Помоги проекту - поделись книгой:
Если двинуться дальше по электромагнитному спектру, мы попадем в инфракрасный диапазон. Для человека он тоже невидим, зато прекрасно знаком любителям фаст-фуда: картошку-фри в ожидании покупателей держат под инфракрасными лампами, чтобы не дать ей остывать по нескольку часов. Эти лампы испускают и видимый свет, однако их активный ингредиент – именно многочисленные невидимые инфракрасные фотоны, которые и впитывает готовое блюдо. Если бы человеческая сетчатка воспринимала инфракрасный свет, то в обычных домах по ночам, с выключенным светом, были бы видны все предметы, температура которых превышает комнатную, – в том числе утюг (если он был включен и еще не успел остыть), металл вокруг горелок на плите, трубы горячей воды и обнаженная кожа всех людей, которые попадут в поле зрения. Конечно, это далеко не такая информативная картина, как в видимом свете, однако два-три творческих способа пустить полученные сведения в дело вы наверняка придумаете – например, поглядеть на свой дом зимой и увидеть, где крыша или окна пропускают тепло.
В детстве я был уверен, что ночью, при выключенном свете, в инфракрасном диапазоне видны чудовища, которые прячутся в шкафу в спальне, но только при условии, что они теплокровные. Однако всем известно, что ночные чудовища – чаще всего рептилии, и кровь у них холодная. Поэтому инфракрасное зрение ничуть не поможет разглядеть чудовище: оно сольется со стенами и полом.
Во Вселенной инфракрасное окно особенно полезно при изучении плотных облаков, в которых прячутся звездные питомники. Новообразованные звезды зачастую прячутся за завесой остаточного газа и пыли. Эти облака поглощают почти весь видимый свет таящихся в них звезд и переизлучают его в инфракрасном диапазоне, поэтому окно видимого света здесь не поможет. Видимый свет поглощается межзвездными пылевыми облаками, а инфракрасный проходит их насквозь с минимальными изменениями, что особенно полезно при изучении объектов, находящихся в плоскости нашей галактики Млечный Путь, поскольку именно оттуда видимый свет звезд почти не доходит. А здесь, у нас дома, инфракрасные спутниковые снимки земной поверхности, помимо всего прочего, показывают, где проходят теплые океанские течения вроде Северного Пассатного течения, которое обтекает Британские острова (лежащие гораздо севернее всего штата Мэн) и лишает их возможности сделаться шикарным лыжным курортом.
Энергия, испускаемая Солнцем, температура на поверхности которого составляет около 6000 градусов по Кельвину, охватывает большую часть инфракрасного спектра, однако в основном приходится на видимую его часть, как и чувствительность человеческой сетчатки, – если вдуматься, именно поэтому мы так хорошо видим при дневном свете. Если бы не это спектральное соответствие, мы имели бы полное право жаловаться, что чувствительность нашей сетчатки пропадает впустую.
Обычно мы не считаем, что видимый свет обладает какой-то особенной проходимостью, но сквозь воздух и стекло он проходит практически беспрепятственно. Однако ультрафиолетовую часть спектра обычное стекло не пропускает, поэтому стеклянные окна мало чем отличались бы от кирпичной стены, будь наши глаза чувствительны только к ультрафиолету.
Ультрафиолет в изобилии производят звезды, которые в три-четыре раза горячее Солнца. К счастью, эти звезды ярко излучают и в видимой части спектра, поэтому их открытие не зависело от доступа к ультрафиолетовым телескопам. Озоновый слой в нашей атмосфере поглощает львиную долю ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей, которые на него попадают, поэтому подробный анализ самых горячих звезд возможен лишь с орбиты Земли или еще более далеких от нас точек. Так что эти высокоэнергичные окна спектра – относительно молодой раздел астрофизики.
Первую Нобелевскую премию по физике получил немецкий физик Вильгельм Рентген в 1901 году, и это событие словно бы знаменовало начало нового века расширенного зрения. И ультрафиолет, и рентгеновское излучение позволяют обнаружить один из самых экзотических объектов во Вселенной – черные дыры. Черные дыры не испускают никакого света, их гравитация так сильна, что удерживает даже свет, поэтому их существование можно зарегистрировать косвенно, по энергии, испускаемой веществом, которое падает по спирали на поверхность черной дыры со звезды-компаньона или из межзвездной среды. Все это сильно напоминает водоворот в сливе ванной. При температурах более чем в двадцать раз превышающих температуру поверхности Солнца, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение становится преобладающей формой энергии, испускаемой веществом непосредственно перед тем, как оно падает в черную дыру.
Сам акт научного открытия отнюдь не предполагает, что ты либо заранее, либо пост-фактум знаешь, что именно открыл. Так было и с микроволновым реликтовым излучением, так происходит и сейчас с гамма-всплесками. Как мы увидим в части VI, в гамма-окно видны загадочные всплески высокоэнергичных гамма-лучей, разбросанные по всему небу. Их удалось открыть благодаря космическим гамма-телескопам, но происхождение и причина этих всплесков пока остаются неизвестными.
Если обобщить понятие зрения и включить в него и детектирование субатомных частиц, нельзя не упомянуть о нейтрино. Неуловимое нейтрино – это субатомная частица, которая образуется каждый раз, когда протон превращается в нейтрон и позитрон, антивещественный партнер электрона. Казалось бы, какое-то волшебство, а тем не менее этот процесс происходит в ядре Солнца примерно сто миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1038) раз в секунду. Затем нейтрино преспокойно покидают Солнце – будто его и нет. Нейтринный «телескоп» позволил бы прямо заглянуть в солнечное ядро, рассмотреть непрерывно происходящий там термоядерный синтез, о котором ни одна полоса электромагнитного спектра ничего не скажет. Однако поймать нейтрино необычайно трудно, поскольку они практически не взаимодействуют с веществом, так что хороший и эффективный нейтринный телескоп – это пока что лишь мечта, возможно, и недостижимая.
Когда мы научимся регистрировать гравитационные волны – это еще одно пока не открытое окно во Вселенную, – то сможем распознавать космические катастрофы. Однако сейчас, когда я пишу эти строки, гравитационные волны, существование которых как ряби на ткани пространства-времени было предсказано еще в 1916 году в рамках общей теории относительности Эйнштейна, пока что не зарегистрированы ни от одного источника. Физики из Калифорнийского технологического института разрабатывают особый детектор гравитационных волн, который состоит из двух вакуумных труб длиной по 4 километра, соединенных под прямым углом. В трубах находятся лазеры. Если мимо проходит гравитационная волна, путь света в одной из труб будет на время чуть-чуть отличаться по длине от пути света в другой трубе. Этот эксперимент известен как LIGO – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Чувствительности установки хватит, чтобы регистрировать гравитационные волны от звезд, столкнувшихся более чем в 100 миллионах световых лет от нас. Легко представить себе, что настанут времена, когда гравитационные события во Вселенной – столкновения, взрывы, коллапс звезд – будут рутинно наблюдаться при помощи подобных устройств. Более того, когда-нибудь нам, возможно, удастся распахнуть это окно пошире, заглянуть за матовую завесу микроволнового реликтового излучения – и увидеть само начало времен.
Глава семнадцатая
Космос в цвете
Лишь у считанных объектов на ночном небосклоне Земли хватит яркости, чтобы возбудить чувствительные к цвету колбочки – клетки нашей сетчатки. На это способна, например, красная планета Марс. И голубая звезда-сверхгигант Ригель (правое колено Ориона), и красная звезда-сверхгигант Бетельгейзе (левая подмышка Ориона). Однако помимо этих выдающихся светил ничего, пожалуй, и не назовешь. Невооруженному глазу космос предстает темным и бесцветным.
Вселенная являет свои подлинные цвета, лишь если нацелить на нее большие телескопы. Светящиеся объекты вроде звезд бывают трех основных цветов – красные, белые и голубые; наверное, этот факт порадовал бы отцов-основателей. Межзвездные газовые облака могут быть практически любых цветов в зависимости от того, какие в них присутствуют химические элементы, а также от того, как их фотографируют, а вот цвет звезды прямо зависит от температуры на поверхности. Холодные звезды красные. Теплые звезды белые. Горячие звезды голубые. Очень горячие звезды все равно голубые. А очень-очень-очень горячие – ну, вроде центра Солнца, где 15 миллионов градусов? Голубые. Для астрофизика и раскаленная докрасна кочерга, и накаленная добела обстановка – понятия, требующие серьезного уточнения.
Казалось бы, все просто. Но так ли это?
В результате сговора между астрофизическими законами и человеческой физиологией зеленые звезды оказались запрещены. А как же желтые звезды? Некоторые учебники астрономии, многие научно-фантастические романы и рассказы и практически любой прохожий на улице поддерживают движение «За желтое Солнце». Однако профессиональные фотографы руку дадут на отсечение, что Солнце голубое: пленка для съемки «при дневном свете» сбалансирована по цветам с расчетом на то, что источник света – по всей видимости, Солнце – испускает голубой свет. Старомодные фотовспышки в виде кубиков из синих ламп – всего лишь одна из множества попыток воссоздать голубой солнечный свет при съемке в закрытом помещении с использованием пленки для дневного света. А художники-пейзажисты возразят, что Солнце чисто-белое и тем самым позволяет им точно видеть цвета выбранных
красок.
Нет никаких сомнений, что вблизи от пыльного горизонта на восходе и закате Солнце бывает подернуто желто-оранжевой патиной. Однако в полдень, когда атмосферное рассеяние минимально, о желтом мы и не вспоминаем. На самом деле источники подлинно желтого цвета окрашивают белые предметы в желтый. Так что будь Солнце по-настоящему желтым, снег тоже казался бы желтым, даже вдалеке от пожарных гидрантов.
Для астрофизика «холодные» объекты – это объекты с температурой на поверхности между 1000 и 4000 градусов по Кельвину, которые в целом описываются как красные. Однако нити накаливания в высоковольтных лампах редко разогревается больше чем до 3000 градусов по Кельвину (при 3680 К вольфрам уже плавится) – а с виду они белые-белые. Ниже 1000 градусов предметы стремительно теряют яркость в видимой части спектра. Космические тела с такой температурой называются коричневыми карликами. И не потому, что они коричневые, – они вообще почти не испускают видимого света.
Раз уж мы об этом заговорили, черные дыры тоже не совсем черные. На самом деле они очень медленно испаряются, поскольку испускают очень маленькие количества света с края горизонта событий – этот процесс описал физик Стивен Хокинг. В зависимости от массы черной дыры она может испускать свет в любой форме. Чем меньше черные дыры, тем быстрее они испаряются, а потом им приходит конец, что знаменуется бешеной вспышкой энергии, а также видимого света.
Современные иллюстрации к научным и научно-популярным текстам, которые показывают по телевизору и печатают в книгах и журналах, зачастую сделаны с помощью искусственной палитры цветов. Особенно в этом преуспели создатели телевизионных прогнозов погоды – они обозначают, скажем, ливневые дожди одним цветом, а просто дожди – другим. Когда астрофизики создают изображения космических объектов, то обычно приписывают шкале яркостей этих объектов произвольный набор цветов. Например, самые яркие объекты обозначают красным, а самые тусклые – синим. Поэтому те цвета, которые вы видите, не имеют никакого отношения к подлинному цвету объекта. Как и в метеорологии, некоторые из этих изображений окрашены в цвета, имеющие отношение к каким-то другим качествам, например к химическому составу или температуре объекта. И совсем не редкость – изображение спиральной галактики, раскрашенное в соответствии с вращением: то, что движется на зрителя, окрашено разными оттенками синего, то, что движется от него, – разными оттенками красного. В этом случае выбор цветов заставляет вспомнить синий и красный допплеровский сдвиг, выдающий движение объекта.
На карте знаменитого реликтового излучения некоторые области теплее среднего. И, разумеется, некоторые холоднее, как же иначе. Диапазон составляет одну стотысячную градуса. Как отразить этот факт? Сделать теплые участки красными, а холодные синими – или наоборот. Так или иначе, очень маленькие колебания температур на изображении будут бросаться в глаза и казаться очевидными.
Иногда широкая публика видит полноцветное изображение космического объекта, который был сфотографирован в невидимом диапазоне, например в инфракрасном или в радиодиапазоне. Как правило, в таких случаях мы приписываем три цвета – обычно классические красный, зеленый и синий (палитра «RGB») – трем разным участкам спектральной полосы. В результате подобных упражнений полноцветное изображение строится так, словно мы от природы обладаем способностью видеть цвета в этих невидимых частях спектра.
Из всего этого следует, что обычные, обиходные цвета вполне могут значить для ученых совсем не то, что для всех прочих. В тех случаях, когда астрофизики решают говорить прямиком, без метафор, у них есть инструменты и методы, которые позволяют определить, какой именно цвет испускается или отражается от того или иного объекта, и не зависеть от вкусов художника или от капризов человеческого цветовосприятия. Однако подобные методы не делают скидок на неподготовленного зрителя. При построении изображений используются логарифмические отношения интенсивностей испускаемого объектом излучения в разных фильтра, которые выстроены в тщательно продуманную систему, учитывающую, кроме всего прочего, зависимость чувствительности детектора от энергии регистрируемого света. Видите, я же предупреждал, что мы не делаем скидок на неподготовленность. Когда отношение интенсивностей, скажем, уменьшается, объект на компьютерном изображении становится более голубым независимо от того, какого «цвета» он был изначально.
С кем капризы человеческого восприятия сыграли злую шутку – так это с состоятельным американским астрономом-любителем и большим фанатом Марса Персивалем Лоуэллом. На рубеже XIX и XX столетий он сделал очень подробные зарисовки поверхности Марса. Чтобы делать подобные наблюдения, нужно, чтобы воздух в обсерватории был сухой и неподвижный – тогда свет от планеты не исказится и не смажется на пути к твоей сетчатке. Потому-то Лоуэлл в 1894 году и основал Обсерваторию Лоуэлла, крупнейшую частную обсерваторию в США, в засушливой Аризоне, на вершине Марсианского холма. Богатая железом, ржавая поверхность Марса выглядит красной при любом увеличении, однако Лоуэлл заметил на ней еще и много зеленых пятен, а также переплетение каналов – по крайней мере, именно так он описал их и зарисовал: по его мнению, это были искусственные водоводы, предположительно построенные самыми настоящими живыми марсианами, которые стремились доставить драгоценную воду от полярных ледников в свои города, деревни и сельскохозяйственные угодья.
По поводу вуайеристской страсти поглядывать за инопланетянами у Лоуэлла мы сейчас распространяться не будем. Давайте лучше побеседуем о каналах и зеленых пятнах растительности. Персиваль, сам того не ведая, стал жертвой двух широко известных оптических иллюзий. Во-первых, человеческий мозг практически всегда стремится выделить какую-то визуальную закономерность даже там, где никакой закономерности нет. Ярчайший пример – это созвездия в небе: результат игры воображения сонных обывателей, которые искали порядок в случайных группах звезд. Подобным же образом мозг Лоуэлла интерпретировал никак не связанные между собой особенности поверхности и атмосферы Марса и решил, что это осмысленные крупномасштабные конструкции.
Вторая иллюзия состоит в том, что серый цвет рядом с рыжевато-красным кажется сине-зеленым: этот эффект первым заметил французский химик М. Э. Шеврель еще в 1839 году. Поверхность Марса сплошь тускло-красная с отдельными участками серо-коричневого. А сине-зеленый появился в результате физиологического эффекта: область нейтрального цвета по контрасту с рыже-оранжевым кажется глазу синевато-зеленой.
Сыграл свою роль и другой физиологический эффект, не вполне очевидный и не вызывающий такого конфуза: обычно мозг корректирует цвета в соответствии с обстановкой, в которую попадаешь. Вот, скажем, в джунглях, где практически весь свет, пробившийся сквозь листву, прошел сквозь зеленый фильтр (то есть сквозь листву), молочно-белый лист бумаги должен тоже показаться зеленым. Однако этого не происходит. Несмотря на особое освещение, мозг делает его белым.
Приведу пример попроще: вспомните, как поздно вечером выглядят окна, за которыми люди смотрят телевизор. Если в комнате нет источников света, кроме телевизора, стены комнаты окрасятся в нежно-голубой цвет. Но мозг телезрителей, залитых светом от экрана, корректирует цветовую гамму интерьера, поэтому сами они никакого искажения не замечают. Эта физиологическая компенсация не даст первым марсианским колонистам зациклиться на преобладающем в пейзаже красном цвете. Более того, первые изображения, которые отправил на Землю в 1976 году марсоход «Викинг», были преднамеренно подкрашены темно-красным, чтобы соответствовать ожиданиям прессы.
В середине XX века ночное небо стали систематически фотографировать с одного и того же места неподалеку от города Сан-Диего в штате Калифорния. Получившаяся в результате беспрецедентная база данных, которая называется «Паломарский обзор неба» (Palomar Observatory Sky Survey), легла в основу долгосрочных прицельных наблюдений, которыми занимается уже целое поколение астрофизиков. Исследователи космоса фотографировали небо дважды при одинаковой экспозиции на два разных сорта особых черно-белых фотографических пластин фирмы «Кодак»: одна разновидность была более чувствительна к синему свету, другая – к красному. (В корпорации «Кодак» появилось целое подразделение, чьей задачей было обслуживать этот фотографический фронт; коллективные усилия астрономов и сотрудников фирмы и вывели отдел НИОКР в «Кодаке» на нынешний высокий уровень.) Если вас интересует какой-то небесный объект, первым делом сравните его снимки на «красной» и «синей» пластине – и получите первые данные о том, какой именно свет он излучает. Например, очень красные объекты ярко видны на красных фотографиях, однако едва различимы на синих. Подобного рода информация позволяет выработать программы дальнейшего наблюдения за выбранным объектом.
Диаметр Космического телескопа им. Хаббла обладает достаточно скромными размерами по сравнению с крупнейшими наземными телескопами – всего 2,4 метра, – однако этот аппарат все равно сделал весьма впечатляющие цветные снимки космоса. Самые значительные из них вошли в серию «Наследие телескопа им. Хаббла» (Hubble Heritage Project), благодаря которой заслуги этого космического аппарата останутся в наших умах и сердцах. Однако широкая публика сильно удивится, если узнает, каким именно образом астрофизики получают цветные изображения. Прежде всего, мы применяем ту же цифровую технологию CCD, что и в любительских видеокамерах, только мы начали ею пользоваться на десять лет раньше вас и наши детекторы не в пример лучшего качества. Во-вторых, прежде чем свет попадает в CCD, мы фильтруем его одним из нескольких десятков способов. Для обычного цветного снимка мы получаем три последовательных изображения объекта через широкополосные фильтры – красный, зеленый и синий. Несмотря на названия, вместе эти фильтры охватывают весь видимый спектр. Затем мы комбинируем на компьютере все три снимка так же, как компьютер у вас в черепной коробке комбинирует сигналы от колбочек в сетчатке, чувствительных к красному, зеленому и синему цвету. Так создается цветная картинка, очень напоминающая то, что увидели бы вы сами, если бы глаз у вас был 2,4 метра в диаметре.
Однако предположим, что какой-то объект из-за квантовых свойств своих атомов и молекул испускает свет исключительно на определенных длинах волн. Если мы заранее это знаем и применяем узкие фильтры, центры которых находятся именно на этих длинах волн, то можем сузить чувствительность изображения до конкретного узкого диапазона, вместо того чтобы использовать широкополосную палитру RGB. Каков же результат? На картинке яснее ясного станут видны всевозможные особенности и странности нашего объекта, структура и текстура, которая иначе осталась бы незамеченной. За примерами не приходится далеко ходить – они прямо здесь, у нашего космического порога. Откровенно признаюсь, что никогда в жизни не видел красное пятно на Юпитере в обычный телескоп. Иногда оно ярче, иногда бледнее, но в любом случае лучше смотреть на него сквозь фильтр, который выделяет красные длины волн, исходящих от молекул в газовых облаках.
Если взглянуть на галактику, то кислород поблизости от областей звездообразования, среди разреженного газа межзвездной среды, испускает чисто зеленый цвет. (Именно это и натолкнуло ученых на мысль о загадочном элементе «небулии», о котором мы уже упоминали.) Стоит поставить соответствующий фильтр – и излучение в характерных линиях кислорода попадает на датчик, не будучи замутненным посторонним зеленым светом, который вполне может исходить от чего-то другого, находящегося поблизости. Яркие оттенки зеленого, которые бросаются в глаза на многих изображениях с телескопа им. Хаббла, – это те самые богатые кислородом области на фоне ночного неба. А если поставишь фильтр, настроенный на другие виды атомов и молекул, цветные изображения станут инструментом химического анализа космоса. Телескоп им. Хаббла так хорошо умеет это делать, что галерея его знаменитых цветных снимков совсем не похожа на классические изображения тех же самых объектов в палитре RGB, которые делались на других аппаратах в попытке имитировать цветовосприятие человеческого глаза.
Предметом бурных споров стал вопрос о том, содержат ли снимки с телескопа им. Хаббла «истинные» цвета. Одно можно утверждать с уверенностью: «ложных» цветов там нет. Это все настоящие цвета, испускаемые настоящими астрофизическими объектами и явлениями. Пуристы настаивают, что мы оказываем широкой публике медвежью услугу, поскольку показываем космические цвета не так, как их воспринял бы человеческий глаз. Однако я убежден, что если бы можно было подстроить нашу с вами сетчатку для восприятия узкополосного света, мы увидели бы все точно так же, как телескоп имени Хаббла. Более того, я убежден, что «если бы» в предыдущем предложении – не большая натяжка, чем «если бы» в фразе «Если бы ваши глаза были размером с большие телескопы».
Остается еще один вопрос: какой получится цвет, если смешать видимый свет ото всех светящихся объектов во Вселенной? Проще говоря, какого цвета Вселенная? К счастью, некоторые ученые, не найдя себе другого занятия, нашли на него ответ. Карл Глейзбрук и Айвен Болдри из Университета Джонса Хопкинса после первоначальной ошибочной гипотезы о том, что Вселенная окрашена в нечто среднее между цветом морской волны и бледно-бирюзовым, исправили свои вычисления и определили, что на самом деле Вселенная нежно-бежевая – можно назвать этот цвет «космическим латте». Цветовые откровения Глейзбрука и Болдри основаны на исследованиях видимого света более чем 200 000 галактик, занимающих во Вселенной большой, репрезентативный объем.
Слово «фотография» изобрел сэр Джон Гершель, английский астроном XIX века. Астрофизики – к вящему замешательству, а иногда все же и к восторгу широкой публики – с тех пор так и этак колдуют над этим процессом и останавливаться не собираются.
Глава восемнадцатая
Космическая плазма
Врачебный лексикон совпадает с астрофизическим лишь в единичных случаях. В человеческом черепе есть «орбиты» – более или менее круглые впадины, которые называются еще и глазницами; посередине под грудиной находится «солнечное» сплетение, однако ни квазаров, ни галактик в организме нет. Что касается орбит, то тут медицинский и астрофизический смысл во многом если не совпадает, то смыкается, а вот слово «плазма», хотя и часто упоминается в обеих дисциплинах, означает настолько разные вещи, что они не имеют друг с другом ничего общего. Переливание плазмы крови может спасти жизнь, а даже самая мимолетная встреча с сияющим шаром из астрофизической плазмы, температура которой составляет миллион градусов, оставит от вас только облачко дыма.
Астрофизическая плазма встречается в космосе везде и повсюду, однако в учебниках для младших курсов и в популярной прессе о ней почти никогда не говорят. В научно-популярных статьях и книгах плазму часто называют четвертым состоянием вещества из-за пестрой россыпи качеств, которые отличают плазму от привычных твердых, жидких и газообразных тел. В плазме есть свободно движущиеся атомы и молекулы, как в газе, однако она может проводить электрический ток, а также «замораживать» пронизывающее ее магнитное поле. Большинство атомов в плазме по тем или иным причинам лишены электронов. А сочетание высокой температуры с низкой плотностью приводит к тому, что электроны воссоединяются с атомами лишь изредка. В целом плазма остается электрически нейтральной, поскольку общее число (отрицательно заряженных) электронов равно общему числу (положительно заряженных) протонов. Однако внутри плазмы так и снуют электрические токи и магнитные поля, поэтому во многих отношениях она ведет себя точь-в-точь как идеальный газ, о котором мы столько наслушались на уроках физики и химии в старших классах.
Воздействие на вещество электрических и магнитных полей практически всегда так велико по сравнению с силой гравитации, что ей можно пренебречь. Электрическая сила притяжения между протоном и электроном на сорок порядков сильнее гравитационного взаимодействия. Электромагнитные силы так мощны, что детский магнит легко поднимает со стола скрепку, невзирая на гигантское тяготение Земли. Хотите пример поинтереснее? Если вы умудритесь вытащить все электроны из кубического миллиметра атомов под носом у космического шаттла и размажете их по взлетной площадке, сила их притяжения окажется такова, что шаттл не взлетит. У него заработают все двигатели – а сам он не сдвинется с места. И если бы астронавты с «Аполлона» привезли домой на Землю все электроны из горстки лунной пыли (оставив на Луне все атомы, из которых они забрали электроны), сила притяжения превзошла бы гравитационную тягу между Землей и Луной.
Самые заметные примеры плазмы на Земле – это огонь, молния, след падающей звезды и статический разряд, который больно ударяет вас, если надеть шерстяные носки, пошаркать по ковру, а потом взяться за металлическую дверную ручку. Электрические разряды – это зигзагообразные потоки электронов, которые стремительно пролетают по воздуху, когда слишком много электронов скапливается в одном месте. Если заглянуть в мировую статистику гроз, молнии ударяют в Землю несколько тысяч раз в час. Воздушный столб толщиной в сантиметр, по которому проходит разряд молнии, за долю секунды превращается в плазму и ярко светится, поскольку поток электронов мгновенно разогревает его до миллионов градусов.
Каждая падучая звезда – это крошечная частичка межпланетного мусора, которая движется так быстро, что сгорает в воздухе и опускается на Землю в виде безобидной космической пыли. Примерно то же самое происходит с космическим кораблем, который возвращается в атмосферу. Поскольку обитатели корабля не видят особого смысла в том, чтобы приземляться на орбитальной скорости в 30 000 километров в час (около 8 километров в секунду), кинетическую энергию надо куда-то девать. При входе в атмосферу она превращается в тепло на передней части космического корабля и быстро выделяется теплозащитной обшивкой. Именно поэтому астронавты, в отличие от падучих звезд, прибывают на Землю не в виде пыли. Во время спуска в течение нескольких минут жар так силен, что каждая молекула рядом с космической капсулой ионизируется, на время окутывая астронавтов плазменным барьером, сквозь который не проходят никакие сигналы связи. Это и есть знаменитый период исчезновения сигнала, когда корабль светится, а в ЦУПе ничего не знают о самочувствии астронавтов. Потом корабль замедляется в атмосфере, температура падает, воздух становится плотнее, и плазма прекращает существование. Электроны возвращаются к своим атомам, а связь быстро налаживается.
На Земле плазма встречается относительно редко, зато составляет более 99,99 % всего видимого вещества в космосе. Сюда входят все светящиеся звезды и газовые облака. Почти на всех прекрасных фотографиях туманностей в нашей галактике, полученных космическим телескопом им. Хаббла, видны разноцветные газовые облака плазмы. На форму и плотность некоторых из них сильно влияет присутствие магнитных полей, созданных близкими источниками. Плазма способна удерживать магнитное поле в своих границах, она вертит им – и вообще искажает – как может. Сложные отношения плазмы с магнитным полем – основная причина одиннадцатилетнего цикла солнечной активности. У солнечного экватора газ вращается немного быстрее, чем у полюсов. Этот перепад дурно влияет на цвет лица нашего светила. Магнитное поле Солнца заключено внутри его плазмы, поэтому оно искажается и растягивается. Кривое, искореженное магнитное поле пробивается сквозь поверхность Солнца, таща за собой плазму – от этого и возникают солнечные пятна, вспышки, протуберанцы и прочие прыщи и раздражения.
Именно эта взаимосвязь и приводит к тому, что Солнце вышвыривает в пространство до миллиона тонн заряженных частиц в секунду – в том числе электроны, протоны и голые ядра гелия. Этот поток частиц, когда легкое дуновение, а когда и настоящий ураган, принято называть солнечным ветром. Солнечный ветер – возможно, самый знаменитый вид плазмы – приводит к тому, что хвосты комет направлены от Солнца независимо от направления движения кометы. Именно солнечный ветер и вызывает северные (и южные) сияния, когда сталкивается с молекулами земной атмосферы поблизости от магнитных полюсов, причем так бывает не только на Земле, но и на всех остальных планетах, где есть атмосфера и сильные магнитные поля. В зависимости от температуры плазмы и от ее атомного и молекулярного состава, некоторые свободные электроны занимают места в электронных оболочках атомов, где имеются вакансии, и как по лестнице скатываются вниз по множеству энергетических уровней в этих оболочках. По пути электроны испускают свет со строго определенными длинами волн. Своей чудесной цветовой гаммой северные сияния – как, впрочем, и неоновые трубки, флуоресцентные лампы, а также декоративные плазменные лампы, которые продают в третьеразрядных магазинах подарков, – обязаны именно буйным шалостям электронов.
Благодаря современным спутникам-обсерваториям у нас появилась беспрецедентная возможность следить за солнечной активностью и солнечным ветром с такой же легкостью, как мы следим за ежедневной сводкой земной погоды. Мое первое телевизионное интервью для вечернего выпуска новостей было связано именно с тем, что Солнце запустило прямо в Землю плазменной плюшкой. Все – по крайней мере, журналисты – страшно перепугались, что когда она угодит в Землю, цивилизации конец. Я уговаривал зрителей не волноваться, ведь нас надежно защищает магнитное поле, и предложил воспользоваться случаем, съездить куда-нибудь на север и полюбоваться северным сиянием, которое вызовет солнечный ветер.
Разреженная солнечная корона, тот самый сияющий ореол, который видно во время полного солнечного затмения вокруг силуэта Луны, – это плазма с температурой в пять миллионов градусов, составляющая внешнюю часть атмосферы Солнца. При таких высоких температурах корона является главным источником рентгеновского излучения, наблюдаемого от Солнца, однако в других условиях она не видна невооруженному глазу. В диапазоне видимого света солнечная поверхность – фотосфера – такая яркая, что ее сияние полностью затмевает корону.
В атмосфере Земли есть целый слой, где солнечный ветер выбивает электроны из атомов, отчего создается покров плазмы, который мы называем ионосферой. Этот слой отражает определенные частоты радиоволн, в том числе и длинноволновый (АМ) диапазон вашего радиоприемника. Именно это свойство ионосферы позволяет АМ-сигналам проходить сотни километров, а «коротковолновое» радио уходит на тысячи километров далеко за горизонт. Сигналы в диапазоне FM и телевещательные сигналы, обладающие гораздо более высокой частотой, проходят атмосферу насквозь и уносятся в космос со скоростью света. Любая инопланетная цивилизация, стоит ей на нас настроиться, запросто узнает все про наши телешоу (что, наверное, не так уж хорошо), услышит все наши музыкальные FM-радиостанции (что, наверное, не так уж плохо) и ничего не узнает о политических дебатах на АМ-радиостанциях (а это, наверное, только к лучшему).
Большинство видов плазмы плохо влияют на органические вещества. Во всем сериале «Звездный путь» самая опасная работа у того персонажа, который исследует сияющие плазменные шары на неведомых планетах, куда попадают герои. (Помнится, что этот персонаж всегда был в красной рубашке.) Каждый раз, столкнувшись с плазменным шаром, герой испаряется. Казалось бы, если ты родился в XXV веке, пора бы научиться относиться к плазме с уважением, или уж тогда не наряжайся в красное. Мы, жители XXI века, еще нигде толком не побывали, а уже очень уважаем плазму.
В термоядерных реакторах, где за плазмой наблюдают с безопасного расстояния, мы пытаемся на высокой скорости столкнуть ядра водорода и превратить их в более тяжелые ядра гелия. При этом мы высвобождаем энергию, которой могло бы хватить на удовлетворение потребности общества в электричестве. Беда в том, что мы еще не преуспели в том, чтобы получать больше энергии, чем вкладываем. Чтобы добиться столкновения на столь высоких скоростях, сгусток атомов водорода нужно разогреть до десятков миллионов градусов. В такой обстановке нечего и надеяться, что электроны останутся в атомах. При таких температурах все электроны вырываются из своих атомов водорода и отправляются в свободное плавание. Как же удержать сияющий шар водородной плазмы при температуре в миллионы градусов? В какой емкости хранить? Пластиковый контейнер для микроволновки тут не подойдет, даже дорогой и фирменный. Нужна такая бутылка, которая не расплавится, не распадется, не испарится. Мы уже упоминали о том, что можно воспользоваться в своих интересах отношениями между плазмой и магнитным полем и создать своего рода «бутылку», стенки которой состоят из мощных магнитных полей, за которые плазма не в состоянии просочиться. Экономическая выгода от хорошего термоядерного реактора отчасти зависит от устройства его магнитной бутылки и от того, насколько правильно мы понимаем, как взаимодействует с ней плазма.
Почетное место среди самых экзотических искусственных состояний вещества занимает недавно выделенная кварк-глюонная плазма, созданная учеными в Брукхейвенской национальной лаборатории – в ускорителе частиц, расположенном на Лонг-Айленде в Нью-Йорке. Кварк-глюонная плазма состоит не из атомов, лишившихся электронов, а из смеси самых фундаментальных составляющих вещества – кварков с дробным зарядом и глюонов, которые обычно скрепляют их вместе, создавая протоны и нейтроны как таковые. Эта необычная разновидность плазмы сильно напоминает состояние Вселенной спустя долю секунды после Большого Взрыва. Примерно тогда вся наблюдаемая Вселенная уместилась бы в 26-метровую сферу в Роузовском Центре Земли и Космоса. На самом деле вся Вселенная до последнего кубического сантиметра находилась в состоянии плазмы еще почти 400 000 лет после Большого Взрыва. К этому времени Вселенная остыла от триллионов градусов до нескольких тысяч. Все это время свободные электроны плазменной Вселенной рассеивали свет направо и налево – это очень напоминает состояние, в котором пребывает свет, когда проходит сквозь матовое стекло или сквозь недра Солнца. Ни там ни там свет не может пройти, не рассеявшись, так что обе эти среды светопроницаемы, но не прозрачны. Остыв ниже нескольких тысяч градусов, Вселенная уже создала такие условия, что каждый электрон в космосе мог соединиться с одним атомным ядром, и так получились полноценные атомы водорода и гелия. Как только каждый электрон нашел себе дом, Вселенная вышла из состояния плазмы. Так продолжалось сотни миллионов лет, по крайней мере, до возникновения квазаров, чьи центральные черные дыры лакомятся газовыми смерчами. Перед тем как упасть в черную дыру, газ испускает ионизирующий ультрафиолетовый свет, который расходится по Вселенной и прилежно выбивает электроны обратно из атомов. До появления квазаров Вселенная пережила один-единственный период в своей истории (и прошлой, и будущей), когда плазмы в ней не было. Этот период мы называем Темными веками и считаем временем, когда гравитация тихо и незаметно собирала вещество в огромные шары, которые затем разогревались и превращались в первое поколение звезд, снова состоящих из плазмы.
Глава девятнадцатая
Лед и пламень
Когда Коул Портер в 1948 году сочинил шлягер «Ну и жарища» («Too Darn Hot») для своего бродвейского мюзикла «Целуй меня, Кэт», то жаловался в этой песенке на температуру не выше 35–40 градусов по Цельсию. Если воспользоваться стихами Портера как руководством по выбору верхнего предела температуры для приятных занятий любовью, вреда от этого не будет. Если сопоставить это с тем, что делает с эротическими порывами обычного человека холодный душ, получится вполне приличная оценка того, как узок диапазон приемлемых температур для нагого человеческого тела – от нуля по Цельсию с отметкой комнатной температуры где-то посередине.
Во Вселенной все по-другому. Как вам температура в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов? Это сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов. А еще это температура Вселенной спустя крошечную долю секунды после Большого Взрыва, когда вся энергия, вещество и пространство, которому предстояло превратиться в планеты, петунии, пряники и специалистов по физике частиц, были расширяющимся шаром из кварк-глюонной плазмы. И пока космос не остыл во много миллиардов раз, в нем не могло существовать ничего, что можно было бы назвать предметом или явлением.
Как велят законы термодинамики, примерно через секунду после Большого Взрыва расширяющийся огненный шар остыл до 10 миллиардов градусов и раздулся от размеров меньше атома до объема около тысячи Солнечных систем. Когда прошло три минуты, во Вселенной настала блаженная прохлада всего в миллиард градусов и вовсю шла работа по созданию простейших атомных ядер. Расширение – верная служанка остывания, и они с тех пор так и трудятся, не покладая рук.
Сегодня средняя температура Вселенной составляет 2,73 градуса по Кельвину. Все упоминавшиеся до сих пор температуры, кроме диапазона человеческого либидо, указаны в градусах Кельвина. Градус Кельвина соответствует на шкале температуры тому же интервалу, что и градус Цельсия, только на шкале Кельвина нет отрицательных чисел. Нуль есть нуль, и точка. Чтобы отмести все сомнения, нуль на шкале Кельвина называется абсолютный нуль.
Шотландский инженер и физик Уильям Томпсон, который впоследствии стал лордом Кельвином – и под этим именем прославился, – был первым, кто выдвинул идею минимальной возможной температуры. Это было еще в 1848 году. В лаборатории ее так и не удалось получить. И в принципе никогда не получится, хотя ученые подобрались к абсолютному нулю до ужаса близко. В лаборатории физика из Массачусетского технологического института Вольфганга Кеттерле в 2003 году искусными методами была получена температура в 0,0000000005 K (или, как сказали бы фанаты метрических систем, в 500 пикокельвинов).
Между тем космические явления охватывают поразительно широкий диапазон температур. Одно из самых жарких мест в сегодняшней Вселенной – ядра голубых звезд-сверхгигантов в часы коллапса. Перед самым взрывом сверхновой, в результате которого все окрестности звезды сильно разогреваются, ее температура взлетает до 100 миллиардов К. Для сравнения, в недрах Солнца всего 15 миллионов К.
На поверхностях гораздо прохладнее. Оболочка голубого сверхгиганта разогрета примерно до 25 000 К – этого, конечно, достаточно, чтобы испускать голубой свет. На нашем Солнце можно намерять 6000 К – этого достаточно, чтобы светить белым светом, и достаточно, чтобы плавить и испарять всю таблицу Менделеева. На поверхности Венеры 740 К, и этого хватит, чтобы поджарить любую электронику, которой обычно оснащают космические зонды.
Значительно ниже по шкале располагается точка замерзания воды – 273,15 К, что прямо-таки тепло по сравнению с 60 К на поверхности Нептуна, почти в 5 миллиардах километров от Солнца. Еще холоднее на Тритоне, одном из спутников Нептуна. Его поверхность, покрытая замерзшим азотом, охлаждена до 40 К, и это самое холодное место в Солнечной системе по эту сторону от Плутона.
Где же здесь место для обитателей Земли? Средняя температура тела человека – 36,6 градусов Цельсия – находится чуть ниже 310 по шкале Кельвина. Официально зарегистрированные температуры на Земле колеблются от жары в 331 К (57,8 °C, в ливийском городе Эль-Азизия в 1922 году) до мороза в 184 К (–89,15 °C, на базе Восток в Антарктиде в 1983 году). Однако при таких экстремальных температурах человеку без соответствующей экипировки не выжить. Если в Сахаре не укрыться от жары, то перегреешься, а без груды одежды и караванов провизии в Арктике обязательно замерзнешь. А между тем живущие на Земле микроорганизмы-экстремофилы, и термофилы (теплолюбивые), и психрофилы (холодолюбивые), изобретают разнообразные механизмы приспособления к температурам, при которых мы с вами изжарились бы или промерзли до костей. В сибирской вечной мерзлоте, насчитывающей 3 миллиона лет, обнаружили жизнеспособные дрожжевые грибки – безо всякой одежды. Один вид бактерий, проведший 32 000 лет в ледяном плену у вечной мерзлоты на Аляске, пробудился и начал плавать, едва растаял лед. И сейчас, когда вы читаете эти строки, разные виды архей и бактерий живут себе припеваючи в кипящей грязи, бурлящих горячих источниках и подводных вулканах.
В таких же поразительных условиях выживают даже сложные организмы. Крошечные беспозвоночные под названием тихоходки способны при соответствующей провокации временно приостанавливать обмен веществ. В этом состоянии они переносят температуры в 424 К (150 °C) в течение нескольких минут, а 73 К (–200 °C) – в течение нескольких дней кряду, так что им вполне хватило бы жизнестойкости, чтобы высадиться на Нептуне. Когда вам в следующий раз понадобятся космические путешественники с «соответствующей закалкой», стоит набрать экипаж из дрожжей и тихоходок, а всевозможные космонавты, астронавты и тайконавты[4] пусть отдохнут дома.
Температуру часто путают с теплом. Это распространенное заблуждение. Тепло – это общая энергия всех движений всех молекул в выбранном вами веществе. Так сложилось, что внутри смеси диапазон энергий очень широк: одни молекулы движутся быстро, другие медленно. Температура всего лишь отражает их среднюю энергию. Например, температура чашки горячего кофе выше, чем температура бассейна с подогревом, однако вся вода в бассейне содержит куда больше тепла, чем одинокая чашечка кофе. Если вы по невоспитанности выльете свой кофе при температуре 93 °C в бассейн с температурой 37 °C, бассейн вовсе не нагреется до «средней» температуры в 64 °C. И хотя два человека в одной постели испускают вдвое больше тепла, чем один человек в постели, средняя температура двух их тел – 36,6 °C и 36,6 °C – не создает под одеялом духовку с температурой в 73,2 °C.
Ученые XVII и XVIII веков считали, что жар тесно связан с горением. А горение в их понимании происходило, когда из предмета истекал флогистон, гипотетическая субстанция, в основном характеризующаяся именно горючестью. Если сжечь полено в камине, воздух унесет весь флогистон, а лишенное флогистона полено окажется всего-навсего грудой золы.
К концу XVIII века французский химик Антуан-Лоран Лавуазье предложил вместо теории флогистона теорию теплорода. Лавуазье считал, что тепло – это «флюид», простое вещество, невидимое, невесомое, без вкуса и запаха, которое передается от одного предмета к другому посредством горения или трения. Представление о тепле было в корне неверным до середины XIX века – пока не набрала обороты промышленная революция, когда в рамках новой отрасли физики под названием «термодинамика» оформилась более широкая концепция энергии.
Научное представление о природе тепла поставило в тупик множество самых гениальных умов, однако идею температуры вот уже много тысяч лет интуитивно понимают и ученые, и неученые. Если предмет горячий, значит, температура у него высокая. Если холодный – низкая. Эту связь подтверждают и термометры.
Изобретение термометра часто приписывают Галилею, однако первые такие приборы, возможно, создал изобретатель Герон Александрийский, живший в I веке до н. э. В книге Герона «Пневматика» есть описание «термоскопа» – устройства, которое показывает изменение объема газа при нагревании и остывании. В эпоху Возрождения «Пневматика», как и многие другие древнегреческие тексты, была переведена на латынь. В 1594 году Галилей прочел ее и, как впоследствии в случае с недавно изобретенным телескопом, сразу же создал усовершенствованный термоскоп. То же самое сделали и несколько его современников.
Главное в термометре – шкала. Есть любопытная традиция, которая идет еще с начала XVIII века: калибровать единицы температуры так, чтобы распространенным явлениям соответствовали числа, которые удобно делить – те, у которых много делителей. Исаак Ньютон предложил шкалу от нуля (таяние льда) до 12 (температура тела человека); ясно, что 12 делится нацело на 2, 3, 4 и 6. Датский астроном Оле Рёмер предложил шкалу от нуля до 60 (поскольку 60 делится на 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 и 30). По шкале Рёмера нулем обозначалась самая низкая температура, какой ему удалось достичь при помощи смеси из воды, льда и соли, а 60 градусов приходились на точку кипения воды.
В 1724 году немецкий мастер Даниэль Габриэль Фаренгейт – тот самый, который в 1714 году изобрел ртутный термометр – придумал более точную шкалу, разделив каждый градус Рёмера на четыре равные части. По новой шкале вода вскипала при 240 градусах, замерзала при 30, а температура человеческого тела составляла 90 градусов. После дальнейших уточнений диапазон от нуля до температуры тела составил 96 градусов, поскольку число 96 – это еще один чемпион по делимости (оно делится на 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 32 и 48). Точка замерзания воды стала отметкой в 32 градуса.
Шведский астроном Андерс Цельсий пошел по другому пути и в 1742 году предложил стоградусную шкалу температуры, лучше подходящую для десятеричной системы исчисления. При этом точка замерзания помещалась на отметке 100 градусов, а точка кипения – на нуле. Надо сказать, что это был не первый и не последний раз, когда астроном размечал шкалу в обратную сторону. Но какой-то неведомый благодетель, – весьма вероятно, ремесленник, которому заказали шкалы для термометров Цельсия – оказал человечеству неоценимую услугу и перевернул разметку, благодаря чему мы и получили всем известную шкалу Цельсия. Такое чувство, что число нуль само по себе парализует у иных людей мыслительные способности. Как-то раз лет двадцать назад, в бытность аспирантом, я приехал к родителям на зимние каникулы. Они тогда жили к северу от Нью-Йорка. Я включил радио, чтобы послушать классическую музыку. На северо-восток надвигалась волна холодного воздуха из Канады, и между частями «Музыки на воде» Георга Фридриха Генделя диктор объявлял о снижении температуры воздуха: «Пять градусов по Фаренгейту… четыре… три градуса»… И наконец огорченно воскликнул: «Если так и дальше пойдет, скоро никакой температуры не останется!»
Отчасти ради того, чтобы избежать подобных неловких признаний в невежестве, международное научное сообщество предпочитает пользоваться шкалой температуры Кельвина, где нуль стоит на подобающем месте – в абсолютном низу. Любое другое положение нуля произвольно и не слишком приспособлено для арифметических комментариев в прямом эфире.
Несколько предшественников Кельвина измеряли сокращение объема газа при охлаждении и установили, что −273,15 градусов по Цельсию или −459,67 градусов по Фаренгейту – это температура, при которой молекулы любого вещества обладают минимально возможной энергией. Другие эксперименты показали, что −273,15 °C – это температура, при которой газ при постоянном давлении сожмется до нулевого объема. Поскольку нулевого объема у газа не бывает, отметка −273,15 °C стала незыблемой нижней границей шкалы Кельвина. Разве можно найти для такой отметки название удачнее, чем «абсолютный нуль»?
Можно сказать, что Вселенная в целом ведет себя немного как газ. Если заставить газ расширяться, он охлаждается. В прошлом, когда Вселенная насчитывала всего-то полмиллиона лет от роду, температура в ней была около 3000 К. Сегодня она меньше 3 К. Неумолимое расширение навстречу холодной гибели привело к тому, что нынешняя Вселенная в тысячу раз больше и в тысячу раз холоднее, чем во младенчестве.
На Земле температуру обычно меряют, сунув градусник в какое-нибудь естественное отверстие в живом организме или прикоснувшись термометром к предмету каким-то другим, менее инвазивным способом. Подобная форма прямого контакта позволяет движущимся молекулам внутри термометра достичь такой же средней энергии, что и молекулы предмета, температуру которого мы измеряем.
Если термометр просто лежит себе на воздухе, а не занимается трудами праведными в куске запеченного мяса, ему говорит, какую показывать температуру, средняя скорость сталкивающихся молекул воздуха. Кстати, о воздухе: в определенное время и в определенном месте на Земле температура воздуха на солнцепеке примерно такая же, что и температура воздуха под ближайшим деревом. Тень всего-навсего прикрывает термометр от энергии солнечного света, которая практически вся проходит через атмосферу, не поглощаясь, и попадает вам на кожу, и от этого-то у вас и возникает ощущение, что вы горячее окружающего воздуха. Однако в пустоте никакого воздуха нет и нет движущихся молекул, которые заставят термометр что-то показать. Поэтому вопрос «Какая температура в космосе?» очевидного смысла не имеет. Если к термометру ничего не прикасается, он может регистрировать лишь энергию излучения всех источников, которое на него попадает.
На дневной стороне нашей Луны, лишенной атмосферы, термометр покажет 400 К (127 °C). Отойдите на несколько шагов в тень валуна или перейдите на ночную сторону Луны – и термометр тут же упадет до 40 К (–233 °C). Чтобы пережить лунный день без скафандра с контролем температуры, вам пришлось бы закладывать пируэты, чтобы попеременно разогревать и охлаждать разные части тела и как-то сохранять приемлемую температуру.
Если ударит совсем уж лютый мороз и вам захочется собрать как можно больше энергии излучения, лучше наденьте что-нибудь темное, а не блестящее.
Точно так же и термометр. Чем обсуждать, в какую обшивку помещать его в космосе, предположим, что можно сделать термометр с идеальным поглощением. А теперь, если вы поместите его посреди пустоты – например, на полдороге между Млечным Путем и галактикой Андромеда, вдали ото всех очевидных источников излучения, – термометр в конце концов покажет 2,73 К, нынешнюю фоновую температуру Вселенной.
В последнее время космологи пришли к согласию в том, что Вселенная будет расширяться вечно. К тому времени, как космос удвоится в размерах, его температура упадет вдвое. К тому времени, как он еще удвоится, температура снова снизится в два раза. Пройдут триллионы лет, весь оставшийся газ будет задействован при создании звезд, а все звезды сожгут все свое термоядерное топливо. Между тем температура расширяющейся Вселенной будет все падать и падать и все сильнее приближаться к абсолютному нулю.
Часть IV
Смысл жизни
Глава двадцатая
Прах к праху
Если просто взглянуть на Млечный Путь невооруженным глазом, увидишь полосу из темных и светлых пятен, похожих на облака, которая тянется через все небо от горизонта до горизонта. Если взять обычный бинокль или любительский телескоп, при небольшом увеличении унылые темные пятна Млечного Пути превратятся в не менее темные и унылые пятна, зато на месте ярких пятен проступят бесчисленные звезды и туманности.
Галилей в своей книжке под названием «Sidereus Nuncius» («Звездный вестник» или «Астрономический вестник»), опубликованной в 1610 году в Венеции, рассказывает, как выглядят небеса, если смотреть на них в телескоп, и в том числе приводит первое в истории описание светлых пятен на Млечном Пути. Когда он упоминает свой инструмент – слово «телескоп» еще предстояло изобрести, поэтому Галилей называет его «зрительная труба», – то приходит в такое волнение, что едва сдерживается:
Третьим предметом нашего наблюдения была сущность, или материя Млечного Пути. При помощи зрительной трубы ее можно настолько ощутительно наблюдать, что все споры, которые в течение стольких веков мучили философов, уничтожаются наглядным свидетельством, и мы избавимся от многословных диспутов. Действительно, Галаксия является не чем иным, как собранием многочисленных звезд, расположенных группами. В какую бы его область ни направить зрительную трубу, сейчас же взгляду представляется громадное множество звезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошо заметными. Множество же более мелких не поддается исследованию.
Самое увлекательное, конечно, происходит именно в «собрании многочисленных звезд». К чему интересоваться темными областями, где и звезд-то нет? Наверное, это какие-то космические дыры в бесконечную пустоту.
Только три века спустя стало понятно, что темные пятна – это густые плотные облака из газа и пыли, затмевающие далекие россыпи звезд. Именно в недрах этих облаков и таятся звездные питомники. Американский астроном Джордж Комсток задался вопросом, почему одни далекие звезды выглядят гораздо тусклее других на том же расстоянии, но кто в этом виноват, догадался лишь позднее, в 1909 году, голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн (1851–1922). Он написал об этом две статьи – обе назывались «О поглощении света в космосе» («On the Absorption of Light in Space»), – где привел доказательства, что облака, «межзвездная среда», которую он открыл, не просто рассеивают свет звезд: они по-разному влияют на разные части спектра звезды и ослабляют синий свет сильнее, чем красный. Из-за такого выборочного поглощения далекие звезды на Млечном Пути выглядят в среднем краснее близких.
Обычные водород и гелий, главные составляющие облаков межзвездного газа, не делают свет красным. А вот более крупные молекулы на это способны, особенно те, которые содержат углерод и кремний. А когда молекулы становятся так велики, что их уже нельзя называть молекулами, мы зовем их пылью.
С домашней разновидностью пыли знакомы, наверное, все, хотя лишь немногим известно, что в замкнутом пространстве квартиры она состоит в основном из отшелушившихся мертвых клеток кожи человека (а также домашних животных, если вы держите дома какое-нибудь млекопитающее). Насколько мне известно, космическая пыль в межзвездном пространстве ничьего эпидермиса не содержит. Зато там есть удивительный набор сложных молекул, излучение которых лежит в основном в инфракрасном и микроволновом диапазоне. В арсенале астрофизиков микроволновые телескопы появились лишь в 60-е годы XX века, а инфракрасные – и того позже, в 70-е. Так что до той поры никто не подозревал о таком химическом многообразии. В последующие десятилетия сформировалась сложная и завораживающая картина рождения звезд.
Поделиться книгой: