Азимов А. Выбор катастроф

ОГЛАВЛЕНИЕ

Часть вторая. Катастрофы второго класса

5. Столкновения с Солнцем

Рождение в тайной схватке

Может показаться, что наиболее вероятна, наиболее близка неизбежная катастрофа первого класса – образование нового космического яйца, примерно через триллион лет. Однако рассуждения по поводу черных дыр показали, что локальные катастрофы могут поразить отдельные области Вселенной задолго до того, как завершится период в триллион лет. Словом, настало время рассмотреть вероятность локальной катастрофы, делающей непригодной для жизни нашу Солнечную систему, подвергая таким образом гибели человечество, в то же время оставляя остальную Вселенную нетронутой.
Это катастрофа второго класса.
До Коперника представлялось само собой разумеющимся, что Земля – неподвижный центр Вселенной, а все остальное вращается вокруг нее. Звезды, в частности, считались зафиксированными в наиболее дальней части небесной сферы и обращающимися вокруг Земли за 24 часа, так сказать, целым куском. К звездам относились как к «неподвижным», чтобы отличать их от других, более близких тел – Солнца, Луны, планет, которые вращались самостоятельно.
Даже после того как система Коперника сместила Землю с центральной позиции, это сначала не изменило взгляд на звезды. Они продолжали казаться яркими неподвижными объектами, зафиксированными в наиболее далекой части сферы, в то время как в центре этой сферы было Солнце, а разные планеты, включая Землю, вращались вокруг него.
Однако в 1718 году английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742), регистрируя позиции звезд, отметил, что по крайней мере три звезды – Сириус, Процион и Арктур были не на тех местах, где их зафиксировали греки. Разница оказалась существенной, и греки не могли сделать такой ошибки. Галлею стало ясно, что эти звезды передвинулись по отношению к другим. С тех пор все больше и больше звезд стало проявлять «собственное движение», поскольку приборы астрономов для обнаружения такого движения становились более чувствительными.
Ясно, что если различные звезды движутся в космосе с равными скоростями, то изменение позиции очень далекой звезды будет, по нашему наблюдению, намного меньше, чем изменение позиции более близкой звезды. (Мы знаем по опыту, каким медленным представляется самолет, летящий вдалеке, по сравнению с самолетом, который летит значительно ближе к нам.) Звезды находятся настолько далеко, что только самые близкие позволяют нам заметить их «собственное движение», но от этого представляется справедливым заключение, что все звезды движутся.
Чтобы быть точнее, собственное движение звезды – это только ее движение по линии нашего зрения. Звезда также могла бы двигаться по направлению к нам или от нас, и эта часть ее движения не проявлялась бы как собственное движение. Действительно, звезда могла бы двигаться прямо к нам или прямо от нас, так что не было бы видно никакого движения по линии зрения, даже если бы она была сравнительно близко от нас.
К счастью, благодаря эффекту Допплера-Физо, описанному выше, скорость приближения и удаления также может быть определена, и трехмерная космическая скорость, по крайней мере близко расположенных звезд, может быть установлена.
Почему бы тогда не двигаться и Солнцу? В 1783 году британский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель (1738–1822) изучал собственное движение звезд, которые к тому времени были известны. Оказалось, что звезды в одной половине неба имели в целом тенденцию удаляться друг от друга, в Другой половине неба они имели тенденцию сближаться друг с другом. Гершель решил, что наиболее логичное объяснение этого состоит в том, что Солнце движется в одном определенном направлении, в направлении созвездия Геркулес. Звезды, к которым мы приближаемся, представляются движущимися в разные стороны при нашем приближении, а звезды, остающиеся позади нас, словно бы сдвигаются.
Когда астрономические объекты движутся в космосе, вполне вероятно, что один будет двигаться вокруг другого, если они достаточно близки друг к другу, так что активно взаимно воздействуют друг на друга гравитационным полем. Таким образом Луна вращается вокруг Земли, в то время как Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца. Опять же одна звезда в бинарной системе будет двигаться вокруг другой.
Однако там, где объекты находятся далеко друг от друга и когда нет единого объекта, который своей огромной массой преобладает над всеми другими (как Солнце преобладает над всеми более малыми телами Солнечной системы), движение это – не просто вращение одного объекта вокруг другого. Вместо этого могло показаться, что это едва ли не движение наугад, как движение пчел в рое. В течение девятнадцатого века так и представлялось, что такое движение пчел характеризует звезды вокруг нас, и было вполне логично предположить, что в этих движениях наугад одна звезда может случайно столкнуться с другой.
И действительно, в 1880 году английский астроном Александр Уильям Бикертон (1842–1929) выдвинул гипотезу, что именно таким образом возникла Солнечная система. Он считал, что много лет назад мимо Солнца прошла звезда, и в результате гравитационного воздействия одного объекта на другой из обоих была вырвана материя, которая позднее собралась в планеты. Две звезды сблизились как единые тела и разошлись с началами планетарной системы. Это был довольно драматический пример того, что могло быть обозначено как космическое похищение. Эта «катастрофическая теория» происхождения Солнечной системы была более или менее принята астрономами с различными модификациями на протяжении полувека.
Ясно, что, если подобная катастрофа могла бы означать начало мира для нас, она бы в случае повторения означала бы и катастрофический конец его. Новое близкое придвижение звезды к нашему Солнцу на длительное время подвергло бы нас воздействию нарастающего тепла от второго светила, в то же время наше Солнце было бы дестабилизировано тем или иным образом благодаря усилившемуся влиянию гравитационного эффекта. Тот же самый эффект с нарастанием вызвал бы серьезные нарушения в орбите Земли. Представляется весьма невероятным, чтобы жизнь могла выдержать огромное влияние таких событий на условия, существующие на поверхности Земли.
А велика ли вероятность такого сближения-столкновения?
Подобное событие весьма маловероятно. Собственно, одна из причин того, что катастрофическая теория происхождения Солнечной системы в конце концов не выжила, и состоит в том, что она имела в виду подобное маловероятное событие. На окраинах Галактики, где мы располагаемся, звезды находятся настолько далеко друг от друга и движутся настолько медленно по сравнению с громадными расстояниями, разделяющими их, что столкновение трудно себе представить.
Рассмотрим Альфу Центавра, которая является наиболее близко расположенной к нам звездой . Она находится от нас в 4,4 светового года и приближается. Она не приближается к нам прямо, но движется стороной. В результате она приблизится к нам на расстояние 3 световых года в точке, в которой минует нас и станет отдаляться. Однако она не будет настолько близко, чтобы оказать на нас сколько-нибудь значительное влияние.
Но предположим, что она приближалась бы к нам прямо. Альфа Центавра движется в космосе относительно нас со скоростью 37 километров в секунду. Если бы она с этой скоростью нацелилась прямо нас нас, она прошла бы через Солнечную систему спустя 35 000 лет.
С другой стороны, предположим, что Альфа Центавра нацелена под углом 15 минут от прямого попадания в Солнце. Отклонение на 15 минут можно представить так: это – половина поперечника полной Луны, как мы ее видим. Допустим, мы нацелились в центр видимой стороны Луны, но попали только в самый ее край, это и будет отклонение на 15 минут. Однако Альфа Центавра, отклоняясь на 15 минут, прошла бы мимо нас на расстоянии 1/50 светового года, или около 180 миллиардов километров. Это в тридцать раз больше, чем расстояние от Плутона до Солнца. Альфа Центавра была бы тогда для нас очень яркой звездой на небе, но ее влияние на Землю с этого расстояния было бы ничтожным.
Есть и другой способ взглянуть на это. Среднее расстояние между звездами в нашей части Галактики составляет 7,6 световых лет, и средняя скорость, с которой они движутся в отношении друг друга, около 100 километров в секунду.
Заменим световые годы километрами и представим себе, что звезды уменьшены пропорционально и в поперечнике составляют 1/10 миллиметра. Эти крошечные звезды, которые походили бы на крошечные, еле различимые глазом зерна гравия, были бы распределены со средним расстоянием между собой 7,6 километра. Если расположить их на двухмерном поле, то на площади пяти районов города Нью-Йорка их бы поместилось четырнадцать.
Каждая из них двигалась бы со скоростью тоже пропорционально уменьшенной, то есть 30 сантиметров в год. Представим себе, что эти четырнадцать зерен гравия разбросаны по пяти районам и каждое движется со скоростью 30 сантиметров в год в произвольном направлении, и спросим себя, каковы шансы, что два из них в конце концов столкнутся?
Подсчитано, что на окраинах Галактики шансов близкого подхода друг к другу двух звезд не более 1 из 5 миллионов за все 15 миллиардов лет жизни Галактики. Это означает, что даже через триллион лет до следующего космического яйца есть только 1 шанс из 80 000 приближения какой-либо звезды к нашей собственной. Этот тип катастроф настолько менее вероятен, чем любая из катастроф первого класса, что нет никакой необходимости о них беспокоиться.
К тому же астрономическая наука на ее сегодняшнем уровне (оставим в стороне более высокие уровни, которые могут быть достигнуты в будущем) способна за много тысяч лет заранее предупредить о возможном приближении звезды. Катастрофы гораздо более опасны, когда они наступают внезапно, неожиданно, не оставляя нам никакого времени для принятия контрмер. Впрочем, столкновение со звездой застало бы нас сейчас беспомощными, даже если бы нас предупредили много тысяч лет назад, но подобная беспомощность не обязательно может иметь место в будущем (что я поясню позднее), а значит, заблаговременное предупреждение даст возможность избежать столкновения или уклониться от него.
Обе эти причины, а именно чрезвычайно малая вероятность того, что это случится, и уверенность, что мы будем предупреждены об этом за много тысяч лет, делают бессмысленным беспокойство об этой катастрофе.
Не забывайте, между прочим, что не имеет значения, является вторгающаяся звезда черной дырой или нет. Черная дыра не могла бы нас убить эффективнее, чем обычная звезда, хотя большая черная дыра по массе в сто раз больше нашего Солнца могла бы оказать свое смертоносное действие на вдесятеро большем расстоянии, чем обычная звезда, так что точность, с которой бы она набрасывалась на нас, не обязательно должна быть такой высокой.
Тем не менее очень вероятно, что крупные черные дыры настолько редки, что, даже допуская их большую сферу активности, шансов, что одна из них приблизится катастрофически близко, в миллионы раз меньше, чем у обычной звезды.
Разумеется, существуют объекты, кроме звезд, которые могут совершить катастрофическое приближение, в некоторых случаях с небольшим по времени предупреждением или даже без него – в свое время мы рассмотрим эти возможности.

На орбитах вокруг центра галактики

Одна из причин малой вероятности столкновения нашего Солнца с другой звездой основана на том, что звезды поблизости от нас, в конечном счете, не двигаются беспорядочно, как пчелы в рое. Мы могли бы обнаружить это случайное движение в центре Галактики или в центре шаровидного скопления, но не с Земли.
На окраинах Галактики ситуация скорее похожа на ситуацию в Солнечной системе. Галактическое ядро, занимающее сравнительно малую центральную часть Галактики, имеет массу в десятки миллионов раз больше массы Солнца, в эту массу могла бы, конечно, входить и центральная черная дыра при условии, что она существует. Это ядро, действуя как целое, служит галактическим «солнцем».
Миллиарды звезд галактической окраины циркулируют вокруг галактического ядра по орбитам, как планеты вращаются вокруг Солнца. Солнце, например, которое находится в 32 000 световых лет от галактического центра, движется около этого центра по почти круговой орбите со скоростью примерно 250 километров в секунду, и ему требуется около 200 миллионов лет для совершения одного оборота. Поскольку Солнце образовалось почти 5 миллиардов лет назад, оно за время своей жизни совершило 24 или 25 оборотов вокруг галактического центра, если считать, что его орбита не изменялась за это время.
Естественно, звезды, которые находятся ближе к галактическому центру, чем Солнце, движутся быстрее совершают оборот за меньшее время. Когда они нагоняют нас, они приближаются к нам, но, минуя нас на безопасном расстоянии, они затем удаляются от нас. Таким же образом звезды, которые находятся дальше нас от галактического центра, движутся медленнее и совершают оборот за более длительный период. В то время как мы обгоняем такие звезды, они как бы приближаются к нам, но, минуя нас на безопасном расстоянии, они затем удаляются от нас.
Если бы все звезды двигались по орбитам, очень близким к круговым, и очень близко к одной плоскости и на очень разных расстояниях от точки, вокруг которой они вращаются (что верно в отношении планет в пределах Солнечной системы), то не было бы вообще никаких шансов столкновения или опасного сближения. Собственно говоря, за 15 миллиардов лет истории Галактики звезды, кажется, «распределились» в нечто похожее на такое расположение, что окраина Галактики образует плоское кольцо (внутри которого звезды расположились в комплекте спиральных структур), плоскость которого проходит через центр галактического ядра. Тот факт, что Солнце совершило двадцать пять оборотов по своей орбите без признака какого-либо сбоя, который мы могли бы обнаружить в геологической летописи Земли, показывает, с какой эффективностью это расположение работает.
Тем не менее в Солнечной системе существует только девять крупных планет, в то время как на окраинах Галактики миллиарды звезд значительных размеров. Даже если большинство звезд в отношении своих орбит вполне благонадежны, имеется небольшой процент, за которым, однако, большое количество звезд, чьи орбиты внушают беспокойство.
Некоторые звезды обладают ясно выраженными эллиптическими орбитами. Вполне может быть, что орбита такой звезды проходит мимо нашей и в какой-то точке отделяется от нее относительно малым расстоянием; но каждый раз, когда Солнце проходит точку сближения орбит, другая звезда находится далеко, и наоборот. Тогда в конечном счете Солнце и другая звезда когда-нибудь, приблизительно в одно и то же время достигнут точки сближения и претерпят близкое схождение, но до этого «когда-нибудь» может пройти очень и очень много времени.
Впрочем, орбиты не обязательно остаются неизменными. Когда две звезды совершают умеренно близкое схождение, такое, которое еще недостаточно близко, чтобы разрушить планетарные системы (если они есть) обеих, обоюдный гравитационный эффект может просто немного изменить орбиты той и другой. На Солнце, даже если оно не вовлечено в подобное схождение, это тоже может сказаться. Например, две другие звезды могут совершить близкое схождение на другой стороне Галактики, и у одной из них может быть изменена (или «возмущена») орбита таким образом, что там, где она никогда ранее не приближалась к Солнечной системе, она получит такую возможность.
Конечно, может случиться и противоположное. К примеру, звезда, орбита которой могла бы привести ее опасно близко к Солнечной системе, в результате возмущения без нашего участия может сместить свою орбиту так, что нигде к нам больше близко не подойдет.
Эллиптические орбиты представляют еще одну интересную проблему. Звезда с явно эллиптической орбитой может сейчас быть в нашей части Галактики, а сотню миллионов лет спустя, продвинувшись на другой конец своей орбиты, может оказаться дальше от галактического ядра, чем находится сейчас. Такая эллиптическая орбита, на которой в настоящее время звезда помещается по соседству с нами и поблизости от своего самого близкого подхода к галактическому ядру, не представляет для нас опасности. Ничего не может больше случиться при ее отходе.
Эллиптическая орбита может также поместить звезду по соседству с нами и близ своей дальней точки, но за сотни миллионов лет звезда может погрузиться глубже в Галактику и двигаться на гораздо меньшем расстоянии от галактического ядра. Это может привести к неприятностям.
Чем ближе к ядру, тем гуще расположены звезды, тем менее правильны и стабильны их орбиты. Звезда, двигающаяся внутрь Галактики, увеличивает вероятность возмущения. Прямое столкновение остается очень маловероятным, но существенно больше, чем на окраине. Вероятность сравнительно близкого схождения, способного вызвать возмущение орбиты, увеличивается примерно в таком же соотношении и становится достаточно ощутимой.
Весьма велика вероятность и того, что какая-нибудь звезда с окраины Галактики, если эллиптическая орбита выведет ее ближе к ядру, выйдет с немного измененной орбитой, которая, если не была нам опасной ранее, может стать опасной (или, конечно, наоборот). Собственно возмущение могло бы подействовать на нас и непосредственно.
Выше речь шла о звезде, которая могла бы пройти мимо нас на расстоянии, в тридцать раз большем, чем расстояние от Солнца до самой дальней планеты Плутон. Я говорил, что это не повлияет на нас. Не повлияет в том смысле, что не окажет серьезного влияния на движение Солнца или на окружающую среду на Земле. И еще менее повлияла бы, если бы прошла на расстоянии светового года от нас.
И все же какая-нибудь проходящая звезда, недостаточно близкая, чтобы причинить нам неприятность в виде дополнительного тепла, может несколько замедлить Солнце в его движении вокруг галактического Центра. В таком случае почти круговая орбита Солнца может быть трансформирована в чуть более эллиптическую, и она может оказаться несколько ближе к галактическому ядру, чем когда-либо была за две дюжины оборотов Солнца.
Ближе к галактическому ядру, то есть там, где вероятность возмущения несколько больше, и могут последовать дальнейшие изменения. Вступив в полосу сбоев, Солнце может в конечном счете оказаться на орбите, которая перенесет нас настолько близко ко внутреннему региону Галактики, скажем, через миллиард лет, что общий радиационный фон станет настолько сильным, что полностью уничтожит жизнь. Вероятность этого совсем невелика, и все это может быть включено в тот единственный шанс из 80 000 в грядущий триллион лет.
Этот один шанс из 80 000 в грядущий триллион лет включает, однако, отдельные звезды. А как обстоит дело с шаровидными скоплениями? Шаровидные скопления не расположены в галактической плоскости, а распределены около галактического ядра сферической раковиной. Каждое шаровидное скопление вращается вокруг галактического ядра, но плоскость его вращения наклонена к галактической плоскости под большим углом. Если шаровидное скопление располагается высоко над галактической плоскостью, то оно, когда движется по своей орбите, идет под уклон, пересекает галактическую плоскость, опускается намного ниже нее, затем поднимается по склону, пересекает галактическую плоскость на противоположной стороне от галактического ядра и, возвращаясь в прежнее верхнее положение, завершает оборот.
Если шаровидное скопление находится на таком же расстоянии от галактического ядра, как и мы, тогда примерно каждые 100 миллионов лет оно будет пересекать галактическую плоскость. Если оно ближе к ядру, оно будет совершать это за более короткий период, если дальше – за более продолжительный. Поскольку в общем может быть до 200 подобных скоплений, можно ожидать, что какое-нибудь шаровидное скопление будет пересекать галактическую плоскость примерно каждые 500 000 лет, если среднее расстояние шаровидного скопления от галактического центра равно расстоянию от него Солнечной системы.
Шаровидное скопление в поперечнике в миллиарды миллиардов раз больше, чем одиночная звезда, и при пересечении им галактической плоскости вероятность столкновения его с какой-либо звездой в миллиарды миллиардов раз больше, чем в случае, если бы галактическую плоскость пересекала одна-единственная звезда.
Разумеется, природа столкновений неодинакова. Если бы наше Солнце встретилось со звездой, это было бы столкновение в чистом виде. Если бы Солнце встретилось с шаровидным скоплением, возможно, вообще бы не было никакого реального столкновения. Несмотря на то, что шаровидное скопление при рассмотрении с расстояния кажется наполненным звездами, оно, тем не менее, в очень значительной части – пустое пространство. Если бы Солнце наугад проходило сквозь шаровидное скопление, был бы только один шанс из триллиона на то, что оно столкнется с отдельной звездой в этом скоплении. (Шанс небольшой, но намного больший, чем если бы Солнце проходило по окраине Галактики только с одной отдельной звездой по соседству, как оно это и делает.) Однако, хотя и маловероятно, чтобы шаровидное скопление повредило Солнце в случае столкновения или даже серьезно повлияло на окружающую среду Земли просто светом или теплом, все же был бы довольно значительный шанс, что в результате изменилась бы орбита Солнца и, вполне возможно, не к лучшему.
Вероятность возмущения увеличивается, когда столкновение становится все более, так сказать, «нос к носу», то есть когда Солнце проходит по шаровидному скоплению все ближе к центру скопления. И дело не только в том, что звезды в центре расположены гуще и увеличится шанс возмущения и возможного реального столкновения, но Солнце может тогда приблизиться к черной дыре с массой в тысячи солнц, которая может находиться в центре.
Вероятность возмущения или даже захвата может быть весьма серьезной, но в любом случае интенсивная радиация по соседству с черной дырой может положить конец жизни на Земле без воздействия на физическую структуру планеты.
Шансов на нечто подобное очень мало. Шаровидных скоплений немного, и только те, что проходят через плоскость Галактики в пределах дюжины световых лет от галактического ядра, могут представлять для нас опасность. В самом худшем случае одно или два скопления могли бы пройти на таком расстоянии, но шансы на то, что они пересекут плоскость как раз тогда, когда Солнце приблизится к этой части своей огромной орбиты, безусловно, очень малы.
К тому же опасность нашего столкновения с шаровидным скоплением является даже менее «дамокловой», чем близкое схождение с отдельной звездой. Шаровидное скопление представляет собой более заметный объект, чем звезда, находящаяся на таком же расстоянии. И если бы шаровидное скопление двигалось таким образом, что вызывало бы наши опасения, мы бы могли за миллион лет или даже более иметь об этом предупреждение.

Мини-черные дыры

Что касается столкновений с видимыми объектами, нам известно, что Солнце находится в безопасности на миллионы лет вперед. Ничто видимое не движется к нам с достаточно близкого расстояния, чтобы достичь нас в течение этого времени. Но, может быть, существуют объекты, которых мы не обнаружили и о существовании которых не знаем? Не может ли быть так, что один из них приближается и даже находится на пути к столкновению с Солнцем, не давая никакого предупреждения? Как обстоит дело с черными дырами размером с Cygnus X-1, не с гигантскими черными дырами, которые находятся в центре галактик и шаровидных скоплений и остаются там, а с черными дырами, которые размером со звезду и разгуливают по орбитам вокруг галактических центров? Разумеется, Cygnus X-1 обнаруживает свое присутствие большим количеством материи, которую поглощает у своей прекрасно видимой звезды-компаньона. Предположим, однако, что черная дыра образовалась благодаря гибели одиночной звезды, без компаньонов.
Положим, что такая черная дыра одиночной звезды имеет массу в пять раз больше, чем у Солнца, а радиус, следовательно, 15 километров. Нет звезды-компаньона, чье присутствие выдает ее; нет звезды-компаньона, которая подпитывает ее массу и создает огромную радиацию рентгеновских лучей. Могут быть только легкие струйки газа между звездами, питающие ее, а это вызовет только крохотные искорки рентгеновских лучей, которые не будут особенно заметны на расстоянии.
Подобная черная дыра могла бы находиться в пределах светового года от нас и быть слишком маленькой физически и слишком инертной радиационно, чтобы ее можно было обнаружить. Она могла бы направляться прямо на Солнце, а мы бы не знали. Мы можем не знать, пока она не окажется почти рядом, и ее гравитационное поле не вызовет некоторые неожиданные возмущения в нашей планетарной системе, или пока не обнаружат очень слабый, но неуклонно усиливающийся источник рентгеновского излучения. Тогда мы будем иметь предупреждение о конце нашего света всего за несколько лет. Даже если она пройдет по Солнечной системе без столкновения, она может внести хаос в тонко настроенную небесную механику Солнечной системы.
Насколько вероятно, что это может случиться? Скорее всего, это нереально. Нужна очень большая звезда для превращения в черную дыру, а больших звезд не очень много. В Галактике на каждые 10 000 видимых звезд возможна только одна черная дыра размером со звезду. Если имеется один шанс из 80 000, что за триллион лет обычная звезда столкнется в космосе с Солнцем, то имеется только один шанс из 800 миллионов, что с ним столкнется черная дыра размером со звезду. Это может случиться и в следующем году, но шансов почти секстиллион к одному, что этого не произойдет, и было бы совершенно глупо беспокоиться об этом.
Отчасти доводы против этих катастроф столь велики, потому что число черных дыр размером со звезду так невелико. Вместе с тем хорошо известно, что среди любого класса астрономических тел более мелкие разновидности многочисленнее, чем более крупные. А не может ли быть так, что маленькие черные дыры гораздо многочисленнее, чем большие? Маленькая черная дыра могла бы не наносить такого ущерба при ударе, как большая черная дыра, вместе с тем маленькие черные дыры могли бы принести достаточный ущерб, потому что маленькие дыры так многочисленны, что вероятность столкновения может вырасти угрожающе.
Однако в нашей Вселенной представляется маловероятным найти черные дыры, которые были бы в несколько раз меньше Солнца. Большая звезда могла бы сжаться в черную дыру под действием собственного гравитационного поля, но представляется, что не существует компрессионных сил для образования черной дыры из чего-либо меньшего, чем большая звезда.
Тем не менее это не исключает опасности. В 1974 году английский физик Стивен Хокинг предположил, что в ходе Большого взрыва вращающиеся массы материи и радиация произвели местами невероятное давление, которое в первые моменты образования Вселенной создало бесчисленные черные дыры различных масс, от звезды до крошечных объектов в килограмм и менее. Черные дыры массой меньше звезд Хокинг назвал «мини-черными дырами».
Расчеты Хокинга показали, что черные дыры не абсолютно сохраняют всю свою массу, но у материи есть возможность ускользнуть из них. Очевидно, для пар субатомных частиц имеется возможность образовываться прямо на радиусе Шварцшильда и спешить прочь в противоположных направлениях. Одна из частиц погружается обратно в черную дыру, другая сбегает. Этот постоянный побег субатомных частиц заставляет черную дыру вести себя так, словно у нее высокая температура, и медленно испаряться.
Чем менее массивна черная дыра, тем выше ее температура и тем сильнее ее тенденция к испарению. Это означает, что, когда мини-черная дыра в результате испарения сокращается, ее температура повышается и темп испарения неуклонно увеличивается до тех пор, пока остатки мини-черной дыры со взрывной силой не разлетаются и она не исчезает.
Очень маленькие мини-черные дыры не выдержали бы 15 миллиардов лет истории Вселенной и уже полностью бы исчезли. Однако, если бы у мини-черной дыры масса была побольше, для начала хотя бы с айсберг, она бы была достаточно холодной, испарялась достаточно медленно и все еще существовала. Если бы за время существования ей удалось увеличить свою массу, что, вероятно, она могла бы сделать, то она охладилась бы еще больше и продлилось бы время ее существования .
Даже если допустить исчезновение самых малых (и наиболее многочисленных) мини-черных дыр, все же может существовать очень много мини-черных дыр с массой порядка от массы маленького астероида до массы Луны. Хокинг подсчитал, что в Галактике может быть порядка трех сотен мини-черных дыр на кубический световой год. Если они придерживаются общего распределения материи, то большинство их находится в галактическом ядре. На окраине, где находимся мы, примерно тридцать мини-черных дыр на кубический световой год. В этом случае среднее расстояние между мини-черными дырами примерно в пятьсот раз больше, чем расстояние между Солнцем и Плутоном. Самая ближняя к нам мини-черная дыра может находиться на расстоянии 1,6 триллиона километров.
Но даже на этом расстоянии (очень малом по космическим меркам) имеется достаточно места для маневра, и невелика вероятность, что дыра причинит ущерб. Мини-черной дыре, чтобы нанести ущерб, нужно нанести прямой удар, в то время как для черной дыры размером со звезду этого не требуется. Черная дыра размером со звезду может миновать Солнце на существенном расстоянии, но, проходя по соседству с Солнечной системой, способна вызвать приливной эффект на Солнце, что может серьезно повлиять на его свойства. Она может также значительно возмутить орбиту Солнца с неблагоприятными последствиями; или, что касается Земли, гибельно возмутить ее орбиту.
С другой стороны, мини-черная дыра может пройти по Солнечной системе вообще без какого-нибудь заметного влияния на Солнце, крупные планеты и спутники. Насколько нам известно, некоторое количество мини-черных дыр проскользнуло мимо нас, а несколько, может быть, двигаются среди планет, не причиняя нам никакого вреда.
Однако что случится, если мини-черная дыра и впрямь попадет в Солнце? Что касается ее массы, то, насколько можно судить, это не оказало бы на него серьезного воздействия. Даже если бы мини-черная дыра имела массу Луны, она составила бы только 1/26 000 000 массы Солнца, приблизительно то, что для вас десятая часть капли воды.
Но масса – это еще не все, что имеет значение. Если бы Луна направилась на столкновение с Солнцем, то, если бы она не двигалась очень-очень быстро, она бы испарилась еще до попадания в Солнце. Даже если бы часть ее и сохранилась ко времени столкновения, она бы не проникла очень глубоко, не превратившись в пар.
Мини-черная дыра, однако, не превращалась бы в пар и не испытывала бы на себе в каком-либо смысле воздействия Солнца. Она бы просто пряталась, поглощала по пути массу, вырабатывая огромную энергию. Она бы росла всю дорогу и прошла бы сквозь Солнце, представляя собой на выходе гораздо более крупную мини-черную дыру, чем на входе.
Что это может повлечь за собой для Солнца, сказать очень трудно. Если бы мини-черная дыра нанесла скользящий удар и просто прошла через верхние слои Солнца, эффект мог бы и не быть губительным. Однако, если бы мини-черная дыра нанесла удар Солнцу в лоб и пробилась бы через его центр, это подорвало бы тот регион Солнца, в котором происходят ядерные реакции и вырабатывается солнечная энергия.
Что бы тогда произошло, я не знаю; это зависело бы от того, как скоро Солнце «вылечит» себя. Возможно, производство энергии было бы нарушено, и, прежде чем оно бы возобновилось, Солнце бы совсем обессилело или взорвалось. Если это случится сравнительно неожиданно и скоро, в обоих случаях это будет для нас полной катастрофой.
Наконец, предположим, что мини-черная дыра ударит по Солнцу со скоростью, относительно него сравнительно невысокой. Сопротивление, которое она встретит, проходя через материю Солнца, может замедлить, остановить ее, но, оставаясь в пределах Солнца, она опустится к его центру.
Что же тогда? Не будет ли она постепенно поглощать материю Солнца изнутри? Если так, снаружи для нас это будет незаметно. Солнце сохранит свою массу и свое гравитационное поле неизменными; планеты продолжат двигаться по своим невозмущенным орбитам; Солнце будет излучать свою энергию, словно ничего не происходит. Однако, несомненно, в какой-то критической точке для поддержания Солнца в его настоящей форме материи окажется недостаточно. Оно целиком провалится в черную дыру с излучением огромного количества губительной радиации, которая уничтожит всю жизнь на Земле. Или, даже если мы представим себе, что каким-то образом переживем губительное действие радиации, Земля тогда будет вращаться вокруг черной дыры, поглотившей всю массу Солнца (так, что орбита Земли останется без изменения), которая станет так мала, что ее нельзя будет увидеть, а о радиации нечего и говорить. Температура Земли упадет почти до абсолютного нуля, и это уничтожит нас.
А не могло ли быть так, что мини-черная дыра попала в Солнце миллион лет назад и с тех пор продолжает действовать? Не может ли Солнце без всякого предупреждения вдруг разрушиться?
Мы не можем произнести категорическое «нет», но давайте вспомним, что даже при том количестве мини-черных дыр, которое насчитал Хокинг, шансов попасть в Солнце очень мало, шансов для смертельных ударов по центру Солнца еще меньше, шансов ударить по Солнцу со скоростью относительно него такой малой, что это позволит мини-черной дыре поглотить его, – еще меньше. К тому же расчеты Хокинга представляют нам разумный максимум. Вполне вероятно, что мини-черных дыр гораздо меньше, может быть, даже значительно меньше. А это бы еще значительней снизило шансы.
Собственно, кроме расчетов Хокинга, иных призраков мини-черных дыр вообще нет. Практически мини-черных дыр никто не обнаружил, не было зафиксировано и никакого явления, которое можно было бы объяснить мини-черными дырами. (Даже существование таких черных дыр размером со звезду, как Cygnus X-1, связано со свидетельством, которое еще не убедило всех астрономов.) Много информации о Вселенной еще нужно приобрести до того, как мы установим реальную вероятность этого вида катастроф, но все же мы можем быть уверены, что она не в пользу катастроф. В конце концов, Солнце просуществовало пять миллиардов лет без разрушений, и нам также не случалось наблюдать какой-нибудь звезды, вдруг подмигнувшей нам так, словно ее наконец поглотила добравшаяся до ее центра мини-черная дыра.

Антиматерия и свободные планеты

Одиночная черная дыра – не единственный объект во Вселенной, который мог бы добраться до нас. Существует еще один вид объектов, который почти столь же опасен, но чье существование еще более проблематично.
Обычная материя вокруг нас состоит из крошечных ядер, окруженных электронами. Ядра образованы из двух видов частиц, протонов и нейтронов, каждый из которых несколько больше чем в 1800 раз превышает массу электрона. Таким образом материя вокруг нас состоит из трех типов субатомных частиц: электронов, протонов и нейтронов.
В 1930 году Поль Дирак (тот, который первым предположил, что гравитация может со временем ослабевать) дал теоретическое обоснование существования «античастиц». Мол, должна существовать, например, такая же частица, как электрон, но несущая противоположный электрический заряд. В то время как электрон несет отрицательный электрический заряд, его античастица должна нести положительный. Два года спустя американский физик Карл Дэвид Андерсон (р. 1905) действительно обнаружил этот положительно заряженный электрон. Он был назван «позитрон», хотя о нем также можно говорить как об «антиэлектроне».
В свое время были также открыты «антипротон» и «антинейтрон». В то время как протон несет положительный заряд, антипротон несет отрицательный. Нейтрон не несет заряда, не несет заряда и антинейтрон, но они противоположны по другим своим свойствам. Антиэлектрон, антипротон и антинейтрон могут сойтись вместе и образовать «антиатомы», а те могут превратиться в «антивещество» или «антиматерию».
Если антиэлектрон встретится с электроном, произойдет аннигиляция, то есть они уничтожат друг друга, свойства одного аннулируют противоположные свойства другого, а масса обоих преобразуется в энергию в форме гамма-лучей. (Гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но имеют более короткие волны и, следовательно, более активны.) Точно таким же образом аннигилируют друг друга антипротон и протон, а также антинейтрон и нейтрон. В общем, антиматерия может аннигилировать эквивалентную массу материи, если они встретятся друг с другом.
Количество энергии, высвобождающейся в подобной «взаимной аннигиляции», огромно. Водородный синтез, производящий взрыв водородной бомбы и питающий энергию звезд, преобразует в энергию около 0,7 процента участвующего в реакции вещества. Взаимная аннигиляция же преобразует в энергию 100 процентов вещества. Таким образом, бомба вещество-антивещество была бы в 140 раз мощнее водородной бомбы такой же массы.
Это имеет значение еще в одном аспекте: энергию возможно преобразовать в вещество, в материю. Однако поскольку для образования энергии требуется совместить частицу и античастицу, постольку преобразование в материю производит как частицу, так и соответствующую ей античастицу. Кажется, от этого никуда не деться.
В лаборатории физик может изготовить за один раз всего несколько частиц и античастиц, но в период после Большого взрыва энергия была преобразована в вещество в количестве, достаточном для образования целой Вселенной. Однако, если это было так, антиматерия должна была образоваться в таком же количестве. Поскольку это должно быть так, где же находится эта антиматерия?
На планете Земля существует только одна материя. Несколько античастиц могут быть созданы в лаборатории или существуют в космических лучах, но их количество ничтожно, и отдельные античастицы почти сразу же, как только встречаются с эквивалентными частицами, исчезают при взаимной аннигиляции, выделяя гамма-лучи.
Игнорируя эти незначительные случаи, мы можем сказать, что Земля вся состоит из материи – и это тоже неплохо. Если бы я был наполовину из материи и наполовину из антиматерии, то одна половина тотчас бы аннигилировала другую, и не было бы никакой Земли, а только один обширный огненный шар гамма-лучей. Собственно, совершенно ясно, что вся Солнечная система, вся Галактика, даже все локальные скопления являются материей. Иначе мы бы обнаружили гораздо большее образование гамма-лучей, чем мы наблюдаем.
А быть может, некоторые галактические скопления являются материей, а некоторые – антиматерией? Быть может, во времена Большого взрыва образовались две вселенные, одна из материи, другая из антиматерии? Мы не знаем. Где антиматерия – это пока что нерешенная загадка. Если тем не менее существуют как галактические скопления, так и антигалактические скопления, то каждое сохраняет свою целостность, потому что расширяющаяся Вселенная держит их в отдельности на все больших и больших расстояниях.
Не может ли тогда быть так, что в результате того или иного случайного события часть антиматерии будет выброшена из антигалактического скопления и в конце концов попадет в галактическое скопление, или, наоборот, материя, выброшенная из галактического скопления, в конце концов попадет в антигалактическое скопление?
Антизвезда в нашей Галактике не могла бы быть признана таковой только по ее виду, вокруг нее должен был бы быть хороший межзвездный вакуум. Но даже тогда она бы испускала гамма-лучи, так как частицы материи в космосе реагировали бы с частицами антивещества, испускаемыми звездой, и две группы частиц претерпевали бы взаимную аннигиляцию. Никаких подобных явлений пока не наблюдалось, но могут быть и в нашей Галактике более мелкие тела, более многочисленные и легче выбрасываемые, чем крупные, – объекты размером с планету или астероид, которые являются антивеществом.
Не может ли какой-нибудь из них попасть в Солнце без предупреждения? В конечном счете, подобный объект слишком мал, чтобы увидеть его на большом расстоянии. Но даже если и можно было бы его увидеть вряд ли возможно признать его антивеществом до того, как произойдет попадание.
Тем не менее нет особых причин волноваться по этому поводу. Мы пока не располагаем свидетельствами, что ощутимых размеров глыбы антивещества странствуют по нашей Галактике. К тому же для их попадания в Солнце шансов не больше, чем для мини-черных дыр.
И даже если подобная капля антивещества попадет в Солнце, урон, нанесенный ею, безусловно, будет более ограничен, чем в случае попадания в него мини-черной дыры эквивалентной массы. Мини-черная дыра перманентна и может расти за счет Солнца; глыба антивещества не может сделать ничего более, как аннигилировать часть Солнца, равную своей массе, и затем исчезнуть.
Остается все же еще третий класс объектов, которые могут оказаться по соседству с Солнечной системой, и вместе с тем их нельзя увидеть задолго до их приближения. Это не черные дыры, не антивещество, а вполне обычные объекты, которые избежали нашего внимания просто потому, что они малы.
Мы можем обосновать их существование следующим.
Я уже упоминал о том, что в любом классе астрономических тел число мелких членов класса превышает число крупных членов. Таким образом, мелкие звезды многочисленнее крупных.
Звезды, примерно равные по размеру Солнцу (которое является звездой средней величины), составляют только 10 процентов всех звезд, которые мы видим. Гигантских звезд с массой, раз в пятнадцать превышающей массу Солнца, намного меньше. Существует сотня подобных Солнцу звезд на каждую звезду-гигант. С другой стороны, мелкие звезды с массой в половину массы Солнца и менее составляют три четверти звезд Вселенной, насколько можно судить по их распространенности в нашем окружении (Такие мелкие звезды трудно различимы, их не видно на больших расстояниях. Следовательно, мы получаем верное представление об их распространенности только при изучении нашего близкого окружения, где они достаточно близко, чтобы их увидеть. На больших расстояниях мы видим только крупные звезды и получаем неверное представление о составе Вселенной).
Тело, составляющее всего лишь около одной пятой массы нашего Солнца, обладает вполне достаточной массой, чтобы разрушить в своем центре атомы и начать ядерную реакцию. Такое тело едва нагревается до красного каления и может быть еле заметным даже на довольно малых звездных расстояниях.
Все же нет причины думать, что существует некий нижний предел в образовании таких объектов, и что этот нижний предел совпадает с массой, при которой начинаются ядерные реакции. Возможно, существует некоторое количество сформировавшихся «субзвезд», тела которых слишком малы, чтобы в их центре началась ядерная реакция, или она начинается, но степень разогрева не достигает красного каления.
Мы могли бы считать их планетами, если бы они были частью Солнечной системы, и, возможно, именно так нам и следует их рассматривать – как планеты, которые образовались самостоятельно и, не обязанные верностью никакой звезде, самостоятельно вращаются вокруг галактического ядра.
Очень вероятно, что подобные «свободные планеты» могут быть сформированы в гораздо больших количествах, чем сами звезды, и могут быть вполне обычными объектами – и все же оставаться невидимыми для нас, как оставались бы невидимыми планеты нашей Солнечной системы, такие близкие, не отражай они свет находящегося рядом Солнца.
Каковы же тогда шансы, что одна из этих свободных планет войдет в Солнечную систему и произведет разгром?
Самые крупные свободные планеты должны быть распространены по крайней мере так же часто, как самые мелкие звезды, но, учитывая обширность межзвездного пространства, это все-таки не настолько часто, чтобы шансы их встречи с нами были велики. Более мелкие свободные планеты должны быть более многочисленны, а совсем мелкие еще более многочисленны. Отсюда следует, что чем меньше такой объект, тем больше его шансы на встречу с Солнечной системой.
Вполне возможно, что вторжение в Солнечную систему свободных планет размером с астероид гораздо более вероятно, чем вторжение проблематично существующих черных дыр или антиматерии. Но, вместе с тем, свободные планеты намного менее опасны, чем любой из двух упомянутых объектов. Мини-черные дыры неопределенно долго поглощали бы материю, поражая Солнце, тогда как антиматерия аннигилировала бы материю. Свободные планеты, состоящие из обычной материи, просто бы испарились.
Если бы нам стало известно об астероиде, находящемся на пути к столкновению с Солнцем, мы, возможно, не сумели бы определить, вторгся ли он из межзвездного пространства или это один из наших местных объектов, которого мы до той поры случайно не замечали, или, может быть, объект, орбита которого возмущена в ходе столкновения.
Возможно, такие вторгающиеся объекты проходили через Солнечную систему бесконечно много раз и не нанесли никакого ущерба. Также и те мелкие объекты внешней Солнечной системы с подозрительно неправильными орбитами предположительно могут быть свободными планетами, захваченными в пути. К ним можно отнести внешний спутник Нептуна – Нереиду, внешний спутник Сатурна – Феб и любопытный, открытый в 1977 году объект – Хирон, который вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, лежащей между орбитами Сатурна и Урана.
Насколько нам известно, в сущности, Плутон и его спутник (последний открыт в 1978 году) могут быть крошечной, независимой «солнечной системой», которая была захвачена Солнцем. Подтверждение этого сделало бы необычный наклон и эксцентриситет орбиты Плутона менее удивительными.

Остается еще один возможный вид столкновений – столкновений с объектами в межзвездном пространстве: встречи с объектами настолько мелкими, как частички пыли или отдельные атомы. Межзвездные облака такой пыли и газа обычны в космосе, и Солнце не только может «сталкиваться» с подобными объектами, но, несомненно, не раз так и делало. Воздействие на Солнце этих столкновений незначительно, но для нас это не вполне так. Впрочем, это предмет, к которому я обращусь в книге позднее, при более подходящем случае.

6. Смерть Солнца

Источник энергии

Возможные катастрофы второго класса из-за вторжения в Солнечную систему объектов извне не являются следствием чего-то определенного. Вероятность их в некоторых случаях столь мала, что для нас гораздо более вероятно попасть в катастрофу первого класса, такую, например, как образование нового космического яйца. В других случаях, когда вторжения представляются более вероятными, они обладают ничтожным для Солнца потенциалом.
Значит ли это, что нам совершенно не угрожает катастрофа второго класса? Можем ли мы заключить, что наше Солнце навечно в безопасности или по крайней мере в безопасности, пока существует Вселенная?
Отнюдь не так. Даже если исключить вторжения извне, есть основания полагать, что Солнце не в безопасности и что катастрофа второго класса, включая целостность самого Солнца, не только возможна, но и неизбежна.
В донаучные времена Солнце широко почиталось милосердным богом, от дружеского света и тепла которого зависело человечество и вообще вся жизнь. Его движение на небесах внимательно прослеживалось. Было установлено, что его путь по небу неуклонно поднимался вверх, пока не достигал пика 21 июня (летнее солнцестояние в Северном полушарии). Потом он опускался вниз неба вплоть до 21 декабря (зимнее солнцестояние), и затем цикл повторялся.
Даже доисторическая культура, по-видимому, знала способы проверки положения Солнца со значительной точностью; представляется, например, что камни Стоунхенджа расставлены так, чтобы, помимо прочего, отмечать время летнего солнцестояния.
Естественно, до того как была понята истинная природа движения и местоположения Земли, не могло не возникать опасений, что Солнце, достигнув зимнего солнцестояния, может не повторить своего цикла и, продолжая опускаться, исчезнет совсем, и приведет все живое к гибели. Именно так, как «Фимбулвинтер» (суровая зима – исландок.), предвещают конец света скандинавские мифы: Солнце исчезнет, и начнется ужасный период темноты и холода, который продлится три года, а после него наступит Рагнарек и конец. Даже в более солнечных краях, где вера в вечную милость Солнца была, естественно, значительно сильнее, время зимнего солнцестояния, когда Солнце переставало опускаться, поворачивалось и начинало поднимать свой путь по небу, опять же было поводом к выражению чувства облегчения.
Лучше всего нам с древних времен известно празднование солнцестояния у римлян. Римляне верили, что их бог сельского хозяйства – Сатурн правил миром во времена древнего золотого века богатых урожаев и обилия пищи. Тогда неделя зимнего солнцестояния с ее обещанием возвращения лета и золотого времени сатурновского сельского хозяйства праздновалась как «Сатурналии» с 17 по 24 декабря. Это был период бесконечного веселья и радости. Всякие работы прекращались, и ничто не нарушало торжества, направо и налево раздавались подарки. Это была пора братства, слуги и рабы получали на время свободу, и в дни празднества им разрешалось присоединяться к хозяевам.
Сатурналии не исчезли. По мере усиления христианства в Римской империи оно отказалось от надежды отменить веселье при возрождении Солнца. Поэтому некоторое время спустя после 300 года нашей эры христианство поглотило это празднество с помощью произвольного объявления 25 декабря днем рождения Иисуса (на что нет абсолютно никаких библейских доказательств). Празднование рождения Солнца было таким образом превращено в празднование рождения Сына (В оригинале игра слов: sun – Солнце и son – сын, которые произносятся одинаково.).
Естественно, христианское мышление не могло позволить отождествить Бога с каким-либо определенным объектом в обозримой Вселенной, так что Солнце было смещено со своего божественного положения. Смещение, тем не менее, было минимальным. Солнце оставалось прекрасным средоточием небесного света, неизменным и вечным, до тех пор пока Бог, вызвавший его к жизни на четвертый день творения, не соблаговолит положить ему конец. Пока оно существовало, оно, в своем сиянии и в своем неизменном совершенстве, было наиболее очевидным, зримым символом Бога.
Первым вторжением науки в этот мифический образ Солнца было открытие Галилеем в 1609 году солнечных пятен. Его наблюдения определенно свидетельствовали о том, что пятна эти были частью солнечной поверхности, а не облаками, затемняющими его поверхность. Солнце, уже больше не совершенное, вызывало и нарастающие сомнения в его вечности. Чем больше ученые узнавали об энергии на Земле, тем больше они задумывались об источнике энергии Солнца.
В 1854 году Гельмгольц, немало сделавший для утверждения закона сохранения энергии, представлял себе, насколько важно установить источник энергии Солнца, иначе закон сохранения мог не иметь силы. Одним из источников, который казался ему приемлемым, было гравитационное поле. Солнце, как он предполагал, постоянно сжимается под влиянием своей гравитации, и энергия этого направленного внутрь движения-падения всех его частей преобразуется в радиацию. Если это так и если энергетический источник Солнца конечен (а было ясно, что так оно и есть), тогда и у Солнца должны быть начало и конец (Конечно, если закон сохранения энергии имеет место, любой источник снабжения Солнца энергией должен когда-нибудь истощиться. Следовательно, закон сохранения энергии означает, что Солнце должно было родиться и оно должно умереть; иными словами, было время, когда Солнце не было знакомым нам объектом настоящего, и настанет время, когда Солнце больше не будет знакомым нам объектом настоящего. Все, что подлежит обсуждению, – это детали процесса.).
Вначале, по мнению Гельмгольца, Солнце было очень тонким облаком газа, и его медленное сжатие в еще не очень интенсивном гравитационном поле давало лишь немного лучистой энергии. Только с продолжением сжатия, когда гравитационное поле, оставаясь неизменным по общей силе, концентрировалось в меньшем объеме и, следовательно, становилось более интенсивным, а сжатие было быстрым, Солнце стало производить энергию такого вида, с которым мы знакомы.
Около 25 миллионов лет назад Солнце сжалось до диаметра 300 миллионов километров, и лишь после этого оно сжалось до размера меньше, чем орбита Земли. Тогда в какой-то момент, менее чем 25 миллионов лет назад, могла образоваться Земля.
В будущем Солнцу предстоит умереть, потому что в конце концов оно не сможет больше сжиматься, а значит, источник его энергии будет исчерпан, и оно больше не станет излучать энергию, но остынет и превратится в холодное, мертвое тело, что определенно будет и финальной катастрофой для нас. Учитывая, что Солнцу потребовалось 25 миллионов лет на то, чтобы сжаться от размера орбиты Земли до его настоящего размера, можно предположить, что оно сойдет на нет примерно через 250 000 лет, и это будет все время, оставшееся для существования жизни на Земле.
Геологи, изучая изменения земной коры, убеждались в том, что Земля должна быть старше 25 миллионов лет. Биологи, изучая изменения в процессе биологической эволюции, тоже убеждались в этом. Однако отказаться от аргументации Гельмгольца значило отвергнуть закон сохранения энергии или надо было найти новый, более мощный источник энергии для Солнца. Именно вторая альтернатива спасла положение. Новый источник энергии был найден.
В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл радиоактивность, и вскоре обнаружилось, что существует неожиданный и огромный резерв энергии в ядре атома. Если бы Солнце могло как-то использовать этот резерв, то не было бы необходимости предполагать, что оно все время сжимается. Оно могло бы излучать энергию за счет распада атомов в течение продолжительного времени без значительного изменения своего размера.
Просто говорить, что Солнце (и, таким образом, вообще все звезды) обладает атомной энергией, само по себе не убедительно. Но ядерная ли энергия делает Солнце Солнцем?
Еще в 1862 году шведский физик Андерс Йонас Ангстрем (1814–1874) спектроскопически обнаружил в Солнце водород. Постепенно стало известно, что этот самый простой из всех элементов очень распространен в Солнце. В 1929 году американский астроном Генри Норрис Рассел (1877–1957) доказал, что Солнце в основном и состоит из водорода. Теперь мы знаем, что оно на 75% состоит из водорода и на 25% из гелия (второй простейший элемент), причем более сложные атомы присутствуют только в небольших долях процента. Из этого ясно лишь то, что если на Солнце происходят ядерные реакции, являющиеся источником его лучистой энергии, то эти реакции должны быть связаны с водородом и гелием. Ничего больше в достаточном количестве там нет.
Между тем в начале 20-х годов английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) установил, что температура в центре Солнца составляет миллионы градусов. При такой температуре атомы расщепляются, электронная оболочка разлетается и обнаженные ядра могут ударяться друг о друга с такой силой, что начинается ядерная реакция.
Солнце действительно началось с разреженного облака пыли и газа, как и предполагал Гельмгольц. Оно действительно медленно сжималось, выделяя в процессе сжатия лучистую энергию. Тем не менее, когда оно сжалось до размера, близкого к настоящему, когда стало достаточно горячим, чтобы положить начало ядерным реакциям, оно засверкало в настоящем смысле этого слова. И как только это произошло, оно длительное время сохраняет свой размер и свою лучистую интенсивность.
Наконец, в 1938 году американский физик немецкого происхождения Ганс Альберхт Бете (р. 1906), используя лабораторные данные относительно ядерных реакций, сделал вывод о природе реакций, которые имеют место внутри Солнца и производят энергию. Это – сложное преобразование ядер водорода в ядра гелия («водородный синтез») через ряд вполне определенных этапов.
Водородный синтез производит достаточное количество энергии, чтобы сохранить сияние Солнца в его настоящем виде в течение длительного времени. Астрономы теперь убеждены в том, что Солнце в настоящем своем виде сияет в течение примерно 5 миллиардов лет. И действительно теперь считают, что Земля, Солнце и Солнечная система в настоящем их виде существуют примерно 4 миллиарда лет. Это по времени соответствует тем имеющим место изменениям, которые наблюдают геологи и биологи.
Это также означает, что Солнце, Земля и Солнечная система в целом могут продолжать существовать (при отсутствии вмешательства извне) еще в течение миллиардов лет.

Красные гиганты

Хотя ядерная энергия поддерживает излучение Солнца, это не может продолжаться вечно. Энергетического запаса хватит еще на миллиарды лет, но в конце концов он должен иссякнуть.
До 40-х годов предполагалось, что каким бы ни был источник энергии Солнца, постепенное истощение этого источника приведет к тому, что Солнце охладится, под конец станет тусклым и совсем потемнеет, а Земля замерзнет в бесконечной Фимбулвинтер.
Однако возникли новые методы изучения эволюции звезд, и эта катастрофа холода оказалась неадекватной картиной конца.
Звезда находится в равновесии. Ее собственное гравитационное поле порождает тенденцию к сжатию, в то же время тепло ядерных реакций внутри нее порождает тенденцию к расширению. Одно уравновешивает другое, и поскольку ядерные реакции продолжаются, равновесие поддерживается, и звезда визуально остается неизменной.
Чем массивней звезда, тем сильнее ее гравитационное поле и сильнее тенденция к сжатию. Чтобы такая звезда сохраняла свой объем, она должна подвергаться ядерным реакциям в большем темпе, развивая более высокую температуру, необходимую для уравновешивания сильной гравитации.
Следовательно, чем массивней звезда, тем более горячей должна она быть и тем скорее она должна израсходовать свое ядерное топливо – водород. Начнем с того, что более массивная звезда содержит водорода больше, чем звезда менее массивная. Рассматривая все более и более массивные звезды, мы заметим, что топливо, которое необходимо тратить для уравновешивания гравитации, должно сгорать значительно быстрее, чем возрастает наличие водорода. Это означает, что более массивная звезда использует свой больший водородный запас быстрее, чем менее массивная звезда использует свой меньший запас водорода. Короче, чем массивней звезда, тем быстрее она расходует свое топливо и тем быстрее она проходит различные стадии своей эволюции.
Предположим тогда, что мы изучаем скопления звезд – не шаровидные скопления, которые содержат так много звезд, что отдельные звезды неудобно изучать, а «открытые скопления», в которых только от нескольких сотен до нескольких тысяч звезд, разбросанных достаточно далеко друг от друга, чтобы позволить их индивидуальное изучение. Существует около тысячи таких скоплений, видимых в телескоп, а некоторые, такие, как Плеяды, достаточно близки, так что более яркие из звезд видны невооруженным глазом.
Все звезды в открытом скоплении, предположительно, сформировались приблизительно в одно время, из единого обширного облака пыли и газа. Из этой общей отправной точки, тем не менее, более массивные продвинулись бы дальше по пути эволюции, чем менее массивные, и на этом пути мог бы быть получен весь спектр позиций. Путь этот будет обозначен, если температуры и полные яркости расположить по отношению масс. Для того чтобы понять, что происходит внутри звезды, астрономы в качестве гида могут использовать свои возрастающие знания относительно ядерных реакций.
Оказывается, хотя звезда в конечном счете остывает, она проходит через длительный период, в течение которого она на самом деле становится горячее. Когда в недрах звезды водород преобразуется в гелий, ее внутренность становится все богаче гелием и поэтому более плотной. Возрастающая плотность усиливает гравитационное поле внутренности, она сжимается и вследствие этого становится горячее. По этой причине постепенно полностью нагревается и вся звезда, так что, в то время как центр сжимается, вся звезда в целом слегка расширяется. Со временем центр становится настолько горячим, что могут иметь место новые ядерные реакции. Ядра гелия внутри него начинают комбинироваться и образовывать новые более сложные ядра более тяжелых элементов, таких как углерод, кислород, магний, кремний и тому подобные.
И вот в центре внутренности становится настолько горячо, что равновесие полностью нарушается в сторону расширения. Вся звезда в целом начинает увеличиваться в ускоренном темпе. Когда она расширяется, общая энергия, излучаемая звездой, увеличивается, но эта энергия распространяется по более обширной поверхности, которая увеличивается в размере даже еще быстрее. Следовательно, температура любой части быстро увеличивающейся поверхности снижается. Поверхность охлаждается до такого уровня, что она накаляется лишь докрасна, вместо того чтобы накаляться добела, как в молодости звезды.
Результатом является «красный гигант». В небе сейчас существуют такие звезды. Звезда Бетельгейзе в Орионе – один пример, Антарес в Скорпионе – другой.
Рано или поздно все звезды доходят до стадии «красного гиганта», причем более массивные звезды совершают это раньше, менее массивные – позже.
Есть звезды настолько огромные, массивные и сверкающие, что они останутся в стадии стабильного синтеза водорода (обычно называемой «главной последовательностью») менее миллиона лет, а затем раздуются в красный гигант. Другие же звезды настолько маленькие, с небольшой массой и тусклые, что будут оставаться в главной последовательности до двухсот миллиардов лет, прежде чем станут красными гигантами.
Размер красных гигантов также зависит от массы. Чем массивнее звезда, тем до большего объема она раздувается. По-настоящему массивная звезда раздувалась бы до диаметра во много сотен раз больше нынешнего диаметра нашего Солнца, в то время как маленькие звезды раздувались бы до диаметра только в несколько раз больше его диаметра.
Где же на этой шкале место нашему Солнцу? Солнце – это звезда средней массы и, значит, имеет период жизни в главной последовательности средней продолжительности. Оно в конечном счете станет красным гигантом среднего размера. Для звезды с массой Солнца общая длительность времени, которое она проведет в главной последовательности, спокойно и непрерывно синтезируя водород, составляет примерно 13 миллиардов лет. Солнце уже находится в главной последовательности почти 5 миллиардов лет, и это означает, что в его распоряжении осталось немного более 8 миллиардов лет. В течение всего этого времени Солнце (как и любая звезда) медленно разогревается. В последний миллиард лет его главной последовательности разогрев Достигнет такого значения, что Земля окажется слишком горячей для жизни. Следовательно, мы можем заглядывать вперед самое большее на 7 миллиардов лет, в течение которых будет существовать достойное Сатурналий, дающее жизнь Солнце.
Несмотря на то, что 7 миллиардов лет совсем не короткий период, это гораздо более короткий период, чем тот, который может пройти до наступления катастрофы первого класса.
Время, когда Солнце начнет переходить в стадию красного гиганта и жизнь на Земле станет невозможной, может спокойно продлиться почти триллион лет до следующего космического яйца. Так что пребывание Солнца в главной последовательности составляет менее одного процента жизни Вселенной – от космического яйца до космического яйца.
К тому времени, когда Земля больше не будет подходящим местом для жизни (после того как она прослужила в этом качестве в продолжение примерно 10 миллиардов лет), Вселенная в целом не будет намного старее, чем сейчас, и много будущих поколений звезд и планет, еще не родившихся, сыграют свою роль в космической драме.
Если предположить, что человечество все еще будет существовать спустя 7 миллиардов лет от нашего времени (отнюдь не плохое предположение, конечно), то оно вполне может постараться избежать этой чисто локальной катастрофы и продолжить оккупацию невозмутимо процветающей Вселенной. Избежать этого будет не так-то просто, ведь, безусловно, на Земле нигде не будет убежища. Когда Солнце достигнет пика своего красного гигантизма, его диаметр станет более чем в 100 раз больше его теперешнего диаметра, так что и Меркурий, и Венера будут поглощены его расширившейся материей. Земля может остаться не поглощенной массой Солнца, но даже если она избежит этого, то вполне вероятно, что огромное тепло, которое она получит от гигантского Солнца, испарит ее.
Однако не все потеряно. Во всяком случае налицо заблаговременное предупреждение. Если человечество переживет эти миллиарды лет, в течение этих миллиардов лет оно будет знать, что ему надо как-то планировать спасение. Поскольку технологическая компетенция человечества возрастает (учитывая, насколько далеко оно продвинулось за последние двести лет, можно представить себе, как далеко оно может продвинуться за 7 миллиардов лет), спасение может стать возможным.
Когда Солнце расширится, внутренняя солнечная система будет опустошена, но гигантские планеты внешней солнечной системы вместе с их спутниками пострадают меньше. На самом деле, с человеческой точки зрения, они даже могут испытать изменения к лучшему. Человечество может оказаться в состоянии затратить время, приложить свои силы и умение, чтобы переустроить некоторые из крупных спутников Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна и сделать их подходящими для жизни. (Этот процесс иногда называют «терраобразованием».) Будет масса времени для расселения. За время, когда расширение Солнца начнет ускоряться, и Земля начнет проходить финальную выпечку в необратимую пустыню, человечество может прижиться на дюжине внешних миров Солнечной системы, на таких спутниках Юпитера, как Ганимед и Каллисто, и, возможно, на спутниках самого Плутона. Там люди могут быть согреты большим красным Солнцем, но не перегреты, конечно. Действительно, с Плутона солнечный красный гигант не будет выглядеть намного большим, чем сейчас Солнце на небе Земли.
Кроме того, люди, вероятно, смогут разместить в космосе искусственные структуры, создать на них экологически завершенные самостоятельные поселения, способные вместить от десяти тысяч до десяти миллионов человек. И это не обязательно будет результатом деятельности миллиардов лет, поскольку налицо все признаки того, что мы располагаем технологическими воз можностями строить такие поселения уже сейчас и через какие-нибудь несколько веков могли бы заполнить ими небо. На пути стоят только политические, экономические и психологические факторы (но это достаточно большое «только»).
Таким образом, катастрофы можно будет избежать, и человечество сможет продолжать жить в новых мирах как естественных, так и искусственных (К 1998 году у некоторых звезд обнаружено существование планетарных систем. В определенных кругах это вызвало новые толки о возможности существования жизни на этих планетах, внеземных цивилизаций. Все это, конечно, очень проблематично, но если уж говорить о расселении человечества в космосе, то почему бы наряду с иными космическими поселениями не принимать в расчет подобные планеты?).
Во всяком случае до поры до времени.

Белые карлики

– Когда водородный синтез больше не является источником звездной энергии, звезда может существовать как большой объект в продолжение только сравнительно короткого дополнительного времени. Энергия, получаемая посредством синтеза гелия в более тяжелые ядра, а от них к еще более тяжелым, достигает в общей сложности не более 5 процентов полученной от водородного синтеза. Способность красного гиганта сохраняться расширенным, противодействуя силе гравитации, поэтому подрывается. Звезда начинает гибнуть.
Время жизни красного гиганта и природа его гибели зависят от массы звезды. Чем больше масса, тем быстрее красный гигант использует путем синтеза последние остатки имеющегося у него запаса энергии, тем короче будет жизнь этой звезды. Кроме того, чем больше масса, тем больше и интенсивнее гравитационное поле и, следовательно, быстрее происходит сжатие.
Когда звезда сжимается, в ее внешних слоях, где ядерные реакции не происходили и где водород, следовательно, остался нетронутым, сохранилось еще значительное его количество. Сжатие нагревает всю звезду (теперь не ядерная, а гравитационная энергия преобразуется в тепло по Гельмгольцу), и во внешних слоях начинается водородный синтез. Процесс сжатия таким образом совпадает с ярким блеском внешних слоев.
Чем массивнее звезда, тем быстрее сжатие, тем более интенсивно нагревание внешних слоев, тем больше имеется водорода для синтеза и тем быстрее он синтезируется – и тем более разительны результаты. Другими словами, маленькая звезда сжималась бы спокойно, а большая, подвергаясь достаточно сильному синтезу в своих наиболее внешних частях, отправит немалую долю своего внешнего слоя в космос, делая это более или менее взрывообразно, оставляя только внутренние сферы для сжатия.
Чем массивнее звезда, тем более резок этот «выпуск пара». Если звезда достаточно массивна, стадия красного гиганта завершается колоссальным взрывом, в течение которого звезда может ненадолго сверкнуть светом, во много миллиардов раз более ярким, чем свет обычной звезды, короткой вспышкой, равной свету целой галактики невзрывающихся звезд. Это так называемая «сверхновая». В ходе такого взрыва до 95 процентов вещества звезды может вырваться в открытый космос. Остальное будет сжиматься.
Что же произойдет со сжимающейся звездой, которая не взрывается, или с той частью взорвавшейся звезды, которая осталась и сжимается? Если это маленькая звезда, которая так и не нагреется в ходе сжатия достаточно для того, чтобы взорваться, она будет сжиматься До тех пор, пока не достигнет планетарного размера, причем сохранив всю или почти всю первоначальную массу. Ее накаленная добела, ярко сверкающая поверхность окажется значительно горячее, чем нынешняя поверхность нашего Солнца. Тем не менее на большом расстоянии очертания такой звезды будут неотчетливы, потому что свет излучается очень маленькой поверхностью и в целом не достигает достаточного количества. Такая звезда называется «белым карликом».
Почему же белый карлик не продолжает сжиматься? В белом карлике атомы расщеплены, и электроны, уже не образуя оболочек вокруг центральных атомных ядер, являются своего рода «электронным газом», который способен сжаться только до определенного уровня. Он сохраняет вещество звезды расширенным по крайней мере до планетарного объема и может сохранять такой объем неопределенное время.
Белый карлик очень медленно охлаждается и заканчивает свою жизнь слишком холодным для того, чтобы излучать свет, он становится «черным карликом».
Когда звезда сжимается до белого карлика, она может, если она не очень маленькая, расстаться с внешними слоями своего красного гиганта умеренным взрывом при незначительном сжатии, теряя таким образом пятую часть своей общей массы. Наблюдаемый с расстояния, такой белый карлик представляется окруженным светящимся туманом, словно кольцом дыма. Такой объект называется «планетарной туманностью», в небе их наблюдается несколько. Постепенно облако газа растекается во всех направлениях, становится расплывчатым и растворяется в разреженной материи космического пространства.
Когда звезда достаточно массивна, чтобы сильно взорваться в процессе сжатия, ее остаток, продолжающий сжиматься, может быть все еще слишком массивен (даже после потери значительной массы), чтобы сразу превратиться в белого карлика. Чем массивнее сжимающийся остаток, тем плотнее сжимается самим собой электронный газ и тем меньше белый карлик.
Наконец, если имеется достаточная масса, электронный газ может не выдержать своего собственного давления. Электроны тогда вжимаются в протоны, присутствующие в ядрах, которые блуждают в электронном газе, и образуются нейтроны. Они добавляются к нейтронам, которые уже существуют в ядрах, и тогда звезда состоит в основном из нейтронов. Звезда сжимается, пока нейтроны не придут в контакт. Результатом является «нейтронная звезда», которая величиной всего с астероид примерно десять-двадцать километров в поперечнике, но сохраняет массу полноразмерной звезды.
Если сжимающийся остаток звезды еще более массивен, даже нейтроны не способны выдержать силу гравитации. Они будут разрушены, а остаток сожмется в черную дыру.
Как же сложится судьба Солнца, после того как оно достигнет стадии красного гиганта?
Оно может остаться красным гигантом на несколько сотен миллионов лет – очень небольшой период в масштабе звездной жизни, но дающий возможность для развития цивилизации в космических поселениях на терра-образованиях во внешних мирах, – но затем Солнце станет сжиматься. Оно не будет достаточно большим для сильного взрыва, так что не будет опасности, что через день или через неделю неистовства Солнечная система очистится от жизни вплоть до орбиты Плутона и даже за ее пределами. Вовсе нет. Солнце будет просто сжиматься, оставляя около себя, самое большее, тонкую пелену своего внешнего слоя, превращающегося в планетарную туманность.
Облако вещества будет дрейфовать мимо далеких планет, на которых, как мы представили себе, в те далекие будущие времена разместятся потомки человечества. Облако не будет представлять для них особой опасности. Начнем с того, что это будет очень разреженный газ, и если, – а возможно, так оно и будет, – поселения будут расположены, так сказать, под землей или в пределах городов под куполами, то, может быть, и вообще не будет никакого вредного воздействия.
Проблемой будет сжимающееся Солнце. Как только Солнце сожмется до белого карлика (оно недостаточно массивно, чтобы образовать нейтронную звезду и, тем более, черную дыру), оно станет на небе не больше крошечной светящейся точки. Со спутников Юпитера, если люди сумеют обосноваться настолько близко к Солнцу на его стадии красного гиганта, его яркость составит лишь 1/4000 яркости Солнца, как мы его видим сейчас с Земли, и оно будет поставлять такую же часть энергии.
Если поселения людей во внешней Солнечной системе окажутся зависимыми от энергии Солнца, то, как только Солнце станет белым карликом, они не смогут получить ее в достаточном количестве. Им надо будет продвинуться к нему значительно ближе, но они не смогут этого сделать, если для этой цели им потребуется планета, ведь планеты Солнечной системы окажутся разрушенными или уничтоженными в предыдущей фазе существования Солнца, фазе красного гиганта. Служить прибежищем человечеству с наступлением этого времени смогут только искусственные космические поселения.
Когда такие поселения будут созданы впервые (может быть, в наступающем веке), они будут двигаться по орбитам вокруг Земли, используя солнечную радиацию в качестве источника энергии, а Луну – как источник большинства сырьевых материалов. Некоторые легкие элементы, которых нет в ощутимых количествах на Луне, – углерод, азот и водород – нужно будет доставлять с Земли.
Со временем будет предусмотрено создание таких космических поселений в астероидном поясе, где проще добыть эти жизненно необходимые легкие элементы, не попадая в опасную зависимость от Земли.
Может быть, когда космические поселения станут более самостоятельными и более подвижными и когда человечество яснее представит себе опасность оставаться привязанным к планетарным поверхностям ввиду перипетий, которые охватят Солнце в его последние дни, именно эти поселения могут стать предпочтительным местом проживания человечества. Вполне вероятно, что задолго до того, как встанет вопрос о том, что Солнце принесет нам какое-либо несчастье, большая часть человечества или даже все оно будет абсолютно свободно от поверхностей естественных планет и обоснуется в космосе – в мирах и окружающих средах по своему собственному выбору.
Может быть, тогда не встанет вопрос о терра-образованиях во внешних мирах для того, чтобы пережить красный гигантизм Солнца. А по мере того как Солнце будет становиться горячее, окажется достаточным соответственно приспособить орбиты космических поселений и медленно дрейфовать подальше от раздувающегося Солнца.
Это нетрудно себе представить. Орбиту такой планеты, как Земля, изменить почти невозможно, потому что у нее огромная масса и, следовательно, большая инерция и угловой момент, и найти энергию, достаточную для значительного изменения орбиты, практически невозможно. А масса Земле необходима, так как ей нужно сильное гравитационное поле, чтобы удерживать океан и атмосферу на своей поверхности и делать таким образом возможной жизнь.
В космическом поселении общая масса незначительна, по сравнению с Землей, поскольку гравитация не используется для удержания воды, воздуха и всего остального. Все это удерживается, потому что механически ограничено внешней стеной, а эффект гравитации на внутреннюю поверхность этой стены может создаваться центробежным эффектом, который создается вращением.
Таким образом, космическое поселение может изменять свою орбиту, затрачивая умеренное количество энергии, и оно может быть отодвинуто от Солнца, когда то станет нагреваться и расширяться. Теоретически оно может и приблизиться к Солнцу, когда то будет сжиматься и давать меньше энергии. Сжатие, однако, будет гораздо более быстрым, чем предшествующее расширение. Более того, все космические поселения, которые могли бы существовать на стадии красного гигантизма Солнца и двигаться к соседству с белым карликом, будут, возможно, сокращаться в объем меньший, чем бы они хотели. За миллиарды лет они могут привыкнуть к неограниченным пространствам большой Солнечной системы.
Но тогда вполне можно предположить, что задолго до наступления стадии белого карлика космические поселенцы создадут работающие на водородном синтезе силовые установки и станут независимыми от Солнца. В таком случае они могут сделать иной выбор – навсегда покинуть Солнечную систему.
Если значительное количество космических поселений покинет Солнечную систему, становясь самодвижущимися «свободными планетами», то человечество сможет освободиться от угрозы катастроф второго класса и продолжать жить (и неограниченно распространяться по Вселенной), пока не наступит стадия сжатия Вселенной в космическое яйцо.

Сверхновые

Главные доводы, почему смерть Солнца (смерть в том смысле, что оно станет совершенно другим объектом, совершенно не похожим на известное нам Солнце) не обязательно является катастрофой для рода человеческого, таковы: неизбежное расширение и последующее сжатие Солнца наступит в невообразимо далеком будущем, и люди (полагаем, они будут существовать), несомненно, разработают технологические средства для спасения; изменения надежно предсказуемы и невозможно быть застигнутыми врасплох.
А сейчас нам предстоит обсудить такие катастрофы второго класса (связанные с Солнцем или с расширяющейся звездой), которые могут застать нас врасплох, и, что еще хуже, могут произойти в ближайшем будущем, до того как у нас появится возможность разработать необходимые технологические средства защиты.
Существуют звезды, которые претерпевают катастрофические изменения, скажем, вдруг становятся более яркими или из невидимых – видимыми, а потом снова тускнеют, иногда до невидимости. Это «нова» (от латинского слова «новый»), или по-русски новые, названные так, поскольку из-за отсутствия телескопов они казались астрономам древности новыми звездами. Первые из них были упомянуты греческим астрономом Гиппархом (190–120 до н. э.).
Необычно яркие новые являются «сверхновыми», о которых мы уже упоминали, название это для них впервые применил американец швейцарского происхождения астроном Фриц Цвики (1898–1974). Первой, подвергшейся подробному обсуждению европейских астрономов, была сверхновая 1572 года.
Предположим, например, что совсем не Солнце приближается к концу своей жизни в главной последовательности, а какая-то другая звезда. Наше Солнце еще в начале среднего возраста, но какая-нибудь находящаяся поблизости звезда может оказаться уже старой и на пороге смерти. Не может ли эта сверхновая неожиданно вспыхнуть, застать нас врасплох и воздействовать на нас катастрофически?
Сверхновые редки, только одна звезда из сотни способна взорваться, как сверхновая, и лишь немногие из них находятся в финальной стадии своей жизни, а из последних еще меньшее число настолько близки, чтобы мы могли их увидеть как необычно яркие звезды. (До изобретения телескопа для обнаружения наблюдателем необычно яркой звезды нужно было, чтобы она появилась там, где до того никакой звезды не было.) И все же сверхновые, конечно, могут появиться, что в прошлом и происходило.
Одна замечательная сверхновая, которая появилась на небе в исторические времена, вспыхнула 4 июля 1054 года – несомненно, наиболее внушительный из всех фейерверков на празднике Чудесного Четвертого1, хотя до знаменательного события оставалось еще 722 года. Сверхновая 1054 наблюдалась не европейскими или арабскими астрономами, а китайскими (Астрономия в Европе была в то время в упадке, а те, кто все-таки наблюдал за небом, возможно, были слишком убеждены в греческой доктрине неизменности небесного свода, чтобы поверить собственным глазам).
Сверхновая появилась, как новая звезда, сверкающая в созвездии Тельца с таким неистовством, что превысила по яркости Венеру. На небе не было ничего яр-че новой звезды, за исключением Солнца и Луны. Она была настолько яркой, что ее можно было видеть при дневном свете, и не короткое время, а день за днем в течение трех недель. Затем она стала постепенно пропадать, но лишь почти два года спустя она стала настолько слабой, что ее уже было не различить невооруженным глазом.
На месте, где некогда китайские астрономы заметили это экстраординарное явление, сейчас существует турбулентное облако газа под названием Туманность Краба, в диаметре оно составляет 13 световых лет. Шведский астроном Кнут Лундмарк в 1921 году высказал гипотезу, что это сохранившийся остаток сверхновой 1054. Газы Туманности Краба все еще продолжают расширяться со скоростью, пересчет которой показывает, что взрыв, явившийся причиной их движения, имел место как раз примерно в то самое время, когда появилась новая звезда.
Яркость, подобная яркости сверхновой 1054, может доставить на Землю не более чем стомиллионную долю света Солнца, а этого вряд ли достаточно, чтобы каким-либо образом подействовать на людей, тем более что этот уровень продержался всего несколько недель.
Однако важна не только сумма излучения, но и его состав. Наше Солнце, например, доставляет некоторую очень активную радиацию в виде рентгеновских лучей, а сверхновая имеет гораздо больший процент своей лучистой энергии в рентгеновском спектре. То же самое относится и к космическим лучам, еще одному виду радиации высокой энергии, к которым мы вернемся позднее.
Короче, хотя свет сверхновой 1054 и был настолько слабым по сравнению с Солнцем, по мощности нанесения удара Земле рентгеновскими и космическими лучами он может соперничать с Солнцем, по крайней мере в первые недели взрыва.
Но даже в этом случае опасности не было. Хотя, как мы увидим, приток энергетической радиации может оказать вредное воздействие на жизнь, наша атмосфера защищает нас от чрезмерного ее количества, и ни сверхновая 1054, ни само Солнце не обязательно опасны для нас под защищающим одеялом нашего воздуха. И это не просто предположение. Дело в том, что Земля пронесла свой груз жизни через тот критический 1054 год без каких-либо заметных вредных последствий.
Конечно, Туманность Краба не очень близка к нам. Она находится на расстоянии примерно 6500 световых лет (Представьте себе неистовость взрыва, который мог с такого расстояния создать свет ярче, чем свет Венеры). Еще более яркая сверхновая появилась в 1006 году. По отчетам китайских наблюдателей может создаться впечатление, что она была в сотни раз ярче Венеры и составляла ощутимую часть яркости полной Луны. На нее даже существуют ссылки в нескольких европейских хрониках. Она находилась на расстоянии всего 4000 световых лет от нас.
С 1054 года было только две видимых сверхновых на нашем небе. Одна сверхновая появилась в Кассиопее в 1572 году и была почти такой же яркой, как сверхновая 1054, но находилась дальше. Наконец, была сверхновая в Змее в 1604 году, которая была значительно менее яркой, чем любая из трех, упомянутых мною, и значительно более удаленной (Для астрономов довольно огорчительно, что две сверхновые, видимые невооруженным глазом, появились всего за тридцать два года до изобретения телескопа, и с тех пор больше не было ни одной такой. Ни одной! Самая яркая сверхновая после 1604 года была сверхновая в Галактике Андромеды. Она была какое-то время почти такой яркой, что ее можно было бы увидеть невооруженным глазом, однако расстояние до Галактики Андромеды огромно.).
Некоторые из сверхновых могли иметь место в нашей Галактике и после 1604 года, но оставались невидимыми, скрытые обширными облаками пыли и газа, которые переполняют окраины Галактики. Мы можем, однако, обнаружить их остатки в виде колец пыли и газа, как в Туманности Краба, но более разреженных и широких, что может быть связано со сверхновыми, которые взорвались так, что их не увидели либо потому, что они были чем-то скрыты, либо потому, что они были слишком давно.
Несколько струй газа, отмеченных микроволновой эмиссией и названных Кассиопея А, возможно, свидетельствуют о сверхновой, которая взорвалась в конце семнадцатого века. Если так, то она самая недавняя известная нам сверхновая, которая взорвалась в нашей Галактике, хотя ее тогда и не было видно. Этот взрыв был, может быть, более впечатляющим, чем сверхновая 1054, если рассматривать их с одного расстояния, о чем свидетельствует радиация, излучаемая сейчас остатками. Однако это случилось на расстоянии 10 000 световых лет, так что эта сверхновая, вероятно, не была намного ярче, чем предыдущая сверхновая – если ее можно было бы видеть.
Более зрелищная сверхновая, из всех известных в исторические времена, полыхнула на небе примерно 11 000 лет назад, когда в некоторых частях мира люди начинали приобщаться к сельскому хозяйству. От этой сверхновой осталась оболочка газа в созвездии Паруса, впервые обнаруженная в 1939 году американцем русского происхождения Отто Струве (1897–1963). Эта оболочка называется Туманность Гама (по имени австралийского астронома Колина С. Гама, который первым изучил ее в деталях в 50-е годы).
Центр оболочки находится на расстоянии лишь 1500 световых лет от нас, что делает ее ближайшей к нам взорвавшейся сверхновой. Один из краев ее продолжающей расширяться оболочки находится на расстоянии 300 световых лет. Она может достигнуть нас приблизительно через 4000 лет. Но это настолько разреженное вещество, что оно не должно воздействовать на нас сколько-нибудь значительным образом.
Когда эта близко расположенная сверхновая взорвалась, она на своем пике была несколько дней такой же яркой, как полная Луна, и можно позавидовать древним людям, которые были свидетелями такого великолепного зрелища. Но это, кажется, не причинило вреда жизни на Земле.
Все же сверхновая Паруса была от нас на расстоянии 1500 световых лет. Существуют звезды, которые более чем в сто раз ближе к нам. Что если звезда, близкая к нам, неожиданно станет сверхновой? Предположим, что одна из звезд, например Альфа Центавра, находящаяся от нас на расстоянии только 4,4 световых года, станет сверхновой. Что тогда? Если яркая сверхновая засверкает в 4,4 световых годах от нас с той же яркостью, которой вообще достигает сверхновая, она по яркости и по теплу составит примерно 1/6 Солнца и будет пылать в течение нескольких недель, она поднимет тепловую волну, какой Земля еще никогда не испытывала .
Предположим, сверхновая вспыхнет на Рождество, как самая яркая звезда Вифлеема. В это время года в Южном полушарии будет летнее солнцестояние, и Антарктика будет постоянно под солнечными лучами. Но можно быть уверенным, что солнечный свет будет довольно слабым, потому что в Антарктике даже во время солнцестояния Солнце стоит очень низко над горизонтом. Сверхновая Альфа Центавра будет, однако, высоко в небе и добавит свое весьма существенное тепло к теплу Солнца. Ледовая шапка Антарктики получит тепловой удар. Таяние станет беспрецедентно сильным, уровень моря поднимется и принесет бедствия для многих частей мира. Уровень моря еще долго останется высоким и после того, как сверхновая охладится. Для восстановления равновесия понадобятся годы.
Вдобавок Земля будет купаться в рентгеновских и космических лучах, имеющих интенсивность, которой она, может быть, никогда прежде не знала, а спустя несколько лет ее окутает облако пыли и газа, причем плотнее, чем любое облако, с которым она когда-либо сталкивалась. Позднее мы обсудим, какой эффект дали бы эти события, но они, несомненно, были бы бедственны.
Спасительная милость состоит в том, что этого не произойдет. Конечно, этого случиться не может. Наиболее яркая из звезд двойной звезды Альфа Центавра по массе почти равна массе Солнца, и она не может взорваться, как гигантская сверхновая или даже как любого вида сверхновая, как не может и наше Солнце. Самое большое, на что способна Альфа Центавра, это превратиться в красный гигант, внезапно избавившись от своих наиболее внешних слоев, которые станут планетарной туманностью, а затем сжаться и превратиться в белого карлика.
Мы не знаем, когда это случится, потому что не знаем, сколько ей лет, но это не может случиться до того, как она превратится в красный гигант. Но даже если это превращение начнется завтра, она, вероятно, останется в стадии красного гиганта на одну-другую сотню миллионов лет.
Каково же тогда самое малое расстояние, на котором мы могли бы найти сверхновую?
Начнем с того, что нам надо искать звезду массивную, такую, которая как минимум в 1,4 раза массивнее Солнца, или лучше такую, которая массивнее Солнца значительно более этой величины, если мы хотим видеть по-настоящему большое шоу. Таких массивных звезд мало, и это главная причина, почему сверхновые не более часты, чем они появляются. (Считается, что в галактике размером с нашу одна сверхновая появляется в среднем каждые 150 лет, и, конечно, немногие из них могут находиться даже умеренно близко к нам.) Самая близкая массивная звезда – Сириус, которая в 2,1 раза превосходит по массе наше Солнце и находится на расстоянии 8,63 световых лет, то есть почти в два раза дальше от нас, чем Альфа Центавра. Даже с этой массой Сириус не способен произвести по-настоящему зрелищную сверхновую. Да, он взорвется однажды, но это будет скорее выстрел из ружья, чем пушечный залп. Кроме того, Сириус находится в главной последовательности. Из-за его массы общий период его жизни в главной последовательности составляет только 500 миллионов лет, и часть этого времени, очевидно, истрачена. То, что осталось, плюс стадия красного гиганта, означает, что взрыв отодвигается на несколько сотен миллионов лет.
Тогда следует поинтересоваться, какая же из самых близких массивных звезд уже находится в стадии красного гиганта?
Самый близкий красный гигант – это Шеат в созвездии Пегаса. Она находится только в 160 световых годах, ее диаметр примерно в 110 раз больше диаметра Солнца. Мы не знаем ее массы, но если она достигла такого размера, потому что расширилась, то ее масса очень ненамного больше массы Солнца и она не перейдет в стадию сверхновой. С другой стороны, если она массивнее Солнца и все еще продолжает расширяться, то ее стадия сверхновой еще далека.
Самый близкий по-настоящему крупный красный гигант – это Мира в созвездии Кита. Ее диаметр в 420 раз больше диаметра Солнца, так что если представить ее на месте нашего Солнца, ее диск достал бы до дальних областей астероидного пояса. Она должна быть значительно массивнее Солнца и находится от нас на расстоянии 230 световых лет.
Существуют три красных гиганта, которые все же крупнее и не очень значительно дальше от нас. Это Бетельгейзе в Орионе, Антарес в Скорпионе и Рас Альгете в Геркулесе. Каждая из них приблизительно на расстоянии 500 световых лет.
Рас Альгете имеет диаметр в 500 раз больше, чем у Солнца, Антарес – в 640 раз. Если Антарес поставить на место Солнца, его диск перекроет орбиту Юпитера.
Бетельгейзе не имеет фиксированного диаметра, потому что она, по-видимому, пульсирует. Когда она в своем самом малом размере, она не крупнее, чем Рас Альгете, но при расширении может достигать диаметра в 750 раз больше диаметра Солнца. Если представить Бетельгейзе на месте Солнца, край ее диска в максимуме достигнет точки на полпути между Юпитером и Сатурном.
Вероятно, Бетельгейзе является наиболее массивной звездой из этих, находящихся ближе других, красных гигантов, а ее пульсация может быть признаком нестабильности. В таком случае из этих трех звезд она наиболее близка к сверхновой и к гибели.
Еще одним подтверждением этого является тот факт, что на фотографиях Бетельгейзе, сделанных в 1978 году в диапазоне инфракрасного света (света с более длинными волнами, чем свет красного цвета, и потому не воздействующего на сетчатку нашего глаза), видно, что звезда окружена огромной оболочкой газа диаметром примерно в 400 раз больше диаметра орбиты Плутона. Может быть, Бетельгейзе уже начала растрачивать материю на первой стадии превращения в сверхновую.
Без знания ее массы мы не можем предсказать, насколько яркой будет сверхновая Бетельгейзе, но она должна быть внушительной. Чего ей может не хватить в своей собственной яркости, она бы восполнила за счет того, что ее расстояние до нас в три раза меньше, чем у сверхновой Паруса. Поэтому, когда настанет ее время, она может оказаться ярче, чем сверхновая 1006, и, может быть, даже посоперничает со сверхновой Паруса. Тогда небеса озарятся новым видом лунного света, и Земля подвергнется бомбардировке сильной радиации, еще более концентрированной, чем это имело место при сверхновой Паруса 11 000 лет назад.
Так как Homo sapiens и жизнь в целом, кажется, пережили сверхновую Паруса без потерь, можно надеяться, что они сверхновую Бетельгейзе переживут тоже (Как мы увидим позднее, существует сочетание обстоятельств, которое может ухудшить ситуацию для нас).
Пока мы еще не можем определить время, когда Бетельгейзе достигнет точки взрыва. Возможно, ее нынешний переменный диаметр является свидетельством того, что она на пороге гибели, но каждый раз, когда процесс начинается, поднимающаяся температура, сопровождающая гибель, делает возможным восстановление звезды. Мы можем предположить, что со временем очередная «гибель» может зайти так далеко, что спровоцирует взрыв. Это «со временем» может длиться веками; с другой стороны, это может произойти завтра. Вообще же Бетельгейзе могла взорваться и пять веков назад, и волна радиации, двигающаяся к нам в течение этого времени, может достичь нас хоть завтра.
Даже если сверхновая Бетельгейзе является самым худшим, чего мы можем ожидать в достаточно близком будущем, и если мы убеждаем себя в том, что она предоставит нам восхитительное зрелище без серьезной опасности, то что касается вообще взрывов звезд, мы все же не застрахованы от них. Более отдаленное будущее может содержать серьезные опасности задолго до времени наступления смерти нашего Солнца.
В конце концов, ситуация сегодняшнего дня не является неизменной. Все звезды, включая Солнце, движутся. Солнце непрерывно вторгается в новые соседства, а сами соседства непрерывно меняются.
Со временем различные изменения вполне могут привести Солнце в близкое соседство с гигантской звездой, которая случайно взорвется в сверхновую, когда будет проходить мимо нас. Тот факт, что сверхновая Бетельгейзе – самое худшее из того, что мы можем ожидать прямо сейчас, не признак вечной безопасности, это – случайность момента.
Однако подобная катастрофа оказавшейся по соседству звезды вряд ли произойдет в течение длительного периода. Как уже говорилось, звезды движутся очень медленно, если учесть огромные пространства между ними, и пройдет много времени, прежде чем звезды, сейчас далекие от нас, станут значительно ближе.
Американский астроном Карл Саган (р. 1935) вычислил, что сверхновые в пределах 100 световых лет от нас могут взрываться при среднем интервале 750 миллионов лет. Если это так, то такие близко происходящие взрывы могли иметь место шесть раз за всю историю Солнечной системы и могут произойти еще девять раз до того, как Солнце выйдет из главной последовательности.
Однако такое событие не может застать нас врасплох. Нетрудно сказать, какие звезды приближаются к нам. Мы можем заметить красный гигант на расстоянии гораздо большем, чем 100 световых лет. Очень вероятно, что мы узнаем о возможности такого взрыва за миллион лет и будем способны предусмотреть действия, чтобы свести к минимуму последствия взрыва.

Солнечные пятна

Следующий вопрос таков: можем ли мы полностью положиться на наше Солнце? Не может ли произойти нечто нехорошее с Солнцем, пока оно еще находится в главной последовательности? Не может ли произойти нечто нехорошее в близком будущем и без предупреждения, так, что у нас не окажется защитных средств или не хватит времени для их применения, если они у нас будут.
Если нет чего-то страшно неверного в наших убеждениях относительно звездной эволюции, с Солнцем ничего плохого не случится. Как идет дело сейчас, так было и в течение очень длительного времени, и так будет продолжаться еще в течение длительного времени. Всякое изменение будет настолько малым, что окажется несущественным в солнечном масштабе.
Но не могут ли изменения, несущественные в солнечном масштабе, оказаться бедственными в масштабе Земли? Конечно, могут. Солнце может слегка икнуть, и для него это будет сущий пустяк, если Солнце рассматривать с расстояния даже самых близких звезд. Воздействие же на Землю такого малого изменения, однако, может быть достаточным для того, чтобы значительно изменить ее свойства, а если ненормальный спазм продлится достаточно долго, это может обернуться для нас настоящей катастрофой.
Кроме того, как нам известно, жизнь сама по себе довольно хрупкая вещь в космическом масштабе. Не требуется очень большого изменения температуры, чтобы вскипятить океаны или заморозить их и в обоих случаях сделать жизнь невозможной. Сравнительно небольшого изменения солнечной активности достаточно для того, чтобы создать ту или иную экстремальную ситуацию. И отсюда следует, чтобы продолжалась жизнь, Солнце должно светить лишь с самыми незначительными отклонениями от его обычного состояния.
Так как история жизни, насколько мы можем судить, продолжается вот уже больше трех миллиардов лет, у нас есть воодушевляющая уверенность, что Солнце все-таки надежная звезда. Однако Солнце может быть достаточно стабильным, чтобы допускать существование жизни вообще, и быть достаточно нестабильным, чтобы заставлять ее переживать некоторые ужасные невзгоды. Безусловно, в истории жизни были времена, когда, по-видимому, происходили биологические катастрофы, и мы не можем быть уверены, что Солнце тут было ни при чем. Об этом мы поговорим позднее.
Если ограничиться историческими временами, Солнце представлялось совершенно стабильным, по крайней мере для случайных наблюдателей и для астрономов, менее оснащенных приборами, чем астрономы нашего изощренного времени. Полагать, что так будет продолжаться, значит жить иллюзиями.
Один путь разобраться – это наблюдать за другими звездами. Если все остальные звезды совершенно постоянны в яркости, то почему бы нам не допустить, что и наше Солнце тоже такое и никогда не даст нам ни слишком много радиации, ни слишком мало?
Тем не менее в действительности несколько звезд, видимых невооруженным глазом, нестабильны по яркости, будучи некоторое время то тусклыми, то довольно яркими. Одна такая звезда – Алголь в созвездии Персея. Ни один астроном древности или средних веков не отмечал ее изменчивости, возможно, исходя из уверенности греков, что небеса неизменны. Существует, однако, косвенное свидетельство, что астрономы знали о ее изменчивости, даже если не любили говорить об этом. Персей обычно изображается в созвездии держащим голову умерщвленной Медузы, демона-монстра, чьи волосы состоят из живых змей, а роковой быстрый взгляд превращает людей в камень. Алголи отводилась роль этой головы, и поэтому звезду иногда называли «Демоническая звезда». Собственно, само слово «Алголь» является искажением арабского alghul, означающего «вурдалак», «упырь».
Испытываешь искушение предположить, что греки были слишком смущены изменчивостью Алголи, чтобы говорить об этом открыто, но намекали на это, сделав ее демоном. Впервые ее изменчивость была открыто отмечена в 1669 году итальянским астрономом Джеминиано Монтанари (1632–1687). В 1782 году восемнадцатилетний глухонемой голландец английского происхождения Джон Гудрайк (1764–1786) доказал, что изменчивость Алголи строго регулярна, и предположил, что, по существу, она не изменчива, но у нее есть невидимый компаньон, звезда, которая вращается вокруг нее и периодически частично заслоняет ее. Как оказалось, он был совершенно прав.
Однако ранее, в 1596 году, немецкий астроном Давид Фабрициус (1564–1617) отметил изменчивую звезду, которая была намного более замечательна, чем Алголь. Это была Мира, звезда, которую я упоминал ранее как находящийся поблизости красный гигант. «Мира» от латинского слова, означающего «причина чуда», а оно и состояло в том, что она изменяется по яркости в значительно большей степени, чем Алголь, становясь временами столь тусклой, что оказывается невидимой невооруженным глазом. Мира также обладает намного более длинным и гораздо менее регулярным периодом изменения, чем Алголь. (Опять чувствуешь, что это, должно быть, замечалось и прежде, но, вероятно, намеренно игнорировалось во избежание больших хлопот, связанных с Доказательством.) Мы можем не принимать во внимание такие звезды, как Алголь, которая испытывает затмения, и только кажется, что она меняется по цвету. Этот случай не указывает на какой-нибудь признак бедственной изменчивости в звезде, подобной Солнцу. Мы можем также не принимать во внимание сверхновые, которые появляются только в конвульсиях звезды, претерпевающей свою окончательную гибель, не принимать и обычные новые, которые являются белыми карликами, уже претерпели гибель и поглощают необычайное количество материи от нормальной звезды-компаньона.
Остаются такие звезды, как Мира и Бетельгейзе, – «подлинно изменяющиеся звезды», то есть звезды, изменяющиеся по излучаемому свету из-за цикличных изменений в их структуре. Они пульсируют в некоторых случаях регулярно, а в других – нерегулярно, они становятся холоднее, но больше, в расширяющейся части цикла, и горячее, но меньше, в сжимающейся части.
Если бы Солнце было такой подлинно изменяющейся звездой, жизнь на Земле была бы невозможна, поскольку разница между испускаемой Солнцем радиацией в различное время его цикла периодически то омывала бы Землю невыносимым теплом, то подвергала бы непереносимому холоду. Можно спорить, сумеют ли люди защитить себя от этих температурных перепадов, но прежде всего кажется невероятным, чтобы жизнь развилась при подобных условиях или чтобы она эволюционировала до периода, когда любые особи окажутся настолько развиты технологически, что сумеют иметь дело с такими изменениями. Конечно, Солнце не такая изменчивая звезда, но не может ли оно стать таким, а мы – вдруг оказаться в мире с температурными крайностями, что превратило бы жизнь в невыносимый кошмар?
Это, к счастью, совершенно невероятно. Прежде всего подлинно изменчивых звезд мало. Их примерно 14 000. Даже допуская, что многие из таких звезд остаются незамеченными, потому что слишком далеки, чтобы быть видимыми, или потому, что скрыты за пылевыми облаками, все равно они составляют очень маленький процент от всех звезд. Огромное большинство звезд, видимо, и есть такие стабильные и не изменяющиеся, какими их и считали древние греки.
Кроме того, некоторые подлинно изменчивые звезды – это крупные, яркие звезды, находящиеся близ конца своего пребывания в главной последовательности. Другие Мира и Бетельгейзе, уже покинули главную последовательность и, видимо, находятся у порога своей жизни как кандидаты в красные гиганты. Вполне вероятно, что пульсация – это тот вид нестабильности, который указывает на окончание определенной стадии жизни звезды и приближение перехода в какую-то другую стадию.
Солнце – звезда всего лишь среднего возраста, и еще миллиарды лет пройдут, до того как нынешняя стадия подойдет к концу, поэтому, наверное, в течение еще длительного времени нет шансов на то, что оно станет изменчивой звездой. Но даже если так, существуют степени изменчивости, и Солнце может быть или стать изменчивым в очень малой степени и все же причинить нам неприятности.
Например, как насчет солнечных пятен? Не может ли их изменяющееся время от времени количество указывать на определенную небольшую изменчивость в солнечной радиации? Как известно, пятна заметно холоднее, чем части солнечной поверхности без пятен. Так не может ли пятнистое Солнце быть холоднее, чем Солнце без пятен?
Этот вопрос стал довольно важным в связи с работой немецкого фармацевта Генриха Самюэля Швабе (1789–1875); астрономия была его хобби. Он мог посвятить себя телескопу только в дневные часы, так что он взялся наблюдать за окружением Солнца, чтобы обнаружить неизвестную планету, которая, как некоторые считали, может двигаться по орбите вокруг Солнца внутри орбиты Меркурия. Если это было так, она вполне могла периодически пересекать солнечный диск, что и пытался установить Швабе.
Он начал свой поиск в 1825 году и при наблюдении за диском Солнца не мог не заметить солнечных пятен. Спустя некоторое время он забыл о планете и принялся зарисовывать солнечные пятна. В течение семнадцати лет он делал это в каждый солнечный день. К 1843 году он смог объявить, что солнечные пятна прибывают и убывают с цикличностью в десять лет.
В 1908 году американский астроном Джордж Эллери Хэйл (1868–1938) обнаружил, что солнечные пятна обладают сильным магнитным полем. Направленность магнитного поля в определенном цикле постоянна, в следующем цикле она меняется на обратную. Если принять во внимание магнитные поля, то время от одного максимума солнечных пятен с полем одной направленности до следующего максимума с полем той же направленности составляет двадцать лет.
Очевидно, магнитное поле Солнца по некоторым причинам то усиливается, то уменьшается, и солнечные пятна связаны с этими переменами. Так же и с другими эффектами. Существуют, например, «солнечные вспышки», неожиданные временные озарения то тут, то там на солнечной поверхности, что, видимо, связано с локальным усилением магнитного поля. Они становятся более частыми, когда возрастает количество солнечных пятен, поскольку и те и другие связаны с магнитными полями. Поэтому при максимуме солнечных пятен мы говорим об «активном Солнце», а при минимуме солнечных пятен о «спокойном Солнце» (Тепло вспышек может более чем компенсировать холодность пятен, так что Солнце с пятнами может быть теплее, чем без пятен).
Кроме того, Солнце постоянно испускает потоки атомных ядер (главным образом водородных ядер, которые являются простыми протонами), которые движутся от Солнца с большой скоростью во всех направлениях. В 1958 году американский астроном Юджин Норман Паркер (р. 1927) назвал их «солнечным ветром».
Солнечный ветер достигает Земли, проходит мимо и взаимодействует с верхней атмосферой, вызывая разнообразные эффекты, такие, например, как полярное сияние. Солнечные вспышки изрыгают огромное количество протонов и временно подкрепляют солнечный ветер. Таким образом, на Землю гораздо сильнее воздействует увеличение или снижение солнечной активности, чем любые простые изменения температуры, связанные с циклом солнечных пятен.
Какие бы ни возникали эффекты на Земле, циклы солнечных пятен определенно не вмешиваются в жизнь каким-либо явным образом (Как теперь выясняется, это не совсем так. Во время магнитных бурь плотность атмосферного газа на высотах, где летают искусственные спутники Земли, сильно (в десять и более раз) возрастает, и потому изменяются орбиты спутников. Так, в 1989 году четыре навигационных спутника США серии «Транзит» были выключены на срок от 2-3 дней до недели. А в январе 1997 года при таких же обстоятельствах был потерян спутник «Телестар» ценой 132 миллиона долларов. В 80-х годах в результате магнитных бурь нарушалась в различных местах работа высоковольтных линий передач, ущерб от этого исчислялся миллиардами долларов. Поток энергетических частиц, идущих от Солнца, разрушает хрупкие элементы солнечных батарей, проникает внутрь космических аппаратов, выводя из строя сложные приборы, создавая для космонавтов опасность лучевой болезни.). Вопрос, тем не менее, в том, не может ли цикл солнечных пятен отбиться от рук и не может ли Солнце начать резко двигаться, так сказать, взад-вперед, настолько, что вызовет катастрофу? Мы могли бы доказывать, что, насколько нам известно, с ним такого никогда не происходило в прошлом, поэтому не должно происходить и в будущем. Наша уверенность в этом доводе была бы сильнее, если бы цикл солнечных пятен был абсолютно регулярным. Но это не так. Например, самое короткое время, зафиксированное между максимумами солнечных пятен, – 7 лет, самое длинное – 17.(Теперь средней продолжительностью цикла считают 11 лет.) Кроме того, и интенсивность максимума непостоянна. Степень пятнистости Солнца измеряется «цюрихским числом солнечных пятен». Засчитывается 1 за каждое отдельное пятно и 10 за каждую группу солнечных пятен, и все умножается на число, которое меняется в соответствии с используемыми приборами и условиями наблюдения. Если цюрихское число определять из года в год, то оказывается, что существует максимум с небольшими величинами, например, 50 в начале семнадцатого и в начале восемнадцатого веков. С другой стороны, в 1959 году максимум достиг самого большого значения за все время – 200.
Естественно, число солнечных пятен регистрировалось с большой тщательностью только после сообщения Швабе в 1843 году, так что цифры, которые мы использовали до этого времени, начиная с 1700 года, не вполне надежны, а отчеты с первого века после открытия Галилея обычно отбрасывались совсем, как слишком отрывочные.
Тем не менее в 1893 году британский астроном Эдвард Уолтер Мондер (1851–1928), изучая старые сообщения, был поражен, увидев, что наблюдения за солнечной поверхностью, которые производились между 1645 и 1715 годами, просто умалчивали о солнечных пятнах. Общее количество пятен, упомянутых за этот семидесятилетний период, было меньше, чем их количество по сообщениям любого нынешнего года. Какое-то время находка Мондера игнорировалась: легко было предположить, что данные семнадцатого века были слишком неполными и наивными, чтобы придавать им значение, но недавнее исследование подтвердило открытие Мондера, и период с 1645 по 1715 год называют теперь «минимум Мондера».
В это время в сообщениях отсутствовали не только солнечные пятна, но почти пропали и сияния (которые обычно сопутствуют максимуму солнечных пятен, когда языки вспышек полыхают по всему Солнцу). Более того, форма короны во время полных затмений Солнца, судя по описаниям и рисункам того периода, была характерна для ее вида при минимуме солнечных пятен.
Очевидные изменения магнитного поля Солнца в соответствии с циклами солнечных пятен косвенно воздействуют на количество углерода-14 (радиоактивный изотоп углерода) в атмосфере. Углерод-14 образуется космическими лучами, он проникает в атмосферу Земли. Когда магнитное поле Солнца усиливается во время максимума солнечных пятен, это помогает защитить Землю от притока космических лучей. При минимуме солнечных пятен магнитное поле ослабевает, и космические лучи не отклоняются. Отсюда следует, что углерод-14 при минимуме солнечных пятен находится в атмосфере в наибольших количествах, при максимуме солнечных пятен – в наименьших.
Углерод (включая углерод-14) поглощается растительностью из атмосферы в форме двуокиси углерода. Углерод (включая углерод-14) включается в молекулы древесины деревьев. К счастью, углерод-14 может быть обнаружен, и его количество определено с большой точностью. Если исследуются очень старые деревья, углерод-14 может быть обнаружен в каждом годовом кольце, и можно год за годом установить, как изменяется его содержание. Оно высокое при минимуме солнечных пятен и низкое – при максимуме. И оказывается, он был высок при минимуме Мондера.
Таким путем были обнаружены и другие периоды солнечной неактивности, некоторые продолжались всего лишь 50 лет, а другие достигали по длительности нескольких столетий. Около дюжины их было зафиксировано в исторические времена, начиная с 3000 года до н. э.
Короче, представляется, что существуют более продолжительные циклы солнечных пятен. Существуют расширенные минимумы очень малой активности, рассыпанные между низкой и высокой активностью благодаря расширенным периодам колебаний. Нам случилось пребывать в одном из последних периодов после 1715 года (Началом очередного нового цикла активного Солнца считают 1997 год, и по прогнозам цикл обещает быть особенно сильным).
Какое воздействие оказывает на Землю такой более продолжительный цикл солнечных пятен? Дюжина минимумов Мондера, которые имели место в исторические времена, видимо, не вмешивались катастрофически в человеческое существование. На этом основании можно полагать, что не следует бояться повторения такого расширенного минимума. Что же до остального, мы на самом деле столь многого не знаем о Солнце, в то время как думаем, что знаем. Мы не совсем понимаем, что служит причиной десятилетнего цикла солнечных пятен, который сейчас существует, и мы, конечно, не понимаем, что вызывает минимум Мондера. И раз мы не понимаем подобных вещей, можем ли мы быть уверены, что Солнце в какое-то время без предупреждения не выйдет из-под контроля?

Нейтрино

Конечно, могла бы помочь не теоретическая осведомленность о том, что происходит внутри Солнца, а результаты прямого наблюдения. Это может показаться несбыточной мечтой, но на самом деле это не совсем так.
В первые десятилетия двадцатого века стало ясно, что когда расщепляются радиоактивные ядра, они, как правило, излучают электроны. Эти электроны обладают широким диапазоном энергий, которые почти никогда в сумме не доходят до общего количества энергии, потерянной ядром. Это, казалось, противоречит закону сохранения энергии.
В 1931 году австрийский физик Вольфганг Паули (1900–1958) предположил, что наряду с электроном излучается еще и другая частица, и именно она содержит недостающую энергию. В этом случае устраняется противоречие закону сохранения энергии и некоторым другим законам сохранения. Для объяснения всех обстоятельств дела эта вторая частица не должна нести никакого электрического заряда и, вероятно, не должна обладать массой. Без массы и заряда ее было чрезвычайно трудно обнаружить. Итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) назвал ее «нейтрино», по-итальянски «маленькая нейтральная».
Нейтрино, допуская, что они обладают свойствами, которыми наделены по идее, должны с трудом реагировать с веществом. Они должны проходить сквозь всю Землю почти так же легко, как они проходили бы сквозь такой же толщины слой вакуума. Собственно, они должны без особых проблем проходить сквозь миллиарды Земель, поставленных рядом друг с другом. Тем не менее в течение продолжительного периода времени при условии, что взаимодействие с веществом было бы возможно в принципе, нейтрино могло бы столкнуться с частицей вещества. Если поработать со многими триллионами нейтрино, проходящими сквозь маленькое материальное тело, то несколько взаимодействий могли бы иметь место, и они могли бы быть зафиксированы.
В 1953 году два американских физика, Клайд Л. Кован (р. 1919) и Фредерик Рейнес (р. 1918), работали с антинейтрино, полученными на реакторах, расщепляющих уран. Антинейтрино проходили сквозь большие емкости с водой, и предсказанные взаимодействия действительно имели место. После двадцати двух лет теоретического существования антинейтрино, а следовательно, и нейтрино тоже, их существование было доказано экспериментально.
Они такие же, как и нейтрино, но противоположны им по определенным свойствам. Собственно говоря, именно антинейтрино, а не нейтрино испускается наряду с электроном, когда расщепляются определенные ядра.
'Астрономические теории относительно синтеза ядер водорода в ядра гелия в недрах Солнца – источника солнечной энергии – предполагают, что нейтрино (не антинейтрино) испускаются в больших количествах, которые достигают 3 процентов общей радиации. Остальные 97 процентов состоят из фотонов, которые являются единицами лучистой энергии, вроде света и рентгеновских лучей.
Фотоны прокладывают себе путь к поверхности и в конечном счете излучаются в космос, но это требует много времени, поскольку фотоны легко взаимодействуют с веществом. Фотон, который возникает в недрах Солнца, очень быстро поглощается, снова испускается, опять поглощается и так далее. Может потребоваться миллион лет для того, чтобы фотон проложил себе путь из недр Солнца к его поверхности, и это при том, что между возникновением и поглощением он движется со скоростью света. Когда фотон достигает поверхности, у него такая сложная история поглощений и испусканий, что по его природе невозможно установить, что происходило в недрах.
Совсем иное дело нейтрино. Они тоже движутся со скоростью света, поскольку не имеют массы. Однако из-за того, что они редко взаимодействуют с веществом, нейтрино, возникшие в глубинах Солнца, проходят без задержек через солнечное вещество, достигая поверхности в 2-3 секунды (и теряя в процессе поглощения только 1 из 100 миллиардов). Затем они пересекают вакуум космоса и через 500 секунд достигают Земли, если были нацелены в этом направлении.
Если бы мы могли зафиксировать эти нейтрино здесь, на Земле, мы бы имели некоторую непосредственную информацию о событиях в глубине Солнца, произошедших восемь минут назад. Трудность состоит в обнаружении нейтрино. Эту задачу взялся разрешить американский физик Реймонд Дэвис-младший, который воспользовался тем фактом, что нейтрино иногда будет взаимодействовать с атомами хлора, производя радиоактивный атом аргона. Аргон может быть обнаружен и отделен, даже если образуется всего несколько атомов (На такую возможность впервые указал советский физик Бруно Максимович Понтекорво (р. 1913).).
Дэвис воспользовался для этой цели огромной емкостью, содержащей 378 000 литров тетрахлорэтилена, обычной чистящей жидкости, которая была богата атомами хлора. Он поместил емкость в глубокую золоторудную шахту Хоумстейк в Лиде, штат Южная Дакота, так, что между емкостью и поверхностью было 1,5 километра скалы. Эта скала поглотила бы любые частицы, поступающие из космоса, кроме нейтрино.
Оставалось только ждать, когда образуются атомы аргона. Если принятые теории о событиях, происходящих в недрах Солнца, верны, то каждую секунду должно образовываться определенное количество нейтрино, определенный процент из них должен достичь Земли, определенный процент из достигших Земли должен пройти через емкость с чистящей жидкостью, и среди последних определенный процент должен взаимодействовать с атомами хлора и образовать определенное число атомов аргона. По колебаниям в скорости, с которой образовывались атомы аргона, по другим свойствам и вариациям взаимодействия в целом, могли быть сделаны выводы о событиях, происходящих в недрах Солнца.
Однако почти сразу Дэвису пришлось удивиться. Было обнаружено очень мало нейтрино, гораздо меньше, чем ожидалось. Из тех атомов аргона, что должны были образоваться, образовалась только шестая часть.
Ясно, что астрономические теории относительно происходящего в недрах Солнца, по-видимому, требуют пересмотра. Мы знаем не так много о происходящем внутри Солнца, как мы считаем. Означает ли это, что близится катастрофа?
Этого сказать мы не можем. Что касается наших наблюдений, то по всем признакам Солнце достаточно стабильно в течение всей истории жизни, что делает жизнь на планете непрерывно возможной. У нас была теория, которая объясняет стабильность. Теперь нам, возможно, придется видоизменить теорию, но и видоизмененной теории все же придется объяснять стабильность. Солнце не станет вдруг нестабильным из-за того, что мы пересмотрим нашу теорию.
Подведем итог: катастрофа второго класса, включая изменения в Солнце, которые сделают жизнь на Земле невозможной, должна наступить не позднее чем через 7 миллиардов лет, но она задолго предупредит о себе.
Катастрофы второго класса могут неожиданно произойти и до этого, но вероятность их так мала, что нет смысла тратить время на волнения по этому поводу.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука