Журнал «Вокруг Света» №9 за 2005 год

Туманные объекты

Среди всех космических объектов туманности, может быть, самые красивые. Правда, темные туманности в видимом диапазоне выглядят просто как черные кляксы на небе – лучше всего их наблюдать на фоне Млечного Пути. Зато в других диапазонах электромагнитных волн, например инфракрасном, они видны очень хорошо – и картинки получаются очень необычными.

Туманностями называют обособленные в пространстве, связанные силами гравитации или внешним давлением скопления газа и пыли. Их масса может быть от 0,1 до 10 000 масс Солнца, а размер – от 1 до 10 парсек.

Сначала туманности астрономов раздражали. Вплоть до середины XIX века обнаруженные туманности рассматривали как досадную помеху, мешавшую наблюдать звезды и искать новые кометы. В 1714 году англичанин Эдмонд Галлей, имя которого носит знаменитая комета, даже составил «черный список» из шести туманностей, дабы те не вводили в заблуждение «ловцов комет», а француз Шарль Мессье расширил этот список до 103 объектов. К счастью, туманностями заинтересовались влюбленный в астрономию музыкант сэр Вильям Гершель, его сестра и сын. Наблюдая небо с помощью построенных своими руками телескопов, они оставили после себя каталог туманностей и звездных скоплений, насчитывающий сведения о 5 079 космических объектах!

Гершели практически исчерпали возможности оптических телескопов тех лет. Однако изобретение фотографии и большое время экспонирования позволили найти и совсем слабо светящиеся объекты. Чуть позже спектральные методы анализа, наблюдения в различных диапазонах электромагнитных волн предоставили возможность в дальнейшем не только обнаруживать много новых туманностей, но и определять их структуру и свойства.

Межзвездная туманность выглядит светлой в двух случаях: либо она настолько горячая, что ее газ сам светится, такие туманности называют эмиссионными; либо сама туманность холодная, но ее пыль рассеивает свет находящейся поблизости яркой звезды – это отражательная туманность.

Темные туманности – это тоже межзвездные скопления газа и пыли. Но в отличие от светлых газовых туманностей, видных порой даже в сильный бинокль или телескоп, как, например, туманность Ориона, темные туманности свет не испускают, а поглощают. Когда свет звезды проходит сквозь такие туманности, пыль может полностью поглотить его, преобразовав в ИК-излучение, невидимое глазом. Поэтому выглядят такие туманности как беззвездные провалы на небе. В. Гершель называл их «дырами в небе». Возможно, самая эффектная из них – туманность Конская Голова.

Впрочем, пылинки могут не полностью поглотить свет звезд, но только частично рассеять его, при этом выборочно. Дело в том, что размер частиц межзвездной пыли близок к длине волны синего света, поэтому он сильнее рассеивается и поглощается, а до нас лучше доходит «красная» часть света звезд. Между прочим, это хороший способ оценить размер пылинок по тому, как они ослабляют свет различных длин волн.

Звезда из облака

Причины, по которым возникают звезды, точно не установлены – есть только модели, более или менее достоверно объясняющие экспериментальные данные. Кроме того, пути образования, свойства и дальнейшая судьба звезд весьма разнообразны и зависят от очень многих факторов. Однако есть устоявшаяся концепция, вернее, наиболее проработанная гипотеза, суть которой, в самых общих чертах, заключается в том, что звезды формируются из межзвездного газа в областях с повышенной плотностью вещества, то есть в недрах межзвездных облаков. Пыль как материал можно было бы не учитывать, но ее роль в формировании звезд огромна.

Происходит это (в самом примитивном варианте, для одиночной звезды), по-видимому, так. Сначала из межзвездной среды конденсируется протозвездное облако, что, возможно, происходит из-за гравитационной неустойчивости, однако причины могут быть разными и до конца еще не ясны. Так или иначе, оно сжимается и притягивает к себе вещество из окружающего пространства. Температура и давление в его центре растут до тех пор, пока молекулы в центре этого сжимающегося газового шара не начинают распадаться на атомы и затем на ионы. Такой процесс охлаждает газ, и давление внутри ядра резко падает. Ядро сжимается, а внутри облака распространяется ударная волна, отбрасывающая его внешние слои. Образуется протозвезда, которая продолжает сжиматься под действием сил тяготения до тех пор, пока в центре ее не начинаются реакции термоядерного синтеза – превращения водорода в гелий. Сжатие продолжается еще какое-то время, пока силы гравитационного сжатия не уравновесятся силами газового и лучистого давления.

Понятно, что масса образовавшейся звезды всегда меньше массы «породившей» ее туманности. Часть вещества, не успевшего упасть на ядро, в ходе этого процесса «выметается» ударной волной, излучением и потоками частиц просто в окружающее пространство.

На процесс формирования звезд и звездных систем влияют многие факторы, в том числе и магнитное поле, которое часто способствует «разрыву» протозвездного облака на два, реже три фрагмента, каждый из которых под действием гравитации сжимается в свою протозвезду. Так возникают, например, многие двойные звездные системы – две звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс и перемещаются в пространстве как единое целое.

По мере «старения» ядерное топливо в недрах звезд постепенно выгорает, причем тем быстрее, чем больше звезда. При этом водородный цикл реакций сменяется гелиевым, затем в результате реакций ядерного синтеза образуются все более тяжелые химические элементы, вплоть до железа. В конце концов ядро, не получающее больше энергии от термоядерных реакций, резко уменьшается в размере, теряет свою устойчивость, и его вещество как бы падает само на себя. Происходит мощный взрыв, во время которого вещество может нагреваться до миллиардов градусов, а взаимодействия между ядрами приводят к образованию новых химических элементов, вплоть до самых тяжелых. Взрыв сопровождается резким высвобождением энергии и выбросом вещества. Звезда взрывается – этот процесс называют вспышкой сверхновой. В конечном же итоге звезда, в зависимости от массы, превратится в нейтронную звезду или черную дыру.

Наверное, так все и происходит на самом деле. Во всяком случае, не вызывает сомнений тот факт, что молодых, то есть горячих, звезд и их скоплений больше всего как раз в туманностях, то есть в областях с повышенной плотностью газа и пыли. Это хорошо видно на фотографиях, полученных телескопами в разных диапазонах длин волн.

Разумеется, это не более чем самое грубое изложение последовательности событий. Для нас же принципиально важны два момента. Первый – какова роль пыли в процессе образования звезд? И второй – откуда, собственно, она берется?

Вселенский хладагент

В общей массе космического вещества собственно пыли, то есть объединенных в твердые частицы атомов углерода, кремния и некоторых других элементов, настолько мало, что их, во всяком случае, как строительный материал для звезд, казалось бы, можно и не принимать во внимание. Однако на самом деле их роль велика – именно они охлаждают горячий межзвездный газ, превращая его в то самое холодное плотное облако, из которого потом получаются звезды.

Дело в том, что сам по себе межзвездный газ охладиться не может. Электронная структура атома водорода такова, что избыток энергии, если таковой есть, он может отдать, излучая свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, но не в инфракрасном диапазоне. Образно говоря, водород не умеет излучать тепло. Чтобы как следует остыть, ему нужен «холодильник», роль которого как раз и играют частицы межзвездной пыли.

Во время столкновения с пылинками на большой скорости – в отличие от более тяжелых и медленных пылинок молекулы газа летают быстро – они теряют скорость и их кинетическая энергия передается пылинке. Так же нагревается и отдает это избыточное тепло в окружающее пространство, в том числе в виде ИК-излучения, а сама при этом остывает. Так, принимая на себя тепло межзвездных молекул, пыль действует как своеобразный радиатор, охлаждая облако газа. По массе ее не много – около 1% от массы всего вещества облака, но этого достаточно, чтобы за миллионы лет отвести избыток тепла.

Когда же температура облака падает, падает и давление, облако конденсируется и из него уже могут родиться звезды. Остатки же материала, из которого родилась звезда, являются в свою очередь исходным для образования планет. Вот в их состав пылинки уже входят, причем в большем количестве. Потому что, родившись, звезда нагревает и разгоняет вокруг себя весь газ, а пыль остается летать поблизости. Ведь она способна охлаждаться и притягивается к новой звезде гораздо сильнее, чем отдельные молекулы газа. В конце концов рядом с новорожденной звездой оказывается пылевое облако, а на периферии – насыщенный пылью газ.

Там рождаются газовые планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун. Ну а вблизи звезды появляются твердые планеты. У нас это Марс, Земля, Венера и Меркурий. Получается довольно четкое разделение на две зоны: газовые планеты и твердые. Так что Земля в значительной степени оказалась сделанной именно из межзвездных пылинок. Металлические пылинки вошли в состав ядра планеты, и сейчас у Земли огромное железное ядро.

Тайна юной Вселенной

Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль – в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники – новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 – 3 тысяч кельвинов) довольно много сравнительно сложных молекул.

Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль – продукт эволюции звезд. Иными словами – звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Только вот что появилось раньше – яйцо или курица? Первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль.

Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них – первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненный путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос, взорвавшись или постепенно сбросив оболочку. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время 2 млрд. лет – слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, – тайна.

Пылинка – реактор

Мало того что межзвездная пыль выступает в роли своеобразного вселенского хладагента, возможно, именно благодаря пыли в космосе появляются сложные молекулы.

Дело в том, что поверхность пылинки может служить одновременно и реактором, в котором образуются из атомов молекулы, и катализатором реакций их синтеза. Ведь вероятность того, что сразу много атомов различных элементов столкнутся в одной точке, да еще и провзаимодействуют между собой при температуре чуть выше абсолютного нуля, невообразимо мала. Зато вероятность того, что пылинка последовательно столкнется в полете с различными атомами или молекулами, особенно внутри холодного плотного облака, довольно велика. Собственно, это и происходит – так образуется оболочка межзвездных пылинок из намерзших на нее встреченных атомов и молекул.

На твердой поверхности атомы оказываются рядом. Мигрируя по поверхности пылинки в поисках наиболее энергетически выгодного положения, атомы встречаются и, оказываясь в непосредственной близости, получают возможность прореагировать между собой. Разумеется, очень медленно – в соответствии с температурой пылинки. Поверхность частиц, особенно содержащих в ядре металл, может проявить свойства катализатора. Химики на Земле хорошо знают, что самые эффективные катализаторы – это как раз частицы размером в доли микрона, на которых собираются, а затем и вступают в реакции молекулы, в обычных условиях друг к другу совершенно «равнодушные». По-видимому, так образуется и молекулярный водород: его атомы «налипают» на пылинку, а потом улетают с нее – но уже парами, в виде молекул.

Очень может быть, что маленькие межзвездные пылинки, сохранив в своих оболочках немного органических молекул, в том числе и простейших аминокислот, и занесли на Землю первые «семена жизни» около 4 млрд. лет тому назад. Это, конечно, не более чем красивая гипотеза. Но в ее пользу говорит то, что в составе холодных газопылевых облаков найдена аминокислота – глицин. Может, есть и другие, просто пока возможности телескопов не позволяют их обнаружить.

Охота за пылью

Исследовать свойства межзвездной пыли можно, разумеется, на расстоянии – с помощью телескопов и других приборов, расположенных на Земле или на ее спутниках. Но куда заманчивее межзвездные пылинки поймать, а потом уж обстоятельно изучить, выяснить – не теоретически, а практически, из чего они состоят, как устроены. Вариантов тут два. Можно добраться до космических глубин, набрать там межзвездной пыли, привезти на Землю и проанализировать всеми возможными способами. А можно попытаться вылететь за пределы Солнечной системы и по пути анализировать пыль прямо на борту космического корабля, отправляя на Землю полученные данные.

Первую попытку привезти образцы межзвездной пыли, и вообще вещества межзвездной среды, несколько лет назад предприняло NASA. Космический корабль оснастили специальными ловушками – коллекторами для сбора межзвездной пыли и частиц космического ветра. Чтобы поймать пылинки, не потеряв при этом их оболочку, ловушки наполнили особым веществом – так называемым аэрогелем. Эта очень легкая пенистая субстанция (состав которой – коммерческая тайна) напоминает желе. Попав в нее, пылинки застревают, а дальше, как в любой ловушке, крышка захлопывается, чтобы быть открытой уже на Земле.

Этот проект так и назывался Stardust – Звездная пыль. Программа у него грандиозная. После старта в феврале 1999 года аппаратура на его борту в конечном итоге должна собрать образцы межзвездной пыли и отдельно – пыль в непосредственной близости от кометы Wild-2, пролетавшей неподалеку от Земли в феврале прошлого года. Теперь с контейнерами, наполненными этим ценнейшим грузом, корабль летит домой, чтобы приземлиться 15 января 2006 года в штате Юта, неподалеку от Солт-Лейк-Сити (США). Вот тогда-то астрономы наконец увидят своими глазами (с помощью микроскопа, конечно) те самые пылинки, модели состава и строения которых они уже спрогнозировали.

А в августе 2001 года за образцами вещества из глубокого космоса полетел Genesis. Этот проект NASA был нацелен в основном на поимку частиц солнечного ветра. Проведя в космическом пространстве 1 127 дней, за которые он пролетел около 32 млн. км, корабль вернулся и сбросил на Землю капсулу с полученными образцами – ловушками с ионами, частицами солнечного ветра. Увы, произошло несчастье – парашют не раскрылся, и капсула со всего маху шлепнулась об землю. И разбилась. Конечно, обломки собрали и тщательно изучили. Впрочем, в марте 2005-го на конференции в Хьюстоне участник программы Дон Барнетти заявил, что четыре коллектора с частицами солнечного ветра не пострадали, и их содержимое, 0,4 мг пойманного солнечного ветра, ученые активно изучают в Хьюстоне.

Впрочем, сейчас NASA готовит третий проект, еще более грандиозный. Это будет космическая миссия Interstellar Probe. На этот раз космический корабль удалится на расстояние 200 а. е. от Земли (а. е. – расстояние от Земли до Солнца). Этот корабль никогда не вернется, но весь будет «напичкан» самой разнообразной аппаратурой, в том числе – и для анализа образцов межзвездной пыли. Если все получится, межзвездные пылинки из глубокого космоса будут наконец пойманы, сфотографированы и проанализированы – автоматически, прямо на борту космического корабля.

Формирование молодых звезд

1. Гигантское галактическое молекулярное облако размером 100 парсек, массой 100 000 солнц, температурой 50 К, плотностью 10 2 частиц/см 3 . Внутри этого облака имеются крупномасштабные конденсации – диффузные газопылевые туманности (1—10 пк, 10 000 солнц, 20 К, 10 3 частиц/см 3 ) и мелкие конденсации – газопылевые туманности (до 1пк, 100—1 000 солнц, 20 К, 10 4 частиц/см 3 ). Внутри последних как раз и находятся сгусткиглобулы размером 0,1 пк, массой 1—10 солнц и плотностью 10—10^6 частиц/см 3 , где формируются новые звезды

2. Рождение звезды внутри газопылевого облака

3. Новая звезда своим излучением и звездным ветром разгоняет от себя окружающий газ

4. Молодая звезда выходит в чистый и свободный от газа и пыли космос, отодвинув породившую ее туманность

Этапы «эмбрионального» развития звезды, по массе равной Солнцу

5. Зарождение гравитационно-неустойчивого облака размером 2 000 000 солнц, с температурой около 15 К и исходной плотностью 10^–19 г/см3

6. Через несколько сотен тысяч лет у этого облака образуется ядро с температурой около 200 К и размером 100 солнц, масса его пока равна только 0,05 от солнечной

7. На этой стадии ядро с температурой до 2 000 К резко сжимается из-за ионизации водорода и одновременно разогревается до 20 000 К, скорость падения вещества на растущую звезду достигает 100 км/с

8. Протозвезда размером с два солнца с температурой в центре 2x10^5 К, а на поверхности – 3x1000 К

9. Последний этап предэволюции звезды – медленное сжатие, в процессе которого выгорают изотопы лития и бериллия. Только после повышения температуры до 6x10^6 К в недрах звезды запускаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Общая продолжительность цикла зарождения звезды типа нашего Солнца составляет 50 млн. лет, после чего такая звезда может спокойно гореть миллиарды лет

Ольга Максименко, кандидат химических наук

Арсенал: Огневые тенденции нового века

Начало XXI века не ознаменовалось в армиях мира появлением «бластеров», «скорчеров» и «гремучек», как предсказывали фантасты. Военные вошли в новый век с вполне «классическим» оружием и обширными планами по созданию нового точного и мощного вооружения. Они хорошо знают, какие виды оружия им сегодня необходимы, но, оказывается, далеко не все инновации можно воплотить в железе даже с использованием суперсовременных технологий.

Патрон будущего

Качественное усиление боевой эффективности стрелкового оружия предполагает не только повышение вероятности поражения цели с первого выстрела или очереди, но и возможность ведения интенсивного огня. Здесь главными факторами являются как меткость стрельбы и поражающее действие снаряда, так и емкость магазина. При этом размеры и масса оружия должны оставаться в определенных границах, особенно с учетом действий в стесненных условиях и расширения номенклатуры экипировки бойца.

Возможности оружия во многом определяются патроном. Оценить некоторые направления проводимых исследований можно на примере образцов, представленных в 1989 году на американский конкурс ACR – «перспективная боевая винтовка».

Тогда компания «Кольт» (США) предложила 5,56-мм патрон «дуплекс», разработанный совместно с фирмой «Олин», – в стандартной гильзе одна за другой располагались две пули. Это была далеко не первая попытка разработчиков. Еще в 1964 году американцы приняли на вооружение двухпульный 7,62-мм патрон М198. В других странах также испытывались схемы с несколькими пулями, в том числе с тремя–пятью и даже с девятью. Ожидалось, что это не просто увеличит скорострельность, но и позволит выпустить очередь за один выстрел – до того, как ствол оружия изменит свое положение. На деле, однако, сравнительно легкие пули давали и худшую кучность, и недостаточное поражающее действие (в СССР двухпульные 12,7-мм патроны применяли только для пулеметов на вертолетах).

Винтовка компании AAI (США) была снаряжена 5,56-мм патроном со стреловидной подкалиберной пулей в стандартной гильзе, причем «стрела» массой 0,66 г разгонялась до скорости 1 402 м/с.

Стреловидные оперенные пули привлекали конструкторов давно, а успех таких артиллерийских снарядов с отделяемым поддоном лишь усиливал этот интерес. Испытывая малое сопротивление воздуха, стреловидная пуля имеет настильную (пологую) траекторию и долетает до цели значительно быстрее обычной пули. Высокая скорость позволяет ей уверенно пробивать бронежилеты и наносить тяжелые повреждения.

Вариант ACR австрийской компании «Штайр-Маннлихер» также предусматривал патрон со стреловидной пулей (ее начальная скорость 1 494 м/с), но уже телескопической схемы – пуля помещалась по оси пластмассовой гильзы, а порох – вокруг пули. Пока патроны со стреловидными пулями не доведены до совершенства – не удается обеспечить правильное ведение «стрелы» по каналу ствола и симметричное отделение поддона в воздухе. В результате не обеспечиваются нужные точность и кучность стрельбы. Но работы продолжаются, и данный вид пуль скоро вполне может стать серийным.

Не прекращаются пока и попытки перехода к пластмассовым гильзам в боевых патронах. Внедрению пластика мешает огромное давление пороховых газов в канале ствола боевого нарезного оружия.

Но почему бы вовсе не отказаться от гильзы? Полтора века назад именно введение унитарного патрона с металлической гильзой стало основой для развития стрелкового оружия. Но металлическая гильза заметно увеличивает массу и стоимость патрона, требует наличия в оружии механизма экстракции (извлечения и удаления) стреляной гильзы. Согласно статистике, именно с извлечением гильзы связано большинство задержек и отказов, возникающих при стрельбе. Необходимые для ее удаления вырезы повышают вероятность засорения механизмов. Неудивительно, что уже более 40 лет идут работы над безгильзовыми патронами, в которых пуля располагается в прессованной пороховой шашке или, наоборот, порох размещается внутри пули. Работы над безгильзовыми патронами велись в Австрии, Бельгии, ФРГ, США, СССР (еще в 1965 году С.Г. Симонов разработал автомат АО-31 для испытаний такого 7,62-мм патрона), но без видимого успеха.

Дальше всех продвинулась в этом вопросе германская фирма «Хеклер унд Кох», создавшая вместе с «Динамит-Нобель» новый комплекс «патрон-оружие», получивший обозначение G11. После долгих доработок патрон принял вид восьмигранной пороховой шашки, покрытой сгорающим лаком, в которую утоплена пуля и вложен капсюль. Надо сказать, немцы постарались по максимуму использовать преимущества безгильзового патрона. Механизмы винтовки защищены пластиковым корпусом с небольшим количеством вырезов и отверстий. В ней используется компактный магазин на 50 патронов. Помимо этого, применена оригинальная автоматика с «лафетной» установкой основных механизмов. При стрельбе фиксированными очередями винтовка успевает сделать три выстрела (с темпом до 2 000 выстр./мин) прежде, чем подвижный механизм, скользя внутри корпуса, дойдет до крайней задней точки и нанесет удар в плечо стрелка. Вместе с «линейной» отдачей (приклад расположен на линии оси канала ствола) «лафетная» конструкция заметно повысила меткость стрельбы. Разрабатывая и испытывая подобные модели, конструкторы долго боролись со склонностью безгильзового патрона самовоспламеняться при попадании в нагретый стрельбой патронник. На «гражданском» рынке такие боеприпасы имеют крайне ограниченное применение и используются только в однозарядных образцах из-за опасности самопроизвольного выстрела. За четверть века работы над проектом неоднократно заявлялось, что G11 вот-вот поступит на вооружение. В начале 1990-х годов она дошла до войсковых испытаний в бундесвере, один из ее вариантов испытывался по программе ACR. Но программа ACR, как известно, окончилась ничем, да и германский бундесвер этой винтовки не получил – прежде всего изза высокой стоимости и сложности в эксплуатации.

Любопытную разработку (кстати, тоже начатую еще в 1960-х) предлагала для ACR и американская корпорация «МакДоннел Дуглас» – «беззатворное» оружие. Казенную часть ствола при выстреле должна была запирать гильза патрона в форме плоской пластмассовой коробки, по оси которой располагались три обычные или стреловидные пули, а по бокам от них – пороховой заряд. Дальше опытов дело не пошло.

Смещенный импульс

Основой развития военного стрелкового оружия пока остаются патроны «классического» типа, что, впрочем, не отменяет их дальнейшей модернизации. Примером достижений в этом направлении являются советские автоматы, созданные по теме «Абакан».