Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда

Фосфор – слово древнегреческого происхождения и означает «светоносный»: так в древности называли планету Венеру, когда она появлялась на предзакатном небе.

Селен

Селен получил название от слова «Селена» – так древние греки именовали Луну – и всегда ассоциировался с элементом теллурием, который назван в честь Земли от латинского «теллус».

Церий и палладий

1 января 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пиацци открыл новую планету, которая вращается по орбите вокруг Солнца в подозрительно широком промежутке между Марсом и Юпитером. В соответствии в традицией называть планеты в честь римских богов новое небесное тело назвали Церерой в честь богини урожая. Научное сообщество пришло в такое волнение, что первый элемент, открытый после этой даты, назвали церием. Прошло два года – и была обнаружена еще одна планета, вращающаяся вокруг Солнца в том же промежутке, что и Церера. Ее назвали Палладой – в честь римской богини мудрости, – а затем, как и в случае с Церерой, дали соответствующее имя первому элементу, открытому после этого. Он называется палладий. Несколько десятилетий спустя этому фестивалю названий пришел конец. Были открыты десятки подобных планет в той же орбитальной зоне, и тщательный анализ показал, что они во много раз меньше самых маленьких известных планет. В Солнечной системе нашли новый, так сказать, участок застройки, населенный мелкими обломками камня и металла неправильной формы. Оказалось, что Церера и Паллада – не планеты, а астероиды, и обитают они в поясе астероидов, в котором, как мы теперь знаем, находятся десятки тысяч объектов – а это немного больше, чем элементов в таблице Менделеева.

Ртуть

Металл ртуть, который при комнатной температуре пребывает в жидком и быстротекучем состоянии, на многих языках называется в честь планеты Меркурий, самой быстрой из планет Солнечной системы, а та получила имя в честь быстроногого римского бога-вестника.

Торий

Торий называется в честь Тора – могучего скандинавского бога-громовержца. В римском пантеоне ему соответствует могучий бог-громовержец Юпитер. И космический телескоп имени Хаббла и в самом деле – слава Юпитеру! – увидел в полярных областях этой планеты, в толще грозовых туч, мощные электрические разряды.

Уран

Моя любимая планета – Сатурн (после Земли, конечно, но Сатурн следующий), однако в честь нее, увы, не называли химических элементов, зато у Урана, Нептуна и Плутона в таблице Менделеева есть знаменитые крестники. Элемент уран был открыт в 1789 году и назван в честь планеты, обнаруженной Уильямом Гершелем всего за восемь лет до этого. Все изотопы урана нестабильны, они спонтанно распадаются на более легкие элементы, и этот процесс сопровождается высвобождением энергии. Первая в истории атомная бомба, использованная в военных целях, была создана на основе урана. Соединенные Штаты Америки сбросили ее на Хиросиму 6 августа 1945 года и практически стерли этот японский город с лица Земли. В ядре урана – 92 протона, поэтому его принято считать «самым крупным» элементом, встречающимся в природе, хотя в урановых шахтах находят следы еще более крупных элементов.

Нептуний

Если Уран заслуживает, чтобы в его честь назвали элемент, то и Нептун ничем не хуже. Однако, в отличие от урана, который был открыт вскоре после планеты, нептуний обнаружили лишь в сороковые годы прошлого века на циклотроне в Беркли – то есть спустя целых 97 лет после того, как немецкий астроном Иоганн Галле узнал Нептун в пятнышке на небосклоне, появление которого в этом месте и в это время предсказал французский математик Жозеф де Верье, изучавший странное поведение Урана на орбите. Нептун в Солнечной системе находится сразу после Урана – так и нептуний в таблице Менделеева стоит сразу за ураном.

Плутоний

На циклотроне в Беркли открыли (или получили?) многие элементы, не встречающиеся в природе, в том числе плутоний, который стоит в таблице следующим после нептуния и назван в честь Плутона, а открыл его Клайд Томбо в Аризонской обсерватории Лауэлла в 1930 году. Это открытие вызвало не меньшую сенсацию, чем обнаружение Цереры 129 годами раньше. Плутон был первой планетой, которую открыл американец, и в отсутствие более качественных данных считали, что эта планета сопоставима по размерам и массе с Землей, а может быть, и с Ураном и Нептуном. Предпринимались все новые попытки точнее измерить параметры Плутона, и получалось, что он все меньше и меньше. Представления о габаритах этой планеты стабилизировались лишь к концу 80-х годов ХХ века. Теперь мы знаем, что холодный ледяной Плутон – с большим отрывом самый маленький из девяти планет, он даже меньше, чем шесть самых крупных лун в Солнечной системе. Вышло как с астероидами: впоследствии на внешнем крае Солнечной системы были обнаружены сотни небесных тел с орбитами, похожими на орбиту Плутона, что положило конец его карьере планеты. Более того, ученые открыли ранее не известную область, заполненную мелкими ледяными объектами, – так называемый пояс комет Койпера, к которому принадлежит и Плутон. С этой точки зрения можно утверждать, что Церера, Паллада и Плутон пролезли в таблицу Менделеева по подложным документам.

Нестабильный обогащенный плутоний также использовался в военных целях и был активным ингредиентом атомной бомбы, которую Соединенные Штаты сбросили на Нагасаки всего через три дня после Хиросимы, что и положило конец Второй мировой войне. Небольшие количества необогащенного радиоактивного плутония применяют как топливо в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (сокращенно РИТЭГ, а как же еще) на космических зондах, которые отправляют на внешние края Солнечной системы, где интенсивность солнечного света настолько низка, что использовать солнечные батареи уже нельзя. Полкило плутония хватает, чтобы сгенерировать десять миллионов киловатт-часов тепловой энергии, а этого достаточно, чтобы обычная электрическая лампочка горела одиннадцать тысяч лет – или для пропитания одного человека в течение такого же времени, если бы мы питались ядерным топливом, а не продуктами из супермаркета.

* * *

Наше космическое путешествие по периодической таблице Менделеева подходит к концу – мы побывали и на границах Солнечной системы, и даже дальше. По причинам, которых я пока не понимаю, многие люди недолюбливают химикаты, что отчасти объясняет упорство борцов против «химии» в пище. Может, дело в том, что головоломные названия химических соединений очень уж страшны на вид. Однако в этом виноваты химики, а не химия и не химикаты. Лично я люблю химикаты – во всей Вселенной. Ведь из них состоят и мои любимые звезды, и мои лучшие друзья.

8. Шар – идеальная форма

В космосе почти не бывает ничего острого и угловатого – кроме кристаллов и обломков камня. В природе часто встречаются предметы и существа удивительной формы, однако особенно много круглого: список всего шарообразного практически бесконечен, от мыльных пузырей до наблюдаемой Вселенной как таковой. Простые физические законы очень способствуют возникновению именно сфер, а не других геометрических форм. Это настолько очевидно, что мы, когда ставим мысленные эксперименты, зачастую предполагаем, что что-то имеет форму сферы, именно для того, чтобы уловить основные принципы и закономерности, даже если знаем, что на самом деле предмет совсем не шарообразен. Короче говоря, если не понимаешь, что происходит в случае сферы, нельзя претендовать на то, что разбираешься в базовой физике предмета.

Сферы в природе создаются под влиянием различных сил, например, поверхностного натяжения, которое хочет, чтобы предметы были как можно меньше по всем направлениям. Поверхностное натяжение жидкости, создающее мыльные пузыри, стискивает воздух со всех сторон. Цель пузыря – в считанные мгновения охватить заданный объем воздуха поверхностью минимальной площади. Так пузырь получится максимально прочным, поскольку мыльной пленке не придется растягиваться и становиться тоньше насущно необходимого. Простые вычисления, которые под силу старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объеме минимальную площадь замкнутой поверхности, – это идеальная сфера. Более того, можно было бы экономить миллиарды долларов ежегодно на упаковочных материалах, если бы всю упаковку и для перевозок, и в магазинах делали шарообразной. Скажем, содержимое большой коробки кукурузных колечек для завтрака легко уместилось бы в сферическую пачку радиусом в 12 сантиметров. Однако практические соображения берут верх: никто не хочет гоняться за шарообразными продуктами по проходам супермаркета, если они случайно упадут с полки.

На Земле изготавливать шарики можно промышленно – например, если капать отмеренные дозы расплавленного металла в глубокую шахту. Как правило, капля, немного поколыхавшись, принимает сферическую форму, но ей нужно еще некоторое время, чтобы застыть, прежде чем упасть на дно. На орбитальных космических станциях, где все предметы ничего не весят, можно просто аккуратненько брызгать отмеренными количествами расплавленного металла во все стороны, а потом спокойно ждать: шарики будут висеть в воздухе и остывать и в конце концов превратятся в идеальные сферы – поверхностное натяжение сделает за вас всю работу.

Простые вычисления, которые под силу даже старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объеме минимальную площадь замкнутой поверхности, – это идеальная сфера.

* * *

Крупные космические объекты становятся круглыми благодаря сговору энергии с гравитацией. Гравитация – это сила, которая заставляет вещество схлопываться по всем направлениям, но она не всегда побеждает, поскольку химические связи твердых тел очень прочны. Гималаи выросли против земного тяготения благодаря прочности кристаллических пород. Но прежде чем восхищаться величественными горами на суше, следует учесть, что расстояние от дна глубоководных океанских впадин до вершин высочайших гор составляет примерно двадцать километров, а диаметр Земли – около 12 000 километров. Так что все это гигантские высоты и глубины лишь с точки зрения крошечных людишек, копошащихся на поверхности, а как космический объект Земля на удивление гладкая. Если бы у вас был суперогромный великанский палец, и вы провели бы им по земной поверхности (вместе с горами и океанами), Земля показалась бы вам гладкой, словно бильярдный шар. Шикарные дорогие глобусы, на которых вылеплен земной рельеф, – это грубейшее преувеличение. Вот почему Земля из космоса выглядит точь-в-точь идеальной сферой – несмотря на все свои горы и долины, а также на то, что она слегка сплющена с полюсов.

К тому же земные горы – сущая ерунда по сравнению с горами на других телах Солнечной системы. Самая высокая гора на Марсе – гора Олимп – имеет высоту почти 20 километров и ширину у основания – почти 500 километров. По сравнению с ней гора Мак-Кинли на Аляске – низенький муравейник. Космический метод строительства гор очень прост: чем меньше гравитация на поверхности объекта, тем выше получаются горы. Земные горы не могут быть намного выше горы Эверест, иначе нижние слои скальных пород поддадутся и просядут под весом горы. Если гравитация на поверхности твердого тела достаточно низка, химические связи в скальных породах сопротивляются давлению собственного веса пород. А тогда возможна практически любая форма.

Две самые знаменитые небесные не-сферы – это Фобос и Деймос, спутники Марса, несколько похожие на апельсиновые дольки. На Фобосе, средний диаметр которого всего 22 километра, человек весом в 70 земных килограммов весил бы всего 115 граммов.

Две самые знаменитые небесные не-сферы – это Фобос и Деймос, спутники Марса, несколько похожие на апельсиновые дольки.

В космосе поверхностное натяжение всегда заставляет каплю жидкости принимать форму сферы. Если видишь маленькое твердое тело подозрительно шарообразной формы, резонно предположить, что оно приобрело ее в расплавленном состоянии. Если у капли или комка вещества очень большая масса, они могут состоять практически из чего угодно, а уж гравитация проследит, чтобы они стали шарообразными.

Фобос

Деймос

Большие и массивные облака газа в галактике могут слипаться и образовывать почти идеальные газовые сферы – звезды. Но если звезда оказывается слишком близко к другому объекту со значительной гравитацией, сфера искажается – вещество звезды отрывается от нее. Когда я говорю «слишком близко», то имею в виду «слишком близко к полости Роша другого объекта»: это область, названная в честь математика Эдуарда Роша, жившего в середине XIX века, который изучал гравитационные поля в окрестностях двойных звезд. Теоретически полость Роша – это объемная оболочка в виде гантели, окружающая любые два объекта, которые движутся по орбитам друг вокруг друга. Если газообразное вещество из одного объекта выходит из своей оболочки, оно падает на второй объект. Это сплошь и рядом случается у двойных звезд, когда одна из них разбухает, становится красным гигантом и переполняет свою полость Роша. Тогда форма красного гиганта перестает быть сферической и напоминает вытянутую конфету-трюфель. Более того, то и дело случается, что одна из звезд в паре – черная дыра, положение которой можно определить только по тому, как она обдирает свою компаньонку. Спирали газа, тянущиеся от гиганта через его полость Роша, разогреваются до колоссальных температур и сначала начинают светиться, а потом исчезают в недрах черной дыры.

* * *

Звезды галактики Млечный Путь образуют большой плоский диск. Соотношение диаметра к толщине у него составляет тысячу к одному, так что наша галактика площе самого плоского блина на свете. Это даже больше похоже на какую-нибудь тортилью. Нет, диск Млечного Пути точно не сфера, однако, вероятно, изначально наша Галактика тоже была шарообразной.

Как она стала плоской, понять нетрудно: представим себе, что когда-то Галактика была большим шарообразным облаком коллапсирующего газа, которое медленно вращалось. При коллапсе шар вращался все быстрее и быстрее – как фигуристы, когда они прижимают руки к телу, чтобы ускорить вращение. Галактика естественным образом сплющивалась с полюсов, а центробежные силы предотвращали коллапс в центре диска. Так что если бы колобок увлекся фигурным катанием – в раннем детстве, когда его еще не испекли, – плохой конец у сказки настал бы еще раньше.

Все звезды, сформировавшиеся в облаке Млечного Пути до коллапса, вращаются по широким высокоскоростным орбитам. Оставшийся газ, легко налипающий сам на себя, будто в воздухе сталкиваются две горячие зефирины, застревает в середине диска и отвечает за все последующие поколения звезд, в том числе и за Солнце. В наши дни Млечный Путь не схлопывается и не расширяется, поскольку представляет собой гравитационно созревшую систему, где звезды, вращающиеся по орбитам над и под диском, можно считать скелетом первоначального сферического газового облака.

В целом вращающиеся предметы уплощаются, и именно поэтому диаметр Земли от полюса до полюса меньше, чем диаметр у экватора. Не очень заметно, всего на 0,3 %, примерно на 40 километров. Однако Земля маленькая, по большей части твердая и вращается совсем не быстро. В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у нее на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час. Сравним хотя бы громадную, стремительно вращающуюся газовую планету Сатурн. Сутки на Сатурне пролетают всего за десять с половиной часов, так что его экватор вращается со скоростью 35 000 километров в час, а диаметр от полюса к полюсу на целых 10 % меньше, чем в середине: эта разница заметна даже в маленький любительский телескоп.

В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у нее на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час.

Сплюснутые сферы принято называть сжатыми сфероидами, а сферы, вытянутые от полюса к полюсу, – вытянутыми сфероидами. В обычной жизни прекрасными, пусть и несколько гротескными примерами обеих геометрических форм служат гамбургер и хот-дог соответственно. Не знаю, как вам, а стоит мне отведать гамбургер, как я сразу же вспоминаю о Сатурне.

* * *

Чтобы оценить темп вращения далеких космических объектов, мы вычисляем силу действия центробежных сил. Возьмем, к примеру, пульсары. Вращаются они со скоростью больше тысячи оборотов в секунду, так что мы понимаем, что сделаны они не из обычных стройматериалов – иначе разлетелись бы в клочки. Более того, если бы пульсар вращался еще быстрее, ну, скажем, со скоростью 4500 оборотов в секунду, его экватор двигался бы со скоростью света, так что сразу понятно, что вещество пульсара не такое, как у других звезд. Чтобы представить себе пульсар, нужно мысленно утрамбовать массу Солнца в шар размером с Манхэттен. Сложно? Тогда попробуйте вообразить сто миллионов слонов в тюбике от губной помады. Чтобы достичь такой плотности, придется сжать все пустое пространство вокруг атомных ядер и между электронами, вращающимися по орбитам. При этом почти все электроны (отрицательно заряженные) окажутся прижаты к протонам (положительно заряженным) и получится шар из нейтронов (нейтрально заряженных) с невообразимой гравитацией на поверхности.

Чтобы представить себе пульсар, нужно мысленно утрамбовать массу Солнца в шар размером с Манхэттен. Сложно? Тогда попробуйте вообразить сто миллионов слонов в тюбике от губной помады.

При таких условиях горный кряж на нейтронной звезде может быть не выше толщины бумажного листка, а на восхождение на него у вас уйдет больше сил, чем на Земле – на восхождение на гору высотой пять тысяч километров. Короче говоря, там, где гравитация сильна, все высокое склонно проваливаться и заполнять низины – прямо-таки библейская картина: «приготовьте путь Господу, прямыми сделайте в степи стези Богу нашему; всякий дол да наполнится, и всякая гора и холм да понизятся, кривизны выпрямятся и неровные пути сделаются гладкими» (Исайя 40:4). Вот отличный рецепт изготовления сферы! Именно поэтому мы считаем, что пульсары – самые идеальные сферы во Вселенной.

* * *

При изучении богатых скоплений галактик их общая форма о многом говорит астрофизикам. Одни лохматые, другие растянуты тонкими волокнами, а третьи – словно огромные диски. Ни одно из этих скоплений не приняло стабильную с точки зрения гравитации сферическую форму. Некоторые из них так растянуты, что составляющие их галактики не смогли бы за 14 миллиардов лет – возраст Вселенной – пересечь их из конца в конец. Мы делаем вывод, что скопление таким родилось, поскольку у взаимного притяжения между галактиками не хватило времени, чтобы повлиять на форму скопления.

Однако есть и другие системы, например, красивое скопление Волос Вероники, с которым мы познакомились в главе о темном веществе, – они сразу говорят нам, что стали шарообразными благодаря гравитации. Поэтому все галактики в их пределах движутся в разных направлениях с равной вероятностью. Однако в таком случае скопление не может вращаться достаточно быстро, иначе оно бы сплющилось, как сплющилась галактика Млечный Путь.

Скопление Волос Вероники, как и Млечный Путь, представляет собой зрелую гравитационную систему. На астрофизическом жаргоне подобные системы называются релаксировавшими – это означает сразу многое, в том числе неожиданное обстоятельство, что средняя скорость галактик в таком скоплении служит прекрасной мерой общей массы, несмотря на то что в объектах, по которым вычисляется эта средняя скорость, содержится весьма малая часть этой массы. Именно поэтому гравитационно релаксировавшие системы так хорошо выдают наличие несветящегося темного вещества. Я вам больше скажу: если бы не релаксировавшие системы, мы бы, вероятно, и по сей день не открыли вездесущее темное вещество.

* * *

Самая большая и совершенная сфера на свете – всем сферам сфера – это вся наблюдаемая Вселенная. Куда бы мы ни посмотрели, галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Как мы узнали из первых глав, это знаменитый признак расширения Вселенной, который открыл Эдвин Хаббл в 1929 году. Если свести воедино эйнштейновскую относительность, конечность скорости света и пространственное разрежение массы и энергии как следствие расширения Вселенной, в каждом направлении от нас на каком-то расстоянии скорость удаления галактик достигает скорости света. На этом расстоянии и дальше свет от всех объектов теряет всю энергию, не успев долететь до нас. Поэтому Вселенная за пределами этой сферической «границы», в сущности, невидима и, насколько мы можем судить, непостижима.

Самая большая и совершенная сфера на свете – всем сферам сфера – это вся наблюдаемая Вселенная.

Согласно одному из вариантов не теряющей популярности идеи множественной Вселенной, ее составляют не отдельные Вселенные, а изолированные, не взаимодействующие друг с другом карманные пространства в пределах одной непрерывной ткани пространства-времени – как будто море, в котором плавают корабли, находящиеся друг от друга так далеко, что их круглые горизонты не пересекаются. С точки зрения каждого корабля (без дополнительных данных) он – единственный в океане, но на самом деле все корабли плавают по одной и той же воде.

* * *

Сферы – богатейший теоретический инструмент, позволяющий принципиально решать самые разные астрофизические задачи. Однако нельзя творить себе кумира из сферы. Мне то и дело вспоминается старый анекдот о том, как повысить надои. Специалист-скотовод скажет: «Рассмотрим рацион дойной коровы». Инженер предложит: «Рассмотрим конструкцию доильных аппаратов». А астрофизик с ходу начнет: «Рассмотрим сферическую корову в вакууме»…

В каждой шутке есть доля правды.

9. Незримый свет

Как странника приветствуй то, что странно.

Горацио, – на небе и земле

Есть многое, что и не снилось даже Науке.

У. Шекспир. «Гамлет» (пер. П. Гнедича)

До 1800 года слово «свет» означало исключительно видимый свет (помимо своего второго значения «мир»). Однако в начале 1800 года английский астроном Уильям Гершель заметил тепло, которое мог вызвать лишь свет, невидимый человеческому глазу. Гершель был опытный экспериментатор – это он открыл планету Уран в 1781 году, а теперь исследовал соотношение между солнечным светом, цветом и теплом.

Начал он с того, что пропустил солнечный луч сквозь призму. В этом не было ничего нового. Это проделывал еще сэр Исаак Ньютон в XVII веке, что и позволило ему перечислить всем известные семь цветов спектра – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (да-да, «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). Однако Гершель копнул еще глубже и задался вопросом, какова температура каждого цвета. Он поставил термометры в разные участки радуги – и оказалось, что, как он и ожидал, в полосах разного цвета термометры показывали разную температуру. (Надо отметить, что астрономы окончательно превратились в астрофизиков лишь в середине XIX века, когда спектрометр – орудие физика – начали применять для решения астрономических задач. А в 1895 году был основан престижный журнал «The Astrophysical Journal», подзаголовок которого гласил: «Международный обзор спектроскопии и астрономической физики».)

Уильям Гершель

Чтобы эксперимент был качественным, необходим «контроль», то есть измерение, при котором не ожидаешь пронаблюдать никакого эффекта, своего рода проверка того, что ты измеряешь, на «дуракоустойчивость». Скажем, если вы хотите узнать, как влияет пиво на тюльпаны, нужно вырастить второй тюльпан, точно такой же, как первый, но поливать его не пивом, а водой. Если оба засохнут – если вы убьете обоих – алкоголь тут ни при чем. Вот для чего нужна контрольная группа.

Гершель это знал и положил термометр вне спектра, рядом с красной полосой: казалось бы, там должна быть просто комнатная температура. Однако все оказалось иначе. Температура на контрольном термометре поднялась даже выше, чем в красной полосе.

Гершель писал:

Я делаю вывод, что и красный свет не дает максимального тепла; возможно, максимум лежит за пределами видимой рефракции. В таком случае излучаемое тепло должно по крайней мере отчасти, если не полностью, состоять – да будет мне позволено так выразиться – из незримого света; а следовательно, из лучей, исходящих от Солнца, но наделенных таким импульсом, что они уже не видимы глазу[2].

С ума сойти!

Гершель непреднамеренно открыл инфракрасный свет – совершенно новую часть спектра «ниже» (именно это значит латинская приставка «инфра») красного, о чем и сказано в первой из четырех его статей на эту тему.

Открытие Гершеля для астрономии – все равно что открытие Антони ван Левенгука, который увидел «множество очень маленьких живых зверюшек, премило суетящихся» в капельке озерной воды (о чем и написал в Лондонское Королевское общество 10 октября 1676 года). Левенгук открыл одноклеточные организмы – биологическую Вселенную. Гершель – новый диапазон света.

И то, и другое пряталось от невооруженного глаза.

Идеи Гершеля тут же подхватили другие исследователи. В 1801 году немецкий физик и фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер открыл еще один диапазон невидимого света. Однако Риттер вместо термометра поместил по щепотке светочувствительного хлорида серебра в каждую полосу видимого спектра, а также в темную область возле фиолетового конца спектра. И, конечно, хлорид серебра в неосвещенной полосе потемнел сильнее, чем в фиолетовой.

А что следует за фиолетовым? Правильно – ультрафиолет, от латинского «ультра» – «дальше».