Помоги проекту - поделись книгой:
«В 850 году до нашей эры климат внезапно изменился, и одновременно с этим образование радиоактивного углерода пошло очень быстрыми темпами, достигнув пика в 760 году до н. э. Тот факт, что никто не знает наверняка, как изменения Солнца воздействуют на климат, никоим образом не оправдывает тех, кто отрицает это влияние»[8].
Пока народ Фрисландии страдал от холодов, лед усиленно трудился, поставляя горы мусора на североатлантическое дно, так что отложения того времени, которые мы можем оценить сегодня, превышают те, что оставил после себя минимум Маундера. Но это и близко не похоже на то, что случалось еще раньше. Сейчас наша история должна вернуться назад, во времена, когда такие резкие, но относительно краткосрочные перемены климата накладывались на продолжительные изменения, связанные с главными ледниковыми периодами, которые происходят обычно каждые сто тысяч лет. Согласно теории, обретшей популярность еще в 1970-е годы, медленные ритмы ледниковых периодов задает сама Земля, точнее, ее движение по орбите. А вот кратковременные похолодания как раз связаны с вариациями солнечной активности, влияющими на потоки космических лучей.
О бешеной пляске климата в далекие времена впервые стало известно в 1980-е годы, когда Хартмут Хайнрих из Германского гидрографического института в Гамбурге исследовал керны, поднятые со дна Северной Атлантики — в той области океана, которая прилегает к Европе. В отложениях, соответствующих последней ледниковой эпохе, которая закончилась 11,5 тысячи лет назад, он различил одиннадцать разных слоев, богатых кварцевым песком. В шести случаях Хайнрих обнаружил фрагменты камней, начавших свое путешествие в очень далеких местах, причем самые ранние фрагменты льды доставили 60 тысяч лет назад, а самые поздние — 17 тысяч лет назад.
Студент из Швейцарии Рюдигер Янчик проследил путь этих камней обратно к их месту рождения. Его не удивило то, что обломочные породы приплыли из Норвежского моря и Гренландии. Самое любопытное заключалось в другом: родиной белых вкраплений карбонатной породы оказалась северная Канада. Хайнрих был крайне поражен результатами:
«Мы часто представляли себе огромные флотилии айсбергов, разваливающихся посреди моря. Они, вероятно, плыли из Северной Америки через Атлантику, перед тем как оставить свои обломки у наших берегов. И обломочный материал рассказывал нам такие истории, которые тогда нельзя было найти ни в одном учебнике климатологии»[9].
Климатические условия, когда льды путешествовали по океанам и сбрасывали свой груз на морское дно, получили название «события Хайнриха». Во время таких событий в северной части Атлантического океана внезапные похолодания на несколько градусов могли случаться не единожды в течение одной человеческой жизни, а результаты ощущались далеко за пределами Атлантики. Например, на Ближнем Востоке, как показали недавние исследования, уровень воды в озере Лисан, находившемся на месте современного Мертвого моря, сильно упал во время событий Хайнриха, и это позволяет предположить, что дождей тогда было крайне мало.
События Хайнриха отражают настолько кардинальные изменения климата, что к ним и наши предки не были приспособлены, и наши потомки вряд ли окажутся готовы. Поэтому «ледовый рафтинг» и обстоятельства, сопутствующие ему, заслуживают самого пристального изучения. Самая большая в мире коллекция образцов океанического грунта хранится в геофизической обсерватории Ламонт-Доэрти Колумбийского университета, и именно там в 1995 году геолог Джерард Бонд принялся за более тщательное изучение североатлантических образцов.
Миллиметр за миллиметром Бонд рассматривал донные отложения, выискивая в них чужеродные примеси. Под его внимательным взглядом события Хайнриха стали еще более интересными. Бонд обнаружил среди белых карбонатных пород, происходящих из области Гудзонова пролива, что в северной Канаде, красноватые фрагменты гематита «родом» с берегов реки Святого Лаврентия, а это уже южная Канада. Вулканическое стекло, черное и полупрозрачное, попало из Исландии. Таким образом, в одно и то же время айсберги доставляли породы из самых разных и весьма удаленных мест. Некоторые айсберги смогли доплыть даже до северо-западной Африки, перед тем как растаять и сбросить свой груз.
Бонд работал на пару со своей женой, Расти Лотти, и они обнаружили куда больше доказательств ледового рафтинга, чем раскопал Хайнрих на северо-востоке Атлантики. В других частях океана они были даже более заметными. Иногда красные фрагменты с берегов реки Святого Лаврентия и черные из Исландии ясно выделялись, в то время как обычно более приметные белые гранулы из Гудзонова пролива отсутствовали. Многообразие материала говорит о том, что события Хайнриха оказались самыми тяжелыми моментами за весь цикл, неоднократно повторявшийся в истории Земли.
Бонд также выяснил, что подобные события происходили и позже, в конце ледникового периода, когда в общем-то было уже теплее. Геологам давно известно, что значительное потепление, пришедшее на смену оледенению, было вновь прервано 13 тысяч лет назад, когда возвратился суровый холод, — этот период получил название «поздний дриас». Океанические осадочные породы наглядно демонстрируют, что в то время льды тоже активно бороздили просторы океанов, оставляя после себя белые гранулы и похожий мусор.
События, происходившие после ледникового периода, оставили менее яркие отложения — в основном это пыль, попавшая с ветром с северных земель и островов на айсберги, а уже затем привезенная ими южнее. Зато эти отложения показывают устойчивый ритм, и в некоторых из них мы находим больше обломков с дрейфующих льдов, чем в малый ледниковый период. Кроме следов уже упоминавшихся событий 800 года до н. э., морское дно надежно хранит информацию об оледенениях, хорошо знакомых геологам и археологам, — такие оледенения произошли, например, в 6300 году до н. э. и в период с 3600 по 3300 год до н. э. Когда в Северной Атлантике наступали похолодания, в нижних широтах наблюдалось сокращение количества атмосферных осадков. Если вы интересуетесь возможными связями между климатом и жизнью людей, то вам будет любопытно узнать, что именно в середине IV века до н. э., когда в Месопотамию пришел холод, были изобретены специальные послания в глиняных «конвертах», предохранявших от сырости самые ранние из известных платежных извещений.
Последствия похолодания, пик которого пришелся на 1300 год до нашей эры, были весьма разнообразны и широкомасштабны. В то время как морской лед сбрасывал свои грязные обломки в Атлантике, на восточное Средиземноморье обрушилась засуха. Городские культуры микенцев в Греции и хеттов в Анатолии погибли. Когда Нил обмелел, евреи совершили исход из Египта. Грабители и пираты подорвали торговлю оловом, и человечество принялось экспериментировать с новыми материалами — железом и сталью (особенно ярко это видно на примере Кипра), — пытаясь найти замену бронзе.
Мы убедились, что все похолодания связаны с «ленивым» Солнцем и большим количеством космических
Бер — специалист по истории Солнца, прослеживающий его поведение с помощью радиоактивного бериллия-10. Атомы радиоактивного бериллия образуются в атмосфере под воздействием космических лучей, и у них более долгий период полураспада, чем у углерода-14. К тому же бериллий-10 не только не поглощается живыми существами, но и не участвует в сложных циклах двуокиси углерода в атмосфере и океане. Бериллий-10 неспешно ложится атом за атомом на льды Антарктики и Гренландии, и снег надежно хранит их, поэтому он является для нас необычайно ценным ключом к поведению Солнца на протяжении сотен и тысяч лет.
Благодаря героическому бурению в самых холодных районах Земли и кропотливому изучению льда, доставленного в лаборатории, нам сейчас доступны долгие хроники изменений климата, и мы можем исследовать их возможные причины. Слои льда не только записали изменения температур, но и сохранили атомы бериллия-10 и следы вулканических извержений и газов, таких как двуокись углерода и метан.
Хотя Бер и не соглашался со Свенсмарком в том, что заряженные частицы и облака воздействуют на погоду, он не отрицал роли Солнца в изменениях климата. Известно, что космические лучи — индикатор солнечного поведения, и Бер, анализируя керны гренландского льда, заметил, что пики образования бериллия-10 четко совпадают с событиями «дрейфующих льдов», которые были четко датированы Бондом и его группой в докладе 2001 года:
«Выявленные нами соотношения доказывают, что за последние двенадцать тысяч лет увеличение числа плавучих льдов было связано с отчетливыми периодами меняющейся и, в общем, уменьшающейся солнечной активности»[10].
В промежутках между резкими похолоданиями, соответствующими событиям Хайнриха, и событиями «дрейфующих льдов» Бонда случались внезапные потепления, что обнаружили Вилли Дансгор из Копенгагена и Ганс Ошгер из Берна, когда они внимательно изучили керны, добытые из глубин гренландского ледового щита. Варьирование процентного содержания тяжелого кислорода во льду — это отчетливый показатель температурных изменений. На двух буровых площадках, размещенных на ледовом щите и довольно далеко отстоящих друг от друга, были получены керны льда, формировавшегося в течение 30 тысяч лет: самые ранние слои в этих кернах образовались 45 тысяч лет назад, самые поздние — 15 тысяч лет назад, иначе говоря, этот лед откладывался в самый разгар последнего ледникового периода. Ученые, исследовавшие керны, едва ли не воочию убедились в том, что за этот период было не менее десяти внезапных сильных потеплений, каждое из которых длилось несколько сотен лет.
Более близкие к нам по времени потепления — это как раз те, когда льды уходили с перевала Шнидейох и уступали дорогу людям. Ученые также распознали относительно умеренные скачки температуры — такие как малый ледниковый период, оказавшийся, к счастью, гораздо менее суровым, чем события Хайнриха. А разве сегодня Земля неуязвима перед лицом резких похолоданий?
Два последних температурных рывка вверх — это средневековое потепление и «глобальное потепление» двадцатого века. В 1000–1300 годах нашей эры мир был столь же теплым, как и сегодня, если не еще теплее. На это время пришлись зенит могущества викингов в Северной Атлантике и расцвет культуры и науки на Востоке. Для Китая период стал столь благодатным, что население его удвоилось всего за сто лет, а благополучие Европы выразилось в повсеместном строительстве соборов.
Щедрая деятельность Солнца обуздала приток космических лучей и была, очевидно, связана и со средневековым теплым периодом, и с потеплением двадцатого века. Контраст по сравнению с высоким уровнем космических лучей в малый ледниковый период дает ошеломительную картину смены солнечных настроений. Согласно данным Бонда, за 12 тысяч лет количество обломочного материала с дрейфующих льдов в Атлантике значительно сокращалось всего лишь восемь раз — так, например, это случилось в средневековый теплый период. Общие черты, характерные для наиболее резких чередований жизненных условий в последнюю ледниковую эпоху, когда климат менял курс и устремлялся то к холодным событиям Хайнриха, то к теплым эпизодам Дансгора-Ошгера, не оставляют сомнений в том, что причиной всему были изменения на Солнце.
Современные люди, пришедшие из Африки, совершили свое опасное переселение в Западную Европу во время потепления Дансгора-Ошгера около 35 тысяч лет назад. Пришлые кроманьонцы вскоре вытеснили аборигенов-неандертальцев. Вне всяких сомнений, на север и запад Европы переселенцев привлекли более теплые условия. Но их потомкам пришлось кататься на климатических «американских горках», так как еще до того, как закончился ледниковый период, произошло шесть значительных похолоданий и потеплений. И выдерживать экзамен на храбрость и сообразительность людям пришлось не только в Евразии, потому что количество выпадающих осадков менялось кардинально и отразилось на жизни в каждом уголке земного шара.
Поздний дриас, начавшийся 13 тысяч лет назад, был, возможно, особенно утомительным. Как уже упоминалось раньше, этот период наступил как раз тогда, когда ледниковый период, казалось, уже заканчивался. Данные радиоактивного углерода за этот период говорят, что на Землю проникло гораздо больше космических лучей, чем обычно, и холодные условия вернулись. Обломки с плавучих льдов щедро усеяли атлантическое дно, и, почувствовав второе дыхание, ледники сокрушили леса, привлекавшие людей в долины более комфортными условиями.
Осадков в Африке выпадало все больше, пока наконец все это не привело к неожиданному концу в позднем дриасе, когда на континент вползла засуха, иссушив озера и реки. В поселении Тель Абу-Хурейра, что находилось на южном берегу реки Евфрат (ныне — северная Сирия), жители нашли новый способ справляться с трудностями, внезапно на них обрушившимися. Именно там Гордон Хиллман и его коллеги из Лондонского института археологии обнаружили доказательства самого великого открытия доисторического периода: человек научился выращивать дикие зерновые, первоначально рожь и пшеницу.
«Главным побудительным фактором, способствовавшим этому нововведению, было то, что во время засухи позднего дриаса резко сократилось количество важнейших дикорастущих средств пропитания. Начало возделывания почвы и разведения растений послужило основой для последующего развития и быстрого распространения комплексной агропастбищной экономики»[11].
Возьмем на заметку, что всплеск космических лучей имел важнейшие последствия для жизни людей. Можно проанализировать и другие примеры того, как изменения климата отразились на жизни человечества. Во время ледникового периода современные люди постепенно расселялись, занимая территории Австралии и Сибири, и наконец добрались до Северной Америки. Как же связаны их путешествия и вечно меняющиеся климатические условия — то события Дансгора-Ошгера, то события Хайнриха, — да еще в разных частях нашей планеты?
До этого великого расселения климат сделал свой первый глубокий нырок в «ледяную прорубь» более чем 70 тысяч лет назад. Ученые пытались ответить на вопрос, что именно тогда произошло. Неужели пепел, взметнувшийся в небо во время извержения вулкана Тоба на Суматре — извержения, произошедшего 74,5 тысячи лет назад, — окутал мир тьмой и холодом, повергнув его в вулканическую зиму? Быть может, население Земли сократилось настолько, что все мы — потомки лишь нескольких выживших в той катастрофе?
Как бы ни были увлекательны эти предположения, доказательства весьма противоречивы. Если человечество было почти стерто с лица Земли, многие другие виды также должны были пострадать, однако тому нет подтверждений. Что касается климатического воздействия вулкана Тоба, то взрыв был настолько мощным, что пепел засыпал даже Индию, и, должно быть, выброс в стратосферу был также огромен. Тайваньские геологи нашли следы предыдущего сверхизвержения Тоба. Оно произошло 790 тысяч лет назад и было в два раза слабее последующего. Но тогда извержение сопровождалось значительным потеплением, и ледниковые температуры уступили место межледниковым условиям. Возможно, на небольшой срок и похолодало, но это, очевидно, никаких долгосрочных последствий не вызвало, и на сегодня следы того похолодания не обнаружены.
Свидетельства деятельности Тоба мы находим на буровых площадках Гренландии и Антарктики. Подсчеты уровня содержания во льду тяжелого кислорода, или кислорода-18,— хороший индикатор температур, господствовавших в те времена, когда древние слои льда формировались из выпавшего снега. В отличие от углерода-14 изотопы кислорода — это не продукт деятельности космических лучей, а относительно редкий компонент изначального земного запаса кислорода. Молекулы воды, в которые входит тяжелый кислород, более медлительны в своем поведении, чем молекулы, содержащие обычный кислород-16, и это делает их более заметными в холодных условиях. Таким образом, количество изотопов тяжелого кислорода в ледниковых щитах колеблется в зависимости от температуры.
Пробы гренландского льда однозначно указывают на кратковременный прогиб температур во время извержения Тоба, то есть около 74,5 тысячи лет назад. Однако намного более экстремальное погружение в холод началось тысячу лет спустя и совпало с сильным потеплением в Антарктике. Для Свенсмарка такой контраст между севером и югом — это знак того, что климатом управляют облака. Очевидно, что воздействие интенсивных космических лучей было сильнее и продолжительнее, чем влияние любого вулкана, пусть даже и Тоба.
Но если человечеству в тот момент и не угрожало вымирание, резкие скачки климата, случавшиеся из-за внезапных перепадов в солнечном настроении, постоянно мучили наших предков. В течение одной человеческой жизни можно было ощутить и взрывы тепла, и удары холода. Они шли длинной чередой, словно Природа разработала специальные тесты на умственные способности, маня людей надеждой на потепление и подгоняя кнутом холода, и лишь интеллект и умение приспосабливаться помогали человечеству выжить. Археологам все еще предстоит проследить различные связи между генетикой, миграцией людей, технологиями и изменениями климата. Но среди тысяч поколений людей мы — быть может, первые, кто испугался потепления.
В 2005 году умер Джерард Бонд, кропотливо изучавший события «дрейфующего льда» в Атлантике, но он оставил нам в наследство данные, ясно свидетельствующие о том, что Природа была в силах часто и кардинально менять климат задолго до промышленной революции. Вместе с данными Юрга Бера о бериллии-10 результаты исследований Бонда не оставляют возможности ни одному здравомыслящему человеку отрицать важную роль Солнца в изменениях климата, к которым относится и большая часть потеплений, начиная с малого ледникового периода и до начала двадцать первого века.
Впрочем, сам Бер так и не согласился со Свенсмарком. Он не считал, что космические лучи — это нечто большее, чем просто показатель солнечной активности, и что именно они приводят в действие климатический механизм, формируя облака. И это было не просто его желание считать солнечное излучение главной движущей силой климата — Бер нашел весомый аргумент против теории Свенсмарка. Он обнаружил, что космические лучи могут быть вовсе не причастны к изменениям климата, если приток заряженных частиц регулирует не Солнце, а другой щит, удерживающий космических гостей в отдалении, — собственное магнитное поле Земли.
Эдмунда Галлея мы знаем как ученого, правильно предсказавшего возвращение кометы, названной впоследствии в его честь, но вообще он был весьма разносторонним исследователем. Помимо изучения звезд, он также участвовал в океанографических экспедициях и, составляя карту магнитных полей Земли, заметил, что поля постоянно меняют свое положение. До 1656 года, когда родился Галлей, компасы кораблей, курсировавших в Ла-Манше, указывали вместо севера на восток. К 1700 году стрелки уже показывали на запад, и если бы опытные шкиперы вели суда на юг по каналу, традиционно полагаясь на компас, они непременно разбились бы о пользовавшиеся дурной славой скалы Каскетс. Галлей убедил моряков подкорректировать курс на один румб, то есть на 11,25 градуса.
Перемотаем пленку истории вперед на триста лет, и мы увидим, как преемники Галлея по геомагнетической науке беспокоятся, что напряженность поля Земли после двух тысяч лет медленного и постепенного ослабления вдруг стала резко падать. Команда французских и датских ученых сравнила замеры, сделанные датским спутником «Эрстед» в 2000 году, с аналогичными данными, только полученными двадцатью годами ранее американским спутником «Магсат». Они обнаружили, что геомагнитное поле слабеет очень быстро, и простые арифметические подсчеты предсказывают полное его исчезновение приблизительно через тысячу лет.
Пятно над Южной Атлантикой, где поле практически бездействует и спутники особенно беззащитны перед солнечным излучением, ширится в сторону южной части Индийского океана. Ослабление магнитного поля создает большие неудобства для конструкторов летательных аппаратов. Геологическая служба Канады сообщает, что скорость перемещения северного магнитного полюса в последнее время возросла и ныне составляет 40 километров в год. Специалисты гадают, уж не собирается ли наша планета поменять местами северный и южный магнитные полюса.
Так уже не раз случалось в прошлом, причем через неравные промежутки времени, о чем говорят узкие полосы намагниченной породы на дне океана и в древних потоках лавы на земле. Последний случай, когда ваш компас показывал бы строго на юг, вместо того чтобы показывать на север, был 780 тысяч лет назад, перед тем как произошло событие, известное как инверсия Матуяма-Брюнес. Эти события длятся довольно долго: поле ослабевает в течение тысячи лет и даже больше, а затем ему требуется столько же времени, чтобы восстановиться, но уже в «перевернутом» виде.
Если бы Земля потеряла на некоторое время большую часть своей магнитной силы и перестала обороняться от галактического излучения, имело бы это значение? На первый взгляд ответ кажется очевидным — нет, не было бы никакого заметного вреда. Инверсии геомагнитного поля были открыты в начале двадцатого столетия Бернаром Брюнесом из Франции и Мотонори Матуямой из Японии. С тех пор многие ученые искали хоть какие-то знаки, что такие события имели значимые последствия, но — безуспешно. И пусть вы пытаетесь вообразить, как сильно, наверное, были обескуражены перелетные птицы и другие животные, путешествующие по врожденному магнитному «компасу», тем не менее земные породы не сохранили в своей памяти свидетельств хоть сколько-нибудь серьезных изменений климата, вызванных этими магнитными переключениями.
Незадолго до бронзового века, приблизительно за 5000 лет до нашей эры, магнитное поле Земли также стало ослабевать. Образование радиоактивных атомов ускорилось по сравнению с прошлыми столетиями, но снова не было явного воздействия на климат. Даже напротив, это был самый теплый момент с той поры, как закончился последний ледниковый период.
Иногда кажется, что Земля пытается поставить свое магнитное поле с ног на голову, но все ее попытки проваливаются. Полюса начинают быстро перемещаться, поле сильно ослабевает, в затем все вновь возвращается на свои места. Об одном таком эпизоде в истории Земли ученым рассказали вулканические породы Шен-де-Пюи во Франции. Это был так называемый экскурс Лашамп, случившийся 40 тысяч лет назад, в самый разгар ледникового периода. Тогда сила геомагнитного поля была в десять раз меньше, чем сегодня.
Группа ученых из Швейцарского федерального института окружающей среды и технологий, возглавляемая Юргом Бером, провела специальные исследования ледниковых кернов, добытых с самой глубокой точки гренландского ледового щита. Они обнаружили, что по мере ослабевания магнитного поля Земли количество изотопов бериллия-10 и хлора-36, образующихся под воздействием космических лучей, увеличилось более чем на 50 процентов. И несмотря на это увеличение, никакого похолодания не последовало.
Что делает этот результат красивым и особенно убедительным, так это то, что индикаторы господствующих температур — обильные количества тяжелого кислорода и молекул метана — находятся в тех же слоях льда, что и индикаторы притока космических лучей. И поскольку нет необходимости искать дополнительные данные где-нибудь еще, эпизод Лашамп, запечатленный льдами Гренландии, подвергает предполагаемую связь между космическими лучами и климатом серьезному испытанию.
Когда в 2001 году Бер и его коллеги докладывали о результатах своих исследований, они отмечали, что, согласно теории Свенсмарка, значительное увеличение космических частиц должно было бы увеличить облачный покров Земли и сильно остудить ее, однако известно, что ничего подобного не произошло. В 2005 году Бер еще раз подтвердил свое мнение:
«Если гипотеза датских ученых верна, облачность в тот период должна была увеличиться и привести к очень ощутимому похолоданию. Наши результаты определенно опровергают „облачную“ гипотезу. Так как все параметры получены из одного ледового слоя, этот важный результат не зависит от точности датировки самого керна»[12].
Это был очень серьезный аргумент против любой тесной связи между космическими лучами, облаками и климатом. Другие исследователи — те, кто поддерживал идею о важной роли Солнца в климатических переменах, — во многом разделяли точку зрения Бера. Ваш покорный слуга, Колдер, был одним из тех, кто находился под сильным впечатлением от гипотезы Свенсмарка. Однако и он был всерьез озадачен возникшим препятствием и провел много времени в бесплодных попытках отыскать хоть какой-нибудь знак, что климат все-таки поменялся, после того как Земля уронила свой магнитный щит. Так как экскурс Лашамп противоречил самой сути теории, излагаемой в этой книге, мы должны дать очень четкий ответ. И значит, надо более внимательно взглянуть на то, как космические лучи попадают к нам.
2. Приключения космических лучей
Остатки сверхновых разбрызгивают вокруг себя космические лучи.
В галактике Млечный Путь они играют совершенно неожиданную роль.
Магнитные поля Солнца и Земли отбрасывают часть космических лучей.
Атмосфера служит препятствием почти для всех заряженных частиц, за исключением лишь тех, которые обладают высокими энергиями.
Космические лучи, влияющие на климат, насмехаются над магнитным полем земли.
Благодаря отважным исследователям, поднявшимся высоко в небо, чтобы провести свои опыты в 1911–1912 годах, мы узнали, что чем выше вы поднимаетесь, тем сильнее становится электропроводность воздуха. Отважный Виктор Гесс из Института исследований радия Венской Академии наук отнес этот эффект на счет того, что он называл «высотной радиацией», die Höhenstrahlung. Роберт Милликен из Чикагского университета ошибочно полагал, что это гамма-лучи, и переименовал виновника, то есть космические лучи, в «сверхрентгеновские», по аналогии с уже открытым радиоактивным излучением. Вскоре выяснилось, что это заряженные частицы, в том числе и некоторые виды, неизвестные ранее.
В течение сорока лет космические лучи находились в авангарде фундаментальной физики, щедро одаривая ученых Нобелевскими премиями. Когда почти все субатомные частицы, полученные с помощью ускорителей, были открыты, эстафетная палочка по изучению космических лучей перешла к тем исследователям космоса, у которых была возможность «перехватить» их в первозданном виде за пределами атмосферы. За изучение происхождения и роли этих частиц на космической кухне взялись астрономы. Наконец-то появилась возможность с большой долей уверенности описать полную историю приключений космических лучей, начиная с взрывного рождения первичных лучей до того момента, когда вторичные космические лучи пройдут сквозь воздух и наши тела и «растворятся» в геологических породах.
В 2003 году на одной широкой африканской равнине около города Виндхук (Намибия) близилась к завершению работа по созданию группы из четырех необычных телескопов. Но даже до того, как был готов последний из них, телескопы, работающие попарно, смогли увидеть, как происходит образование заряженных частиц на космических «фабриках» — в остатках взорвавшихся звезд. Ученые давно это предполагали, но, пока не появились новые результаты из Африки, подтверждений тому было недостаточно.
Трудность в том, что космические лучи — это заряженные частицы. Магнитные поля в Галактике и в непосредственной близости от Солнца и Земли заставляют их отклоняться от первоначального пути. И к тому времени, когда мы можем обнаружить эти частицы по соседству с нами, они поступают равномерно с разных сторон. Направление их движения говорит нам не больше о том, откуда они начали свой путь, чем полет мясной мухи.
Астрономы все же не теряли надежды отыскать места зарождения космических лучей. Когда частицы сталкиваются с атомами в космическом пространстве, они в том числе производят гамма-лучи. То есть там, где сконцентрировано много космических лучей, там гамма-излучение должно быть сильнее. И так как гамма-лучи — это форма света, они летят из своего источника к Земле по прямой, как и любой другой видимый свет.
Обычное космическое гамма-излучение, испускаемое радиоактивными элементами, могут зафиксировать наши спутники. В отличие от него гамма-лучи, выходящие из «фабрик по производству космических лучей», должны быть в тысячу раз сильнее. Чтобы их обнаружить, нужны большие телескопы, способные уловить отблески излучения в небе. Когда космические лучи вонзаются в атмосферу, они разгоняют электроны до скорости большей, чем скорость света в воздухе, и те в свою очередь производят ударные световые волны.
Телескоп обсерватории «Уиппл» (Аризона) был специально сконструирован для обнаружения таких ударных волн, и в 1989 году он первым уловил высокоэнергетические гамма-лучи, идущие от остатков сверхновой. Это была хорошо известная Крабовидная туманность в созвездии Тельца, где в 1054 году взорвалась сверхновая звезда. Но тогда телескоп не смог определить направление, откуда пришли космические лучи, во всяком случае, он определил его недостаточно точно, и астрономы так и не смогли сказать, в какой конкретно части увеличивающегося облака Крабовидной туманности образуются гамма-лучи.
Это открытие воодушевило специалистов, но так как они надеялись добиться большего, ученые взялись за усовершенствование своих инструментов. Одним из таких инструментов и стал четырехзеркальный телескоп в Намибии, названный «ГЕСС» в честь открывателя космических лучей. Над проектом трудились ученые из Германии, Франции, Англии, Чехии, Ирландии, Армении, Южной Африки и Намибии.
Когда часть зеркал была завершена, их направили на остатки сверхновой в созвездии Скорпиона, предположительно такого же возраста, что и Крабовидная туманность. Так как сейчас много астрономических объектов, остаток сверхновой в созвездии Скорпиона получил имя, похожее на номер автомобиля: RXJ1713.7–3946,— если его расшифровать, оно укажет на положение объекта в небе. После десяти часов наблюдений астрономам удалось получить снимок небесного тела, впервые обнаруженного при помощи высокоэнергетических гамма-лучей.
Изображение остатков сверхновой получилось очень отчетливым. При этом их форма, размер и другие детали совпадали с тем, что можно было увидеть на сделанных ранее рентгеновских снимках. В частности, гамма-лучи были более интенсивными на одной стороне оболочки, где она сталкивается с относительно густым облаком межзвездного газа. Именно там теоретики предсказывали наличие наибольшего количества заряженных частиц.
RXJ1713.7–3946 — довольно крупное образование, и хотя оно лежит в 3000 световых лет от нас, с Земли этот объект «выглядит» больше, чем Луна.
Пола Чадвик из университета Дарема с восторгом рассказывала о первых результатах, добытых «ГЕССом»:
«Полученная фотография — это действительно большой шаг по направлению к гамма-лучевой астрономии, а остатки сверхновой — самый восхитительный для фото-сессии объект. Если бы ваши глаза были чувствительны к гамма-излучению, то, находясь в Южном полушарии, вы бы смогли видеть огромное кольцо, ярко пылающее в небе каждую ночь»[13].
А мы добавим, что, если бы вы также были способны видеть космические лучи, а не просто представлять их себе, вы бы увидели, как они выстреливают из светящегося кольца во всех направлениях и, вибрируя, прокладывают свой путь через Галактику, послушно следуя всем указаниям ее магнитных полей. Но так как этому объекту исполнилась всего лишь тысяча лет, RXJ1713.7–3946 едва лишь приступил к образованию космических лучей.
Хотя «сверхновая» вроде бы означает, что звезда «новая», на самом деле она уже давно существует на небе, просто в один прекрасный момент звезда внезапно вспыхивает и становится более заметной для наблюдателей. Звезда разрушается в процессе катаклизма, о чем говорит ее необыкновенно мощное сияние. Существует много разных видов сверхновых, но главные «поставщики» космических лучей — звезды типов II и lb, масса которых намного превышает массу Солнца. В глубине Солнца ядерная печка переплавляет водород в гелий и тем самым вырабатывает энергию, поддерживающую жизнь на Земле. Когда большая часть водорода в ядре Солнца будет сожжена, начнет гореть гелий, синтезируя углерод и кислород. Так ведет себя любая звезда размером с Солнце. Сбросив свою оболочку в виде красивейшей планетарной туманности, само ядро превратится в белого карлика — маленькую, мертвую, медленно затухающую звезду.
В более массивных звездах ядерное горение — в виде реакции синтеза — идет дальше. Сильная гравитация приводит к сжатию ядра, его температура возрастает так, что начинают «гореть» углерод и кислород, производя на свет — или, правильнее сказать, «в свете ядерного пламени» — более тяжелые элементы. В конечном итоге слияние ядер кремния порождает железо, и на этом энергия ядерной печки достигает своего предела. Тепло больше не выделяется, у звезды не остается сил, чтобы сопротивляться давлению гравитации, железное ядро коллапсирует, и все остальное звездное вещество рушится на него.
Поскольку внезапно высвобождается огромное количество энергии, верхние слои звезды отбрасываются наружу. Армии призрачных частиц, называемые нейтрино, взрывным манером выталкивают большую часть звездного вещества в окружающее пространство. А тем временем реакция синтеза, подстегнутая высвобожденной энергией, создает химические элементы тяжелее железа — по всей линейке, вплоть до золота, урана и даже далее.
Несколько недель сверхновая светит с силой миллиардов солнц. В этом случае мертвое ядро становится не белым карликом, а более плотным объектом, нейтронной звездой. Небо усеяно нейтронными звездами, и каждая означает смерть своей крупной предшественницы. Когда эти звезды молоды, они часто заявляют о своем существовании, посылая пульсирующие радиосигналы, поэтому они называются пульсары. Крабовидная туманность, самый известный остаток сверхновой, все еще хранит свой пульсар среди звездных обломков. Во многих других случаях пульсар получает легкий толчок в бок и ускользает, оставив развалины звезды позади, — как поджигатель, покидающий место преступления.
Распыленное до отдельных атомов вещество взрывной волной свободно расходится в космосе со скоростью в тридцать раз меньшей, чем скорость света, то есть 10 тысяч километров в секунду. В результате оно обладает колоссальной кинетической энергией, и приблизительно одна пятая этого вещества в конце концов будет преобразована в космические лучи, путешествующие со скоростями, близкими к скорости света. Но этот процесс требует времени.
По-настоящему образование космических лучей начинается только тогда, когда распыленное до атомов вещество становится таким же разреженным, как межзвездный газ, и встречает сопротивление с его стороны. Тогда вещество взорвавшейся звезды притормаживает и смешивается с атомами межзвездного вещества. Ударные волны становятся более интенсивными, а магнитные поля, связанные с ними, — более сильными.
Вот так в пределах разлетевшихся обломков сверхновой звезды и формируются «фабрики космических лучей». Немецкий и швейцарский астрономы, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, еще в 1934 году впервые выдвинули предположение, что источником космических лучей могут быть сверхновые звезды. Спустя 15 лет физик итальянского происхождения Энрико Ферми из Чикагского университета предположил, что заряженные частицы в космосе могут набирать энергию, если они отскакивают от движущегося магнитного поля. Представьте себе, как медленно летит резиновый мячик, когда его небрежно бросит ребенок, и как он отлетает на огромной скорости, стукнувшись о лобовое стекло проезжающей мимо машины.
Другие теоретики вскоре поняли, что ударная волна в остатках сверхновой создает особенно мощный ускоритель, так как неравномерные магнитные поля впереди и сзади ударной волны действуют как зеркало. Заряженные частицы, будущие космические лучи, отражаются то вперед, то назад и, каждый раз проходя сквозь ударную волну, постоянно накапливают энергию. Магнитные «зеркала» не дают частицам выйти, в то время как их ускорение продолжается. Когда они окончательно выберутся из остатков сверхновой, их скорость будет соответствовать той, какую могут придать частицам ускорители на Земле. Есть и такие, что двигаются в сотни раз быстрее, чем частицы, ускоренные в самых современных машинах, но таких относительно немного.
Так как водород самый распространенный элемент во Вселенной, большинство космических заряженных частиц — это протоны, ядра атомов водорода. Среди них, конечно, присутствуют и другие элементы: гелий, углерод, кислород и прочие — приблизительно в таких же пропорциях, в каких они представлены в Галактике, хотя излишек железа напоминает нам о том, что родина космических лучей — сверхновые звезды. Несмотря на такие нюансы, космические лучи — это всего лишь звездный мусор, быстро летящий через космическое пространство. Скорость даже самых медленных протонов составляет 90 процентов от скорости света. Впрочем, более быстрые их коллеги иногда приближаются к пределу скорости, но никогда не достигают его. Вместо этого их кинетическая энергия выражается в дополнительной массе.
В Институте астрономии Венского университета Эрнст Дорфи пытался выяснить, в какой степени временной режим событий, происходящих в сверхновой, зависит от силы взрыва и плотности окружающего ее газа. Расчеты Дорфи показывают, что обычно остатки прекращают расширяться приблизительно через двести лет после взрыва. Половина кинетической энергии идет на подогрев газа в остатках сверхновой в течение двух тысяч лет. К этому времени образование космических лучей уже идет полным ходом, и оно продолжает набирать обороты, пока не достигнет своего пика через тысячу столетий, после чего продолжается уже сотни тысяч лет.
Приблизительно через миллион лет остаток сверхновой, растратив большую часть энергии, теряет и свои уникальные черты, и лишь блуждающая нейтронная звезда напоминает о некогда сверкнувшем огромном голубом бриллианте. Меж тем многим другим уготована такая же судьба. Единовременно тысячи остатков сверхновых заняты тем, что раздают свои подарки в виде химических элементов и осыпают Млечный Путь галактическими космическими лучами.
Определение «галактические», кстати, позволяет отделить их от других высокоскоростных частиц, о которых вы, возможно, слышали.
Когда бы ни появлялись космические лучи в нашей истории, мы подразумеваем обычный галактический вид. Они прибывают из внешнего космоса как
Долгое время большинство астрономов смотрели на космические лучи как на любопытный, но малозначительный побочный продукт смерти звезд, все равно что мусор, оставшийся после похорон. К концу двадцатого века появилась совершенно иная концепция, которая в 2001 году получила свое отражение в манифесте Кати Ферье из Обсерватории Миди-Пиренеи (Тулуза). Во вступительных строках автор отводит космическим лучам достойное место в схеме астрономического порядка вещей:
«Звезды нашей Галактики — традиционно обозначаемой с прописной буквы, чтобы отличить ее от бесчисленного количества других галактик, — расположены в чрезвычайно разреженном пространстве, так называемой „межзвездной среде“ (МЗС), состоящей из обычного вещества, релятивистских заряженных частиц, известных как космические лучи, и магнитных полей. Эти три важнейшие составляющие — по давлению, ими оказываемому, — вполне сопоставимы, и они тесно связаны друг с другом электромагнитными силами»[14].
Космические лучи покидают свои пенаты в остатках сверхновой и разгоняются до скорости, близкой к световой, так что можно было бы ожидать, что они быстро покинут нашу Галактику и унесутся дальше во Вселенную. Наиболее энергичные из них так и поступают, но большинство заряженных частиц путешествуют туда-сюда в пределах Галактики на протяжении миллионов лет, подобно рыбам, плавающим в широком, но очень мелком озере.
Диск ярких звезд, который мы видим с ребра и называем Млечным Путем, стиснут с обеих сторон гравитацией. Силовые линии сплющенного растянувшегося магнитного поля прокладывают себе путь через весь диск. По сравнению, скажем, с геомагнитным полем оно очень слабое, но трудится на протяжении многих тысяч световых лет и вынуждает блуждающие заряженные частицы следовать вдоль силовых линий в пределах диска. Напряженность поля и количество сопутствующих ему космических лучей — величины не постоянные, все зависит от конкретной области Галактики. Солнце и Земля вечно находятся в движении, поэтому и показания «счетчика» космических лучей также все время меняются.
Если космические лучи пытаются вырваться, поле почти всегда возвращает их назад, в Галактику. Как они в конечном итоге просачиваются в межгалактическое пространство — пока неясно. Обитателям нашей планеты сильно повезло, что многим частицам, собственно, и составляющим космические лучи, удается сбежать, — иначе их накопилось бы столько, что жизнь на Земле была бы невозможна. Средняя продолжительность существования космических лучей — от 10 до 20 миллионов лет. Их запас обновлялся сотни раз, с тех пор как родилась наша планета, но количество заряженных частиц не оставалось постоянным в течение этого времени. Меняется число взрывающихся звезд — меняется поток космических лучей, и мы можем связать всплески звездной рождаемости с экстремальными переменами климата в долгой истории Земли.
Космические лучи находятся рядом так давно, что они не могли не стать активным участником в том алхимическом действе, в процессе которого непрерывно формируются новые звезды и планеты. Благодаря своей многочисленности и кинетической энергии заряженные частицы оказывают давление на газ, распределенный в пространстве между звездами. И еще они помогают галактическому магнитному полю сопротивляться силе гравитации, пытающейся прижать межзвездный газ к срединной линии диска, и если бы ей это удалось — она сделала бы его таким же плоским, как кольца Сатурна.
Межзвездный газ, магнитное поле и космические лучи — все они действуют сообща, но их содружество столь ненадежно, что иногда члены этого «коллектива» остаются беззащитными перед гравитацией, и та может локально изменять форму магнитного поля, а следовательно, направление космических лучей. В результате гравитации удается загнать около половины межзвездного газа в относительно плотные облака. Однако нельзя сказать, что космические лучи и магнитное поле сопротивлялись напрасно — именно благодаря этому сопротивлению газовое облако получается небольшим и достаточно плотным, чтобы впоследствии из него образовалась звезда.
В Галактике есть темные острова, которые не дают рассмотреть звезды, скрывающиеся за ними. Это облака пыли, где межзвездный газ состоит из каменных, ледяных и смолоподобных частиц. Такие облака служат родильными палатами для новых звезд и сопутствующих им планет. Но прежде чем роды состоятся, химическим реакциям предстоит проделать большую работу, и здесь космические лучи вновь начинают играть жизненно важную роль.
На открытых, прозрачных участках Галактики химическими реакциями дирижирует ультрафиолетовое излучение звезд. К первоначальному сырью в виде водорода и гелия присоединяются элементы, выпущенные умирающими звездами или донесенные волной со сверхновых. Они соединяются и становятся различными веществами: от воды до молекул углерода в форме футбольного мяча, называемых «бакиболы». Но у ультрафиолетовых лучей есть неприятная привычка быстро разрушать то, что было так же быстро создано.
Только под охраной пылевого облака, где вуаль из камней, льда и смолоподобных частичек защищает продукты химических реакций от ультрафиолета, элементы становятся более устойчивыми и разнообразными по составу. И здесь космические лучи, как главные химики облаков, принимают от ультрафиолета бразды правления. Они отбирают электроны у молекул водорода и атомов гелия, и те начинают активно «общаться» с другими элементами, причем эти процессы длятся десятки тысяч лет. Возбужденный атом водорода, например, взаимодействует с атомами углерода и кислорода и создает одного из ведущих игроков космической химии — моноокись углерода.
Теми или иными способами, слишком запутанными, чтобы приводить их здесь, космические лучи поделили полученный кредит, чтобы хватило и на создание Солнца и Земли, и на обогащение нашей планеты водой и углеродными компонентами из межзвездного пространства. Вот так оказалось, что космические лучи — это не просто побочный продукт смерти сверхновых или сторонний наблюдатель в жизненном цикле звезд, а активный участник событий.
Поделиться книгой: