Текст книги "Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной"
Автор книги: Калеб Шарф
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]
Биография в десять миллиардов лет
Смена географических зон на Земле часто бывает резкой и поразительной. Хотите хороший пример – прокатитесь по шоссе по местности, которую чилийцы называют «холмы», на южной оконечности обширной пустыни Атакама[47]47
Пустыня Атакама тянется почти на 1000 километров на юг от границы Чили и Перу до северно-восточной оконечности Анд. Некоторые ее участки считаются самыми сухими точками земного шара (даже в большей степени, чем некоторые регионы Антарктиды). И в самом деле, на высоте примерно в три километра здесь есть участок, где сухость и химический состав почвы сравнивают с марсианской поверхностью.
[Закрыть] в Южной Америке. Если вы, подобно мне, хотите получить максимальный эффект, начните день на Тихом океане, где волны мерно бьются о набережные Ла-Серены[48]48
Ла-Серена – город с населением в несколько сотен тысяч человек (если считать ближайшие пригороды). Процветающий курорт благодаря морскому побережью и пляжам. Кроме того, здесь находится администрация крупнейших астрономических обсерваторий, расположенных в глубине континента и принадлежащих как американским, так и европейским исследователям.
[Закрыть] примерно в четырехстах километрах к северу от Сантьяго.
Там я просыпаюсь под алчные крики голодных птиц, снующих во влажном соленом воздухе, насыщенном запахом водорослей и глубоководных океанских тварей. По бережку трусят несколько одиноких бегунов, утреннее солнце разгоняет легкую дымку. Начинается ежедневный цикл испарения и конденсации, который на этом берегу происходит уже миллионы лет. Для моего носа и легких это аперитив, смешанный прямо в биосфере планеты, и я несколько раз глубоко вдыхаю холодный воздух, а потом сажусь за руль и пускаюсь в путь по пыльным дорогам, ведущим в глубь континента, к месту назначения.
Мимо мелькают густо-зеленые фермы и виноградники, а я качу себе по просторам долины реки Эльки[49]49
Река Эльки берет начало в Андах и впадает в Тихий океан. Поскольку в этих краях очень сухо, чилийцы построили плотину Пукларо примерно в 60 километрах вглубь материка, чтобы создать запасы речной воды на случай засухи и сдерживать наводнения при штормах, которые пусть редко, но случаются. Долина – главный чилийский производитель писко, виноградного бренди.
[Закрыть] – по огромной V-образной впадине, которая вдается далеко в сушу. Выращивают здесь в основном виноград и тропические фрукты. Понятно, почему: солнце так и сияет, огромная долина так и дышит жизнью. Словно роскошный плодородный инкубатор, где нет недостатка ни в тепле, ни в энергии.
По краям пышно цветущих полей тянутся вереницы водонапорных башен, разукрашенных увеличенными этикетками местных сортов писко – крепкого виноградного бренди, которое производят здесь уже пятьсот лет и пьют по всей стране.
Однако чем дальше от побережья, тем круче дорога идет в гору, и пейзаж стремительно меняется. Вдали виднеется огромная плотина, построенная всего лет десять назад для улучшения ирригации. Колоссальная дамба из камня и бетона пересекает долину от края и до края и так огромна, что ее трудно охватить взглядом – словно повторение природных скульптур незапамятных геологических эпох.
Вскоре я сворачиваю в сторону от рукотворных пейзажей, символа покорения природы человеком, и буйная зелень вокруг быстро сменяется мешаниной из чахлых кустов и красновато-коричневых камней и песка. Еще несколько минут – и я словно пересекаю невидимую границу и попадаю в совершенно другие места, в минералогический ландшафт иного пространства и времени.
Это и есть холмы, однако по моим лилипутским стандартам такое холмами не назовешь. Они – складка исполинской гармошки в земной коре, из которой получился Андский горный хребет, монументальное геофизическое явление, насчитывающее около 6000 километров в длину; эти горы вытолкнуло к небесам, когда океанический базальт задвинулся под Южноамериканскую континентальную плиту. Здесь особенно хорошо видно, как корчилась, остывая, планета. Внешняя корка кристаллизованного вещества, отвердевая, плавает на поверхности океана магмы, словно плот, затем трескается на колоссальные литосферные плиты, а они находят равновесие в пучинах гравитации.
Дорога идет все выше и выше плавной спиралью, земля становится все суше и пустыннее. Ехать приходится медленнее – то там, то сям дорогу перегораживают завалы из острых булыжников и песка. Но вскоре я вижу цель – она там, где на вершине крутого подъема ярко блестит отраженный свет. Там виднеется на фоне безбрежного лазурного неба белоснежно-серебристая обшивка огромных куполов обсерватории, этакий современный вариант шпилей и зубчатых стен – Межамериканская обсерватория Серро-Тололо[50]50
Обсерватория входит в Национальную обсерваторию оптической астрономии под эгидой Национального научного фонда США. Основана она была в начале 1960-х годов, в ней постоянно работают и чилийские, и американские ученые.
[Закрыть], где я проведу ближайшую неделю.
Здесь мне предстоит выполнить довольно скучную астрономическую работу – сделать калибровочные снимки нескольких десятков далеких туманностей, ничем не примечательных галактик, разбросанных там и сям по видимой Вселенной. Для этого мне на несколько ночей предоставят в полное распоряжение один из телескопов, и я засяду рядом с этим инструментом в уютной комнатке, заставленной компьютерами и мониторами. Из своей норки я буду управлять механизмом купола и чувствительной цифровой камерой телескопа, внутренности которой охлаждаются регулярными вливаниями жидкого азота[51]51
Чувствительная электроника, в том числе цифровые камеры, которые, как правило, применяются для регистрации фотонов и конструирования изображения, лучше работают при охлаждении. А пальцы астрономов – наоборот.
[Закрыть], – эта задача требует собранности и координации, каких в темноте южной ночи трудно ожидать даже от обладателя самой твердой руки. Изображения, которые я надеюсь получить, представляют собой всего лишь одну из стадий долгосрочного проекта по картированию и измерению этих далеких звездных «городков», в ходе которого нам предстоит проследить их медленную, едва заметную эволюцию на протяжении космического времени: словом, нам с коллегами занятость обеспечена на много лет.
Серро-Тололо, как и любая профессиональная обсерватория, работает по строго заведенному порядку. Днем техники и инженеры чистят, чинят и тестируют телескопы и прилагающееся к ним оборудование. После обеда из гостиницы на склоне показываются сонные астрономы – они хотят перекусить[52]52
Кормят в Серро-Тололо на славу, но еще прекраснее вид из столовой. Жаль, что нельзя каждый раз, садясь за стол, любоваться, как за окном пролетают андские кондоры.
[Закрыть] перед ночной вахтой. И каждый вечер после ужина они тянутся на вершину горы.
В шестидесятые годы ХХ века вершину разровняли при помощи динамита и тяжелых машин и разместили здесь полдюжины больших куполов для телескопов и оборудования. Получился безмятежный и по-своему красивый памятник человеческой любознательности и достижениям науки, а место, где он установлен, – самые настоящие врата небес. Сегодняшний вечер ничем не отличается от прочих, и вскоре я занимаю свое место, включаю аппаратуру и вожусь со сжиженным газом, после чего открываю полусферу купола над своим телескопом и выпускаю на волю воздух, разогретый за день на солнцепеке.
У каждого астронома свои тайные приемы обращения с телескопом, свои неписаные ритуалы. Мне, например, необходимо полюбоваться закатом. И не по каким-то романтическим причинам. Просто мне нужно подышать, прежде чем усаживаться за работу до самого утра, и хочется своими глазами увидеть, какое сегодня небо и какая ожидается погода: это сильно повлияет на качество данных, которые я рассчитываю получить.
На вершине Серро-Тололо увидеть закат очень просто – надо всего лишь выйти за дверь и прошагать, хрустя щебенкой, на сглаженную вершину горы. Чуть дальше склон круто обрывается – и открывается величественный вид на дальний пейзаж и бескрайнее небо.
На такой же наблюдательный пункт у обрыва выходят и другие астрономы – точь-в-точь сурикаты-философы, обозревающие свои владения. Солнце снижается и пропадает из виду, и далеко впереди, на западном горизонте, волнистый контур холмов, разделяющий небо и землю, отбрасывает на пустыню тень. Мир погружается во тьму.
Рис. 3. Зодиакальный свет, наблюдавшийся несколько минут после заката в другой чилийской обсерватории – Ла-Силья, расположенной на краю пустыни Атакама на высоте 2400 м (фотография публикуется с разрешения Ю. Белецкого, Европейская южная обсерватория, 2009).
Когда Солнце окончательно скрывается и безоблачное небо над нами начинает темнеть, я понимаю, что такой картины я до сегодняшнего вечера не видел. От края горизонта над тем местом, куда опустилось Солнце, к зениту поднимается острый сияющий клин. Словно огромный сияющий клинок сверхъестественного меча. Светится он так ярко, что звезды Млечного Пути тут ни при чем. Я несколько озадачен и даже встревожен – и бочком придвигаюсь к коллеге-астроному, который молча, как и я, стоит и встречает конец очередного дня. Я показываю на огненный клин и робко интересуюсь, что это, – и коллега дает мне краткий ответ, всего два слова.
Вообще-то я и сам должен был сообразить, что это за сияние в небе – просто его видно лишь на фоне самого темного неба, вдали от цивилизации. Потому-то единственное упоминание о нем на моей памяти и кануло в Лету вместе с пожелтелыми страницами газет, где я его прочитал: передо мной зодиакальный свет, составная часть нашей Солнечной системы, веха, свидетельствующая о происхождении всего, что меня окружает.
* * *
Там, где мы живем, на самом деле довольно просторно – и по местным небесным стандартам, и с человеческой точки зрения. От того места, где вы сейчас сидите или стоите, до Луны примерно 386 000 километров космического вакуума. А оттуда примерно 150 миллионов километров межпланетной пустоты до Солнца – даже свет преодолевает это расстояние за целых восемь минут.
Великое Солнце[53]53
Диаметр Солнца обычно приводится по фотосфере – внешней поверхности, испускающей видимый свет.
[Закрыть], пылающая сфера устрашающей термоядерной энергии, само по себе имеет солидный поперечник в 1 392 000 километров. Однако между Солнцем и самой дальней планетой Нептун зияет расстояние в среднем в 4,5 миллиарда километров. Для сравнения: размеры планет варьируются от 140 000 километров – таков диаметр газового гиганта Юпитера – до 5000 километров у скалистого Меркурия. Выходит, то, что для нас целый мир, в масштабах космоса не более чем пылинка: планеты – словно пылинки, вращающиеся вокруг скромной звездочки, тлеющей в пучинах пространства.
Рис. 4. Сравнительные размеры Солнца и крупных планет Солнечной системы. Земля – левая точка в нижнем ряду.
Планеты – плотные сгустки материи – вращаются вокруг Солнца по траекториям, лежащим примерно в одной плоскости: их орбиты, вместе взятые, очерчивают один огромный диск. В этой же области пространства и за ее пределами – до самых дальних границ нашей Солнечной системы – вращается и множество других небесных тел, куда мельче размерами. Вокруг Солнца вращаются триллионы каменных и ледяных глыб – от миллионов каменистых астероидов по нескольку километров в поперечнике до неисчислимого множества более мелких булыжников и камешков. Не все эти тела держатся в границах того же диска, где обретаются планеты: орбиты многих из них отклоняются от этой плоскости.
Рис. 5. Схематическое изображение Солнечной системы с соблюдением масштаба. Наверху – правильно ориентированные орбиты внутренних планет вокруг Солнца, далее (в центре) их уменьшенное изображение в сравнении с орбитами Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна и наклонная и относительно большая траектория Плутона. Все это окаймлено внешним поясом Койпера, имеющим форму бублика, который, в свою очередь, лежит внутри льдистой сферы – колоссального облака Оорта (справа внизу). От внешнего края этого облака до ближайшей звезды – около трех световых лет, почти 30 триллионов километров.
Кроме того, существуют льдистые ядра комет. На первый взгляд кометы похожи на астероиды, но если они подбираются слишком близко к Солнцу и начинают таять, из них выпариваются смеси воды и других химических веществ – и так возникают огромные светящиеся хвосты комет. Миллионы мелких небесных тел скопились в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера, однако эта зона так просторна, что небесные тела в них по нашим земным меркам распределены весьма редко. Расстояния между крупными глыбами достигают миллионов километров, и космический корабль вполне может благополучно миновать пояс астероидов – вероятность столкновения будет ничтожно мала. А иные семейства твердых небесных тел больше похожи на растерявшихся жуков: они влетают и вылетают из диска Солнечной системы по самым разным орбитам.
А еще дальше от Солнца вращаются другие астероиды и карликовые планеты (одна из них – Плутон, окруженный пятью спутниками). Они занимают орбиты в областях между Юпитером, Сатурном, Ураном, Нептуном и дальше, где примыкают к семейству так называемых транснептуновых объектов. Они существуют в холодной и по сей день малоизученной зоне – так называемом поясе Койпера[54]54
Эта область простирается от орбиты Нептуна (это примерно в 30 раз больше, чем расстояние от Солнца до Земли, то есть составляет 30 астрономических единиц – а. е.), и еще почти на столько же (примерно до 50 а. е.). В отличие от пояса астероидов, который пролегает ближе к Солнцу, почти все тела в поясе Койпера богаты замерзшими летучими соединениями вроде воды, метана и аммиака. Все, что находится в поясе Койпера и дальше, называют транснептуновыми объектами. Пояс получил название в честь американского астронома нидерландского происхождения Джерарда Койпера (1905–1973), однако уже со времени открытия Плутона в 1930 году многие астрономы выдвигали предположения о существовании этого региона и о том, какие тела в нем содержатся.
[Закрыть]; расстояние от него до Солнца раз в пятьдесят больше, чем от Солнца до земной орбиты.
Солнечный свет здесь в две с половиной тысячи[55]55
Энергия излучения на единицу площади убывает пропорционально квадрату расстояния от источника излучения – это простой геометрический эффект: свет распространяется, словно поверхность расширяющейся сферы.
[Закрыть] раз тусклее, чем у нас на Земле, а наша звезда-кормилица виднеется в виде яркой точки на фоне вечной ночи. А еще дальше гипотетически лежит область, которую мы называем облаком Оорта[56]56
Иногда его называют облаком Эпика-Оорта. Это внешняя область Солнечной системы названа в честь голландского астронома Яна Оорта (1900–1992), который, помимо всего прочего, еще в 1932 году обнаружил свидетельства существования на Млечном Пути невидимого компонента вещества – в наши дни его называют темным веществом. Оорт предположил, что долгопериодические кометы должны зарождаться в областях, сильно удаленных от Солнца, однако они все равно удерживаются гравитацией в пределах Солнечной системы, и именно эти области и назвали облаком Оорта. Из соображений динамики у облака Оорта должна быть внутренняя зона, больше похожая на диск, и внешняя, скорее напоминающая сферу.
[Закрыть] – расстояние от него до Солнца в сотни раз больше, чем от Солнца до нас. Мы считаем, что это источник определенного вида комет – тех, у которых такие длинные орбиты, что они появляются лишь раз в несколько сотен, тысяч или даже миллионов лет. Чтобы породить кометы, которые мы видим, в этой пограничной сфере Оорта должны быть триллионы ледяных небесных тел, которые иногда выталкиваются внутрь и притягиваются к знакомым нам планетам.
Облако Оорта – это реликт древнейшей истории Солнечной системы, а возможно, и далекий перевалочный пункт для ледяных перебежчиков с других звезд, которые встречались нам в непрерывных странствиях по орбите в галактике Млечный Путь. А еще дальше, примерно в световом годе от Солнца, начинается настоящее межзвездное пространство и остальная Вселенная.
Итак, перед нами обширный скелетоподобный набор отдельных точек, а в основном – пустота. Однако есть здесь и нечто, заполняющее пространство нашей Солнечной системы, пусть и еле заметное – межпланетная пыль. Крошечные крупинки силикатов и соединений углерода составляют огромное облако тончайшей дымки, окутывающее внутренние планеты. Эта пыль распределена в пространстве в виде пухлого диска и раскинулась от орбиты Юпитера до орбиты Меркурия.
Самые крупные из этих крупинок размером всего в одну десятую миллиметра, почти что микроскопические, и встречаются они не чаще, чем одна частичка на кубический километр. Однако, как мы только что заметили, Солнечная система весьма обширна, и вокруг нас рассыпано колоссальное количество этих частиц, которые отражают свет в точности как пылинки, танцующие в луче света в комнате.
* * *
И вот теперь, стоя на вершине горы в Чили, я наблюдаю именно это свечение в небе. Фотоны от Солнца сворачивают вовнутрь Солнечной системы, а затем рассеиваются, отразившись от крупицы межпланетной пыли, меняют траекторию и попадают прямо ко мне на сетчатку.
Мусульманские астрономы минувших веков назвали это небесное свечение «ложной зарей»[57]57
Считается, что это название пустил в обращение в одном из своих рубайят Омар Хайям – персидский астроном, поэт и математик, живший в XII веке.
[Закрыть], поскольку оно иногда появляется на востоке примерно за час до восхода, словно само время искажается и Солнце возвращается до срока, чтобы снова осветить мир. На самом деле освещается не столько мир, сколько структура Солнечной системы – туманное отображение исполинского диска, в котором лежат орбиты всех планет и множества других небесных тел, занимающих то же пространство. Как это прекрасно!
Кроме всего прочего, эта сияющая пыль имеет то же происхождение, что и различные твердые вещества, из которых когда-то создалась сама Земля. Эти вещества слипались и накапливались, плавились и снова отвердевали, остывая, и в конце концов сформировали слоистые минералы ядер и каменистую кору планет и спутников. Они – ближайшая родня тех субстанций, по которым я катил по пути от Тихого океана в Анды. Те же самые элементы и соединения удобряют почву в долине Эльки, те же компоненты хрустят у меня под ногами в виде щебенки. Глядя на сияние квадрильонов далеких пылинок, я внезапно понимаю, что и сам я создан из точно такого же вещества.
Для меня это настоящее озарение – неожиданное напоминание о том, как глубоко мое краткое существование связано с Большим и Главным. Как же так получилось, что стала возможной цепочка событий, которая привела к этой секунде? Как подобные пылинки, рассеянные в пространстве, превращаются в планеты? Как из них образуются целые миры с океанами, горами и живыми дышащими существами, которые задаются вопросом о своей роли в мироздании?
История Солнца, Земли и других планет длинна и иногда необычайно запутанна, а начать лучше всего с того, что признать, что даже нынешнее состояние природы нельзя считать завершенным строительным проектом. Некоторые процессы, когда-то приведшие к зарождению и развитию планет, идут в Солнечной системе и по сей день. И зодиакальный свет – одно из самых главных тому свидетельств.
* * *
Пыль, порождающая зодиакальный свет, на удивление летуча. Мельчайшие ее частицы такие крошечные, что даже бесплотное давление солнечного света, даже нежнейшие прикосновения протонов и те выталкивают их наружу, более того, разгоняют до таких скоростей, что они улетают прочь из Солнечной системы в глубины космоса.
Однако самые крупные частицы так велики, что неуловимые последствия аберраций солнечного света и даже их собственное тепло – их разогревают солнечные фотоны – создают противоположную тягу[58]58
Это называется эффект Пойнтинга – Робертсона. Явление это достаточно сложное, неуловимое и противоречит интуиции, поскольку механизм зависит от выбранной точки отсчета. Приведу аналогию. Представьте себе, что вы стоите под вертикальным дождем. Если вы пойдете или побежите, дождь для вас перестанет быть вертикальным – он будет сильнее мочить вам грудь и живот, чем спину. Примерно так же воздействует солнечный свет на объект, который вращается вокруг Солнца, и этот эффект называется аберрацией: кажется, будто излучение движется скорее в направлении этого объекта, чем радиально мимо него. Свет несет импульс, и поэтому объект (крупинка зодиакальной пыли) немного теряет в импульсе, направленном вперед, по орбите; его перетаскивает на более низкую орбиту. Однако на самом деле все еще сложнее. Объект еще и абсорбирует излучение, нагревается и начинает сам испускать свет. То, как впитывается и рассеивается свет, играет важную роль для крошечных крупиц пыли и зависит от состава и размера пылинки. Если вы так любите науку, что не боитесь никаких трудностей, прочтите превосходную, однако сугубо научную статью, где изложены все подробности: J. A. Burns et al. Radiation Forces on Small Particles in the Solar System, Icarus 40 (1979): 1–48.
[Закрыть] и заставляют их по плавной спирали двигаться к центру Солнечной системы. В дальнейшем частицы могут разрыхлиться или разрушиться от солнечного излучения, которое становится все сильнее и сильнее, могут даже распасться на газ из атомов и ионов, а могут так уменьшиться, что солнечный ветер унесет их обратно в межзвездную пустоту.
Есть и другой механизм, уничтожающий межпланетную пыль: трение планет. Всего за год гравитация и вязкая атмосфера одной лишь Земли захватывают из Солнечной системы целых 40 000 тонн пыли! Нам это известно наверняка, поскольку мы можем подсчитать количество пылинок. Начиная с 1970-х годов[59]59
См., например, D. E. Brownlee, D. A. Tomandl, and E. Olszewski. Interplanetary Dust; A New Source of Extraterrestrial Material for Laboratory Studies. Proceedings of the Eighth Lunar Science Conference, Houston, Texas, March 14–18, 1977, Vol. 1. New York: Pergamon Press, 1977, 149–160.
[Закрыть] ученые используют для сбора внеземной пыли в верхних слоях атмосферы Земли стратосферные зонды и даже самолеты-разведчики U-2, принадлежащие НАСА. Пойманные частицы сыграли непосредственную, важнейшую роль в научной реконструкции истории и эволюции Солнечной системы.
Поскольку способов уничтожить межпланетную пыль так много, по масштабам физики межпланетной среды она живет очень недолго. Среднее зерно уничтожается или уносится в межзвездное пространство за период от тысячи до ста тысяч лет. Однако вот она, пыль – мирно мерцает в ночном небе. А значит, ее запасы каким-то образом откуда-то пополняются. Это важное свидетельство того, что Солнечная система не незыблема – очередное доказательство, подобное сверхновой Тихо Браге, что мироздание живет под тиканье иных часов, весьма далеких от человеческого понимания времени. Этот факт влияет на наше представление о Вселенной и к тому же подводит к новой точке зрения на наше положение в мироздании и его истоки.
Откуда же берется пыль из Солнечной системы, что говорит она о нашей незапамятной истории? Главных подозреваемых в ее производстве двое. Один источник – это относительно безобидное распыление комет[60]60
См., например, D. Nesvorný et al. Dynamical Model for the Zodiacal Cloud and Sporadic Meteors. The Astrophysical Journal 743 (44): 129–44.
[Закрыть], другой – яростные столкновения астероидов.
Светящиеся кометы возникают, когда небольшие тела, в составе которых много льда и других легко испаряющихся веществ, например, твердой углекислоты, подходят так близко к Солнцу, что разогреваются до критического уровня. В космическом вакууме вещество вроде льда при разогревании не разжижается, а прямо переходит из твердого состояния в газообразное. Поэтому замороженные составляющие твердого ядра кометы выстреливают во все стороны, словно фейерверк: газ выталкивает вмерзшие в лед крупицы древней пыли в межпланетное пространство, и они пополняют запасы вещества, отражающего зодиакальный свет.
А остальная пыль, как мы подозреваем, получается при столкновении астероидов. Телескоп им. Хаббла не так давно[61]61
В этом участвовали и другие обсерватории, см., например, D. Jewitt et al. Hubble Space Telescope Observations of Main-Belt Comet (596) Scheila. The Astrophysical Journal Letters 733 (2011): L4–L8 и J. Kim et al. Multiband Optical Observation of the P/2010 A2 Dust Tail. The Astrophysical Journal Letters 746 (2012): L11–L15.
[Закрыть] зарегистрировал несколько подобных случаев между орбитами Марса и Юпитера. Увесистые космические валуны и громоздкие скалы иногда налетают друг на друга. И тогда во все стороны вырываются огромные пыльные протуберанцы – часть из них тянется по орбите за уцелевшими астероидами, часть разлетается в пространство.
Так что во многих отношениях зодиакальная пыль – результат разрушения плодов тяжкого труда, длившегося 4,5 миллиарда лет. Отдельные элементы и кристаллические вещества планетного происхождения распыляются и бесцеремонно отдаются во власть солнечного ветра. Прошло уже 4,5 миллиарда лет после формирования Солнечной системы, а реликты ее создания все трутся и сталкиваются друг с другом, а в случае комет – еще и испаряются, и крошатся. Они словно мусор, оставшийся на морском берегу после сильной бури, – подсказки о далеком прошлом и туманном будущем, необходимые нам для того, чтобы приблизиться к ответу на вопрос о нашем космическом значении.
* * *
Чтобы осознать, что наш космический дом – всего лишь временное жилище, следует прежде всего правильно восстановить последовательность основных событий в его истории. Тогда мы расширим свое представление о реальности – и зададим новые вопросы о том, похожа ли наша среда обитания на условия в других уголках Вселенной. Но с какого момента и с какой точки пространства следует отсчитывать историю Солнечной системы и где и когда она завершится? Давайте заглянем на целые 13,8 миллиардов лет назад, когда в стремительно остывающей Вселенной, которой от роду сравнялось всего три минуты, появились первые химические элементы – водород и гелий. Или еще раньше – когда после Большого взрыва прошло меньше секунды и отклонение от симметрии вещества и антивещества величиной в одну миллиардную[62]62
Когда энергия конвертируется в субатомные частицы, они производятся парами – одна частица вещества, другая – антивещества, – которые при встрече аннигилируют и превращаются в электромагнитную энергию. Однако мы, судя по всему, живем во Вселенной, где вещества гораздо больше, чем антивещества. Похоже, это результат легчайшей асимметрии вещества и антивещества в очень ранний момент, когда возраст Вселенной составлял всего миллионную долю секунды, и поэтому, когда Вселенная стала остывать, в ней оказалось неравное количество частиц и античастиц. На каждый миллиард античастиц приходилось миллиард + 1 частиц. Почему? Хороший вопрос. Этого мы еще не знаем, хотя эксперименты в области физики частиц на больших коллайдерах, судя по всему, уже позволяют приблизиться к ответу.
[Закрыть] привело к тому, что непроаннигилировавший остаток частиц превратился во все видимое вещество, которое мы знаем. А можно найти и другую отправную точку – когда первые звезды начали вырабатывать тяжелые элементы посредством синтеза водорода и гелия в кислород, углерод и так далее.
Однако для того чтобы создать звезды, гравитационные силы сначала должны были стягивать вещество во все более и более плотные структуры. При этом материя конденсируется в триллионы триллионов раз. Не менее важна и конкретная история нашей галактики Млечный Путь, которая и по сей день конструирует сама себя из темного и обычного вещества, а соседняя Андромеда грозит столкнуться с нами примерно через четыре миллиарда лет…
Дело в том, что происхождение Солнечной системы тесно связано с обширной сетью событий и явлений. Солнце со всеми своими планетами – словно дождевая капелька, упавшая в определенный день и в определенный час из определенного облака где-то в небе над Землей, да и облако это уже давно развеялось. Поэтому, чтобы рассказать историю происхождения Земли, нужно сначала сосредоточиться на том, что когда-то, примерно пять миллиардов лет назад, было на этом самом месте на Млечном Пути.
Главное, на что мы можем опираться, чтобы описать это место, – межпланетная пыль. Прежде чем войти в состав комет и твердых астероидов, некоторые пылинки были межзвездной пылью, зародившейся в раскаленной звездной плазме, богатой кремнием и углеродом. Первоначально это был газ, но он остыл, когда старые звезды отбросили его, как змея сбрасывает старую шкуру, или извергли при взрывах сверхновых. Затем микроскопические зернышки, словно песок на ветру[63]63
Это не так уж далеко от истины. Недавние исследования околозвездной пыли показывают, что отчасти она очень твердая и состоит из силикатов (например, из силиката магния), а от звезд ее отталкивает и раздувает во все стороны давление излучения.
[Закрыть], распространились в межзвездном пространстве и сформировали облака. Подобные структуры очень похожи, например, на огромное газово-пыльное облако под названием Тройная туманность[64]64
Пример см. в статье J. J. Hester et al. The Cradle of the Solar System // Science 304 (2004): 1116–17.
[Закрыть], которое с интересом исследуют ученые.
Рис. 6. Тройная туманность.
Фрагмент изображения, полученного при помощи Космического телескопа им. Хаббла, с врезкой, показывающей в увеличенном масштабе отдельную часть изображения. Выступы и гребни плотного межзвездного газа освещены ближайшими звездами. (Дж. Хестер, Университет штата Аризона, и Институт исследований космоса с помощью космического телескопа, НАСА/ЕСА).
Если смотреть с Земли, Тройная туманность – это межзвездная структура, похожая на цветок с тремя лепестками размером в поперечнике примерно в 25 световых лет, находящийся в более чем в 5000 световых лет от нас. В этой туманности разыгрывается неспешная драма, эхом повторяющая зарождение нашей планеты. Хотя на долю туманностей в нашей Галактике приходится лишь около пяти процентов межзвездного вещества, именно в таких местах газ особенно сгущается и формирует новые планеты и звезды – вот уже миллиарды лет.
В космической гуще пыли и молекул газа в Тройной туманности уже таятся массивные звезды. Некоторые из этих объектов в десятки раз больше Солнца, а в результате они и жарче, и ярче. Их излучение разливается по Тройной туманности, словно пламя, лижущее бумагу. Гигантские фронты мощного ультрафиолетового излучения обжигают более холодный межзвездный газ, рассеивают его и заставляют принимать причудливые, поистине скульптурные формы. Когда испаряется менее плотное вещество, становятся видны острые выступы и гребни более плотного газа.
Давление потока света и частиц, подобное ударной волне, способно запустить конденсацию вещества туманности, и она схлопнется под собственным весом. Газ, едва заметный человеческому глазу, перейдет ту грань, за которой гравитация берет верх и начинает создавать новые звездные системы, выдирая куски плодородной туманности протяженностью во много световых лет. Время идет, и то же самое мощное излучение помогает испарить не пригодившийся газ, оставляя плотные яйцевидные области[65]65
Структура этих областей и правда сильно напоминает яйцо. В сущности, это диски плотного газа и пыли вокруг юных звезд и есть протопланетные диски, или их предшественники.
[Закрыть], в которых могут формироваться звезды вроде нашего Солнца с их планетами.
Тут за дело берется гравитация – она скрепляет вещество в этих структурах, особенно в областях ближе к центру. Вещество с ускорением стремится к этим конгломератам и налипает на них. Иногда этому способствует все то же внешнее давление, в том числе ударные волны от взрывающихся поблизости солнц. В ядре этих областей зарождаются зачатки звезд, так называемые протозвезды – растущие шары бурлящего вещества. Разогревающийся газ притягивает своим весом вращающееся вокруг него по орбите вещество, которое образует огромный диск, раскинувшийся в сто, а то и в тысячу раз дальше, чем радиус земной орбиты; часть этого вещества вливается в протозвезду, а часть остывает и конденсируется, создавая дополнительную пыль, крупицы изо льда, молекул углерода и силикатов.
Иногда они слипаются и разрастаются до размера в несколько десятков сантиметров, летают, пухлые и липкие[66]66
Изучение конгломератов из протопланетной и межпланетной пыли и частиц показывает, что они довольно непрочны – в чем-то похожи на комья пыли, которые мы иногда выгребаем из-под диванов.
[Закрыть], в облаке остального газа и притягиваются к протозвезде. Однако спиральное движение вещества не всегда их разрушает, а иногда помогает расти дальше. Пролетая по сгущающемуся диску вещества, эти комочки набирают вес, и многие из них всего за тысячу лет разрастаются до сотен метров в диаметре. Причем процесс этот ускоряется – ему способствуют гравитация, турбулентность и случайное сгущение вещества, и благодаря всему этому возникают так называемые планетезимали. Эти примитивные тела могут разрастаться до 200, а то и до 800 километров в диаметре за период от десяти тысяч до миллиона лет, в зависимости от того, где именно обретаются. На первый взгляд не скажешь, но на самом деле это процесс очень быстрый – от рыхлого облачка до полноправной планеты в мгновение космического ока!
Ближе к центральной протозвезде, которая бурно развивается и становится все горячее и компактнее, испаряющихся тел все меньше. Там жарко, поэтому лед быстро тает, однако молекулы воды могут формировать в диске слоистый газ. Но ближе к внешнему краю этого диска из всевозможного вещества, за «границей вечных снегов»[67]67
Водяной лед при температуре выше 150–170 градусов выше абсолютного нуля очень быстро сублимируется (испаряется), поэтому граница вечных снегов появляется на таком расстоянии от центра системы, где объекты остывают ниже таких температур.
[Закрыть] (очаровательный термин, правда?), царят низкие температуры, и замерзшая вода становится весьма существенной составляющей частью «кирпичиков», из которых строятся все более крупные и массивные объекты. В этих зонах могут формироваться колоссальные планеты – исполинские ледяные сферы, захватывающие молекулярный газ своим мощным гравитационным полем и превращающиеся в гигантов вроде Юпитера и Сатурна.
Кроме всего прочего, в этом огромном диске складываются отменные условия для всевозможных химических реакций. Атомы и молекулы формируют головокружительное множество соединений. К тому же вещество туманности проводило само над собой самые разные химические эксперименты задолго до того, как очутилось в подобной ситуации. В межзвездном сумраке были найдены молекулы воды, окиси углерода и углекислого газа, а также свыше 180 разных других веществ – и все они создаются посредством простых химических реакций с участием отдельных атомов и ионов.
Так вот, в гуще вещества, циркулирующего вокруг формирующейся звезды, может протекать еще больше химических процессов. Реакции идут и в газе, и в замерзших твердых телах, и в относительно теплой и мягкой среде на микроскопической поверхности частичек пыли. И все эти химические компоненты смешиваются и перерабатываются в бурных недрах диска – возникает поразительный химический котел[68]68
Об этом нам говорят наблюдения, позволяющие исследовать излучение протопланетного или околозвездного диска и проанализировать отдельные черты спектров этого излучения, которые свидетельствуют о присутствии известных нам атомов и молекул.
[Закрыть], где есть все от простых молекул до все более и более сложных соединений вроде спиртов, сахаров, а может быть, и аминокислот – основы жизни.
А часы все тикают. Пока происходит вся эта лихорадочная деятельность, диск понемногу испаряется, распыляется обратно в межзвездное пространство под бомбардировкой внешнего излучения – именно эту постоянную эрозию мы и наблюдаем в искореженных, скорченных облаках Тройной туманности. Когда начался процесс формирования звезд и планет, остается весьма ограниченное время до той поры, когда внешнее излучение, в том числе и излучение новорожденной звезды в центре, расчистит все и положит конец формированию звездной системы. Примерно так же цветущему лугу отведен лишь краткий срок, за который цветы должны вырасти, расцвести и посеять семена, а потом жаркое солнце выжжет из почвы все питательные вещества.
Пока все это происходит, центральной звезде тоже приходится претерпеть родовые муки. Потоки вещества, падающие на юную звезду, раскручивают ее, и из ее полюсов вырываются мощные струи, управляемые магнитным полем. Они выбрасывают примерно десять процентов поступающего вещества, а главное – позволяют протозвезде обуздать и замедлить лихорадочное вращение, которое в противном случае не давало бы ей конденсироваться и сжиматься. Глубины юной звезды все сильнее разогреваются, она все больше сжимается – и приближается к переломному пункту, когда всерьез начнется постоянный термоядерный синтез. Первыми перерабатываются дейтерий и водород. Это помогает стабилизировать внутреннюю температуру протозвезды – держать ее в районе миллиона градусов по Кельвину – и придерживать процесс термоядерного синтеза, пока он не наберет размах, достаточный для полномасштабного запуска протон-протонного цикла.
Ближе к поверхности протозвезды царит суматоха. Наружу вырывается ультрафиолетовое излучение, то и дело возникают вспышки и протуберанцы из раскаленного газа, они ударяются в диск, полный конденсированного газа, пыли и зачатков планетных объектов. Словно огромная машина, извергающая пламя и дым[69]69
В числе стадий, которые проходит звезда от протозвездной системы до звезды, вырабатывающей водород (так называемой звезды, только что попавшей на главную последовательность (zero-age main sequence star, ZAMS), есть стадия звезды типа Тау Тельца (по названию звезды-архетипа). Эти объекты под воздействием гравитации медленно сжимаются и разогреваются, и склонны к спорадическим выбросам излучения, а в конце концов в них налаживается стабильный термоядерный синтез.
[Закрыть], которая вот-вот наберет полные обороты. Весь этот процесс – от конденсации газа в туманности до формирования новенькой, готовой к запуску звезды – занимает менее ста миллионов лет. Еще короче стадия развития звезды от ядра протозвездного облака до протозвезды – здесь достаточно сотни тысяч лет. По сравнению с продолжительностью дальнейшей жизни звезды это все равно что семь часов[70]70
См., например, D. A. Clarke. Astronomy: A Truly Embryonic Star // Nature 492 (2012): 52–53.
[Закрыть] по сравнению со всей жизнью человека.
В случае Солнечной системы в какой-то момент в период первоначального ее строительства произошло еще одно важное событие. Вероятно, оно сыграло роль катализатора – сократило первую яйцеобразную стадию формирования. А может быть, произошло сразу после этой стадии. Так или иначе, это событие оставило нам одну из самых важных подсказок, что наши корни лежат именно здесь, и позволило выковать планеты Солнечной системы в их нынешнем виде.
