Помоги проекту - поделись книгой:
Наблюдения показывают ясно: в спиральных галактиках звездные комплексы находятся в спиральных рукавах. Звездные комплексы просто-напросто нанизаны на рукава, как бусины на нить. Наблюдающаяся (особенно в галактиках типа Sc) фрагментированносгь рукавов это подтверждает. Каждый фрагмент – это звездный комплекс.
Что же выходит – раз звездные комплексы расположены в спиральных рукавах и в некотором роде формируют их, то и Солнце находится в спиральном рукаве?
И да, и нет. Солнце действительно находится между
Любопытно, что два соседних рукава (Персея и Киля – Стрельца) имеют угол закрутки в 10–12°, что нормально для галактики типа Sb. Рукав же Ориона – Лебедя имеет угол закрутки в 20°, что дополнительно подтверждает: этот рукав является лишь отрогом, ответвлением рукава Киля – Стрельца. (Кстати, именно рукав Киля – Стрельца мы по сути и видим, наблюдая прозрачной безлунной ночью Млечный Путь.) Больший угол закрутки нашего местного рукава вполне естествен: ведь при том же угле закрутки, что у основных рукавов, никаких ответвлений не было бы вообще…
Так что мы все-таки находимся не в скучной относительной пустоте между рукавами – мы в рукаве, пусть местном и второстепенном. Хорошо это или плохо?
Трудный вопрос. Конечно, находясь в поясе Гулда, а не вне его и, следовательно, в каком-никаком рукаве, мы можем любоваться гораздо более красочным звездным небом, чем располагаясь в межрукавье. С другой стороны, в рукавах чаще вспыхивают сверхновые, а близкий взрыв звезды ничего хорошего нам не принесет. Как всегда, нет ни худа без добра, ни добра без худа.
5. Летим, но куда?
В этой главе нам придется вернуться на Землю, чтобы затем вновь устремиться в глубины дальнего космоса. Мы рассмотрели наше звездное окружение, но куда и как движемся мы сами? Как движется Земля? Как, почему и куда движется Солнце, волоча за собой выводок планет и тьму мелких космических тел? Почему движение происходит так, а не иначе?
Начнем с Земли. Как всем известно со времен Коперника, наша планета вращается вокруг своей оси. Полный оборот она делает за 23 часа 56 минут 4,1 секунды. Казалось бы, эта величина далековата от привычных 24 часов – не хватает почти четырех минут! Но за сутки планета успевает пройти по орбите почти целый угловой градус, поэтому для того, чтобы вновь повернуться к Солнцу точно тем же боком, ей требуется еще немного времени. Так что указанная величина есть не что иное, как звездные сутки, а не средние солнечные сутки (средние – потому что вследствие эллиптичности орбиты Земля движется вокруг Солнца с непостоянной скоростью). Но точно ли «выдерживаются» звездные сутки?
Нет, не точно. Вам, наверное, случалось узнавать из СМИ, что служба времени перевела стрелки часов на одну секунду вследствие того, что Земля стала вращаться несколько медленнее? Такие сообщения поступают редко, но они все же поступают. И действительно, вращение нашей планеты понемногу замедляется. Но по какой причине? Любой раскрученный предмет на Земле, будь то детский волчок или велосипедное колесо, постепенно перестает вращаться из-за трения – но трение Земли о межпланетную космическую среду настолько мало, что о нем смешно и говорить. Так в чем же дело?
В Луне. Удаляясь от Земли примерно на 3 см в год, она тормозит вращение Земли. «Из физики» совершенно ясно, что суммарная механическая энергия системы «Земля – Луна» должна оставаться постоянной. Переходя на более высокую орбиту, Луна увеличивает свою потенциальную энергию, а за счет чего? За счет увеличения орбитальной скорости. Ведь и конструкторам ракетно-космической техники приходится обеспечивать ракете-носителю большую скорость, если они хотят вывести спутник на более высокую орбиту. Экипажи космических станций используют для повышения орбиты разгонный импульс, а никак не тормозной. Увеличение орбитальной скорости любого объекта приводит к повышению его орбиты (где, кстати, скорость объекта сразу падает по законам Кеплера). Но за счет чего разгоняется Луна?
За счет приливов. Сила тяготения Луны вызывает не только морские приливы; под ее действием вся Земля вытягивается наподобие яйца, пусть и на совсем небольшую величину, измеряемую десятками сантиметров. Такое перестроение в вязком теле не может быть мгновенным, а движение Луны сильно отстает от вращения Земли. Как следствие, приливной горб на земной поверхности не направлен точно к Луне, а опережает ее примерно на 3 ч. Сила тяготения, вызванная приливным горбом, разумеется, крайне мала, но зато действует она постоянно, передавая Луне чрезвычайно слабую, но все же заметную на больших интервалах времени силу, направленную в сторону ее движения. «Противосила» же тормозит вращение Земли, и так же неспешно. Например, на рубеже палеозоя – мезозоя, когда еще и динозавров-то не было, в земных сутках было 22 ч., а не 24, как сейчас. Постепенное замедление вращения Земли было доказано изучением линий роста палеозойских кораллов. Можно предположить, что в самый ранний период истории Земли сутки продолжались лишь 4 ч. В нашу эпоху продолжительность суток увеличивается в среднем на 0,0017 с за столетие.
На скорость вращения Земли оказывает влияние не только Луна. Существуют и более слабые солнечные приливы, также тормозящие вращение нашей планеты. Есть и чисто земные причины, влияющие на вращение Земли.
Гравитационная дифференциация недр – одна из них. При опускании тяжелых элементов в земное ядро по закону сохранения момента количества движения должно происходить ускорение вращения – однако оно с большой лихвой компенсируется влиянием Луны и Солнца. Хотя, впрочем, явления типа отламывания больших кусков океанических плит при их погружении под материковые плиты, сопровождающиеся глубокофокусными землетрясениями, сопровождаются также скачкообразным изменением длительности суток, которое легко можно измерить.
Кстати, теория дает несколько большее значение векового замедления: 0,0023 с за столетие. Есть предположение, что разницу в 6 мс за столетие следует отнести за счет перераспределения масс внутри Земли в меридиональном направлении, однако для проверки этой гипотезы необходимы длительные исследования.
Скорость вращения Земли испытывает также периодические и нерегулярные колебания. Причина периодических колебаний, вызванных космическими причинами, в целом понятна: и Земля, и Луна движутся по эллиптическим орбитам, вследствие чего приливные силы то немного ослабевают, то вновь усиливаются. Так, например, существуют колебания с периодом 27,3 суток (период обращения Луны) и 13,7 суток (полумесячные колебания). То же и с системой «Земля – Солнце», только с меньшей амплитудой. Землетрясения, нарушения привычной картины морских течений (вроде квазипериодической активности течения Эль-Ниньо) и даже сезонные перемещения воздушных масс и изменения снежного покрова приводят к небольшим, но вполне поддающимся измерению вариациям скорости вращения нашей планеты.
Иногда, правда, случаются и необъяснимые скачкообразные изменения скорости вращения Земли, но всегда на очень маленькую величину. С чем они связаны, покажут будущие исследования.
Ну а что же с осью вращения? Автору не раз приходилось с изумлением узнавать из «научно-популярных» телепередач о возможности (и даже чуть ли не неизбежности) резкого – на десятки градусов – изменения положения географических полюсов планеты. Земля вдруг ни с того ни с сего начнет вращаться вокруг иной оси – и всем живущим на нашей планете придется весьма несладко. Самое странное то, что этот болезненный бред подчас повторяется людьми, изучавшими физику не только в школе, но и в вузе.
Так и хочется повторить вслед за чеховским персонажем: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». Лишь масштабная космическая катастрофа вроде столкновения Земли с телом сравнимых размеров может резко сдвинуть ось вращения планеты, но при такой катастрофе сдвиг оси – это последнее, от чего может погибнуть человеческая цивилизация. Она погибнет от других причин. Но главное – в обозримом космосе нет достаточно крупных тел, способных столкнуться с Землей и натворить подобных бед. А если такие тела где-нибудь и существуют (например, в поясе Койпера), то они не имеют вредной привычки нарочно искать столкновения с Землей. Ось вращения Земли не менялась рывком никогда, исключая, может быть, гипотетическое столкновение с планетоидом, породившее Луну, и не изменится.
А вот медленный дрейф земной оси действительно происходит. Никакими жуткими катаклизмами он нам не грозит, ибо все живые существа, начиная с примитивных простейших архея и кончая нами, преспокойно живут с этим дрейфом, совершенно не замечая его. Речь идет о
Вам случалось в детстве запускать волчок, причем не тот, что прикреплен осью к основанию, а тот, который свободно бегает по полу? Если да, то вы наверняка заметили, что ось вращения волчка испытывает движения по окружности, гораздо более медленные, чем вращение самого волчка. Такое вращение оси называется прецессией. Формулы, описывающие прецессию, довольно громоздки, но можно объяснить и «на пальцах»: прецессия тем сильнее, чем менее симметрично вращающееся тело или чем значительнее какая-либо сила, действующая на тело со стороны. Поскольку абсолютно строгой симметрии не существует, как не существует вообще ничего абсолютного, все вращающиеся тела, даже гироскопы, изготавливающиеся особо тщательно, испытывают прецессию. Земля несколько асимметрична как по форме, так и по распределению плотности в ее недрах. Вдобавок она в целом представляет собой сплюснутый сфероид, а ее ось наклонена к эклиптике. Луна своим притяжением стремится развернуть Землю «экватором к себе». То же самое, только слабее, делает Солнце. В сумме эти причины более чем достаточны для прецессии оси вращения Земли.
В результате ось вращения Земли описывает конус, вершина которого находится в центре Земли, а ось перпендикулярна эклиптике. При этом угол наклона земной оси к эклиптике остается постоянным и равен 63° 34”. Сейчас северный полюс мира находится вблизи Полярной звезды, но не точно совпадает с ней, что хорошо знают любители астрономии, вынужденные «выставлять на полюс» полярные оси своих монтировок. Для противоположного полушария роль «полярной» может играть невзрачная звезда Сигма Октанта. 3000 лет назад северный полюс мира находился близ «ковша» Малой Медведицы (а не близ крайней звезды «ручки», как сейчас), а спустя 12 тыс. лет роль Полярной звезды с успехом сможет выполнить Вега (Альфа Лиры). Вообще же полный оборот ось вращения Земли совершает примерно за 26 тыс. лет.
Помимо прецессии имеют место мелкие – порядка нескольких угловых секунд – колебания оси вращения Земли около среднего положения. Такие колебания называются нутацией и вызываются тем, что прецессионные силы все время меняются как по величине, так и по направлению. Они уменьшаются, когда Солнце и Луна находятся близ плоскости земного экватора, и вновь увеличиваются, когда склонения этих небесных тел имеют наибольшую величину.
И это еще не все: имеют место блуждающие движения земных полюсов, вызванные тем, что само тело Земли смещается относительно оси вращения. Движения эти ничтожны по величине и не идут ни в какое сравнение с выдуманными «резкими изменениями наклона земной оси». Оба полюса Земли плавно перемещаются, описывая грубые окружности того или иного радиуса, но никогда не покидая условного квадрата со сторонами около 30 м. В квазипериодическом характере движения полюсов выделяются 12-месячный и 14-месячный периоды.
Следующее движение, в котором участвует Земля, это движение вокруг общего центра масс с Луной. Строго говоря, неверно утверждать, что Луна обращается вокруг Земли, – корректнее говорить, что оба тела обращаются вокруг общего центра масс, делая полный оборот за 27,32 суток. Поскольку Земля массивнее Луны примерно в 81 раз, центр масс системы «Земля – Луна» находится под земной поверхностью на расстоянии 4672 км от центра Земли по направлению к Луне. В своем движении по орбите вокруг Солнца Земля описывает отчетливо волнообразную кривую, хотя, конечно, эта волнообразность имеет гораздо меньшую амплитуду, чем у Луны.
Как указывалось ранее, Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, делая полный оборот за 365,256363 суток (звездный год) и имея среднюю орбитальную скорость 29,79 км/с. Естественно, и это движение происходит не вокруг центра Солнца, а вокруг общего центра масс Солнечной системы. Несмотря на то что Солнце в 750 раз массивнее всех остальных тел Солнечной системы, вместе взятых, можно показать, что центр массы Солнечной системы нередко выходит за границы Солнца. Естественно, наибольшее смещение центра масс относительно положения Солнца происходит при так называемом параде планет, когда большинство планет выстраивается по одну сторону от Солнца. Само собой, наиболее сильно «перетягивают на себя одеяло» планеты-гиганты Юпитер и Сатурн.
Как следствие, Земля, даже если вычесть влияние тяготения Луны, все равно движется не по строго эллиптической орбите, а совершает сложные волнообразные движения вокруг кеплеровского эллипса. Существуют гипотезы и даже теории (например, теория Миланковича) о периодических изменениях земной орбиты, связанных с увеличением или уменьшением среднего расстояния от Земли до Солнца. Как бы ни были незначительны эти изменения, ими в принципе можно попытаться объяснить ледниковые периоды в истории Земли; более подробно углубляться в эти теории мы не будем. Отмечу лишь, что в таких движениях орбиты Земли в принципе нет ничего невозможного.
Звезды движутся, и Солнце, являясь звездой, тоже должно двигаться. Движение «неподвижных», как казалось ранее, звезд обнаружил в 1718 году Эдмунд Галлей, сравнив современные ему положения нескольких звезд с их координатами в каталоге Птолемея и учтя прецессию. Обнаружились «разночтения». Если бы они имели характер общей поправки, можно было бы предположить, что не учтено еще одно, пока неизвестное, движение земной оси, – но смещения звезд относительно их положений в каталоге Птолемея имели разновеличинный и разнонаправленный характер, следовательно, могли быть объяснены лишь собственными движениями звезд. В те времена наивные представления о «хрустальном своде небес», куда звезды приколочены наподобие гвоздиков, давно уже ушли в прошлое, и Галлей был не слишком удивлен своим открытием. В течение последующих десятилетий были измерены собственные движения многих звезд. В большинстве своем они малы, однако известно более 100 звезд с годичным движением более двух секунд дуги. Рекордсменом, как указывалось ранее, является Летящая звезда Барнарда с годичным смещением, превышающим 10 угловых секунд.
Но как определить, куда и с какой скоростью движется Солнце? Если предположить, что звезды движутся достаточно хаотично, то собственное движение Солнца (и нас вместе с ним) должно приводить к тому, что звезды должны как бы разбегаться прочь от
Однако Уильям Гершель, проделавший эту работу в 1783 году, вывел апекс Солнца из собственных движений всего-навсего 13 звезд и получил результат, близкий к современному. Сыграла ли свою роль интуиция гениального англичанина или просто повезло – трудно сказать. Хотя везение – штука такая, что не любит доставаться кому попало. Принятое в наше время положение апекса Солнца – в созвездии Геркулеса недалеко от границы с созвездием Лиры. Относительно ближайших звезд Солнце движется от Голубя к Геркулесу со скоростью 19,5 км/с.
Надо особо отметить, что это движение возникло лишь вследствие отличия движения Солнца и ближайших звезд вокруг центра Галактики от кругового и разными углами наклона их орбит. Так, например, если переместить орбиту Марса на то же среднее расстояние от Солнца, что у Земли, и пренебречь взаимным тяготением двух планет, то сразу же выяснится, что планеты имеют заметные скорости относительно друг друга, хотя обе обращаются вокруг Солнца. То же самое, только в гораздо больших масштабах расстояний, наблюдается в звездном окружении Солнца. Увлекая за собой планеты, наше главное светило движется вокруг галактического центра, во-первых, не по окружности и даже не по эллипсу, а по сложной траектории, а во-вторых, плоскость орбиты Солнца (если тут вообще можно говорить о плоскости) наклонена относительно галактического диска.
Здесь необходимо пояснение. Звезды в Галактике движутся преимущественно не по кеплеровским законам, предписывающим меньшие орбитальные скорости на больших расстояниях. Картина движений звезд в Галактике гораздо более сложная, обусловленная, во-первых, тем, к какой подсистеме – плоской или сферической – принадлежит звезда. Измерив в свое время лучевые скорости шаровых скоплений, астрономы были удивлены: оказалось, что эти «звездные колобки» движутся относительно нас со скоростями порядка 200–250 км/с, причем в одну сторону. Что-то тут было не так. Вскоре пришла догадка: это мы движемся с такой скоростью относительно сравнительно малоскоростных шаровых скоплений. А в чем состоит принципиальная разница между звездным населением в окрестностях Солнца и шаровым скоплением? Прежде всего – в принадлежности к разным подсистемам. Солнце – звезда второго поколения – родилось и движется в галактическом диске, тогда как шаровые скопления концентрируются к центру Галактики и в пределах диска могут оказаться только случайно. Следовательно, «плоская» подсистема вращается значительно быстрее «сферической» подсистемы.
Многочисленные исследования полностью подтвердили этот тезис. Но и внутри галактического диска звезды обращаются вокруг центра Галактики с неодинаковыми и чаще всего не кеплеровскими скоростями. Лишь в самых центральных областях галактического ядра, где преобладает тяготение «центрального монстра», звезды движутся по орбитам, в первом приближении похожим на кеплеровские. Но чем дальше от центра, тем меньшее влияние оказывает «центральный монстр» (напомним: в нашей Галактике его масса оценивается в 3 млн масс Солнца) и тем сильнее влияет на всякий движущийся объект тяготение галактического диска.
Открывший вращение Галактики голландский астроном Оорт (тот самый, чьим именем названо облако ледяных тел на дальней периферии Солнечной системы) вывел простую и красивую формулу скорости тела, движущегося в галактическом диске, как функцию его удаленности от центра Галактики. Из формулы Оорта следует, что до некоторого (довольно значительного) расстояния от центра Галактики скорости звезд будут
На практике оказалось, что на больших расстояниях от центра звёзды в спиральных галактиках ни в какую не хотят подчиняться формуле Оорта: их орбитальные скорости уменьшаются с расстоянием значительно медленнее, чем предписывает им формула. Объясняется это влиянием «темного вещества», проявляющего себя только через гравитацию. Доля «темного вещества» в общей массе галактик просто-напросто преобладает, причем «темное вещество» занимает гораздо больший объем, нежели обычное галактическое вещество. Галактики (возможно, не все, но многие) погружены в обширные гало, состоящие из невидимого «темного вещества»… Но это к слову; мы говорим сейчас о другом.
Солнце, находясь немного ближе к краю галактического диска, нежели к центру, попадает в тот отрезок, где орбитальные скорости звезд все еще растут с увеличением расстояния от галактического центра. Орбитальная скорость Солнца принимается равной 220 км/с. Полный оборот вокруг Галактики Солнце делает за 220–230 млн лет.
У астрономов давно уже возник очень не праздный вопрос: а какова скорость движения Солнца относительно спиральных рукавов? Еще полвека назад такой вопрос показался бы странным – но, с другой стороны, не менее странным было то обстоятельство, что рукава спиральных галактик редко оборачиваются вокруг галактических балджей больше двух раз, чаще даже не более одного, тогда как возраст Вселенной и скорости вращения галактик, легко находимые по доплеровскому сдвигу, четко говорят о том, что практически все галактики с момента рождения успели сделать десятки оборотов. Противоречие было необходимо разрешить.
В 1964 году астрономы китайского происхождения из США Ц. Лин и Ф. Шу, развивая идеи шведского астронома Линдблада, выступили с теорией, согласно которой спиральные рукава представляют собой не некие постоянные материальные образования, а волны плотности вещества, выделяющиеся своей яркостью на общем фоне галактического диска прежде всего потому, что в них идет активное звездообразование. Звезды диска в своем орбитальном движении входят в рукав, несколько задерживаются в нем, поскольку рукав все-таки обладает повышенной гравитацией, и затем покидают его. Если орбита звезды лежит внутри определенного радиуса, то звезда догоняет рукав, входит в него с тыловой, вогнутой стороны и выходит с внешней, выпуклой стороны. Если же орбита звезды лежит за этим радиусом, то все наоборот: рукав догоняет звезду, включает ее на некоторое время в свой состав, а затем обгоняет. Но массивные звезды спектральных классов О и В, бешено транжирящие ядерное «горючее» на поддержание своего колоссального излучения, не успевают покинуть рукав и кончают в нем свою короткую, но яркую жизнь, обычно завершающуюся взрывом сверхновой.
Любопытно, что Солнце находится где-то поблизости от указанного радиуса, то есть в зоне
Случайность ли? Или необходимое условие существования высшей жизни на Земле? Ведь, по мнению многих, пролет вблизи оболочки вспыхнувшей сверхновой не сулит обитателям Земли ничего хорошего.
В нашей Галактике сверхновые вспыхивают с частотой примерно одна в сто лет. Впрочем, слой пыли в галактическом диске, где находится Солнце, сильно мешает наблюдать далекие сверхновые, вспыхивающие в плоскости диска, так что оценка, пожалуй, занижена. Многие вспышки могли быть просто пропущены, ибо поглощение света в плоскости галактического диска колоссально. Возможно, правы те астрономы, кто считает, что в столь большой галактике, как наша, вспышки сверхновых должны происходить в среднем раз в тридцать лет.
Сверхновые делятся на два типа и ряд подтипов. Сверхновые I типа вспыхивают где угодно – это старые звезды с массами, лишь немного превышающими солнечную. Сверхновые II типа вспыхивают только в спиральных рукавах внутри слоя толщиной 100 пк. Это массивные звезды, родившиеся в рукаве и успевшие проэволюционировать, не покидая его пределов.
Еще в 1957 году И.С. Шкловским и В.И. Красовским была высказана гипотеза, объясняющая вымирание динозавров на мел-палеогеновой границе стойким увеличением уровня космических лучей в десятки, если не сотни раз. Прикидочный расчет, проведенный И.С. Шкловским (см. его замечательную книгу «Вселенная, жизнь, разум»), показал, что за время своего существования Солнце не менее десяти раз оказывалось ближе 10 пк от вспыхнувшей сверхновой. При этом достигший Земли поток ультрафиолетового излучения в десятки раз превосходил солнечный, что, естественно, не способствовало процветанию жизни. При попадании Солнца внутрь расширяющейся оболочки сверхновой плотность первичных космических лучей (высокоэнергичных частиц) также увеличивалась в десятки раз. Подобные явления были особо неприятными для существ с длительным сроком жизни (короткоживущие биологические формы менее подвержены мутациям), к числу которых относятся гигантские рептилии мезозоя.
В этой связи любопытно исследование, проделанное американскими учеными Э. Лейчем и Г. Вазиштом. Сопоставив движение Солнца по Галактике с перемещением спиральных рукавов, они заметили, что во время массовых вымираний (мел-палеогеновое, пермско-триасовое) Солнце находилось либо внутри рукавов, либо в непосредственной близости от них. Согласно расчетам этих ученых, следующее прохождение Солнца сквозь основной рукав произойдет лишь через «утешительные» 140 млн лет.
СМИ с удовольствием раздувают эти и другие «научные сенсации», преподнося гипотезы ученых чуть ли не как истину в последней инстанции. Но наука для того и существует, чтобы порождать гипотезы, проверять их, отбрасывать ложные и двигаться дальше. Нормальный ученый просто обязан генерировать гипотезы, а уж какие из них будут приняты, а какие отброшены, заранее никому не известно. Даже и принятая научным сообществом гипотеза, удовлетворяющая строгим научным критериям (объяснительная сила, принципиальная проверяемость), еще не гарантирует ее истинности. Если скорость движения Солнца относительно спиральных рукавов известна настолько неточно, что не вполне ясно, есть ли она вообще, то о каких прохождениях сквозь рукава и тем более о вымираниях можно говорить? Сами по себе массовые вымирания земной биоты – не аргумент. Они легко могут быть объяснены (и объясняются) чисто земными экосисгемными кризисами, не имеющими никакой связи с космосом, и объяснения эти подчас более убедительны, чем привлечение космических сил.
С другой стороны, если Солнце находится на таком расстоянии от галактического центра, что его орбитальная скорость в точности равна скорости вращения спиральных рукавов, это как-то обидно. Тогда возникает страшное подозрение, что для успешного развития высшей жизни и превращения ее в жизнь разумную необходимо строжайшее условие точно определенного расстояния до центра галактики – иначе ничего не выйдет? Думаю, многим тут захочется «включить» антропный принцип: мы являемся свидетелями процессов определенного рода, поскольку процессы иного рода проходят без свидетелей. То есть если бы Солнце имело орбиту, вынуждающую его время от времени проходить сквозь спиральные рукава, то читать эту книгу было бы некому, поскольку короткоживущие формы (скажем, мыши) не имеют шанса стать разумными и тем более грамотными.
Мне думается, страхи несколько преувеличены. Не исключен и даже вероятен «компромиссный вариант»: Солнце все-таки иногда проходит сквозь спиральные рукава, но, во-первых, ниоткуда не следует, что за время прохождения поблизости от нас взорвется звезда – это дело вероятностное, а во-вторых, между пролетами Солнца сквозь рукава (если такие пролеты имеют место в действительности) протекают сотни миллионов лет. Биологическая история Земли свидетельствует о том, что за это время жизнь имеет хорошие шансы развиться до уровня, предполагающего мыслительную деятельность. А коли так, то неужели мы не отыщем способов избежать пагубных последствий облучения, если сверхновая вспыхнет на опасном для нас расстоянии? Конечно, придется строить убежища, налаживать защиту всей инфраструктуры и не выходить без острой нужды на вольный воздух, но кто сказал, что в будущем у человечества не станет проблем? В наше время трудно найти благодушных утопистов…
Пока же наиболее вероятными кандидатами в сверхновые считаются красный сверхгигант Бетельгейзе (Альфа Тельца) и сверхмассивная звезда Эта Киля. Расстояние до обеих звезд весьма почтенное, и взрыв их ничем особенным нам не грозит. На какое-то время, исчисляемое неделями, на небе возникнет яркое светило, возможно, сопоставимое по яркости с Луной, затем светило поблекнет, а на его месте возникнет яркая расширяющаяся туманность – и только. Взрыва же ближайших к нам звезд (например, Сириуса) в обозримое время ожидать не следует.
Между прочим, в глубоководных осадочных породах в слое возрастом 5 млн лет содержится повышенное содержание редкого изотопа железа-60. Объяснить происхождение этого железа земными источниками не удается. Есть предположение, что около 5 млн лет назад Земля прошла сквозь оболочку сверхновой, вспыхнувшей в 100 световых годах от Солнца. И что же произошло с земной биотой 5 млн лет назад? Да в общем-то ничего экстраординарного…
По поводу орбитального движения Солнца в Галактике осталось сказать лишь то, что вызванное им наше движение среди звезд направлено в настоящую эпоху к созвездию Лиры.
Ну а что же сама Галактика? Она также движется, участвуя, во-первых, в общем расширении Вселенной, а во-вторых, в движениях, вызванных тяготением великого множества галактик, расположенных от нас на расстояниях до 300–500 Мпк.
Иногда спрашивают: если разлет галактик есть следствие Большого взрыва, то где же он произошел, в какой точке пространства? Ответ: ни в какой. В нашем трехмерном пространстве такого места просто нет. Хорошую иллюстрацию к сказанному иногда демонстрируют вузовские преподаватели, надувая воздушный шарик с нанесенными на него фломастером точками. Каждая точка – аналог галактики. Если представить себя на месте двумерных существ, не имеющих толщины и обитающих на поверхности шарика, то, с их точки зрения, расстояния между точками-галактиками будут все время увеличиваться по мере надувания шарика – но где будет расположена точка, из которой сформировалась их двумерная вселенная? В центре шарика, то есть вне границ их вселенной. Существа эти могут сколь угодно остроумно аргументировать свои построения математическими выкладками, но представить себе трехмерную вселенную для двумерного существа будет очень трудно: его мозг «заточен» эволюцией под другое, трехмерная вселенная лежит вне его бытовых представлений. Точно так же и мы способны в принципе понять, что четвертое пространственное измерение существовать может, но представить его себе – для этого нужны какие-то особые мозги, которыми люди в массе своей не обладают. Так что будет правильным считать, что галактики удаляются не от какой-то точки, а просто друг от друга, причем тем быстрее, чем дальше друг от друга они находятся (на измерениях лучевой скорости по красному смещению основан метод определения расстояний до галактик). Чтобы лучше это понять, важно запомнить: не галактики разлетаются в пространстве, а расширяется само пространство – совсем как поверхность воздушного шарика, надуваемого преподавателем перед студентами.
Впрочем, близко расположенные галактики, связанные узами взаимного тяготения, могут и приближаться друг к другу. Например, Туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,2 млн световых лет, приближается к нам со скоростью около 130 км/с и через несколько миллиардов лет пройдет рядом с нашей Галактикой, а может быть, и столкнется с ней по касательной. Никакого катаклизма, однако, не произойдет – лишь несколько нарушится спиральный узор, чтобы затем постепенно выправиться, да из звездно-газового «хвоста», который, возможно, протянется между расходящимися в пространстве галактиками, могут образоваться одна или несколько карликовых галактик. Подобные процессы при взаимодействии галактик действительно наблюдаются.
Наша Галактика, Туманность Андромеды, Туманность Треугольника, а также несколько мелких галактик и шаровых скоплений, не принадлежащих никакой галактике, образуют так называемую Местную группу. Она, как и ряд других подобных групп, находится на дальней периферии богатого скопления галактик в Деве. Судя по расстоянию до центра скопления (18 Мпк), мы должны удаляться от него со скоростью 1000 км/с, на деле же эта скорость на 290 км/с меньше, что легко объясняется тяготением скопления. Подобные же гравитационные эффекты обеспечивают нам Великая Стена и Великий Аттрактор – элементы крупномасштабной структуры Вселенной, расположенные от нас на расстоянии в сотни мегапарсеков и состоящие из большого числа скоплений галактик.
А впрочем, для нас на бытовом уровне расширение Вселенной примерно то же самое, что движение планет для инфузории, шустрящей в капле прудовой воды… Оставим же эту тему, вернемся в Солнечную систему и рассмотрим ее подробнее, начав, естественно, с главного ее тела.
6. Солнце
Заурядная звезда главной последовательности, каких миллиарды только в нашей Галактике, – вот что такое Солнце, если взглянуть на него объективно. Но разве большинству людей есть хоть какое-то дело до объективности, когда речь идет о главном светиле нашей системы, свет которого согревает нас и служит источником пищи через фотосинтез растений и плоть питающихся ими животных? Когда холодным росистым утром над горизонтом встает огненный шар и ласкает нас, озябших, своими лучами, любой человек, пустившийся в рассуждения о заурядном месте Солнца среди звезд, рискует нажить репутацию зануды. Солнцу мы обязаны самим феноменом жизни – и этим, казалось бы, все сказано. Недаром в честь Солнца люди исстари слагали стихи, молились ему, а нередко и приносили человеческие жертвы. Среди «солнечных» богов особой «любовью к людям», приносимым ему в качестве жертв, отличался ацтекский Кукулькан. Пытались не отстать и иные «солнечные» боги, имя им легион. Вряд ли на Земле был такой народ, который так или иначе не поклонялся Солнцу.
И разве надо объяснять, почему фараон-революционер Эхнатон выбрал в качестве единого божества не кого-нибудь, а Атона – бога солнечного диска?
То, что Солнце, какие бы антропоморфные или звериные обличья оно ни принимало в глазах наших простодушных предков, представляет собой нечто огненное, не сомневался никто. Это как раз тот случай, когда человек мог довериться своим органам чувств и в первом приближении не ошибиться. Правда, Солнце очень долго считалось спутником Земли, много меньшим земного диска (или даже шара), а великое прозрение Аристарха Самосского в III веке до н. э. насчет истинных размеров Солнца по отношению к Земле осталось лишь гласом чудака-одиночки вплоть до издания в 1515 году «Малого комментария» Николая
Коперника с первым изложением гелиоцентрической системы мира и указанием относительных расстояний планет до Солнца. Но параллакс Солнца был измерен лишь в 1671–1672 годах. Из него уже элементарно получалось точное расстояние до Солнца и его диаметр. Массу Солнца удалось оценить после открытия Кеплером законов движения небесных тел.
Вот современные цифры: масса Солнца равна 1,989 × 1030 кг, что примерно в 750 раз больше суммарной массы всех прочих тел Солнечной системы и в 333 тыс. раз больше массы Земли; диаметр Солнца равен 1,392 млн км, что в 109 раз больше диаметра Земли. Из этого следует средняя плотность 1,409 г/см3. Как видим, Аристарх Самосский несколько преувеличил размеры Солнца (конечно, если он имел в виду диаметр, а не объем или массу), но угадал порядок.
Но если с размерами и массой Солнца астрономам удалось разобраться, то причины его светимости оставались неясными вплоть до начала прошлого века. Предположение, что Солнце светит просто за счет тепловой инерции, как светится в темноте только что вынутая из горна железная заготовка на наковальне кузнеца, было сразу же отброшено как несерьезное. Простые расчеты показывали, что Солнце, не имеющее собственного источника энергии, остынет достаточно быстро – за вполне историческое время. Быть может, в Солнце идет горение какого-нибудь топлива вроде угля? Увы – несложные расчеты показали, что при наблюдаемой светимости угольное Солнышко прогорит в шлак всего за несколько тысяч лет.
Выход вроде бы нашел Г. Гельмгольц в середине XIX века: он предположил, что Солнце светит за счет медленного сжатия. Высвобождающаяся при этом энергия должна куда-то деваться, вот она и идет на поддержание высокой температуры и светимости Солнца. Правда, расчеты показали, что всего лишь несколько десятков миллионов лет назад радиус Солнца должен был превосходить радиус земной орбиты, и это сильно раздражало геологов, уже в те годы убежденных в том, что Земле минимум несколько сотен миллионов лет, но астрономов до поры до времени устраивало. Скорее всего – из-за отсутствия более приемлемых гипотез. Не принимать же всерьез гипотезу о светимости Солнца за счет непрерывного выпадения на его поверхность метеоров! А ведь была и такая.
С открытием А. Беккерелем явления радиоактивности появилось новое поле для выдвижения гипотез, и довольно скоро астрофизики пришли к выводу: причина светимости Солнца – ядерные реакции в его недрах. Какие именно реакции – было пока неизвестно, высказывалась даже гипотеза о том, что это радиоактивный распад (скажем, радия), но очень скоро была отвергнута. Радиоактивность – явление спонтанное, а было ясно, что внутри Солнца существует некая «отрицательная обратная связь», при помощи которой Солнце сохраняет свои характеристики на протяжении весьма значительного времени. Лишь в 30-е годы XX века было доказано, что внутри Солнца идут ядерные реакции синтеза.
Впрочем, основателя теории внутреннего строения звезд А. Эддингтона это не особенного волновало. Он исходил из двух постулатов: а) в центре звезды есть постоянно действующий источник энергии, причем его «физика» не имеет значения; б) вещество звезды подчиняется основным газовым законам. В обоих предположениях Эддингтон оказался прав: ядерные реакции действительно идут в центральной области Солнца, а его вещество в первом приближении ведет себя как идеальный газ. Сам же спектр солнечного излучения, как ни странно, напоминает спектр абсолютно черного тела, нагретого до 5779 кельвинов.
Газовый шар, находящийся в состоянии равновесия, – вот что такое звезда по Эддингтону. Равновесие это обеспечивается равенством двух противоположно направленных сил: силы тяготения, стремящейся сжать звезду в точку, и силы давления газа, стремящейся рассеять вещество звезды в пространстве. В зависимости от физических условий вещество звезды может пребывать либо в устойчивом состоянии, когда любое местное нарушение плотности, температуры и давления газа немедленно самоустраняется, либо в состоянии конвекции, которая заставляет вещество звезды буквально кипеть. На практике обе ситуации обычно реализуются в разных глубинных зонах одной и той же звезды.
Солнце не исключение. Его можно условно разделить на три вложенные друг в друга части, примерно равные по радиусу (рис. 20 на цветной вклейке). Во внутренней трети идут ядерные реакции на водороде, это зона энерговыделения. Промежуточная зона – область лучистого переноса энергии. Вещество Солнца здесь уже нагрето недостаточно для ядерных реакций, но еще имеет довольно высокую температуру, обеспечивающую газу прозрачность. Это не значит, что тут вообще не происходит перемешивания вещества, однако за транспортировку энергии отвечает главным образом лучистый перенос.
И наконец, третья, внешняя зона – это зона конвекции. Вещество в ней уже достаточно холодное, чтобы стать непрозрачным. Здесь слой солнечного вещества толщиной всего 1 мм практически полностью поглощает фотоны. Естественно, при этом происходит возбуждение атомов, которое потом «сбрасывается» за счет излучения атомами фотонов тех же или меньших энергий, но это – спонтанный процесс, его нельзя сделать сколь угодно быстрым. В результате энергия задерживается в веществе, и вещество оказывается в состоянии тепловой неустойчивости. Естественный и неизбежный выход в такой ситуации – перенос энергии из глубинных слоев к поверхности с помощью конвекции.
Какие же ядерные реакции идут в центральных областях Солнца?
Естественно, это термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Их известно две: прямая протон-протонная реакция и углеродно-азотный цикл Бете – Вайцзеккера. Каждая из них идет в несколько этапов. Рассмотрим обе.
Протон-протонная реакция начинается с того, что ядро атома водорода (протон) соединяется с другим таким же протоном, образуя ядро дейтерия. Это самый вялотекущий этап протон-протонной реакции. Почему? Чтобы понять это, рассмотрим состояние вещества в центре Солнца.
Естественно, мы не можем заглянуть туда. Лишь солнечные нейтрино, беспрепятственно пронзающие толщу солнечного вещества, доносят до нас кое-какую информацию. Но в целом о том, что делается в недрах Солнца, ученым известно лишь из численных моделей. При этом некоторые параметры остаются неизвестными. Трудно сказать, сколько водорода в центре Солнца успело превратиться в гелий за время существования нашего светила. Трудно сказать, идет ли там перемешивание вещества, а если идет, то с какой интенсивностью. Приходится строить модели с разными «вводными». К счастью, в основе они не очень сильно отличаются друг от друга.
Температура вещества в центре Солнца достигает 14–15 млн К. Плотность газа составляет 140–180 г/см3. При этом вещество в центре Солнца остается газом, причем не вырожденным, как в белых карликах, а наоборот, близким к идеальному газу. Следовательно, к нему могут применяться классические газовые законы.
Сказанное может повергнуть в легкую оторопь: вещество с плотностью, на порядок превышающей плотность тяжелых металлов, и давлением в 340 млрд атмосфер – газ, да еще идеальный? И тем не менее это так. Почти. Вспомним, что такое идеальный газ. Это газ, в котором столкновения частиц сводятся к абсолютно упругим соударениям без какого бы то ни было иного взаимодействия между ними. Сейчас мы поймем, что в недрах Солнца почти так и есть.
Чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания и слипнуться в ядро дейтерия, хотя бы одному из двух протонов надо иметь энергию порядка 1000 кэВ. Распределение энергий частиц в газе, как мы знаем из школьного курса физики, максвелловское, то есть количество высокоэнергичных частиц падает по гиперболическому закону. Если подсчитать среднюю энергию протона в центре Солнца, то она составит всего-навсего 1 кэВ. Частиц с энергией 1000 кэВ просто не будет. С точки зрения классической физики, звезды типа нашего Солнца и менее массивные, чьи недра нагреты слабее, излучать за счет ядерных реакций не могут.
Но звезды все же излучают, а значит, природа нашла выход из положения. Согласно законам квантовой механики, протоны, имеющие энергию значительно меньше требуемой, скажем, 20 кэВ, все-таки могут с вероятностью, отличной от нуля, реагировать друг с другом. И протоны с такими энергиями в центре Солнца уже есть.
Их мало, конечно. И невелика вероятность реакции между двумя протонами с энергиями всего-навсего в десятки килоэлектронвольт, причем с уменьшением энергии частиц вероятность реакции между ними резко падает. (Именно поэтому главная последовательность диаграммы Герцшпрунга – Рессела идет круто вниз в области красных карликов.) Подсчитано, что в условиях солнечных недр любой случайно выбранный протон вступит в реакцию со своим собратом в среднем через 10 млрд лет.
Казалось бы, чудовищный срок. Однако это именно то, что надо для обеспечения современной светимости Солнца. Вероятность реакции между протонами крайне низка, зато протонов очень много, так что в результате мы на Земле не особенно мерзнем. А кто жалуется на холод, тот пусть спросит бедуина в аравийской пустыне, холодно ли ему днем. Вопрошающему повезет, если ему попадется бедуин, наделенный чувством юмора.
Следующий этап протон-протонной реакции, напротив, идет очень быстро, в среднем за 5 с. Столько времени нужно, чтобы ядро дейтерия поглотило еще один протон и превратилось в ядро гелия-3. И наконец, на третьем этапе два ядра гелия-3 сливаются, образуя ядро гелия-4 и два протона. На это в среднем уходит «всего» миллион лет.
Запишем этапы реакции:
1Н + 1Н → 2D + позитрон + нейтрино + 1,44 МэВ (1010 лет)
2D + 1Н →3Не + гамма-квант + 5,49 МэВ (5 секунд)
3Не + 3Не →4Не – ИН +1Н + 12, 85 МэВ (106 лет)
Не вся высвободившаяся в результате этой цепи реакций энергия передается звезде – часть ее уносят нейтрино. Все же при образовании одного ядра гелия звезда получает 26,2 Мэв, или 4,2 х 10-5 эрг.
Существует – причем не только в теории, но и в реальности – и другая ветвь той же реакции. Ядро гелия-3 может прореагировать с ядром обычного гелия-4, после чего образуется ядро бериллия-7. Это ядро может захватить протон и превратиться в ядро бора-8 или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае ядро бора-8 претерпевает бета-распад, превращаясь в ядро бериллия-8 с попутным образованием позитрона и нейтрино. (Именно эти солнечные нейтрино были впервые обнаружены на перхлорэтиленовом детекторе; об этом ниже.) Бериллий-8 весьма неустойчив и быстро распадается на два ядра гелия-4. Во втором случае, когда образуется ядро лития-7, оно захватывает протон и опять-таки превращается в бериллий-8, который охотно распадается на две альфа-частицы (ядра гелия-4). Словом, на какие бы ухищрения природа здесь ни шла, какие бы варианты реакций ни предлагала, в результате водород все равно превращается в гелий, выделяя при этом энергию.
Углеродно-азотный цикл состоит из шести реакций:
12С +1Н → 13N + гамма-квант + 1,95 МэВ (1,3 х 107 лет)
13N → 13С + позитрон + нейтрино + 2,22 МэВ (7 минут)
13С + 1Н → 14N + гамма-квант + 7,54 МэВ (2,7 х 106лет)
14N + 1Н → 15O + гамма-квант + 7,35 МэВ (3,2 х 108 лет)
15O → 15N + позитрон + нейтрино + 2,71 МэВ (82 с)
15N +1Н → 12С +4Не +4,96 МэВ (1,1 х 105 лет)
В этом цикле ядерных реакций на одно получившееся ядро гелия выделяется (без учета нейтрино) 25 МэВ энергии.
Как видим, цикл состоит из четырех актов присоединения протона и двух бета-распадов. Углерод, участвующий в цикле, в конце его восстанавливается и не тратится, являясь, таким образом, «катализатором» реакции. Без углерода этот цикл просто не пойдет, как не шел он в самых первых звездах Вселенной, где углерода еще просто не было (напомню: он вырабатывается в «тройной гелиевой реакции» из ядер гелия в недрах красных гигантов и сверхгигантов при температурах свыше 100 млн К). Внутри Солнца, образовавшегося из космического вещества, уже обогащенного тяжелыми элементами, углерод, естественно, присутствовал с самого начала.
Обе эти группы реакций весьма чувствительным образом зависят от температуры. Скорость протон-протонной реакции в диапазоне температур 11–16 млн К зависит от температуры в четвертой степени, и это еще куда ни шло. Скорость же углеродно-азотного цикла зависит от температуры куда более сильно: степени этак в пятнадцатой. Поэтому в маломассивных красных карликах реакции углеродно-азотного цикла вообще не идут. И наоборот: в массивных горячих звездах главной последовательности идут, конечно, оба типа реакций, но главенствует углеродно-азотный цикл, а протон-протонная реакция идет к нему несущественным «довеском».
А как же Солнце? Лет 60 назад считалось, что единственным источником его излучения служит углеродно-азотный цикл. Теперь стало ясно, что он играет подчиненную роль, а основное энерговыделение в центре Солнца обеспечивает все же протон-протонная реакция. Для того чтобы углеродно-азотный цикл «развернулся вовсю», внутри Солнца просто не хватает температуры.
И это отрадно: в противном случае жизнь в Солнечной системе могла бы и не возникнуть вовсе, а если бы и возникла, то не на Земле, а подальше от чересчур мощного центрального светила, скажем, на Марсе, куда менее приспособленном для биологической эволюции…
В результате ядерных реакций энергия выделяется в виде гамма-квантов. Теперь даже дети знают, что гамма-излучение губительно для всего живого. И тем не менее мы живем не в подземных убежищах, а на воздух выходим чаще днем, чем ночью, и притом без свинцовых зонтиков. Дело в том, что по пути из глубины Солнца к поверхности кванты «худеют» – так, во всяком случае, сказано в некоторых научно-популярных книжках. Автор не знает, что такое «худой» или «толстый» квант, и категорически отказывается принимать эту метафору. Лучше сказать, что вместо одного высокоэнергичного кванта до поверхности Солнца доходит целая уйма гораздо менее энергичных квантов. Ведь какой-нибудь атом солнечного вещества, поглотив высокоэнергичный квант и перейдя в сильно возбужденное состояние, чаще всего избавляется от него не сразу, а постепенно, излучая менее энергичные кванты в соответствии с «нарезкой» своих квантовых уровней и мало-помалу возвращаясь в исходное состояние. Естественно, на этом теряется время. Не взаимодействующие с веществом нейтрино вырвутся из глубин Солнца на поверхность за какие-нибудь две секунды, а гамма-квант (имеется в виду не фотон, а именно порция энергии) будет долго «просачиваться» к поверхности Солнца, чтобы быть излученным в пространство в виде многих квантов оптического, инфракрасного, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов. Максимум излучения приходится на желтый участок видимого диапазона, что мы и наблюдаем. Время «просачивания» измеряется миллионами лет.
Но вот наконец кванты добрались до поверхности Солнца и были излучены. Правда, что такое поверхность Солнца – не вполне ясно. То, что мы видим, наблюдая Солнце сквозь темные очки, закопченное стекло или какой-нибудь фильтр, называется
Вся поверхность фотосферы покрыта
Поделиться книгой: