Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 20 (всего у книги 21 страниц)
Моделирование образования планет на ЭВМ
Еще французский математик Лаплас и немецкий философ Иммануил Кант предполагали, что Солнце и планеты образовались из вращающейся туманности. Сегодня подобный процесс можно попытаться смоделировать на компьютере. В дальнейшем я буду основываться на результатах расчетов, которые осуществили калифорнийский астрофизик Питер Боденгеймер и Вернер Чарнутер частью по отдельности, частью совместно в Мюнхене. Поначалу они намеревались объяснить происхождение Солнца и планет. Но дело обернулось совсем иначе.
Насколько просто моделировать на компьютере процессы, обладающие сферической симметрией, понимаешь лишь тогда, когда берешься за следующую по сложности задачу. В сферически-симметричной задаче в любой момент времени все параметры зависят только от расстояния до центра. Когда, например, в модели Ларсона вещество нагревается, то одновременно нагревается весь слой, расположенный на одном и том же расстоянии от центра, т. е. слой, лежащий на поверхности сферы определенного радиуса. Если вещество не вращается, сферическая симметрия является хорошим приближением; все частицы, участвующие в коллапсе, имеют одинаковую судьбу независимо от того, по какому направлению они движутся.
Вращение нарушает сферическую симметрию. Силы, действующие на частицы, движущиеся со стороны полюса, отличаются от сил, действующих на частицы, приходящие со стороны экватора. Сферической симметрии больше нет. Но это не значит, что задача приобретает невероятную сложность. Она сохраняет определенную степень симметрии. Например, в экваториальной плоскости частицы движутся к центру по различным направлениям, но все эти направления равнозначны. В таком случае говорят, что процесс обладает осевой (аксиальной) симметрией. Осесимметричные процессы рассчитывать на ЭВМ уже гораздо труднее, но и к ним можно найти подход. Боденгеймер и Чарнутер построили компьютерную модель коллапсирующего вращающегося облака (рис. 13.2). Вначале все идет по Ларсону: облако сжимается, и в центре образуется уплотнение. Чем сильнее сжимается облако, тем больше дает о себе знать центробежная сила: облако сплющивается. В конце концов образуется плоский диск. Теперь в коллапсе участвует лишь вещество, находящееся вблизи оси вращения, в экваториальной же плоскости газ движется к центру медленно и в какой-то момент прекращает движение. Вместо ядра, на которое со всех сторон падает вещество, мы имеем диск, на который вещество падает лишь по оси. Диск, экваториальный радиус которого в восемь раз больше его толщины, занимает огромное пространство с поперечником около 120 радиусов орбиты Плутона, самой далекой планеты Солнечной системы. Один оборот вокруг центра совершается за 300000 лет.
Рис. 13.2. Вращающееся облако межзвездного газа начинает сжиматься под действием гравитационных сил. Направление вращения показано на верхнем рисунке. Вначале газ равномерно движется по всем направлениям к центру. Затем образуется вращающийся диск (рисунок посередине), на который газ поступает из полярных областей (направление движения газа показано черными стрелками). Образуется кольцо уплотнения, которое на нижнем рисунке показано в сечении двумя кружками. На рис. 13.3 это же кольцо показано в плане. В этом процессе, рассчитанном Боденгеймером и Чарнутером в 1978 г., не образуется центральной звезды.
Это был не совсем тот результат, который хотелось бы получить. Желательно было бы прийти к объекту, в недрах которого могло возникнуть пра-Солнце. Вокруг Солнца был бы диск, из которого с течением времени могли образоваться планеты. У диска же Боденгеймера – Чарнутера в центре не было никакого солнцеподобного тела-напротив, основная плотность вещества была сосредоточена в кольце, которое охватывало центр на расстоянии 17 радиусов орбиты Плутона. Вместо центрального тела образовалось кольцо!
На рис. 13.2, в это кольцо показано в сечении, а на рис. 13.3, а-в плане.
Если разобраться, в этом результате мало удивительного. Почему вещество в этой модели не устремляется к центру, а образует кольцо? Падению вещества к центру препятствует центробежная сила. Всему виной момент импульса, которым обладает вещество. Мы уже высказали предположение, что при образовании Солнечной системы вещество и момент импульса как бы разделились, так что сегодня основная доля вещества принадлежит Солнцу, а момент импульса-планетам. В расчетах же Боденгеймера и Чарнутера каждый грамм вещества сохранял за собой тот момент импульса, которым он обладал с самого начала. Они могли повторить свои выкладки с поправкой на то, что может происходить перенос момента импульса в веществе подобно переносу тепла в каком-либо теле. Есть, правда, одна загвоздка: мы знаем несколько механизмов, с помощью которых может осуществляться перенос момента импульса от одной части газопылевого диска к другой, но не знаем, какой из них наиболее важен. Часть диска может лишиться своего момента импульса благодаря действию магнитных полей, и тогда вещество сможет образовать уплотнение в центре. Могут здесь играть роль и турбулентные движения с учетом вязкого трения.
На сегодняшний день турбулентные движения в жидкостях и газах относятся к наименее изученным физическим процессам, хотя примеры их нам хорошо известны. Струя, вытекающая под большим напором из водопроводного крана, не является однородной: внутри нее вода движется очень сложным и непредсказуемым образом. Другой пример турбулентного, нерегулярного движения жидкости – струйка лесного родника. То, что при вращении диска, из которого должна образоваться звезда, турбулентность может играть важную роль, показал еще фон Вайцзеккер в годы второй мировой войны. В конце 40-х – начале 50-х годов под его руководством в Гёттингене над этой проблемой работала группа молодых физиков. В их числе был Реймар Люст, нынешний президент Общества Макса Планка, посвятивший свою докторскую диссертацию переносу момента импульса во вращающемся газовом диске. В 1979 г. на компьютерной модели Чарнутер показал, что в диске может образоваться центральное ядро, а из него-звезда, если благодаря турбулентному движению вещества в диске происходит разделение момента импульса. К сожалению, о турбулентных движениях во вращающемся газовом диске известно так мало, что невозможно количественно оценить процессы разделения вещества и момента импульса.
На этом мы пока и остановимся. Прежде чем идти дальше, астрофизики должны выяснить механизмы переноса момента импульса в веществе. Похоже, однако, на то, что не только астрофизики не знают наверное, что им делать с моментом импульса во вращающемся газовом диске, но и сама Природа не всегда справляется с этой проблемой.
Возникновение двойной звездной системы
Кольцо, появляющееся в результате эволюции описанной выше модели, не давало покоя группе сотрудников нашего института. Что произойдет, если Природа, как Боденгеймер с Чарнутером, не будет знать, как ей разделить момент импульса, и в результате образуется подобное кольцо? Природа не дает на этот счет никаких подсказок: во Вселенной мы наблюдаем только звезды, но никогда не видим колен, вращающихся относительно нематериального центра. Что же происходит с кольцом?
Попытки промоделировать дальнейшую судьбу кольца на компьютере наталкиваются на новые, еще большие трудности. Если до сих пор кольцо было осесимметричным, то теперь оно теряет это свойство. Необходимо разработать новые сложные методы расчета, чтобы моделировать процесс, требующий использования огромного объема компьютерной памяти. В 1977/78 годах в стенах нашего института осуществилось счастливое соединение светил науки: здесь собрались Вернер Чарнутер, Карл-Хайнц Винклер и Гарольд Йорк. К ним примкнул молодой польский астрофизик Михал Ружичка. Вчетвером они написали программу, позволившую выяснить, что произойдет дальше с кольцом Боденгеймера-Чарнутера.
Полученные ими результаты представлены на рис. 13.3. В противолежащих точках кольца за 10000 лет развиваются два уплотнения, которые сжимаются все сильнее, пока еще через 50000 лет не возникнут два облака, обращающиеся относительно друг друга, из которых могут возникнуть звезды. Компьютер описал нам рождение двойной звездной системы!
Рис. 13.3. «Кольцо уплотнения», возникновение которого показано на рис. 13.2, в плане; масштаб увеличен примерно втрое по сравнению с предыдущим рисунком. Через несколько сотен тысяч лет образуются два уплотнения, из которых могут возникнуть две звезды, образующие широкую двойную систему.
По всей вероятности, это может служить указанием на то, что в природе возможны два пути. В одном случае вещество сохраняет момент импульса, и из кольца возникает двойная звезда. В другом случае происходит разделение вещества и момента импульса, и образуется центральная звезда, обладающая малым моментом импульса, и планетная система, в которой сосредоточена небольшая масса, но которая обладает значительным орбитальным моментом. Если это так, то следует заключить, что все одиночные звезды имеют планетные системы.
Одиноки ли мы?
Хотя путь от облака межзвездного газа к планетной системе и не понят нами окончательно, не может быть сомнения в том, что за образование планет, а, следовательно, и за наше с вами существование, ответствен момент импульса, которым обладало исходное вещество. И тогда все одиночные звезды должны обладать обращающимися вокруг них маленькими планетами, которые мы не в состоянии наблюдать из-за их большой удаленности. Но если солнечная система типа нашей не единственна во Вселенной, то, быть может, и мы не единственные обитатели планет? Быть может, наш Млечный Путь полон планет, на которых есть жизнь, стоящая на одинаковой с нами, более ранней или более поздней ступени развития? Одиноки ли мы во Вселенной или же, помимо нашей, есть и другие цивилизованные формы жизни, с которыми мы могли бы попытаться установить связь?
Проект ОЗМА и послание из Аресибо
В мае 1960 года американские астрономы из обсерватории в Грин Бэнк направили свой радиотелескоп на звезду Тау Кита. Используя длину волны 21 см, они намеревались выяснить, не исходит ли оттуда радиоизлучение, которое можно было бы истолковать как сигналы разумной цивилизации. Аналогичным образом прослушивалась и звезда Эпсилон Эридана. Почему были выбраны именно эти звезды? Они находятся достаточно близко к нам, но не являются ближайшими: от одной из них свет идет до нас одиннадцать лет, от другой двенадцать. Они очень похожи на наше Солнце по температуре, светимости и химическому составу. Их возраст также близок к возрасту Солнца.
И если наше Солнце окружают планеты, на одной из которых существует технически развитая цивилизация, способная построить достаточно мощный радиопередатчик, то нельзя ли предположить, что и у этих двух солнц могут быть планеты, на которых есть цивилизации с высоким уровнем техники?
Предположим, что там действительно существуют живые существа, технический уровень которых подобен нашему. Смогли бы мы принять сигналы их передатчиков? От нас радиосигналы идут в космос уже довольно давно. Вскоре после 1945 года удалось принять радиолокационный импульс, отраженный от Луны. Находящиеся на Луне астронавты поддерживали связь с Землей; космические зонды, проникшие уже глубоко в космос, управляются с помощью радиосигналов, посланных с Земли. Осуществлена радиолокация Венеры. Предположим, что антенна такого локатора находится далеко от нас на планете, обращающейся вокруг чужого солнца. Двадцатишестиметровый радиотелескоп в Грин Бэнк смог бы принять ее сигнал на расстоянии до 9 световых лет; 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге – на расстоянии до 30 световых лет. Имеется около 350 звезд, находящихся на меньшем расстоянии от Солнца. Если бы от одной из них посылались сигналы с помощью тех технических средств, которыми мы располагаем на Земле, то мои коллеги и друзья Петер Мецгер и Рихард Вилебинский, работавшие на радиотелескопе в Грин Бэнк, обязательно, их услышали.
В течение трех месяцев велось прослушивание звезд Тау Кита и Эпсилон Эридана на радиотелескопе в Грин Бэнк, но никаких сигналов принять не удалось. Поэтому эта программа исследований была прекращена, чтобы дать возможность вести другие наблюдения. Этим закончился проект ОЗМА, названный так в честь сказочной страны Оз. На профессиональном жаргоне этот проект называли также «зелеными человечками»; и маленькие зеленые человечки никак не дали знать о себе.
А с чего бы им, собственно, это делать? Разве мы чувствуем свою ответственность за развитие межпланетных коммуникаций? Разве мы отправляем систематически послания к другим звездам? Если не считать короткой направленной передачи 16 ноября 1974 года, в этом отношении мало что сделано. В тот день с помощью радиотелескопа в Аресибо в Пуэрто-Рико было послано в космос трехминутное сообщение. Поскольку эта антенна обладает большой направленностью, дальность передачи может быть особенно велика. Но куда направить антенну? Было решено направить ее в сторону шарового скопления в созвездии Геркулеса. Там звезды стоят очень близко друг к другу, и эта единственная передача могла достигнуть планет 300000 солнц. Радиоволны дойдут туда через 24000 лет. Если какая-то цивилизация направит достаточно большой радиотелескоп в нужную сторону, да еще и в соответствующие три минуты, то она примет послание из Аресибо. Ясно, что вероятность этого очень мала. Передача из Аресибо была скорее символическим актом, чем-то вроде повторного освящения телескопа, вошедшего в строй после длительной реконструкции. Если действительно стремиться установить контакт с другой цивилизацией во Вселенной, то нужно систематически вести прослушивание, в то время как другие должны систематически вести передачи.
К несистематическим попыткам сообщить о себе можно отнести и посылку в космос двух гравированных позолоченных алюминиевых пластин, которые были помещены на космические зонды «Пионер-11» и «Пионер-12», направлявшиеся к Юпитеру (рис. 13.4). Когда их миссия будет закончена, они покинут Солнечную систему и уйдут в далекий космос. Как и послание из Аресибо, эти пластинки содержат информацию о нашем месте во Вселенной и о нас самих. Если разумным существам попадут в руки эти визитные карточки, они многое узнают о нас-загадкой для них навсегда остается только то, как мы выглядим сзади.
Рис. 13.4. Космический зонд «Пионер», направляясь к Юпитеру, нес позолоченную алюминиевую пластинку – нашу визитную карточку на случай встречи с представителями внеземной цивилизации. Помимо графической информации о нас самих на пластинке указан наш адрес в Млечном Пути, привязанный к направлениям, в которых мы принимаем наиболее мощные пульсары. Поскольку частота пульсаров со временем понижается, «получатель» сможет определить даже время запуска зонда. В нижней части помещена информация о Солнце и Солнечной системе, дополненная числовыми данными, выраженными в двоичной системе счисления.
Долгая дорога жизни
Вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной и существует ли жизнь на других звездах, возник гораздо раньше, чем мы узнали, что неподвижные звезды сами являются солнцами. Об этом размышляли Николай Кузанский (1401–1464) и Джордано Бруно (1548–1600). Одному это ничего не стоило, а другой сгорел на костре.
Мы хотели бы ограничить вопрос о существовании жизни на других небесных телах нашей Галактики лишь такими формами жизни, которые имеют ту же химическую основу, что и жизнь на Земле. В частности, мы будем связывать существование жизни с наличием воды в жидком состоянии. Пусть вопрос состоит в том, имеется ли на какой-либо планете жизнь, подобная нашей или, быть может, в более усовершенствованных формах. Во всяком случае необходимо, чтобы жизнь существовала там не меньшее время, чем она существует на Земле. По находкам, сделанным в Трансваале, мы знаем, что сине-зеленые водоросли-достаточно высокоразвитые одноклеточные-существуют уже 3,5 миллиарда лет. Возраст Земли, по оценкам, на 1–1,5 миллиарда лет больше. Итак, нам следует искать звезды, вблизи которых минимум 4 миллиарда лет существуют условия для эволюции примитивных живых организмов.
Вспомним историю развития жизни на нашей планете. Астроном Генрих Зидентопф (1906–1963) предложил такое наглядное сравнение. Уподобим все время существования Земли, около 5 миллиардов лет, одному году. Тогда 100 миллионов лет будут соответствовать одной неделе, а 160 лет одной секунде. В таком случае от возникновения Вселенной и самых старых звезд Млечного Пути до образования Солнца и Земли проходит один год. Пусть в январе следующего года образуются Земля и остальные планеты. Атмосфера Земли состоит еще в значительной степени из водорода, самого распространенного элемента во Вселенной. Позднее он вырывается из плена земного притяжения, и основными компонентами атмосферы становятся азот и кислород. Еще в водородной атмосфере появляются простейшие формы жизни; к марту возникают одноклеточные. Развитие жизни идет дальше, но лишь последние шесть недель нашего условного года мы достаточно хорошо знаем по окаменелостям. Водорода в атмосфере уже почти нет, и жизнь существует за счет кислорода. К концу ноября сушу осваивают растения, чуть позднее-животные. В два дня рождественских праздников (24–25 декабря) вымирают динозавры, которые до этого примерно неделю господствовали на Земле. В 23 часа 31 декабря появляется «пекинский человек» (синантроп), за 10 минут до конца года на новогоднем празднестве появляется неандерталец, за пять минут-представители современной человеческой расы, за тридцать секунд до конца года начинается история человечества. За эти тридцать секунд численность человечества увеличилась стократно: особенно быстро шел рост народонаселения в последние секунды: только за последнюю секунду население земного шара утроилось. А первая радиопрограмма была передана в эфир всего за четыре сотых секунды до того, как в небо взвились ракеты новогоднего фейерверка.
Итак, жизнь на Земле существует почти так же долго, как и сама Земля, однако лишь ничтожная доля этого времени приходится на то, что мы называем цивилизацией.
Миллион обитаемых планет в нашей Галактике?
Развитие жизни оказывается столь длительным процессом, что его можно сравнить с временем развития звезд. Как известно, в небе есть столь молодые звезды, что обезьяночеловек с острова Ява мог быть свидетелем их рождения. Если у подобных звезд имеются планеты, то на них еще не может существовать высокоразвитая жизнь. О массивных звездах мы знаем, что они дают свет и тепло лишь в течение нескольких миллионов лет слишком малый срок для того, чтобы успела развиться жизнь. Таким образом, нам подходят лишь звезды, масса которых равна массе Солнца или меньше ее. Млечный Путь содержит около 100 миллиардов звезд. Почти все они по массе укладываются в требуемые рамки, так как число массивных звезд очень невелико.
За вычетом небольшого процента все звезды Млечного Пути дают тепло достаточно долгое время, чтобы успела возникнуть разумная жизнь. Остается открытым вопрос, все ли эти звезды имеют планетные системы. Лишь на небесном теле, обращающемся вокруг звезды, температура может быть такой, что вода находится в жидком состоянии. К сожалению, астрономы не могут различить другие солнечные системы: самые близкие к нам звезды все равно слишком далеки, чтобы можно было различить в телескоп их крошечные спутники. Весьма вероятно, однако, что и вокруг других солнц обращаются планеты – прежде всего нам не следует думать, что наша Солнечная система чем-то особенна. В истории науки не раз уже опровергалась мысль о том, что нам принадлежит особое место в мироздании.
Мы уже видели, что благодаря наличию у космического вещества момента импульса одиночные звезды, по всей вероятности, имеют планетные системы. В этом убеждает нас и наша собственная Солнечная система. Гигантские планеты Юпитер и Сатурн образуют со своими лунами собственные маленькие планетные системы, за возникновение которых, очевидно, тоже несет ответственность момент импульса. Так что вполне разумно было бы считать, что все одиночные звезды имеют планетные системы.
Если же из-за наличия момента импульса возникает двойная звездная система, то если в такой системе планеты и возникнут, они либо за короткое по космическим масштабам время упадут на одну из звезд, либо разлетятся в космическое пространство. Поскольку при ближайшем рассмотрении более половины звезд оказываются двойными, у нас остается что-то около 40 миллиардов звезд.
Теперь необходимо, чтобы планеты находились на подходящем расстоянии от звезды: излучение звезды должно создавать на поверхности планеты такую температуру, чтобы вода существовала в жидком состоянии. В нашей планетной системе Меркурий оказывается слишком близко к Солнцу, а те планеты, которые находятся за Марсом, получают от Солнца слишком мало тепла. Мы никогда не видели планет других звезд. Как же узнать, сколько из них находится на нужном расстоянии? Остается только опираться на аналогию с нашей собственной Солнечной системой. Здесь Земля попадает в ту область, где возможна жизнь, а Марс и Венера находятся на границе этой области. Снимки аппаратов «Маринер» показали нам поверхность Марса, своей безжизненностью напоминающую лунный пейзаж. Хотя атмосфера Марса содержит воду, спускаемые аппараты «Викингов» не смогли обнаружить на Марсе никаких следов живых клеток. Советские космические аппараты измерили температуру на поверхности Венеры, которая превышает 450 градусов Цельсия. Так что Венера тоже малопригодна для жизни. Похоже, что в нашей Солнечной системе мы одиноки.
Если прикинуть, какие условия должны осуществиться на планете, чтобы там могла возникнуть жизнь, то станет ясно, насколько редкой может быть счастливая случайность, обеспечивающая на небесном теле пригодный для жизни климат. Ученые NASA считают, что в нашей Галактике имеется не более миллиона планет, на которых внешние условия могли бы позволить жизни развиться до высокого уровня.
Но если даже на планете достаточно долгое время существует благоприятный климат, то возникнет ли на ней жизнь? Этот вопрос адресован не к астрономам, а к биологам. Но и астроном может помочь: он знает, что распределение химических элементов во Вселенной, за немногими исключениями, всюду одинаково. Самые далекие звезды Млечного Пути и даже звезды других галактик состоят из такой же смеси химических элементов, что и наше Солнце. Нет звезд из серы и туманностей из ртути. Почти всюду основным веществом является водород, за ним идет гелий, а потом и другие элементы. Мы можем заверить биолога, что на самой далекой планете с подходящим климатом найдутся все вещества, которые необходимы ему, чтобы создать все свои органические молекулы. Радиоастрономы обнаружили в газовых облаках различные молекулы, которые химики относят к органическим: молекулы спирта, муравьиной кислоты, синильной кислоты, эфира. От этих простых органических молекул, конечно, еще далеко до сложных молекул, которые составляют основу того, что мы называем жизнью. Будем все же считать, что всюду, где может возникнуть жизнь, она действительно возникает. В таком случае в нашей Галактике имеется миллион планет, на которых существует жизнь, длящаяся, по предположению, четыре миллиарда лет. Конечно, жизнь на разных планетах будет находиться на разных ступенях развития.
