Текст книги "Вид с высоты"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 17 страниц)
15. Троянский катафалк
В самом первом моем фантастическом рассказе (не помню уж когда опубликованном) говорилось о космическом корабле, попавшем в беду в зоне астероидов. Один из героев рассказа осуждал безрассудную храбрость командира, который не уводил корабль из плоскости эклиптики (то есть плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца; эта плоскость близка к той, в которой движутся, в сущности, все тела солнечной системы) и не хотел вывести корабль за пределы зоны астероидов, чтобы избежать почти неминуемого столкновения с ними.
В то время я полагал, что зона астероидов усеяна этими небесными телами так же густо, как пляж галькой. Почти у всех, кто пишет и читает научную фантастику, это представление, по-видимому, живет и по сей день. Воображение рисует им, как рудокопы-одиночки в поисках ценных ископаемых легко перепрыгивают с одного астероида на другой. Отпускники разбивают палатки на одной планетке и, махая рукой, приветствуют друзей, расположившихся на другой.
Но верна ли эта картина? До сих пор открыто немногим меньше 2000 астероидов, но, конечно, в действительности их гораздо больше. Мне встречались данные, что общее число астероидов достигает 100 000.
Большую часть астероидов следует искать между орбитами Марса и Юпитера, причем астероиды обычно не отходят от плоскости эклиптики больше чем на 30 градусов в ту или другую сторону. Объем пространства между этими орбитами и в пределах таких углов наклона к эклиптике равен 820 000 000 000 000 000 000 000 000 (8,2 · 1026) кубических километров! Если мы для верности скажем, что общее число астероидов равно 200 тысячам, то на каждые 4,1 · 1021 кубических километров придется один астероид.
Это значит, что среднее расстояние между астероидами составляет примерно 10 миллионов километров. Возможно, для отдельных более густо населенных астероидами районов мы можем сократить это расстояние до 1 миллиона километров. Если учесть, что диаметр большинства астероидов не превышает одного километра, то станет ясно, что с одного астероида другой, по всей вероятности, невооруженным глазом и не увидишь. Отпускник будет проводить время в одиночестве, а разведчику геологу придется поломать голову над тем, как добраться до другого астероида.
Наверно, астронавты будущего при полете к дальним планетам будут просто проскакивать зону астероидов, так ничего и не увидев. И лишь в редких случаях совсем не страшный крик: «Виден астероид» – заставит космических туристов ринуться к иллюминаторам.
* * *
Не следует думать, что астероиды равномерно распределены по всей зоне малых планет (так называют в астрономии астероиды. – Ред.). Там имеются и скопления их, и практически пустые области.
И то и другое обусловлено сильным воздействием притяжения Юпитера на другие тела солнечной системы.
Когда астероид во время своего движения подходит к Юпитеру (который тоже движется по определенной орбите) на самое близкое расстояние, гравитационное воздействие Юпитера на астероид достигает максимума. При этом максимальном гравитационном воздействии смещение астероида с обычной орбиты (возмущение) тоже становится максимальным.
В обычных условиях смещение астероидов в сторону Юпитера происходит в различных точках их орбит. Из-за довольно большой вытянутости и значительных наклонений орбит большинства астероидов максимальное сближение их с Юпитером происходит в различных точках орбит, и иногда астероид смещается вперед, иногда – назад, иной раз – вниз, а иной раз – вверх. В конце концов эти возмущения компенсируют друг друга и астероиды движутся по орбитам, которые колеблются возле некой постоянной средней орбиты.
А что, если астероид движется вокруг Солнца в среднем на расстоянии 480 миллионов километров? Период обращения его будет равен тогда примерно 6 годам, а Юпитер делает полный оборот за 12 лет.
После максимального сближения Юпитера и астероида в какой-то момент времени Юпитер сделает за 12 лет один оборот вокруг Солнца, а астероид – два, и оба тела придут к тем же точкам максимального сближения. Это будет повторяться каждые 12 лет. После каждого нового оборота астероид будет смещаться в одном направлении. Возмущения перестанут компенсировать друг друга, а начнут складываться.
Но если Юпитер будет каждый раз подтягивать астероид к себе во время максимального сближения с ним, то астероид постепенно перейдет на орбиту, более далекую от Солнца, и год его удлинится. Период обращения уже не будет совпадать с периодом обращения Юпитера, и возмущения перестанут складываться. И наоборот, если бы астероид постепенно вышел на более близкую к Солнцу орбиту, год его стал бы короче, он не совпадал бы с годом Юпитера и возмущения опять-таки перестали бы складываться.
В общем ни один астероид не остается в той части зоны, где период обращения равен как раз половине периода обращения Юпитера. Любой астероид, который сначала находился там, смещается в ту или другую сторону: на прежней орбите он не остается.
То же самое можно сказать и о том районе зоны, в котором астероид имел бы период обращения 4 года, потому что через каждые три оборота он встречался бы с Юпитером в одном и том же месте. Если бы астероид имел период обращения 4,8 года, то эта же картина повторялась бы через каждые пять оборотов и так далее.
Районы зоны астероидов, которые были «очищены» Юпитером, известны под названием «пустот Кирквуда». Их назвали так в честь американского астронома Даниэля Кирквуда, который в 1876 году обратил внимание на эти пустоты и объяснил причины их возникновения.
* * *
Именно этим объясняется, что у Сатурна несколько колец, а не одно.
Кольца были открыты голландским ученым Христианом Гюйгенсом в 1655 году. Ему казалось, что Сатурн окружен сплошным светлым кольцом, нигде не касающимся планеты. Однако в 1675 году французский астроном Джиованни Доменико Кассини (родом из Италии) заметил темную щель, делившую кольцо на широкую и светлую внутреннюю часть и на более узкую и менее светлую внешнюю часть. Эту щель шириной 4800 километров с тех пор стали называть «щелью Кассини».
В 1850 году американский астроном Джордж Филлипс Бонд «подсмотрел» у Сатурна и третье кольцо, довольно тусклое и расположенное еще ближе к планете. Из-за своей тусклости оно было названо креповым кольцом. Креповое кольцо отделено от среднего, яркого кольца щелью шириной 1600 километров.
В 1859 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл указал, что из-за тяготения планеты кольца не могут быть сплошными, а должны состоять из многочисленных отражающих свет обломков[16]16
Одновременно и независимо к такому же выводу пришла замечательная русская женщина-математик Софья Ковалевская. – Прим. ред.
[Закрыть]; сплошными они кажутся только на далеком расстоянии. Частицы крепового кольца более разбросаны, чем частицы светлых колец, и потому оно выглядит таким тусклым. Теоретическое предсказание подтвердилось, когда в результате спектроскопических измерений было обнаружено, что периоды обращения разных точек колец отличаются друг от друга. Если бы кольца были сплошными, то период обращения был бы везде одинаков.
Внутренняя часть крепового кольца находится в каких-нибудь 10 000 километров от поверхности Сатурна. Эти частицы движутся по самым коротким орбитам и быстрее других. Они обращаются вокруг планеты примерно за 31/4 часа.
Во внешних кольцах частицы движутся медленнее и должны покрыть большие расстояния, а это означает, что период их обращения растет. На внешней стороне крайнего кольца период обращения частиц равен примерно 131/2 часа.
Если бы в щели Кассини были обнаружены частицы, оказалось бы, что они обращаются вокруг Сатурна за 11 часов с небольшим. Но в этом районе частиц нет, и потому он выделяется темной полоской на фоне окружающих его светлых колец.
В чем же тут дело?
Кроме системы колец, Сатурн обладает семьей из девяти более далеких спутников, и поле тяготения каждого из них возмущает движение частиц в кольцах. Ближайший из спутников Сатурна, Мимас, отстоит от внешнего края колец всего на 55 000 километров и имеет период обращения 221/2 часа. Период обращения второго спутника, Энцелада, равен 33 часам, а Тефии, третьего спутника, – 44 часам.
Любая частица в щели Кассини имела бы период обращения, равный 1/2 периода обращения Мимаса, 1/3 периода обращения Энцелада, 1/4 – Тефии. Не удивительно, что этот район совершенно пуст. В действительности спутники – малые тела и они могут возмущать движение еще меньших тел величиной с гальку; именно из таких «камешков» и состоят кольца. Если бы это было не так, то спутникам самим пришлось бы сойти со своих орбит.
Что же касается щели между креповым и внутренним светлым кольцами, то частицы в ней обращались бы вокруг Сатурна немногим менее чем за 7 часов, то есть за 1/3 периода обращения Мимаса и 1/6 периода обращения Тефии. В системе колец есть и более мелкие щели, существование которых объясняется теми же причинами.
* * *
Здесь я прерву повествование, чтобы рассказать об одном любопытном факте, – до сих пор я не встречал упоминаний о нем в литературе. В книгах по астрономии всегда отмечается, что Фобосу, ближайшему спутнику Марса, требуется меньше времени, чтобы обернуться вокруг Марса, чем самому Марсу, чтобы сделать поворот вокруг своей оси. Период вращения Марса вокруг своей оси равен 241/2 часа, а период обращения Фобоса – только 71/2 часа. Авторы книг по астрономии подчеркивали, что Фобос – это единственный спутник в солнечной системе, который ведет себя именно так.
Такое утверждение будет правильным, если мы примем во внимание только естественные спутники солидных размеров. Однако каждая частица в кольцах Сатурна, в сущности, тоже настоящий спутник, а раз это так, положение меняется. Период вращения Сатурна вокруг своей оси равен 101/2 часа, а каждая частица в креповом и во внутреннем светлом кольцах обращается вокруг Сатурна за меньшее время. Следовательно, спутник типа Фобоса далеко не единственный, у него есть бесчисленные миллионы собратьев.
Кроме того, почти всякий искусственный спутник, запущенный Советским Союзом и США, обращается вокруг Земли менее чем за 24 часа. Эти спутники относятся к той же категории, что и Фобос.
* * *
Гравитационные возмущения не только очищают от частиц некоторые районы, но и собирают эти частицы в одно место. Самый примечательный случай, – когда частицы собираются даже не в зоне, а буквально в одной точке.
Чтобы пояснить это, мне придется начать с самых истоков вопроса. Ньютоновский закон всемирного тяготения полностью решал «задачу двух тел» (по крайней мере в классической физике, которая игнорирует такие «новшества», как теория относительности и квантовая теория). Другими словами, если во Вселенной есть только два тела, положение и скорость которых известны, тогда на основе закона тяготения можно точно определить положение двух тел относительно друг друга в любой момент времени в прошлом или будущем.
Однако во Вселенной не два тела. Их бесчисленные триллионы. И следующий шаг к их учету состоит в решении «задачи трех тел». Как узнать положение трех тел во Вселенной относительно друг друга в любой момент времени, если известны их положения и направления движения в данный момент?
И вот тут-то астрономы оказались в затруднении. Никакого общего решения этой задачи нет, поэтому нет смысла в переходе к «задаче триллионов тел», существующих во Вселенной.
К счастью, это не остановило астрономов. Хотя в теории и есть изъян, ее все-таки можно использовать. Представьте, например, что ученым понадобилось бы рассчитать орбиту, по которой Земля обращается вокруг Солнца, чтобы затем вычислить положение этих тел по отношению друг к другу на следующий миллион лет. Если бы Солнце и Земля были единственными телами во Вселенной, то решить такую задачу было бы пустяковым делом. Но тут надо учитывать и притяжение Луны, Марса и других планет и – для полной точности – даже звезд.
К счастью, Солнце настолько больше любого другого небесного тела в солнечной системе и настолько ближе к Земле, чем любое другое тело с большой массой, что его тяготение «глушит» все остальные. Если при расчете орбиты Земли в качестве исходных данных брать только эти два тела, то ответ получается почти правильный. Кроме того, учитывается довольно слабое влияние ближайших тел и вносятся соответствующие поправки. Но чем точнее мы хотим рассчитать орбиту Земли, тем больше поправок нужно внести, чтобы учесть все более и более мелкие возмущения.
Принцип ясен, но на практике такие расчеты, разумеется, могут стать громоздкими и весьма утомительными. Формула, по которой более или менее точно рассчитывается движение Луны, занимает многие сотни страниц. Но она вполне пригодна для предсказаний времени и мест затмений с большой точностью и на большие сроки вперед.
Тем не менее астрономы не удовлетворены. Очень хорошо рассчитывать орбиты на основе последовательных приближений, но как прекрасно и изящно выглядела бы формула, которая позволила бы простым и общим путем связать влияние всех или по крайней мере трех тел.
Ближе всех подошел к этому идеалу французский астроном Жозеф Луи Лагранж. В 1772 году он действительно нашел некоторые весьма частные случаи, когда «задача трех тел» могла быть решена.
Представьте себе в пространстве два тела. Если масса тела А в 25,8 раза больше массы тела В, то об этом теле В можно сказать, что оно обращается вокруг в сущности неподвижного A. Так, например, Юпитер обращается вокруг Солнца. Затем представьте себе третье тело, С, имеющее сравнительно незначительную массу и не нарушающее гравитационных взаимоотношений А и В. Лагранж нашел, что тело С можно так разместить по отношению к телам А и В, что С будет обращаться вокруг A, точно сообразуясь с движением В. Таким образом, положение всех трех тел по отношению друг к другу будет известно во все времена.
Имеется 5 точек, в которые можно поместить тело С; они названы точками Лагранжа[17]17
В советской астрономической литературе они обычно называются точками либрации. – Прим. ред.
[Закрыть]. Три из них, Л1, Л2 и Л3, находятся на прямой, соединяющей A и В. В точке Л1 тело С оказывается между A и B. В точке Л2 – на той же прямой, но по одну сторону от A и B, а в точке Л3 – по другую.
Значение этих трех точек Лагранжа невелико. Любое тело, помещенное в одну из них, когда-нибудь хоть немного сдвинется из-за возмущения некоего тела, находящегося вне системы, и в результате воздействия притяжения A и B на тело C оно должно отойти от точки Лагранжа еще дальше. Это похоже на длинную палку, которую поставили на острие. Достаточно ей хотя бы немного наклониться, как она будет наклоняться все больше и больше, пока не упадет.
Две другие точки Лагранжа находятся не на прямой, соединяющей точки A и B. Если соединить их линиями с точками A и B, образуются равносторонние треугольники. Когда В обращается вокруг A, то точка Л4 всегда находится на 60 градусов спереди, а Л5 – на 60 градусов сзади.
Это две точки устойчивого равновесия. Если тело в любой из этих точек немного изменит положение из-за возмущений, то под воздействием притяжения A и B оно вернется обратно. Таким образом, тела в точках Л4 и Л5 колеблются вблизи истинной точки Лагранжа, подобно тому как колеблется палка, когда ее пытаются удержать в равновесии на пальце, постоянно меняя его положение.
Конечно, если палка отклонится от вертикального положения слишком сильно, то, несмотря на старания сохранить ее равновесие, она все же упадет. Так и небесное тело: если оно отклонится от точки Лагранжа слишком далеко, то может навсегда уйти из системы.
* * *
В то время, когда Лагранж решил «задачу трех тел», еще не было известно ни одного объекта во Вселенной, расположенного в предполагаемых им точках. Однако в 1906 году немецкий астроном Макс Вольф обнаружил астероид, который он назвал Ахиллом, по имени греческого героя из «Илиады». Для астероида он находился необычайно далеко. В сущности, этот астероид двигался так же далеко от Солнца, как Юпитер.
Анализ его орбиты показал, что он всегда остается возле точки Лагранжа Л4 в системе Солнце – Юпитер. Таким образом, он почти все время на 780 миллионов километров опережает Юпитер в его движении вокруг Солнца.
Несколько лет спустя в точке Л5 системы Солнце – Юпитер был обнаружен другой астероид. В честь любимого друга Ахилла он был назван Патроклом. Движется этот астероид вокруг Солнца, постоянно отставая от Юпитера на 780 миллионов километров.
Со временем в обеих точках были обнаружены и другие астероиды. Сейчас их известно уже 15: 10 – в Л4 и 5 – в Л5. Раз уж первый астероид был назван Ахиллом, то и все остальные получили имена героев «Илиады». И поскольку в «Илиаде» речь идет о Троянской войне, то все тела в обоих положениях были названы общим именем – «троянцы». Так как в число астероидов в положении Л4 входит один, названный по имени вождя греков (Агамемнон), то их иногда выделяют как «греческую группу». Среди астероидов в положении Л5 есть один, названный в честь троянского царя Приама, и о всех этих астероидах часто говорят как о «чисто троянской» группе.
Было бы неплохо, если бы в «греческую» группу входили только «греки», а в «чисто троянскую» – только «троянцы». К сожалению, об этом не подумали, и получилось так, что троянский герой Гектор входит в «греческую» группу, а греческий герой Патрокл – в «троянскую». От такой неразберихи любого знатока классической литературы хватил бы удар. Даже у меня появляется определенное чувство неловкости, хотя я не такой уж строгий ревнитель классики.
«Троянцы» остаются единственным примером тел, находящихся в точках Лагранжа. Они так хорошо известны, что точки Л4 и Л5 обычно называют троянскими положениями.
Внешние возмущения (особенно притяжение Сатурна) заставляют астероиды держаться возле этих точек. Иногда они разбредаются, какой-нибудь астероид может отойти от точки Лагранжа на расстояние до 150 миллионов километров. В конце концов такой астероид может быть оттянут далеко в сторону и начать движение по «нетроянской» орбите. С другой стороны, какой-нибудь астероид, ранее независимый, в результате возмущения может оказаться поблизости от точек Лагранжа и попасть в ловушку. В конце концов вместо одних «троянцев» появятся другие, но некоторое число их будет всегда.
«Троянцев», несомненно, не 15, а гораздо больше. Но они находятся так далеко от нас, что видны только довольно большие астероиды, имеющие до 100 километров в диаметре. И все же, безусловно, есть десятки и даже сотни более мелких, невидимых обломков, которые мчатся за Юпитером или прочь от него, но в этой извечной гонке нет победителей.
* * *
Троянских положений во Вселенной должно быть много. Если бы отношение масс каждой пары взаимосвязанных тел было 25,8 : 1, то я не удивился бы, узнав, что в троянских положениях их сопровождают какие-то каменные обломки.
Однако знать, что эти обломки существуют, – это еще не значит их увидеть; разумеется, обнаружить их где бы то ни было за пределами солнечной системы нельзя. Конечно, можно найти три взаимосвязанные звезды, но для подлинно «троянской обстановки» одно из тел должно иметь незначительную массу, и мы не сможем его увидеть при помощи астрономических инструментов, имеющихся сейчас в нашем распоряжении.
В солнечной системе Солнце и Юпитер – самая большая пара тел. Другие тела, попавшиеся в ловушку в точках Лагранжа этой системы, сами по себе могут быть довольно большими, но массы их по сравнению с массой Юпитера совершенно ничтожны.
С Сатурном дело обстоит далеко не так благоприятно. Так как Сатурн меньше Юпитера, астероиды в троянском положении, связанном с Сатурном, были бы в среднем меньше. Они были бы вдвое дальше от нас, чем астероиды Юпитера, и поэтому казались бы более тусклыми.
Следовательно, их было бы очень трудно увидеть, и потому-то до сих пор ни одного из «троянцев» Сатурна не обнаружили. С Ураном, Нептуном и Плутоном положение еще хуже.
Что же касается внутренних планет (Меркурия, Венеры, Земли и Марса), то у них в троянском положении могут находиться поистине лишь булыжники. Уже из-за одного этого их почти невозможно увидеть, даже если они существуют. Кроме того, астероиды Венеры и Меркурия терялись бы в сиянии Солнца.
Астрономы и не надеются найти что-либо подобное «троянским» астероидам Юпитера у других планет солнечной системы, пока вне Земли не будут созданы астрономические лаборатории или, что еще лучше, пока космические корабли не исследуют различные точки Лагранжа.
Но тут есть исключение – это место, в котором при наблюдении с земной поверхности, может быть, что-нибудь и обнаружится. Я говорю о точке Лагранжа, которая связана не с системой Солнце – планета, а с системой планета – спутник. Вы уже, конечно, догадались, что я говорю о Земле и Луне.
* * *
У Земли есть один-единственный спутник: это стало известно человеку, как только его мыслительные способности позволили ему вести целенаправленные наблюдения. Современный человек со всеми своими приборами так и не мог найти второго спутника. Во всяком случае, естественного. Астрономы твердо уверены, что, кроме Луны, вокруг Земли не обращается ни одно тело, диаметр которого доходил бы, скажем, до полукилометра.
Это не исключает существования любого числа очень маленьких частиц. Данные, полученные с искусственных спутников, как будто говорят о том, что Земля окружена кольцом мелких, как пылинки, частиц, похожим на кольца Сатурна, но гораздо менее внушительным.
Визуально такое кольцо можно было бы обнаружить только в местах, где частицы сконцентрировались с необычно высокой плотностью. Концентрация могла бы быть достаточно высокой только в точках Лагранжа Л4 и Л5 системы Земля – Луна. (Так как Земля массивнее Луны больше чем в 25,8 раза, а именно в 81 раз, объекты в этих точках занимали бы устойчивые положения.)
В 1961 году польский астроном К. Кордилевский сообщил, что он и в самом деле обнаружил в этих положениях два слабо светящихся пятна неправильной формы. По-видимому, это пылевые облака, попавшие в ловушку.
Именно в связи с этими «пылевыми спутниками» я подумал о практическом использовании точек Лагранжа. Мысль эта, насколько мне известно, до сих пор не высказывалась.
* * *
Все мы знаем, что одной из больших проблем, навязанных нам техникой космического века, является проблема избавления от радиоактивных отходов. Ее пробовали решать многими способами. Отходы прячут в контейнеры из сверхпрочных материалов. Предлагают заливать их расплавленным стеклом. Их можно зарывать в землю, складывать в соляных копях, сбрасывать в пропасти.
Однако всякий раз радиоактивные отходы остаются на Земле, и ни одно решение этой проблемы нельзя считать удовлетворительным; в конце концов некоторые дерзкие умы стали утверждать, что радиоактивные отходы надо выбрасывать в космос.
Безопаснее всего было бы отправлять их на ракетах в сторону Солнца. Однако сделать это не так-то легко. Потребовалось бы меньше энергии, если бы отходы запускались на Луну, но я уверен, что астрономы воспротивятся этому. Было бы еще легче просто вывести их на орбиту вокруг Солнца, и легче всего вывести их на орбиту вокруг Земли.
Но в любом из последних случаев существует определенный риск засорить внутренние районы солнечной системы, и особенно окрестности Земли, скоплениями радиоактивных материалов. Мы жили бы, так сказать, среди собственного мусора.
Хотя космос велик, а радиоактивные отходы по сравнению с ним ничтожны, возможность столкновения космических кораблей с радиоактивными обломками или приближения к ним все же не исключена.
А как обстоит дело с нашей атмосферой? На протяжении всей истории человек беспечно выпускал в атмосферу газообразные отходы и продукты сгорания и был уверен, что все развеется и никакого вреда от этого не будет; в результате очистка воздуха стала одной из главных проблем нашего времени. Так что давайте не загрязнять космос!
Выход из положения заключается в том, чтобы сконцентрировать радиоактивные отходы в небольших районах космоса и постараться удержать их там. Эти районы космоса можно затем объявить запретной зоной, и тогда мы избежим всяких неприятностей.
Надо запустить отходы в одно из троянских положений, связанных с системой Земля – Луна, с тем чтобы они навсегда оставались в этой ловушке. Если это сделать должным образом, то отходы будут оставаться в точках, находящихся в 300 000 километров от Луны и Земли на период, безусловно достаточный для того, чтобы радиация снизилась до безопасного уровня.
Естественно, что эти районы станут смертельно опасными для любого космического корабля, который пройдет сквозь них… это будет если уж не троянский конь, то, во всяком случае, «троянский катафалк». И все же ценой такого риска стоит решить проблему избавления от радиоактивных отходов.
