в движении в пространстве (метод эффекта Доплера). Тщательно анализируя эти изменения в яркости или движении звезды, астрофизики могут сделать вывод о существовании одной или нескольких планет, вращающихся вокруг нее, и определить довольно широкий диапазон характеристик планет.

«Транзит» — прекрасный и древний астрономический термин. Он обозначает прохождение одного объекта непосредственно перед другим (поэтому пуристы могут настаивать на том, что события гравитационного линзирования также следует классифицировать как транзиты). Например, транзит Венеры случается, когда Венера проходит между Землей и Солнцем (ближайшие подобные события ожидаются в 2117 и 2125 годах). Соответственно транзит экзопланеты имеет место тогда и только тогда, когда плоскость ее орбиты совпадает с нашим лучом зрения на звезду. В подобных случаях, насколько невероятными они бы ни были, метод дает прекрасные плоды, но, если совпадения нет, обнаружить планеты по их транзитам не получится.

Чтобы применить этот метод, астрофизики должны сначала найти изменения в яркости, сигнализирующие о транзите, затем понаблюдать за несколькими последовательными транзитами и убедиться, что временные интервалы между ними остаются постоянными, чтобы не спутать данные явления с аномалией самой звезды. Проверка на регулярность интервалов сразу же позволяет определить период обращения планеты, а степень падения яркости звездного света — ее размер. Юпитер, например, будет уменьшать яркость света Солнца на 1 % при его транзите каждые 12 лет, в то время как Земля будет уменьшать яркость на 0,01 % каждый год.

Постоянное колебательное движение нашей атмосферы, вызывающее мерцание звезд при визуальном наблюдении, исключает возможность использования наземных обсерваторий для проведения точных измерений, но космические спутники свободны от этой помехи и могут помочь обнаружить экзопланеты размером даже меньше Земли. Планеты с более короткими орбитальными периодами обнаруживаются быстрее, тогда как для обнаружения планет, делающих один оборот вокруг своей звезды за несколько привычных нам лет, естественно, требуются более длительные наблюдения.

Наблюдение за транзитами заняло первое место среди других методов. С его помощью было открыто 3500 экзопланет — в три с лишним раза больше, чем другими способами. Учитывая, какие впечатляющие результаты показал спутник «Кеплер» (запущенный NASA в 2009 году и выведенный из эксплуатации в 2018), на околоземную орбиту были отправлены ныне действующие охотники за транзитами от NASA и Европейского космического агентства — TESS[44] и CHEOPS[45] соответственно. Позже Европейское космическое агентство планирует запустить еще один спутник — PLATO[46], который поможет астрофизикам открывать все новые экзопланеты и определять их свойства по транзитам. Для этого уже действующие аппараты (а также те, которые закончили свою миссию) либо исследуют большое количество звезд, например, «Кеплер» исследовал 150 000 звезд, TESS — 200 000, либо детально изучают экзопланеты, обнаруженные другими методами, как это делает CHEOPS.

Ну и еще один весьма успешный метод, имеющий на своем счету около тысячи побед на поприще охоты за экзопланетами, базируется на эффекте Доплера, с которым мы познакомились в главе 5. Он позволяет по свету галактики, испускаемому миллиардами звезд, определить направление движения этой галактики — к нам или от нас. Применяя тот же метод для анализа звезд Млечного Пути, астрофизики могут измерить скорость приближения или удаления от нас отдельно взятой звезды, и не имеет значения, движемся мы, звезда или и то и другое вместе взятое. Для звезд, вращающихся вокруг центра Млечного Пути и не имеющих планет, эта скорость должна оставаться постоянной (в масштабах человеческой жизни, конечно же). Но если звезду сопровождает одна или несколько планет, их гравитационные силы, хотя и сравнительно слабые, по мере движения планет по своим орбитам будут немного тянуть звезду сначала в одном направлении, а затем в другом. Этот простой факт непреложного действия ньютоновских законов движения и гравитации уже помог получить обширные сведения о множестве экзопланет.

Астрофизики обнаружили, что если скорость удаления или приближения звезды немного превышает ее среднее значение, затем уменьшается ниже среднего, снова возрастает и эти изменения продолжают циклически повторяться, то совершенно справедливо следующее: изменения скорости обусловлены гравитационным влиянием планеты, движущейся по орбите вокруг звезды, притягивающей ее сначала немного к нам, а затем немного отталкивающей от нас. Если это так, то продолжительность цикла изменений будет равна периоду обращения планеты вокруг звезды. Дополнительную информацию астрофизики могут почерпнуть из сведений о звездах, вокруг которых вращаются эти планеты. Детально исследуя спектры звезд от самых тусклых и наименее массивных, обладающих лишь одной десятой массы Солнца, до самых ярких и самых массивных, которые во многие десятки раз больше Солнца, астрофизики могут определить количество излучаемой ими энергии. Узнав массу звезды, а также период обращения планеты, можно вычислить среднее расстояние между ними. В любом случае чем массивнее звезда, тем быстрее должны двигаться планеты, чтобы удержаться на орбите, и чем дальше от звезды находится планета, тем больший период обращения она будет иметь, как это происходит в Солнечной системе.

Еще больше информации астрофизики могут получить из графика изменений, вызванных эффектом Доплера. По этому графику они могут определить формы орбит вращения планеты и звезды вокруг общего центра масс. Формы орбит остаются идентичными, хотя их размеры обратно пропорциональны массам объектов. Круговые орбиты создают равномерное синусоидальное изменение, в то время как удлиненные орбиты смещают пики и впадины в ту или иную сторону, и эти смещения тем больше, чем более вытянуты орбиты.

Но еще более важная информация сосредоточена в данных, описывающих доплеровский танец звезды и ее планеты. Зная массу звезды, астрофизики могут сделать вывод о массе планеты, вращающейся на любом заданном расстоянии. Скорость удаления или приближения звезды меняется из-за силы гравитации планеты, действующей на звезду, а величина изменения зависит от массы планеты и ее расстояния до звезды. Когда расстояние известно, масса планеты определяется быстро, но с оговоркой. Астрофизики не могут знать наверняка, смотрят ли они на орбиту планеты с ребра или, что более вероятно, под некоторым углом, когда планета находится «выше» луча зрения на звезду на одной половине своей орбиты и «ниже» — на другой. В этом случае астрофизики фиксируют лишь часть полного влияния планеты на движение звезды. В результате массы планет, которые они выводят из максимальных изменений скорости звезды, оказываются меньше истинных, которые можно определить только том случае, если плоскость орбиты планеты строго параллельна нашему лучу зрения.

Разумно предположить, что величина угла наклона плоскости орбиты конкретной планеты к нашему лучу зрения имеет случайное распределение, а значит, средняя планетарная масса, полученная из наблюдений за скоростями звезд с использованием эффекта Доплера, равна лишь половине фактической средней массы. Обычно мы не знаем, орбиты каких планет наклонены больше или меньше. Но, на счастье, в меньшинстве случаев, когда планета действительно проходит транзитом через свою звезду, мы можем быть уверены, что наблюдаем полное влияние эффекта и вычисленная масса равна фактической. О таких экзопланетах, обнаруженных с применением методов наблюдения за транзитами и эффектом Доплера, астрофизики имеют наиболее полную информацию.

Зная количество энергии, излучаемое звездой, и расстояние от нее до планеты, астрофизики в дополнение к размеру, массе, форме орбиты и периоду обращения планеты могут рассчитать и температуру на ее поверхности. Также множество тщательных измерений помогло обнаружить звезды, вокруг которых вращается несколько планет. Каждая из них может иметь свой собственный транзит или вносить свои возмущения в эффект Доплера, характеризующий движение звезды. Применение статистических методов вычислений позволяет выстроить из хаоса сведений стройный порядок и раскрыть полный состав планетной системы. К настоящему времени астрофизики обнаружили более 800 систем, содержащих по две и более экзопланеты. В одной из них, подобно нашей Солнечной системе, имеется восемь планет, в другой — семь, а еще шесть имеют по шесть планет.

Когда мы пытаемся проанализировать данные о тысячах найденных экзопланет, чтобы продвинуться в поисках внеземной жизни, наши представления о диапазоне их масс, размеров, периодов орбит и температур на поверхности дают прекрасную основу для предположений. Конечно, мы не можем утверждать, что имеем представительную выборку данных о планетах в галактике Млечный Путь. Каждый из четырех основных методов неизбежно вносит свою систематическую ошибку. Метод прямого наблюдения позволяет обнаруживать крупные планеты, находящиеся на сравнительно больших расстояниях от звезд. Гравитационное линзирование успешнее обнаруживает планеты с большими массами, независимо от их удаленности от своих звезд. Метод транзитов хорош для обнаружения больших планет с короткими периодами обращения и совершенно не годится для планет с периодами обращения по десять и более лет, а метод поиска экзопланет путем наблюдения за эффектом Доплера в движениях звезд более эффективен, когда звезда имеет близкие к ней планеты с большой массой.

Полностью осознавая недостатки каждого из методов, астрофизики тем не менее пришли к важным обобщениям относительно экзопланет. Самое очевидное и значимое — их много. Вполне возможно, что звезд с планетами больше, чем тех, которые не имеют планет. Даже у самой близкой к Солнцу звезды, красного карлика по имени Проксима Центавра, который является частью звездной системы Альфа Центавра, хоть и находится в некотором отдалении от двух звезд-соседок, есть своя планета. Следующим наиболее примечательным и важным моментом является широкий диапазон размеров, масс и периодов обращения планет, а также расстояний между планетами и звездами. Существуют планеты с диаметром менее 1/3 земного (и, скорее всего, только наши ограниченные возможности не позволяют найти планеты еще меньших размеров) и в восемь раз больше Юпитера. Некоторые имеют массу менее 1/10 000 массы Земли, а массы других в десятки раз превышают массу Юпитера (которая равна 318 массам Земли). Некоторым экзопланетам требуется всего 40 минут, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды, а другим — сотни лет. В связи с этим некоторые из них имеют орбиты с диаметром всего в 1/350 от диаметра орбиты Земли, в то время как другие движутся по орбитам, сравнимым с орбитой Нептуна или даже больше.

К слову, самый распространенный тип экзопланет среди тех 4000, которые были обнаружены первыми (3/4 из них открыты с помощью метода транзитов), оказался совершенно непохожим на планеты Солнечной системы! Астрофизики называют планеты этого типа «суперземлями», тем самым подчеркивая, что они значительно больше Земли, но меньше Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Суперземлям, большинство из которых примерно в два раза больше нашей планеты, обычно требуется всего несколько месяцев, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды. Фактически примерно половина всех звезд имеет хотя бы одну планету с периодом обращения не более 100 дней (и Солнце не является исключением из этого правила, потому что Меркурию требуется 88 дней на каждый оборот). Существование суперземель, о которых мало кто подозревал до эпохи открытия экзопланет, служит отличным напоминанием, насколько сомнительными могут быть поспешные выводы, если делать их на основе ограниченного набора данных — в данном случае на примере восьми планет Солнечной системы. Более крупные суперземли могут оказаться газовыми планетами, и в таком случае Земля имеет все шансы быть признанной одной из крупнейших каменистых планет, когда-либо созданных в процессе планетообразования.

Еще одно обобщение касается природы звезд, вокруг которых вращаются экзопланеты, и заставляет нас иначе отнестись к возможности существования во Вселенной других обитаемых миров, кроме нашего. Размышляя о жизни в планетных системах, мы опираемся на представление о том, что многие из звезд в них относятся к тому же типу, что и Солнце. Но еще большее число звезд, о которых известно, что вокруг них вращаются планеты (возможно, потому, что их малая масса облегчает обнаружение их планет), являются красными карликами с малой светимостью. Они обычно излучают в десятки раз меньше энергии, чем Солнце, имеют около четверти его массы, трети его диаметра и температуру поверхности в два раза ниже. Красные карлики — самый распространенный тип звезд в нашей галактике, но из-за низкой светимости их трудно обнаруживать за пределами ближайшего окружения. Небольшое количество излучаемой энергии, даже с учетом их небольшой массы, дает им важное преимущество — красные карлики имеют самый большой срок жизни, измеряемый триллионами лет, в отличие от звезд типа Солнца, которые живут какой-то десяток миллиардов лет. Неудивительно, что планеты вокруг красных карликов вращаются на сравнительно небольших расстояниях. У многих из них период обращения измеряется часами, а диаметры орбит намного меньше диаметра орбиты Меркурия. Но самая важная особенность многих из этих планет, имеющая решающее значение для перспектив существования жизни, — температура на их поверхности сравнима с земной. Вращаясь вокруг тусклой красной звезды по орбите с очень малым диаметром, планета может получать столько же тепла, сколько получает планета, вращающаяся по орбите с бо́льшим диаметром вокруг гораздо более яркой звезды.

Нам, жителям XXI века, доступна роскошь знания основных фактов о планетах Млечного Пути. Мы знаем, каковы их размеры, массы, температуры на поверхности, а также формы, размеры и периоды их орбит, и можем быть уверенными в данных. Многие из этих планет можно назвать планетами земного типа, которые находятся на орбитах, близких к земным, и обращаются вокруг звезд, подобных Солнцу. Почти все они расположены в пределах нескольких сотен световых лет от Солнечной системы, на расстояниях менее одной сотой расстояния до основной массы звезд нашей галактики.

Что могут сказать нам эти знания? Возможно ли, чтобы на обнаруженных нами экзопланетах однажды появилась и эволюционировала жизнь? И, что не менее важно, можем ли мы делать выводы о вероятности более широкого ее (и даже развитых цивилизаций) распространения, например, в более обширных пределах Млечного Пути и за его пределами?

С другой стороны, открытие большого числа экзопланет позволило избавиться от мнения, бытовавшего всего одно поколение назад, — что если где-то еще в нашей галактике и зародилась жизнь, то таких мест не может быть много и они сильно удалены друг от друга. Как оказалось, Млечный Путь и, предположительно, другие галактики тоже изобилуют множеством разнообразных космических «лабораторий», и молодых, и очень старых, в которых могла зародиться и достичь небывалого расцвета жизнь. Но огромные расстояния даже до ближайших к нам космических соседей уничтожают всякую надежду посетить какие-либо из этих мест, поэтому мы вынуждены продолжать следовать проторенным астрофизиками путем и расширять свои знания, получая дополнительную информацию благодаря более точным наблюдениям.

Наиболее яркие признаки обитаемости других миров должны находиться в их атмосферах. В последующих главах мы обсудим, опираясь на наше нынешнее понимание процессов зарождения жизни, какими должны быть планеты, чтобы на них могли появиться живые организмы. Например, на них должна иметься жидкость, в которой могут плавать и взаимодействовать молекулы. А для существования жидкости на поверхности твердого объекта, в свою очередь, должна образоваться атмосфера, состав которой будет меняться с появлением форм жизни. На Земле, например, живые организмы обогатили атмосферу кислородом. Цивилизация тоже внесла свои изменения, и не самые лучшие, учитывая, насколько наша планета загрязнена, но мы героически боремся, чтобы это изменить, хоть пока и проигрываем в этой битве.

Как же отличить атмосферу с естественным содержимым от атмосферы с компонентами, созданными жизнью? Один из очевидных способов — сравнить измерения, полученные в разное время. Если обнаружатся две или более составляющие, которые не должны существовать одновременно, то мы можем сделать вывод, что что-то постоянно их привносит. Это «что-то» может быть живым. Если использовать в качестве примера нашу собственную планету, то наиболее вероятными компонентами атмосферы, которые могли бы подсказать инопланетному уму, что у нас есть жизнь, были бы молекулы кислорода и метана. Без постоянного пополнения запасов молекулы метана вскоре вступят в химическую реакцию с кислородом (которого примерно в сто тысяч раз больше) и исчезнут. Тот факт, что в нашей атмосфере сохраняется небольшое, но обнаружимое количество метана, свидетельствует о присутствии на поверхности Земли живых организмов, в первую очередь коров и других жвачных животных, которые постоянно выделяют этот газ. (Поскольку метан задерживает тепло гораздо эффективнее, чем углекислый газ, даже небольшое, но растущее его количество способствует глобальному потеплению, угрожающему нашей окружающей среде.)

Благодаря запуску космического телескопа Уэбба мы можем лучше изучить экзопланеты — например, его спектроскопические возможности способны раскрыть дополнительные подробности о составе их атмосфер. К сожалению, даже с его помощью невозможно обнаружить одновременное существование кислорода и метана. Конечно, другие формы жизни могут иметь совершенно другой метаболизм, настолько отличный от присущего жизни на Земле, что мы не сможем обнаружить их по этому признаку. Тем не менее астрофизики нацелены именно на поиски двух этих составляющих. На данный момент мечта остается несбыточной, требуя возможностей, превосходящих те, которые имеются у телескопа Уэбба, и ждет появления нового поколения космических аппаратов для более углубленного исследования атмосфер или получения детальных изображений экзопланет, которые могли бы напрямую доказать существование жизни. Если когда-либо астрофизики смогут достичь в этом успеха, их достижение будет названо великим, а их самих возведут в ранг героев.

Часть IV. Возникновение жизни

Глава 13. Жизнь во Вселенной

Наши исследования Вселенной привели нас, как и следовало ожидать, к самой заповедной и, пожалуй, самой великой тайне на свете — возникновению жизни и в особенности тех ее форм, с которыми нам когда-нибудь, возможно, доведется наладить общение. Веками человек задумывался о том, каким образом он мог бы отыскать в космосе других разумных существ и, если повезет, вступить с ними в диалог — хотя бы ненадолго, прежде чем кануть в историю. Возможно, ключевые подсказки, которые помогут нам разрешить эту загадку, кроются в космических следах наших собственных истоков, содержащих в себе некоторую информацию о происхождении планеты Земля как одной из планет Солнечной системы, о происхождении звезд, дающих для жизни энергию, и о происхождении и эволюции самой Вселенной как таковой.

Если бы мы могли досконально изучить эти следы до мельчайших подробностей, они показали бы нам, как пройти путь от глобального космического контекста к самому малому, от бескрайнего космоса до отдельных его участков, в которых расцветает и развивается жизнь в самых разных своих проявлениях. Если бы мы могли сравнить между собой разные формы жизни, сформировавшиеся в разных обстоятельствах, то смогли бы лучше понять правила, по которым зарождается жизнь, как в самом широком смысле, так и в конкретных космических ситуациях. Сегодня нам известна лишь одна форма жизни — земная, и все ее виды имеют общие истоки и задействуют молекулы ДНК в качестве фундаментального механизма воспроизводства. Это лишает нас огромного количества альтернативных примеров, отодвигая в неопределенное будущее возможность провести масштабные исследования форм жизни во Вселенной, ведь такого исследования не начать, пока мы не обнаружим жизнь где-либо за пределами своей планеты.

Конечно, все могло быть и хуже. Мы очень многое знаем об истории жизни на нашей планете и должны опираться на эти знания, чтобы вывести некие базовые принципы, касающиеся жизни во Вселенной в целом. Ровно в той степени, в которой на эти принципы можно положиться, они рассказывают нам, когда и где Вселенная обеспечивает или обеспечивала базовые условия для возникновения жизни. При всех своих попытках представить себе жизнь в других мирах мы должны удерживаться от соблазна попасть в ловушку так называемого антропоморфного образа мышления — нашей естественной склонности искренне считать, что внеземные формы жизни должны быть похожи на нашу. Это весьма характерное для человека отношение к данному вопросу, обусловленное нашим эволюционным и личным опытом здесь, на Земле, ограничивает наше воображение, когда мы пытаемся представить себе, какие формы может принимать внеземная жизнь в других мирах. Только биологи, хорошо знакомые с изумительным по структуре и внешним признакам разнообразием многочисленных форм земной жизни, могут с уверенностью строить теории о том, как могли бы выглядеть инопланетные существа. Их странность с точки зрения нашего восприятия почти наверняка окажется за пределами воображения обывателя.

Возможно, через год или век, а может, и еще намного позже мы либо обнаружим жизнь за пределами Земли, либо наберем достаточно данных для того, чтобы прийти к заключению (как склонны верить некоторые ученые) о том, что жизнь на нашей планете — это уникальное явление в галактике Млечный Путь. На данный момент скудность информации на эту тему позволяет нам рассматривать огромное количество возможностей. Так, мы можем найти жизнь на нескольких разных объектах Солнечной системы, что будет означать, что она, вполне вероятно, существует и в миллиардах подобных планетных систем нашей галактики. Или мы можем обнаружить, что в пределах нашей Солнечной системы жизнь есть лишь на Земле, что тем не менее оставит открытым вопрос о возможном существовании жизни вокруг других звезд. Или мы в итоге убедимся, что жизни в других планетных системах точно нет, как бы далеко в космос мы ни пытались заглянуть. В поисках жизни во Вселенной, как и в любой другой деятельности, оптимизм зиждется на положительных результатах, в то время как отрицательные заключения, как правило, порождают пессимизм. Наиболее свежая информация, позволяющая делать новые ставки на обнаружение жизни за пределами Земли — а именно обнаружение планет, вращающихся на орбитах вокруг соседних с Солнцем звезд, — склоняет нас к оптимистичному выводу, что жизнь в галактике Млечный Путь возможна не только на нашей планете. Тем не менее, прежде чем данное предположение можно будет понемногу возвести в статус положительного утверждения, нам предстоит еще многое сделать и изучить. А если окажется, что при всем своем изобилии почти все планеты непригодны для зарождения жизни, не стоит ударяться в пессимизм.

Ученые, изучающие возможности существования инопланетной жизни, часто прибегают к формуле, представленной в начале 1960-х годов и названной в честь ее автора — американского астрофизика Фрэнка Дрейка. При этом формула представляет собой скорее полезную концепцию, чем непреложную истину о том, как работает физическая Вселенная. Она систематизирует наши знания и наше незнание, представляя столь интересующее нас число — количество мест, где в данный момент в нашей галактике существует разумная жизнь, — в виде ряда параметров, каждый из которых описывает некое необходимое условие для ее формирования и развития. В число этих параметров входят:

• количество звезд в галактике Млечный Путь, которые живут достаточно долго для того, чтобы разумной жизни хватило времени сформироваться на планетах, вращающихся вокруг этих звезд;

• среднее число планет на орбитах этих звезд;

• доля среди них тех планет, на которых сформировались подходящие для жизни условия;

• вероятность, что жизнь сможет пойти на этих подходящих планетах полным ходом;

• вероятность, что жизнь на такой планете пройдет путь эволюции до разумной цивилизации. Под цивилизацией астрономы обычно подразумевают такие формы жизни, которые будут способны на контакт с нами.

Перемножив между собой все члены этого уравнения, мы получаем то число планет Млечного Пути, на которых когда-либо в принципе существовали или существуют разумные цивилизации. Чтобы получить нужное нам число с помощью формулы Дрейка, то есть количество разумных цивилизаций, существующих в любое заданное время (например, в данный момент), нужно умножить полученное в предыдущем предложении число на шестой и последний параметр, отражающий отношение средней продолжительности существования разумной цивилизации к суммарному возрасту Млечного Пути (равному примерно десяти миллиардам лет).

Для определения каждого из шести членов формулы Дрейка требуются знания в области астрономии, биологии или социологии. Сейчас у нас есть примерные значения первых двух членов этого уравнения, и на получение удовлетворительного значения третьего вряд ли уйдет так уж много времени. С другой стороны, четвертый и пятый члены формулы — вероятность зарождения жизни на подходящей для этого планете и вероятность того, что эта жизнь пройдет весь путь вплоть до становления разумной цивилизации, — требуют от нас обнаружения и изучения различных форм инопланетной жизни по всей галактике. Сегодня любой из нас — не только эксперты — может почти с равным успехом просто угадать или не угадать фактические значения этих параметров. Например, какова вероятность того, что на планете, предлагающей подходящие для жизни условия, эта самая жизнь действительно зародится? Научный подход к этому вопросу однозначен: взять несколько планет с подходящими для жизни условиями, понаблюдать за ними на протяжении нескольких миллиардов лет и проверить, на скольких из них жизнь в итоге зародится. Любая попытка определить среднюю продолжительность жизненного цикла одной цивилизации в галактике Млечный Путь требует нескольких миллиардов лет наблюдений — и это только после того, как мы найдем несколько таких цивилизаций, которые и составят нашу репрезентативную выборку.

Вам не кажется, что это безнадежно? Возможность решить-таки формулу Дрейка лежит в далеком необозримом будущем, если только нам не повстречается цивилизация, которая уже давно решила ее сама и, возможно, использует в качестве точки замера. Но эта формула дает нам полезные наработки о том, что потребуется для того, чтобы оценить, сколько же цивилизаций есть в нашей Галактике сейчас. Шесть членов формулы Дрейка похожи друг на друга в плане своих математических функций, которые они выполняют в получении ее решения: каждый из них оказывает на результат прямое множащее воздействие. Если, к примеру, вы считаете, что на одной из трех планет, пригодных для жизни, собственно формируется эта жизнь, но потом узнаете, что их всего одна из тридцати, получится, что ваш прогноз превысил количество таких цивилизаций в десять раз (это предполагая, что значения всех остальных параметров корректны).

Исходя из того, что нам уже известно сегодня, первые три члена формулы Дрейка указывают на то, что в Млечном Пути существуют миллиарды мест, где могла зародиться жизнь. Мы ограничиваемся пределами Млечного Пути из скромности, а также на основании соображений о том, что цивилизациям из соседних галактик будет в разы труднее выйти с нами на связь, как и нам с ними. Если хотите, можете развернуть дебаты о поиске смысла жизни и самой жизни со своими друзьями, родственниками и коллегами, в том числе о том, какие значения могут принимать оставшиеся три параметра. Выберите недостающие числа так, чтобы у каждого из вас появился свой собственный прогноз о количестве технологически подкованных цивилизаций нашей галактики. Если вы, например, верите, что жизнь зарождается на большинстве планет, предлагающих для этого подходящие условия, и что большинство таких зарождающихся цивилизаций становятся в итоге разумными, вы можете прийти к выводу о том, что в какой-то момент времени на миллиардах планет галактики Млечный Путь существовала, существует и будет существовать разумная цивилизация. Если, напротив, вы посчитаете, что лишь на одной из тысячи планет создаются пригодные для жизни условия и что только на одной из тысячи таких пригодных планет может возникнуть разумная жизнь, у вас останутся тысячи, но никак не миллиарды планет с разумными цивилизациями. Означает ли этот широчайший диапазон возможных ответов, что формула Дрейка — дикая и необузданная блажь, а не результат научных изысканий? Никак нет. Такой результат — всего лишь доказательство того титанического труда, который еще предстоит выполнить ученым ради того, чтобы достоверно ответить на столь сложный вопрос, основываясь на столь ограниченных познаниях.

Трудности, с которыми мы сталкиваемся при попытке наделить примерными значениями три последние члена формулы Дрейка, подчеркивают ту опасность, что поджидает нас каждый раз, когда мы позволяем себе делать грубые обобщения на основании одного-единственного примера — или не имея примера как такового вообще. Например, нам очень нужно оценить среднюю продолжительность жизни цивилизации в галактике Млечный Путь; но как это сделать, если мы не имеем ни малейшего понятия о том, как долго просуществует наша собственная цивилизация? Следует ли нам утратить всякую веру в свои догадки относительно значений этих чисел? Но это бы только акцентировало наше невежество, заодно лишая нас удовольствия воображать и обсуждать. Когда и если, в отсутствие конкретных данных или догмы, нам захочется порассуждать консервативно, наиболее безопасным будет предположение, что мы не являемся чем-то из ряда вон выходящим (хотя и это может в итоге оказаться в корне неверным). Астрофизики называют это предположение принципом Коперника, который еще в середине XVI века постановил Солнцу быть центром целой звездной системы, чем оно, как оказалось позднее, и является. До этого, несмотря на выраженную древнегреческим философом Аристархом мысль о гелиоцентрической Вселенной еще в III веке до н. э., идея космоса, центром которого является Земля, преобладала в умах и сердцах на протяжении последних двух тысячелетий. Зашифрованная в учениях Аристотеля и Птолемея, а также в проповедях Римско-католической церкви, эта догма заставила большинство европейцев верить в то, что центром всего мироздания является Земля. Должно быть, это выглядело более чем логично при взгляде на небо над головой — словно некий божественный умысел для нашей планеты. Даже сегодня огромный процент населения Земли — и вполне возможно, что подавляющее большинство, — продолжает считать так из-за того, что Земля кажется неподвижной, в то время как вокруг нас вращаются все небеса, вместе взятые.

Хотя у нас нет никаких гарантий того, что принцип Коперника задает верное направление нашим научным исследованиям, он все же играет роль полезного противовеса нашей естественной склонности к тому, чтобы считать себя особенными. Еще более важная его черта заключается в том, что у этого принципа на сегодня исключительно блестящие исторические показатели, которые оставляют нас в скромном восхищении раз за разом: Земля — это не центр Солнечной системы, Солнечная система — не центр галактики Млечный Путь, а галактика Млечный Путь — отнюдь не центр Вселенной. А если кто-то думает, что быть с краю — тоже особенная позиция, так мы и не на самом краю находимся. Соответственно взвешенный и современный выбор — это придерживаться уверенности в том, что жизнь на Земле следует принципу Николая Коперника. Раз так, то что же может подсказать нам жизнь на Земле — ее происхождение, компоненты и структура — о жизни в других уголках Вселенной?

Стремясь ответить на этот вопрос, мы должны пропустить через себя огромный и невероятно разнообразный объем биологической информации. Для каждой космической точки замера, полученной путем продолжительных наблюдений за объектами, расположенными на огромном расстоянии от нас, у нас есть тысячи фактов биологического характера. Разнообразие известных нам форм жизни поражает — и в особенности биологов — каждый день. На одной-единственной планете Земля одновременно существуют (помимо бессчетного количества других форм жизни) ряска, жуки, губки, медузы, змеи, кондоры и гигантские секвойи. Представьте себе эти семь живых организмов, выстроенные друг рядом с другом в порядке возрастания размера. Если бы вы не знали об этом заранее, вам было бы трудно поверить в то, что все они родом из одной и той же Вселенной, не говоря уж об одной и той же планете. Попробуйте описать змею кому-нибудь, кто никогда ее не видел: «Нет, ты должен мне поверить! Я только что видел это животное с планеты Земля, которое:

• отслеживает свою добычу с помощью инфракрасных биолокаторов;

• способно проглотить целиком другое животное, которое в пять раз превышает размер его собственной головы;

• не имеет ни рук, ни ног, ни каких-либо еще конечностей;

• и в то же время способно скользить по земле практически так же быстро, как ты идешь!»

В сравнении с удивительным разнообразием жизни на Земле ограниченные видение и изобретательность голливудских сценаристов, пытающихся придумать альтернативные формы жизни, просто постыдны. Конечно, писатели и сценаристы, возможно, просто идут на поводу у широкой публики, которая предпочитает привычные ей ужасы и пришельцев по-настоящему неведомым формам жизни. Но за исключением нескольких выдающихся примеров вроде тех, что предлагали нам фильм «Капля» 1958 года или Стэнли Кубрик в своей картине «2001 год: Космическая одиссея», голливудские инопланетяне выглядят все как один на удивление человекоподобными. Какими бы страшными или милыми они ни были, почти у всех из них по два глаза, один нос, рот и два уха, голова, шея, плечи, руки и ладони, пальцы, туловище, две ноги и две ступни — и они умеют ходить. С анатомической точки зрения эти создания практически неотличимы от людей, а ведь предполагается, что они родом с других планет — плоды совершенно независимых от Земли эволюционных процессов. Более вопиющее нарушение принципа Коперника трудно себе вообразить.

Астробиология, изучающая возможности возникновения внеземной жизни, числится среди наиболее отвлеченных научных дисциплин современности, однако астробиологи могут с уверенностью утверждать, что жизнь в любой другой части Вселенной, разумная или не очень, будет наверняка выглядеть по меньшей мере столь же экзотично, как и некоторые из биологических видов планеты Земля, более того, она наверняка будет экзотичнее в разы. Когда мы прикидываем вероятность существования жизни где-либо еще в необъятном пространстве нашей Вселенной, мы должны приложить усилия для того, чтобы выбросить из головы навязанные Голливудом образы и стереотипы. Да, это будет непросто, но по-другому никак нельзя, если мы хотим оценить с научной, а не эмоциональной точки зрения свои шансы на обнаружение других существ, с которыми, возможно, мы когда-нибудь сможем сесть и спокойно поговорить.

Глава 14. Возникновение жизни на Земле

Поиск жизни во Вселенной начинается с глубоко философского вопроса: что такое жизнь? Астробиологи честно скажут вам, что на этот вопрос нет простого и общепринятого ответа. Говорить, что жизнь можно сразу узнать, как только увидишь ее воочию, тоже довольно бессмысленно. Какие бы характерные свойства мы ни приписывали одушевленным организмам Земли в отличие от неодушевленных, мы всегда умудряемся найти пример того, как эта грань между ними теряет однозначность или вообще стирается. Некоторые или все живые существа растут, движутся или разлагаются, но это может происходить и с предметами, которые мы бы никогда не назвали живыми. Жизнь — она воспроизводится? Но это делает и огонь. Жизнь — она эволюционирует, чтобы создавать новые формы самой себя? Но так делают и определенные кристаллы, помещенные в водный раствор. Мы можем утверждать, что некоторые формы жизни можно опознать при первом же взгляде на них — вы же не будете сомневаться, увидев орла или лосося, что они живые? Но любой, кто более или менее знаком с потрясающим разнообразием жизни на планете Земля, признает: многие живые создания могут оставаться неузнанными на протяжении очень долгого времени, пока сочетание удачи и опыта специалиста не помогут обнаружить в них жизнь.

Так как жизнь коротка, нам приходится двигаться вперед, вооружившись сработанным на скорую руку и в целом подходящим для наших нужд описанием жизни. Вот таким: жизнь состоит из наборов объектов, которые могут одновременно воспроизводиться и эволюционировать. Мы не можем называть группу объектов живыми только потому, что они умеют количественно размножаться. Чтобы считаться формой жизни, они также должны преобразовываться в новые формы с течением времени. Такое определение сводит на нет возможность того, что живым может называться какой-либо единичный объект. Вместо этого мы должны изучать диапазон объектов в пространстве, отслеживая их существование во времени. Подобное определение жизни может в будущем оказаться слишком ограничивающим, но пока мы с вами будем пользоваться именно им.

Изучая одну форму жизни на нашей планете за другой, биологи обнаружили некое общее характерное для земной жизни свойство. Вещество, из которого сделано каждое живое существо на Земле, состоит в основном всего лишь из четырех химических элементов: водорода, кислорода, углерода и азота. Все другие элементы, вместе взятые, составляют менее 1 % массы любого живого организма. Помимо этой великолепной четверки, в больших и малых созданиях нашей планеты можно найти немного фосфора, который считается среди прочих элементов самым важным и без которого некоторые формы жизни невозможны в принципе, а также серу, натрий, магний, хлор, калий, кальций и железо.

Но можем ли мы на основе данной особенности земной жизни сделать вывод, что она характерна и для внеземных форм жизни в других регионах космоса? Тут нам, бесспорно, пригодится принцип Коперника во всей своей полноте. Четыре химических элемента, составляющие основу жизни на Земле, входят в список из шести самых распространенных элементов Вселенной как таковой. Так как два других элемента из этого списка — гелий и неон — практически никогда не соединяются с другими элементами, получается, что жизнь на Земле состоит из самых распространенных и химически активных ингредиентов всего космоса вообще. Среди всех возможных предположений о том, из чего образуются живые структуры в других мирах, идея, что их жизнь должна состоять из более или менее тех же элементов, что и земная, кажется самой очевидной. Если бы жизнь на нашей планете состояла преимущественно из четырех самых редких элементов Вселенной — ниобия, висмута, галлия и плутония, — то у нас были бы все основания подозревать, что мы представляем собой нечто особенное в этой Вселенной. Но вместо этого химический состав жизни на Земле оптимистично подсказывает нам, что вероятность существования жизни за пределами нашей планеты как минимум нельзя сбрасывать со счетов.

Состав жизни на Земле соответствует принципу Коперника в еще большей степени, чем можно было бы предположить. Если бы мы жили на планете, сделанной преимущественно из водорода, кислорода, углерода и азота, тогда сам факт, что живущие на ней организмы тоже состоят из этих же четырех элементов, вряд ли бы нас сильно удивил. Но Земля состоит в основном из кислорода, железа, кремния и магния, а ее ближайшие к поверхности слои — из кислорода, кремния, алюминия и железа. Только один из этих химических элементов, кислород, входит в список самых распространенных во Вселенной. Когда мы заглядываем в земные океаны, почти целиком сделанные из водорода и кислорода, нам кажется удивительным, что в список самых распространенных в мире элементов также входят углерод и азот, а не хлор, натрий, сера, кальций или калий, которые являются самыми распространенными элементами из растворенных в океанической воде. Распределение элементов в живых организмах на Земле напоминает состав звезд — и гораздо больше, чем оно напоминает состав самой Земли. В результате получается, что образующие жизнь элементы гораздо более распространены во Вселенной, чем элементы, входящие в состав планеты Земля. А это уже неплохая точка отсчета для тех, кто надеется найти жизнь в самых разных совокупностях условий, возможно, не похожих одна на другую.

Установив, что сырья для создания жизни во всей Вселенной более чем предостаточно, мы можем задаться вопросом, как часто наличие этого сырья, удобного места в космосе, где это сырье могло бы скопиться в достаточном количестве, и удобного источника энергии в виде расположенной поблизости звезды приводит к зарождению и существованию жизни? Когда-нибудь, когда под рукой у нас будет список пригодных для существования жизни экзопланет в окрестностях Солнца, мы сможем ответить на этот вопрос статистически точно. Но пока этих данных у нас нет, придется снова пойти в обход и спросить себя: откуда взялась жизнь на планете Земля?

Возникновение жизни на Земле покрыто пеленой неопределенности. Наше невежество в данном вопросе является результатом не в последнюю очередь того, что те таинственные события или явления, которые вдохнули жизнь в ранее неодушевленное вещество миллиарды лет назад, не оставили за собой никаких определенных следов. Для прошлого, насчитывающего более четырех миллиардов лет, палеонтологического и геологического наследия просто не существует. При этом большинство палеобиологов — ученых, занимающихся воссозданием жизни, существовавшей в давно ушедшие эпохи, — считает, что первые формы жизни появились на нашей планете именно в эту эпоху в истории Солнечной системы, то есть от 4,6 до 4 миллиардов лет назад — в первые 600 миллионов лет после образования Солнца и его планет.

Отсутствие любых геологических вещественных доказательств, датируемых более чем четырьмя миллиардами лет назад, связано с движениями земной коры, которые называются континентальным дрейфом или, как принято в научных кругах, тектоникой плит. Эти движения, вызванные теплом, поднимающимся из недр Земли, постоянно заставляют сегменты коры нашей планеты — плиты — скользить, сталкиваться и наезжать друг на друга. Тектонические движения плит медленно и неумолимо погребли под собой все, что когда-то лежало на самой поверхности Земли. В результате нам осталось совсем немного скальных пород и камней возрастом более двух миллиардов лет. И ни одного, которому было бы в принципе больше 3,8 миллиарда лет. Этот факт в сочетании с разумным заключением o том, что самые первые примитивные формы жизни имели весьма мало шансов оставить за собой палеонтологические следы, по сути, лишил нашу планету надежного источника информации о том, какой была жизнь на Земле в первые один или два миллиарда лет ее истории. Самым древним подтвержденным источникам информации о земной жизни, что у нас есть, «всего» 2,7 миллиарда лет, а несколько косвенных улик позволяют предположить, что за миллиард лет до этого жизнь уже существовала на планете.

Большинство палеобиологов считает, что жизнь возникла на Земле не менее трех миллиардов лет назад, но вполне возможно, что и более четырех миллиардов — в первые 600 миллионов лет после образования нашей планеты. Их заключение основано на определенном справедливом предположении о примитивных организмах. Во времена чуть менее трех миллиардов лет назад в атмосфере Земли начало основательно повышаться содержание кислорода. Мы знаем это из геологического профиля планеты, который не зависит от наличия каких-либо древних окаменелостей или других палеонтологических свидетельств: кислород вызывает медленное ржавление — коррозию — насыщенных железом скал, что придает им чудесный красный оттенок вроде того, которым славятся знаменитые скалы Большого каньона в Аризоне. Каменистые породы «предкислородной» эпохи не имеют такого цвета и не выказывают каких-либо признаков наличия этого элемента.

Появление атмосферного кислорода сыграло роль величайшего «загрязнения» атмосферы в истории Земли. Атмосферный кислород способен не только на химическую реакцию с железом, он также отбирает питание из (метафорических) ртов примитивных организмов, соединяясь со всеми простыми молекулами, которые в исходном своем виде могли бы стать питательными элементами для ранних форм жизни. Таким образом, появление кислорода в атмосфере Земли стало поводом для уже существовавших на планете форм жизни пересмотреть свою философию и либо адаптироваться, либо умереть. Это также означает, что, если бы на тот момент жизни еще не было, она уже никогда не возникла бы, ведь гипотетическим новообразовавшимся организмам было бы нечего есть: их еда уже окислилась бы и заржавела. Эволюционная адаптация к этому загрязнению неплохо сработала во многих случаях, и дышащие кислородом животные отличное тому подтверждение. Идея полностью спрятаться от кислорода тоже оказалась удачной: и по сей день в желудке каждого животного, включая человека, живут миллиарды организмов, которые успешно плодятся в этой гипоксической (бескислородной) среде, но гибнут, стоит им оказаться на воздухе.

Что насытило атмосферу Земли кислородом? Бо́льшая его часть была произведена наполнявшими моря крошечными организмами: они выделяли кислород в процессе фотосинтеза. Какое-то количество кислорода появилось бы на Земле и в условиях полного отсутствия жизни: ультрафиолет из солнечного света разбивал некоторое количество молекул H_2O на поверхностях океанов, высвобождая атомы водорода и кислорода и насыщая ими воздух. Каждый раз, когда значительный объем жидких вод планеты подвергается воздействию звездного цвета, атмосфера этой планеты, как и в случае с земной, начинает обогащаться кислородом, на что уходит сотни миллионов или даже миллиарды лет. Но там наличие атмосферного кислорода не дает возникнуть жизни, так как его атомы соединяются с атомами всех остальных потенциально питательных веществ, которыми могли бы угощаться формы жизни. То есть кислород убивает, а ведь мы привыкли думать об этом химическом элементе периодической таблицы совсем по-другому! Однако для космоса в целом справедливо следующее заключение: жизнь должна начаться на ранних этапах истории планеты, иначе в ее атмосфере рано или поздно появится кислород и сделает это невозможным.

Отсутствующая в геологическом профиле планеты эпоха соответствует времени так называемой бомбардировки, которая продолжалась в ключевые первые несколько сотен миллионов лет после образования Земли. Вся поверхность нашей планеты тогда подвергалась непрекращающимся ударам космических объектов. В те несколько сотен тысяч тысячелетий падающие на Землю объекты размером с тот метеорит, что оставил за собой знаменитый Аризонский кратер, ударялись об нее несколько раз в столетие, а еще более крупные объекты — до нескольких миль в диаметре — сталкивались с нашей планетой раз в несколько тысяч лет. Каждое из таких основательных столкновений приводило к локальным изменениям ландшафта, и сотни тысяч подобных инцидентов сыграли глобальную роль в формировании топографии нашей планеты.

Как все это повлияло на зарождение жизни? Биологи утверждают, что подобная агрессия со стороны космоса могла быть причиной как зарождения жизни, так и ее конца, причем неоднократно. Большинство падающего на Землю космического материала во времена бомбардировки состояло из комет, которые, по сути, представляют собой большие снежки с некоторым количеством камня и грязи. Их кометный «снег» состоит из замерзшей воды и замерзшего же углекислого газа, который многие из нас привыкли называть «сухим льдом». Вдобавок к снегу, песку и камням с высоким содержанием минералов и металлов в кометах, которые бомбардировали Землю в первые несколько сотен миллионов лет ее истории, содержалось множество разнообразных малых молекул, таких как метан, аммиак, метиловый спирт, цианистый водород и формальдегид. Эти молекулы наряду с водой, моноокисью углерода (угарный газ) и углекислым газом и стали основным сырьем для создания жизни. Все они состоят из водорода, углерода, азота и кислорода, и все они представляют собой первые шаги в формировании более сложных молекул.

По всей видимости, центральную роль в зарождении жизни на Земле сыграли две простые молекулы: цианистый водород (HCN) и сероводород (H_2S), состоящие из водорода и всего трех других химических элементов — углерода, азота и серы. В своих экспериментах, проведенных в последние десять лет, химики Кембриджского университета показали, что воздействие ультрафиолетового излучения на ванну с этими молекулами может привести к образованию некоторых молекул, образующих гораздо более сложные нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), а также часть материала, из которого состоят аминокислоты и основа белковых молекул. Поскольку многие кометы богаты цианистым водородом, а сероводород, по-видимому, был в изобилии на ранней Земле, мы, возможно, еще сможем показать, что практически все, что нужно для зарождения жизни, могло быть найдено в этих двух типах молекул. Причем химические реакции между ними были обусловлены ультрафиолетовым излучением от Солнца еще до того, как наша атмосфера блокировала большую часть этого излучения.

Получается, что кометная бомбардировка обеспечила Землю некоторым запасом воды для ее морей и океанов и тем сырьем, из которого затем могла возникнуть жизнь. Да и сама жизнь могла прибыть к нам на Землю на «борту» этих комет, хотя их низкая температура (как правило, составляющая несколько сотен градусов ниже нуля по шкале Фаренгейта) противоречит логике образования действительно сложных молекул. Но независимо от того, прибыла ли жизнь на Землю с кометами или нет, сами кометы вполне могли не раз оказаться причиной ее уничтожения. Жизнь, по меньшей мере в своих самых примитивных формах, могла начинаться «урывками» — снова и снова, раз за разом, и каждый новый комплект организмов мог выживать на протяжении нескольких сотен тысяч или даже миллионов лет, пока столкновение планеты с особенно крупным космическим объектом не опустошало ее, уничтожая все живое, которому через какое-то время предстояло появиться вновь, чтобы вновь быть уничтоженным…

На основании двух установленных фактов у нас есть возможность с довольно высокой долей уверенности утверждать, что такое возникновение жизни «урывками» действительно имело место быть. Во-первых, жизнь на нашей планете появилась скорее рано, чем поздно, — в первую треть имеющейся на сегодня истории Земли. Если жизнь смогла появиться — и появилась — за один миллиард лет, то есть некоторая вероятность того, что она могла сделать это и за более короткий срок. Вполне возможно, что на возникновение жизни нужно не более нескольких миллионов или, может, десятков миллионов лет. Во-вторых, мы знаем, что столкновения между крупными объектами и Землей раз в несколько десятков миллионов лет действительно уничтожали большинство видов живых существ, обитавших на нашей планете. Самый известный подобный случай — это исчезновение жизни в мелово-третичный период, то есть 66 миллионов лет назад. Тогда погибли все нелетающие динозавры и огромное количество других видов. Правда, даже это массовое вымирание не дотягивает до самого масштабного из известных в истории: в пермско-триасовый период (252 миллиона лет назад) исчезло почти 90 % всех форм морской жизни и 70 % всех наземных позвоночных; в качестве преобладающей формы жизни на Земле тогда остались грибы.

И мелово-третичное, и пермско-триасовое вымирание видов произошли в результате столкновений с Землей объектов шириной до двух десятков миль. Геологи обнаружили громадный кратер возрастом 66 миллионов лет, чье образование совпадает с мелово-третичным вымиранием видов. Этот кратер тянется через северную часть полуострова Юкатан и уходит в морское дно. Крупный кратер того же возраста, что и пермско-триасовый кризис, тоже существует: он был найден у северо-западного побережья Австралии. Но столь массовое вымирание могло стать результатом не только столкновений как таковых, но и еще каких-то факторов, например постоянных извержений вулканов. Даже один-единственный пример исчезновения динозавров в меловотретичную эпоху напоминает нам о том, какой огромный ущерб может нанести жизни на Земле комета или астероид. В эпоху бомбардировки Земля должна была регулярно содрогаться не только от подобных событий, но и от столкновений с гораздо более серьезными объектами диаметром 50, 100 или даже 250 миль[47] каждый. Каждая подобная встреча, должно быть, уничтожала земную жизнь если и не подчистую, то оставляя в живых лишь крошечный процент обитателей — и эти встречи должны были приключаться гораздо чаще, чем в нынешнее время происходят столкновения с десятимильными объектами. Наши текущие знания в области астрономии, биологии, химии и геологии указывают на то, что на ранних стадиях своего существования Земля была способна создавать жизнь, а ее космическое окружение было способно эту жизнь уничтожать. И если где-то относительно недавно сформировалась какая-нибудь звезда, а вокруг нее — несколько планет, то вполне возможно, что они сейчас подвергаются со стороны останков этого формирования интенсивной бомбардировке, которая уничтожает все формы жизни на этой далекой планете.

Более четырех миллиардов лет назад большая часть строительного материала, оставшегося от образования Солнечной системы, либо столкнулась с планетами (и осталась на них), либо переместилась на орбиты, на которых столкновения не происходят. В результате наша космическая община понемногу сменила политику бесперебойной бомбардировки на политику всеобщего мира и спокойствия, которыми мы и имеем удовольствие наслаждаться сегодня. Лишь раз в несколько десятков или сотен миллионов лет столкновения с объектами, достаточно крупными для того, чтобы представлять собой угрозу жизни на Земле, все еще происходят. Оценить древнюю и неисчезающую угрозу, исходящую от космических агрессоров, можно, взглянув на полную Луну. Огромные равнины из лавы, которые составляют «лицо» Луны, являются результатами громадных внешних воздействий, произошедших около четырех миллиардов лет назад: тогда как раз завершилась эпоха бомбардирования. В то же время кратер Тихо шириной 55 миль появился вследствие менее значительного по силе, но все еще очень значительного по сути своей события, произошедшего вскоре после того, как с лица земли пропали динозавры.

Мы не знаем, существовала ли жизнь четыре миллиарда лет назад, стойко преодолевая бомбардировку, или же зародилась только по окончании тех смутных времен, когда наступило относительное затишье. Но и в том и в другом случае резонно будет признать, что падающие на Землю объекты могли принести с собой семена жизни. Если жизнь возникала и исчезала раз за разом, пока с небес сыпался смертельный дождь из булыжников, то процессы ее становления должны быть весьма жизнестойкими, и мы можем обоснованно предполагать, что те же процессы могут протекать вновь и вновь и в других мирах, подобных нашему. Если же жизнь на Земле возникла лишь однажды — сама по себе или в результате космического оплодотворения, — то само это возникновение вполне можно рассматривать как невероятно удачное стечение обстоятельств.

Так или иначе, ключевой вопрос о том, как возникла жизнь на Земле и сколько раз это произошло, остается без уверенного ответа, хотя разговоры и размышления об этом уже давно обрели свою собственную долгую и местами удивительную историю. Великая награда ждет того, кто сможет разрешить эту загадку. От Адамова ребра до монстра доктора Франкенштейна человек всегда отвечал на этот вопрос, ссылаясь на таинственную élan vital — силу жизни, которая превращает неодушевленное вещество в живой организм.

Ученые стремятся копать как можно глубже, проводя лабораторные эксперименты и изучая имеющийся у них палеонтологический профиль, представленный различными окаменелостями, чтобы как можно точнее определить ту границу, что разделяет одушевленное и неодушевленное, и понять, как смогла природа ее преодолеть. А это не узкая канава, а громадная пропасть. Ранние научные рассуждения о возникновении жизни ссылались на взаимодействие простых молекул, сконцентрированных в водоемах или приливных бассейнах, вследствие чего постепенно образовывались все более сложные молекулы. В 1871 году, через 12 лет после издания замечательной книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов», в которой он рассматривал вероятность того, что «все органические существа, когда-либо жившие на Земле, могли произойти от одной первобытной формы»[48], Дарвин написал своему приятелю Джозефу Хукеру следующее:

«…Часто говорят, что все условия для первого появления живого организма существуют сейчас и что они могли существовать всегда. Но если бы сейчас (и ах — какое большое “если бы”!) в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном для воздействия света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то в наши дни такое вещество было бы незамедлительно поглощено, а ведь такое не могло случиться тогда, иначе жизнь так никогда и не сформировалась бы».

Другими словами, в те времена, когда Земля созрела для создания жизни, базовые соединения, необходимые для обмена веществ, могли существовать в избытке, и при этом не было никого, кто мог бы съесть их. (И, как мы уже отмечали, кислорода, который мог бы соединиться с ними и испортить их потенциальные питательные свойства, тоже еще не было.)

С научной точки зрения ничто не может быть успешнее экспериментов, которые можно сравнить с реальностью. В 1953 году, стремясь проверить идею Дарвина о зарождении жизни в водоемах и приливных бассейнах, аспирант Чикагского университета Стэнли Миллер и его руководитель, нобелевский лауреат Гарольд Юри, провели известный эксперимент, в рамках которого в сильно упрощенном и гипотетическом водоеме воссоздали условия ранней Земли. Миллер и Юри частично заполнили лабораторную колбу водой и добавили туда газовую смесь из водного пара, водорода, аммиака и метана. Они нагрели флягу снизу, выпарив некоторое количество ее содержимого, и отправили его по стеклянной трубке в другую колбу, где электрический разряд имитировал молнию. После этого смесь возвращалась в первую колбу, завершая этим цикл событий, которые затем повторялись в течение нескольких дней (нет, не нескольких тысяч лет, конечно). По прошествии этого скромного промежутка времени Миллер и Юри обнаружили, что вода в нижней части колбы содержит в себе вязкий «органический продукт» — химическое соединение из множества сложных молекул, включая различные виды сахара и две простейшие аминокислоты: аланин и гуанин.

Молекулы белка состоят из 22 аминокислот, соединенных друг с другом в форме различных структур, а эксперимент Миллера — Юри за удивительно короткий промежуток времени провел нас от ряда простейших молекул до формирования первых аминокислот, молекулы которых являются строительными кирпичиками живых организмов. В результате эксперимента Миллера — Юри были также получены в меру сложные молекулы, которые называются нуклеотидами: они являются ключевым структурным элементом ДНК — той огромной белковой молекулы, которая несет в себе указания по формированию новых копий живого организма. И все же до возникновения жизни в искусственно созданных в лаборатории условиях нам еще очень и очень далеко. Огромная и очень важная пропасть, которую пока не смогли преодолеть ни один человеческий эксперимент или человеческое изобретение, разделяет образование аминокислот — пусть даже их было бы все 20, чего добиться нам, кстати, не удается, — и возникновение жизни. Молекулы аминокислот были также обнаружены в самых древних и наименее подвергнувшихся изменениям метеоритах, которые предположительно оставались в практически первозданной форме на протяжении всех 4,6 миллиарда лет истории Солнечной системы. Это поддерживает общее заключение о том, что аминокислоты могут образовываться в результате естественных процессов в самых разных условиях. По сути, результаты эксперимента не являются шокирующими и даже в целом удивительными: более простые молекулы, которые входят в состав живых организмов, образуются в ряде ситуаций довольно быстро, но о жизни как таковой этого сказать нельзя. Ключевой вопрос все еще оставлен без ответа: как группа молекул, пусть даже идеально подготовленная для зарождения жизни, провоцирует в итоге возникновение этой самой жизни?

Поскольку у Земли в ее детстве было не просто много недель, но много миллионов лет на создание жизни, эксперимент Миллера — Юри в целом подтвердил модель возникновения жизни в водоемах. Сегодня же большинство ученых, озабоченных обретением знаний о том, как зародилась жизнь, считают данный эксперимент слишком ограниченным, чтобы опираться на его результаты. Такое изменение отношения к эксперименту вызвано не сомнительностью его результатов, а скорее осознанием потенциальных изъянов в гипотезе, на которую он ссылается. Чтобы понять, в чем заключается этот изъян, нам следует обратиться к современной биологии, которая сможет рассказать нам кое-что о древнейших формах земной жизни.

Сегодня эволюционная биология опирается на тщательное изучение сходств и различий между живыми существами с точки зрения их молекул ДНК и РНК, в которых содержится информация о том, как этому организму функционировать и размножаться. Внимательное сравнение этих относительно огромных и сложных молекул позволило биологам, среди которых великим первопроходцем был Карл Везе, создать эволюционное древо жизни, которое демонстрирует так называемые эволюционные расстояния между различными формами жизни, определенные на основании того, насколько различаются молекулы ДНК и РНК этих форм жизни.

Это древо жизни насчитывает три ветви-домена: археи, бактерии и эукариоты — они заменили собой биологические царства, которые ранее считались фундаментальными в классификации жизни на Земле. В класс эукариотов входят все организмы, индивидуальные клетки которых отличаются четко определенным центром, или ядром, внутри которого содержится генетический материал, управляющий размножением этих клеток. Это свойство делает эукариоты сложнее двух других классов. Действительно, все формы жизни, знакомые обывателю, относятся к этой ветви древа. Мы можем с уверенностью утверждать, что эукариоты появились позднее, чем археи или бактерии. Так как бактерии расположены дальше от истоков древа жизни (то есть от его корней), чем археи (по той простой причине, что их ДНК и РНК претерпели более явные изменения), археи, как и подразумевает их название, почти наверняка представляют собой наиболее древнюю — архаичную — форму жизни. Вот теперь и сюрприз: в отличие от бактерий и эукариотов, класс архей состоит преимущественно из экстремофилов — организмов, которые любят жить и живут в любви в том, что мы называем экстремальными условиями: температура не ниже точки кипения воды, высокая кислотность и прочие обстоятельства, в которых другие формы жизни погибают. Безусловно, если бы у экстремофилов были свои собственные биологи, они бы считали себя нормальными, а всех тех, кто предпочитает жить при комнатной температуре, — экстремофилами. Современные исследования такого древа жизни предполагают, что жизнь началась с экстремофилов и только позднее эволюционировала до тех форм жизни, которые выигрывают от того, что мы называем нормальными условиями.

В таком случае «небольшому теплому водоему» Дарвина вместе с приливными бассейнами, воссозданными в эксперименте Миллера — Юри, не остается ничего другого, как испариться, пополнив собой водянистый туман отвергнутых гипотез. И никаких вам путешествий пара туда-сюда с постепенным его химическим обогащением. Вместо этого придется искать истоки жизни в тех местах, где из-под земли вырывается невероятно горячая вода — возможно, со множеством различных кислот в своем составе.

За последние несколько десятилетий океанографам удалось обнаружить несколько подобных мест, а также страннейшие формы жизни, которые в них развиваются. В 1977 году два океанографа, испытывающие исследовательский аппарат для глубоководных погружений, обнаружили первые жерла в дне Тихого океана в полутора милях от его поверхности неподалеку от Галапагосских островов. В районе этих жерл земная кора напоминает кухонную плиту, создавая высокий уровень давления внутри тяжелого и прочного котла с фиксируемой крышкой и нагревая воду выше ее обычной температуры кипения, но не давая ей выкипеть совсем. Как только крышка частично приподнимается, сжатая и исключительно горячая вода выплескивается из-под земной коры в холодный бассейн океана.

Такая горячая морская вода, вырывающаяся из этих жерл, содержит в себе растворенные минералы, которые быстро скапливаются и затвердевают, окружая жерла огромными пористыми каменными трубами — раскаленными внутри и более прохладными по краям, — которые и пребывают в контакте с морской водой. В создавшемся температурном диапазоне обитают бесчисленные формы жизни, никогда не видевшие солнца и ничего не знающие о нагревании за счет солнечного света, хотя для жизни им действительно необходим кислород, растворенный в морской воде. Этот кислород, в свою очередь, получается в результате жизнедеятельности организмов, обитающих ближе к поверхности воды. Эти стойкие создания живут за счет геотермальной энергии, тепло которой включает в себя как тепло из остатков энергии образования Земли, так и тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде нестабильных изотопов вроде алюминия–26, который занимает миллионы лет, или калия–40, полураспад которого длится несколько миллиардов лет. Несмотря на совершенно разные способы получения и использования энергии, эти организмы зависят от ДНК, которая управляет их биологическими процессами и размножением, как и в случае со всеми другими формами земной жизни.

Около этих геотермальных жерл, намного ниже глубины, на которую может проникнуть солнечный свет, океанографы обнаружили огромных трубчатых червей длиной с человека, прекрасно живущих среди целых колоний бактерий и других существ поменьше. Вместо того чтобы набираться энергии у солнца, как это делают растения, способные на фотосинтез, эти глубинные формы жизни опираются на хемосинтез — производство энергии за счет протекания химических реакций, которые, в свою очередь, зависят от геотермального тепла.

Как работает этот хемосинтез? Горячая вода, вырывающаяся из-под морского дна, наполнена соединениями водорода с серой и водорода с железом. Бактерии, скопившиеся у таких геотермальных источников, соединяют эти молекулы с атомами водорода и кислорода из молекул воды и с атомами углерода и кислорода из молекул углекислого газа, растворенного в воде. В результате этих реакций из углерода, кислорода и водорода образуются более крупные молекулы — углеводы. Таким образом, бактерии, обитающие у источников такой насыщенной минералами горячей воды, ведут себя сродни своим родственникам, что живут ближе к поверхности океана, — ведь те тоже умеют синтезировать углеводы из углерода, кислорода и водорода. Одни микроорганизмы черпают для этого синтеза энергию у солнца, а другие — из химических реакций, происходящих на морском дне. Поблизости от геотермальных источников другие организмы поглощают бактерии, производящие углеводы, потребляя их энергетическое содержимое тем же образом, что и животные, которые едят растения или других животных, в свою очередь поедающих растения.

Но химические реакции у глубоководных жерл способны не только производить молекулы углеводов. Атомы железа и серы, которых в молекуле углевода нет, соединяются в свои собственные молекулы, в первую очередь в кристаллы железного колчедана, известного как «золото дураков» или «кошачье золото». Древние греки называли его «огненным камнем»: если хорошенько стукнуть по нему другим камнем, из железного колчедана можно высечь искры. Железный колчедан — самый распространенный минерал с содержанием серы на Земле — мог сыграть важнейшую роль в возникновении жизни на нашей планете, провоцируя образование углеводообразных молекул. Данная гипотеза родилась в уме немецкого адвоката, ведущего патентные дела, и по совместительству биолога-любителя Гюнтера Вехтерсхойзера: его профессия вряд ли является противопоказанием против теоретизирования в области биологии, ведь не помешала же Эйнштейну его основная работа заниматься физикой! (Правда, следует отметить, что у Эйнштейна все же был диплом по физике, и хороший диплом, в то время как Вехтерсхойзер был в основном самоучкой в областях биологии и химии.)

В 1994 году Вехтерсхойзер предположил, что поверхности кристаллов железного колчедана, которые образуются естественным образом из атомов железа и серы, выброшенных в воды первозданных океанов из-под земной коры, могли бы стать естественными площадками для скапливания на них молекул с высоким содержанием углерода. Как и те, кто придерживался гипотезы о зарождении жизни в водоемах и приливных бассейнах, Вехтерсхойзер не мог четко продемонстрировать, как был осуществлен переход от молекулярного сырья к полноценным живым организмам. Тем не менее, учитывая его акцент на высокотемпературных условиях зарождения первых форм жизни, он вполне может быть на верном пути — во что лично он верит. Ссылаясь на высокоорганизованную структуру кристаллов железного колчедана, на чьих поверхностях могла гипотетически зародиться первая жизнь, Вехтерсхойзер осаживал критиков своей теории на научных конференциях громким заявлением: «Некоторые говорят, что жизнь — это способ упорядочить хаос, а я говорю: это упорядочение порядка, зарожденного в порядке!» Выдаваемое с характерным немецким оживлением, это заявление имеет определенный резонанс, но лишь время покажет, насколько оно верно.

Так какая же из базовых моделей происхождения жизни с большей вероятностью окажется верной: приливные бассейны на краю океана или перегретые жерла на его дне? На данный момент ставки на обе модели примерно равны. Эксперты по вопросам зарождения жизни не раз бросали вызов утверждению о том, что самые древние формы жизни на Земле жили в условиях высоких температур; как-никак древо жизни и размещение на нем разных организмов в разных точках сегодня все еще является объектом обсуждений и сомнений. Вдобавок компьютерные программы, отслеживающие количество химических соединений разного типа, существовавших в древних молекулах РНК (которые, судя по всему, появились в мире раньше молекул ДНК), сообщают: химические соединения, которым благоприятствуют высокие температуры, появились на Земле только после того, как было написано уже несколько страниц истории ее биологической жизни, протекавшей при относительно низких температурах.

Таким образом, результат наших тщательных исследований, как это нередко приключается в науке, не понравится тем, кто жаждет определенности. Хотя мы можем выразить довольно уверенное предположение о том, когда именно на Земле появилась жизнь, мы не знаем, где и как произошло это замечательное событие. Недавно палеобиологи наделили этого ускользающего от них дальнего предка всех форм жизни на Земле именем последнего всеобщего (или универсального) предка[49]. Обратите внимание, как велико мнение этих ученых о нашей планете: вместо того чтобы ограничиться последним земным общим предком, они замахнулись на вселенскую универсальность той жизни, что зародилась на Земле. На данный момент подобрать имя этому предку — совокупности примитивных организмов, обладавших идентичными генами, — не самое большое достижение, пожалуй, на том долгом и трудном пути, что еще предстоит пройти нам, прежде чем мы сможем действительно приоткрыть завесу тайны, окружающую возникновение земной жизни.

От ответа на вопрос о возникновении жизни зависит не только удовлетворение природного любопытства человека. Разные ее истоки означают лишь то, что и здесь, и в других уголках космоса жизнь могла по-разному зародиться, по-разному эволюционировать и по-разному удержаться в мире. Например, земные океаны могут быть самой стабильной экосистемой на нашей планете. Если огромный астероид врежется в Землю и уничтожит всю наземную жизнь, все океанические экстремофилы будут и дальше жить-поживать себе, ни о чем не беспокоясь. Возможно, они даже окажутся способными на определенную эволюцию вплоть до новых форм, которые смогут заново заселять Землю каждый раз после катастрофы на ее поверхности. Если бы Солнце таинственным образом куда-то просто исчезло, из-за чего Земля рано или поздно уплыла бы в неведомом направлении навстречу космической неизвестности, об этом вряд ли написали бы в еженедельниках общины экстремофилов: ведь на жизнь у глубоководных геотермальных источников это особенно не повлияло бы. Однако через пять миллиардов лет Солнце превратится в красного гиганта, который будет постепенно расширяться в размере, заполняя собой внутренние регионы Солнечной системы. И тогда океаны Земли постепенно вскипят и испарятся, да что там — сама Земля частично испарится навсегда! Вот этого точно не смогут не заметить все до единой формы жизни на нашей планете.

Повсеместное распространение экстремофилов на Земле вызывает у нас один важный вопрос: могла ли жизнь существовать в глубине многочисленных планет-бродяг или планетезималей, которые были выброшены за пределы Солнечной системы во время ее образования? Их «геотермальных» запасов энергии и тепла должно было бы хватить на миллиарды лет. Что же с теми бесчисленными планетами, которые были изгнаны из всех остальных звезднопланетных систем, когда-либо родившихся во Вселенной? Возможно ли, чтобы межзвездное пространство было полно жизни — возникшей и эволюционировавшей в глубинах таких беззвездных неприкаянных планет? Прежде чем осознать важность экстремофильных организмов, астрофизики представляли себе «подходящие для обитания» зоны вокруг каждой звезды, и в каждой такой зоне вода или любая другая субстанция могли оставаться в жидком состоянии, позволяя молекулам плавать в ней, взаимодействовать и в конце концов образовывать более сложные молекулы. Но сегодня мы вынуждены отредактировать данную концепцию: перестав быть неким аккуратным и удобным регионом в окрестностях звезды, получающим удачное количество света, обитаемая зона превратилась в регион, который может находиться где угодно, поддерживаемый «в деле» не за счет звездного света, а за счет своих локальных источников тепла, которое нередко исходит от радиоактивных пород. Вполне возможно, что избушка трех медведей, куда забрела усталая девчушка, и не была каким-то особенным местом среди всех этих сказочных вселенных. Есть вероятность, что родной дом каждого из нас (даже соломенная хижина одного из трех поросят) может предложить миску похлебки и удобную кровать, главное — добиться подходящей температуры!

Какая чудесная, полная надежд и пророчеств сказка могла бы из всего этого получиться! Жизнь не просто может потерять статус редкого и ценного явления вселенского значения — она может оказаться явлением столь же распространенным, что и сами планеты. Нам остается всего-то ничего — обнаружить ее.

Глава 15. Поиски жизни в Солнечной системе

Вероятность существования жизни за пределами Земли привела к образованию новых профессиональных областей, в которых пока занято довольно ограниченное количество людей, но которые в будущем могут оказаться очень перспективными. Астробиологи, они же биоастрономы, занимаются вопросами жизни за пределами Земли, какие бы гипотетические формы эта жизнь ни принимала. Сегодня астробиологи пока могут лишь рассуждать и выдвигать теории об инопланетной жизни или воссоздавать в лабораториях инопланетные условия, в которые они затем помещают земные формы жизни, чтобы проверить, смогут ли они выжить в трудных и непривычных им ситуациях. В искусственно воссозданные инопланетные условия можно поместить и сочетания неодушевленных молекул, пытаясь разыграть свою версию классического эксперимента Миллера — Юри или навести глянец на исследования Вехтерсхойзера. Это сочетание размышлений и экспериментов привело нас к некоторым общепринятым заключениям, которые, исходя из того, насколько точно они описывают реальную Вселенную, имеют очень большое значение. Сегодня астробиологи считают, что для существования жизни во Вселенной необходимо следующее:

1) источник энергии;

2) определенный атом, который допускает существование сложных структур;

3) жидкий растворитель, в котором молекулы могут плавать и взаимодействовать друг с другом;

4) достаточный промежуток времени, за который жизнь может возникнуть и эволюционировать.

В этом коротком списке пункты 1 и 4 представляют собой довольно низкие барьеры для преодоления их первыми формами жизни. Каждая звезда в космосе является источником энергии, и все они, за исключением вопиющего 1 % таких звезд, сияют многие сотни миллионов и даже миллиарды лет подряд. Например, наше Солнце обеспечивает Землю бесперебойным запасом тепла и света на протяжении последних пяти миллиардов лет и продолжит делать это еще как минимум столько же. Далее, как мы теперь знаем, жизнь может существовать, прекрасно обходясь и без солнечного света, используя геотермальное тепло и химические реакции в качестве источника желанной энергии. Геотермальная энергия рождается частично за счет радиоактивной природы изотопов таких элементов, как калий, тор и уран, распад которых занимает миллиарды лет, а это уже сравнимо с жизненным циклом среднестатистической солнцеобразной звезды.

Жизнь на планете Земля удовлетворяет пункту 2, говорящему об атоме, способном создавать структуру: у нас есть углерод. Каждый атом углерода может прикрепляться к одному, двум, трем или четырем другим атомам одновременно, что делает его ключевым химическим элементом в структуре всей известной нам жизни. В отличие от углерода, атомы того же водорода могут каждый прикрепляться лишь к одному другому атому, а атомы кислорода — максимум к двум. Так как атомы углерода способны зараз соединяться с целой четверкой других атомов, они формируют «хребет» для всех наиболее простых молекул, из которых состоят живые организмы, а именно белков и сахаров.

Способность углерода создавать сложные молекулы сделала его одним из четырех самых распространенных в мире — и в представленных им формах жизни — элементов наряду с водородом, кислородом и азотом. Мы уже знаем, что, несмотря на то что из четырех самых широко представленных химических элементов земной коры только кислород совпадает с этой четверкой «атомов жизни», она вся представлена в списке шести самых распространенных химических элементов в мире (куда также входят инертные газы гелий и неон). Данный факт может выступать в поддержку теории о том, что жизнь на Земле началась в звездах или в некоторых объектах, по своему составу напоминающих звезды. В любом случае сам факт, что углерод представляет собой лишь незначительную долю в составе поверхности Земли, но столь важен в формировании структуры любого живого существа, служит совершенно явным доказательством того, сколь важна его роль в обеспечении жизни необходимой ей структурой.

Важен ли углерод для жизни во всей Вселенной? Как насчет кремния, который так часто всплывает в научнофантастических романах в качестве базового структурного атома для различных экзотических форм внеземной жизни? Как и в случае с углеродом, атомы кремния могут одновременно соединяться с четырьмя другими атомами, однако природа образуемых кремнием связей такова, что его популярность в роли кандидата в создатели структурных основ для образования более сложных молекул несравнима с углеродом. Углерод формирует с другими атомами довольно слабые связи, поэтому, к примеру, пары атомов «углерод — кислород», «углерод — водород» и «углерод — углерод» разбить довольно просто. Это позволяет основанным на углероде молекулам формировать все новые типы молекул, сталкиваясь и взаимодействуя друг с другом, без чего невозможно представить себе активный обмен веществ, обязательный для любой формы жизни. В отличие от углерода, кремний формирует очень прочные связи со многими другими атомами, особенно с кислородом. Земная кора состоит преимущественно из силикатных — кремниевых — пород, образовавшихся в основном из атомов кремния и кислорода, соединенных друг с другом достаточно крепко для того, чтобы просуществовать незыблемо на протяжении миллионов лет. Эти соединения будет довольно трудно заставить поучаствовать в образовании новых типов молекул.

Различия в механике формирования углеродом и кремнием химических связей с другими атомами подсказывает нам, что мы с гораздо большей вероятностью обнаружим внеземные формы жизни, в основе которых будут лежать углеродные, а не кремниевые молекулярные хребты. Помимо этой парочки остается лишь несколько довольно экзотических типов атомов, распространенных во Вселенной во много раз меньше, чем углерод и кремний, которые могли бы одновременно соединяться сразу с четырьмя другими атомами. Исключительно из статистических соображений вероятность того, что где-то существуют формы жизни, образованной с помощью, скажем, германия — таким же образом, как земная жизнь образовалась на основе углерода, — кажется весьма и весьма незначительной.

Пункт 3 говорит о том, что всем формам жизни необходим жидкий растворитель, в котором молекулы вещества могли бы плавать и взаимодействовать между собой. Здесь слово «растворитель» подчеркивает тот факт, что подобная ситуация, в которой молекулы могли бы «плавать и взаимодействовать», возможна именно в «растворе». Обычная жидкость, как бы сильно она ни была насыщена молекулами, никак не ограничивает подвижность этих самых молекул в своем составе. С другой стороны, в твердых веществах атомы и молекулы имеют свое четко определенное место. Они все еще могут сталкиваться и взаимодействовать, но это происходит в разы медленнее, чем в составе жидкостей. Если взять газ, то там молекулы перемещаются еще более свободно, чем в жидкостях, и могут сталкиваться друг с другом с еще меньшими препятствиями; но их столкновения и взаимодействия происходят по факту в разы реже, чем в жидкостях, потому что плотность газа, как правило, минимум в 1000 раз ниже плотности жидкости. «Если бы только нам хватало мира и времени», как однажды сказал Эндрю Марвел, мы, может, и обнаружили бы истоки жизни в газах, а не в жидкостях. В реальном космосе, которому всего-то 14 миллиардов лет, астробиологи не рассчитывают когда-нибудь обнаружить жизнь, возникшую внутри газовой среды. Нет, они ожидают, что вся внеземная жизнь, как и земная, полагалась, полагается и будет полагаться на резервуары жидкости, внутри которой с помощью сложных химических процессов разные типы молекул сталкиваются друг с другом и образуют все больше новых химических соединений.

Обязательно ли этой жидкости быть водой? Мы живем на весьма водянистой планете, почти три четверти поверхности которой покрывают океаны. Это делает нас уникальным миром Солнечной системы, а также, вполне возможно, довольно нестандартной планетой с точки зрения всей галактики Млечный Путь. Вода, которая состоит из молекул, образованных двумя самыми распространенными химическими элементами во Вселенной, имеется как минимум в скромных количествах внутри комет, метеороидов и в большинстве планет Солнечной системы и их лун. С другой стороны, в своем жидком состоянии вода существует лишь на Земле и под ледяной поверхностью крупной луны Юпитера — Европы, чьи мировые приповерхностные океаны воды до сих пор являются лишь предположением, а не заверенным фактом.

Могут ли другие химические соединения образовать собой более удачный тип жидкости для заполнения ею морей или водоемов поменьше, чтобы затем внутри них молекулы могли поработать над созданием первых форм жизни? Три самых распространенных во Вселенной химических соединения, способных оставаться в жидкой форме при довольно большом диапазоне температур, — это аммиак, этан и метиловый спирт. Каждая молекула аммиака состоит из трех атомов водорода и одного атома азота; молекула этана — из двух атомов водорода и шести атомов углерода; а молекула метилового спирта — из четырех атомов водорода, одного атома углерода и одного атома кислорода. Мы вполне можем включить в список возможных вариантов форм инопланетной жизни существа, которые применяют аммиак, этан или метиловый спирт так же, как жизнь на Земле использует воду — в качестве основной жидкости, внутри которой, предположительно, когда-то возникла жизнь и которая представляет собой среду для реакций и контактов различных молекул. Им остается лишь плавать в ней и образовывать новые молекулы. Четыре планеты-гиганта Солнечной системы обладают огромными запасами аммиака, а также скромными запасами этана и метилового спирта; а Титан, одна из крупнейших лун Сатурна, вполне может содержать огромные озера жидкого этана на своей холодной поверхности.

Остановив свой выбор на том или ином конкретном типе молекулы в качестве основы для базовой жидкости, без которой невозможна жизнь, мы снова оказываемся перед очередным условием для ее существования: такое жидкое вещество должно оставаться жидким всегда. Мы не предполагаем, что жизнь возникла в вечных льдах Антарктики или в насыщенных водяным паром облаках, потому что нам нужна жидкость, в которой будут активно взаимодействовать молекулы. В условиях атмосферного давления, характерного для поверхности Земли, вода остается жидкой в рамках температурного диапазона от 0 до 100 градусов по шкале Цельсия (это от 32 до 212 градусов по шкале Фаренгейта). Все три альтернативных типа растворителей остаются в жидком состоянии в рамках существенно меньшего температурного диапазона, чем у воды. Так, аммиак замерзает при температуре –78 градусов по шкале Цельсия и испаряется при –33 градусах. Это не позволяет ему стать главной жидкостью и «водой жизни» на Земле, но в каком-то другом мире, где всегда в среднем на 75 градусов холоднее, чем в нашем, вода как раз совершенно не сгодилась бы в растворители жизни — а вот аммиак был бы настоящей находкой.

Важная отличительная особенность воды заключается не в том, что ее можно смело возвести в ранг «универсального растворителя», о чем нам всем рассказывали на уроках химии, и не в том, что она остается жидкой в столь широком температурном диапазоне. Самое удивительное свойство воды — это тот факт, что в то время, как большинство веществ, включая воду, сжимается и становится плотнее по мере охлаждения, вода, стоит температуре охлаждения упасть ниже четырех градусов по шкале Цельсия, начинает расширяться, становясь все менее плотной по мере приближения температуры к нулю. Затем, стоит воде замерзнуть при нуле градусов по шкале Цельсия, она становится еще менее плотным веществом, чем жидкая вода. Лед не тонет, что само по себе отличная новость для рыб. Зимой, когда температура на улице падает ниже отметки замерзания воды, четырехградусная (по шкале Цельсия) вода уходит на дно водоема и там остается, потому что она плотнее холодной воды, что остается плавать у поверхности. Затем на этой поверхности водоема начинает постепенно формироваться слой льда, который заодно служит природным герметиком для нижнего слоя воды, не давая ее температуре падать еще ниже.

Без этой удивительной инверсии плотности, которая происходит ниже четырехградусной отметки температуры, пруды и озера замерзали бы зимой снизу вверх, а не сверху вниз, как мы привыкли. Как только температура за окном падала бы ниже отметки замерзания воды, верхняя часть поверхности пруда начинала бы остывать и опускаться вниз, в то время как более теплая вода постепенно поднималась бы вверх — к его поверхности. Эта вынужденная конвекция быстро снижала бы температуру воды до нуля градусов, как только поверхность пруда начнет замерзать. Тогда более плотный твердый лед опускался бы на дно. Если весь целиком заданный объем воды и не замерзал бы полностью снизу доверху за один зимний сезон, на дне такого водоема постепенно копился бы лед, благодаря чему полное замерзание просто растянулось бы на несколько лет и было бы достигнуто постепенно. В таком мире подледная рыбалка была бы еще менее захватывающим и результативным видом спорта, чем в нашем, ведь все рыбы как одна были бы мертвы — свежезаморожены. Любителям подледного лова пришлось бы либо размещаться на слое льда, который уходил бы под все еще не замерзшую воду (из-за чего он превратился бы в надледный лов), либо просто сидеть на глыбе полностью замерзшей воды. Нам больше не понадобились бы ледоколы для того, чтобы пробираться по замерзшей Арктике: либо весь Северный Ледовитый океан замерз бы, превратившись в удобную равнину, либо все его замерзшие части опустились бы на дно, и мы могли бы плыть на кораблях и баржах, куда нам вздумается, без каких-либо препятствий. По поверхностям замерзших озер и прудов можно было бы кататься на коньках, не боясь провалиться в воду. В этом альтернативном мире айсберги и прочие ледяные глыбы тонули бы, и в апреле 1912 года «Титаник» счастливо добрался бы до порта города Нью-Йорк, нетонущий и непотопляемый, как и гласила его рекламная брошюра.

С другой стороны, тут может играть свою роль наша среднеширотная предвзятость. Большей части океанов Земли не угрожает вероятность замерзания что сверху донизу, что снизу доверху. Если бы лед тонул, Северный Ледовитый океан мог бы окончательно затвердеть; то же самое могло бы произойти с Великими озерами и Балтийским морем. Это сделало бы Бразилию и Индию более мощными мировыми державами за счет утраты инфраструктуры Европой и США, но жизни на Земле это никак не помешало бы развиваться и процветать.

Давайте мы с вами пока все же примем гипотезу, что в борьбе за звание «та, что дарит жизнь» вода обладает столь явными преимуществами над своими основными соперниками аммиаком и метиловым спиртом, что большинство внеземных форм жизни, если не все до единой, должны полагаться на тот же растворитель, что и жизнь земная. Вооружившись этим предположением и не забывая об изобилии имеющегося у нас сырья для создания жизни, о преобладании атомов углерода и о том огромном количестве времени, которое было у жизни для того, чтобы зародиться и пройти многочисленные стадии преобразования, давайте побываем в гостях у некоторых своих соседей и зададим себе немного другой вопрос взамен уже надоевшего «Где есть жизнь?», а именно: «Где есть вода?»

Если бы вам пришлось судить по внешнему облику некоторых весьма сухих и недружелюбных регионов нашей Солнечной системы, вы легко могли бы прийти к заключению, что вода, сколь много бы ее ни было на Земле, является довольно редким товаром в лавке общегалактических ценностей. Но из всех молекул, которые в принципе можно образовать из всего лишь трех атомов, вода является самым распространенным веществом, лидируя с большим отрывом: это связано с тем, что два ингредиента воды — водород и кислород — занимают первую и третью строки списка самых распространенных химических элементов в мире соответственно. Получается, что вместо того, чтобы задаваться вопросом, откуда взялась вода в одних объектах, разумнее будет спросить, почему бывают такие, в которых этой простой молекулы нет вообще.

Откуда на Земле целые океаны воды? Почти первозданный кратерный рельеф Луны сообщает нам, что космические объекты таранили ее на протяжении всей истории. Мы имеем все основания полагать, что и Земля подверглась аналогичному множеству столкновений. Действительно, более крупный размер Земли и, как следствие, ее более значительная гравитация означают, что нас должно было ударять гораздо чаще и гораздо большими объектами, чем Луну. Так было с самого ее рождения и до сегодняшних дней. Как бы там ни было, Земля не выскочила в один прекрасный момент из некой межзвездной пустоты, вся такая круглая и готовая играть свою роль в космическом театре. Вместо этого наша планета понемногу формировалась и росла внутри газового облака, из которого также образовались Солнце и другие планеты нашей системы. В рамках этих процессов Земля увеличивалась в размере, приращивая к себе огромные количества малых твердых частиц, а затем и за счет непрерывных ударов, которыми награждали ее богатые минералами астероиды и содержащие в себе немало воды кометы. Что значит «непрерывных»? Ранняя частота встреч с кометами должна была быть достаточно высокой для того, чтобы обеспечить нас всех той водой, которая сегодня составляет земные океаны. Неопределенность и противоречия все еще являются неотъемлемой частью этой гипотезы. В воде, обнаруженной в комете Галлея, содержится в разы больше дейтерия, чем в земной воде: это изотоп водорода, который отличается от самого водорода на один дополнительный нейтрон в своем ядре. Если океаны Земли прибыли к нам на борту комет, тогда те, что сталкивались с нашей планетой вскоре после формирования Солнечной системы, по химическому составу должны были отличаться от комет, с которыми мы имеем дело сегодня, или как минимум отличаться от того класса комет, к которым принадлежит комета Галлея.

Так или иначе, когда мы учитываем не только кометный вклад, но и тот водяной пар, что вырывается из жерл вулканов во время их извержений, у нас на руках оказывается множество вариантов, с помощью любого из которых Земля могла запастись водой, покрывающей сегодня большую часть ее поверхности.

Если вы хотите отдохнуть на безводном и безвоздушном курорте, вам нет смысла искать его по всей Солнечной системе — достаточно нашей земной Луны. Околонулевое атмосферное давление Луны в сочетании с ее двухнедельным «световым днем», в течение которого температура у ее поверхности достигает 200 градусов по шкале Фаренгейта, быстренько испарит любую воду, что могла бы там оказаться. Во время двухнедельной «ночи» на Луне температура на ней падает до 250 градусов ниже нуля, чего достаточно, чтобы заморозить практически что угодно. Астронавты миссии «Аполлон», которым довелось побывать на Луне, были вынуждены взять с собой столько воды и воздуха (и кондиционеров для воздуха), чтобы их хватило на путешествие в оба конца и на пребывание на самой Луне.

Кажется довольно странным, что на Земле накопилось столько воды, в то время как столь близко расположенная к ней Луна не получила ее совсем. Один из вариантов развития событий — как минимум частично правдивый — заключается в том, что вода в свое время гораздо быстрее испарилась с поверхности Луны, чем Земли, из-за ее существенно меньшей силы притяжения. Другой вариант предполагает, что в будущем полеты на Луну смогут-таки обходиться без того, чтобы каждый раз привозить с собой воду или ее производные. Наблюдения лунного орбитального космического аппарата «Клементина», оснащенного инструментами для обнаружения нейтронов, образующихся в результате столкновения быстро движущихся межзвездных частиц с атомами водорода, поддерживают уже давно существующие догадки о том, что под кратерами у Северного и Южного полюсов Луны могут храниться большие запасы льда — глубоко замерзшей воды. Если межпланетный мусор с определенной периодичностью падает на Луну в течение года, то среди всевозможных падающих на нее объектов должны хотя бы изредка появляться и кометы, несущие с собой воду. Насколько большими могут быть эти кометы? В Солнечной системе летает немало комет, которые, растаяв, окажутся лужей размером с озеро Эри.

Мы не можем рассчитывать на то, что свеженанесенное на поверхность Луны озеро выживет в условиях многочисленных жарких лунных дней по 200 градусов каждый. Однако те кометы, что попали бы прямиком на дно одного из глубоких кратеров у полюсов Луны (или проделали бы еще один такой кратер сами), остались бы там, на дне, в темноте и прохладе: глубокие кратеры у Северного и Южного полюсов Луны — это единственные места на нашем спутнике, где «не светит Солнце». (Если вы думали, что у Луны существует вечно темная сторона, вы были введены в серьезное заблуждение самыми разными источниками, в том числе, возможно, альбомом Dark Side of the Moon 1973 года группы Pink Floyd[50].) Как это хорошо известно изголодавшимся по солнечному свету обитателям Арктики и Антарктики, Солнце в этих регионах никогда не поднимается слишком высоко над горизонтом в какое бы то ни было время суток или время года. Теперь представьте себе, что вы живете на дне кратера, чьи края вздымаются выше, чем самый высокий уровень над линией горизонта, какого способно достигнуть Солнце. Воздуха, чтобы рассеять солнечный свет среди теней, на Луне нет, так что вам пришлось бы жить в вечной тьме.

Но даже в холодной тьме лед понемногу испаряется. Обратите внимание на кубики льда в своем морозильнике, вернувшись домой после долгих каникул: они будут заметно меньше, чем когда вы только уезжали отдыхать. Однако, если добросовестно смешать лед с твердыми частицами (что и происходит с ним в составе кометы), он может существовать на дне полярных лунных кратеров на протяжении сотен тысяч и миллионов лет. Любой аванпост, что мы когда-нибудь построим на Луне, сможет немало выиграть от расположения поблизости от одного из таких «озер». Кроме очевидных преимуществ наличия под рукой льда, который можно растапливать, фильтровать и затем пить, мы могли бы также извлечь пользу из разделения молекул этой лунной воды на атомы водорода и кислорода. Мы могли бы использовать водород с добавлением небольшой толики кислорода в качестве активного ингредиента для ракетного топлива, пустив весь остальной кислород на дыхательные нужды. Во время перерывов между космическими заданиями и миссиями мы могли бы кататься на коньках.

Хотя Венера обладает примерно теми же размером и массой, что и Земля, ряд определенных характеристик выделяет ее среди других планет Солнечной системы: Венера также обладает толстой, плотной атмосферой из углекислого газа, отличающейся высокими отражающими (рассеивающими свет) свойствами; давление этой атмосферы на поверхности Венеры превышает земное в 92 раза. За исключением живущих на глубоком морском дне земных существ, испытывающих сопоставимое давление, любая форма жизни родом с Земли на Венере была бы раздавлена насмерть. Но еще более удивительное свойство Венеры заключается в ее относительно молодых кратерах, равномерно распределенных по всей поверхности. Звучит безобидно, но означает это на самом деле то, что какая-то недавняя катастрофа планетного масштаба запустила процесс образования этих кратеров — а значит, и нашу способность датировать рельеф самой планеты по ее кратерам, — заодно снося все свидетельства предыдущих происшествий. Это могло произойти и вследствие какого-то глобального погодного явления, вызывающего эрозию вещества, например огромного потопа планетного масштаба. Тут могла сработать и какая-то всепланетная геологическая активность («гео», конечно, не очень подходит, но уж очень этот термин понятный!) — те же потоки лавы могли превратить всю поверхность Венеры в мечту американского автолюбителя: в сплошную заасфальтированную поверхность. Что бы ни запустило процесс образования кратеров, он закончился резко и внезапно. Но не забываем об интересующем нас вопросе — о воде на Венере. Если там когда-то произошел всепланетный потоп, то куда подевалась вся эта вода? Ушла под поверхность планеты? Испарилась в ее атмосферу? А может, этот потоп был не «водным»; может, это была какая-то другая жидкость? Да если и не было никакого потопа — Венера же должна была получить примерно столько же воды, сколько и ее сестрица Земля. Так где же она?..

Судя по всему, ответ заключается в том, что Венера растеряла свои водные запасы, разогревшись до слишком высоких температур. Этот вывод можно сделать, изучая ее атмосферу. Хотя молекулы углекислого газа пропускают видимый свет, они с высокой эффективностью удерживают инфракрасное излучение. Соответственно солнечный свет может проходить сквозь атмосферу Венеры, хотя из-за высокого уровня рассеивания до поверхности он доберется не в полной мере. Солнечный свет нагревает поверхность планеты, а выделяемое в результате инфракрасное излучение не может ее покинуть. Молекулы углекислого газа удерживают его, из-за чего нижние слои атмосферы и поверхность планеты нагреваются еще больше. Ученые называют этот процесс парниковым эффектом из-за общего сходства с тем, как стеклянные окна пропускают внутрь парников солнечный свет, но не выпускают обратно образующееся внутри инфракрасное излучение. Подобно Венере с ее атмосферой, Земля тоже создает вокруг себя парниковый эффект, без которого не могут существовать многие формы жизни. Благодаря ему температура нашей планеты примерно на 25 градусов по шкале Фаренгейта выше, чем она была бы в отсутствие атмосферы. Парниковый эффект на нашей планете вызван по большей части объединенным действием молекул воды и углекислого газа. Так как в атмосфере Земли содержится в десять тысяч раз меньше молекул углекислого газа, чем в атмосфере Венеры, наш парниковый эффект меркнет в сравнении с венерианским. Тем не менее мы продолжаем добавлять в состав своей атмосферы углекислый газ, сжигая ископаемое топливо и тем самым постепенно повышая степень парникового эффекта — словно проводим непроизвольный глобальный эксперимент, выясняя, насколько вредным может оказаться дополнительное удержание в нашей атмосфере тепла. На Венере парниковый эффект, вызванный исключительно высоким содержанием в атмосфере планеты молекул углекислого газа, поднимает температуру на сотни градусов, превращая поверхность Венеры в доменную печь. Температура венерианских ландшафтов составляет почти 500 градусов по шкале Цельсия (или 900 по шкале Фаренгейта), что является самой высокой температурой поверхности планеты во всей Солнечной системе.

Как же Венера довела себя до такого печального состояния? У ученых есть удачный термин «неуправляемый парниковый эффект», который описывает, как удерживаемое в атмосфере инфракрасное излучение повышало температуру планеты и провоцировало испарение жидкой воды. Дополнительная вода в составе атмосферы (испарившаяся с поверхности) помогала удерживать инфракрасное излучение еще более эффективно, повышая парниковый эффект. Это, в свою очередь, вызвало еще большее испарение воды и попадание ее в состав атмосферы, значительно усугубляя эффект. В верхних слоях атмосферы Венеры ультрафиолетовое солнечное излучение расщепляло молекулы воды на атомы водорода и кислорода. Из-за высоких температур атомы водорода сбегали с этого опасного корабля, а более тяжелые атомы кислорода соединялись с другими атомами, и воде образоваться снова было просто не из чего. Время шло, и вся та вода, что когда-то имелась на поверхности Венеры или совсем близко от нее, постепенно была выпечена и выпарена долой из атмосферы планеты и утеряна ею навсегда.

Подобные процессы протекают и на Земле, но гораздо медленнее, потому что температура нашей атмосферы в разы ниже. Наши великие океаны в данный момент составляют большую часть поверхности Земли, хотя вследствие своей глубины они представляют собой лишь одну пятитысячную долю суммарной массы нашей планеты. Но даже эта крошечная доля общей массы означает, что суммарный вес океанов составляет невообразимые 1,5 квинтиллиона тонн, 2 % которых всегда представлены в замороженном виде в любой момент времени. Если на Земле когда-нибудь заработает неуправляемый парниковый эффект сродни венерианскому, наша атмосфера начнет удерживать все более крупные объемы солнечной энергии, повышая температуру воздуха и заставляя океаны, кипящие у поверхности, испаряться в атмосферу. Это будет просто ужасно. Помимо очевидных причин уничтожения земной флоры и фауны наиболее тяжкой будет смерть из-за того, что насыщенная водяным паром атмосфера Земли станет в три сотни раз более массивной; после этого все еще оставшиеся на тот момент в живых будут раздавлены тем самым воздухом, которым дышат, и запечены в нем.

Наше увлечение планетами (как и заблуждения) вспыхивает с новой силой, когда мы переключаем свое внимание с Венеры на Марс. С его длинными и сухими, все еще сохранившимися руслами рек, их поймами, устьями и сетями притоков, а также проложенными этими реками целыми ущельями. Марс когда-то явно был первобытным Эдемом, наполненным подвижной водой. Если есть в Солнечной системе еще хоть одна планета, кроме Земли, которая когда-либо могла похвастаться обильными запасами воды, то это именно Марс. По неизвестным причинам сегодняшняя его поверхность суха, словно найденная в пустыне кость, однако есть некоторые свидетельства того, что когда-то вода присутствовала на поверхности, а также по-прежнему остается под полярными шапками. Тщательное изучение Венеры и Марса, наших соседей, заставляет по-новому взглянуть на Землю и задуматься о том, насколько хрупким может на самом деле оказаться наше водное благоденствие.

В начале XX века образные наблюдения за Марсом, которые предпринял известный американский астроном Персиваль Лоуэлл, навели его на мысль о том, что целые колонии изобретательных марсиан в свое время построили сложную систему каналов с целью перераспределить водные ресурсы, заключенные в полярных ледяных шапках планеты, поближе к более густо заселенным средним широтам. Чтобы объяснить то, что, как ему казалось, он увидел, Лоуэлл представил себе угасающую цивилизацию, чьи запасы воды подходили к концу — как если бы жители города Феникса обнаружили, что река Колорадо все-таки «исчерпаема». В своем подробном, хотя и полном заблуждений трактате под названием «Марс и жизнь на нем», опубликованном в 1908 году, Лоуэлл сокрушался по поводу неминуемого конца марсианской цивилизации, которому, как он считал, стал свидетелем.

Марс действительно, кажется, высох настолько, что его поверхность не способна поддерживать какие-либо формы жизни. А время медленно, но верно расправляется с любыми остатками жизни на планете, если еще этого не сделало. Когда затухнет последний огонек, все еще теплящийся внутри каких-то организмов, планета продолжит свое путешествие сквозь космос в качестве мертвого мира, на чем ее карьера в области эволюции завершится навсегда.

Кое-что Лоуэлл угадал верно. Если на Марсе и была когда-либо цивилизация (или хоть какая-либо форма жизни), которой для существования требовалась вода на поверхности планеты, она, безусловно, пала жертвой какой-то катастрофы. В неизвестный нам момент марсианской истории — и по неизвестной нам причине — вся вода на его поверхности действительно высохла, приведя ровно к тем последствиям для жизни (но в прошлом, а не в настоящем), которые описал Лоуэлл. Что же произошло с водой, которой когда-то давно на Марсе было так много? Это до сих пор является огромной загадкой для геологов, изучающих планеты Солнечной — системы. У Марса есть немного воды в виде льда на обоих его полюсах, который, правда, преимущественно состоит из углекислого газа (то есть это тот самый сухой лед), а также немного воды в форме пара в составе его атмосферы. Хотя полярные шапки представляют собой единственное сосредоточение существенных объемов воды на планете из известных нам, суммарного объема льда сильно не хватает для того, чтобы объяснить, откуда в глубоком прошлом на поверхности Марса могло быть столько воды.

Если большая часть древней воды Марса не испарилась в мировое пространство, то следующее наиболее вероятное место, где ее следует искать, — под поверхностью планеты, то есть в ловушке приповерхностного слоя вечной мерзлоты. Доказательства? По краям крупных марсианских кратеров часто можно обнаружить сухие комки, оставшиеся от грязевых разливов. Если вечная мерзлота лежит глубоко под землей, потребуется мощное столкновение, чтобы до нее добраться. Энергетический удар, связанный с таким столкновением, растопит этот лед при контакте с поверхностью планеты, провоцируя его выброс вверх — в атмосферу. Кратеры с такими характерными признаками разливов чаще встречаются в холодных полярных широтах — как раз там, где, как будет логично предположить, слой вечной мерзлоты подходит наиболее близко к поверхности Марса. Согласно оптимистичным оценкам состава такого вечномерзлого марсианского льда, таяние приповерхностных слоев Марса способно высвободить достаточно воды, чтобы покрыть всю поверхность планеты ровным слоем океана глубиной в десятки метров. Тщательные поиски современной или былой (ископаемой) жизни на Марсе должны обязательно включить в себя исследования множества регионов, расположенных под его поверхностью. И в контексте вопроса о том, есть ли жизнь на Марсе, вырисовывается еще один: есть ли где-нибудь на Марсе сейчас вода в жидком состоянии?

Частично ответить на этот вопрос можно, исходя из знаний по физике. На марсианской поверхности жидкая вода существовать не может, потому что атмосферное давление, составляющее всего лишь 1 % от уровня атмосферного давления Земли, этого не допустит. Как знают увлеченные альпинисты, вода начинает испаряться при все более низких температурах по мере понижения атмосферного давления. У вершины горы Уитни, где давление воздуха падает до половины своего значения, зафиксированного на уровне моря, вода кипит не при 100, а всего лишь при 75 градусах по шкале Цельсия. На вершине Эвереста, где давление воздуха составляет лишь четверть от его привычной для нас нормы, вода закипает примерно при 50 градусах. Заберитесь вверх еще на 20 миль — туда, где атмосферное давление составляет всего лишь 1 % от привычных условий города вроде Нью-Йорка, — и вода вскипит при температуре в жалкие 5 градусов по шкале Цельсия. Еще чуть выше — и жидкая вода «закипит» при 0 градусов, то есть она испарится сразу, как только вы подвергнете ее прямому контакту с воздухом. Ученые оперируют понятием «сублимация», чтобы описать переход субстанции из твердого в газообразное состояние, минуя жидкое. Всем нам хорошо знакома сублимация еще с детства: заглянув в холодильник с мороженым, мы видели не только нарядные упаковки ледяного лакомства, но и куски «сухого» льда, который позволял им оставаться чудесно холодными. Сухой лед в разы удобнее обычной замороженной воды для любого мороженщика: он сублимируется из твердого сразу в газообразное состояние — после него не нужно вытирать лужи и подтеки. Старая детективная загадка описывает человека, который повесился, взобравшись на кусок сухого льда и стоя на нем, пока тот постепенно не испарился из-под его ног за счет сублимации. Человек остается висеть в петле, а детективы-любители остаются без единой зацепки о том, как ему это удалось, пока им не приходит в голову тщательно проанализировать состав атмосферы в комнате.

То, что происходит с углекислым газом у поверхности Земли, происходит и с водой у поверхности Марса. Жидкость там просто не может существовать, хотя температура в теплые деньки марсианского лета поднимается существенно выше 0 градусов по шкале Цельсия. Начинает казаться, что все наши надежды на обнаружение на Марсе жизни потихоньку скрываются под медным тазом, пока мы не вспоминаем о том, что жидкая вода может существовать и под поверхностью планеты. Будущие экспедиции на Марс, связанные с возможностью обнаружить на Красной планете современную или существовавшую когда-то жизнь, направятся в регионы, где, по предварительным оценкам, будет проще всего пробурить поверхность планеты в поисках драгоценных потоков воды — этого эликсира жизни.

Эликсир эликсиром, но вода, между прочим, представляет собой смертельную угрозу для тех, кто не знаком с химией. В 1997 году Натан Зонер, четырнадцатилетний ученик школы Игл-Рок города Айдахо-Фоллз в штате Айдахо, провел известный сегодня среди популяризаторов науки эксперимент в рамках научной ярмарки своего города. Этим экспериментом он стремился привлечь внимание к беспочвенным антитехнологическим настроениям и связанной с ними иррациональной боязни химикатов. Зонер предложил людям подписать петицию, которая требовала либо строгого контроля, либо полного запрета на использование «дигидрогена монооксида». Он выписал некоторые одиозные свойства этой опасной субстанции без цвета и запаха:

• это один из главных компонентов кислотных дождей;

• рано или поздно в этом веществе может раствориться все, с чем оно вступает в контакт;

• можно умереть, случайно вдохнув это вещество;

• принимая газообразную форму, оно может причинить серьезные ожоги;

• это вещество обнаружено в опухолевых тканях неизлечимо больных раком пациентов.

Сорок три респондента из пятидесяти, к которым обратился Зонер, подписали его петицию; шестеро не смогли принять решение, а один оказался большим поклонником этой молекулы и отказался подписывать петицию. Да-да, 86 % респондентов на полном серьезе выразили согласие с запретом на попадание дигидрогена монооксида (H_2O) в окружающую среду.

Может быть, с водой на Марсе произошло то же самое.

Венера, Земля и Марс представляют собой наглядную сказку о том, какими могут быть последствия чрезмерной одержимости ролью воды (и, возможно, других растворителей) в образовании жизни. Когда астрономы размышляли над тем, где они могли бы найти жидкую воду, они изначально сосредоточили свое внимание на планетах, которые вращаются на расстояниях от своей звезды, позволяющих поддерживать у себя воду в жидком состоянии, то есть не слишком далеко от этой звезды и не слишком близко к ней. Подошло время рассказать вам историю про Машу[51] и трех медведей.

Давным-давно, примерно четыре миллиарда лет назад, образование Солнечной системы почти подошло к концу. Венера образовалась довольно близко к Солнцу, вследствие чего его мощная энергия испарила всю ту воду, что, возможно, была у нее в запасе. Марс сформировался так далеко, что его водные запасы остались навсегда замороженными. Лишь одна Земля оказалась на расстоянии от Солнца «в самый раз»: оно не позволяло ее запасам воды испариться или замерзнуть, поэтому ее поверхность стала естественным пристанищем для формирования жизни. Тот орбитальный регион на заданном расстоянии от Солнца, в котором вода способна оставаться жидкостью, отныне стал называться обитаемой зоной.

Маша тоже предпочитала, чтобы все было «в самый раз». В домике трех медведей она нашла три тарелки каши: в одной она была слишком горячей, в другой — слишком холодной, а в третьей — в самый раз. Вот ее-то она и съела. То же и с кроватями: одна была слишком жесткой, вторая — слишком мягкой, а третья — в самый раз, так что Маша забралась в нее и уснула. Когда три медведя вернулись домой, они обнаружили не только съеденную порцию каши, но и сладко спящую в одной из кроватей Машу. (Не помню, чем точно кончилась эта история, но нас поражает сам факт, что три медведя — плотоядные и занимающие самую верхушку пищевой цепи — просто не слопали Машу вместо каши, особенно не церемонясь.)

Относительная обитаемость Венеры, Земли и Марса заинтриговала бы Машу, хотя фактически история этих планет, безусловно, более замысловата, чем три тарелки с кашей. Четыре миллиарда лет назад кометы с высоким содержанием воды и астероиды с высоким содержанием минералов все еще регулярно атаковали поверхности планет, хотя частота этих неприятностей существенно упала. Во время этой игры в космический бильярд некоторые планеты переместились поближе к внутренним областям Солнечной системы, сдвинувшись со своих орбит, а другие, наоборот, отодвинулись на еще большее расстояние. Среди десятков сформировавшихся планет некоторые обладательницы нестабильных орбит все еще копошились и в конечном итоге врезались в Солнце или Юпитер. Остальные были высланы прочь из Солнечной системы. В итоге у нас осталось лишь несколько планет, занявших орбиты, которые оказались «в самый раз», чтобы спокойно вращаться по ним на протяжении миллиардов лет.

Земля заняла орбиту со средним расстоянием в 93 миллиона миль[52] от Солнца, которая позволяет ей перехватывать мизерные две миллиардные доли всей энергии, излучаемой нашей звездой. Если представить, что Земля поглощает всю энергию, получаемую от Солнца, то получится, что средняя температура нашей планеты должна составлять около 280 градусов по шкале Кельвина (или 45 по шкале Фаренгейта), что как раз примерно и есть среднее арифметическое между зимними и летними температурами. В условиях нормального атмосферного давления вода замерзает при температуре 273 градуса по шкале Кельвина и кипит при 373 градусах, так что нам очень даже повезло оказаться на таком расстоянии от Солнца, которое позволяет большей части нашей воды оставаться в жидком состоянии.

Стоп — не так быстро! В науке правильный ответ иногда можно получить неправильным путем. На самом деле Земля поглощает лишь около двух третей той солнечной энергии, что до нее добирается. Остальную энергию поверхность Земли (особенно океаны) и атмосферные облака рассеивают обратно в космос. Если соотнести с этим наши расчеты, то получится, что средняя температура Земли должна составить 255 градусов по шкале Кельвина, а это существенно ниже точки замерзания воды. Значит, что-то работает в нашу пользу, повышая среднюю температуру до более приятного и комфортного для жизни уровня.

И снова стоп. Все теории звездной эволюции говорят нам, что четыре миллиарда лет назад, когда жизнь на Земле начинала формироваться из первичного бульона, Солнце сияло лишь в две трети от своей сегодняшней мощности, из-за чего средняя температура на Земле должна была оказаться еще ниже. Может, в далеком прошлом Земля просто располагалась ближе к Солнцу? Однако, когда закончился период основательной бомбардировки, ни один из известных нам механизмов уже не мог сдвинуть какую-либо планету ближе или дальше от звезды в пределах нашей Солнечной системы. Может быть, парниковый эффект земной атмосферы в прошлом был сильнее. Мы точно не знаем. Но мы знаем наверняка, что концепция обитаемых зон — такая, какой ее придумали изначально, — имеет лишь косвенное отношение к возможности существования жизни на планете, находящейся в такой зоне. Это стало понятным, когда мы осознали, что не можем объяснить историю жизни на Земле с помощью простой модели обитаемых зон, и, более того, поняли, что вода и другие возможные растворители не всегда зависят от тепла близлежащей звезды, способной поддерживать ее в жидком состоянии.

Если в поисках жизни ограничиться системами, где в роли рабочей жидкости выступает вода, то мы должны признать, что Марс, по всей видимости, оставался за пределами обитаемой зоны Солнца на протяжении большей части истории Солнечной системы. Даже сегодня, когда Солнце сияет ярче, чем миллиарды лет назад, температура поверхности Марса не позволяет существовать жидкой воде. И это не просто слова: в настоящее время, имея возможность наблюдать поверхность Марса во всех деталях, мы находим лишь следы крошечного количества жидкой воды и намеки на то, что ее могло бы быть больше.

Эти факты заставляют отказаться от всякой надежды найти в марсианских впадинах воду, а возможно, и жизнь. Однако в прошлом условия были гораздо более благоприятные для нее: геологический профиль Марса указывает, что пару миллиардов лет назад вода была в изобилии на планете. В частности, некоторые древние кратеры на Марсе очень похожи на земные, но большая часть поверхности нашей планеты занята водой, а на Марсе ее практически нет. Один из древних водоемов на Марсе, 30-мильный кратер под названием Езеро, имеет веерообразную, богатую глиной древнюю дельту, почти наверняка образовавшуюся из обломков, переносимых протекающей водой. В результате Езеро стал целью космического аппарата NASA, последнего из отправленных для исследования Красной планеты.

Когда-нибудь астронавты смогут высадиться на Марсе и исследовать его поверхность в поисках древней жизни. Для наших роботов-исследователей это «когда-нибудь» уже наступило. Пока перспектива отправки астронавтов на Марс остается довольно туманной, человечество продолжает посылать автоматических разведчиков, наделяя их все более широкими возможностями. К тому времени, когда, наконец, появится возможность послать астронавтов на Марс, роботы-исследователи, вероятно, сравняются с человеком в своих возможностях (за исключением привлекательности на телевизионной картинке), но при этом смогут работать намного дольше и с гораздо меньшими затратами. Летом 2020 года, в одно из благоприятных «окон», открывающихся раз в 26 месяцев, три страны запустили свои космические аппараты. Аппарат Hope («Надежда»), созданный ОАЭ и имеющий комплекс самых передовых инструментов для визуального наблюдения, вышел на орбиту вокруг Марса, присоединившись к шести другим орбитальным зондам, которые активно исследуют марсианскую поверхность. Китайская межпланетная станция Тяньвэнь–1 доставила к Марсу орбитальный зонд и спускаемый аппарат с марсоходом Чжужун массой в четверть тонны, который в течение трех месяцев обследовал места посадки.

Опираясь на 45-летний опыт отправки космических аппаратов на Марс, которых было семь, в NASA взялись за еще один проект и запустили в космос Perseverance — однотонный марсоход с 19 камерами, буром для получения образцов почвы, лазером и флуоресцентным спектрометром для определения химического состава и другими инструментами. Задачей аппарата стал поиск «биосигнатур», типичных для живых организмов на Земле. В комплекте с Perseverance был доставлен также Ingenuity, ставший первым вертолетом на другой планете, — для проверки возможности полетов дронов в атмосфере с плотностью, составляющей всего 1 % от земной, и при пониженной силе тяготения, которая на поверхности Марса соответствует 38 % от земной.

NASA также подумало о будущем и снабдило Perseverance 39 гиперстерилизованными контейнерами для хранения образцов грунта, полученных с помощью бурения. Эти контейнеры будут оставлены в одном или нескольких местах на планете, чтобы будущие исследователи — люди или автоматы — могли их извлечь и вернуть на Землю для детального анализа. Основные надежды на обнаружение микроскопической жизни на Марсе, если она существует, связаны не с высадкой сравнительно примитивных лабораторий на поверхность Марса, а с возвращением данных образцов, чтобы ученые смогли их изучить в земных условиях.

Планетам, находящимся за Марсом, и их спутникам достается еще меньше солнечной энергии, из-за чего на них царствует лютый холод, который, как казалось раньше, делает появление жизни на водной основе маловероятным, если вообще возможным. Но в последние десятилетия люди отправили несколько мощных космических аппаратов для изучения крупных объектов, находящихся за Марсом, и смогли обнаружить пять (пока что!) таких, где может существовать жизнь. Поскольку все эти объекты находятся вне обитаемой зоны Солнечной системы, эти открытия показывают, что кажущиеся естественными предположения могут оказаться ложными и ограничивать широту научной мысли.

Ближайший из этих пяти объектов представляет собой самый свежий и, пожалуй, самый удивительный пример, который почти не упоминался ранее в кругах ученых, занятых поисками следов жизни. Речь о Церере, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии более чем в два с половиной раза дальше, чем Земля, — это самый крупный из астероидов с диаметром около 600 миль (946 км), что составляет одну четверть диаметра Луны. В 2015 году, после посещения Марса и астероида Веста, межпланетная станция NASA Dawn, используя свой инновационный ионный двигатель, вышла на орбиту вокруг Цереры на высоте всего 20 миль от поверхности астероида. После того как в 2018 году было израсходовано все топливо, NASA оставило навечно замолчавшую станцию на орбите вокруг Цереры, но продолжило финансировать ученых из Лаборатории реактивного движения, занимающихся изучением данных, накопленных за годы функционирования Dawn. В конце 2020 года они сделали потрясающее заявление: Церера богата подземными водами.

Этот вывод был сделан на основе множества собранных данных. Например, на фотографиях, сделанных межпланетной станцией, виден большой кратер, получивший название Оккатор и имеющий возраст, по оценкам исследователей, всего около 20 миллионов лет. Детальные измерения гравитационного поля Цереры выявили довольно низкую плотность материала под поверхностью, близкую к плотности льда, а спектроскопические наблюдения показали присутствие на поверхности относительно молодых отложений, в том числе соединения воды и соли, называемого гидрогалитом. На Земле гидрогалит широко встречается во льдах Арктики и Антарктики, но его обнаружение на Церере — это первый случай встречи с ним вне Земли.

При температуре поверхности Цереры 235 градусов по шкале Кельвина (–38 по шкале Цельсия) любая жидкая вода должна находиться под поверхностью. Измерения, произведенные Dawn, показывают, что под кратером Оккатор находятся значительные объемы рассола (сильносоленой воды с температурой замерзания намного ниже 0), богатого гидрогалитом (который замерзает только при температуре –30 градусов Цельсия) и насыщенного песком — каменным материалом с частицами крошечного размера. Другими словами, под поверхностью астероида вполне может находиться много соленой холодной грязи.

Церера обладает важнейшим оружием в борьбе (воображаемой) за сохранение жидкости — это клатраты! Данное экзотическое имя отсылает к вымышленному веществу «лед-девять», которое было придумано Куртом Воннегутом для романа «Колыбель для кошки». Клатраты очень похожи на обычный лед, но организованы гораздо сложнее: решетка из молекул воды окружает небольшие молекулы газа, что препятствует распространению тепла и делает клатратный лед в сотни раз прочнее водяного. На Земле клатратные соединения играют жизненно важную для нас роль, удерживая метан в своих решетчатых структурах: без этого подземные молекулы метана заполонили бы нашу атмосферу и обрекли человечество на гибель из-за парникового эффекта.

Ученые, изучающие данные, полученные с межпланетной станции Dawn, пришли к выводу, что при наличии жидкости или, по крайней мере, илистой грязи под поверхностью Цереры, на ее поверхности должны в больших количествах присутствовать клатраты. Мы еще встретимся с этими интригующими образованиями, но уже гораздо дальше в Солнечной системе. А пока астрофизики, изучающие Цереру, с нетерпением ждут, когда появится космический аппарат, который сможет сесть на Цереру и пробурить ее поверхность в поисках признаков жизни, а еще лучше — такой, который сможет взять образец грунта и вернуться с ним на Землю.

Церера демонстрирует привлекательность грязи, но у нас есть кое-что более стоящее: Европа, спутник Юпитера, — настоящий водный мир, по размеру примерно соответствующей нашей Луне. Поверхность Европы испещрена пересекающимися трещинами, рисунок которых меняется каждые несколько недель или месяцев. Для экспертов в области геологии и знатоков планет подобное поведение означает, что поверхность Европы почти целиком состоит из замороженной воды — словно огромная антарктическая льдина покрывает собой целый мир. Постоянные изменения во внешнем облике этой ледяной поверхности приводят нас к удивительному заключению: этот лед, судя по всему, лежит на поверхности огромного всемирного океана. Только ссылаясь на жидкость, по глади которой перемещаются сегменты этой ледяной поверхности, ученые могут удовлетворительно объяснить увиденное в первую очередь самим себе — кстати, увиденное благодаря выдающемуся успеху миссий космических кораблей «Галилей» и «Вояджер». Так как изменения рисунка поверхности Европы происходят повсеместно, нам остается лишь предположить, что под ней движется целый океан какой-то жидкости.

Что это за жидкость и почему она не замерзает? Ученые, изучающие планеты, пришли к двум дополнительным и довольно уверенным заключениям: эта жидкость — вода и она не утрачивает своего жидкого состояния благодаря приливному воздействию планеты-гиганта Юпитера. Сам факт, что молекулы воды встречаются в природе гораздо чаще, чем молекулы аммиака, этана или метилового спирта, делает ее наиболее вероятным веществом из всех, что могут скрываться под поверхностью Европы; а существование на ее поверхности замерзшей воды лишь подсказывает, что где-то рядом с ней должна быть и жидкая вода.

Но как может эта вода оставаться жидкой, если даже с учетом солнечного тепла температуры в окрестностях Юпитера не превышают 120 градусов по шкале Кельвина (а это минус 150 градусов по шкале Цельсия)? Недра Европы остаются достаточно теплыми, потому что приливные силы Юпитера и двух других крупных близлежащих лун — Ио и Ганимеда — бесконечно тянут их туда-сюда, пока та поворачивается то одним, то другим боком к своим соседям. В любой момент те стороны Ио и Европы, что смотрят на Юпитер, ощущают на себе более мощную силу притяжения, чем стороны, смотрящие в другом направлении. Разница в испытываемой ими гравитации чуть вытягивает твердые тела лун в направлении той стороны, что смотрит на Юпитер. Но так как по мере прохождения своих орбит луны поворачиваются к Юпитеру разными своими сторонами, приливный эффект Юпитера — разница в степени гравитации, которая воздействует на ближнюю и дальнюю стороны луны, — также изменяется, в результате чего в их и так искаженных телах рождается постоянное пульсирование. Из-за него-то внутренности лун и нагреваются. Словно мячик для сквоша или тенниса, который постоянно деформируется под ударами ракетки, любая система, постоянно испытывающая структурный стресс, подвержена росту своей внутренней температуры.

Ио, другая луна Юпитера, тоже, казалось бы, должна была превратиться в ледяной мир из-за удаленности от Солнца, тем не менее она получает первый приз как самая геологически активная территория в Солнечной системе: у нее в арсенале есть и извергающиеся вулканы, и разломы коры, и тектонические движения плит. Некоторые сравнивают нынешнюю Ио с ранней Землей, когда наша планета все еще была невероятно горячей, не успев остыть после своего только что завершившегося образования. Внутри Ио температура достигает уровня, при котором вулканы бесконечно выбрасывают неприятно пахнущие молекулы серы и натрия на много миль прочь от поверхности. Собственно Ио слишком горячая для того, чтобы на ней могла сохраниться жидкая вода, но вот Европа, которая деформируется под воздействием приливных сил менее значительно, потому что находится дальше от Юпитера, нагревается не так сильно, хотя все еще весьма серьезно. Вдобавок к этому всеохватный слой льда на поверхности Европы, словно крышка, давит на расположенную под ним воду, позволяя ей существовать в таком состоянии миллиарды лет, не только не испаряясь, но и не замерзая. Насколько мы можем судить, Европа с самого начала сформировалась с этой водой и накрывающим ее льдом на поверхности коры и смогла сохранить этот океан на грани между жидким и замерзшим состоянием за 4,5 миллиарда лет космической истории.

Соответственно, астробиологи рассматривают мировой океан Европы как первоосновную цель для исследований. Через несколько лет у нас может появиться возможность внимательнее изучить этот удивительный мир. Межпланетная станция «Юнона», запущенная NASA вслед за «Галилеем» на орбиту вокруг Юпитера, изучала планету с 2016 по 2021 год. Ее целью был не поиск жизни на Европе, а изучение самого Юпитера и обнаружение ключей к разгадке формирования самой большой планеты Солнечной системы путем измерения массы ее ядра, силы магнитного поля и состава плотной атмосферы. Но уже следующая межпланетная станция NASA, которую назвали Europa Clipper, выйдет на сильно вытянутую орбиту вокруг Юпитера и на высоту всего 15 миль над поверхностью, после чего займется изучением Европы и фотографированием ее крупным планом. В дополнение к фотокамерам для получения детальных изображений и спектрометрам для определения химического состава поверхности Европы аппарат будет нести инструменты, предназначенные для исследований под ее поверхностью. Радиолокация с помощью радара, пронизывающего лед, измерения магнитного поля Европы, а также гравитации, позволяющие отличать горные породы от жидкости, должны помочь определить глубину и соленость подповерхностной жидкости. Но самые интересные результаты может дать исследование шлейфов водяного пара, обнаруженных космическим телескопом Хаббл в 2012 году. Если Europa Clipper встретит такие шлейфы на своем пути, она сможет исследовать их химический состав и тем самым помочь определить условия в подповерхностном океане. Это, в свою очередь, позволит оценить вероятность того, что в океане Европы или по его дну плавает или ползает какая-нибудь живность.

Учитывая обилие жизни в наших океанах, Европа остается самым заманчивым местом в Солнечной системе для искателей внеземной жизни. Обнаружение огромного количества организмов, живущих на глубине мили и более под базальтовым слоем штата Вашингтон в основном за счет геотермального тепла, позволяет предположить, что когда-нибудь мы доберемся и до глубин океанов Европы, где обнаружим примитивные по своему устройству из-за ограниченных запасов энергии, но живые организмы, не похожие ни на один из организмов, существующих на нашей планете. Только представьте себе подледную рыбалку на льдинах Европы! Остается только один вопрос: как мы назовем этих существ — европцами или европейцами?

Марс и Европа — кандидаты номер один и два для поиска внеземной жизни в нашей Солнечной системе; на Цереру внимание обратили не так давно, и она только начала собирать своих сторонников. Однако есть еще два объекта, и хоть они расположены в два раза дальше от Солнца, чем Юпитер и его луны, над ними вполне могли бы висеть транспаранты «Обратите внимание на меня!» Вокруг Сатурна вращается Титан — одна гигантская луна, которая разделяет пальму первенства с чемпионом по размеру Ганимедом, вращающимся вокруг Юпитера, как самая крупная луна в Солнечной системе. Будучи в два раза больше нашей родной Луны, Титан обладает довольно плотной атмосферой, которой не может похвастаться ни один другой спутник. (Да и планета Меркурий тоже — он лишь чуть больше Титана, но расположен так близко к Солнцу, что его тепло испаряет любые образующиеся в окрестностях атмосферы газы.) В отличие от Марса и Венеры, атмосфера Титана, толщиной своей превышающая атмосферу Марса во много десятков раз, состоит преимущественно из молекул азота, как и земная. Внутри этого прозрачного азотного газа парят бесчисленные аэрозольные частицы — довольно густой смог, который перманентно скрывает от нас поверхность Титана. В результате спекуляции о возможностях жизни на Титане получили широкое распространение. Температура поверхности Титана составила примерно 94 градуса по шкале Кельвина (–179 градусов по шкале Цельсия), что уж больно холодно для того, чтобы там могла существовать жидкая вода, но вполне подходит для жидкого этана — соединения углерода и водорода, которое хорошо известно каждому, кто увлекается рафинированием нефтепродуктов. На протяжении вот уже нескольких десятилетий астробиологи воображают себе этановые озера на Титане, полные организмов, которые плавают, едят, встречаются и размножаются. В 2005 году первые предварительные исследования этой гигантской луны наконец-то заменили собой фантастические теории.

В октябре 1997 года межпланетная станция «Кассини-Гюйгенс» к Сатурну — совместный проект NASA и Европейского космического агентства (ESA) — покинула Землю. Практически семь лет спустя, удачно воспользовавшись гравитационным ускорением от Венеры (дважды), Земли и Юпитера (однажды), космическая станция достигла окрестностей Сатурна, где выпустила ракеты, чтобы занять орбиту вокруг этой окольцованной планеты. Вскоре от орбитальной станции отделился зонд «Гюйгенс», чтобы осуществить посадку на поверхность Титана, преодолев его плотные облака с помощью теплового щита, который не дал зонду сгореть из-за трения об атмосферу во время быстрого прохождения ее верхних слоев. Вслед за этим зонд выпустил один за другим несколько парашютов, которые позволили ему медленно пересечь нижние слои атмосферы. Оказавшись в безопасности на поверхности Титана, «Гюйгенс» использовал шесть инструментов для измерения температуры, плотности и химического состава его атмосферы, отправляя изображения на Землю через орбитальную станцию «Кассини». Ограничения по весу его батарей позволили «Гюйгенсу» прожить на Титане всего несколько часов, чего оказалось достаточно, чтобы получить десятки изображений поверхности, усеянной камнями и галькой.

Неоднократно изменявшая орбиту по команде с Земли, «Кассини» проработала 12 лет, внимательно изучая Сатурн и его спутники, в том числе и шесть новых, обнаруженных этой экспедицией. Бортовой радар сумел пронзить смог Титана и сделать снимки многочисленных озер (одно из них больше, чем любое из Великих озер), состоящих не из жидкой воды, поскольку температура на Титане близка к –179 градусам по шкале Цельсия, а из жидкого метана и этана, то есть углеводородных соединений, внутри которых, по крайней мере теоретически, могли возникнуть примитивные формы жизни. Астрофизики, занимающиеся изучением Титана, полагают, что клатраты придают поверхности Титана дополнительную прочность и это позволяет сохраняться озерам этана и метана. Их утверждение ожидает проверки будущими космическими экспедициями.

Из шести других спутников Сатурна с диаметром от 250 до 950 миль, наибольший интерес представляет Энцелад. Этот далекий мир, диаметр которого составляет всего 15 % от диаметра нашей Луны или Европы и 10 % от диаметра Титана, имеет гладкую, без кратеров, поверхность, покрытую льдом. Отсутствие кратеров свидетельствует о недавнем обновлении поверхности, обусловленном действием гейзеров, выбрасывающих потоки газов, которые включают некоторые молекулы, служащие строительным материалом для жизни. Измерения гравитационного поля Энцелада, проведенные станцией «Кассини», показали, что под поверхностью существует океан жидкой воды, который поддерживается в жидком состоянии не за счет приливных колебаний, как это происходит на Европе, а, скорее, благодаря теплу, выделяемому радиоактивными породами в ядре Энцелада.

Благодаря этому открытию Энцелад был добавлен в список главных целей для ученых, ищущих жизнь на других объектах Солнечной системы, после Марса, Европы, Титана и гораздо позднее добавленной Цереры. Европа намного больше по размеру, чем Энцелад, и оба спутника находятся на очень большом расстоянии от Земли, но астрофизики мечтают послать к ним зонды, способные пробить их твердую ледяную корку, чтобы исследовать мутные воды, где в кромешной тьме может развиваться жизнь. Астрофизики оценивают толщину льда примерно в десять миль или около того, хотя вблизи полюсов Энцелада он может быть намного тоньше, однако на воплощение мечты заглянуть под него в любом случае потребуются многие годы.

За орбитой последней планеты нашей системы находится Плутон. В 1930 году, сразу после открытия, он был включен в список планет, а в 2006 году в силу его особенностей и по результатам голосования Международного астрономического союза (МАС) исключен. До этого момента в NASA успели добиться финансирования отправки космического аппарата «Новые горизонты» к Плутону, крошечные размеры которого и огромная удаленность от Земли не позволили даже космическому телескопу Хаббл получить детальные изображения. Запущенный незадолго до голосования МАС, аппарат «Новые горизонты» получил гравитационный импульс от Юпитера и после почти десятилетнего путешествия в июле 2015 года достиг Плутона. Преодолев расстояние, в 40 раз превышающее расстояние между Землей и Солнцем, космический аппарат смог лишь пролететь рядом со своей главной целью, но изображения и другие данные, присланные на Землю, оправдали все надежды и планы астрофизиков.

На детальных изображениях Плутона и его спутника Харона неожиданно обнаружился сложный рельеф. У Плутона, диаметр которого составляет две трети диаметра Луны, а масса равна одной шестой ее массы, имеется спутник с диаметром чуть больше половины его собственного диаметра. Два объекта совершают один оборот вокруг общего центра масс за 6,4 дня. Они так сильно связаны взаимным притяжением, что всегда обращены друг к другу одной и той же стороной, как Луна по отношению к Земле. На обоих температура поверхности равна 53 градусам по шкале Кельвина (–220 градусов по шкале Цельсия), и, взглянув на эти данные с точки зрения искателей жизни, мы могли бы с уверенностью сказать, что это исключает всякую возможность существования любого вещества в жидком виде. Однако аппарат «Новые горизонты» увидел вблизи южного полюса Плутона горы высотой в две с половиной мили (4 км), которые своей формой похожи на «криовулканы», извергающие не расплавленную породу, а, скорее, замороженные летучие молекулы воды, метана и аммиака. На Титане тоже есть высокие горы, вероятно, являющиеся криовулканами; в обоих случаях прочность таких структур скорее всего обеспечивают клатраты, которые мы встретили на Церере. Наличие криовулканов позволяет предположить, что под поверхностью Плутона, который можно назвать «ледяным» лишь с очень большой натяжкой, есть источник тепла, возможно, первичного тепла, возникшего в результате столкновений, сформировавших систему Плутон — Харон. Если это так, то будущие исследователи смогут выяснить, стал ли жидкий или полужидкий материал под его поверхностью и под поверхностью Европы и Энцелада прибежищем для странных форм жизни.

Можно ли считать Плутон планетой? Огромный массив изображений и других данных, которые «Новые горизонты» получил во время своего путешествия мимо Плутона и Харона, разрешил один скромный спор и обострил другой. Удивительное ландшафтное разнообразие Плутона и его главного спутника, а также существенные различия между двумя небесными объектами, находящимися в непосредственной близости, говорят о том, что они не могут считаться грудами небесных камней, подобно крупнейшим астероидам. Их поверхности, и особенно поверхность Плутона, имеют сложный рельеф, изменившийся за миллиарды лет.

Возможно, подкрепленные именно этими захватывающими пейзажами, общественные настроения продолжают склоняться в пользу сохранения за Плутоном статуса планеты. На стороне этого мнения стоит и Алан Штерн — главный исследователь космической экспедиции «Новые горизонты». Штерн и те, кто его поддерживает, отвергают решение, вынесенное МАС в 2006 году. Люди, которые выучили названия планет Солнечной системы от Меркурия до Плутона еще в детском возрасте, также отказываются принять это изменение и время от времени показывают своим соратникам особый знак — девять пальцев, поднятых вертикально, что означает: Плутон должен снова обрести статус планеты Солнечной системы.

Как в МАС пришли к такому решению? Чем они руководствовались? Мы не будем углубляться в сложные определения и отметим лишь два основных факта, отраженных в резолюции. Во-первых, Плутон мал: его масса составляет всего лишь одну пятую массы нашей Луны. Во-вторых, и это, вероятно, особенно важно, астрофизики обнаружили множество объектов с размерами, близкими к размерам Плутона и вращающихся вокруг нашей звезды на орбитах, которые располагаются далеко за орбитой Плутона. Шесть крупнейших из данных объектов, получивших название транснептуновых, — это Плутон, Эрида, Хаумеа, Макемаке, Гун-гун и Квавар. Эрида имеет диаметр примерно на 2 % меньше диаметра Плутона, но из-за более высокой плотности ее масса на 27 % больше. Даже Квавар, занимающий шестое место в списке, имеет половину диаметра Плутона.

Если считать Плутон полноправной планетой, то тот же статус следует присвоить и Эриде. Хаумеа с диаметром, составляющим две трети диаметров Плутона и Эриды, тоже могла бы претендовать на звание планеты. Не имея четкого правила разделения настоящих и карликовых планет, мы можем продолжать и продолжать этот список. Кроме того, на звание планет могли бы претендовать и крупнейшие астероиды, начиная с Цереры с ее подземными водами. С другой стороны, сторонники Плутона могут утверждать, что Харон — довольно большой спутник с диаметром больше, чем у Квавара, — делает Плутон уникальным среди транснептуновых объектов. И все же большинство астрофизиков согласны с решением считать все эти крупные объекты карликовыми планетами.

Тем временем Плутон остается полностью равнодушным, как, возможно, и большинство людей на Земле, к тому, как мы его называем — настоящей планетой или карликовой. Вместо споров друг с другом нам следовало бы отпраздновать тот факт, что, несмотря на то, что все указывает на обратное, Плутон все же может оказаться самым удаленным форпостом жизни в Солнечной системе.

Если нет жизни без воды, следует ли нам ограничиться планетами и их лунами в поисках жизни, раз на их поверхностях вода может скапливаться в существенных количествах? Никак нет. Молекулы воды наряду с другими знакомыми бытовыми химикатами, такими как аммиак, этан и метиловый спирт, можно нередко обнаружить в холодных межзвездных газовых облаках. При соблюдении определенных условий — низкой температуры и высокой плотности — группа молекул воды может преобразовать и захватить в воронку энергию близлежащей звезды, превращая ее в усиленный и высокоинтенсивный микроволновый луч. Атомная физика этого явления примерно сопоставима с тем, что делает лазерный луч с видимым светом. Правда, в данном случае на ум приходит слово «мазер»: микроволновый амплификатор на основе стимулированных эмиссий радиации (речь идет, соответственно, о «микроволновом усилении с помощью стимуляции концентрированного излучения», если говорить более доступным языком). Воду не только можно найти практически где угодно в нашей галактике, она еще иногда позволяет себе светить вам в лицо лучом! При этом основная проблема, с которой столкнулась бы потенциальная жизнь в межзвездных облаках, заключается не в нехватке сырья, но в его экстремально низкой плотности, что существенно снижает частоту возможных столкновений и взаимодействий друг с другом частиц. Если жизни нужны миллионы лет для того, чтобы сформироваться на такой планете, как Земля, у нее наверняка уйдут триллионы лет на то, чтобы возникнуть в условиях столь низкой плотности строительного материала. Наша Вселенная пока гораздо моложе.

Завершая поиски жизни в Солнечной системе, мы вроде бы закончили и свою экскурсию по фундаментальным вопросам, которые неразрывно связаны с нашим космическим происхождением. Однако мы не можем не коснуться еще одного важнейшего вопроса, который на самом деле нам еще только предстоит задать себе в будущем: речь идет о наших контактах с иными цивилизациями. Ни одна астрономическая тема не захватывает воображение публики столь живо, и ни одна из них не предлагает лучшей возможности собрать воедино все нити знаний о Вселенной, что мы получили в предыдущих главах. Теперь, когда мы кое-что знаем о том, как может зародиться жизнь в других мирах, мы можем изучить вероятность того, что одно из самых глубоких человеческих желаний будет когда-нибудь удовлетворено — желание обрести во Вселенной благодарных собеседников.

Глава 16. Поиски жизни в галактике Млечный Путь

Мы уже знаем, что в пределах нашей Солнечной системы Марс, Церера, Европа, Титан и Энцелад представляют для исследователей наибольший интерес как потенциальные площадки для обнаружения внеземной жизни, все еще существующей или уже окаменелой. В разы выше и вероятность того, что именно на этих пяти объектах будет найдена вода или какая-то другая субстанция, способная, будучи в жидком состоянии, стать подходящим растворителем для разных молекул, что несут в себе жизнь. Поскольку только эти объекты имеют либо надземные водоемы, либо подземные океаны, большинство астробиологов ограничивается только ими, возлагая на них все свои надежды и тем самым сужая географию поисков примитивных инопланетных форм жизни. У пессимистов есть ключевой довод, который однажды либо станет всеобщим доводом, либо будет всеми же отвергнут. Он гласит: даже если мы найдем условия, подходящие для возникновения и поддержания жизни, это еще не значит, что мы найдем в этих условиях жизнь. Так или иначе, результаты исследований Марса, Цереры, Европы, Титана и Энцелада будут иметь огромное значение и очень пригодятся для того, чтобы оценить степень распространения жизни в космосе. В одном оптимисты и пессимисты единодушны: если мы хотим найти продвинутые формы жизни — жизни, представленной кем-то более крупным, чем простые одноклеточные организмы, что первыми появились когда-то на Земле и долгое время господствовали на ней, — тогда нам следует обратить свой взор далеко за пределы Солнечной системы: в сторону планет, что вращаются вокруг других звезд.

Когда-то давно мы могли лишь отстраненно судить о существовании таких планет. Теперь, когда было найдено более 5000 экзопланет, мы можем с уверенностью предсказать, что обнаружение планет земного типа — это лишь вопрос времени и еще более точных наблюдений. Начало XXI века, вероятно, ознаменует поворотный момент в истории, поскольку мы можем получить реальные доказательства существования многочисленных обитаемых миров во Вселенной. И значения первых двух членов формулы Дрейка, отражающих количество планет во Вселенной, что вращаются вокруг звезд с продолжительностью жизни в миллиарды лет, теперь видятся скорее высокими, чем низкими. Правда, следующие два члена, которые отражают вероятность обнаружения подходящих для жизни планет и вероятность зарождения жизни на таких планетах, остаются почти столь же неопределенными, как и до открытия экзопланет. Но все же наши попытки предложить примерные значения для этих двух вероятностей куда более информированы, чем попытки наделить значениями два последних члена формулы: вероятность того, что жизнь в альтернативном мире пройдет весь путь эволюции до разумной цивилизации, и отношение средней предполагаемой продолжительности жизни такой цивилизации к продолжительности жизни всей галактики Млечный Путь.

Для оценки значений первых пяти членов формулы Дрейка мы можем предложить свою собственную Солнечную систему и самих себя в качестве примера, хотя не следует забывать о принципе Коперника во избежание ситуации, в которой мы вдруг начнем судить космос по себе, а не себя по космосу. Но вот мы добираемся до последнего члена уравнения: желая обозначить среднюю продолжительность жизни цивилизации, завладевшей технологическими возможностями, позволяющими отправлять сигнал на межзвездные расстояния, мы не можем прийти к какому-либо адекватному ответу, даже взяв Землю за базовый пример, — ведь нам еще только предстоит узнать, как долго просуществует наша собственная цивилизация. На сегодняшний день мы вот уже почти целое столетие обладаем возможностью отправлять сигналы в космос — с тех самых пор, как мощные радиостанции научились передавать сообщения с одного края земного океана на другой. Просуществует ли наша цивилизация еще одно столетие, тысячелетие или еще много тысяч веков, зависит от целого комплекса факторов, которые мы просто не в состоянии предвидеть, даже если многие из них указывают на невозможность нашего выживания в долгосрочной перспективе.

Задаваясь вопросом, соответствует ли наша судьба среднестатистической судьбе типичной планеты Млечного Пути, мы делаем шаг на новую ступень размышлений и нам не остается ничего другого, как счесть последний член формулы Дрейка, влияющий на конечный результат в той же степени, что и все остальные, категорически неизвестным. Если — и это будет оптимистичным прогнозом — в большинстве планетных систем есть не менее одного объекта, подходящего для зарождения жизни, и если жизнь действительно зарождается на достаточно большом количестве таких объектов (например, на одной десятой от их общего числа), и если разумные цивилизации, к примеру, формируются в одном из десяти случаев возникновения жизни, тогда, учитывая, что в Млечном Пути 100 миллиардов звезд, в конкретный исторический момент в нашей галактике может насчитываться один миллиард миров со сформировавшимися разумными цивилизациями. Это огромное число, конечно, следует из самого факта, что в нашей галактике так много звезд и что большая часть из них более или менее напоминает наше Солнце. Чтобы получить пессимистичный прогноз, просто замените все названные нами значения с одной десятой на одну десятитысячную, тогда один миллиард локаций уменьшится в миллион раз и превратится в гораздо более скромную тысячу.

А это уже существенная разница. Предположим, что средняя цивилизация — которую мы так называем в том случае, если она обладает возможностями межзвездного сообщения, — существует на протяжении 10 000 лет: это составляет около одной миллионной доли продолжительности жизни Млечного Пути. С точки зрения оптимиста, рано или поздно за всю историю галактики цивилизации должны образоваться в миллиарде мест, то есть в каждый конкретный момент времени таких цивилизаций существует около тысячи одновременно. Напротив, с точки зрения пессимиста, в каждую типичную эпоху должно существовать около 0,001 цивилизации, что делает нас одиноким и исполненным драматизма экстремальным значением для заданного промежутка времени.

На что же будет похоже реальное значение формулы Дрейка? В науке ничто так не убедительно, как экспериментальные доказательства. Если мы хотим определить среднее число цивилизаций в галактике Млечный Путь, лучшим научным решением этой проблемы будет взять и измерить, сколько цивилизаций существует в ней в данный момент. Самый логичный способ добиться выполнения этой уникальной задачи — исследовать всю галактику целиком (что давно мечтают сделать актеры, снимающиеся в телесериале «Звездный путь»), награждая каждую обнаруженную нами цивилизацию порядковым номером и типом (это если мы вообще найдем хоть одну). (Жизнь в галактике, где нет никаких инопланетян, никогда не ляжет в основу сюжета телешоу с высокими рейтингами.) К сожалению, подобное исследование лежит далеко за пределами наших текущих технологических возможностей и сильно за пределами доступного нам бюджета.

Кроме того, на исследование целой галактики уйдет много миллионов лет, если не больше. Задумайтесь над тем, какой была бы телепередача о межзвездных космических исследованиях, если бы она ограничивалась лишь тем, что мы достоверно знаем о физике нашей с вами реальности. В течение целого часа на экране показывали бы членов экипажа космического корабля, выясняющих отношения друг с другом и прекрасно понимающих, что они забрались уже очень далеко в космос, но осталось им еще никак не меньше. «Мы уже прочитали все журналы», — возможно, скажет один. «Мы так устали друг от друга, а вы, капитан, вы — настоящая заноза в звездном небе», — пробормочет другой. Затем, пока одни члены экипажа поют самим себе песни, а другие уже явно отходят в свои собственные миры тихого космического безумия, долгий затяжной кадр напомнит нам о том, что расстояние до других звезд Млечного Пути составляет в миллионы раз больше, чем расстояние до любой другой планеты Солнечной системы от Земли.

Между прочим, этот коэффициент учитывает только расстояние до ближайших соседок Солнца — все же столь далеких, что их свет идет до нас на протяжении многих и многих лет. Для полноценной обзорной экскурсии по Млечному Пути нам понадобится отправиться в десять тысяч раз дальше. Голливудские фильмы, демонстрирующие межзвездные полеты, преодолевают это невероятно сложное фактическое обстоятельство очень просто: они игнорируют его («Вторжение похитителей тел», 1956 год); они намекают на усовершенствованные ракеты и технологии или на более точное понимание законов физики («Звездные войны», 1977 год); или предлагают такие интригующие способы добраться до нужной точки космоса в целости и сохранности, как заморозка и гибернация, помогающие космонавтам пережить невероятно длительное путешествие («Планета обезьян», 1968 год).

В каждом из подобных подходов что-то есть, а некоторые даже предлагают определенные творческие преимущества. Вполне возможно, что мы будем и дальше совершенствовать свои космические корабли и ракеты, которые сегодня способны развивать скорость лишь около одной десятитысячной скорости света — а быстрее перемещаться мы и не мечтаем, по крайней мере исходя из нашего текущего понимания законов физики. Но даже путешествие со скоростью света к соседним звездам займет далеко не один год, а экскурсия по всему Млечному Пути — почти тысячу столетий. Заморозка астронавтов звучит многообещающе, но ведь если те, кто останутся на Земле и, судя по всему, будут оплачивать такие путешествия, не будут заморожены (а зачем?), они вряд ли когда-нибудь увидятся с вернувшимися десятки лет спустя астронавтами. Одобрить финансирование таких проектов будет очень непросто. Если учесть нашу довольно малую продолжительность жизни — а значит, и сосредоточенного на чем-либо внимания, — то устанавливать контакт с внеземной цивилизацией (если хоть одна из них существует) лучше всего «прямо не выходя из дома», с Земли. Все, что от нас требуется, — это сидеть и ждать того, чтобы они нас навестили.

Вот только зачем им это нужно? Что в нашей планете такого особенного, чтобы инопланетные сообщества сочли ее заслуживающей интереса (при условии, что они существуют)? В данном вопросе человечество только и делает, что нарушает принцип Коперника. Спросите любого, чем заслужила Земля столь пристальное внимание к своей персоне, — и получите в свой адрес короткий и гневный взгляд. Все концепции возможных визитов инопланетян на Землю, как и немалая часть религиозной догмы, опираются на невысказанное и очевидное заключение, что наша планета и населяющие ее формы жизни значатся столь высоко в списке главных вселенских чудес, что аргументация просто не нужна; получается, это вроде как само собой разумеется и нисколько не странно с астрономической точки зрения, что наша песчинка звездной пыли, затерянная где-то в пригородах Млечного Пути, почему-то превращается в некий галактический маяк, сияющий во тьме и не просто требующий внимания, но и получающий его — в космических масштабах.

Это заключение следует из того факта, что для того, кто наблюдает космос с Земли, Вселенная действительно выглядит примерно так. Размер планет еще «куда ни шло», в то время как звезды — лишь точки света в небе. С насущной точки зрения тут нет ничего удивительного. Наше успешное выживание и воспроизведение на этой планете, вплоть до мельчайших организмов, обитающих на ней, мало зависит от окружающей нас Вселенной. Среди всех астрономических объектов только Солнце, а также в гораздо меньшей степени Луна влияют на нашу жизнь, да и их движения столь однообразны, что они начинают казаться частью декораций в какой-то картине, воспевающей Землю. Наше человеческое сознание, сформировавшееся на Земле по итогам бесчисленных событий и встреч с разными существами, по вполне понятным причинам все внеземные дела воспринимает как второстепенную массовку к тому «самому главному», что происходит на главной сцене — на Земле. Наша ошибка заключается в том, что мы почему-то считаем, что эти самые участники массовки тоже ставят нас во главу угла.

Так как каждый из нас принял на веру это ошибочное убеждение задолго до того, как наше сознание научилось управлять нашим мышлением, мы не можем полностью избавиться от него, даже когда сами приказываем себе сделать это. Те, кто навязывает нам соблюдение принципа Коперника, должны постоянно оставаться начеку, не давая нашему рептильному мозгу нашептать нам обратное, уверяя нас, что мы занимаем самый центр Вселенной и что все ее внимание естественным образом направлено на нас.

Внимая сообщениям об инопланетных гостевых визитах на Землю, мы должны не забывать еще об одной обманчивой особенности человеческой мысли — так же вездесущей и чреватой самообманом, как и наша антикоперниковская предвзятость. Человек доверяет своей памяти гораздо больше, чем она того реально заслуживает. Причина тому — то же самое выживание, на фоне которого мы считаем Землю центром мироздания. Память — это запись нашего восприятия, и, в общем-то, даже хорошо, что мы обращаем внимание на эти «записи» и делаем из них какие-то выводы, которые могут повлиять на наше будущее.

Так как теперь у нас есть более эффективные способы документирования прошлого, мы стараемся не полагаться на память отдельных людей в вопросах, имеющих ключевое значение для общества. Мы стенографируем дебаты в конгрессе и издаем законы в печатной и цифровой форме, мы снимаем на видеопленку сцены преступлений, мы украдкой делаем аудиозаписи криминальных действий — потому что мы считаем все эти носители более совершенными, чем наш мозг, когда речь идет о создании перманентных записей о прошлых событиях.

В этом правиле остается одно заметное исключение: мы продолжаем воспринимать показания очевидцев как точную информацию, по меньшей мере как информацию, требующую проверки — в наших судебных разбирательствах. Мы делаем это, несмотря на то что раз за разом тестирования демонстрируют, что каждый из нас, независимо от лучших своих побуждений, не способен досконально запоминать происходящие с ним события, особенно в тех случаях, когда воспоминания связаны с чем-то для нас необычным и будоражащим (именно такое, как правило, и попадает в итоге в судопроизводство). Тем не менее каждое восклицание в зале суда вроде «Пистолет был в руках вот у этого человека!» должно быть тщательно взвешено и противопоставлено все множащемуся количеству дел, в которых «этот» человек в итоге не оказывался держателем пистолета, притом что свидетель искренне верил, что видел именно его.

Если мы будем стараться не забывать обо всем этом, когда беремся изучать сообщения о неопознанных летающих объектах (НЛО), нам будет нетрудно тут же заметить огромный потенциал для ошибки в данной области. По своему определению НЛО — это странное явление, которое заставляет наблюдателей невольно отделять привычное от непривычного в своих мыслях на фоне столь редко привлекающего их внимание в обычной жизни лунного диска и при этом требует, чтобы они пришли к скоропостижным выводам здесь и сейчас, пока данный объект не исчез из виду. Добавьте сюда психический заряд, рождающийся вследствие того, что наблюдатель уверен: он только что увидел что-то исключительно редкое — и вряд ли вам удастся найти более удачный классический пример ситуации, которая с наибольшей вероятностью способна оставить в голове человека ошибочное воспоминание. Наш мозг всегда будет пытаться вписать необычное зрелище в рамки прошлого опыта. Эта особенность может помешать полному пониманию и повлиять на опытных пилотов даже больше чем на обывателей, просто потому что они тратят десятки и сотни часов на интерпретацию всего, что видят в небе.

В 1950-х годах астрофизик Дж. Аллен Хайнек, бывший тогда ведущим консультантом ВВС США по НЛО, любил подчеркивать это, быстрым движением доставая из кармана миниатюрную камеру и заявляя, что, если бы ему когда-нибудь довелось увидеть НЛО, он немедленно воспользовался бы камерой для того, чтобы заполучить научные тому доказательства, потому что понимает, что его личные показания об «увиденном» приняты не будут. К сожалению, технологический прогресс с тех пор дошел до того, что фальшивые изображения и даже видео нередко невозможно отличить от подлинных, так что план Хайнека по использованию фотосвидетельств о визите НЛО нам больше не подходит. Собственно, если говорить о взаимодействии между хрупкостью человеческой памяти и изобретательностью таких «художников», мы вряд ли возьмемся с полной уверенностью утверждать, какие из предложенных нам «снимков» НЛО похожи на правду, а какие — на подделку. Тем не менее нельзя не отметить, что техника и технологии шагнули далеко вперед и теперь, благодаря прогрессу, почти все мы постоянно носим с собой видеокамеры высокого разрешения. Однако число наблюдений НЛО обычными гражданами от этого не увеличилось.

В 2021 году правительство США обнародовало ряд видеозаписей, сделанных с военных самолетов, на которых видно, как НЛО, теперь переименованные в неопознанные воздушные явления (НВЯ), движутся в непосредственной близости от самолетов и выполняют высокоскоростные маневры с большими ускорениями, намного превосходя возможности наших современных технологий (известных широкой общественности) и способность человека переносить такие ускорения. НВЯ не имели видимых поверхностей управления и следов выхлопных газов. Без радиолокационных данных, которые могли бы надежно установить расстояние, скорость и физическую реальность изображений, мы не можем уверенно отличить реальные объекты от глюков, возникающих в современных оптических системах из-за их сложности, а также оптических иллюзий, таких как миражи, и ошибочных опознаний военными пилотами. Сторонники различных объяснений этих НВЯ — как оптических явлений, секретных аппаратов, созданных Соединенными Штатами, или их врагами, или космическими кораблями других цивилизаций, — согласны с тем, что нам нужно больше данных, чтобы получить окончательное объяснение видеозаписей, опубликованных военными.

Когда речь заходит о более экстремальном явлении, так называемых похищениях инопланетянами, удивительная способность человеческой психики торжествовать над реальностью, подавляя ее, становится еще очевиднее. Хотя конкретных чисел тут так просто не получишь, за последние годы десятки тысяч людей, судя по всему, заявляли, что их забирали на борт космической тарелки, где подвергали различным исследованиям, нередко довольно унизительного характера. С точки зрения спокойного и рассуждающего человека, даже просто утверждать подобное — уже значит опровергать сам факт того, что это произошло. Прямое применение принципа бритвы Оккама, который призывает к тому, чтобы всегда выбирать тот вариант объяснения событий, что является наиболее простым, подводит нас к мысли о том, что все подобные похищения были выдуманы, а не пережиты в самом деле. Так как почти все случаи подобных похищений происходят почему-то именно ночью — нередко объект уверяет, что даже не проснулся от этого, — наиболее вероятным объяснением их становится состояние гипнагогии, когда мозг находится в промежуточном состоянии между бодрствованием и сном. У многих в этот короткий период окончательного засыпания приключаются относительно яркие визуальные и слуховые галлюцинации, а иногда человек обнаруживает себя в состоянии так называемого сонного паралича, когда, будучи в полном сознании, он не может пошевелить даже пальцем. Подобные эффекты проходят сквозь фильтры нашего мышления и образуют в нем кажущиеся реальными воспоминания, способные взрастить непоколебимую уверенность их хозяина в том, что они несомненны.

Есть и другой «распространенный» сценарий похищения землян экипажами НЛО: внеземные посетители выбрали именно Землю и прибыли сюда в таких количествах, что им не составило труда похищать человечество тысячами — ненадолго — и, судя по всему, изучать их как можно ближе (но неужели они за все это время еще не узнали всего, что им нужно, и не могут ли они ограничиться похищением тел, чтобы изучать по ним анатомию?). Некоторые истории подразумевают, что инопланетяне берут у похищенных образцы каких-то тканей или помещают свое семя в тела жертв женского пола, а еще они стирают из памяти жертвы подробности встречи, чтобы жертва не могла «найти их» снова (не очень понятно, почему бы им тогда вообще не стереть эпизод с похищением из человеческой памяти целиком). Утверждения таких людей нельзя категорически отвергать немедленно, как нельзя сбрасывать со счетов и некую вероятность, что строки, которые вы сейчас читаете, были написаны инопланетянами исключительно с той целью, чтобы наделить вас ложным чувством безопасности и защищенности от инопланетной угрозы — ведь тогда инопланетянам будет проще осуществить свои планы космического господства. Вместо этого, опираясь на наше умение рационально анализировать и разделять объяснения ситуаций на более и менее вероятные, мы можем приписать гипотезе о похищении людей инопланетянами исключительно малую статистическую вероятность.

Одно заключение кажется равно неопровержимым как скептически настроенным в отношении НЛО, так и фанатам летающих тарелок. Если инопланетные общества действительно иногда навещают Землю, они должны быть в курсе того, что мы создали всемирные возможности для распространения информации и развлечения (а также для разграничения одного от другого). Сказать, что любому инопланетному существу захотелось бы воспользоваться этими возможностями, — значит ничего не сказать. Они получили бы мгновенное разрешение (хотя оно им, возможно, и не понадобилось бы) на то, чтобы обозначить свое присутствие — если бы хотели. Отсутствие явных инопланетян на наших телеэкранах подтверждает либо их отсутствие на самой Земле как таковой, либо их явное нежелание быть обнаруженными — «стесняются» они. Для последнего варианта существует одно противоречие. Если инопланетные посетители Земли предпочитают оставаться незамеченными и если у них есть технологии, в разы более продвинутые, чем наши (а умение путешествовать от одной звезды к другой на это указывает), то почему же у них ничего не получается? Почему мы считаем само собой разумеющимся обнаружение каких-либо доказательств их существования — личные свидетельства, круги в полях с жатвой, построенные древними астронавтами пирамиды и воспоминания о похищении, — если инопланетяне этого не хотят? Судя по всему, они просто играют с нами, словно кошка с мышатами. Вполне возможно, что они также секретно управляют нашими вождями — глядя на современную политику и индустрию развлечений, эта идея даже начинает казаться не такой уж невероятной.

Тема НЛО подчеркивает одно важное свойство нашего сознания. Подсознательно считая, что наша планета — центр мироздания, а наше звездное окружение — лишь прекрасные декорации для земной жизни, мы тем не менее испытываем сильнейшее желание нащупать с этим окружением связь. Это выражается в умственной деятельности, не более разборчивой, чем вера в сообщения об инопланетных туристах или вера в доброжелательное божество, шлющее на Землю громы и молнии, а также вестников своей воли. Подобное отношение уходит корнями в те дни, когда между Землей под ногами и небом над головой существовало самоочевидное разграничение: мы могли дотронуться до одних объектов — и лишь наблюдать издалека, как другие плывут по небу, сияя и оставаясь для нас недостижимыми. Отсюда и сформированные в нашем восприятии различия между земным телом и космической душой, между обыденным и чудесным, естественным и сверхъестественным. Необходимость навести умственные мосты между этими двумя аспектами существующей реальности легла в основу множества наших попыток создать убедительную картину своего существования. Представленные современной наукой доказательства того, что все мы сделаны из звездной пыли, вставили прочные палки в колеса наших мыслей, от чего многие из нас до сих пор никак не придут в себя. НЛО — эти посланники с других краев цивилизации — словно напоминают нам о своем всемогуществе, о том, что другие космические расы знают, кто они такие и для чего они здесь, в то время как мы лишь начинаем в этом немного разбираться. Эти идеи хорошо отражены в классической кинокартине 1951 года «День, когда Земля остановилась»: в ней инопланетный гость, гораздо более мудрый, чем мы, прибывает на Землю, чтобы предупредить нас, что наша жестокость может привести нас к гибели.

Наш внутренний интерес к космосу имеет и темную сторону, которая заставляет нас проецировать свое недоверие к незнакомым людям на незнакомых инопланетян. Многие отчеты о ситуациях, в которых якобы замешаны НЛО, начинаются с фраз вроде: «Я услышал какие-то странные звуки, поэтому я взял винтовку и пошел узнать, что это такое было». Фильмы, рассказывающие о пришельцах на Земле, тоже с легкостью приобретают оттенок неприязненного к ним отношения, начиная с эпической картины 1956 года «Земля против летающих тарелок», в которой военные подразделения бомбят космический корабль пришельцев, даже не подумав сначала узнать у них, что им нужно, и заканчивая картиной «Знаки» 2002 года, в которой мирный главный герой, у которого дома нет винтовки, пытается расправиться с вторгшимися на его территорию незваными гостями с помощью бейсбольной биты (это, кстати, вряд ли поможет одолеть настоящих пришельцев, способных пересекать межзвездные пространства с целью визита на Землю).

Главный аргумент против того, чтобы всерьез воспринимать сообщения о летающих тарелках как доказательства внеземных визитов, основан на незначительности нашей планеты — в сочетании с огромными расстояниями, что разделяют звезды. Ни то ни другое не является категорическим противопоказанием к тому, чтобы верить в наши эпизодические контакты с инопланетянами, но в совокупности они все же образуют очень веский довод. Но что же это значит? Что из-за нехватки у Земли особенной космической привлекательности нам следует отказаться от надежды когда-нибудь принимать у себя другие цивилизации — и уповать на тот день, когда наших ресурсов хватит на долгие межзвездные путешествия навстречу этим самым чужим цивилизациям? Никак нет. Научный подход к установлению контакта с другими цивилизациями внутри и за пределами Млечного Пути, если они существуют, всегда основывался на том, чтобы позволить природе работать на нас. Этот принцип превращает вопрос «Что в инопланетных цивилизациях покажется нам самым интересным?» (ответ: сами их представители во плоти) в более плодотворный с научной точки зрения: «Самый эффективный способ установить контакт с инопланетной цивилизацией — какой он?» Природа и громадные расстояния между звездами подсказывают: используйте самый дешевый и быстрый способ общения, который, предположительно, также будет считаться дешевым и быстрым на любом другом участке галактики.

Самый быстрый и дешевый способ отправить межзвездное сообщение — использовать электромагнитное излучение, тот самый носитель, что на самой Земле отвечает за большинство коммуникаций на дальние расстояния. Радиоволновые технологии произвели революцию в человеческом обществе, позволив нам отправлять вокруг света слова и изображения со скоростью 186 000 миль в секунду. Эти сообщения путешествуют так быстро, что, даже если отправить их на неподвижный спутник, вращающийся вокруг нашей планеты на высоте 23 000 миль, который затем направит их далее, к другому приемнику на поверхности Земли, они на каждом этапе своего путешествия будут запаздывать лишь на крошечную долю секунды.

На межзвездных расстояниях сроки этих задержек увеличиваются, хотя и остаются самыми короткими из возможных. Если мы захотим послать радиосообщение на Альфу Центавра — в наиболее близкую к Солнцу другую звездную систему, — нам нужно будет заложить около 4,4 года на дорогу в каждую сторону. Сообщения, блуждающие в космосе на протяжении 20 лет, могут достигнуть нескольких сотен звезд и любых планет, что вокруг них вращаются. Значит, если бы мы были готовы ждать 40 лет, то могли бы отправить сообщение каждой из таких звезд и в конце концов — а вдруг! — получить какой-то ответ. Этот подход, безусловно, подразумевает, что существующие вблизи этих звезд цивилизации умеют пользоваться радио и смогут в достаточной мере заинтересоваться нами, чтобы им воспользоваться.

Основная причина, по которой мы такой методикой налаживания контакта с другими цивилизациями в итоге не пользуемся, заключается не в ее механике, но в нас самих. Сорок лет — это большой промежуток времени, и не хочется все это время ждать чего-то, что может и не произойти. (Да, если бы мы отправили в космос свои сообщения 40 лет назад, сегодня мы могли бы уже обладать немалой информацией о том, насколько распространены в Млечном Пути умеющие использовать радио цивилизации.) Единственная серьезная попытка сделать что-то подобное была совершена в 1970 году, когда астрономы отмечали обновление радиотелескопа обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико: они воспользовались им для того, чтобы в течение нескольких минут отправлять послания в направлении звездного кластера M13. Так как он находится от нас на расстоянии 25 000 световых лет, вряд ли мы получим ответ в обозримом будущем. Получается, это было скорее демовыступление, а не полноценный звонок в космос по делу. Если вы думаете, что нашей радиотрансляции мешает излишняя осторожность (что, вообще, не было бы лишним при знакомстве с кем-то новым), просто задумайтесь вот над чем: все радио— и телевещание после Второй мировой войны, как и лучи наших мощных радиолокаторов, уже давным-давно гуляют по космосу. Расширяясь со скоростью света, «сообщения» из эпохи сериалов «Новобрачные» и «Я люблю Люси» уже добрались до тысяч звезд, а сообщения из «Гавайев 5.0» и «Ангелов Чарли» — по меньшей мере до нескольких сотен. Если другие цивилизации действительно способны выделить отдельные программы из этой какофонии, доносящейся с Земли в форме радиосигналов — а сегодня ее объем уже сопоставим с объемом радиосигналов от любого объекта в Солнечной системе, включая Солнце, — то в игривом предположении о том, что именно содержимое этих передач и является причиной, по которой соседи до сих пор не пожаловали к нам в гости, начинает проступать смысл: они либо находят наши художественные вкусы просто отвратительными, либо (все же смеем надеяться!) слишком возвышенными для себя — и в любом случае не стремятся выйти на связь.

Сообщение может прибыть прямо завтра, напичканное интригующей информацией и комментариями. В этом и заключается удивительная привлекательность общения посредством электромагнитного излучения. Это не только дешево (отправлять в космос трансляции телевизионных передач на протяжении последних 50 лет стоило существенно меньше, чем отправить туда одну-единственную исследовательскую миссию), но еще и мгновенно — при условии, что мы можем получить и расшифровать сигналы от другой цивилизации. В этом же заключается и одна из основных причин всеобщего волнения по поводу НЛО: в данном случае мы могли бы в буквальном смысле получать сигналы, которые записали бы, проверили на подлинность и изучали так долго, как это было бы необходимо, чтобы их понять.

В рамках программы поиска внеземного разума (ученые называют ее SETI[53]) основное внимание все еще уделяется поиску входящих радиосигналов, хотя отказываться от попыток обнаружения сигналов, отправленных с помощью световых волн, тоже не следует. Хотя световому излучению, идущему к нам от других цивилизаций, приходится преодолевать на своем пути мириады естественных источников света, лазеры предоставляют возможность концентрировать свет в лучи одного-единственного цвета (или определенной частоты); таким же образом радиоволны передают сообщения от одной теле— или радиостанции до другой. С точки зрения радио наши надежды на успех программы SETI опираются на использование антенн, которые могут исследовать небо; радиоприемников, которые записывают все обнаруженное антеннами; и мощных компьютеров, которые анализируют полученные приемниками сигналы в поисках аномалий. Существует две базовые вероятности: мы можем найти другую цивилизацию, перехватив ее собственные внутренние коммуникации, часть которых неизбежно попадает в космос, как и наши теле— и радиотрансляции; или мы можем обнаружить намеренно отправленные нам сигналы, предназначенные для привлечения внимания таких цивилизаций, как наша с вами.

Методика перехвата явно представляет собой более трудную задачу. Направленный сигнал сосредоточивает свою силу в определенном направлении, так что обнаружить его становится гораздо проще, если знаешь наверняка, что он направлен в твою сторону. Однако сила сигнала, который попадал в космос «случайно», рассеивается более или менее равномерно во всех направлениях; соответственно такие сигналы оказываются гораздо слабее на определенном расстоянии от источника, чем посланный оттуда же направленный сигнал. Далее, направленный сигнал должен, предположительно, содержать в себе какие-то легкие тренировочные упражнения, дающие получателю возможность понять, как его расшифровывать; а непроизвольно попадающее в космос излучение никаких пользовательских инструкций с собой точно не несет. Наша цивилизация сама засоряла Вселенную подобными сигналами на протяжении десятилетий, а направленный лучевой сигнал отправила лишь один раз, и длился он несколько минут. Если цивилизаций во Вселенной немного, любые попытки их обнаружить должны основываться на технике перехвата, а не на поисках специально предназначенных нам направленных сигналов.

Проповедники SETI, вооруженные все более продвинутыми системами антенн и радиоприемников, начали понемногу «подслушивать» происходящее в космосе, надеясь перехватить что-нибудь, подтверждающее существование других цивилизаций. Именно по той простой причине, что нет никаких гарантий, что мы когда-нибудь вообще сможем перехватить хоть один такой сигнал, тем, кто занимается их подслушиванием, всегда непросто получить на это средства. В начале 1990-х годов конгресс США в течение года поддерживал программу SETI, пока менее горячие головы не положили этому конец. Сегодня ученым, занятым в области SETI, приходится рассчитывать лишь на поддержку из множества скромных источников финансирования и использовать инновационные методы, такие как анализ любых данных, получаемых радиотелескопами при изучении космических объектов для других целей. Некоторое финансирование поступает от богатых людей, в том числе от Юрия Мильнера, пожертвовавшего средства в поддержку проекта «Прорыв в прослушивании», который будет использовать радио— и оптические телескопы для изучения избранных экзопланет, обнаруженных спутником TESS. При поиске радиоволн, производимых внеземными цивилизациями, главная трудность заключается в анализе миллиардов возможных частот, на которых могут вещать другие цивилизации. Традиционно мы делим радиосигналы на относительно широкие диапазоны частот, поэтому для нашего земного радио и телевидения доступны лишь несколько сотен таких диапазонов. Но инопланетные сигналы в принципе могут быть привязаны к настолько узкому диапазону частот, что в настройках SETI понадобились бы миллиарды базовых записей для сопоставления. С одной стороны, мощные компьютерные — системы, лежащие в основе работы SETI, способны разрешить этот вопрос, анализируя сотни миллионов частотных диапазонов одновременно. С другой — они все еще ничего не обнаружили.

В середине XX века итальянский гений Энрико Ферми, возможно, последний на сегодня великий физик, работавший и в экспериментальной, и в теоретической областях, обсуждал внеземную жизнь со своими коллегами во время обеда. Согласившись, что Земля не представляет собой сколько-нибудь выдающегося пристанища для жизни, ученые пришли к выводу, что жизнь в Млечном Пути должна быть весьма распространенной штукой. «В таком случае, — спросил тогда Ферми, словно повторяя прозвучавшее тысячи раз за последние десятилетия, — где же она?»

Ферми имел в виду, что, если многие места нашей Галактики уже испытали пришествие технологически подкованных цивилизаций, неужели мы до сих пор ни от одной из них ничего не услышали бы? Радиосигналы, лазерные сигналы, личные визиты, наконец?.. Даже если большинство цивилизаций погибает относительно быстро, что, возможно, приключится и с нашей, существование таких цивилизаций в больших количествах должно означать, что некоторые из них все же живут очень и очень долго, достаточно долго для того, чтобы предпринять какие-то попытки отыскать во Вселенной кого-то еще. Даже если некоторым из таких цивилизаций-долгожителей глубоко плевать на своих космических соседей, должны же быть такие, которым не плевать. Так что сам факт, что у нас нет ни одного научно заверенного факта, что пришельцы когда-либо бывали на Земле, и нет надежных примеров сигналов, отправленных другой цивилизацией, может означать, что мы серьезно преувеличили вероятность возникновения разумных цивилизаций в галактике Млечный Путь.

В сказанном Ферми был смысл. С каждым новым днем доказательств того, что мы в нашей Галактике одиноки, становится чуть больше. Правда, при непосредственном анализе чисел доказательства начинают выглядеть менее убедительно. Если в каждый заданный момент времени в галактике существует несколько тысяч цивилизаций, среднее расстояние между такими галактическими соседями должно составить несколько тысяч световых лет — это в тысячу раз больше, чем расстояние от нас до ближайших к нам звезд. Если одна или несколько таких цивилизаций просуществовали миллионы лет, мы имеем право рассчитывать на то, что они бы уже отправили нам какой-нибудь сигнал — или позволили бы нам хотя бы мельком обнаружить их с помощью перехвата радиосигналов. Если же до такого возраста не доживает ни одна цивилизация, тогда нам придется приложить еще больше усилий к тому, чтобы продолжать поиски своих соседей, ведь может быть и такое, что никто из них просто не ставил перед собой вселенской задачи обнаружить соседние цивилизации или что ни одна из них не увлекается радиосигналами, достаточно мощными для того, чтобы мы могли их перехватить.

И вот мы оказываемся в типичной для человека ситуации: на грани событий, которые могут никогда не произойти. Самые важные новости в истории человечества могут прозвучать завтра, в следующем году — или не прозвучать никогда. Давайте же с благодарностью встретим новый закат, приветствуя окружающую нас Вселенную как старого доброго знакомого и любуясь ею — темной, но исполненной света, энергии и загадок.

Эпилог. Поиск самих себя во Вселенной

Вооружившись своими пятью чувствами, человек исследует окружающую его Вселенную и называет это приключение — наукой.

Эдвин П. Хаббл, 1948 год

Органы восприятия человека отличаются удивительной остротой и диапазоном чувствительности. Наши уши воспринимают оглушительный грохот при запуске космического корабля и в то же время способны различить тонкий писк комара в дальнем углу комнаты. Наше чувство осязания позволяет не только заметить, что на большой палец ноги нам упал мяч для боулинга, но и почувствовать, как по обнаженной руке ползет букашка весом один миллиграмм. Некоторые обожают закусывать перчиками хабанеро, но наш язык способен распознать наличие вкусовых оттенков вплоть до нескольких миллионных долей из всего вкусового букета. Наши глаза могут различать очертания залитых солнцем песчаных барханов на пляже — и с не меньшей легкостью видеть спичку, зажженную в сотнях футов в другом конце темной аудитории. Что еще замечательнее, наши глаза могут видеть не только другой конец комнаты — но и другой конец Вселенной. Без нашего зрения — и видения — наука астрономия никогда бы не родилась, а наши возможности по определению своего места во Вселенной так и остались бы безнадежно ничтожными.

Совместными усилиями наши органы чувств позволяют нам расшифровывать свое ближайшее окружение: например, понимать, день сейчас или ночь или не собирается ли другое живое существо тебя съесть. Но никто и подумать не мог, что наши чувства сами по себе позволяют нам взглянуть на физически окружающую нас Вселенную лишь сквозь узенькую щелку; а это изменилось лишь несколько столетий назад.

Некоторые хвастаются тем, что у них есть шестое чувство, позволяющее им предвидеть то, что не могут другие. Предсказатели, мастера читать чужие мысли и экстрасенсы — это лишь верхушка айсберга множества людей, утверждающих, что обладают необычными способностями. Это не может не вызывать удивления и восхищения у окружающих. Сомнительная область парапсихологии опирается на предположение, что некоторые люди действительно обладают подобными талантами.

Современная наука, напротив, имеет в своем распоряжении десятки инструментов восприятия. Но ученые не пытаются убедить никого в том, что они являются отражением каких-то особых талантов — ведь это всего лишь специализированная экипировка, преобразующая информацию, полученную этими инструментами восприятия, в простые таблицы, графики, диаграммы или изображения, которые доступны для восприятия нашими пятью врожденными чувствами.

Приносим свои извинения Эдвину П. Хабблу, но его замечание, что мы процитировали в качестве вступления к этому эпилогу, сколь бы проницательным и поэтичным оно ни было, должно было звучать так:

Вооружившись своими пятью чувствами, а также телескопами и микроскопами, спектрометрами и сейсмографами, магнетометрами и обнаружителями частиц, ускорителями и инструментами, способными обнаружить излучение целого электромагнитного спектра, мы исследуем окружающую нас Вселенную и называем это приключение наукой.

Вообразите, насколько насыщеннее казался бы нам окружающий мир и насколько быстрее мы бы открыли фундаментальные принципы устройства Вселенной, если бы у нас были высокоточные регулируемые глазные яблоки. Подкрутил радиоволновый сегмент спектра — и дневное небо начинает казаться темным, словно ночное, за исключением тех направлений, в которых вы захотите оставить его светлым. Центр нашей Галактики выглядит одним из самых ярких участков на небе — он сияет сразу за несколькими основными звездами созвездия Стрельца. Теперь включите микроволновое видение — и целая Вселенная замерцает фантастическим светом, что идет к нам из глубины веков, из тех времен, когда мир был еще совсем юным — 380 тысяч лет от роду после Большого взрыва. Включаем рентген — и любуемся черными дырами в разных частях неба, в которые по закрученной спирали падает вещество. Вот и очередь гамма-излучения — оно покажет нам, как примерно раз в день по всему космосу случаются громадные взрывы. Теперь обратите внимание на то, какой эффект эти взрывы оказывают на окружающий вас материал: он нагревается, выделяет рентгеновское и инфракрасное излучение — и видимый свет.

Если бы мы рождались с магнитными детекторами, компас никогда бы не был изобретен за ненадобностью. Просто подключаемся к магнитным полям Земли — и чувствуем, как Северный полюс властно тянет нас к себе. Если бы на сетчатке наших глаз размещались анализаторы спектра, нам не пришлось бы ломать голову над тем, из чего же состоит атмосфера той или иной планеты: мы бы просто смотрели на нее и сразу видели, есть ли в ней достаточно кислорода для поддержания жизни. Мы бы еще тысячи лет назад узнали, что звезды и туманности в нашей Галактике состоят из тех же химических элементов, что и Земля. Если бы мы родились с большими чувствительными глазами и встроенными детекторами движения Доплера, мы немедленно увидели бы — даже будучи кряхтящими троглодитами, — что Вселенная расширяется и что все далекие галактики удаляются от нас все дальше и дальше.

Если бы наши глаза обладали разрешением высокоточных микроскопов, никому бы и в голову не пришло приписывать распространение чумы и любой другой болезни Божественному гневу. Все бактерии и вирусы, от которых у нас портится самочувствие, можно было бы заметить ровно в тот момент, когда они ползли бы по вашей еде или крались вдоль краев царапины у вас на коже. С помощью простейших манипуляций можно было бы определять, какие из них опасны, а какие — нет. Носители различных послеоперационных инфекций были бы обнаружены и обезврежены еще сотни лет назад.

Если бы мы могли различать частицы, заряженные огромной энергией, мы бы узнавали любые радиоактивные субстанции с огромных расстояний, и никаких счетчиков Гейгера нам бы не понадобилось. Можно было бы видеть, как газ радон просачивается сквозь половые доски нижнего этажа вашего дома, и не надо было бы никому платить за его обнаружение.

Оттачивание наших пяти органов восприятия с самого рождения на протяжении всего детства позволяет нам, став взрослыми, выносить суждение о различных событиях и явлениях, провозглашать, имеют ли они «смысл» или нет. Беда в том, что едва ли какие-то научные открытия за последнее столетие — заслуга непосредственного применения наших органов чувств. Они — заслуга непосредственного применения бесчувственной математики и технологических приборов. Этот простой факт объясняет, почему для среднестатистического человека относительность, физика частиц и теория струн с ее одиннадцатью измерениями по большому счету не имеют смысла. В этот список можно добавить черные дыры, «кротовые норы» (пространственно-временные туннели во Вселенной) и Большой взрыв. Хотя, если честно, и для ученых все эти понятия обретут полноценный смысл лишь после того, как они потратят еще очень много времени на исследования Вселенной с помощью всех данных нам от природы и приобретенных благодаря технологиям органов восприятия. Сейчас мы наблюдаем появление нового и более высокого уровня «сверхздравого смысла», который позволяет ученым мыслить нестандартно и выносить суждения в малознакомом подводном мире атомов и других частиц — равно как и в зубодробительной области пространства более высоких размерностей. Немецкий физик XX века Макс Планк отметил следующее об открытии квантовой механики: «Современная физика особенно впечатляет нас той истиной, что заложена в старом учении, говорящем, что существуют реальности, недоступные для восприятия нашими органами чувств, и что существуют задачи и противоречия в вопросах о том, в каких случаях такие реальности должны обладать для нас большей ценностью, чем богатства опытного мира».

Каждый новый вид знаний сообщает о новом окне во Вселенную и о новом детекторе, который можно после этого добавлять в пополняющийся список наших небиологических органов чувств. Каждый раз, когда это происходит, мы выходим на следующий уровень космической просвещенности, словно эволюционируя в сверхчувствительных существ. Кто бы мог подумать, что наша погоня за расшифровкой загадок Вселенной с целым арсеналом искусственных органов чувств наперевес приведет к тому, что мы начнем чуть лучше понимать самих себя? Мы принимаем участие в этом приключении не просто из прихоти, но как уполномоченные представители своего вида, чтобы обрести свое собственное место во Вселенной. Этому приключению уже немало лет, и на него за это время обратили внимание самые разные мыслители, великие и поскромнее, мыслители всех времен и культур. Исследование космоса раскрывает не только величие Вселенной, но также наше место в ней и нашу историю.

Благодарности

Мы в неоплатном долгу перед Робертом Лаптоном из Принстонского университета за то, что он читал и перечитывал рукопись, добиваясь того, чтобы в ней мы говорили то, что имеем в виду, и имели в виду то, что говорим. Благодаря его исключительной эрудиции в астрофизике и английском языке эта книга в результате получилась на несколько уровней выше, чем мы изначально смели надеяться. Немало весьма полезных советов по представлению сведений предложила Джун Фокс. Мы также благодарны Шону Кэрроллу из Калифорнийского технологического института, Джулии Кастильо-Рохес из Лаборатории реактивного движения, Ллойду Ноксу из Калифорнийского университета в Дейвисе, Тобиасу Оуэну из Гавайского университета, Адаму Риссу из Университета Джонса Хопкинса и Научного института космического телескопа, Стивену Сотеру из Американского музея естественной истории, Лэрри Сквайру из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Майклу Штраусу из Принстонского университета и Тому Левенсону из Массачусетского технологического института за ряд ключевых предложений, которые помогли дополнить и улучшить книгу. Хелен Томаидес из издательства W.W. Norton помогла сделать наш текст более удобочитаемым и простым для восприятия.

Мы хотим поблагодарить Бетси Лернер из литературного агентства Dunow, Carlson & Lerner за ее веру в наш проект с самого начала: она видела в рукописи не только книгу, но и воплощение глубокого интереса к Вселенной, который заслуживал того, чтобы поделиться им с как можно большим количеством людей.

Внушительные отрывки из второй части и разрозненные сегменты первой и третьей частей книги впервые были опубликованы в журнале «Естественная история» в виде эссе под авторством Нила Деграсса Тайсона. За это он выражает отдельную благодарность бывшему главному редактору журнала Питеру Брауну и особенно старшему редактору Эвису Лэнгу, который и сегодня героически продолжает исполнять роль высокообразованного поводыря Нила Деграсса Тайсона в мире литературы и писательства.

Авторы спешат отметить поддержку фонда Альфреда Слоуна во время написания и подготовки книги к печати. Их неизменная готовность поддерживать подобные проекты приводит нас в восхищение.

Нил Деграсс Тайсон, Нью-Йорк, Дональд Голдсмит, Беркли, Калифорния, сентябрь 2022

Глоссарий

А

Абсолютная температурная шкала (или шкала Кельвина). Температура измеряется в градусах, обозначенных символом K, по шкале, согласно которой вода замерзает на отметке 273,16 K и кипит на отметке 373,16 K; 0 K — абсолютный нуль, самая холодная из теоретически достижимых температур.

Азот. Химический элемент, состоящий из атомов, в ядрах которых содержится по семь протонов; его разные изотопы могут насчитывать шесть, семь, восемь, девять или десять нейтронов. У большинства атомов азота семь нейтронов.

Аккреционный диск. Материал, окружающий массивный объект (как правило, черную дыру), который вращается вокруг этого объекта и постепенно притягивается все ближе к нему по спирали.

Аккреция. Прирост вещества, за счет которого масса объекта увеличивается.

Аминокислота. Один из классов относительно малых молекул, в каждую из которых входит от 13 до 27 атомов углерода, азота, водорода, кислорода и серы. Аминокислоты могут образовывать цепочки, которые становятся молекулами белка.

Аммиак (NH_3). Химическое вещество, молекулы которого состоят из одного атома азота и трех атомов водорода; жидкость, в которой теоретически может развиться внеземная жизнь.

Антиматерия. Комплементарная (взаимодополняющая) форма вещества (материи), состоящая из античастиц идентичной массы, но с электрическим зарядом, противоположным заряду частиц, которые они дополняют.

Античастица. Комплементарная частица антиматерии, дополняющая частицу обычного вещества.

Аппарат «Кассини — Гюйгенс». Автоматический космический аппарат (орбитальная станция), запущенный с Земли в 1997 году, который в июле 2004 года достиг Сатурна, после чего искусственный спутник «Кассини» изучил Сатурн и его луны и отправил автоматическую станцию «Гюйгенс» на поверхность Титана, крупнейшего спутника Сатурна.

Археи. Представители одного из трех доменов живых организмов, которые считаются наиболее древними формами жизни на Земле. Все археи являются одноклеточными и термофильными (то есть способны жить и размножаться при температурах выше 50–70 градусов по Цельсию).

Астероид. Один из объектов, состоящих в основном из камня или каменно-металлического сплава и вращающихся вокруг Солнца — преимущественно в промежутке между орбитами Марса и Юпитера; диапазон размеров астероидов — от 1000 км до 100 м в диаметре. Подобные астероидам объекты, но существенно меньшего размера называются метеороидами.

Астроном. Тот, кто изучает Вселенную. Этот термин был более распространен в прошлом, до того, как были получены спектры излучения космических объектов.

Астрофизик. Тот, кто изучает Вселенную, используя полноценный арсенал инструментов, опирающихся на законы физики. Более предпочтительный в наши дни термин.

Атом. Самая маленькая и неделимая структурная единица химического элемента, состоящая из ядра, в составе которого находятся один или более протонов и нуль или более нейтронов; вокруг ядра атома вращается столько же электронов, сколько в этом ядре протонов. Это число и определяет химические характеристики атома.

Ауторепродукция. Процесс, при котором «родительская» молекула ДНК делится на две отдельные нити, каждая из которых образует собой «дочернюю» молекулу, идентичную по характеристикам родительской.

АЯГ. Астрономическое сокращение для галактики с активным ядром («активное ядро галактики»), которое скромно описывает галактики, чей центральный регион светится в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз ярче центральных регионов типичных галактик. В целом АЯГи сравнимы с квазарами, но их, как правило, обнаруживают на более близком от нас расстоянии, а значит, наблюдают в более поздний период существования по сравнению с квазарами.

Б

Бактерия. Один из трех доменов жизни на Земле (ранее известный как прокариоты) — одноклеточный организм без четко определенного ядра для хранения внутри него генетического материала.

Белок. Длинная молекула, в состав которой входит не менее одной цепочки аминокислот.

Белый карлик. Ядро звезды, синтезировавшее из гелия ядра углерода и потому состоящее из углеродных ядер и электронов, сжатое до небольшого размера (не больше Земли) и исключительно плотное (примерно в один миллион раз плотнее воды).

Большое Магелланово Облако. Более крупная из двух неправильных галактик, являющихся спутниками Млечного Пути.

Большой взрыв. Научное описание происхождения Вселенной, которое основано на гипотезе о том, что существование Вселенной началось со взрыва около 14 миллиардов лет назад, вследствие которого образовалось пространство и вещество. Сегодня Вселенная продолжает расширяться во всех направлениях в результате этого взрыва.

В

Взаимодействие (воздействие). В широком смысле некое действие, вследствие которого происходит некое физическое изменение; влияние, которое, как правило, ускоряет объект в том направлении, в котором к заданному объекту применено такое воздействие.

Вид. Совокупность особенных типов организмов, каждый из которых обладает сходными анатомическими характеристиками и может быть скрещен с другими.

Видимая яркость. Кажущаяся яркость объекта, измеряемая наблюдателем. Видимая яркость зависит от светимости объекта и его расстояния от наблюдателя.

Видимый свет. Фотоны, чьи частоты и длины волн соответствуют тем, что человек может видеть невооруженным глазом; находится между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

Вирус. Комплекс нуклеиновых кислот и молекул протеина, который может воспроизводиться только внутри «принимающей» клетки другого организма.

Внутренние планеты. Планеты Солнечной системы Меркурий, Венера, Земля и Марс, каждая из которых отличается малым размером, высокой плотностью и каменистой структурой, в отличие от планет-гигантов.

Водород. Самый легкий и самый распространенный элемент в мире, в ядре которого содержится один протон и несколько — нейтронов — нуль, один или два.

Вращение. Движение, совершаемое одним объектом вокруг другого; так, Земля вращается вокруг Солнца. Вращение не следует путать с обращением.

Вселенная. Обычно подразумевает «все, что существует», хотя, согласно ряду современных теорий, то, что мы называем Вселенной, может оказаться лишь частью Метавселенной или Мультивселенной.

Г

Галактика. Большая группа звезд, от нескольких миллионов до сотен миллиардов, которые удерживаются в одном скоплении за счет взаимного гравитационного воздействия звезд друг на друга; как правило, содержит в себе не только звезды, но и существенные запасы газа и пыли.

Галактика Андромеды. Ближайшая к Млечному Пути крупная спиральная галактика, расположенная примерно в 2,4 миллиона световых лет от нашей родной галактики.

Галактический кластер. Большая группа галактик в сопровождении газа и пыли с неизмеримо большим количеством темной материи; удерживается вместе за счет взаимного гравитационного притяжения материала, из которого сформирован галактический кластер.

Гало. Самые внешние регионы галактики, занимающие гораздо больший объем, чем сама видимая галактика; большая часть темной материи галактики расположена как раз в ее гало.

Гамма-излучение. Тип электромагнитного излучения, обладающий самыми высокими показателями энергии и частоты, а также самой короткой длиной волны.

Гелий. Второй по легкости и по распространенности в мире химический элемент, ядра которого состоят из двух протонов и одного или двух нейтронов. Звезды получают энергию с помощью синтеза ядер гелия из ядер водорода.

Ген. Звено хромосомы, которое с помощью генетического кода задает образование конкретной цепочки аминокислот.

Генетический код. Набор «букв» в молекулах ДНК и РНК, каждая из которых относится к конкретной аминокислоте и состоит из последовательных молекул — например, тех, что образуют собой поперечные связи между двумя нитями спиралеобразных молекул ДНК.

Геном. Полный комплект генов организма.

Герц. Единица частоты, которая соответствует одной вибрации в секунду.

Горизонт событий. Название с поэтической ноткой, данное — радиусу черной дыры: то расстояние от центра черной дыры, которое определяет «границу невозврата» — ведь при пересечении этой «линии горизонта» по направлению к черной дыре уже ничто не сможет противостоять ее гравитационному воздействию и повернуть обратно. Горизонтом событий можно также назвать «внешний край» черной дыры.

Гравитационная линза. Объект, оказывающий на идущие мимо лучи света достаточно сильное гравитационное воздействие для того, чтобы преломить их; зачастую гравитационная линза фокусирует лучи в одном направлении, создавая более яркое изображение, которое наблюдатель не смог бы увидеть в естественных условиях.

Гравитационное излучение. Излучение, непохожее на электромагнитное излучение, если не считать того, что оно также перемещается со скоростью света; такое излучение образуется в больших объемах в случае, когда два крупных массивных объекта движутся друг мимо друга или сталкиваются на высокой скорости и создают рябь пространства.

Гравитация (гравитационное взаимодействие, гравитационное воздействие). Одно из четырех фундаментальных взаимодействий, обладающее эффектом притяжения; сила такого взаимодействия между двумя объектами изменяется пропорционально произведению масс двух объектов, поделенному на квадрат расстояния между двумя их центральными точками.

Д

Двойная спираль. Базовая структурная форма молекул ДНК.

Динамика. Наука, изучающая влияние воздействия на то, как между собой взаимодействуют объекты. В контексте движения объектов в Солнечной системе и Вселенной часто используется термин «небесная механика».

Длина волны. Расстояние между двумя последовательными гребнями волны; для фотонов — расстояние, которое проходит фотон за одно свое колебание.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Длинная сложная молекула, состоящая из двух взаимосвязанных спиральных нитей, соединенных друг с другом с помощью тысяч поперечных связок из маленьких молекул. Когда молекулы ДНК делятся и размножаются, они делятся вдоль, разрывая поперечные связи из маленьких молекул, что соединяют две длинные нити. Каждая половина молекулы затем образует себе «вторую половинку» из обнаруженных в своем окружении молекул, превращаясь в точную копию исходной молекулы.

Долгота. Земная координата, определяющая в градусах положение точек на поверхности Земли с точки зрения их направления от произвольно выбранного нулевого меридиана — воображаемой линии, проходящей по поверхности Земли с севера на юг сквозь Гринвичскую лабораторию в Англии. Диапазон долготы составляет по 180° к западу и к востоку от Гринвича, в общей сложности охватывая все 360° земной поверхности.

Доплеровское смещение. Незначительное изменение в частоте, длине и энергии волн излучения, вызванное эффектом Доплера.

Е

Европа. Один из четырех крупных спутников Юпитера, известный своей льдистой поверхностью, под которой предположительно расположен океан.

Естественный отбор. Неравномерность успехов в размножении среди организмов одного вида, основным движущим фактором которой является эволюция жизни на Земле.

Ж

Жизнь. Свойство вещества, характеризующееся умением воспроизводиться и эволюционировать.

З

Закон Хаббла. Обобщение расширения Вселенной по состоянию на сегодняшний день, выраженное простым уравнением: скорости удаления далеких галактик равны расстоянию до этих галактик от Млечного Пути, умноженному на постоянную Хаббла.

Затмение. Частичное или полное перекрытие одним небесным объектом другого в глазах наблюдателя, при котором один объект оказывается частично или полностью скрыт другим объектом.

Звезда. Газовая масса, которая за счет собственного тяготения удерживается в цельной форме; в ее центре протекают процессы ядерного синтеза, преобразующие энергию массы в кинетическую энергию, которая нагревает всю звезду, вызывая свечение ее поверхности.

Звездный кластер. Группа звезд, родившихся в одно и то же время и в одном и том же месте, способная оставаться группой на протяжении миллиардов лет за счет взаимного гравитационного притяжения этих звезд друг к другу.

И

Излучение. Упрощенное название электромагнитного излучения. Радиоактивное излучение также называют радиацией.

Изначальная сингулярность. Момент, в который началось расширение Вселенной, также известный как Большой взрыв.

Изотопы. Ядра конкретного химического элемента, каждый из которых содержит исходное количество протонов, но разное количество нейтронов.

Инфракрасное излучение. Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, чьи волны умеренно длиннее, а частоты умеренно ниже, чем у фотонов видимого света.

Ион. Атом, потерявший один или более из своих электронов.

Ионизация. Процесс преобразования атома в ион путем выведения из атома одного или более его электронов.

К

Катализатор. Субстанция, которая увеличивает скорость ряда реакций между атомами или молекулами и при этом не расходуется в процессе этих реакций.

Квазар. От англ. quasi-stellar radio source — квазизвездный источник радиоизлучения. Объект, внешне очень напоминающий звезду; однако для его спектра характерно основательное красное смещение, что означает, что этот объект находится на огромном расстоянии от Млечного Пути.

Квантовая механика. Описание поведения частиц в их мельчайших масштабах, включающее в себя структуру атомов и их взаимодействие с другими атомами и протонами, а также поведение атомных ядер.

Кварки. Субатомные частицы, которые прочно соединяются в триплеты, образуя протоны и нейтроны.

Килогерц. Единица частоты, описывающая 1000 вибраций (или колебаний) в секунду.

Килограмм. Единица массы в метрической системе мер, равная 1000 граммам.

Километр. Единица длины в метрической системе мер, равная 1000 метрам и приблизительно 0,62 мили.

Кинетическая энергия. Энергия, которой объект обладает за счет своего движения, измеряемая как произведение половины массы объекта и квадрата скорости этого объекта. Соответственно более массивный объект — например грузовик — обладает большей кинетической энергией, чем, скажем, велосипед, даже если они движутся с одинаковой скоростью.

Кислород. Химический элемент, ядра которого содержат в себе по восемь протонов, чьи изотопы могут содержать семь, восемь, девять, десять, одиннадцать или двенадцать нейтронов в ядре. В большинстве ядер кислорода восемь нейтронов — в соответствии с количеством протонов.

Клетка. Структурная и функциональная единица, которая присутствует во всех формах жизни на Земле.

Комета. Фрагмент первичного материала Солнечной системы, который также иногда называют «грязным снежком», состоящий изо льда, камня, пыли и замороженного углекислого газа (так называемого сухого льда).

Корабль «Вояджер». Два разных космических корабля NASA, названные «Вояджер–1» и «Вояджер–2», были отправлены с Земли в 1978 году и несколько лет спустя прошли мимо Юпитера и Сатурна; «Вояджер–2» направился далее в сторону Урана (1986 год) и Нептуна (1989 год).

Коричневый карлик. Объект, состав которого сродни составу звезды, но чья масса слишком мала, чтобы он мог превратиться в полноценную звезду за счет запуска ядерного синтеза в своем ядре.

Космический аппарат «Галилей». Отправленный NASA в сторону Юпитера в 1990 году научно-исследовательский космический аппарат, прибывший туда в 1995 году, выпустивший зонд в атмосферу Юпитера и проведший следующие несколько лет на орбите планеты, фотографируя ее саму и ее спутники.

Космический аппарат Perseverance. Марсоход в комплекте с вертолетом Ingenuity, отправленный на Марс в 2020 году.

Космический аппарат Planck. Прибор, заменивший спутник WMAP и использовавшийся для наблюдения за реликтовым излучением. Запущен Европейским космическим агентством в 2009 году и выведен из эксплуатации в 2013 году.

Космический аппарат Spitzer, или SIRTF (Space InfraRed Telescope Facility). Космический инфракрасный телескоп. Был отправлен на орбиту вокруг Земли в 2003 году и выведен из эксплуатации в 2020 году.

Космический телескоп «Кеплер». Орбитальный прибор, предназначенный для обнаружения экзопланет методом транзитов. Запущен в 2009 году и выведен из эксплуатации в 2018 году.

Космический телескоп Хаббла. Исследовательский телескоп, который был отправлен в космос в 1991 году и обеспечил нас фотографиями видимого света, исходящего от целого ряда астрономических объектов. Это стало возможным благодаря тому, что результаты наблюдения телескопа за космосом не были подвержены различным искажающим эффектам в атмосфере Земли.

Космическое напряжение (напряжение Хаббла). Конфликт между различными значениями постоянной Хаббла, которые были получены при использовании разных подходов к измерению этой постоянной.

Космолог. Астрофизик, который специализируется на изучении происхождения Вселенной и ее масштабной структуры.

Космологическая постоянная. Постоянная, добавленная Альбертом Эйнштейном в его уравнение, которое описывает общее поведение Вселенной и то количество энергии — сегодня мы называем ее темной энергией, — что содержится в каждом кубическом сантиметре пустого на первый взгляд пространства.

Космология. Наука, изучающая Вселенную в целом, в том числе ее структуру и эволюцию.

Космос. Все, что существует на свете; синоним Вселенной.

Красное смещение. Переход на более низкие частоты и более значительные длины волн в излучаемом объектом спектре, как правило вызванный эффектом Доплера.

Красный гигант. Звезда, которая прошла все основные этапы своей эволюции и чье ядро начало сжиматься, в то время как внешние слои, наоборот, расширяются. Процесс сжатия провоцирует ускорение ядерного синтеза в центре звезды, из-за чего светимость звезды тоже возрастает, а энергия откладывается во внешних ее слоях; в результате звезда постепенно увеличивается в размере.

Кремний. Элемент, ядро которого имеет 14 протонов, а атомы создают прочные связи с атомами кислорода, образуя силикатные минералы, составляющие 90 % земной коры.

Л

Логарифмическая шкала. Способ нанесения на график данных, который позволяет уместить огромные значения на одном листе бумаги. Если говорить научным языком, то логарифмическая шкала возрастает экспоненциально (то есть 1, 10, 100, 1000, 10 000…), а не арифметически (то есть 1, 2, 3, 4, 5…).

Локальная группа. Название двух с лишним десятков галактик в непосредственной близости от галактики Млечный Путь. В локальную группу входят Большое и Малое Магеллановы Облака и галактика Андромеда.

М

Малое Магелланово Облако. Менее крупная из двух неправильных галактик, являющихся спутниками нашего Млечного Пути.

Масса. Мера материального содержимого объекта (которую не следует путать с весом), измеряющая величину гравитационного воздействия на объект. Для объектов, расположенных у поверхности Земли, разница между их массой и весом прямо пропорциональна.

Массовое исчезновение (видов). Событие в истории жизни на Земле, в некоторых случаях вызванное каким-то значительным внешним воздействием, в ходе которого значительная доля всех живых организмов вымирает за короткий с точки зрения геологии промежуток времени.

Мегагерц. Единица частоты, равная одному миллиону вибраций, или колебаний, в секунду.

Межзвездная пыль. Твердые частицы пыли в миллионы атомов каждая, предположительно выброшенные в межзвездное пространство из высокоразреженных атмосфер красных гигантов.

Межзвездное облако. Регион межзвездного пространства, отличающийся гораздо большей плотностью, чем средние ее показатели, как правило, в несколько десятков световых лет диаметром. Плотность вещества в таком облаке составляет от десяти атомов до миллионов молекул на кубический сантиметр.

Межзвездный газ. Газ, находящийся в галактике и не являющийся частью какой-либо звезды.

Метаболизм (обмен веществ). Суммарное отражение всех химических процессов в организме, выраженное в скорости, с которой этот организм потребляет энергию. Животному с высоким метаболизмом (обменом веществ) нужно чаще потреблять энергию (то есть еду), чтобы поддерживать свою жизнедеятельность.

Метан (CH_4). Газ, дающий мощный парниковый эффект, и потенциальный растворитель для внеземной жизни. Его молекулы содержат один атом углерода и четыре атома водорода.

Метеор. Светящаяся полоска света, рождающаяся вследствие нагревания метеороида, пересекающего атмосферу Земли.

Метеороид. Объект из камня и/или металла, меньше астероида по размеру, движущийся по орбите вокруг Солнца; является частью останков материала, из которого сформировалась Солнечная система.

Метеорит. Метеороид, который успешно пересек земную атмосферу.

Метеорный дождь. Большое количество метеоров, которые светятся в одной конкретной точке неба, — результат пересечения Землей орбит большого количества метеороидов за короткий промежуток времени.

Метр. Фундаментальная единица длины в метрической системе мер, равная приблизительно 39,37 дюйма.

Млечный Путь. Галактика, в которую входит Солнце и еще около 300 миллиардов других звезд, межзвездные газ и пыль, а также огромное количество темной материи.

Модель. Умственная конструкция, зачастую созданная с помощью карандаша с бумагой, а иногда и с помощью мощных компьютеров, которая представляет собой упрощенную версию реальности и позволяет ученым выделять и изучать наиболее важные процессы, характерные для конкретной ситуации или явления.

Модифицированная ньютоновская динамика (MOND). Альтернативная версия теории гравитации, предложенная израильским физиком Мордехаем Милгромом.

Молекула. Стабильное формирование из двух или более атомов.

Мутация. Изменение в ДНК организма, которое могут унаследовать потомки этого организма.

Н

Напряжение Хаббла. См. космическое напряжение.

Начальная сингулярность. Момент начала расширения Вселенной, также называемый Большим взрывом.

НВЯ (неопознанные воздушные явления). Объекты, ранее называвшиеся НЛО.

Нейтрино. Элементарная частица, не обладающая электрическим зарядом, чья масса значительно меньше массы электрона. Нейтрино создается или поглощается во время реакций с участием элементарных частиц на основании слабого взаимодействия.

Нейтрон. Элементарная частица, не обладающая электрическим зарядом; один из двух базовых компонентов атомного ядра.

Нейтронная звезда. Крошечные останки (менее 20 миль в диаметре) ядра взорвавшейся сверхновой звезды, состоящие практически полностью из нейтронов. Нейтронная звезда является настолько плотной, что ее вещество, по сути, можно сравнить с двумя тысячами океанических лайнеров, сжатых до объема в один кубический дюйм пространства.

Неправильная галактика. Галактика нетипичной формы, то есть не спиральная (похожая на диск) и не эллиптическая.

Неуправляемый парниковый эффект. Парниковый эффект, усиливающийся вследствие нагревания поверхности планеты, что ведет к увеличению объема испаряемой жидкости, что, в свою очередь, вызывает парниковый эффект.

НЛО (неопознанный летающий объект). Объекты, замеченные в земном небе, для природы которых на данный момент нет однозначного объяснения, что является либо признаком основательного невежества ученого сообщества, либо основательного невежества тех, кто их наблюдает.

Нуклеиновая кислота. ДНК или РНК.

Нуклеотид. Одна из поперечных молекул-связок в ДНК и РНК. Четыре нуклеотида ДНК — это аденин, цитозин, гуанин и тимин; в РНК урацил играет ту же роль, что тимин в ДНК.

О

Обитаемая зона. Регион, окружающий звезду, в пределах которого звезда за счет своего тепла может поддерживать один растворитель или более в состоянии жидкости. Имеет образную форму сферической оболочки на определенном расстоянии от звезды, обладающей внутренней и внешней границами.

Облако Оорта. Миллиарды или триллионы комет, вращающихся вокруг Солнца, которые образовались, когда протосолнце начало сжиматься; почти все они вращаются на орбитах в тысячи и десятки тысяч раз больше орбиты Земли.

Облако пыли. Облако газа в межзвездном пространстве, температура внутри которого достаточно низкая для того, чтобы в нем из атомов могли формироваться молекулы, которые затем, в свою очередь, соединяются и образуют частицы твердой пыли, состоящие из многих миллионов атомов каждая.

Обращение. Кручение объекта вокруг своей собственной оси. Например, Земля совершает полный оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут. Не путать с вращением.

Общая теория относительности. Представленная в 1915 году Альбертом Эйнштейном и ставшая естественным дополнением к специальной теории относительности в области ускорения объектов, эта современная теория гравитации успешно объясняет результаты многих экспериментов, которые нельзя было ранее объяснить с помощью закона всемирного тяготения Ньютона. Базовая предпосылка теории заключается в «принципе эквивалентности», согласно которому человек, находящийся, к примеру, внутри космического корабля, не может определить, ускоряется ли данный корабль в пространстве или же статичен внутри гравитационного поля, вызывающего аналогичное ускорение. Из этого простого, но очень важного принципа вырисовывается совершенно новое и более глубокое понимание природы гравитации. Согласно Эйнштейну, гравитация не является взаимодействием (или воздействием) в традиционном смысле. Гравитация — это искажение пространства, вызванное наличием в нем массы. Движение объекта целиком определяется его скоростью и имеющейся степенью кривизны пространства. Как бы парадоксально это ни звучало, общая теория относительности объясняет все аспекты поведения всех когда-либо исследованных систем гравитации; она прогнозирует огромное множество еще более парадоксальных (на первый взгляд) явлений, которые одно за другим находят подтверждение в условиях контролируемых экспериментов. Например, Эйнштейн предсказал, что мощное гравитационное поле искажает в своих окрестностях пространство и заметно преломляет свет. Позднее было доказано, что звездный свет, проходящий мимо края Солнца (что мы можем наблюдать во время солнечного затмения), смещается с предполагаемой своей позиции в пространстве ровно на ту величину, которую предсказал в свое время Эйнштейн. Самое великое, пожалуй, применение общей теории относительности — это описание нашей с вами расширяющейся Вселенной, в которой все пространство искривлено за счет суммарной гравитации сотен миллиардов галактик. Еще одно важное и в данный момент неподтвержденное предположение — существование «гравитонов»: частиц, которые несут в себе гравитационное взаимодействие и сообщают друг другу о резких изменениях в условиях гравитационного поля, к примеру являющихся результатом взрыва сверхновой звезды.

Объект GW170817. Источник гравитационного излучения, зафиксированного 17 августа 2017 года детекторами LIGO и VIRGO. Излучение являлось результатом слияния двух нейтронных звезд. Анализ спектра электромагнитного излучения, порожденного этим событием, подтвердил, что слияния нейтронных звезд способны производить тяжелые элементы в больших количествах.

Озон (O_3). Молекулы, состоящие из трех атомов кислорода, которые расположены в верхних слоях атмосферы Земли и выступают своего рода щитом, защищающим ее поверхность от ультрафиолетового излучения.

Окаменелость. Остаток, или след, сохранившийся после древнего организма.

Окисление. Соединение (как процесс) с атомами кислорода, типично ассоциирующееся со ржавлением (коррозией) металлов при длительном воздействии на них кислорода, содержащегося в атмосфере Земли.

Организм. Живой объект.

Органическое соединение. Химическое соединение на основе атомов углерода в роли важного структурного элемента; по сути, молекулы на основе углерода. Обладает свойствами, связанными с жизнью.

Относительность. Общий термин, предназначенный для описания специальной и общей теорий относительности Эйнштейна.

П

Падающая звезда. Популярное название метеора.

Панспермия. Гипотеза о том, что жизнь из одной локальной среды может быть перенесена на другую, например, с одной планеты Солнечной системы на другую; также называется космическим или межзвездным осеменением.

Парниковый эффект. Удержание инфракрасного излучения в атмосфере планеты, из-за чего повышается температура ее поверхности и ближайших к ней газовых слоев.

Первичная атмосфера. Исходная атмосфера планеты.

Перехват. Техника попыток обнаружения существующей внеземной цивилизации с помощью перехвата радиосигналов, которые используются этой цивилизацией для внутренних коммуникационных целей.

Планета. Объект, вращающийся вокруг звезды, который сам не является звездой и обладает размерами не менее размера Плутона. Плутон считается либо самой маленькой планетой Солнечной системы, либо одним из самых крупных объектов пояса Койпера.

Планета-гигант (гигантская планета). Планета, по размеру и составу похожая на Юпитер, Сатурн, Уран или Нептун, состоящая из твердого ядра из камня и льда и окружающих его широких слоев газа — в первую очередь водорода и гелия. Масса такой планеты составляет не менее дюжины масс Земли и может превосходить ее даже в сотни раз.

Планетезималь. Объект намного меньше планеты по размеру, который способен вырасти до размеров и статуса планеты за счет многочисленных взаимных столкновений с другими объектами.

Плутон. Самый близкий к Солнцу внутренний транснептуновый объект. Был открыт в 1930 году и считался планетой до тех пор, пока голосованием Международного астрономического союза в 2006 году не был понижен до статуса карликовой планеты.

Постоянная Хаббла. Математическая постоянная, которую можно встретить в законе Хаббла: она объединяет удаленность от нас галактик с их скоростью удаления от нас.

Пояс Койпера. Материал, вращающийся вокруг Солнца на расстоянии от 40 астрономических единиц (примерное расположение Плутона) до нескольких сотен, где астрономическая единица равняется расстоянию от Солнца до Земли. Пояс представлен преимущественно останками протопланетного диска Солнца. Плутон является одним из самых крупных объектов пояса Койпера.

Приливы. Неровности, возникающие в деформируемом объекте вследствие гравитационного воздействия расположенного рядом другого объекта; они появляются из-за того, что этот объект оказывает разное по силе гравитационное воздействие на разные части деформируемого объекта, потому что эти части находятся на разном расстоянии от источника гравитации.

Программа SETI. Программа поиска внеземных цивилизаций (от англ. Search for Extraterrestrial Intelligence).

Прокариот. Член одного из трех доменов жизни — одноклеточный организм, чей генетический материал хранится внутри всей клетки, а не в ее четко ограниченном ядре.

Пространство-время. Математическое сочетание пространства и времени, которое рассматривает время как одну из координат со всеми правами и привилегиями, полагающимися пространству. С помощью специальной теории относительности было доказано, что самое точное описание природы достигается с использованием системы пространства-времени. Собственно, концепция требует, чтобы всем событиям были присвоены координаты не только в пространстве, но и во времени.

Протозвезда. Звезда в процессе формирования из большого облака газа и пыли, сжимающаяся под воздействием все возрастающего собственного тяготения.

Протон. Элементарная частица с одной единицей положительного электрического заряда, которая есть в ядре каждого атома. Число протонов в ядре атома определяет элементную суть этого атома. Например, если у химического элемента один протон, значит, это водород; два протона — гелий; а если протонов 92 — это уран.

Протон-протонный цикл. Совокупность трех реакций ядерного синтеза, с помощью которых большинство звезд синтезируют ядра гелия из ядер водорода (протонов), преобразуя энергию массы в кинетическую энергию.

Протопланета. Планета на последних стадиях своего формирования.

Протопланетный диск. Диск газа и пыли, окружающий звезду в процессе ее образования, внутри которого и из которого могут образоваться отдельные планеты.

Протосолнце. Солнце на этапе его формирования.

Пульсар. Объект, выделяющий с регулярными интервалами времени пульсоподобные дозы фотонов радиоизлучения (а зачастую также фотонов, обладающих еще большей энергией) в результате стремительного вращения нейтронной звезды, который создает излучение за счет того, что заряженные частицы ускоряются в ее мощном магнитном поле.

Разделение. Эпоха в истории образования Вселенной, когда у фотонов впервые стало не хватать энергии взаимодействовать с атомами, из-за чего первые атомы смогли сформироваться и не распасться вследствие столкновений с фотонами.

Р

Радиоактивный распад. Процесс спонтанного преобразования определенных типов атомных ядер в другие типы атомных ядер.

Радиоизлучение. Фотоны с самой большой длиной волны и самыми низкими частотами.

Радиус черной дыры. Расстояние величиной 3M километров для любого объекта массой M, выраженной в единицах, равных массе Солнца; также называется горизонтом событий черной дыры.

Разрешение. Свойство собирающего свет прибора — к примеру, камеры, телескопа или микроскопа — улавливать подробности объекта. Разрешение всегда улучшается с использованием больших зеркал или линз, однако подобное улучшение может быть нейтрализовано атмосферными искажениями, ведущими к потере резкости изображения.

Растворитель. Жидкость, способная растворить в себе другую субстанцию; жидкость, внутри которой могут плавать и взаимодействовать атомы и молекулы.

Расщепление. Разделение более крупных атомных ядер на два или более ядра меньшего размера. Расщепление любых ядер крупнее железа сопровождается выделением энергии. Такое расщепление (оно также называется атомным расщеплением) — источник энергии во всех современных ядерных заводах.

Реликтовое излучение. Океан фотонов, образовавшийся во Вселенной вскоре после Большого взрыва, который до сих пор наполняет Вселенную. Его текущая температура составляет 2,73 K.

Рентгеновское излучение. Фотоны с частотами выше, чем у ультрафиолетового излучения, но ниже, чем у гамма-излучения.

РНК (рибонуклеиновая кислота). Крупная сложная молекула, состоящая из тех же типов молекул, что и ДНК, которая отвечает за ряд очень важных процессов в живых клетках, включая передачу генетической информации, заложенной в ДНК, к местам образования белков.

C

Сверхмассивная черная дыра. Черная дыра, масса которой в несколько сотен раз больше массы Солнца.

Сверхновая звезда. Звезда, которая взрывается по окончании своего жизненного цикла, исчерпав свои возможности ядерного синтеза; в течение нескольких недель после взрыва она сияет так ярко (обладает столь высокой светимостью), что по объему выделяемой энергии сопоставима с полноценной самостоятельной галактикой. Сверхновые звезды производят и распространяют в межзвездном пространстве химические элементы, по весу превышающие водород и гелий.

Свет (видимый свет). Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, чьи частоты и длины волн попадают в пределы одноименного диапазона, расположенного между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

Светимость. Суммарное количество энергии, выделяемой в секунду объектом в форме любого электромагнитного излучения.

Световой год. Расстояние, которое свет или электромагнитное излучение любой другой формы проходит за один год, равное — примерно десяти триллионам километров или шести триллионам миль.

Сера. Химический элемент, ядро которого имеет 16 протонов, а атомы по распространенности на Земле занимают пятое место после кислорода, кремния, железа и алюминия.

Сильное взаимодействие. Одно из четырех базовых взаимодействий, всегда притягательное, которое возникает между нуклонами (протонами и нейтронами) и удерживает их друг рядом с другом внутри атомного ядра, но только в том случае, если они оказываются друг от друга на расстоянии не более 10–13 см.

Синее смещение. Смещение излучения в сторону более высоких частот и волн менее короткой длины, вызываемое, как правило, эффектом Доплера.

Синтез. Образование более крупных ядер из более малых. Когда в синтезе участвуют ядра меньше железа, выделяется энергия. Ядерный синтез — основной источник энергии для мирового ядерного оружия и для всех звезд Вселенной. Также называется термоядерным синтезом.

Скептицизм. Вопрошающее или сомневающееся состояние ума, которое лежит в основе научных исследований нашей Вселенной.

Скорость покидания. Для снаряда или космического корабля скорость покидания — это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы, отправленный прочь с поверхности изначального объекта, он никогда не вернулся на нее, несмотря на гравитационное воздействие этого объекта.

Слабое взаимодействие. Одно из четырех базовых взаимодействий, вступающее в силу только между элементарными частицами на расстоянии не больше 10–13 см друг от друга и отвечающее за распад некоторых элементарных частиц на другие частицы. Недавние исследования показали, что слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие представляют собой разные аспекты единого электрослабого взаимодействия.

Собственное тяготение. Гравитационное воздействие каждой отдельной части объекта на все остальные его части.

Созвездие. Локальная группа звезд, наблюдаемая с Земли, получившая название в честь животного, планеты, научного инструмента или мифологического персонажа, которая в редких случаях действительно соответствует группе звезд, расположенных в пространстве поблизости друг от друга. Всего в небе 88 созвездий.

Соединение (химическое соединение). Один из синонимов слова «молекула».

Солнечная система. Солнце и все объекты, что вращаются вокруг него, включая планеты, их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и межпланетную пыль.

Солнечный ветер. Частицы, отброшенные от Солнца, в основном протоны и электроны, которые постоянно исходят потоками из внешних слоев Солнца; когда они делают это в особенно больших количествах, мы называем такое явление солнечной вспышкой или солнечным факелом.

Спектр. Распределение фотонов согласно их частотам или длинам волн, как правило представленное в виде графика, указывающего соответствующее количество фотонов для каждой конкретной частоты и длины волны.

Специальная теория относительности. Впервые представленная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, данная теория предлагает обновленный свод понятий о пространстве, времени и движении. Теория основана на двух принципах относительности: (1) скорость света постоянна для всех и каждого независимо от методики и системы мер, в которой вы ее измеряете, и (2) законы физики одинаковы для каждого описываемого объекта или явления, статического или движущегося с постоянной скоростью. Позднее теория была дополнена описанием ситуаций, в которых присутствует ускорение, — так родилась общая теория относительности. Так сложилось, что два указанных Эйнштейном принципа относительности доказали свою состоятельность в каждом когда-либо проведенном эксперименте. Эйнштейн довел принципы относительности до ряда логических заключений и предсказал множество необычных концепций, включая следующие.

• Абсолютно одновременных явлений не существует. Одновременные для одного наблюдателя события могут быть отделены во времени для другого.

• Чем быстрее вы перемещаетесь, тем медленнее ваше продвижение во времени относительно кого-то, кто наблюдает за вами.

• Чем быстрее вы перемещаетесь, тем массивнее становитесь, поэтому двигатели вашего космического корабля теряют эффективность по мере набора вами скорости.

• Чем быстрее вы перемещаетесь, тем короче становится ваш космический корабль; все укорачивается в направлении движения.

• При достижении скорости света время останавливается, ваша длина составляет нуль, а ваша масса бесконечна. Осознав абсурдность подобного ограничения, Эйнштейн заключил, что достигнуть скорости света невозможно.

Эксперименты, разработанные для проверки теорий Эйнштейна, подтвердили актуальность всех вышеуказанных прогнозов. Прекрасным примером служат частицы с периодом полураспада. По истечении предсказуемого отрезка времени половина из них, предположительно, должна распасться и превратиться в другие частицы. Когда такие частицы искусственным образом ускоряются практически до скорости света (в специальных ускорителях), их период полураспада вырастает ровно настолько, насколько в свое время предсказывал Эйнштейн. Чем быстрее они движутся, тем труднее становится дальнейшее их ускорение, что подразумевает, что их массы вследствие ускорения действительно вырастают.

Спиральная галактика. Галактика, представляющая собой сильно уплощенный диск звезд, газа и пыли, внутри которого визуально выделяются спиральные ответвления (ветви).

Спиральная галактика с перемычкой. Спиральная галактика, в которой распределение звезд и газа в ее центральных регионах имеет вытянутую, сходную с перемычкой форму.

Спиральные ответвления (ветви). Спиралеобразные структуры внутри диска спиральной галактики, очертания которых обозначены самыми молодыми, раскаленными звездами с наибольшей светимостью и облаками газа и пыли, из которых эти звезды недавно образовались.

Спутник. Относительно малый объект, вращающийся вокруг гораздо более крупного и массивного; если быть точнее, оба объекта в такой системе вращаются вокруг единого для них центра массы по орбитам, чьи размеры обратно пропорциональны массам этих объектов.

Спутник COBE (COsmic Background Explorer). Отправленный в космос в 1989 году спутник, который наблюдал за реликтовым излучением и первым обнаружил некоторую неравномерность в распределении этого излучения, идущего с разных направлений.

Спутник TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Запущен в 2018 году на высокоэллиптическую орбиту и предназначен для поиска экзопланет методом транзитов.

Спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Запущенный в 2001 году спутник, предназначенный для исследования реликтового излучения с гораздо большей точностью, чем смог обеспечить его предшественник, спутник COBE.

Стандартная линейка. Максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости в эпоху разделения. Увеличение размера стандартной линейки из-за расширения Вселенной позволяет определить постоянную Хаббла.

Стандартная свеча. Астрономический объект с известной истинной яркостью, который используется как эталон для сравнения с другими подобными объектами с целью определения расстояния до них.

Стандартная сирена. Источник гравитационного излучения, обычно две сливающиеся нейтронные звезды, истинную энергию которого можно определить по временной последовательности производимых волн.

Сублимация. Переход из твердого состояния в газообразное или из газообразного в твердое, минуя жидкое.

Субмиллиметровое излучение. Электромагнитное излучение, чьи частоты и длины волн лежат между аналогичными показателями инфракрасного и радиоизлучения.

Сухой лед. Замороженный углекислый газ (CO_2).

Сфера. Единственное сплошное тело, у которого все до единой точки на поверхности равноудалены от центра этого тела.

Т

Тектоника плит. Медленное движение плит земной коры или коры других подобных планет.

Телескоп (гамма-телескоп, рентгеновский, ультрафиолетовый, оптический, инфракрасный, микроволновый, радиотелескоп). Астрофизики разработали разные телескопы и детекторы для каждого отдельного сегмента спектра. Некоторые сегменты спектра не достигают поверхности Земли. Так, чтобы разглядеть гамма—, рентгеновское, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, которое исходит от многих космических объектов, такие телескопы должны быть выведены на орбиту, расположенную выше тех слоев земной атмосферы, что поглощает данные типы излучения. Дизайн и принцип работы телескопов могут различаться, но все они одинаковы с точки зрения следующих трех принципов: (1) они собирают фотоны (2), они фокусируют фотоны и (3) они записывают данные об этих фотонах с помощью каких-либо детекторов.

Телескоп JWST (James Webb Space Telescope). Космический телескоп, созданный для замены телескопа Хаббла и имеющий зеркало большего размера и более совершенное оборудование Темная материя. Материя неизвестной формы, которая не выделяет электромагнитного излучения; ее существование было обнаружено по тому гравитационному воздействию, которое она оказывает на видимое вещество. Считается, что на долю темной материи приходится большая часть всего вещества во Вселенной.

Темная энергия. Энергия, которую невозможно увидеть или обнаружить с помощью прямых методов измерения; ее количество зависит от величины космологической постоянной, и она провоцирует расширение пространства.

Температура. Мера средней кинетической энергии произвольного движения внутри заданной группы частиц.

Согласно абсолютной температурной шкале Кельвина температура газа прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц этого газа.

Температурная шкала Кельвина (абсолютная шкала). Температурная шкала, названная в честь лорда Кельвина (Уильям Томсон, 1824–1907) и разработанная в середине XIX века: согласно этой шкале самая низкая из возможных температур составляет 0 градусов. Температурные интервалы на этой шкале (обозначаемые К) соответствуют интервалам температурной шкалы Цельсия, поэтому по шкале Кельвина вода замерзает на уровне 273,16 градуса и кипит при 373,16 градуса.

Температурная шкала Цельсия. Температурная шкала, названная в честь шведского астронома Андерса Цельсия (1701–1744), который представил ее миру в 1742 году; согласно этой шкале вода замерзает при температуре 0 градусов и кипит при температуре 100 градусов.

Температурная шкала Фаренгейта. Шкала температур, названная в честь немецкого физика Габриэля Даниэля Фаренгейта (1686–1736), который представил ее в 1724 году; согласно этой шкале вода замерзает при температуре 32 градуса и кипит при 212 градусах.

Теория всего (Theory Of Everything, TOE). Гипотетическая основная теория, объясняющая все физические аспекты Вселенной.

Тепловая энергия. Энергия, образующаяся внутри объекта (твердого, жидкого или газообразного) за счет его атомных или молекулярных вибраций. Средняя кинетическая энергия этих вибраций и представляет собой температуру.

Термофил (термофильный организм). Организм, который успешно живет и развивается в высокотемпературной среде, включая температуру, почти равную точке кипения воды.

Термоядерный. Любой процесс, связанный с поведением атомного ядра при высоких температурах.

Термоядерный синтез. Альтернативное название ядерного синтеза, отдельно подчеркивающее необходимые для него высокие температуры («термо»); иногда также называется сплавлением.

Транзит. Астрономический термин, описывающий прохождение одного объекта перед другим вдоль нашего луча зрения.

Туманность. Диффузная масса газа и пыли, как правило освещенная изнутри молодыми звездами с высокой светимостью, которые недавно образовались из этого материала.

У

Углевод. Молекула, состоящая только из атомов углерода, водорода и кислорода; нередко атомов водорода в ней в два раза больше, чем атомов кислорода.

Углекислый газ. Молекулы двуокиси углерода (CO_2), в составе каждой из которых — один атом углерода и два атома кислорода.

Углерод. Химический элемент, состоящий из атомов, в ядрах которых по шесть протонов; его разные изотопы содержат в себе по шесть, семь или восемь нейтронов.

Ультрафиолетовое излучение. Фотоны с частотами и длинами волн, расположенные по этим двум показателям между видимым светом и рентгеновским излучением.

Ускорение. Изменение в скорости движения объекта или в его направлении (или и то и другое).

Ф

Формула Дрейка. Уравнение, впервые полученное американским астрофизиком Фрэнком Дрейком, которое отражает приблизительное количество цивилизаций с навыками межзвездного сообщения, существующих во Вселенной в данный или любой другой заданный момент времени.

Фотон. Элементарная частица без массы и электрического заряда, способная переносить энергию. Потоки фотонов образуют собой электромагнитное излучение и перемещаются в пространстве со скоростью света, преодолевая 299 792 км/с.

Фотосинтез. Использование энергии видимого света или ультрафиолетовых фотонов с целью образования углеводных молекул из углекислого газа и воды. В некоторых организмах сульфид водорода (H_2S), он же сероводород, играет ту же роль, что вода (H_2O) в большинстве фотосинтетических реакций, протекающих на Земле.

Х

Харон. Крупнейший спутник Плутона, его диаметр составляет более половины диаметра Плутона.

Хромосома. Одна молекула ДНК со связанными с ней белками, которая хранит генетическую информацию в субъединицах, называемых генами, а также может передавать эту информацию во время размножения клеток.

Ц

Церера. Крупнейший астероид, обнаруженный в 2020 году и имеющий большое количество воды под своей поверхностью.

Циановодород (синильная кислота). Молекулы HCN, вероятные предшественницы жизни на Земле.

Цивилизация. В рамках программы поиска внеземного разума SETI представляет собой группу существ с возможностью межзвездного сообщения не менее низкого уровня, чем у нас на Земле.

Ч

Частота. Частота фотонов — это количество их колебаний, или вибраций, в секунду.

Черная дыра. Объект со столь громадным гравитационным воздействием, что ничто, включая свет, не может покинуть его окрестности, находясь в рамках определенного расстояния от центра черной дыры; это расстояние называется радиусом черной дыры.

Ш

Широта. Земная координата, определяющая в градусах положение точек на поверхности Земли с точки зрения их направления от экватора (нуль градусов) к Северному полюсу (90º северной широты) или к Южному полюсу (90º южной широты).

Э

Эволюция. В биологии — непрекращающийся результат естественного отбора, который при определенных условиях заставляет группы похожих организмов, называемых видами, меняться с течением времени таким образом, чтобы их потомки основательно отличались от них по структуре и внешнему облику. В общем и целом, любое постепенное изменение формы или состояния объекта можно считать эволюцией.

Экзопланета. Планета, которая вращается вокруг любой звезды, не являющейся Солнцем.

Экстремофил. Организм, успешно развивающийся в условиях высоких температур, в среднем от 70 до 100 градусов по шкале Цельсия.

Эксцентриситет. Мера вытянутости эллипса, определяется как отношение расстояния от центра эллипса до его фокуса к длине большой полуоси.

Электрический заряд. Врожденное свойство элементарных час тиц, которое может приобретать положительное, отрицательное или нулевое значение; противоположные электрические заряды притягиваются, в то время как одинаковые электрические заряды отталкивают друг друга под воздействием электромагнитного взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие. Одно из четырех фундаментальных типов взаимодействий в природе, образующееся между частицами с электрическим зарядом и падающее пропорционально квадрату расстояния между двумя такими частицами. Недавние исследования показали, что это и слабое взаимодействие являются разными аспектами единого электрослабого взаимодействия.

Электромагнитное излучение. Потоки фотонов, которые уносят энергию прочь от источника такого фотонного излучения. Не путайте с гравитационным излучением. Фотоны подразделяются на гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволновое излучение и радиоизлучение в зависимости от их энергии, частоты и длины волны.

Электрон. Элементарная частица с одним отрицательным электрическим зарядом, которая вращается вокруг ядра атома. Электрослабое взаимодействие. Объединенные электромагнитное и слабое взаимодействия, аспекты которых отличаются друг от друга при низких уровнях энергии, но объединяются при воздействии с участием огромных объемов энергии — например, как в первые моменты существования Вселенной.

Элементарная частица. Фундаментальная природная частица, как правило, неделимая. Протоны и нейтроны обычно называют элементарными частицами, хотя каждый из них, в свою очередь, все же состоит из трех субчастиц — кварков.

Элементы (химические элементы). Базовые составляющие компоненты вещества, отличающиеся друг от друга количеством протонов в атомных ядрах. Все обычное вещество во Вселенной состоит из 92 элементов диапазоном от самого малого атома — водорода (один протон в ядре) — до самого крупного из встречающихся в естественных условиях — урана (92 протона в ядре). Элементы тяжелее урана были получены искусственным путем в лабораториях.

Эллипс. Замкнутая кривая, для которой справедливо, что сумма расстояний от любой точки на этой кривой до двух фиксированных точек внутри полученной фигуры (называемых фокусами) одинакова.

Эллиптическая галактика. Галактика с эллиптическим распределением звезд, в которой почти нет межзвездного газа или пыли; ее форма в двухмерной проекции напоминает эллипс.

Энергия. Способность производить работу; в физике под «работой» подразумевается количество силы, воздействующей на заданном расстоянии.

Энергия движения. См. Кинетическая энергия.

Энергия массы. Выраженный в виде энергии эквивалент заданного количества массы, равный произведению массы на квадрат скорости света.

Энзим. Тип молекулы — белка или РНК, — который служит площадкой для взаимодействия молекул, становясь в том числе катализатором для ряда определенных молекулярных реакций.

Энцелад. Один из спутников Сатурна среднего размера, под ледяной поверхностью которого скрывается мировой океан. Это обстоятельство делает его главной целью в поисках внеземной жизни.

Эпоха разделения. Космическая эпоха, начавшаяся через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда расширение Вселенной уменьшило энергию фотонов реликтового излучения до такой степени, что они больше не могли препятствовать образованию атомов.

Эукариот. Одно— или многоклеточный организм, который хранит свой генетический материал в каждой из своих клеток внутри защищенного мембраной ядра. Сравните с прокариотами.

Эукариоты. Один из трех доменов существующих в природе организмов.

Эффект Доплера. Изменение в частоте, длине волн и энергии, которое можно наблюдать в фотонном излучении, идущем от источника, обладающего относительной скоростью приближения или удаления вдоль луча зрения наблюдателя по направлению к этому источнику. Эти изменения в частоте и длине волн представляют собой общее явление, которое происходит с любым типом волнового движения. Они не зависят от того, что именно является источником движения — наблюдатель или наблюдаемый источник излучения; роль играет только движение этого источника относительно луча зрения наблюдателя.

Я

Ядерный синтез. Соединение двух ядер под влиянием сильного взаимодействия, возможное только в том случае, если эти ядра окажутся на расстоянии друг от друга, сопоставимом с размером протона (10–13 см).

Ядро. (1) центральная область атома, состоящая из одного или более протонов и нуля или более нейтронов; (2) область внутри клетки эукариота, которая содержит ее генетический материал — в форме хромосом; (3) центральный регион галактики.

Список рекомендуемой литературы

Adams F., Laughlin G. The Five Ages of the Universe: Insidethe Physics of Eternity. — New York: Free Press, 1999[54].

Bartusiak M. Einstein's Unfinished Symphony: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy. — New Haven: Yale University Press, 2017.

Bryson B. A Short History of Nearly Everything. — New York: Broadway Books, 2003[55].

Eicher D. The New Cosmos: Answering Astronomy's Big Questions. — Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2016.

Freese K. The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter. — Princeton, NJ: Princeton University Press, 2014.

Goldsmith D. Connecting with the Cosmos: Nine Ways to Experience the Majesty and Mystery of the Universe. — Naperville, IL: Sourcebooks, 2002.

Goldsmith D. Exoplanets: Hidden Worlds and the Quest for Extraterrestrial Life. — Cambridge, MA: Harvard University Press, 2019.

Goldsmith D. The Hunt for Life on Mars. — New York: Dutton, 1997.

Goldsmith D. Nemesis: The Death— Star and Other Theories of Mass Extinction. — New York: Walker Books, 1985.

Goldsmith D. The Runaway Universe: The Race to Find the Future of the Cosmos. — Cambridge, MA: Perseus, 2000.

Gott J.R. Time Travel in Einstein's Universe: The Physical Possibilities of Travel through Time. — Boston: Houghton Mifflin, 2001.

Greene B. The Elegant Universe. — New York: W.W. Norton, 2000[56].

Greene B. The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality. — New York: Knopf, 2003[57].

Grinspoon D. Lonely Planets: The Natural Philosophy of Alien Life. — New York: HarperCollins, 2003.

Guth A. The Inflationary Universe. — Cambridge, MA: Perseus, 1997.

Johnson S.S. The Sirens of Mars: Searching for Life on Another World. — New York: Crown Publishing, 2020.

Kirshner R. The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and the Accelerating Cosmos. — Princeton, NJ: Princeton University Press, 2002.

Knoll A. Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. — Princeton, NJ: Princeton University Press, 2003.

Krauss L. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing. — New York: Atria Books, 2013[58].

Lemonick M. Echo of the Big Bang. — Princeton, NJ: Princeton University Press, 2003.

Panek R. The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy and the Race to Discover the Rest of Reality. — Boston, MA: Mariner Books, 2011.

Rees M. Before the Beginning: Our Universe and Others. — Cambridge, MA: Perseus, 1997.

Rees M. Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe. — New York: Basic Books, 1999[59].

Roach M. Packing for Mars: The Curious Science of Life in the Void. — New York: W.W. Norton, 2011.

Schilling G. Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy. — Cambridge, MA: Harvard University Press, 2017[60].

Seager S. The Smallest Lights in the Universe: A Memoir. — New York: Crown, 2020.

Seife C. Alpha and Omega: The Search for the Beginning and End of the Universe. — New York: Viking, 2003.

Singh S. Big Bang: The Origin of the Universe. — New York: Harper Perennial, 2005.

Starkey N. Catching Stardust: Comets, Asteroids, and the Birth of the Solar System. — London: Bloomsbury Sigma, 2018.

Stern A., Grinspoon D. Chasing New Horizons: Inside the Epic First Mission to Pluto. — London: Picador, 2018[61].

Tasker E. The Planet Factory: Exoplanets and the Search for a Second Earth. — London: Bloomsbury Sigma, 2017[62].

Tyson N. deGrasse. Astrophysics for People in a Hurry. — New York: W.W. Norton, 2017[63].

Tyson N. deGrasse. Death by Black Hole: And Other Cosmic Quandaries. — New York: W.W. Norton, 2007[64].

Tyson N. deGrasse. Just Visiting This Planet: Merlin Answers More Questions about Everything under the Sun, Moon and Stars. — New York: Main Street Books, 1998.

Tyson N. deGrasse. Letters from an Astrophysicist. — New York: W.W. Norton, 2019[65].

Tyson N. deGrasse. Merlin's Tour of the Universe: A Skywatcher's Guide to Everything from Mars and Quasars to Comets, Planets, Blue Moons, and Werewolves. — New York: Main Street Books, 1997.

Tyson N. deGrasse. The Pluto Files: The Rise and Fall of America's Favorite Planet. — New York: W.W. Norton, 2009.

Tyson N. deGrasse. The Sky Is Not the Limit: Adventures of an Urban Astrophysicist. — New York: Doubleday, 2000.

Tyson N. deGrasse. Space Chronicles: Facing the Ultimate Frontier. — New York: W.W. Norton, 1994[66].

Tyson N. deGrasse, Lang A. Accessory to War: The Unspoken Alliance between Astrophysics and the Military. — New York: W.W. Norton, 2018[67].

Tyson N. deGrasse, Liu C., Irion R. One Universe: At Home in the Cosmos. — Washington, DC: Joseph Henry Press, 2000.

Примечания

1

Пер. Д. Шедровицкого.

2

Annalen der Physik — один из старейших научных журналов в мире, публикующий оригинальные статьи в области теоретической, экспериментальной, прикладной и математической физики; издается с 1799 года.

3

u-кварк — сокр. от up quark; d-кварк — сокр. от down quark; s-кварк — сокр. от strange quark; c-кварк — сокр. от charmed quark; t-кварк — сокр. от top quark; b-кварк — сокр. от bottom quark.

4

Three quarks for Muster Mark! (Альтернативный перевод — «Три кварка для Мастера Марка!») Предположительно захмелевший мистер Марк хотел сказать «три кварты» (1 кварта = 1,14 литра), но язык не послушался его.

5

CERN — аббревиатура Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, французского названия Европейской организации ядерных исследований.

6

«Звездный путь» (англ. Star Trek) — популярный американский научнофантастический сериал об утопическом космическом будущем человечества, первая серия которого вышла в 1966 году. На сегодня франшиза насчитывает шесть телесериалов, включая мультипликационный, 12 полнометражных фильмов, книги, рассказы, компьютерные игры и обладает огромной базой поклонников по всему миру.

7

Time Travel in Einstein's Universe, Джон Ричард Готт III, год выхода — 2001.

8

15,24 м.

9

8,23 м.

10

Компания Bell Labs (прежде Bell Telephone Company) была основана в Бостоне, штат Массачусетс, 9 июля 1877 года Гардинером Грином Хаббардом — тестем Александра Белла, одного из основоположников телефонии. Главным конкурентным преимуществом Bell Telephone Company был патент Белла на изобретение телефона.

11

The Astrophysical Journal — ежемесячный научный журнал Американского астрономического сообщества, который выходит с 1895 года.

12

Полное английское название — Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона был назван в честь крупнейшего астрофизика Дэвида Уилкинсона и запущен в 2001 году. Благодаря ему ученые смогли получить точную и детальную картину Вселенной, возраст которой не превышал 380 тысяч лет.

13

Скорость вращения Земли вокруг Солнца.

14

На звезды глядя, проще нам понять / Мысли учителя — и разумом впитать. / Ведь каждая из них — дитя Ньютона — Верна его математическим законам. (Пер. М. Герман)

15

Англ. MOND (MOdified Newtonian Dynamics).

16

1 кв. дюйм = 6,452 кв. см.

17

Здесь присутствует отсылка к «инфляции» — термину, обозначающему рост цен в экономике.

18

Льюис Кэрролл. «Алиса в Зазеркалье», глава 5 «Вода и вязанье». Пер. Н. — Демуровой.

19

От англ. Type Ia или SN Ia (где SN = Supernova).

20

От англ. COsmic Background Explorer — «Исследователь фонового излучения».

21

От англ. «Why me? Why now?» — этой фразой Нэнси Керриган, крутясь от боли и держа пострадавшее колено обеими руками, запомнилась в СМИ. Нападение на нее было совершено 6 января 1994 года по заказу доброжелателей ее соперницы — фигуристки Тони Хардинг.

22

На момент написания книги это было так; однако в 2009 году Стивен Хокинг передал должность Лукасовского профессора, занимаемую им с 1979 года, профессору Майклу Грину.

23

Термин англоязычного научного мира nebula происходит от латинского слова nebula, означающего «облако».

24

14,6 м.

25

От англ. The Realm of Nebulae.

26

Из поэмы Э. Лазарус «Новый колосс», цитата из которой начертана на пьедестале статуи Свободы:

…Гремевшие в истории державы!

Отдайте мне всех тех, кого гнетет

Жестокость вашего крутого нрава, —

Изгоев, страстно жаждущих свобод… (Пер. с англ. В. Кормана)

27

От англ. peculiar — «необычный», «особенный», «непохожий на других».

28

Джинс Дж. Вселенная вокруг нас. — Л.; М.: Гостехиздат, 1932.

29

10,16 см.

30

От англ. void — «пустота».

31

Англ. термин quasistellar radio source, давший название квазарам (quasar), означает «похожий на звезду источник радиоизлучения».

32

Англ. Space Telescope Science Institute at John Hopkins University.

33

С англ. Hubble Deep Field можно перевести как «Глубинное месторождение Хаббла»; термин deep field относится к области добычи нефти, а в данном контексте отсылает к «месторождениям звезд».

34

Полное название — Инфракрасный телескопический аппарат им. Спитцера (Spitzer InfraRed Telescope Facility, или сокращенно SIRTF).

35

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

36

Sidereus Nuncius.

37

Галилей Галилео. Звездный вестник / Пер. И.Н. Веселовского // Избранные труды в двух томах. — М.: Наука, 1964.

38

Каптейн Я.К. О поглощении света в космосе // Астрофизический журнал. 1909. — Вып. № 29. С. 46.; Вып. № 30. С. 284.

39

Reviews of Modern Physics.

40

The Internal Constitution of the Stars.

41

Пер. М.В. Герман.

42

Пер. М.В. Герман.

43

Поуп А. Поэмы / Пер. В. Микушевича. — М.: Художественная литература, 1988.

44

Transiting Exoplanet Survey Satellite — спутник поиска экзопланет по транзитам, запущенный NASA в 2018 году.

45

CHaracterising ExOPlanets Satellite — спутник исследования характеристик экзопланет, запущенный Европейским космическим агентством в 2019 году.

46

PLANetary Transits and Oscillations of stars — спутник наблюдения за транзитами планет и изменением яркости звезд.

47

80,47, 160,93 и 402,34 км соответственно.

48

Шестое английское издание (1872) в переводе К.А. Тимирязева под общей редакцией академика Н.И. Вавилова.

49

Англ. Last Universal Common Ancestor, сокр. LUCA.

50

Dark Side of the Moon переводится с англ. как «Темная сторона Луны».

51

В англоязычной версии этой сказки девочку зовут Златовласка; однако в данном контексте кажется возможным использовать привычное русскому читателю имя для упрощения восприятия.

52

149,7 млн километров.

53

Search for ExtraTerrestrial Intelligence.

54

Адамс Ф., Лафлин Г. Пять возрастов Вселенной в глубинах физики вечности. — Ижевск НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006.

55

Брайсон Б. Краткая история почти всего на свете. — М.: АСТ, 2022.

56

Грин Б. Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. — URSS, 2017.

57

Грин Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. — М.: Ленанд, 2009.

58

Краусс Л. Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. — М.: АСТ, 2016.

59

Рис М. Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную. — М.: Альпина Диджитал, 2018.

60

Шиллинг Г. Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии. — М.: Альпина Паблишер, 2019.

61

Стерн А., Гринспун Д. За новыми горизонтами. Первый полет к Плутону. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.

62

Таскер Э. Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли. — М.: Альпина Диджитал, 2019.

63

Тайсон Н.Д. Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда. — М.: АСТ, 2018.

64

Тайсон Н.Д. Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности. — М.: Прайм, 2018.

65

Тайсон Н.Д. Письма астрофизика. — М.: АСТ, 2019.

66

Тайсон Н.Д. Космические хроники, или Почему инопланетяне до сих пор нас не нашли. — М.: АСТ, 2021.

67

Тайсон Н.Д., Лэнг Э. На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии. — М.: Бомбора, 2020.

Content

Тайсон Нил Деграсс и др История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции.

Благодарности Нилу Деграссу Тайсону

Предисловие. Рассуждения о происхождении науки и науке о происхождении

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

Часть I. Происхождение Вселенной

Глава 1. В начале всех начал

Глава 2. О важности антивещества

Глава 3. Да будет свет!

Глава 4. Да будет тьма!

Глава 5. Да будет больше тьмы!

Глава 6. Напряжение в космосе!

Глава 7. Одна Вселенная или множество?

Часть II. Происхождение галактик и структура Вселенной

Глава 8. Как были обнаружены галактики

Глава 9. Происхождение структуры

Часть III. Происхождение звезд и планет

Глава 10. Пыль к пыли

Глава 11. В эпоху юности миров

Глава 12. Планеты за пределами Солнечной системы

Часть IV. Возникновение жизни

Глава 13. Жизнь во Вселенной

Глава 14. Возникновение жизни на Земле

Глава 15. Поиски жизни в Солнечной системе

Глава 16. Поиски жизни в галактике Млечный Путь

Эпилог. Поиск самих себя во Вселенной

Благодарности

Глоссарий

А

Б

В

Г

Д

Е

Ж

З

И

К

Л

М

Н

О

П

Р

C

Т

У

Ф

Х

Ц

Ч

Ш

Э

Я

Список рекомендуемой литературы

Примечания