Кто вы?

Измерение величины Δ привело ко второму изумительному открытию. Чем больше расстояние r до галактики, тем больше смещен ее спектр в красную сторону.

Установлена прямая пропорциональность между расстоянием до галактики r и скоростью ее удаления v. Если одна из галактик находится от нас в 1000 раз дальше, чем другая, то и скорость ее удаления от нас в 1000 раз больше!

Следовательно, подсчет скорости удаления любой галактики элементарно прост. Надо лишь умножить расстояние между галактиками на некий постоянный для всех галактик коэффициент, и мы получим скорость их разбегания. Этот коэффициент, определение которого явилось очень сложной задачей и потребовало ряда существенных коррекций, обозначают через H — первая буква фамилии американского астронома Эдвина Хаббла (Hubble). Согласитесь, что это не слишком щедрая дань ученому, открывшему в 1929 году закон разбегания галактик. Поэтому лучше, когда H называют постоянной Хаббла.

Из закона разбегания галактик следует, что когда-то (когда именно, это зависит от значения постоянной Хаббла H) было начало этого разбегания.

По одной из самых ходовых гипотез, плазменное облако, породившее все наблюдаемые галактики с невероятно высокой температурой, плотностью и излучением, было некогда сосредоточено в относительно малом объеме (мы еще вернемся и к облаку и к этому «некогда»). Взрыв взрывов этого облака и дал наблюдаемое сегодня разбегание галактик.

Так эффект понижения тона гудка удаляющегося паровоза привел нас к одной из гипотез образования вселенной!

Попробуем определить момент этого исторического взрыва.

Не останавливаясь на очень любопытных методах определения постоянной Хаббла и истории ее измерения, приведем ее современное уточненное значение:

H = 75 км/сек мпс.

Здесь мпс сокращенное обозначение мегапарсека. Один парсек (пс) составляет почти 3,26 светового года, а один мегапарсек (мпс) равен 106 пс.

Это значит, что если взять, например, расстояния между галактиками r = 1 мпс, то скорость их удаления друг от друга составит:

V = Н · r = 75 км/сек.

Есть основания считать, что с момента взрывного образования галактик скорость V не претерпевала заметных изменений. Это дает ответ на вопрос: «Когда произошел взрыв?»

Он непосредственно следует из приведенного примера.

Две галактики разбежались друг от друга с момента взрыва на расстояние в один мегапарсек. Скорость их разбегания постоянна и равна 75 километрам в секунду. Разделив пройденный путь на скорость разбегания, мы получим время, в течение которого галактики разбегаются, — 15 миллиардов лет (15 · 109). Значит, взрыв произошел 15 · 109 лет тому назад.

До взрыва степень сжатия материи и ее температура достигали колоссальных значений. Это состояние материи получило название «горячей вселенной».

Вычисленное нами время существования Метагалактики — 15 · 109 лет — находит удивительное подтверждение на нашей планете. Процесс распада радиоактивного урана и превращения его в свинец является теми природными часами, которые могут отсчитывать такие колоссальные отрезки времени. Оценка содержания урана и свинца в минералах позволила оценить возраст Земли. Полученное число меньше, но того же порядка, что и возраст Метагалактики.

Бег галактик от земного наблюдателя отнюдь не значит, что мы занимаем какое-то центральное положение во вселенной, в Метагалактике. Это можно наглядно пояснить, надувая резиновый шар. Наблюдатель в любой точке на этом шаре будет видеть, что с повышением давления все остальные точки шара от него удаляются, и чем дальше они от него отстоят, тем быстрее удаляются.

Кроме рассмотренного общего движения галактик, каждая из них имеет еще свое индивидуальное: от нас, к нам и в любом другом направлении. Из-за этого некоторые близкие галактики приближаются к нам, а не удаляются. У них индивидуальная скорость, направленная к нам, больше скорости разбегания (которая на малых расстояниях мала). Так, туманность Андромеды приближается к нашей Галактике со скоростью 143 километра в секунду.

Почему явление взаимного удаления галактик так взбудораживает при первом знакомстве? Тут два фактора. Первый — мы знаем от наших далеких предков, что видимая нами картина неба практически та же, что и при постройке египетских пирамид или при битвах Спартака. Второй — скорость разбегания по земным масштабам велика, она в десятки раз больше скорости ракет, преодолевающих могучую силу земного тяготения. Это и создает замешательство — галактики быстро разбегаются, и тем не менее картина неба остается такой, какой была давным-давно! Ларчик открывается просто. Наше земное мышление не всегда управляется с потрясающими расстояниями в Метагалактике. На этой сверхгигантской арене разбегание галактик столь мизерно меняет расстояние между ними на малом интервале существования нашей цивилизации, что прошедший ряд поколений не имел возможности заметить эти изменения.

Активный читатель этой книжки (верю, что вероятность такого события заметно больше нуля) легко может убедиться в этом, преодолев элементарные расчеты.

Согласно взрывной теории все галактики приблизительно сохраняют ту скорость, которую они получили в момент взрыва или в начале своего разбегания (фактически она замедляется силами взаимного притяжения). Галактики, получившие максимальную скорость в момент вселенского катаклизма, наиболее удалены от нас. Так как в среднем галактики равномерно распределены в окружающем нас пространстве, то они образуют непрерывно расширяющуюся сферу.

Самое удивительное, читатель, что мы с вами легко можем определить радиус этого невообразимо гигантского шара. В самом деле, скорость самой «быстроногой» (может — «быстрокрылой») из галактик принципиально не могла превысить скорость света. Следовательно, для предельной оценки мы и возьмем эту скорость. Тогда, умножая ее на время, прошедшее с момента катаклизма, мы получим искомую величину. Ее называют волнующе кратко — радиус мира, который в этом случае будет равен 13 миллиардам световых лет, или 12,3 · 1022 километров.

Вот с каких предельно удаленных расстояний можно ожидать поступления световых и радиоизлучений в Метагалактике!

Теория происхождения вселенной от некогда произошедшего разового взрыва является далеко не единственной. С ней конкурирует теория «пульсирующей» вселенной, оперирующая понятием кривизны пространства и базирующаяся на общей теории относительности. В ней предполагается равномерное распределение масс в пространстве. Анализ сил тяготения в такой системе приводит к выводу, что вселенная не может находиться в «статическом» состоянии. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Получаемая модель допускает чередование этих фаз. В настоящее время вселенная переживает фазу расширения.

Но как ни манят эти теории, увлекающие часто сильнее, чем приключения Шерлока Холмса и майора Пронина, вместе взятые, мы вынуждены поставить на этом точку.

Будем считать, что закончили беглое знакомство с общей картиной мира и можем перейти к интересующим нас частностям в этой все расширяющейся сфере. Наш путь лежит к тем звездам, у которых могут быть планеты с разумными существами.

Но как их выделить из общей массы звезд? Чтобы подступиться к этой задаче, необходимо вникнуть в «личную жизнь» звезд. Это мы и сделаем.

О, будь хорошей девочкой…

Что же такое звезды?

Это самосветящиеся небесные тела шарообразной формы, состоящие из раскаленных до очень высокой температуры газов. Они братья и сестры нашей близкой звезды — Солнца.

Ласковыми светящимися голубыми огоньками они выглядят потому, что удалены от нас дальше, чем Солнце, в сотни тысяч, миллионы и миллиарды раз.

Процессы, происходящие в звездах, сложны и разнообразны. Но оказалось, что два простых параметра звезды определяют ее основные свойства. Это температура поверхности звезды T и ее диаметр D. Первый параметр определяет количество энергии, излучаемой единицей поверхности (она пропорциональна четвертой степени температуры). Второй — полную поверхность звезды.

По этим двум параметрам легко найти полную энергию, отдаваемую звездой L. Ее еще называют светимостью звезды.

Величина T для различных звезд меняется значительно и лежит в интервале 1000–50 000 градусов шкалы Кельвина. (По этой шкале за нулевую принята температура минус 273 градуса обычной шкалы Цельсия. Но при столь высоких температурах, как у звезд, переход от одной шкалы к другой незначительно меняет дело.)

Подавляющее число звезд имеет температуру порядка 3500 градусов по Кельвину (дальше мы не будем уточнять шкалу). Наша любимая и воспетая, кажется, всеми без исключения поэтами Земли звезда имеет такие параметры:

Температура 6000 градусов, диаметр 700 000 километров.

Мощность этого источника света настолько велика, что его лучи легко пронизывают 150 миллионов километров, отделяющих нашу планету от светила, не теряя своей чудодейственной силы. Восход Солнца или появление его из-за туч всегда наполняет энергией и радостью обитателей Земли.

«Мы — дети солнца! Это оно горит в нашей крови, это оно рождает гордые, огненные мысли, освещая мрак наших недоумений, оно — океан энергии, красоты и опьяняющей душу радости!» Этот горьковский гимн Солнцу, вероятно, лучший из возможных.

Но нас ведь интересуют дети — планеты — других светил. Обратимся к ночному небу. Вся небесная сфера для удобства ориентировки разбита на 88 участков-созвездий. Они очерчены отрезками прямых линий и напоминают сложные выкройки. Каждое созвездие имеет характерные яркие звезды и свое имя. Каких названий тут только нет! Из одних животных можно было бы создать зоопарк: Дельфин, Дракон, Единорог, Жираф, Летучая Рыба, Пегас, Райская Птица и даже Феникс.

Яркие звезды каждого созвездия обозначаются буквами греческого алфавита, а самые яркие из них имеют свои названия. Так, Полярная звезда есть альфа Малой Медведицы. В созвездии Кита есть получившая сенсационную известность одна из ближайших к нам звезд — тау Кита и т. д. Звезды немного потусклее обозначаются буквами латинского алфавита или цифрами.

Наблюдая за звездами, мы увидели бы, что они светятся разным цветом. Так, Сириус, или самая яркая на нашем небе звезда (альфа в созвездии Б. Пса — пишется: альфа Б. Пса), имеет голубовато-белое свечение. Звезда Альдебаран в созвездии Тельца (альфа Тельца) излучает красноватый свет. Желтое свечение наблюдается у ближайшей к нам звезды — альфы Центавра. Солнце тоже дает желтое свечение. Почему же звезды светятся по-разному?

Исследования показали, что ни различия в химическом составе, ни в структуре внешней газовой оболочки не оказывают значительного влияния на видимый цвет. Решающим фактором здесь является температура звезды.

Именно температура определяет, какой участок спектра является доминирующим у той или иной звезды. Так, нагревая кусок железа, мы будем наблюдать сначала красное свечение, затем желтое и наконец доведем его до «белого каления».

По характеру излучаемого спектра звезды разбиты на семь спектральных классов. Запомнить последовательность классов легко, если воспользоваться плодами студенческой смекалки. Их дают первые буквы слов в фразах: «Один битый англичанин финики жевал, как морковь» — для русского алфавита, «Oh be a fine girl, kiss me!» («О, будь хорошей девочкой, поцелуй меня») — для английского алфавита. Эти классы даны в таблице.

Наше Солнце принадлежит к классу G.

Одним из величайших достижений астрономии XX века, которое сравнивают с открытием периодического закона Менделеева, является установление определенных закономерностей между светимостью звезд L и их спектральным классом. Эта зависимость известна под названием диаграммы Герцшпрунга — Рессела.

Оказалось, что 90 процентов всех звезд расположено на этой диаграмме в диагонально идущей полосе. Поэтому ее назвали «главной последовательностью». Основная особенность звезд главной последовательности — приблизительная прямая пропорциональность между температурой и массой звезды и обратная пропорциональность между температурой (или массой) и временем жизни звезды на этой последовательности.

Кроме главной, мы видим на диаграмме ряд других последовательностей (сверхгиганты, красные гиганты, белые карлики). Как следует из диаграммы, наше Солнце находится в центральной части главной последовательности (класс G).

В процессе эволюции звезды совершают сложный путь по диаграмме «спектр — светимость», связанный с коренным изменением их структуры. Но при этом основное время звезда пребывает на главной последовательности, почему ее иногда называют домом, или обителью, звезд. Что творится в этом доме, мы разберем в следующем разделе. А пока, уставший читатель, давай отдохнем. Если сейчас вечер, то погасим в комнате свет. Откроем окно. Полюбуемся звездами. Оценим установленный гигантским трудом факт: весь этот чарующий хаос далеких и близких, слабых и сильных светил собирается на нашей диаграмме в единую могучую реку — главную последовательность. Мы находимся где-то в ее средней части.

Судьбы звезд

Единой точки зрения на процесс образования звезд пока нет. Согласно наиболее распространенной гипотезе они образуются путем конденсации облаков из газо-пылевидной межзвездной среды. Наблюдения показывают, что этот процесс идет во вселенной и сейчас.

Под действием сил тяготения из возникшего облака вскоре образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Он еще не светится, но под действием тех же сил продолжает сжиматься, его температура повышается и образуется так называемая протозвезда — слабо светящееся тело. Температура протозвезды еще невелика, но уже появляется свечение. Протозвезда находится пока на нашей диаграмме правее главной последовательности. Местоположение определяется ее массой (см. рис. на стр. 22).

Дальнейшее увеличение сжатия приводит к уменьшению диаметра и к еще большему повышению температуры. Звезда передвигается влево к главной последовательности. Когда температура в центре звезды достигает нескольких миллионов градусов, там возникают термоядерные реакции. При некоторой температуре дальнейшее сжатие прекращается, звезда становится стационарной (устойчивой) и оказывается на главной последовательности. На этом заканчивается первый этап эволюции звезды. Время сжатия протозвезды, как обычно пишут астрономы, «сравнительно невелико — порядка нескольких десятков миллионов лет».

Наступает самый любопытный с позиции нашей темы второй этап эволюции. Звезда, пребывая на главной последовательности, сохраняет приблизительно постоянную температуру и светимость, что создает благоприятные условия для возникновения и развития жизни на ее планетах.

По мере выгорания водорода в центре звезды, то есть превращения водорода в гелий, происходит некоторое смещение ее вправо на главной последовательности. Чем больше масса звезды, тем быстрее происходит это выгорание. Второй этап эволюции заканчивается, когда водорода в центральной части остается не более одного процента. Ядро звезды становится гелиевым.

Третий этап. Для звезд с массой, близкой к солнечной, он протекает примерно так. По мере увеличения гелиевого ядра звезды ее радиус и светимость растут. Радиус звезды может увеличиться до десяти раз. Звезда становится красным гигантом, или сверхгигантом. При температуре порядка 30 миллионов градусов весь водород во внутренних частях звезды выгорает. Дальнейшее повышение температуры до 100–140 миллионов градусов приводит к выгоранию гелия, или гелиевой термоядерной реакции (превращение гелия в углерод). Гелиевая стадия выгорания значительно короче водородной во времени. Расширение оболочки приводит к тому, что наружные слои уже не удерживаются силой собственного тяготения звезды и отделяются от нее. Такое явление наблюдается в двух видах: медленное истечение (оболочка «плывет») или быстрое (вспышки новых и сверхновых звезд). При этом ядро не претерпевает заметных изменений и образуется типичный белый карлик (почти не содержащий водорода). Плотность вещества в центре его достигает сотен и тысяч килограммов на кубический сантиметр. Температура снаружи звезды — порядка тысячи градусов, а в центре — порядка миллионов. Наконец, после остывания белый карлик перестает светиться и превращается в черного карлика.

Этот контурный рисунок жизненного пути звезды, конечно, весьма схематичен и варьируется в зависимости от массы и типа звезды. Но он поможет нам при оценке возможной длительности существования цивилизаций.

Знакомство с этой картиной эволюции звезд потрясает. Потрясает дерзкое проникновение человеческого гения в жизнь невообразимо далеких светил. Потрясают методы, позволившие заглянуть на миллиарды лет назад и вперед в судьбы звезд. Потрясают установленные гигантские масштабы времени и пространства наблюдаемого «звездного театра». И мгновенно рождает каскад вопросов:

— На каком этапе эволюции находится наша дорогая звезда?

— Как скоро начнется заметное остывание Солнца?

— Когда начнется переход Солнца в красный гигант и уничтожит ли это все живое на Земле?

Дабы успокоить взволнованных читателей, скажем, что в ближайшие миллиарды лет земной цивилизации с этой стороны ничто не угрожает (других врагов цивилизации мы коснемся ниже). А для убедительности подтвердим это некоторыми цифрами.

Установлено путем исследования земной коры, что возраст Земли составляет 4,5 · 109 лет (почти пять миллиардов лет!). Солнце, по-видимому, никак не может быть «моложе» Земли.

Основная волнующая нас величина — это длительность пребывания Солнца на главной последовательности, или длительность интервала времени, в течение которого Солнце находится в устойчивом температурном режиме.

На основе теоретического построения модели звезды типа нашего Солнца и расчета времени протекания рассмотренных выше процессов сделана следующая оценка времени жизни звезд на главной последовательности.

Осмыслив эту таблицу, даже самый сдержанный читатель должен, во-первых, бурно возрадоваться тому факту, что наше Солнце имеет массу , а, например, не 20 . Последнее привело бы к излучению столь огромных мощностей, что запасы водородного горючего были бы израсходованы буквально за десяток миллионов лет. И если на планетах такой звезды могла зародиться жизнь, то за краткое время пребывания на главной последовательности этой звезды она так и не успела бы покинуть свою колыбель — «питательный бульон» (к этому историческому блюду мы еще вернемся).

Во-вторых, если даже вычесть срок, уже прожитый Солнцем на главной последовательности, — он составляет величину порядка 5 миллиардов лет, — то остается гигантская величина порядка 8 миллиардов лет. Выходит, что Солнце израсходовало немного больше трети времени, отведенного ему для бытия на главной последовательности. Еще предстоит прожить остальные две трети. И только после этого начнется величайший катаклизм в солнечной системе — превращение нашего светила в красный гигант и уход навсегда с главной последовательности. При этом диаметр Солнца, вероятно, увеличится в десятки раз, а его светимость — в сотни. Необходимые естественные условия существования живой материи на Земле в известных нам сегодня формах, по-видимому, нарушатся. Но сверхфантастическая техника того периода, как говаривали в старину — «будя она будет», сумеет создать необходимые для жизни искусственные условия или эвакуировать обитателей Земли на планеты более молодых звезд главной последовательности. Тем более что этот переходный период нашей звезды займет несколько сот миллионов лет.

Вероятно, схема трагического финала нашего светила уже бросила тень грусти на читателя. Это вполне понятно. Ведь мы любим наше Солнце. Мы его дети. Многие поколения землян поклонялись Солнцу, приносили ему жертвы, пели ему гимны, давали разные имена этому божеству — Ра, Митра, Гелиос…

Но все это будет так невообразимо не скоро, что нет оснований грустить сейчас об этом. Нет оснований еще и еще раз мысленно пробегать трехсерийную ленту «Конец Солнца» («Красный гигант», «Белый карлик», «Черный карлик»). Давайте лучше вместе, читатель, пожелаем нашей звезде дальнейшего процветания на главной последовательности в оставшиеся миллиарды лет.

Теперь мы вплотную подошли к вопросу о планетных системах звезд, об их темнокожих (несветящихся) спутниках.

Темнокожие спутники

Высокая температура звезд, естественно, зачеркивает всякую возможность органической жизни на них. Исключение, может быть, составляет самый последний этап эволюции звезды — превращение ее в черного карлика. Но это особый вопрос, и мы его коснемся ниже. Следовательно, в пределах главной последовательности, где длительный устойчивый температурный режим создает благоприятные условия, жизнь может развиваться только на темных планетах или темнокожих спутниках звезд. И конечно, далеко не на всех.

Отсюда коренной вопрос нашей проблемы: «У многих ли из наблюдаемых звезд имеются планеты?»

Слабая светимость и малые размеры планет почти полностью исключают при современном уровне техники прямое их наблюдение. Речь идет, конечно, не о планетах солнечной системы. Однако имеется несколько косвенных путей обнаружения планет. Один из них связан с так называемыми двойными звездами.

Двойная звезда — это две связанные в единую систему звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс. Если бы Земля оказалась планетой такой системы, у нас было бы два Солнца! И возможно, человек не знал бы, что такое сон и что значит видеть золотые сны…

Очень образно обрисовал двойные звезды наш известный астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов, школьным учебником которого я так плохо (да и многие из читателей, наверное, тоже) воспользовался в свое время: «Среди них мы встречаем такие пары, которые напоминают двух близнецов, настолько составляющие их звезды похожи во всем друг на друга. Встречаются пары звезд, похожие и на карикатуру, где неразлучны между собой слон и моська. Обычно в таких случаях слон — огромная, яркая, но холодная и красная звезда, а моська — его спутник — маленькая, слабенькая, но горячая и голубоватая.