Текст книги "Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса"

Автор книги: Уильям Уоллер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 13 страниц)

Модифицированная ньютоновская динамика

Я проявил бы небрежность, если бы не упомянул в этой главе соперничающую гипотезу, способную полностью устранить необходимость в темной материи. Она получила название модифицированной ньютоновской динамики и утверждает, что сила тяжести массивного объекта уменьшается с расстоянием, которое немного отличается от знаменитого закона обратных квадратов Ньютона (о нем мы говорили в гл. 3). Есть и альтернативный взгляд: сила гравитационного притяжения могла бы оставаться ньютоновской, но реакция объекта на эту силу – его ускорение – отличалась бы от второго закона движения Ньютона, в котором a = F/m. Различия, как правило, становились бы существенными на очень больших расстояниях. Вот почему движения планет вокруг Солнца, по всей видимости, подчиняются ньютоновским ожиданиям, а движения звезд и газовых облаков во внешних частях галактик превосходят те прогнозы, которые мы делаем на основе материи, наблюдаемой в галактиках, и закона всемирного тяготения Ньютона. Кроме того, при помощи модифицированной ньютоновской динамики астрофизики пытаются объяснить некоторые подробности, связанные с кривыми вращения спиральных галактик, и сильную наблюдаемую связь общей яркости галактики со скоростью ее вращения (соотношение Талли – Фишера). Впрочем, большинство астрономов считают, что темная материя может объяснить гораздо больше.

Итак, определить темную материю и ее альтернативы нам по-прежнему не удается, несмотря на все наши попытки. Что же, пока лишь остается сказать: «Поживем – увидим».

Темная энергия

Призыв к еще одной невидимой форме материи-энергии впервые громко прозвучал в 1990-х годах, когда астрономы, работавшие с данными «Хаббла», заметили небольшое отклонение от одноименного закона Хаббла, устанавливающего связь между расстоянием до галактики и ее красным смещением (см. гл. 8). На наибольших расстояниях и соответствующих периодах аберрационного времени наблюдаемые красные смещения оказались немного меньше, чем ожидалось. Это означало, что галактики в ранней Вселенной расширялись и отдалялись друг от друга с несколько меньшей скоростью, чем та, какую мы наблюдаем в текущую эпоху. Двигаясь вперед во времени, Вселенная галактик, по-видимому, расширяется с непрестанно возрастающей скоростью. Это ускорение необходимо объяснить. Существует ли какой-то вид «отталкивающей гравитации», способный стать движущей силой этого форсированного расширения? Или происходит нечто иное?

Чтобы объяснить, почему галактическая Вселенная, которую мы наблюдаем, расширяется с ускорением, космологи привлекли новую форму материи-энергии – темную энергию. Та же самая невыразимая таинственная сила, если ее присутствие в наши дни окажется достаточно велико, легко объясняет исключительную топологическую плоскостность космоса (см. гл. 9). Более того, по-видимому, сценарии формирования галактик, а также их эволюции и объединения в группы согласуются лучше всего, если принять, что во Вселенной 73 % темной энергии, 26 % темной материи, как обычной, так и экзотической, и 1 % светящейся обычной материи – это модель Лямбда-CDM (ΛCDM), упомянутая в десятой главе.

Темная энергия многое успешно объясняла, поэтому и обрела популярность у космологов и астрофизиков. Однако остается важный вопрос – с чем мы имеем дело? Альберт Эйнштейн в своем уравнении гравитационного поля требовал положительной плотности энергии, или «давления», призванного противодействовать отрицательному давлению гравитации. Он ввел этот термин именно для данного случая, чтобы удержать Вселенную от коллапса в саму себя. Услышав, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал включение этого термина самым большим просчетом в своей карьере. Сегодня мы восстановили эту космологическую постоянную (Λ) как жизненно важный компонент космоса, требующий более глубокого понимания.

Некоторые космологи полагают, что темная энергия возникает в результате расширения самого пространства. Космос неуклонно растет, и к смешению темной и светящейся материи добавляется все больше темной энергии. Это означает, что баланс темной материи и темной энергии менялся с течением времени, причем в ранней Вселенной преобладала темная материя (рис. 13.3), а в текущую эпоху эта роль перешла к темной энергии. Эту эволюцию в некотором смысле подтверждают данные о красных смещениях галактик, рассчитанных в зависимости от расстояния и соответствующего аберрационного времени. Если это время превышает 10 млрд лет, измеренные красные смещения не указывают на расширение со сколь-либо заметным ускорением, однако при более «современных» показателях аберрационного времени свидетельства ускоряющегося расширения и связанной с ним темной энергии становятся намного весомее.

Лично мне интересно, все ли вызванные гравитацией сгущения вещества, произошедшие за космологическое время, приводили к соответствующему отталкиванию уплотняющихся объектов. Возможно, здесь действует некий закон сохранения, предполагающий высвобождение гравитационной энергии. В период своего формирования галактики были бы особенно склонны к этому антигравитационному дополнению к номинальному расширению космоса (так называемому «разбеганию»).

Рис. 13.3. Баланс темной материи и темной энергии в современную эпоху по сравнению с ним же 380 000 лет назад. Считается, что по мере расширения космоса доля темной энергии в этом сочетании становилась все более высокой, пока она не стала господствующей формой материи-энергии. (Материалы любезно предоставлены Научной группой NASA / WMAP.)

Это представление в высшей степени умозрительно, но у него есть нечто общее с более авторитетными идеями, поскольку оно требует наличия некоего посредника, способного стать движущей силой ускоряющегося расширения. Космологи называют его квинтэссенцией или «фантомной энергией», способной проявляться в виде силового поля, которое зависит от пространства и меняется со временем. По оценкам космологов, силовое поле эволюционировало от направленности внутрь к направленности наружу около 10 млрд лет назад – как раз тогда, когда материя начала преобладать над излучением и когда галактики начали собираться воедино. Однако эта картина космического расширения, ускоряющегося все быстрее, влечет мрачный прогноз. За неизвестные миллиарды лет вся наша Вселенная могла бы разорваться на части… целиком, вплоть до атомов, из которых состоят наши планеты, и ядер в этих атомах. Этот «большой разрыв» стал бы нашим концом.

Так сможет ли эволюционирующая квинтэссенция или неизменно устойчивая космологическая постоянная в конечном счете объяснить то ускорение, с которым расширяется Вселенная, и его движущую силу – темную энергию? Сейчас ученые не могут выбрать какой-либо вариант. Необходимо точнее измерить само расширение и подробнее картировать космический микроволновый фон. Слабая рябь, наблюдаемая в нем, уже произвела революцию в космологии – и еще может стать источником поразительных откровений.

14. Наше космическое достояние

Пытаясь понять что угодно как таковое, мы находим, что оно связано со всем остальным во Вселенной.

Джон Мьюир. Мое первое лето в Сьере

Вы все – это дети Вселенной, подобно деревьям и звездам, со всем правом в ней пребывать. И видите вы или нет, но она, несомненно, раскроется так, как должна.

Макс Эрманн. Desiderata

Мы все – телесные создания, и каждый из нас – воплощение хода всей космической истории. Каждый протон и нейтрон в каждом ядре каждого атома наших тел возникли из бурлящего хаоса, властвовавшего на протяжении первой миллионной доли секунды после Большого взрыва. Затем, в течение первой секунды, электроны, окружившие каждое ядро для создания цельных атомов, освободились из раскаленного «бульона». Так космос в мгновение ока породил субатомные компоненты, жизненно важные для нашего атомного и молекулярного «я».

Алхимия жизни

Более тяжелые атомы в наших телах происходят из самых разных космических уголков. Скажем, углерод, присутствующий в наших костях и мышцах, образовался в ходе термоядерного синтеза атомных ядер гелия, который протекал в глубоких недрах звезд средней массы, в то время находившихся на эволюционной стадии гигантов горизонтальной ветви. По мере эволюции в нестабильные звезды асимптотической ветви гигантов они высвобождали созданный углерод с помощью мощных ветров. Солнце – звезда средней массы, и поэтому служить источником углерода оно будет только через 4–5 млрд лет.

Кислород в воде, пронизывающий всю земную жизнь, появился на последних стадиях существования более массивных звезд, в центре которых давление и температура были достаточно высоки, чтобы переплавить атомные ядра углерода в кислород, кремний и железо. Все эти важнейшие элементы стали сырьем для последующих звезд, планет и жизненных форм, когда угасшие массивные звезды наконец взорвались как сверхновые и извергли свои химические творения в Галактику.

Каменистые планеты, подобные Земле, стали наследниками этого элементного изобилия. Астрономы предполагают, что эти планеты выросли из кристаллов, содержащих кремний и углерод, которые ранее затвердели в относительно прохладных внешних слоях атмосферы красных гигантов. Изгнанные прочь звездными ветрами, заледеневшие кристаллы промчались по Млечному Пути и смешались с формирующимся облаком межзвездного газа, которое оказалось на их пути. По мере того как части этих облаков под воздействием гравитации сжимались в протозвездные туманности и последующие протопланетные диски, кристаллы собирались в микроскопические пылинки, те скапливались в хондры размером с каплю, потом – в планетезимали размером с гальку, и, спустя несколько миллионов лет гравитационной конденсации, – в планеты, подобные Земле. Идея, согласно которой наша планета и все ее обитатели – это «звездное вещество», может показаться надуманной, но это правда!

Как только Земля стала полноценной планетой, жар, высвобожденный при ее формировании, и энергия радиоактивных изотопов урана и тория поддерживали и тепло в ее недрах, и динамику конвективных течений, благодаря чему становились возможны тектонические сдвиги, вулканизм и другие процессы горообразования, характерные для земной поверхности на протяжении миллиардов лет. Считается, что атомные ядра урана и тория возникли в горячей среде, богатой нейтронами и ассоциируемой с двойными системами нейтронных звезд, в которых обе звезды движутся по спирали внутрь и впоследствии сливаются. (В Интернете можно найти периодическую таблицу элементов с указанием их космического происхождения; вот одна из возможных ссылок: apod.nasa. gov/apod/ap171024.html.) На Земле этих нестабильных изотопов достаточно, и их постоянная радиоактивность вносит свой вклад в геологические циклы поднятия земной коры, выветривания, аккумуляции, седиментации, метаморфизма и субдукции. Без этих тектонических «примочек», действовавших на протяжении сотен миллионов лет, у нас не было бы ни осадочных, ни метаморфических горных пород, способных сохранить присутствие предшествующих форм жизни в течение этого «глубокого времени», и мы ничего не знали бы о нашем биологическом прошлом. Но случилось иначе, и ископаемые остатки в горных породах ясно показали, что мы – всего лишь недавние участники биологического бытия и становления, оставивших нам необычайно богатое наследство.

Преемственность жизни

Геологическая летопись жизни на Земле показала, что микроскопические формы жизни могут эволюционировать во все более макроскопические и сложные организмы с обменом веществ, способных воспроизводить себе подобных и преображать окружающий мир. За последние 3,5 млрд лет «бродячий цирк» живых существ превратился в обширную и удивительную систему органического мира, состоящую из царств, порядков, семейств, родов и видов. Какие еще живые существа могли бы населять большой космос? Этот ключевой вопрос волнует и астрономов, и геологов, и химиков, и биологов. На сегодняшний день нам еще только предстоит найти какие-либо явные свидетельства существования жизни за пределами Земли. Но это не помешало нам непрестанно искать любые намеки в доступных нам образцах метеоритов, лунных пород и планетного вещества. К сожалению, вряд ли мы знаем, на что именно нам следует смотреть.

Большую часть поисков мы вели на планетах и спутниках, где вода может находиться в жидкой форме и где могут удерживаться химические вещества на основе углерода. Жидкая вода – главный растворитель во всех биохимических процессах, происходящих на Земле. Однако играть подобную роль в мирах, где температура намного выше или ниже земной, могли бы и другие жидкие растворители. Показательный пример – поверхность Титана, спутника Сатурна: в его атмосфере, насыщенной азотом, были обнаружены «моря» метана и этана – и все это при умопомрачительной температуре в –179 °C. Какие химические метаморфозы могли бы (медленно) происходить в этой сюрреалистической обстановке?

Химические процессы, основанные на углероде, составляют всю органическую химию, которая, в свою очередь, представляет собой фундамент жизни на Земле. Но даже хотя углерод – и главный солист в ансамбле, другие элементы из его группы в периодической таблице Менделеева (кремний, германий и другие) при определенных обстоятельствах вполне могут взять на себя эту роль. Итак, мы даже не знаем, на какие химические сигналы обращать внимание при проведении спектроскопических исследований экзопланет. Сейчас лучшая идея, к которой мы смогли прийти – это поиск в планетарных атмосферах всего, что укажет на присутствие молекул метана, озона и кислорода. В частности, свободный двухатомный кислород (O₂) обладает высокой реакционной способностью, и если мы обнаружим его, то он может стать свидетельством биохимических процессов, активно пополняющих запасы кислорода в атмосфере – таких, как фотосинтез. Наличие озона (O₃) тоже могло бы указать на свободный двухатомный кислород. Ему свойственны яркие линии поглощения в инфракрасной части электромагнитного спектра, поэтому астрономы так хотят найти его с помощью огромных телескопов новейшего поколения.

А какие формы жизни могли бы населять этот мир? Являются ли автономные клетки обязательным условием для обмена веществом и энергией с окружающей средой? И как эта среда (включая ее гравитационные, тепловые, магнитные и электрические свойства) ограничит формы жизни, населяющие иные миры? Должна ли жизнь, возникнув, всегда эволюционировать в сторону усложнения? Так было на Земле, но, возможно, в других мирах этот путь не был столь предопределенным.

Как показывают эти вопросы, поиск внеземной жизни с открытыми глазами – сложнейшее дело. И все же космохимики, астробиологи и специалисты междисциплинарных областей всерьез взялись за решение этой грандиозной задачи. Постоянно растущая группа из примерно 4000 экзопланет, которые вращаются вокруг бесчисленного множества звезд, побудила их продолжить поиски с новыми силами. Для нас, землян, поиск только начался.

Завершающий пассаж

Всесторонний обзор биологической эволюции на Земле выходит за рамки данного путеводителя для начинающих. Однако цель этой книги – подчеркнуть реальные узы, соединяющие нас с большим космосом. Мы все разделяем богатое космическое достояние, сделавшее нас теми, кто мы есть, и путь к этому был долгим – 13,8 млрд лет назад возникла вся материя; около 12 млрд лет назад образовался Млечный Путь; 4,6 млрд лет назад сформировались Солнце и Солнечная система; 3,5 млрд лет назад на Земле появилась микробная форма жизни; 500 млн лет назад эволюционировали сложные жизненные формы; 300 млн лет назад жизнь вышла из моря на сушу; 240 млн лет назад на планете воцарились динозавры; 66 млн лет назад их эра закончилась, а всего несколько миллионов лет назад наступил расцвет гоминид.

Мы состоим из звездного вещества и так же связаны с космосом, как и породившая нас Галактика. Тем не менее многие ключевые вопросы остаются нерешенными. Вот мой топ-10:

1. Как различные субатомные частицы, из которых состоит вся материя, приобрели свои четко определенные массы, заряды и спиновые состояния в течение секунды после Большого взрыва? Стал ли этот «бродячий цирк» элементарных частиц удачным стечением обстоятельств – или был предопределен заранее?

2. Что характерно для темной материи, кроме невероятной отчужденности ее гипотетических частиц? Когда мы вообще получим прямые доказательства ее существования?

3. Является ли темная энергия необходимым и господствующим компонентом космоса – или это просто плод фантазий астрономов?

4. Как галактики смогли принять свой облик так скоро после Большого взрыва? Только представьте: всего за несколько сотен миллионов лет аморфная космическая плазма с избыточной плотностью в 1 часть на 100 000 сгустилась под воздействием гравитации в гигантские вращающиеся галактики, состоящие из звезд и планет. Разве это не кажется невероятно сложной задачей?

5. Что происходит внутри горизонтов событий черных дыр? И что они собой представляют? Порталы в иные пространства-времена? Или это просто компактные материальные миазмы, навсегда скрытые от любых наблюдателей своей огромной гравитацией?

6. Из какого звездообразующего облака сформировались Солнце и Солнечная система? Какие еще звездные и планетные системы в Млечном Пути произошли из той же туманности, что и наша?

7. Когда, где и как именно мы найдем первые прямые доказательства существования микробной формы жизни за пределами Земли?

8. Когда, где и как именно мы найдем первые прямые доказательства существования сложной формы жизни за пределами Земли?

9. Когда, где и как именно мы найдем первые прямые доказательства существования разумной, технологически-коммуникативной формы жизни за пределами Земли?

10. Пока мы ждем открытия разумных форм жизни, каким будет наилучший способ общения с ними – и стоит ли нам стремиться к этому общению?

И даже если на время забыть о возможном существовании других вселенных, эти вопросы подчеркивают, как много мы еще не знаем о нашем космосе – и о нашем месте в нем. Мы только выходим на галактическую сцену, наши технологии еще развиваются, и нам потребуется гораздо больше времени и согласованных усилий, чтобы ответить на эти очень важные вопросы. А тем временем наше существование в качестве части земной биосферы стало опасно неустойчивым. Не отравим ли мы экосистемы, на которые полагаемся, постоянно загрязняя окружающую среду? Будут ли парниковые газы, которые мы непрестанно производим, нагревать нашу атмосферу и океаны, не давая им восстановиться? Совладаем ли мы с угрозой перенаселения, мирового голода, пандемии? Или наше ядерное оружие уничтожит нас раньше? Эти экзистенциальные угрозы страшат нас до глубины души. Впрочем, я сохраняю оптимизм и думаю, что мы справимся и примем необходимые меры для решения проблем. Главное, чтобы нам хватило времени. Насколько все должно стать плохо, прежде чем мы наконец сделаем шаг вперед? Мы ведь только начали воспринимать себя как вероятных граждан космоса, и нам есть что терять – но мы можем приобрести еще больше.

Мы уже 60 лет отправляем в космос машины и людей, и перед нами, как никогда прежде, открыта дорога к различным мирам Солнечной системы. Пока вы читаете этот абзац, создаются ракетные технологии, способные доставить нас на Марс и за его пределы. Мечты и грезы о посещении ближайших звездных и экзопланетных систем при помощи роботизированной техники превратились в достойно финансируемые программы с подробными планами и графиками работ. Тем временем наши телескопы и радиоаппараты непрестанно ищут ясный сигнал от технологически развитых форм жизни. Эти усилия еще не дали воспроизводимых результатов, но они заслуживают постоянной поддержки общества. И именно тем, кто предпринимает их день ото дня, я скажу: carpe posterum – живи будущим!

Рекомендуемая литература и ресурсы

Источники общего характера

Astronomy, C. J. Peterson, CliffsQuickReview, IDG Books Worldwide (2000). Краткий аналог настоящего издания.

Astronomy, A. Fraknoi, D. Morrison, S. C. Wolf et al. (2016). Бесплатный онлайн-учебник для колледжа: openstax.org/details/books/astronomy. Также доступен в печатном виде.

Astronomy Notes, N. Strobel (2001). Менее броский, но достойный бесплатный онлайн-курс для колледжей: www.astronomynotes.com. Первый в своем роде.

Classifying the Cosmos – How We Can Make Sense of the Celestial Landscape, S. J. Dick, Springer (2019). Прекрасно изложенная «биологическая классификация» космоса и всех его элементов, объединенных в царства, семейства и классы.

The Milky Way: An Insider’s Guide, W. H. Waller, Princeton University Press (2013). Содержательное исследование элементов, строения, движущих сил и эволюции нашей Галактики.

Galaxies and the Cosmic Frontier, W. H. Waller and P. W. Hodge, Harvard University Press (2003). Всесторонний обзор галактик во всем восхитительном разнообразии и подробный рассказ о более обширном космосе, в котором они родились.

Origins: Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution, N. D. Tyson and D. Goldsmith, W. W. Norton & Company (2004). Развернутый рассказ о космосе на протяжении всей его истории – от первых частиц до галактик, звезд, планет и жизни. Дополнение к мини-сериалу Origins, входящему в цикл фильмов телепрограммы NOVA.

История

The Sleepwalkers: A History of Man’s Changing View of the Universe, A. Koestler, Penguin Books (1990). Увлекательная история о том, как люди познавали космос – от вавилонян до Коперника, Кеплера, Галилея и Ньютона. С комментариями экспертов, посвященными противостоянию науки и религии на протяжении веков.

A Short History of Nearly Everything, B. Bryson, Broadway Books (2003). Более современная и юмористическая трактовка гуманитарного аспекта науки, в которой история астрономии представлена вместе с историей физики, химии, биологии и палеонтологии.

Parallax: The Race to Measure the Cosmos, A. W. Hirshfeld, W. H. Freeman (2001). Искрометная история об астрономах, стремившихся измерить расстояния до звезд.

The Glass Universe, D. Sobel, Viking/Penguin Random House (2016). Ценные сведения о женщинах из Гарвардской обсерватории, которые провели спектроскопические измерения звезд, создав таким образом сферу звездной астрофизики.

Lonely Hearts of the Cosmos, D. Overbye, Harper Collins (1991). История наблюдательной космологии XX века с обилием персоналий.

Журналы

Sky & Telescope: skyandtelescope.org

Astronomy: astronomy.com

Space.com (онлайн-журнал)

Другие источники

Астрономический образовательный и информационный центр: naec-us.org

Астрономическая картинка дня: apod.nasa.gov/apod/astropix.html

Атлас Вселенной: www.atlasoftheuniverse.com

Энциклопедия черных дыр – список черных дыр звездной массы, средней массы и сверхмассивных черных дыр: blackholes.stardate.org/objects.html

Космическое происхождение элементов: apod.nasa.gov/apod/ap171-024.html

Калькуляторы космического расширения: ned.ipac.caltech.edu/help/cosmology_calc.html

Энциклопедия внесолнечных планет: exoplanet.eu

Проект «Телескоп горизонта событий»: eventhorizontelescope.org

Миссия Gaia: sci.esa.int/gaia

Обучающие моменты в астрономии и астрофизике: sites.google.com/site/sciencegazette/teachable-moments-in-astronomy-astro physics?authuser=0

Технические примечания из книги Galaxies and the Cosmic Frontier: cosmos.phy.tufts.edu/cosmicfrontier/main.html

Визуализация кратковременного рентгеновского излучения из нейтронных звезд и черных дыр: xte.mit.edu (см. страницу ASM The Movie)

Гражданская научная платформа Zooniverse: www.zooniverse.org

notes

Notes

1

Джордано Бруно. О бесконечности, Вселенной и мирах / Пер. с итал. А. Рубина. М.: ОГИЗ, 1936. С. 219.

2

Global Astrometric Interferometer for Astrophysics – Глобальный астрометрический интерферометр для астрофизиков. В русской транскрипции – Гайя или Гея. – Прим. пер.

3

⁰ м = 1 метр (четырехлетний ребенок, широкий шаг взрослого, небольшой удав, крупный метеорит);

10¹ м = 10 м (маленький кит, просторный школьный класс, космический телескоп «Хаббл»);

10² м = 100 м (секвойя, футбольное поле, фрагмент Тунгусского метеорита);

10³ м = 1000 м = 1 км (косяк креветок, университетский городок, ширина Ниагарского водопада Сент-Хеленс [1 км³]);

10⁴ м = 10¹ км (высота вулкана Мауна-Кеа, толщина биосферы Земли, спутник Марса Деймос, ядро кометы, нейтронная звезда);

4

Айзек Азимов. Вид с высоты / Пер. с англ. Д. Жукова. М.: Мир, 1965. С. 209.

5

По изданию: Галилео Галилей. Избранные труды: В 2 т. / Пер. и примеч. И. Н. Веселовского. М.: Наука, 1964. Т. 1. С. 37.

6

Переосмысление классического латинского выражения Hic sunt leones («Здесь [водятся] львы»), которым на средневековых картах подписывали неизвестные земли. – Прим. пер.

7

По изд.: Твен М. Приключения Гекльберри Финна / Пер. с. англ. Н. Дарузес. М.: Просвещение, 1988. С. 94.