Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Текст добавлен: 5 мая 2017, 20:30

Текст книги "Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках"

Автор книги: Лев Мухин

Жанр:

Астрономия и Космос

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 17 страниц)

Магнитные поля на Солнце не предоставлены самим себе. Они тесно взаимодействуют с проводящим веществом, и в этом суть дела. При высокой проводимости поле «вмораживается» в плазму, магнитный поток остается постоянным, двигаясь вместе с плазмой. Для этого, конечно, нужно, чтобы плотность плазмы была достаточно высока. Так и случается в конвективной зоне, откуда магнитные поля как бы всплывают вместе с веществом к фотосфере. Далее, уже в атмосфере Солнца, и разыгрываются все процессы, связанные с аннигиляцией, перезамыканием полей различной полярности.

Посмотрим теперь, что происходит на Солнце во время вспышки. Задолго до самой вспышки, в течение нескольких часов или даже суток, в активной области, в ее магнитных полях запасается избыточная энергия. Происходят процессы, внешне аналогичные закручиванию резинки в «двигателе» игрушечного самолета. Ситуации здесь действительно геометрически похожи – такие закрученные структуры нередко можно наблюдать в атмосфере Солнца, в районе областей сильного магнитного поля. В закрученных полях должны возникать токи, так как в них меняется направление поля.

К тому же может случиться, что всплывшее поле имеет другую полярность, чем то, которое уже было на этом месте. Здесь тоже, разумеется, возникают токи. Именно таким образом и запасается энергия перед вспышкой.

Сегодня принято считать, что главная причина появления вспышки лежит в очень быстрой перестройке магнитных полей, их перезамыкании. В области перезамыкания выделяется около половины общей магнитной энергии. Этого вполне хватает, чтобы обеспечить вспышку требуемой энергии и выбросить в корону нагретую плазму. Вообще говоря, чудовищная энергия магнитных полей высвобождается в виде взрыва, но этот взрыв длится иногда несколько минут, а то и сутки.

Значительная часть энергии идет на ускорение электронов, скорость движения которых достигает половины скорости света. Движение таких электронов в магнитном поле и окружающем газе вызывает радиоизлучение и жесткое рентгеновское излучение. Эффекты, вызываемые вспышками на Солнце, столь сильны, что они проявляются даже на нашей планете. Так, во время вспышек нарушается радиосвязь, или, наоборот, становится возможным прием удаленных телепередатчиков, или вдруг начинает приходить радиоизлучение от далеких гроз. Все эти вещи имеют не только научное, но и практическое значение, так как от этих эффектов, с одной стороны, зависит радиосвязь на Земле, а с другой стороны – космонавты в космосе практически ничем не защищены от жесткого излучения, сопровождающего вспышки.

Советский ученый А. Чижевский провел огромную работу, пытаясь установить зависимость между солнечной активностью и частотой различных эпидемий на Земле. Он обнаружил удивительные закономерности. Вспышки различных болезней очень точно «отслеживают» изменения в активности Солнца.

Труды Чижевского не сразу получили признание, хотя и до него ученые замечали, что активность Солнца связана с различными явлениями на Земле. Свою замечательную книгу «Земное эхо солнечных бурь» он написал на французском языке и впервые издал в Париже. Интересно, что одним из первых смелые идеи Чижевского оценил К. Циолковский.

Следует сказать о том, что Чижевский не считал солнечную активность прямой причиной вспышек эпидемий и заболеваний. Он полагал, что деятельность Солнца «лишь способствует» развитию болезней на Земле.

Одна из глав его книги называется очень образно: «Спазмы Земли в объятиях Солнца». В этой главе он приводит перечень явлений в органическом мире Земли, связанных с изменениями в солнечной активности.

Интересно, что еще В. Гершель отметил в 1801 году зависимость урожая зерновых от числа солнечных пятен. Поскольку хлеб все-таки вещь более нужная, чем вино, то лишь в 1878 году удалось выяснить, что количество и качество производимого в Германии вина тоже таинственным образом связано с пятнами на Солнце.

Да что там вино! Чижевскому удалось установить, что от активности Солнца зависит частота несчастных случаев, преступлений, внезапных смертей, эпизоотии и падеж скота и целый ряд других явлений: уровень озер, грунтовых вод, сток рек, толщина донных отложений ила, количество льда в полярных морях, повторяемость засух, ураганов, ливней, годовые температуры.

Удалось обнаружить 27-дневный цикл погоды. Но ведь период вращения Солнца вокруг собственной оси также равен примерно 27 дням.

Многие считают, что активность Солнца и, в частности, хромосферные вспышки оказывают прямое воздействие на погоду. Но у этой идеи есть и свои противники.

Да что там погода! Высказываются мысли о том, что с солнечной активностью связаны изменения скорости суточного вращения Земли! А ведь эти изменения могут вызывать такое грозное явление природы, как землетрясения. Кстати, от вращения планеты зависят и погода и климат.

Чижевского можно с полным правом считать первым человеком, который перекинул мост между Солнцем и Землей. Его идеи оказались настолько плодотворными, что сейчас возникает новая отрасль науки – гелиобиология. У нас в Советском Союзе различными вопросами гелиобиологии занимаются в частности в Крымской астрофизической обсерватории.

Многие десятки обсерваторий всего мира осуществляют круглосуточный контроль за Солнцем. Кроме того, различная научная аппаратура для исследования Солнца запускается на шарах, зондах, самолетах, ракетах и спутниках. Радиотелескопы слушают радиоголос Солнца. Долгоживущие орбитальные станции типа «Салют», космические корабли «Веги» и «Вояджеры» имеют на борту приборы, давшие неоценимую информацию о межпланетном пространстве, плазме, солнечном магнитном поле, ударных волнах и т. д.

Корона

О короне писать легко и приятно по той причине, что она устроена существенно проще хромосферы и фотосферы. Разумеется, это не означает, что мы знаем о ней больше, чем о нижних слоях. И все-таки ее жизнь не отягчена такими бурными событиями, как жизнь хромосферы и фотосферы, хотя, конечно, отголоски различных катаклизмов доходят и до короны.

Солнечную корону видел каждый, кому посчастливилось наблюдать полное солнечное затмение.

Корона особенно ярка вблизи Солнца, а длинные лучи простираются на большие расстояния. Форма короны заметно меняется в зависимости от уровня солнечной активности. В минимуме корона симметрична, а в максимуме над активными областями наблюдаются особенно интенсивные лучи.

Как мы уже говорили, характерной особенностью короны является ее чрезвычайно высокая (по сравнению с фотосферой) температура, превышающая миллионы градусов. Поскольку горячая корона представляет собой хорошо проводящую плазму, то отчетливо наблюдаемая в ней волокнистая структура как бы отслеживает «магнитные силовые линии и тем самым показывает» астрономам структуру магнитного поля Солнца. Кстати говоря, с высокой температурой короны связана одна поучительная история.

Уже давно в спектре короны наблюдались сильные эмиссионные линии, длины волн которых были точно известны более пятидесяти лет назад. Но в среде астрономов и спектроскопистов слишком сильно было предубеждение о невозможности высокой температуры короны. Поэтому перебиралось огромное количество «кандидатов» в качестве источников возбуждения этих линий, но все было тщетно.

Эти линии приписали неизвестному элементу «коронию». Затем линии «корония» открыли при исследовании спектров повторной новой Змееносца. Это случилось в 1933 году.

Заведомо было ясно, что уж во время вспышек новой температуры должны быть достаточно высоки. Но только шесть лет спустя удалось установить, что неизвестные линии в короне принадлежат не «коронию», а обычным земным элементам, в частности железу, но только атомы железа находятся в очень высокой степени ионизации: электронные оболочки атома просто «ободраны». Ну а поскольку такое возможно лишь при очень высоких температурах, стало ясно, что корона очень сильно нагрета. В состав короны входят полностью ионизированные водород и гелий, углерод, азот и кислород, ионизированные вплоть до электронов самой глубокой оболочки, и другие элементы с различной степенью ионизации.

На этом примере видно, как радикально изменялись представления о Солнце за очень короткий промежуток времени.

Не менее серьезные изменения произошли и в наших знаниях о межпланетной среде. Сегодня мы уже знаем, что это не пустота, земля буквально плавает в верхней части короны Солнца, и она обдувается потоком частиц – солнечным ветром.

Солнечная корона во время затмения.

Явление это, как нередко бывает в науке, предсказано было теоретически, «на кончике пера», в 1958 году, совсем недавно. Интересно, что толчком послужил анализ поведения комет.

Давно считалось, что солнечное излучение влияет на форму и давление вещества в хвостах комет, но только в начале 50-х годов нашего столетия было строго показано, что как ионизация, так и направленное наружу ускорение материала в хвостах комет намного больше, чем если бы это было вызвано одним световым давлением. Кроме того, хвосты комет явно реагировали на солнечную активность: ускорение движения вещества увеличивалось в годы повышенной солнечной активности.

Все встало на свои места, когда советская станция «Луна-2» обнаружила в межпланетном пространстве потоки плазмы, которые с довольно большими скоростями двигались от Солнца. Потоки эти состоят из протонов, электронов, более тяжелых ионов, и в зависимости от солнечной активности они имеют различную скорость от 200 до 1000 километров в секунду. Таким образом, оказалось, что из нашей звезды, из ее короны происходит непрерывное истечение вещества.

Связь солнечного ветра со структурой короны обнаружилась довольно быстро, и здесь ученым пришлось обратить особое внимание на обширные области в короне, практически не дающие рентгеновского излучения. Области эти получили название корональных дыр. Им присущи интересные особенности. Во-первых, плотность короны над дырами примерно в три раза ниже, чем для среднего спокойного Солнца. Во-вторых, температура короны над ними заметно ниже, она составляет «всего» миллион градусов, тогда как над спокойными нормальными областями приближается к двум миллионам градусов.

Солнечная корона в инфракрасном диапазоне.

Интересно, что в фотосфере и нижней хромосфере дыры проявляются мало, а чаще всего вообще не проявляются. Ни грануляция, ни супергрануляция, по всей видимости, никак с ними не связаны, приток механической энергии, проходящий через фотосферу вверх (акустические волны), вероятно, один и тот же внутри и вне дыр. Но тогда непонятно, на что же расходуется избыток энергии. Ведь температура и плотность в корональних дырах поменьше, чем в окружающих областях, а это означает меньшие потери на излучение (именно поэтому дыры и выглядят темными).

Вопрос этот не простой, и ответ на него был найден не сразу. Лишь данные, полученные в последнее время, самым решительным образом продемонстрировали тот факт, что таинственный избыток энергии идет на создание и ускорение солнечного ветра, который истекает главным образом из областей, где расположены корональные дыры.

Самые крупные дыры расположены у полюсов Солнца. Эти дыры живут особенно долго: космический корабль «Скайлэб» наблюдал полярную дыру в течение восьми месяцев. Размеры этих дыр позволяют предположить, что из полярных областей Солнца исходит солнечный ветер огромной силы. По сравнению с ним солнечный ветер, наблюдающийся в околоземном пространстве, показался бы совсем слабым.

Чтобы представить себе масштабы этого явления, заметим, что солнечный ветер уносит ежесекундно около миллиона тонн вещества! Солнечный ветер оказывает сильное воздействие на нашу планету, вызывая, например, полярные сияния. Давайте посмотрим немного подробнее, как взаимодействуют потоки солнечной плазмы с Землей, вернее, не с твердым телом планеты, а с самыми внешними ее оболочками.

Итак, в течение многих миллиардов лет потоки солнечной плазмы атакуют Землю. Первым защитным бастионом здесь является магнитное поле Земли. Именно оно не дает частицам солнечного ветра возможность напрямую бомбардировать Землю. Под воздействием потока плазмы геомагнитное поле «поджимается» ближе к дневной поверхности Земли, а солнечный ветер начинает обтекать магнитное препятствие, встретившееся на его пути. Причем, вполне естественно, напряженность геомагнитного поля при такой деформации возрастает.

Все эти события разыгрываются в некой довольно узкой зоне, расположенной от нас на расстоянии 10–12 земных радиусов. А во время сильных магнитных бурь граница магнитосферы сильно приближается к нам, и геомагнитное поле поджато до 4–6 земных радиусов.

Однако некоторые наиболее энергичные частицы могут прорываться через магнитосферные щели – участки, где поле очень слабое. Эти частицы ответственны за разрушение ионосферы Земли, и, следовательно, за все те нарушения радиосвязи, о которых мы говорили. Около магнитных полюсов силовые линии геомагнитного поля расположены ближе к поверхности Земли. Заряженные частицы солнечного ветра, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, проникают в полярных районах более глубоко в атмосферу и, взаимодействуя там с атомами и молекулами, передают им часть своей энергии. В верхней атмосфере возбуждается таким путем свечение, и мы можем наблюдать одно из самых красивых явлений природы – полярные сияния.

Все явления, о которых мы сейчас говорили, тесно связаны с магнитными полями Солнца. Природа вспышек, протуберанцев, солнечных пятен станет ясной лишь тогда, когда до конца будет понят механизм, приводящий к возникновению магнитных полей на Солнце. Сейчас общепринятой теории всех этих явлений нет. Именно поэтому мы не понимаем, в частности, чем обеспечена устойчивость солнечных пятен, как происходит нагрев короны и т. д.

Но чувство неудовлетворенности от в общем-то большого числа нерешенных загадок, которые ставит нам Солнце, отчасти смягчается тем обстоятельством, что все эти нерешенные вопросы мы не в состоянии даже поставить по отношению к другим солнцам – далеким звездам. Исследование Солнца дает нам ключ к пониманию множества процессов, проходящих в дальнем космосе, и, не будь Солнца, мы вынуждены были бы ограничиваться лишь догадками.

Заключение

В этом томе «Мира астрономии» мы познакомились с основными (но отнюдь не со всеми!) проблемами современной астрофизики. Более 50 лет назад Эйнштейн в одном из своих выступлений произнес замечательную фразу: «Если говорить честно, мы хотим не только знать, как устроена природа… но и по возможности достичь цели, утопической и дерзкой на вид, – узнать, почему природа является именно такой. В этом состоит „прометеевский элемент научного творчества“».

Вся астрономия, ее методология, цели, задачи прекрасно гармонируют с приведенным выше высказыванием великого физика. Действительно, наблюдательная астрономия занимается вопросом, как устроен мир; теоретики астрофизики пытаются выяснить, почему он устроен именно таким образом, а не как-нибудь иначе.

Успехи на этих двух генеральных направлениях современного естествознания очевидны. Порой бывает даже трудно осознать всю глубину изменений в наших представлениях об окружающем мире, происшедших за последние десятилетия. Каждая глава этой книги, а точнее – каждый раздел по необходимости носят конспективный характер, ведь только, например, на тему небольшого раздела о черных дырах лишь у нас в стране написано несколько популярных книг. Я не говорю уже о главе, посвященной эволюции Вселенной – этой теме посвящены десятки серьезных и популярных томов.

Некоторым интересным проблемам мы уделили явно недостаточное внимание. В числе таких проблем можно назвать, например, космические лучи, космические мазеры и, наверное, некоторые другие.

Тем не менее, прочтя эту книгу, читатель должен получить общее представление о том, как устроен окружающий нас мир, что находится в глубинах Вселенной.

Я не старался намеренно драматизировать ситуацию, довольно часто касаясь нерешенных вопросов астрофизики, связанных, как правило, с извечными «почему?». И все-таки некоторое чувство неудовлетворенности, связанное с большим числом нерешенных ключевых проблем, вполне могло остаться при чтении этой книги. Но ведь иначе и не может быть!

Смешно думать, что человек, который как биологический вид очень молод, за какие-то тысячелетия – ничтожный срок в космологической шкале времени – способен полностью разобраться в устройстве окружающего мира.

Предположим для наглядности, что со времени Большого Взрыва прошел один год. Тогда в этой шкале времени вся человеческая цивилизация существует всего несколько последних секунд! Нужно прямо сказать, что за эти отведенные ему природой секунды человек очень много узнал об окружающем его мире. Можно лишь удивляться тому невиданному упорству, настойчивости, изобретательности и вдохновению, с которыми человеческий мозг исследует глубины микро– и макромира.

Человек плохо видит – и созданы телескопы и микроскопы. Наши глаза не чувствуют инфракрасного излучения – и придуманы соответствующие приемники этого излучения. Мы не можем заглянуть в микромир – и построены гигантские ускорители. Человек родился спустя миллиарды лет после Большого Взрыва, но его мозг рисует картины этого взрыва, а потом оказывается, что «так оно и было». Человеку мало окружающей его Вселенной – и он строит модели других вселенных.

Здесь действительно есть все основания гордиться небольшим куском органической субстанции, называемой человеческим мозгом. Есть основания для гордости, но вряд ли могут быть основания для гордыни. А ведь сегодня высказываются мысли о том, что уже не за горами время, когда физика объяснит буквально все.

Подобный оптимизм нельзя считать совсем уж беспочвенным. Если в ближайшее время будут закончены теории великого объединения, супергравитации, мы действительно сумеем дать ответ на многие «почему». Но тем не менее не следует забывать, что речь идет о сегодняшнем дне. А завтра природа, неистощимость которой на сюрпризы никоим образом не стоит недооценивать, может поставить человечество перед новыми грандиозными проблемами.

Они, эти проблемы, кстати говоря, уже сейчас видны на горизонте. Это, например, проблема множественности миров, но не в том плане, в каком представлял ее себе Джордано Бруно, а в плане множественности вселенных. Ну а если просто помечтать, то ведь можно представить себе и проблему путешествий в другие вселенные, проблему взаимодействия различных миров.

И здесь сразу возникает вопрос о том, все ли законы природы нам известны. В том, что в наблюдаемой нами части Вселенной действуют одни и те же законы физики, сомневаться, пожалуй, не приходится, хотя, как мы с вами видели, даже этот тезис некоторыми учеными подвергается сомнению. Но в других возможных мирах, может быть, это не так. Я хочу сказать этим лишь то, что если человек может сегодня оценить каким-то образом степень своих знаний, то уровень незнания вряд ли поддается какой-либо разумной оценке. Эти вопросы тесно связаны в познавательном, философском плане с интригующей проблемой распространенности и формах разумной жизни во Вселенной.

Мне кажется, что грандиозные проблемы, стоящие перед современной наукой, вряд ли будут когда-либо исчерпаны. Процесс познания не прекратится до тех пор, пока будет существовать человечество как биологический вид. Ну а время его существования во многом зависит от него самого. Бесстрастная природа отпустила нам достаточно времени и на решение ее загадок, и на то, как лучше и разумнее устроить свою собственную жизнь. Хотелось бы надеяться, что человек разумно распорядится этой уникальной возможностью и оставит себе место в окружающем его прекрасном и удивительном мире.

Иллюстрации

Представления о мире в Средневековье. В основе сюжета картины, автором которой является известный французский астроном и популяризатор астрономии Камилл Фламмарион, лежит предание, будто бы одному монаху удалось после длительного путешествия достичь того места, где «земля с небом сходился», и даже заглянуть «по ту сторону неба».