Идея об обратной квадратичной пропорциональности носилась в воздухе. Об этом говорил и Э. Галлей — друг Ньютона, в честь которого была названа знаменитая комета, и даже… известный архитектор К. Рен. Во время одной из встреч с Гуком и Галлеем Рен предложил приз тому, кто покажет, что под действием силы тяготения планеты должны двигаться по эллиптической траектории. Сделать это не смог никто — ни Гук, ни Галлей, ни тем более Рен.

Лишь в знаменитой книге Ньютона «Математические начала натуральной философии» дан последовательный, общий принцип решения любых задач физики и астрономии. Именно после выхода в свет этой книги и возникла классическая физика. Как писал в своей книге о Ньютоне академик С. Вавилов: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появление „Начал“ Ньютона… Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птолемея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, поглощались и заменялись гениальной ясностью и стройностью „Начал“… „Начала“ стали казаться многим последним принципиальным словом, на основе которого должно и может быть построено все здание науки».

Знаменитый французский математик Ж. Лагранж называл Ньютона величайшим гением и пояснял: «Систему мира можно установить только один раз». На могиле автора «Начал» была высечена эпитафия английского поэта А. Попа:

Так что же такое система мира Ньютона? Что говорит она об окружающем мире, о нашей Вселенной?

Эти вопросы отнюдь не праздные, и они связаны не только с моим желанием совершить экскурс в историю науки. Дело в том, что система мира Ньютона владела умами людей более двухсот лет, и поэтому она не могла не оказать самого серьезного влияния на мышление и мировоззрение многих поколений.

Итак, прежде всего Вселенная по Ньютону бесконечна, и, кроме того, выражаясь языком современного физика, она стационарна, вечна. Движение тел в ней описывается законами Ньютона. Не следует забывать о том, что Ньютон был человеком глубоко религиозным. Сама идея вечности Вселенной с эстетической и философской точек зрения весьма привлекательна, и, как мы увидим позже, многие крупные ученые соглашались платить весьма большую цену, чтобы сохранить стационарную, вечную Вселенную.

Гениальный Ньютон, конечно же, не мог не ставить перед собой вопроса о происхождении мира. Но для него решение этого вопроса было простым. В своих «Началах» он писал: «Изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа». Ньютон отстаивал акт первичного сотворения и полагал, что ему удалось лишь открыть основные принципы, управляющие миром. Быть может, именно с этим обстоятельством и связана его знаменитая фраза «Гипотез не измышляю».

Ньютон не мог не понимать, что открытые им законы должны приводить к некоторым следствиям, не укладывающимся в наблюдаемую астрономами картину мира. Например, он сам, затрагивая космологические вопросы, приходил к мнению, что в бесконечном пространстве должны быть лишь бесчисленные подобные друг другу сферы. В силу закона всемирного тяготения они должны двигаться с бесконечной скоростью.

Разнообразие небесных объектов, хорошо известное уже в XVII веке, ученый объяснял с теологических позиций. Философия Ньютона, его система мира долгое время устраивала всех. Это был тот редкий случай, когда научная теория (именно теория, система, а не догма) не вызывала возражений со стороны церкви: вечный и безграничный мир был создан Творцом.

Правда, одна неприятность со Вселенной Ньютона обнаружилась довольно скоро. Эта неприятность называется парадоксом Ольберса. Бременский врач с большой практикой и в то же время астроном-любитель Г. Ольберс (1758–1840) среди профессиональных астрономов своего времени пользовался непререкаемым авторитетом.

Суть парадокса Ольберса состоит в следующем. Пусть мы живем в бесконечной Вселенной Ньютона (из этого положения, разумеется, исходил Ольберс). Попробуем провести мысленный эксперимент. Окружим нашу Землю воображаемой сферой достаточно большого радиуса. Тогда внутри этой сферы окажется какое-то число звезд (для нас сейчас абсолютно неважно, какое именно), которые дадут определенный вклад в яркость нашей сферы.

Удвоим теперь радиус сферы. Если предположить, что все звезды одинаковы по своей яркости и равномерно распределены в пространстве, при операции удвоения радиуса должна увеличиться и яркость ночного неба.

Действительно, хотя при такой операции яркость самых далеких звезд уменьшится в 4 раза, так как она зависит от расстояния как 1/r², но количество звезд внутри сферы прямо пропорционально ее объему, то есть r³, и поэтому общая яркость ночного неба возрастет. В конце концов мы получим такую картину: ночное небо должно быть таким же ярким, как наше Солнце!

Сам Ольберс пытался спасти положение, «вводя» в космическое пространство поглощающую свет среду, но на самом деле в этом случае поглощающий газ должен был бы нагреваться до высокой температуры и излучал бы почти столько же энергии, сколько поглощал. Парадокс оставался неразрешимым.

В чем же дело?

Цепь рассуждений Ольберса о яркости неба, равной примерно яркости нашего Солнца, безупречна. Законы Ньютона незыблемы. Может быть, Вселенная устроена не так, как она виделась Ньютону?

Вселенная расширяется

Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом. Здесь нельзя не вспомнить уже упоминавшуюся эпитафию А. Попа, на которую после появления работ Эйнштейна «вышло дополнение»:

…Но сатана недолго ждал реванша — Пришел Эйнштейн, и стало все, как раньше.

Вряд ли здесь уместно выражение «стало все, как раньше». Но совершенно ясно одно: стало все гораздо интереснее.

Знаменитые уравнения Эйнштейна — основа общей теории относительности — были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство «говорит» материи, как ей двигаться, а материя «указывает» пространству, как ему искривляться.

Нам сейчас нужно обязательно запомнить чрезвычайно важное обстоятельство, заключающееся в том, что специфические свойства пространства-времени, которые естественно могут быть объяснены при введении такого понятия, как кривизна, проявляются лишь в сильных гравитационных полях. В локальных областях справедливо классическое приближение Ньютона. Кстати говоря, закон всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО (как сейчас называют физики общую теорию относительности). «Самая красивая из всех существующих физических теорий», — писали об ОТО советские физики, академики Л. Ландау и Е. Лифшиц.

Поскольку речь у нас сейчас пойдет о космологических проблемах, об истории Вселенной, следует попытаться понять хотя бы основные выводы и следствия из ОТО. Это нелегкая задача, поскольку ОТО имеет дело с четырехмерным пространством, где одной из координат является время.

Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число «наглядных» измерений не превышает трех. Двухмерна плоскость, трехмерен шар, куб, но как представить себе четырехмерие? Математики имеют дело с пространствами и больших размерностей, но для нас, как, впрочем, и для них, это абстракции.

Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция. Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход времени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Недаром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой.

Геометродинамика, ОТО предсказывает удивительные явления, которые должны происходить в нашем мире: изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения и многое другое. Но нас сейчас будут интересовать несколько иные вещи.

Обратимся к основному отличию ОТО от классической физики Ньютона при рассмотрении Вселенной, мира. Об этом отличии лучше всего сказал сам Эйнштейн: «Потребовалась жестокая борьба (для Ньютона), чтобы прийти к понятию независимого и абсолютного пространства, неоценимому для развития теории… Выводы Ньютона при современном ему состоянии науки были единственно возможными и, в частности, единственно плодотворными.

…Не менее напряженные усилия потребовались для того, чтобы впоследствии преодолеть это понятие (абсолютного пространства)».

Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет. И самым важным свойством уравнений Эйнштейна, по крайней мере для космологии, является то, что они позволяют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная.

Начиная рассказ об этом, нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое «давало» бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйнштейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выразиться, «статичной вечности».

Первым человеком, которому удалось на основании уравнений Эйнштейна получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной, был советский математик А. Фридман. Ему было всего 37 лет, когда он умер от брюшного тифа в Ленинграде в 1925 году.

Фридман был разносторонним человеком. Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космологии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое решение уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная нестационарна. Она замкнута и непрерывно расширяется. Эйнштейн отреагировал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав «Замечание», в котором содержалось опровержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году: «Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет…»

Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин «Вселенные Фридмана». Что же это такое?

Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности материи во Вселенной. Если средняя плотность ρ меньше некоторой величины ρ_кр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконечной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности больше критической (ρ > ρ_кр), неизбежно получается замкнутая (но безграничная!) Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжиматься.

Попробуем пояснить, как совмещаются понятия конечности и безграничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверхность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь. Эту аналогию полезно запомнить, она еще не раз нам пригодится.

Итак, на сцене появились динамические модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана — его Вселенные — построены пером теоретика (да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями), и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели — модели расширяющейся Вселенной. О чем же они свидетельствовали в то время?

Еще в 1914–1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, которому, к сожалению, сначала не придали значения: большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростями, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.

На последнее обстоятельство обратил внимание еще в 1919 году американский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его («Вселенные Фридмана» еще не были созданы!). И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой знаменитый закон, гласящий, что скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики. V = Hr, где V — скорость галактики, r — расстояние, H — так называемая постоянная Хаббла. Закон Хаббла — один из краеугольных камней современной космологии, и поэтому нам следует остановиться на этом явлении подробнее.

Каждый, кто стоял на железнодорожной платформе и наблюдал приближающийся и проходящий мимо скорый поезд, знает, что тон гудка меняется при движении поезда. Частота звука увеличивается, когда поезд подходит к платформе, и понижается, когда он удаляется от вас. Это следствие так называемого эффекта Доплера, хорошо известного в физике.

Пример движущегося по направлению к нам, а потом удаляющегося от нас источника звукового сигнала является прекрасной его иллюстрацией. Звук представляет собой бегущие в воздухе волны. Пусть источник звука дает постоянную частоту, длину волны. Длина звуковой волны — это произведение скорости звука на интервал времени между «гребнями волны». Если источник звука неподвижен, то человек всегда будет слышать один и тот же тон.

Распространение звуковых волн от неподвижного источника.

Пусть источник двигается по направлению к наблюдателю. Скорость звука не меняется. Но поскольку источник двигается к наблюдателю, то за тот же промежуток времени, что и в случае с неподвижным источником, мимо наблюдателя пройдет большее число гребней, чем в случае, когда источник неподвижен. Другими словами, наблюдателю будет казаться, что он воспринимает меньшие длины волны или более высокие частоты.

Эффект Доплера.

Тот же самый случай мы имеем, когда движется источник света. Если он приближается, то наблюдателю будет казаться, что свет синеет. Если источник удаляется, то фотоны краснеют, длина их волны увеличивается.

Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся «не на своих местах», сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин «красное смещение». Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получили таким образом первое надежное экспериментальное подтверждение.

Нужно сказать о том, что закон Хаббла и красное смещение разрешают и знаменитый парадокс Ольберса.

Здесь мне хочется сделать небольшое отступление и подробнее остановиться на некоторых поистине удивительных ситуациях, с которыми сталкиваешься, рассматривая историю научных открытий.

Уже говорилось, что закон Всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО. Но не это самое интересное. В 30-х годах было показано, что из закона Всемирного тяготения можно получить законы расширения и сжатия Вселенной, и ОТО для этого в принципе не нужна!

Это поистине поразительный факт, свидетельствующий лишний раз о том, насколько притягательна идея вечной и стационарной Вселенной. Нам трудно себе представить, что модели расширяющегося мира в принципе могли быть получены задолго до рождения Эйнштейна, к примеру, еще во времена Ньютона. И не построены были эти модели по чисто психологическими причинам.

Для самого Ньютона не существовал вопрос о начале мира, для него непреложным фактом было сотворение мира Творцом. Человечество не было еще готово к постановке подобного вопроса на научной основе. Прошло два столетия со дня смерти Ньютона, и уже великий Эйнштейн не хочет говорить с аббатом Леметром о вопросе начала: «Это слишком похоже на акт творения. Сразу видно, что Вы священник». А ведь аббат Леметр, будущий президент папской Академии в Ватикане, был одним из тех, кто наряду с Фридманом исследовал решения ОТО. Термин «вселенные Леметра» прочно вошел в научную литературу. Именно он ввел понятие первичного атома, при взрыве которого и образовался наш мир.

Парадокс, а может быть, и нечто большее, чем парадокс, состоял в том, что и Эйнштейн, и многие другие ученые в течение нескольких лет после выхода в свет работ Фридмана (а затем и Леметра) не рассматривали всерьез космологические решения ОТО, зависящие от времени. Переворот в сознании и соответствующая переоценка произошли лишь после открытия Хаббла.

Надеюсь, что рассказанная здесь история не дискредитировала ОТО в глазах читателя. Ведь эта теория — «непревзойденная вершина теоретической физики» — стала истинной основой всей современной космологии. Выше же речь шла лишь о трудных и порой неожиданных поворотах на пути развития человеческого знания, об исключительно интересной проблеме «своевременности» научных открытий.

А теперь вернемся к явлению разбегания галактик.

Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. При этом должна возрастать величина красного смещения. В конце концов оно станет настолько большим, что мы не сможем увидеть источник света. Как говорят в космологии, красное смещение создает «горизонт» видимости, за который наш взгляд не может проникнуть. К тому же расширение Вселенной происходит достаточно быстро. Ну а поскольку свет от объектов, лежащих за горизонтом, мы не можем воспринять, а внутри горизонта число звезд по астрономическим масштабам невелико — ≈ 10²⁵, парадокс Ольберса, основанный на введении бесконечного числа источников света и бесконечной Вселенной, разрешается просто в рамках моделей расширяющейся Вселенной.

При анализе закона Хаббла возникает еще один вопрос. Если все наблюдаемые галактики разлетаются от нас, то не находимся ли мы, земные наблюдатели, в центре мира?

Казалось бы на первый взгляд, что наше положение «привилегированно».

Вернемся снова к аналогии с поверхностью резинового надувного шара. Предположим, что это и есть наша Вселенная (мы не можем покинуть поверхность или проникнуть внутрь шара). Нанесем на поверхность шара точки и будем считать каждую точку галактикой. Начнем надувать шар от радиуса R до радиуса 2R (модель расширяющейся Вселенной!). Все точки (галактики) естественно останутся на поверхности шара, расстояние между ними также увеличится в два раза.

Но вот что самое интересное! В какую бы «галактику» на нашей сфере мы ни поместили наблюдателя (А или В), ему будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются, и именно он находится в центре мира. Внимательно посмотрев на рисунок, читатель сам в этом убедится.

Отсутствие выделенного центра в расширяющейся Вселенной.

Таким образом, наша Вселенная не имеет выделенного центра. Но давайте пойдем назад — начнем выпускать воздух из нашего шарика и предположим, что он сожмется в точку. Конечно, с реальным воздушным шариком этого не произойдет, но в качестве мысленного эксперимента подобная операция не вызывает трудностей. Тогда мы увидим, что при стремлении радиуса шара к 0 поверхность его также стремится к 0, и, естественно, расстояния между точками его поверхности (галактиками) беспредельно уменьшаются.

Именно здесь мы и подходим к одному из основных вопросов космологии: что было вначале? Вопрос вполне правомочный. Ведь если Вселенная расширяется, то когда-то этот процесс должен был начаться. И здесь физика — наука, претендующая на то, что она может объяснить любое явление в окружающем нас мире, — обязана была сказать свое слово.

Отголоски начала

Одним из первых физиков, подошедших вплотную к этому вопросу, был Г. Гамов. Произошло это, кстати говоря, несколько неожиданно, поскольку он занимался задачей космологической распространенности различных элементов и изотопов.

Известно, что в природе преобладают элементы с избытком нейтронов. Гамов хотел «получить» все элементы простым способом: последовательным присоединением свободных нейтронов к ядру. Но для этого нужны очень высокие температуры, и Гамов пришел к идее горячего начала.

Парадоксальным здесь является тот факт, что в целом теория Гамова о синтезе элементов неверна, а вывод о горячем начале Вселенной абсолютно верен. Более того, Гамов указал, что «отголоски» горячего начала должны быть видны сегодня в виде так называемого «реликтового излучения» (термин, предложенный известным советским астрофизиком И. Шкловским). Гамов даже оценил в 1956 году температуру этого излучения и получил цифру 5–6 K, Не правда ли, очень низкая температура? Но если взглянуть в прошлое, то температура этого излучения была выше, Вселенная была плотнее и горячее…

Идея и расчеты Гамова были преданы забвению; о них вспомнили лишь десятилетие спустя, когда было сделано удивительное открытие, удостоенное впоследствии Нобелевской премии.

Что же это за открытие и как оно было сделано?

В 1964 году в лаборатории фирмы «Белл телефон» была создана новая рупорная антенна. Она предназначалась для работы со спутником связи «Эхо». Но технические характеристики антенны, в частности очень низкий уровень шумов, сразу привлекли к ней внимание радиоастрономов. Первыми начали с ней работать А. Пензиас и Р. Вильсон, один из них был радиофизиком, другой радиоастрономом. Они решили мерить интенсивность радиоизлучения от нашей Галактики. Эта задача отнюдь не проста, так как, если вы измеряете радиосигналы от какого-то конкретного источника, например, от звезды, то избавиться от помех, шума довольно просто. Для этого надо лишь отклонить антенну от звезды, померить сигнал, а затем снова направить ее точно на звезду и опять провести измерения. Разница между двумя сигналами и будет сигналом от объекта. Но у Пензиаса и Вильсона объектом было фактически все небо!

Именно поэтому им необходимо было уменьшить до предела то, что в сегодняшней радиотехнике называется собственным шумом радиоприемного устройства. Кроме того, им, конечно, мешали так называемые атмосферные шумы. Короче говоря, прежде чем приступить к непосредственным экспериментам, они провели огромную подготовительную работу.

Эксперименты были начаты на коротких волнах (около 7,5 сантиметра), поскольку считалось, что в этом диапазоне шум должен быть пренебрежимо мал. Это была своего рода проверка качества антенны и приемных цепей. Но в первых же проведенных опытах исследователями был зарегистрирован радиошум в этом диапазоне. Причем интенсивность сигнала не зависела от направления. Это очень существенный факт, и самое естественное его объяснение состояло в том, что шумит сама антенна или цепи радиоприемного устройства. Вообще говоря, именно так подумал бы и любой квалифицированный специалист по радиоэлектронике. Что же удивительного в том, что Пензиас и Вильсон снова начали проводить кропотливейшую работу по проверке всего устройства.

Проверялось абсолютно все. На подозрение была взята даже парочка голубей, которая облюбовала рупор антенны и за время подготовительных работ угнездилась в нем. Вследствие этого рупор, естественно, был покрыт, по выражению интеллигентного Пензиаса, «белым диэлектрическим веществом». Около года ушло на ликвидацию последствий пристрастия голубей к радиоастрономическим поискам и на улучшение характеристик антенны.

В 1965 году эксперименты начались снова и снова дали тот же результат. Небо давало микроволновый фон, шум, и величина сигнала не зависела от направления. Откуда же этот шум мог появиться, если всевозможные помехи были учтены и устранены?

Пензиас и Вильсон не могли ответить на этот вопрос. Для начала они попытались определить характеристики обнаруженного ими шума и в первую очередь его интенсивность. А интенсивность теплового радиошума очень удобно описывать, пользуясь понятием обычной температуры. Действительно, любое тело «шумит» в радиодиапазоне за счет теплового движения электронов внутри тела. Грубо говоря, чем выше температура, тем выше интенсивность теплового шума. Поэтому в радиотехнике используется понятие «эквивалентной температуры» радиоизлучения. Итак, оказалось, что шум, открытый Пензиасом и Вильсоном, имел температуру около 3,5 K. (Здесь нельзя не сказать о том, что за год до открытия Пензиаса и Вильсона советские астрофизики А. Дорошкевич и И. Новиков теоретически предсказали возможность обнаружения реликтового излучения в сантиметровом диапазоне. Но, к сожалению, на эту работу не обратили тогда должного внимания экспериментаторы.)

Пока еще никто не мог подумать, что сделано второе великое открытие в астрофизике (первое — красное смещение).

Случай играет не последнюю роль в науке. Ведь Пензиас и Вильсон понятия не имели о том, что такое реликтовое излучение. Они просто натолкнулись на него. А практически в то же время всего в нескольких десятках километров от антенны фирмы «Белл» группа Р. Дикке, крупного американского астрофизика, строила специальную антенну для поиска отголосков Большого Взрыва.

Дикке знал о работах Гамова и придавал им большое значение. Именно поэтому, когда астрофизики узнали о результатах Пензиаса и Вильсона, Дикке мгновенно объяснил их, и соответствующие публикации в журнале «Nature» появились одновременно, но с экспериментальными результатами Дикке опоздал примерно на полгода. 20 лет размышлял Нобелевский комитет, кому присудить премию — счастливчикам Пензиасу и Вильсону или Р. Дикке. Как мы знаем, выиграли счастливчики.

Конечно же, это открытие могло быть сделано и раньше. Ведь о Большом Взрыве говорили и до 1965 года. Но, как указал лауреат Нобелевской премии по физике Е. Вигнер, теория Большого Взрыва не привела к поиску реликтового излучения потому, что физикам было трудно серьезно воспринять любую теорию ранней Вселенной: «Это открытие заставило всех нас всерьез отнестись к мысли, что ранняя Вселенная была».

Итак, случайное открытие реликтового излучения дало новую свежую пищу теоретикам, и на вопрос о том, «что было в начале?», стали появляться вполне конкретные ответы.

Итак, самое начало рождения, планковское время 10^–43 секунды. Плотность вещества 10⁹⁴ г/см³. Температура 10³² K.

В этом случае более удобно (и понятно) говорить о том, что Вселенная заполнена самыми различными видами излучения, полями чудовищной плотности. Частиц нет.

Итак, эта смесь различных типов излучений начинает расширяться. Почему? Неизвестно. Это первая фаза Большого Взрыва. Попытки описать поведение этих самых-самых ранних стадий Вселенной ограничены на сегодняшний день несовершенством физики. Многие физики полагают, что вот-вот будет создана «идеальная» физическая теория, позволяющая объяснить «все», в частности, такой вопрос: имеет ли время начало, что происходит в допланковскую эпоху?

На эти вопросы нельзя закрывать глаза. Ведь с чисто философской точки зрения планковские константы не должны ограничивать уровень нашего познания. Сейчас физики думают, что на расстояниях меньше 10^–33 сантиметра континуум пространства-времени распадается, приобретает структуру, напоминающую мыльную пену, где каждый пузырь появляется за счет квантовых флуктуаций гравитационного поля. Я уже не говорю о том, что при гигантских энергиях, соответствующих планковским масштабам, многие частицы, считающиеся сейчас элементарными, например кварки, могут быть вовсе не элементарны. И перед физикой элементарных частиц, и перед космологией стоит, как Эверест, проблема создания единой теории объяснения мира.

Может показаться забавным тот факт, что эта теория уже имеет название — супергравитация. Название, бесспорно, красивое, но о предсказательной силе этой теории пока еще нечего говорить. Выдающийся физик современности С. Хокинг полагает, что к концу нашего столетия теоретическая физика будет закончена как наука, другими словами, реализуется мечта Эйнштейна о создании полной единой теории, описывающей мир. Бесспорно, бурное развитие науки дает известные основания для подобной точки зрения, но… Природа любит делать сюрпризы, и современная физика вряд ли от них застрахована.

Сегодняшняя физика берется объяснить все или почти все, что происходило во Вселенной, начиная с времен 0,01–1 секунды от Большого Взрыва. Этому в немалой степени способствует состояние термодинамического равновесия на самых ранних этапах жизни Вселенной. Огромные температуры обеспечивали это равновесие.

Почему равновесие так важно для последующей истории вещества? Почему мы можем не обращать внимания на то, что было в момент времени, скажем 10^–20 секунды, а сразу «начать» с 10^–2 секунды? Да по той простой причине, что если вещество находится в состоянии термодинамического равновесия, оно «не помнит» своей предыстории, ему, веществу, совершенно безразлично, каким путем его «довели» до состояния равновесия.

Простой пример. Вода в чашке на столе находится в равновесии с собственным паром при температуре, скажем, 20 °C. Но я могу получить эту воду самыми различными путями. Можно, например, нагревать кусок льда от температуры, близкой к абсолютному нулю, до комнатной, причем это можно делать в течение года или часа. Можно, наоборот, сконденсировать водяной пар из горячих вулканических источников. Можно развалить молекулы воды на атомы, получить гремучий газ, взорвать его и иметь в конце концов ту же чашку с водой. Молекулы воды памяти не имеют. Их поведение в чашке будет определяться только температурой и давлением в комнате.

То же самое и со Вселенной. Раз мы знаем, что она в равновесии в момент времени 0,1 секунды, нам, с точки зрения термодинамики, все равно, что с ней было до этого момента. Подтверждение удивительной эффективности методов теоретической физики в космологии мы находим в многочисленных наблюдательных данных. Здесь и красное смещение далеких галактик, и изотропность реликтового фона, и распространенность легких элементов. Но чем дальше мы пытаемся заглянуть в глубины времени, тем больше подводных камней возникает на нашем пути.

Пытливому уму человека мало одной сотой секунды, когда он может разобраться достаточно аккуратно с физическими процессами, происходящими в мире после его рождения. И сегодня появляются такие теории и модели мира, по сравнению с которыми бледнеют сюжеты самых смелых фантастических романов. Естественно, что эти модели создаются не на песке. Их появление стимулировано тем обстоятельством, что стандартная модель Фридмана сталкивается с существенными трудностями при попытках экстраполяции ее на раннюю эпоху.

Один пример. Почему Вселенная на больших масштабах столь однородна и изотропна? Реликтовое излучение в любой точке неба имеет с очень высокой точностью одинаковую температуру. Но это означает, что в далеком прошлом разные точки пространства, которые не могли ничего «знать» друг о друге, имели одинаковую температуру. Почему? Эта проблема имеет название проблемы горизонта, так как точки пространства, о которых мы говорили, не могли «видеть» друг друга, не могли обменяться сигналами, одна точка по отношению к другой находилась как бы за горизонтом.

Есть и другие трудности в стандартной модели. Для их преодоления недавно была разработана так называемая теория раздувающейся Вселенной, в рамках которой решается и проблема горизонта, и целый ряд других трудностей. Эта теория оперирует с такими удивительными понятиями, как «ложный вакуум», энергия которого в процессе раздувания мира переходит в обычную горячую плазму стандартной модели.

Но это еще не все. Согласно этой теории наблюдаемая Вселенная составляет ничтожную часть мира как целого. В мире может быть много «пузырьковых» вселенных, образовавшихся из полостей в ложном вакууме.

Фактически мы подходим здесь к идее, противоречащей на первый взгляд здравому смыслу, к идее рождения вселенных «из ничего». Эта идея, как пишет один из ее сторонников, кажется абсурдной всем, кроме теоретиков.

Модель раздувающейся Вселенной ставит очень трудные (сегодня, быть может, непреодолимые) задачи при «переводе» понятий, которыми она оперирует, на обычный, доступный каждому человеку язык. Так, например, академик Я. Зельдович использует вместо термина «ложный вакуум» термин «состояние», но суть дела от этого не меняется: во-первых, нелегко наглядно представить себе этот самый ложный вакуум, а во-вторых, если бы в модели раздувающейся Вселенной использовалось только это понятие, автору было бы, наверное, легче. Но когда даже в популярном изложении модели говорят о «доменах с переходом типа медленного скатывания», заранее предполагается знакомство читателя с разновидностями теорий великого объединения, квантовой хромодинамикой и т. д.

Поэтому, на мой взгляд, попытка «переложения» модели на обычный язык неизбежно будет связана с ее профанацией. Вот почему я сразу перешел к некоторым выводам из этой модели, которые, естественно, при такой манере изложения придется принять на веру.

Итак, мы упомянули о доменах. Это область пространства, содержащая нашу Вселенную. Модель раздувающейся Вселенной по-новому заставляет взглянуть на структуру нашего мира. Так, если на некотором этапе раздувания вся наблюдаемая Вселенная была размером с теннисный мяч, то вся область расширения (домен), в которой она умещалась, могла быть на 10–20 порядков больше. И таких доменов с разными вселенными могло быть много. Вывод состоит в том, что только малая часть пространства-времени мира в целом в ходе эволюции превращается во Вселенную.

Здесь мы вступаем в область довольно смелых спекуляций. Прежде чем совершить этот рискованный шаг, мне хотелось бы подчеркнуть, что на временах, больших, чем 10^–30 секунды, темп расширения в модели раздувающейся Вселенной совпадает со стандартной фридмановской моделью. Само раздувание происходит в первые ничтожные доли секунды после «начала» и заканчивается примерно через 10^–30 секунды. Главное, что отличает фридмановскую модель от модели раздувающейся Вселенной — геометрические факторы, о которых мы только что говорили.

Сценарий раздувающейся Вселенной имеет дело с картиной мира, в корне отличающейся от картины мира Фридмана, в которой между понятиями «мир» и «Вселенная» можно было поставить знак тождества. Вместо однородной и изотропной Вселенной мы получили мир предельно неоднородный и неизотропный, состоящий из множества огромных доменов размером 10⁵⁰–10¹⁰⁰ сантиметров. И лишь в одном из них словно дырка в куске хорошего швейцарского сыра сидит наша наблюдаемая Вселенная размером «всего лишь» в 10²⁸ сантиметров.

Физические же параметры этой экзотической модели (температура, плотность энергии) через 10^–30 секунды совпадают полностью с параметрами Вселенной Фридмана. Ну а теперь, если это короткое отступление успокоило читателя, поговорим немного о еще более рискованных вещах.

Я думаю, что вопрос о множественности вселенных — один из самых волнующих как с физической, так и с философской точки зрения. Этот вопрос очень глубокий и содержит в себе массу проблем. Из них главная, бесспорно, следующая. Если существует ансамбль вселенных, то каковы они? Похожи на нашу или нет? И чем, вообще говоря, определяется сходство или различие?

В декабре 1981 года в Таллине состоялся Международный симпозиум «Поиск разумной жизни во Вселенной». Большой интерес вызвал доклад И. Новикова, А. Полнарева и И. Розенталя «Численные значения фундаментальных постоянных и антропный принцип». В этой работе очень наглядно проявился новый (и очень модный) подход к вопросу, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Этот вопрос можно перефразировать следующим образом: почему значения фундаментальных физических констант имеют именно такие значения, которые наблюдаются в нашей Вселенной, а не какие-либо другие?

Сторонники антропного принципа дают достаточно простой ответ: «Вселенная такова, какой мы ее видим, потому, что в ней существуем мы». Этот залихватский ответ не может, разумеется, доставить чувства удовлетворения. Формулировка ответа сама по себе выглядит сомнительной. Действительно, более правильно было бы сказать: «Мы (наблюдатели) существуем потому, что Вселенная именно такая, какой мы ее видим».

Нельзя не согласиться с С. Хокингом, который говорит о том, что должно быть более глубокое объяснение устройства мира, чем то, которое предлагает нам антропный принцип. Это объяснение в первую очередь должно ответить на вопрос, который уже был поставлен выше. Почему скорость света имеет значение 300 тысяч км/сек, а не 500 тысяч км/сек? Почему заряд и масса элементарных частиц такие, а не какие-либо другие, и т. д.

Скажем сразу, что современная физика здесь бессильна. Мы можем говорить сейчас лишь о том, что было бы с Вселенной, если изменить численные значения физических констант. Это очень увлекательная проблема, и существенный вклад в ее решение внес советский физик И. Розенталь. Следуя сейчас, в частности, его идеям, можно обсудить возможный облик ансамбля вселенных с различными значениями физических «постоянных». Основная мысль здесь состоит в том, что даже небольшие их изменения приведут к радикальной перестройке структуры и свойств Вселенной.

Операция варьирования фундаментальных констант может показаться сначала и бессмысленной и неправомочной. Ведь недаром они называются фундаментальными, неизменными. Но… поскольку, с одной стороны, мы подошли к понятию ансамбля вселенных, а с другой стороны — сегодня нам неизвестно, в силу каких причин константы физики имеют именно те значения, которые они имеют, подобная операция выглядит достаточно логично.

Лишь в том случае, если в любой из возможных вселенных в силу каких-то пока неизвестных причин физические константы такие же, как и в нашем мире, ситуация становится тривиальной: в мегамире есть ансамбль одинаковых миров.

Разумеется, слово «тривиальной» использовано здесь в физическом смысле. С философских позиций реализация подобного случая не менее, а быть может, и более интересна, чем ансамбль вселенных с различными физическими константами. Вернемся, однако, непосредственно к предмету нашего обсуждения. Рассмотрим сначала, как будет выглядеть Вселенная, в которой масса электрона будет несколько больше, чем сейчас в нашей Вселенной.

Атом водорода в нашей Вселенной абсолютно стабилен. Он мог бы быть неустойчив при очень высоких температурах ~ 10¹⁰ K, когда энергетически разрешена реакция.

А при низких температурах эта реакция строго запрещена. Действительно, нейтрон тяжелей протона. В энергетических единицах (вспомним, что E = mc²) m_n – m_p ~ 1,3 МЭВ, а m_e ~ 0,5 МЭВ. Мы видим, что масса электрона существенно меньше, чем разница масс нейтрона и протона. Поэтому указанная выше реакция коллапса атома водорода запрещена. Для того чтобы она «пошла», массу электрона нужно увеличить примерно в три раза.

С помощью квантовомеханических расчетов можно оценить время жизни нового атома водорода с более тяжелым электроном. В случае троекратного увеличения массы электрона время жизни модифицированного водорода будет всего около месяца; если увеличить массу электрона в 4 раза, то новый атом будет жить и того меньше — сутки.

Если мы вспомним, что в нашей Вселенной было 70 процентов водорода и 30 гелия, то сразу видно, что дело плохо. В такой Вселенной невозможна жизнь, поскольку в ней не было бы ни одного атома водорода, ни одной водородсодержащей молекулы. Все звезды и галактики в этой Вселенной состояли бы из одних нейтронов.

Вселенная без водорода получится также и в том случае, если слегка (на проценты) увеличить степень сильного взаимодействия. Тогда оказывается возможным существование стабильного ядра гелия-2:

Реакция проходила бы очень быстро, и водород выгорел бы в первые же минуты существования Вселенной. Опять мы получили бы Вселенную без водорода, а значит, и без жизни.

Вариации слабых взаимодействий также коренным образом повлияют на структуру мира. Если мы увеличим константу слабого взаимодействия всего в 10 раз, то время жизни нейтрона станет порядка 10 секунд вместо 10 минут в нашей Вселенной. Но 10 секунд — время весьма малое по сравнению с эпохой космического нуклеосинтеза, а в отсутствие нейтронов нуклеосинтез (образование элементов) просто не мог бы идти. В этом случае мы бы имели Вселенную почти без нейтронов, состоящую только из водорода, — довольно однообразная картина.

Вариации других физических постоянных также сильно искажают облик мира, как и в тех коротких примерах, которые мы сейчас рассмотрели. Константы в этих примерах менялись независимо друг от друга, индивидуально. А что, если попробовать изменить набор констант согласованно? В упоминавшемся уже докладе И. Новикова и других была поставлена именно такая задача. Оказалось, что есть два «острова устойчивости» для существования сложных стабильных структур, но один из них находится в планковской области, где масса каждого объекта порядка планковской массы. В таких вселенных жизнь вряд ли возможна. Наша Вселенная попадает в другую область устойчивости.

Вывод этой работы состоит в том, что могут быть вселенные с слегка другим набором констант, но тем не менее существования жизни в них исключить нельзя. Разумеется, о формах жизни в других вселенных можно строить сейчас лишь совершенно беспочвенные предположения.

Встаньте перед стеной, поставьте свой палец перед лицом и сориентируйте его на какой-либо точке стены, закрыв один глаз. Вам будет казаться, что положение пальца относительно выбранной точки на стене будет изменяться. Какова величина этого изменения? Порядка 3°, если вы держите большой палец на расстоянии вытянутой руки, а сам большой палец будет виден в этом случае под углом в 1°.

Заметим, что угловая протяженность Солнца и Луны составляет примерно ¹/₂°. Видимое угловое смещение и называется параллаксом. Метод параллакса используется топографами, землемерами, астрономами. Так, чтобы измерить ширину реки, топографу совершенно не нужно ее переплывать. Он проведет это измерение следующим образом. На одном берегу точно определит расстояние между двумя точками. Затем, используя угломерный инструмент, померяет из этих двух точек углы между направлением на какой-либо предмет на противоположном берегу и линией, соединяющей точки. Зная сторону треугольника и два угла в основании, можно теперь без труда определить ширину реки.

Астролябия. Прибор для определения широты и долготы. 1468 год.

Примерно так же поступают и астрономы. Только здесь необходимо измерять углы и расстояния с очень большой точностью. В древние времена эти точности были невелики, не удавалось, например, определить достаточно аккуратно угловой размер Солнца.

Но вернемся к определению расстояний до планет. Измеряемая величина параллакса для планет бывает меньше одной секунды. Одна угловая секунда составляет 1/200000 радиана (в окружности — 2π радиан, соответственно 1 радиан = 57,3°). Таким образом, если два наблюдателя находятся на расстоянии 10 тысяч километров, они могут измерить расстояния, в 200 тысяч раз превышающие длину базы, что дает возможность определять расстояние до всех планет.

Наблюдение неба с примитивными инструментами. XIII век.

Понятно, что в древние времена еще не было синхронной работы обсерваторий на таких больших базах, и поэтому не могло быть достаточных точностей определения. Тем не менее Гиппарху, по-видимому, впервые удалось определить параллакс Луны, используя то обстоятельство, что солнечное затмение 129 года до нашей эры в Геллеспонте было полным, а в Александрии было закрыто ⁴/₅ солнечного диска. Зная расстояние между этими пунктами, Гиппарх смог найти значение параллакса, а значит, и расстояние от Луны до Земли.

Стоунхендж — обсерватория бронзового века. 2000 год до нашей эры. Реконструкция.

Быть может, одной из самых древних известных истории обсерваторий являются знаменитые развалины Стоунхенджа в Англии. Этому сооружению около 4 тысяч лет, и, по-видимому, его арки являются огромными визирами, позволявшими с точностью более 1° отмечать восходы и заходы Солнца и Луны в дни солнцестояний и равноденствий. Нельзя исключить того, что еще более древние «обсерватории» были на территории Армении. А первая настоящая астрономическая обсерватория появилась в Европе лишь в XVI веке.

Тихо Браге и другие

Знатный датский дворянин Тихо Браге провел довольно бурную молодость. Он дрался на дуэли и в результате носил на переносице протез из золота и серебра, так как во время дуэли лишился носа — весьма заметной части человеческого лица. Астрономией Тихо заинтересовался в 14 лет, на первом курсе наблюдал затмение Солнца. В это время он учился в Копенгагенском университете.

Слава Тихо Браге как астронома связана, в частности, с его наблюдениями новой звезды, появившейся на небе в созвездии Кассиопеи в 1572 году. Заметим, что эта вспышка поколебала веру многих образованных людей того времени в учение Аристотеля, утверждавшего, что все неизменно в этом мире. Тихо Браге проводил тщательные измерения положения «новой» звезды на небе, изменения ее яркости и цвета и в 1573 году опубликовал книгу о своих наблюдениях, хотя поначалу сильно сомневался, совместимо ли это с его дворянским достоинством.

Король Дании Фредерик отдал в распоряжение Тихо Браге небольшой островок Хвен неподалеку от Копенгагена, где Браге и выстроил себе обсерваторию, оборудованную новыми измерительными инструментами для определения положения светил на небе и расстояний между ними. Браге сам изобретал эти инструменты, квадранты и секстанты, а искусный механик швед Й. Бюрги изготавливал их.

Здание обсерватории Тихо называл «Небесным замком», «Дворцом Урании», музы — покровительницы астрономии. Обсерватория представляла собой в плане точный квадрат, ориентированный по сторонам света. «Дворец Урании» был трехэтажным зданием. На первом этаже в трех комнатах жила многочисленная семья астронома, четвертая комната использовалась как гостиная, хотя в ней находился один из лучших инструментов Браге — большой стенной квадрант. На этом же этаже располагались кухня и музей. Там же Тихо Браге соорудил небольшую «насосную станцию», подававшую воду во все помещения обсерватории. Не каждый королевский дворец в то время мог похвастаться водопроводом. На втором этаже были отведены специальные комнаты для короля и королевы на случай их визита на остров. И самое главное — на втором этаже находились четыре обсерватории. В помещениях третьего этажа жили ученики и сотрудники великого астронома, а в подвале размещалась химическая лаборатория.

К 1584 году возникла необходимость сооружения еще одной обсерватории, и вскоре рядом с «Небесным замком» — Ураниеборгом вырос «Звездный замок» — Стьернеборг. Над входом в подземное помещение Стьернеборга было выбито латинское изречение: «Non fasces nec opes sola artis sceptra perennant» — «Ни власти, ни богатства, а только науки скипетр вечен».

Тихо прожил на острове в окружении учеников и помощников более 20 лет, с 1576 по 1597 год, выполнив огромный объем наблюдений. В них он достиг поразительной точности. Ведь совсем недавно, во времена Коперника, ошибки при наблюдениях составляли примерно 10′ (10 минут). Тихо улучшил эту величину более чем на порядок! Такая величина ошибки для дотелескопической астрономии приближалась к теоретическому пределу. Например, средняя ошибка при определении положения некоторых фундаментальных звезд была всего 32″,3.

Датский астроном Тихо Браге (1546–1601) проводит наблюдения в обсерватории.

Интересно, что великий астроном не признавал гелиоцентрической системы Коперника, считая его, однако, выдающимся астрономом. Правда, не настолько, чтобы поместить его портрет в ряду портретов величайших астрономов мира, висевших на стенах Стьернеборга, — Тимохариса, Гиппарха, Птолемея, Альбаттани и… самого Тихо.

К числу выдающихся достижений Тихо следует отнести его наблюдения за кометой 1585 года. Измеряя параллакс кометы, он установил, что она находится гораздо дальше от Земли, чем Луна. Этим он полностью опроверг утверждение Аристотеля о том, что кометы — образование подлунных сфер.

Браге вел многолетние и систематические наблюдения звезд и планет. Он составил впервые после Гиппарха и Птолемея каталог, который почти сто лет оставался самым лучшим и надежным справочников для любого астронома. Браге непрерывно занимался определением положения Луны и планет, и здесь его данные также были лучшими для своего времени.

Обсерватория «Ураниеборг» на острое Хвен, где работал Тихо Браге.

После смерти короля Фредерика Браге вынужден был покинуть Данию и переселился в Прагу, где в то время правил император Рудольф II — большой любитель алхимии и астрологии. В последний год своей жизни Браге взял к себе в помощники молодого И. Кеплера, который и получил пост директора императорской обсерватории в 1601 году, после кончины наставника.

Если Браге мы называем величайшим астрономом эпохи дотелескопической астрономии, то Кеплер — основоположник теоретической астрономии. Основу его исследований бесспорно составили наблюдения Тихо Браге. Он первым опроверг древний астрономический канон, согласно которому планеты имеют круговые орбиты, и показал, что движение планет происходит по эллиптическим траекториям.

«Это было так, как будто я бы проснулся и увидел новый свет», — воскликнул Кеплер после того, как убедился в правильности проделанных вычислений, результат которых сейчас во всех учебниках называется первым законом Кеплера. Это правило он получил, обрабатывая данные наблюдения за положением Марса. Но именно исследование Марса открыло Кеплеру общие закономерности планетных движений.

Законы Кеплера.

В 1618 году вышла его книга «Краткое изложение коперниковой астрономии» — первый полный учебник астрономии. В этом учебнике в форме вопросов и ответов приводились впервые правильные данные о Солнечной системе, давались элементы орбит планет. Кеплер был не только блестящим математиком, по своему духу он был прежде всего физиком, всегда стремился к тому, чтобы найти правила, по которым построен окружающий мир. Три таких правила ему удалось открыть: это три знаменитых закона, носящих его имя.

Сам Кеплер считал это главным результатом всей своей жизни. «Я писал свою книгу для того, чтобы ее прочли, теперь или после — не все ли равно? Она может сотни лет ждать своего читателя, ведь самому богу пришлось тысячи лет дожидаться того, кто постиг его работу».

Интересно, что в 1612 году Кеплером впервые была разработана оптическая теория телескопа, и один из типов телескопа был назван его именем, хотя сам Кеплер никогда не занимался практическим изготовлением оптических инструментов.

Телескопы — новая эра астрономии

Итак, через три года после смерти Тихо в Европе появились первые телескопы.

Напомним в двух словах о том, что представляет собой телескоп. Точно так же, как и человеческий глаз, это разновидность фотографической камеры. Но если наш глаз способен различать две точки объекта на угловом расстоянии около одной минуты, то телескоп с диаметром линзы или зеркала, равным 300 миллиметрам, а это в 100 раз больше диаметра зрачка глаза (3 мм), будет иметь разрешение примерно 0,4″. При диаметре 1,2 метра можно различать две неподвижные звезды с угловым расстоянием между ними 0,1″ и т. д.

Самый крупный современный телескоп имеет диаметр зеркала 6 метров. Он расположен в Советском Союзе в предгорьях Северного Кавказа близ станции Зеленчукская на высоте около двух километров.

Даже современные телескопы не могут дать изображения диска звезды, поскольку диаметр (видимый) ближайших звезд менее 0,01″. В современной оптической астрономии предпочитают использовать зеркала вместо линз, поскольку технически легче изготовить большое зеркало, чем однородный стеклянный диск такого же диаметра, который был бы пригоден для изготовления линзового объектива.

Но вернемся к временам Кеплера и Галилея. Имя изобретателя телескопа неизвестно. Мы знаем лишь одно: в 1604 году торговец стеклами для очков голландец Янссен «снял копию» с телескопа, принадлежащего неизвестному итальянцу. А уже в 1608 году сразу два человека, Липперсгей и Метиус, сделали «заявку» на изобретение телескопа. Но телескоп оставался не более чем забавной игрушкой в руках людей, был предметом развлечения на многочисленных ярмарках до той поры, пока Галилей, бывший, кроме всего прочего, мастером на все руки, не изготовил в 1609 году свой первый телескоп, который он направил на небо.

Интересно, что телескоп и микроскоп появились почти одновременно. Оба эти инструмента, один предназначенный для изучения макро-, а другой для исследования микрообъектов, произвели революционный переворот в естествознании.

Именно наблюдения и удивительные открытия Галилея, сделанные им с помощью телескопа, способствовали признанию гелиоцентрической системы мира Коперника. Сначала Галилей писал о своих открытиях лишь друзьям и знакомым, а 8 марта 1610 года появилась его книга «Звездный вестник», в которой и были изложены основные результаты. Что же удалось увидеть Галилею в телескоп?

Естественно, что прежде всего он направил его на Луну. Оказалось, что граница между светлой и более темной частью отнюдь не резкая. На рисунках Луны, сделанных Галилеем, видны светлые пятнышки в более темной части нашего спутника, а сама граница между освещенной и темной частями сильно изрезана. Галилей сразу догадался, что поверхность Луны не хрустальная, как учили в древности, а покрыта возвышенностями и долинами. Правда, он считал, что более светлые части поверхности — это суша, а более темные — водная гладь. Светлые точки на темной половине Луны — вершины гор, освещаемых лучами Солнца.

Но самое удивительное обнаружилось 7 января 1610 года, когда Галилей открыл три спутника у Юпитера, а 13 января увидел и четвертый. Стало ясно, что район Юпитера как бы наша Солнечная система в миниатюре.

Галилео Галилей (1564–1642) — великий итальянский ученый, один из основателей фундаментальных наук: физики, механики, астрономии.

Мы помним, в какие времена жил и работал Галилей. Ведь всего десятью годами ранее в Риме на Площади Цветов пылал факелом Джордано Бруно. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, ища покровительства сильных мира сего, Галилей назвал открытые им новые небесные тела «медичейскими звездами» в честь великого герцога Тосканского Джулиано Медичи. Однако это название спутников Юпитера сегодня забыто. Весь мир знает их сейчас как Галилеевы спутники.

Открытия Галилея были сенсационны. Его тактический ход с названием спутников оказался правильным. В шахматной партии комментатор поставил бы около него восклицательный знак: уже 5 июня 1610 года Галилея уведомили о том, что отныне он — первый математик Пизанского университета и философ светлейшего герцога. Дополнительно к этому ученый получил денежный оклад — тысячу флорентийских скуди в год. Галилей 12 июня 1610 года удостоился титула математика его светлости герцога Тосканского, что сильно упрочило общественное положение ученого. А в этом он очень нуждался.

Телескоп Галилея, дающий 30-кратное увеличение.

«Лучшее — враг хорошего», — гласит пословица. Хотя Галилей, непрерывно совершенствуя свои телескопы, имел лучшие инструменты в Италии, он, конечно, был не единственным астрономом-наблюдателем. Многим хотелось проверить открытия Галилея, а многим и опровергнуть новые данные. Философы Падуанского университета пошли по наиболее легкому и проторенному пути. «Поскольку у Аристотеля, — говорили они, — ничего не сказано о спутниках Юпитера, то их не должно быть на небесном своде». Против Галилея качал плести интриги престарелый астроном Маджини из Болоньи, распространяя письма, в которых обвинял Галилея в лучшем случае в самообмане, а потом и в обмане.

Галилей приехал в Болонью, где был телескоп, и показывал собравшимся у Маджини профессорам Юпитер, но почти все заявили, что не видят никаких спутников. Так, вера в открытие Галилея была подорвана из-за того, что его телескоп был лучше, чем в Болонье, а многие наблюдатели не имели хороших навыков работы с телескопом.

Глобус земного шара.

Но Галилей неожиданно получил очень мощную поддержку с той стороны, с которой менее всего ожидал. Председатель Римской коллегии и иезуитского научного центра астроном и священник X. Клавий в рапорте главе инквизиции кардиналу Беллармину подтвердил истинность открытий Галилея. Серьезная поддержка пришла также из Праги. Главный астроном императора Рудольфа II Кеплер также безоговорочно поддержал Галилея.

Иезуиты пригласили Галилея в Рим и радушно приняли его там 29 марта 1611 года. Галилей к тому времени еще не вступил на свой трагический путь отречения. Все его открытия трактовались церковью в рамках геоцентрической системы мира, и лишь приблизительно в 1613 году Галилей начал борьбу за систему мира Коперника. Многочисленные друзья советовали ему быть осторожным и ограничиться лишь описанием наблюдений. Но Галилей не внял советам. Так была открыта одна из самых трагических страниц в истории науки.

Измерительный циркуль.

Конечно же, у Галилея были союзники. Великий гуманист Кампанелла, автор «Города Солнца», писал Галилею из тюрьмы письма, в которых просил его твердо стоять на позициях коперникианства. По иронии судьбы кармелитский монах Фоскорини также написал письмо, но не Галилею, а генералу своего ордена, в котором защищал систему Коперника. Тем не менее церковь обвинила Галилея в ереси. Сначала ему легко удалось снять с себя все обвинения инквизиции, тем более что сам глава римской церкви папа Урбан VIII был дружески расположен к Галилею… Но… «дружба дружбой, а служба службой», и Галилей в 1616 году снова предстал перед главой инквизиции кардиналом Беллармином, который запретил пропагандировать учение Коперника.

Галилей продолжал свою уничтожающую критику учения Аристотеля, и, конечно же, иезуиты не простили ему этого. Для начала они сделали папу врагом Галилея, и этого оказалось вполне достаточно для того, чтобы в 1635 году ученого вызвали на суд инквизиции, осудили и вынудили торжественно отречься от учения Коперника. Науке был нанесен тяжелейший удар.

Телескопы, аналогичные тем, которые использовал Галилей, могли давать увеличение не более чем в 30 раз. Поэтому, когда на смену им пришли телескопы X. Гюйгенса, одного из родоначальников современной оптики, удалось сделать ряд новых интересных открытий. В 1656 году Гюйгенс обнаружил спутник Сатурна и заинтересовался странными маленькими «шариками», которые были как бы привязаны к планете и все время изменяли свою форму, иногда совсем исчезая. Эти «шарики» наблюдал, еще Галилей. Анализируя форму этих «придатков» планеты, Гюйгенс предположил в 1659 году, что «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, которое нигде не соприкасается с ним…». «Следует учесть, — продолжал он далее в своей книге „Система Сатурна“, — что эта гипотеза не является моим измышлением или фантазией… я видел это кольцо собственными глазами».

В те годы из знаменитого на весь мир венецианского стекла, украшавшего дворцы дожей, начали изготавливать самые лучше линзы для телескопов. Итальянец Д. Кассини, приглашенный Людовиком XIV в Париж и ставший там придворным астрономом, используя телескопы с «венецианскими стеклами», сумел открыть еще четыре маленьких спутника Сатурна.

Наблюдая планеты в телескоп, астрономы могли видеть на них пятна и полосы. Уже Гюйгенс заметил и описал экваториальные полосы на Юпитере и пятна на Марсе, а все тот же Кассини, имея лучшие в XVII веке телескопы и наблюдая пятна на Юпитере и Марсе, установил периоды осевого вращения этих планет. Удалось увидеть и затмения спутников Юпитера, когда они вступали в тень планеты.

Ну, и конечно же, исследовали очень много Луну. К середине XVII века появились первые карты спутника Земли. Огромные горы на Луне были названы позднее именами великих ученых — Тихо Браге, Коперника, Платона, Аристотеля.

А 13 марта 1781 года В. Гершель открыл Уран. Жизненный путь Гершеля поначалу никак не мог свидетельствовать о том, что он станет одним из величайших астрономов всех времен. Сын полкового музыканта, он с ранних лет занимался с учителями и отцом музыкой и уже в четырнадцать играл в военном оркестре. Но в доме Гершелей в Ганновере дети занимались не только музыкой. Вильям изучал языки, математику, философию.

Не имея никакой склонности к ратным подвигам и не желая принимать участия в военных действиях прусской армии в Европе, Гершель переехал в Англию. Здесь он получил место дирижера публичных оркестров в Лидсе. Уже в это время астрономия интересует его гораздо больше, чем музыка. Тридцатилетний Гершель покупает учебник астрономии и вскоре начинает строить телескопы.

Я нарочно употребил слово «строить», а не «изготавливать», так как телескопы Гершеля были самыми крупными инструментами XVIII века. Самый большой был, к примеру, столь велик, что наводить его на звезду должны были три человека: Гершель и двое рабочих. Ведь тогда еще не было так называемых параллактических систем, обеспечивающих автоматическое слежение за звездами при помощи часового механизма.

«Уметь видеть, — писал он, — это в некотором отношении искусство, которому должно учиться». Как не вспомнить здесь незадачливых оппонентов Галилея, которые не могли и не хотели видеть спутники Юпитера.

Успехи Гершеля в астрономии превзошли самые смелые ожидания родственников и друзей. Через девять лет после покупки учебника астрономии он открыл новую планету, которую хотел назвать именем короля Англии Георга III, но традиции оказались сильнее и планета получила имя римского божества — Уран.

Открытие новых планет хорошо оплачивалось в то время. За Уран Гершель получил от короля Георга III должность придворного астронома и жалованье 200 фунтов стерлингов в год, деньги по тем временам немалые, хотя, конечно, король Англии мог бы проявить и бóльшую щедрость. Не осталось в стороне и Лондонское королевское общество: оно присудило Гершелю ежегодную золотую медаль и избрало его в свои члены.

Самое интересное в истории открытия Урана состоит в том, что Гершель вначале принял этот объект на небе за комету и некоторое время отстаивал свою точку зрения. Это в известной мере подпортило ему репутацию в элитарном Лондонском королевском обществе.

Итак, 13 марта 1781 года впервые с использованием телескопа была открыта новая планета, седьмая по счету в нашей Солнечной системе. Открытия следующей планеты пришлось ждать довольно долго — около ста лет, и мы чуть позже вернемся к этой удивительной истории. Сейчас же, чтобы не нарушать хронологии событий, перенесемся в самое начало XIX века.

Схема рефлектора Ньютона.

В 1801 году итальянский астроном Д. Пиацци открыл малую планету, расположенную между Марсом и Юпитером. Эта зона Солнечной системы давно интересовала астрономов, так как по всем предположениям здесь должна была бы располагаться планета. Но, как ее ни искали, обнаружить планету не удавалось. Небесное тело, которое открыл Пиацци, было в тысячу раз менее ярким, чем Марс и Юпитер. Пиацци назвал его Церерой, по имени богини — покровительницы Сицилии.

В 1802 году в этой же области неба нашли еще одну малую планету — Палладу, затем Юнону, а в 1807 году — Весту. Но все они были очень маленькие — около нескольких сотен километров в диаметре. А ведь между Марсом и Юпитером ожидалась настоящая, полноценная планета. Ей даже название дали — Фаэтон.

С 1845 года начался новый поток открытий малых планет, получивших название астероидов. В 1852 году их насчитывалось 20, а к 1870 году — 110. К 1938 году число малых планет достигло 1500, и эта зона Солнечной системы получила название пояса астероидов. А как же Фаэтон? Даже сегодня есть ученые, которые считают, что Фаэтон был. Был, а потом взорвался, таким образом и появились астероиды в этом районе. Но эта гипотеза маловероятна.

Расстояние до звезд, их яркость, спектр

Итак, менее чем за два столетия, прошедших со времени внедрения телескопической техники в астрономию, в этой науке произошли поистине поразительные перемены. За это короткое в историческом масштабе время человечество узнало о Солнечной системе гораздо больше, чем за предыдущие тысячелетия развития астрономии. Более того, телескопы предоставили возможность впервые в истории науки провести измерения скорости света. В 1676 году это сделал датский астроном О. Рёмер, который, помимо чисто научной работы, занимался еще и воспитанием наследника французского престола.

Это были времена трех мушкетеров, миледи, кардинала Ришелье. К сожалению, насколько широк круг людей, знакомых с дворцовыми интригами по романам Дюма, настолько же мало известны перипетии великих астрономических открытий тех же самых времен. А ведь наверняка внутреннего драматизма здесь было ничуть не меньше, чем в блистательных романах Дюма.

Итак, О. Рёмер находился в Дании, где он исследовал руины Ураниеборга — знаменитой обсерватории Тихо Браге. Тем временем придворный астроном Кассини, проводя наблюдения в Париже за затмениями спутников Юпитера, установил, что в соединениях моменты затмений первого спутника запаздывают более чем на 10 минут. Рёмер, вернувшись с острова Хвен и узнав об этом, продолжил наблюдения над затмениями спутников Юпитера и очень скоро объяснил факт запаздывания конечностью скорости распространения света. Он вычислил ее из имевшихся в то время данных для орбит планет и получил значение для скорости света 2,3 × 10¹⁰ см/сек. Это было одним из величайших достижений астрономии.

Джон Доменико Кассини (1685–1712).

Мы до сих пор говорили о достижениях астрономии в «рамках» Солнечной системы. Не менее впечатляющие успехи были достигнуты в это время при изучении более далеких объектов. Здесь в наблюдении уже не Солнечной системы, а Вселенной бесспорное первенство принадлежало Гершелю. Именно его пионерским работам обязана астрономия появлению первой систематической «инвентаризации» нашего мира, которой астроном занялся после открытия Урана.

Гершель проделал неимоверно тщательную и кропотливую работу: подробный и систематический обзор всего неба. Каждый объект, попадавший в поле зрения его телескопа, заносился в каталог. Поскольку инструменты Гершеля были лучше телескопов Гринвичской обсерватории, ему удалось открыть удивительный факт. Многие объекты, которые до наблюдений Гершеля казались туманными пятнышками, состояли на самом деле из многих тысяч звезд.

Гершель открыл не менее 2500 туманностей и звездных скоплений. И до Гершеля многие ученые считали, что Млечный Путь состоит из огромного числа звездных скоплений. Этой точки зрения придерживался, в частности, И. Кант. Но до наблюдений Гершеля это были чисто умозрительные рассуждения.

Схема затмения спутников Юпитера (рисунок Рёмера). Исследуя затмения спутников Юпитера, Рёмер вычислил примерную скорость света.

В результате «звездного зондирования» Гершелю удалось впервые установить, что «…звездная система, в которой мы живем, …состоящая из многих миллионов звезд, является, по всей вероятности, обособленной туманностью». «То, что Млечный Путь является очень вытянутым слоем звезд различных размеров, — в этом не остается ни малейшего сомнения; точно так же ясно, что и наше Солнце — одно из входящих в него небесных тел».

Гершель первым ввел понятия островных вселенных, сравнимых по размеру с нашей Галактикой. Это был первый человек, шагнувший за пределы известного мира и, в принципе, правильно нарисовавший его структуру. «Caelorum perrupit claustra» («он проник сквозь преграды небес»), — гласит надпись на надгробном камне отца современной астрономии.

Гершель умер в 1822 году, а в 1835 году впервые было измерено расстояние до звезд. Сейчас нам остается лишь гадать, на чем было основано пророческое утверждение Гершеля: «…Я наблюдал звезды, свет от которых, как можно доказать, идет два миллиона лет, прежде чем он достигнет Земли». Это таинственное замечание величайшего астронома, по всей видимости, навсегда останется тайной истории науки.

Метод, который был использован для определения расстояния до звезд через 13 лет после смерти Гершеля, нам уже знаком. Это все тот же метод параллакса, но уже так называемого годичного параллакса, когда в качестве базы используется весь диаметр земной орбиты. Из рисунка становится ясным, что если проводить измерение положения звезды на небе с интервалом в шесть месяцев, то расстояние до звезды можно легко определить, используя данные наблюдений за ее положением на небе и значение диаметра земной орбиты.

Оле Кристенсен Рёмер (1644–1710).

Поскольку ошибки в определении параллакса были заметными, наблюдения за Вегой, альфа Центавра и другими звездами велись в течение нескольких лет различными обсерваториями мира. Для звезды альфа Центавра измеренный параллакс оказался близок к 1″. Легко показать, что в этом случае расстояние до звезды оказывается равным 4 × 10¹³ километров, или около 4 световых лет.

Познакомившись с понятием параллакса, нам теперь легко определить и термин «парсек». Это расстояние, с которого земная орбита видна под углом в одну секунду. Соответственно и звезда, параллакс которой составляет одну секунду, находится от Земли на расстоянии одного парсека. Использование годичного параллакса позволяет определять расстояния, не превышающие 30 парсек, так как угловые смещения звезд столь малы на этих расстояниях, что точность измерений становится явно недостаточной.

К началу XX века астрономы полностью отдавали себе отчет в том, что размеры нашей Галактики составляют тысячи парсек (пс), а расстояние до ближайших туманностей и того больше. Однако для надежного измерения таких расстояний нужен был новый метод. Этот метод был использован в 20-х годах нашего века Хабблом для определения расстояний до нескольких ближайших галактик, но, прежде чем рассказать об этом, необходимо познакомиться как с развитием телескопических методов, так и с некоторыми свойствами звезд, в особенности с теми, которые придают живописность и непередаваемое разнообразие ночному небу.

Еще со времен Гиппарха и Птолемея было принято различать звезды по степени их блеска. Птолемей установил для различий блеска шесть классов звезд, которые он называл «величинами». Звезда первой величины — самая яркая. Шестой величины — самая слабая. Слово «величина» относится лишь к степени блеска звезды и ничего общего не имеет с ее размерами. К 1843 году на небе насчитывалось 14 звезд первой величины, 51 — второй, 153 — третьей, 325 — четвертой, 810 — пятой и 1871 звезда шестой величины.

Человеческий глаз — очень тонкий оптический инструмент и способен чувствовать бóльшие различия в блеске, чем одна звездная величина. Так, сын В. Гершеля, известный астроном Д. Гершель, продолжавший работу отца, расположил звезды южного неба по степени блеска, используя звездные величины с двумя десятичными знаками!

Метод годичного параллакса.

Но такая точность требовала введения какой-то количественной основы. В 1869 году был сформулирован «психофизический» закон, согласно которому физическое восприятие света уменьшается (или увеличивается) как логарифм интенсивности воздействия. Как можно проиллюстрировать этот факт?

Человеческий глаз устроен так, что если мы будем в комнате последовательно зажигать 1, 2, 3, 4 и т. д. лампочек, то нам будет казаться, что степень увеличения освещенности комнаты при каждом включении следующей лампочки уменьшается. Поэтому можно принять, что звездные величины дают не различие в количестве света, а отношение интенсивностей.

Разброс в значениях отношений блеска для ярких звезд велик, а для слабых практически постоянен. Для слабых звезд уменьшение блеска на одну звездную величину соответствует изменению светового потока в 2,5 раза. Разница в видимых звездных величинах на 5 единиц соответствует изменению светового потока в 100 раз. В Оксфорде в 1850 году решили ввести эти отношения как определение звездных величин:

m₁ – m₂ = –2,5lg(E₁/E₂),

где m₁ и m₂ — звездные величины, а E₁, E₂ — потоки света от звезды.

Поскольку в нашей формуле для звездных величин в правой части стоит знак минус, то чем ярче звезда, тем меньше ее видимая звездная величина. Так, например, Солнце имеет видимую звездную величину – 26,7, Луна в полнолунии – 12,5, Венера – 5, Сириус – 1,6, Вега – 0, а самая слабая звездочка из сравнительно близких к нам звезда Вольф-359 имеет видимую звездную величину +13,5.

Нужно учесть, что видимая звездная величина ровным счетом ничего не говорит ни о количестве энергии, которую излучает звезда, ни о яркости ее поверхности. Это и понятно, так как видимая звездная величина совершенно не учитывает фактор расстояния. А ведь более близкая к нам небольшая и относительно холодная звезда может выглядеть на небе много ярче, чем отдаленный голубой гигант с огромной светимостью. Поэтому-то и очевидна необходимость введения абсолютной звездной величины и соответственно некоторого астрономического стандартного расстояния. В качестве такого расстояния приняли 10 парсек.

Теперь легко понять, что такое абсолютная звездная величина любой звезды. Это ее видимая звездная величина, если мы поместим светило на расстоянии 10 парсек от Земли. Проделаем мысленно такую операцию с нашим Солнцем. Его абсолютная звездная величина окажется тогда равной 4,8. Солнце будет выглядеть на таком расстоянии очень тусклой звездочкой, в сто с лишним раз менее яркой, чем Сириус.

Для чего нам понадобился разговор о яркости звезд? Дело в том, что если две звезды находятся от нас на различном расстоянии, то, зная расстояние до ближайшей звезды, можно без труда определить и расстояние до более далекой. Здесь важно только одно условие. Эти звезды должны быть одинаковы.

Действительно, представьте себе два одинаковых источника света. Расстояние между вами и первым источником 1 метр. Расстояние до второго неизвестно, но его ничего не стоит узнать, измерив силу света или освещенность от этих источников. Поскольку яркость источников обратно пропорциональна квадрату расстояния, то, зная интенсивность I₁ и I₂ обоих источников и расстояние до первого источника, без труда находим:

I₁/I₂ = l²

Этот метод дает возможность измерять расстояния более значительные, чем методы тригонометрических параллаксов. Мы не будем сейчас вдаваться в подробности, как узнать, что две звезды одинаковы. О классификации звезд и их свойствах необходим отдельный разговор. Примем пока на веру утверждение, что во Вселенной действительно есть яркие звезды одного и того же класса, как говорят астрономы. Для проблемы определения расстояний самыми интересными оказался класс переменных звезд, известных под названием цефеид.

Вообще говоря, переменные звезды, другими словами, звезды, изменяющие блеск на глазах людей и поколений, известны давно. Например, еще в древнем мире выделялась звезда дьявола — Алголь (созвездие Персея). Но лишь в 1782 году друг Гершеля астроном-любитель Д. Гудрайк исследовал периодические изменения ее блеска, хотя переменность этой звезды была замечена за 100 лет до него. Затем через два года он открыл переменность звезды δ Цефея. В настоящее время насчитывается более 14 тысяч переменных звезд, причем причины переменности у разных звезд — совершенно разные.

Но цефеиды — это звезды, которые ведут себя так же, как звезда δ Цефея: кривая блеска у них имеет один максимум и один минимум. Периоды изменения бывают достаточно большими — до 40–60 суток (долгопериодические цефеиды) — и короткими, преимущественно около 12 часов (короткопериодические цефеиды). Очень важно то обстоятельство, что цефеиды — яркие звезды, они примерно в сто раз, а есть такие, что и в 1500 раз ярче нашего Солнца, и поэтому их можно наблюдать не только в нашей Галактике, но и в других. Причем у более ярких цефеид период изменения блеска больше, чем у слабых.

В начале XX века удалось установить однозначную связь между периодом цефеид и их истинной яркостью. Это было принципиальным достижением. Ведь как бы далеко ни находилась цефеида, период колебаний блеска можно определить без труда.

Затем из установленной зависимости между яркостью и периодом вычисляется абсолютная звездная величина цефеиды, а потом и расстояние до нее. Именно таким путем, когда удалось установить присутствие цефеид в туманности Андромеды, было определено, что она удалена от нас почти на миллион парсек. Но это было уже в XX веке, когда мощные телескопы позволили «разрешить» маленькое туманное пятнышко (а именно так мы видим невооруженным глазом туманность Андромеды) на отдельные звезды.

Однако если цефеиды — маяки Вселенной, как их иногда называют, — оказались удобным инструментом для определения расстояний до ближайших галактик, то изображения далеких галактик, полученные даже на самых больших в мире телескопах, слабы и расплывчаты. Их сколь-либо детальная структура неразличима, а о разрешении их на отдельные, даже очень яркие звезды не может быть и речи. Как же можно определить расстояние до таких слабых и далеких объектов?

Галактики тоже делятся на специфические группы. В частности, они различаются по форме. Бывают эллиптические, спиральные галактики и неправильные. Внутри каждого типа также можно выделить отдельные классы галактик. Как правило, галактики одного класса имеют примерно одинаковую светимость. Конечно, на небе они могут сильно отличаться по яркости, так как находятся на разных расстояниях. Но если удастся установить, что класс их одинаков и, следовательно, равны их абсолютные светимости, то далее вступает в игру закон обратных квадратов, так же как и в случае цефеид. Таким способом можно оценивать расстояния до сотен миллионов парсек.

Телескоп-рефлектор Гершеля с диаметром зеркала 122 сантиметра.

Дальше уже становится трудным распознать тип структуры очень далеких галактик. И здесь астрономам помогло одно счастливое обстоятельство. Часто галактики образуют скопления, которые видны намного отчетливее, чем обычные галактики. Так вот, в подавляющем числе скоплений самый яркий компонент — гигантская эллиптическая галактика. Такая галактика светит в 100 раз ярче, чем наша. Именно они и используются как индикаторы расстояний на самых больших масштабах расстояний во Вселенной (до 10¹⁰ парсек).

Ну а дальше уже приходится работать с законом Хаббла, гласящим, что скорость разбегания галактик пропорциональна их расстоянию от нас V = Hr, где H — постоянная Хаббла. Скорость измеряется по величине красного смещения, о котором у нас шел разговор в первой главе. Но для того чтобы измерять красное смещение, астрономы должны были научиться работать в различных диапазонах спектра. Что это значит?

Явление дисперсии — зависимости коэффициента преломления света от длины волны — известно уже давно. Еще Ньютон в 1665 году, используя стеклянную призму, разложил солнечный свет на отдельные цвета — получил первую спектральную картину. Но действительное начало спектроскопических работ в астрономии мы должны связать с именем баварского самоучки И. Фраунгофера, который, тщательно изучая преломление света различных цветов призмами, открыл в спектре Солнца более 500 темных линий, названных впоследствии его именем. Фраунгофер был уверен, «…что причина возникновения этих линий и полос лежит в самой природе солнечного света».

Однако объяснить природу этих линий Фраунгофер не смог. Лишь в 50-х годах XIX века, после смерти Фраунгофера, благодаря работам Кирхгофа и Бунзена были установлены основные законы спектрального анализа. К этому времени число фраунгоферовых линий в спектре Солнца уже исчислялось тысячами. Кирхгофу удалось отождествить часть этих линий с эмиссионными линиями некоторых земных элементов. Поясним, что это такое.

Если вы подойдете к своей газовой плите и в голубое пламя горелки поместите щепотку соли, пламя немедленно окрасится в желтый цвет. Этот желтый цвет обязан своим происхождением парам натрия (химическая формула поваренной соли — NaCl). Вы наблюдаете таким образом эмиссию — излучение паров натрия. Но если вы будете пропускать свет от источника с более высокой температурой, чем температура пара натрия, вы получите линию поглощения на той самой длине волны (в желтой части спектра), на которой ранее излучал Na. Именно эти явления поглощения и эмиссии излучения и лежат, по сути дела, в основе спектрального анализа, получившего бурное развитие в астрономии после работ Кирхгофа.

Рефлектор У. Парсонса.

Спектральный анализ предоставил поразительную возможность детального определения химического состава атмосфер далеких планет и звезд. Поскольку спектральные линии для каждого элемента точно известны, любые их сдвиги за счет доплеровского эффекта дают возможность вычислять скорость объекта.

Но мне хотелось бы подчеркнуть незаменимость спектрального анализа для астрономии как инструмента при определении химического состава и физических свойств далеких небесных объектов. Ведь сравнительно недавно, 150 лет тому назад, французский философ-позитивист О. Конт писал о небесных телах в своем курсе философии: «Никогда никакими средствами мы не сможем изучать их химический состав… любое знание температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас». Сегодня благодаря астрономическим наблюдениям с использованием спектральной аппаратуры мы знаем и химический состав, и температуру звезд.

Прошло лишь 50 лет после появления «пророческого» высказывания Конта, а физика и астрономия нанесли ему решительный удар. В 1893 году было установлено, что чем выше температура излучающего тела, тем больше максимум излучения сдвинут в сторону коротких волн (закон Вина). Поразительно, что всего за двадцать лет до открытия этого физического закона известный ватиканский астроном патер Секки оценивал температуру Солнца в несколько миллионов градусов, и в это же время для того же Солнца французский физик Пуйе давал цифру в 2000 °C.

Смысл закона Вина состоит в следующем. Вы начинаете нагревать кусок железа. Сначала он темный, затем при температуре 600° появляется так называемое вишневое каление. Будем повышать температуру — появится красное каление, а перед началом плавления — желтое и белое. (Вспомним известное выражение «добела раскаленный».)

Но красный цвет соответствует более длинным волнам в оптическом спектре. Затем идет оранжевый с более короткими длинами волн, чем у красного, длина волны желтого цвета еще короче. Чем выше температура излучателя, тем более короткие длины волн соответствуют максимуму энергии в спектре излучения.

Открытие этого закона незамедлительно позволило установить правильную температуру нашего Солнца. Она оказалась равной примерно 6000 °C. А сейчас мы знаем температуры многих тысяч звезд, знаем химические элементы, присутствующие в этих звездах.

Итак, оптические исследования с помощью телескопов, несомненно, явились фундаментом всей современной астрономии. Они позволили установить размеры планет и расстояния до них, расстояния до звезд и галактик, определить химический состав звезд и температуру. Но, пожалуй, самое главное — то, что наблюдательная астрономия помогла человечеству раздвинуть границы мира и создать объективно верную картину Вселенной.

Прежде чем перейти к разговору о других методах наблюдательной астрономии, мне хотелось бы сделать небольшое «лирическое» отступление. В астрономии, как ни в какой другой науке, ярко проявилась роль любителей и самоучек. Вряд ли мы узнали бы сегодня о музыкальных наклонностях Гершеля, если бы он не занялся астрономией. Бывший музыкант стал великим астрономом и обессмертил свое имя открытиями именно в этой области знания.

Его друг, тоже астроном-любитель, открыл δ Цефея — переменную звезду.

Самоучка Фраунгофер открыл новый этап в наблюдательной астрономии.

Знаменитый астроном и математик Ф. Бессель начинал свой путь клерком торговой конторы в Бремене. Но кто знал бы об этом, если бы сейчас в любом курсе высшей математики не было бы функций Бесселя? Бессель — автор знаменитых «кенигсбергских таблиц», которые до сегодняшнего дня составляют постоянную часть астрономических ежегодников.

Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846) — немецкий астроном, математик, геодезист. Получил значение годичного параллакса звезды 61 Лебедя.

Я уже упоминал о том, что первоклассный астроном В. Ольберс был практикующим врачом. Сегодня каждый студент физфака и даже школьник знает про парадокс Ольберса. Метод Ольберса для вычисления орбит комет использовали целые поколения астрономов. Но ведь деньги-то на жизнь Ольберс получал от врачебной практики днем, а бессмертие зарабатывал ночью!

Еще пара исторических примеров. Основоположник систематического изучения солнечных пятен — аптекарь из Дессау Швабе впервые устанавливает цикличность их появления в первой половине XIX века.

В конце XIX века богатый американский аристократ П. Ловелл строит обсерваторию в Аризоне и своими наблюдениями вносит заметный вклад в исследование планет Солнечной системы.

Очарование и притягательность неба столь велики, что именно в астрономии мы видим наибольшее число примеров абсолютно бескорыстного стремления людей самых различных профессий к познанию тайн мира. Даже сегодня любители вносят свой вклад в наблюдения. Им особенно везет при открытии новых комет. Мне кажется, что этот поистине удивительный феномен в истории астрономии, к сожалению, мало известен широкому кругу читателей, совершенно недостаточно отражен в нашей научно-популярной литературе.

Всеволновая астрономия

Исследования в видимой области спектра охватывают очень узкую часть всего диапазона электромагнитных колебаний, поскольку человеческий глаз практически нечувствителен к длинам волн короче 3900 А и длиннее 7600 А (ангстрем). На рисунке не указан диапазон сверхдлинных радиоволн в тысячи километров длиной, поскольку в астрономии этот район длин волн не используется.

Гамма-излучение занимает область спектра короче 0,1 A. Этот тип излучения хорошо известен на Земле, оно возникает в процессах радиоактивного распада, но приходит на Землю также из космоса. От 0,1 до 100 A простирается диапазон рентгеновского излучения, которое с увеличением длины волны примерно при 3100 А переходит в так называемый дальний ультрафиолет. Ближний ультрафиолет занимает довольно узкий участок в спектре от 3100 до 3900 A. Справа от видимого света располагаются инфракрасные лучи с длинами волн от 0,76 до 1 миллиметра, а затем начиная с одного миллиметра весь дальний участок спектра занимают радиоволны.

Зачем нам понадобилось знакомство со спектром электромагнитных колебаний? Дело в том, что небесные объекты излучают не только в видимой области спектра. Так, например, рентгеновское и гамма-излучение, приходящие на Землю из космоса, несут информацию о грандиозных процессах, происходящих в глубинах Вселенной. Читатель, наверное, слышал термин «радиогалактики», то есть галактики, излучающие в радиодиапазоне. Кроме того, радиометоды дают неоценимую возможность определения расстояний до некоторых небесных тел.

Начнем с радиодиапазона. (Кстати, мы уже говорили об этом участке электромагнитного спектра колебаний, когда обсуждали историю открытия реликтового фона излучения неба.) Компании Bell везло на крупные открытия. Начало радиоастрономии тоже связано с работами инженера этой компании — К. Янского. В 1931 году он экспериментировал с вращающейся радиоантенной для выяснения возможных источников радиошума, которые могли бы помешать установлению коротковолновой радиотелефонной связи. Он работал, в частности, на волне 14,6 метра и столкнулся с непонятным на первый взгляд явлением. Шум, который он исследовал, имел максимум интенсивности, причем максимум был периодическим, с периодом в 23 часа 56 минут. Период этот обладал удивительным постоянством.

Довольно быстро Янский догадался, что максимум помех не связан с Землей, а приходит из космоса. Ведь за 23 часа 56 минут Земля делает полный оборот вокруг своей оси (по обычным часам, отсчитывающим солнечное время), и все звезды снова возвращаются в исходное положение относительно любого пункта Земли. Более того, удалось установить, что источник радиоволн находится в созвездии Стрельца, то есть, по-видимому, Янский занимался прослушиванием центра нашей Галактики. С этого момента и появилось новое направление в астрономии — радиоастрономия.

Радиотелескопы внешне абсолютно не похожи на оптические телескопы. Если диаметр рекордного зеркала Зеленчукского телескопа равен шести метрам, то размеры антенн радиотелескопов достигают иногда сотен метров. Задача радиоастрономов состоит в том, чтобы при помощи приемных устройств определить интенсивность и временные характеристики сигналов в различных диапазонах длин радиоволн, приходящих из космоса.

В принципе радиоастрономия очень похожа на оптическую, их отличают лишь диапазон волн и, соответственно, приемные устройства. Эта наука начала развиваться исключительно быстрыми темпами, хотя поначалу астрономы не обратили внимания на открытие Янского. В известном смысле пресса проявила тогда большую дальновидность, чем ученые. Космический шум транслировался по радио, о нем писали в газетах. Радиотехники и радиолюбители заинтересовались этим, и в 1936 году появились сообщения о шипящих звуках, исходящих, по-видимому, от Солнца. Но и эти факты не насторожили астрономов-профессионалов.

Лишь один человек во всем мире сделал должные выводы из открытия Янского. Это был американский радиолюбитель-коротковолновик Г. Рёбер. На свои средства он построил всю аппаратуру, в том числе и радиотелескоп с жестяным зеркалом диаметром в 9,5 метра, установленным на деревянной раме. Он использовал несколько приемников, настроенных на фиксированные длины волн: 9,33; 62,5 и 187 сантиметров. К весне 1939 года Рёбер наблюдал космическое радиоизлучение на длине волны 1,87 метра, а к 1944 году составил первую радиоастрономическую карту в районе Млечного Пути, где были нанесены контуры радиоизлучающих участков неба. В 1945 году он составил новую карту для волны 62,5 сантиметра. На этой карте он специально выделил созвездия Лебедя, Тельца, Девы и Кассиопеи, что, как мы увидим позже, полностью отражало существование там мощных источников радиоизлучения. Если Янского можно считать отцом радиоастрономии, то Рёбера можно смело назвать первым радиоастрономом.

Дальнейшим успехам радиоастрономии способствовало бурное развитие радиолокации, поскольку в радиолокации использовались особо чувствительные приемники. Можно было бы ожидать, что радары будут принимать не только сигналы от вражеских самолетов, но и космический шум. Так оно и оказалось. Только по вполне понятным причинам сведения о космических помехах появились в открытой печати лишь после окончания второй мировой войны. Помехи же, и очень мощные, наблюдались еще в 1942 году английскими радарами на волнах 5,45 и 3,75 метра. Этот факт был отражен в секретных донесениях, а в 1946 году появилась публикация, связывающая это явление с солнечной активностью.

Известные советские физики Н. Мандельштам и Н. Папалекси предлагали использовать радиолокацию для исследования небесных тел еще в 1928 году. Их идея была реализована после войны в 1946 году, когда с помощью радиолокационного метода было измерено расстояние до Луны на волнах 2,7 и 2,5 сантиметра. Годом раньше было обнаружено собственное радиоизлучение Луны, а через 10 лет ученые выяснили, что и другие планеты излучают в радиодиапазоне.

Речь сейчас шла главным образом о непрерывном радиоизлучении, которое принимается радиоастрономами в форме увеличения уровня шума. Но в космосе есть не только шум. Некоторые космические объекты излучают отдельные радиоволны. Мы видим, что ситуация становится похожей на оптическую спектроскопию, о которой недавно говорилось. И действительно, в последнее время достижения радиоспектроскопии очень значительны. Например, с помощью этого метода удалось открыть в межзвездных облаках большое количество органических молекул. К сегодняшнему дню число наименований органических соединений в космосе превысило пятьдесят.

Но началась радиоспектроскопия с открытия радиолинии межзвездного водорода с длиной волны 21 сантиметр. Эта знаменитая длина волны в течение многих лет рассматривалась как возможный канал связи между внеземными цивилизациями. Существование этой линии предсказал еще в 1944 году молодой голландский студент Ван де Хюлст, но оценки всех реальных возможностей наблюдений этой линии были проделаны крупным советским астрофизиком И. Шкловским.

Значение этой радиолинии, разумеется, не ограничивается вопросом контакта с другими мирами. Исследование глубин Вселенной на волне 21 сантиметр дает возможность «буквально пересчитать все водородные атомы межзвездной среды» (И. Шкловский), измерить такой принципиальный параметр межзвездных облаков, как их температуру, изучить динамические процессы в облаках, и, наконец, на этой волне можно зондировать, «видеть» нашу Галактику гораздо лучше, чем в видимом диапазоне, так как излучение с этой длиной волны не поглощается, в отличие от электромагнитных колебаний видимого диапазона, межзвездной средой. Поэтому на волне 21 сантиметр можно исследовать районы Галактики, находящиеся от нас на противоположной от центра Галактики стороне, на расстоянии многих тысяч парсек.

В Советском Союзе значительный вклад в радиоастрономические исследования был сделан В. Троицким, И. Шкловским, Н. Кардашевым, В. Гинзбургом и др. Так, например, академик В. Гинзбург и его ученики создали теорию «синхротронного» излучения. Теория эта — крупнейшее достижение советской науки.

Физические процессы, ответственные за радиосигналы от различных космических объектов, можно грубо разбить на две группы — тепловое и нетепловое радиоизлучение. Начнем с теплового. В любом нагретом теле мы имеем дело с тепловым движением атомов молекул и электронов. Разумеется, движение свободных электронов происходит в металлах или в плазме. Но нам сейчас особенно важен сам факт движения.

При столкновении часть кинетической энергии атомов или электронов переходит в электромагнитные волны и излучается в пространство. Именно такое излучение и называется тепловым. Совершенно ясно, что оно практически ничем (за исключением длины волны) не отличается от обычного излучения нагретого тела в видимой области спектра. Таким образом, любое нагретое тело излучает в радиодиапазоне, хотя и с существенно меньшими интенсивностями, чем в видимом и инфракрасном.

Но существуют и нетепловые формы радиоизлучения, и синхротронное излучение является как раз одной из форм нетеплового излучения. Синхротронным излучение названо потому, что оно впервые наблюдалось в мощных ускорителях — синхротронах. Это излучение возникает при взаимодействии релятивистских электронов с магнитными полями. (Релятивистской называется частица, скорость которой сравнима со скоростью света. Электроны с энергией больше 1 МЭВ считаются релятивистскими.)

Если в пространстве есть магнитное поле, то релятивистский электрон, так же, как и «нормальный», в соответствии с известными законами физики будет закручиваться по спирали вокруг магнитной силовой линии. Однако если электрон, движущийся в магнитном поле с небольшой скоростью, будет излучать при торможении в магнитном поле более или менее одинаково во всех направлениях, то в релятивистском случае излучение будет направлено в сторону движения электрона. А раз электрон движется по спирали, наблюдатель будет «видеть» вспышки радиоизлучения на различных частотах.

Синхротронное излучение электронов.

Поскольку энергия электронов велика (больше 1 МЭВ), а мы знаем, что подобная энергия соответствует температуре 10¹⁰ K, такое излучение — типичный пример нетеплового излучения. За возникновение электромагнитных колебаний в этом случае несут ответственность совершенно другие физические процессы, нежели хаотическое движение частиц в нагретом теле. Чтобы у читателя не возникло недоуменных вопросов, заметим, что излучение в виде «вспышек» можно было бы наблюдать только от отдельного электрона. Реальные же сигналы обусловлены взаимодействием многих электронов с магнитными полями космоса.

Важно, что синхротронное излучение как раз и является типичным нетепловым процессом и по целому ряду физических характеристик его можно отличить от теплового. Один из главных критериев здесь состоит в следующем: если радиоизлучение какого-либо источника имеет тепловой характер, то его интенсивность должна заметно расти с уменьшением длины волны.

Кстати говоря, и Янский, и Рёбер сначала считали, что имеют дело с тепловым радиоизлучением. Поэтому Рёбер и перешел на более короткие волны, чем Янский, в надежде получить более мощный сигнал. Рёбер думал, что на волне 9 сантиметров сигнал будет в 10⁴ раз больше, чем у Янского. Ничего подобного ему увидеть не удалось. Более того, на этой волне он вообще не смог обнаружить космический радиошум. Поэтому-то сейчас нетрудно отличить тепловое излучение от нетеплового: нужно, в частности, провести измерение от какого-либо источника на нескольких длинах волн. Кроме того, нужно принимать во внимание, что даже при современных параметрах радиоаппаратуры тепловое радиоизлучение от ближайших звезд дает очень слабый сигнал, находящийся на пределе возможности его обнаружения.

Современные радиотелескопы — поистине циклопические сооружения. Советский радиотелескоп РАТАН-600 имеет диаметр главного зеркала 588 метров. У радиотелескопа в ФРГ параболическая антенна диаметром в 100 метров, а вес всего антенного комплекса составляет 3200 тонн. В фокусе параболической антенны собирается поток электромагнитного радиоизлучения, а специальное устройство, размещенное в фокусе телескопа, направляет его излучение в усилительные тракты приемника. Гигантский телескоп с антенной в форме полусферы диаметром 300 метров находится в кратере потухшего вулкана на острове Пуэрто-Рико.

В принципе работа современного радиотелескопа ничем не отличается от работы обычного радиоприемника. Но, поскольку радиоастрономия имеет дело с сигналами очень малой интенсивности, здесь приходится использовать огромные антенны, которые помогают услышать самые слабые сигналы из космоса. Одна из разновидностей радиоастрономических методов — радиоинтерферометрия — дает возможность исследовать источники радиоизлучения на небе с рекордным разрешением — одна десятитысячная доля секунды. Чтобы понять, что означает подобное разрешение, заметим, что под таким углом можно было бы увидеть с Земли след космонавта на Луне!

За 50 лет своего развития радиоастрономические методы исследования буквально открыли нам новый мир. Эти 50 лет ознаменовались крупнейшими открытиями. Об одном из них мы уже говорили — это обнаружение реликтового излучения. Второе открытие было не менее сенсационным. Речь идет о знаменитых пульсарах — нейтронных звездах, существование которых было предсказано теоретиками за 30 лет до их открытия.

Нейтронная звезда была впервые обнаружена с помощью радиотелескопа аспиранткой известного английского радиоастронома профессора А. Хьюиша — Д. Белл. (Здесь мне хочется немного отвлечься и сказать о том, что история науки знает немало примеров, когда работу делает один человек, а лавры достаются другому или другим. Вспомним хотя бы драматическую историю Р. Франклин, связанную с открытием двойной спирали ДНК. Загляните в книгу Д. Уотсона «Двойная спираль», и вам станет ясно, что страсти в мире науки по своему накалу не уступают страстям героев Шекспира.)

Итак, Д. Белл открыла вращающиеся нейтронные звезды — пульсары. За это открытие А. Хьюишу присудили Нобелевскую премию в области астрофизики. Ну а что же мисс Белл? Ее имя известно сегодня любому человеку, интересующемуся астрофизикой.

Но, разумеется, на «текущем счету» радиоастрономии не только реликтовое излучение и пульсары. Открыты мощные дискретные источники радиоизлучения, и в первую очередь ярчайший источник в созвездии Лебедя — Лебедь-Α. Расстояние от этого источника до нашей Галактики огромно — около 200 мегапарсек, что примерно в 300 раз больше расстояния до туманности Андромеды. И хотя Лебедь-Α в сотни раз дальше от нас, чем эта знаменитая туманность, поток радиоизлучения от Лебедя-Α в 100 раз больше. Но ведь это означает, что его мощность примерно в 10 миллионов раз превышает мощность излучения в радиодиапазоне туманности Андромеды.

В метровом диапазоне Лебедь-Α светит примерно так же, как и Солнце. Однако до Солнца 8 световых лет, а до Лебедя-Α — около 700 миллионов световых лет. Проделайте сами элементарный расчет и вы увидите, что мощность радиоизлучения Лебедя-Α в 10²⁸ раз превосходит мощность радиоизлучения Солнца. До открытия этого источника (1946 год) астрономии не были известны столь грандиозные явления.

Сразу хочу оговориться, что сейчас мы не затрагиваем вопросов «почему?». Мы ведем разговор лишь в плане «что» и «как». О том, чем обусловливается излучение нейтронных звезд, дискретных источников и других объектов во Вселенной, мы будем говорить в последующих разделах книги.

Вернемся к великим радиоастрономическим открытиям XX века. Речь сейчас пойдет о том, как удалось обнаружить, пожалуй, самые загадочные наблюдаемые объекты Вселенной — знаменитые квазары. К 1960 году несколько радиоисточников было надежно отождествлено со звездами, что явилось большим сюрпризом для астрономов. Ведь потоки радиоизлучения даже от близких к нам звезд очень малы. Радиоисточники отождествлялись всегда с галактиками и туманностями. Тем не менее упомянутые источники обладали вполне приличной интенсивностью.

Американский астроном М. Шмидт решил исследовать оптический спектр одного из таких источников, который наблюдался на небе как звездочка 13-й величины. Первые же результаты Шмидта оказались совершенно обескураживающими. Линии спектра этой звездочки — источника 3C 273 — не удавалось отождествить ни с какими известными лабораторными линиями! Наконец, Шмидту удалось доказать, что в спектре 3C 273 присутствуют некоторые линии водорода. Но эти линии имеют настолько сильное красное смещение, что объект должен удаляться от нас со скоростью 42 тысячи км/сек. Тогда расстояние до него около 2 миллиардов световых лет (600 мпс)! И светимость источника в этом случае должна в 100 раз превышать светимость нашей Галактики, относящейся к разряду гигантских.

Итак, среди многих тысяч звезд 13-й величины оказался объект, заведомо меньший, чем Галактика, и в то же время намного более яркий. Этот объект вряд ли когда-либо удалось бы обнаружить, если бы он не был радиоисточником. Таким образом, радиоастрономы помогли «оптикам» в этом случае открыть так называемый квазизвездный источник — квазар.

Эти объекты занимают особенное место в астрономии как новый класс объектов наряду с галактиками и звездами, но природа их до конца не понята. Свет, излученный некоторыми квазарами, путешествовал во Вселенной более 10 миллиардов лет, прежде чем попал в объектив телескопа. И. Шкловский считал открытие квазаров величайшим достижением астрономии XX века.

Современную астрономию называют всеволновой. Возможность работы по всему диапазону электромагнитного спектра принесла революционные открытия и неизмеримо повысила уровень наших знаний о самых различных объектах Вселенной. Всего 50 лет назад астрономия напоминала человека, лишенного радости видеть цвета и краски окружающего мира. И вдруг в какой-то момент на него обрушилось буйство красок и вся окружающая природа предстала в совершенно ином виде. Переворот в астрономии был еще радикальнее, поскольку наблюдения в видимом оптическом диапазоне ограничиваются поглощением света в межзвездной среде. С освоением новых участков спектра у астрономов в буквальном смысле слова упала с глаз пелена.

Теперь посмотрим, что дали наблюдения неба в инфракрасной области спектра, располагающейся на шкале длин волн между видимым светом и радиоволнами. Человеческий глаз, как уже говорилось, не в состоянии увидеть инфракрасное излучение. Мы можем его только почувствовать, поднеся, скажем, руку к горячему утюгу. Поэтому в инфракрасной астрономии в качестве приемников радиации используются специальные устройства, например, хорошо известная каждому школьнику термопара.

Здесь следует вкратце остановиться на одном важном обстоятельстве. Мы уже говорили о существенном ограничении наблюдений в видимом диапазоне: свет заметно поглощается межзвездной средой. В то же время в видимом диапазоне земная атмосфера довольно прозрачна. Атмосфера очень сильно «режет» коротковолновую часть спектра, начиная с ультрафиолетового излучения; что касается инфракрасного (ИК) диапазона, то молекулы воды и углекислого газа, всегда присутствующие в атмосферном воздухе, поглощают в этом диапазоне довольно сильно. К счастью, между полосами молекулярного поглощения воды и углекислоты есть узкие окна, в которых можно вести наблюдения. Кроме того, если поднять прибор на аэростате, шаре, зонде, задача наблюдения существенно облегчается. В ряде случаев можно проводить наблюдения в ИК-диапазоне даже с высокогорных обсерваторий. Что касается радиодиапазона, то атмосфера практически прозрачна для радиоволн длиной от 1 сантиметра до 20 метров. Теперь ясно, что сам факт поглощения электромагнитных колебаний земной атмосферой в значительной мере стимулировал проведение спектральных измерений на больших высотах и в космосе. В настоящее время есть проекты размещения в космосе и оптического телескопа, причем с довольно большим зеркалом, диаметром более двух метров. Отсутствие атмосферы даже для видимого диапазона даст огромный выигрыш при наблюдениях.

Но вернемся к ИК-астрономии. Можно без преувеличения сказать, что измерения в ИК-диапазоне внесли решающий вклад в исследование химического состава атмосфер планет. Благодаря именно этим измерениям нам удалось узнать, что атмосфера Венеры состоит не только из углекислого газа, она содержит такие экзотические молекулы, как угарный газ, хлористый и фтористый водород, а в облаках Венеры присутствует серная кислота. В атмосферах Венеры и Марса удалось обнаружить пары воды и определить их количество, в облаках Юпитера нашли аммиак, узнали, из чего состоят кольца Сатурна, оценили химический и минералогический состав грунта Луны, Марса, астероидов, спутников Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна.

Наблюдая Юпитер и Сатурн, удалось открыть внутренние потоки тепла от этих планет. Другими словами, оказалось, что и Юпитер и Сатурн отдают в пространство больше тепла, чем получают его от Солнца.

С помощью ИК-измерений удалось сделать поразительные открытия не только в мире планет, но и в мире звезд. Именно здесь и сказалось решающее преимущество ИК-излучения перед видимым светом: пыль и газ в межзвездном пространстве поглощают видимый свет во много раз сильнее, чем излучение в ИК-диапазоне. С помощью измерений в инфракрасном диапазоне были открыты так называемые ИК-звезды, которые в обычные телескопы были видны как объекты 20^m (20-й звездной величины), а в ИК-диапазоне они светили как объекты 0^m. Разница гигантская — в 20 звездных величин!

Температура этих звезд оказалась очень низкой (по звездным меркам) — всего 2000 К. В атмосферах многих холодных звезд есть вода и окись углерода. Около некоторых звезд, и молодых и старых, существуют пылевые оболочки, а совсем недавно было установлено, что есть звезды, и среди них одна из самых близких к нам — Вега, окруженные пылевыми дисками. Возможно, эти образования и есть знаменитые протопланетные туманности. Быть может, по соседству с нами вскоре отыщут звезды, имеющие планетные системы!

С помощью ИК-астрономии были открыты протозвездные объекты и загадочные тела промежуточной массы между звездами и планетами. Один из них имеет массу в десять раз большую, чем Юпитер, но соответственно меньшую, чем наш желтый карлик — Солнце.

Астрофизики, используя возможности ИК-астрономии, впервые получили изображение центра нашей Галактики. Была изучена структура этого района, и удалось обнаружить, что в центре нашей звездной системы расположен точечный источник инфракрасного излучения. Но что это такое? Сегодня мы не можем ответить на этот вопрос. Мир астрономии поистине неистощим на сюрпризы.

Новые сведения об окружающем мире идут не только с длинноволнового конца спектра. Коротковолновый диапазон в этом смысле старается «не отставать» от радиоволн и ИК-излучения. Но здесь уже нужно учесть то обстоятельство, что научную информацию ученые получают в этом диапазоне длин волн только с больших высот и из космоса: атмосфера задерживает, «режет» коротковолновую, высокоэнергичную часть спектра.

С одной стороны, это, безусловно, хорошо. Хорошо хотя бы в том смысле, что если бы ультрафиолетовое излучение Солнца могло достигнуть поверхности Земли, то очень скоро наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню. Ведь ультрафиолетовое излучение Солнца губительно для всего живого. Но так как наша планета имеет атмосферу, а в ней есть слой озона, поглощающий жесткий ультрафиолет, то мы можем жить спокойно, а астрономы должны использовать высотные ракеты и спутники для исследования различных объектов в коротковолновой части спектра — ультрафиолете, рентгене и гамма-диапазоне.

Ультрафиолетовое излучение особенно заметно в спектрах горячих молодых звезд, имеющих высокую температуру. Ну, и конечно же, наше Солнце является мощнейшим источником ультрафиолета, поскольку эта звезда ближе всего к нам. Я не буду много говорить сейчас об исследовании в ультрафиолетовой области спектра. Укажу лишь на один замечательный пример.

В мире звезд существуют так называемые белые карлики — маленькие, горячие звезды очень высокой плотности. Если бы нам удалось зачерпнуть вещество белого карлика чайной ложкой и взвесить его, стрелка весов остановилась бы около деления 5 тонн. Так вот, теория белых карликов была создана уже давно, но они очень трудно наблюдаемы в видимом диапазоне из-за малых размеров. До 1975 года по этой причине не проводилось прямых измерений размеров белых карликов. Но когда на спутнике «Коперник» были проведены измерения в ультрафиолете, оказалось, что максимум излучения Сириуса-Β лежит в области 1100 А, что соответствует температуре поверхности звезды около 30 000 К. Теперь по известной для Сириуса-Β видимой звездной величине можно было вычислить радиус звезды. Он оказался равным 4200 километрам, меньше, чем радиус Земли. Интересно, что последующие измерения дали более низкую цифру — 26 000 К. Но система Сириуса светит еще и в рентгене, и этой температуры не хватает для объяснения рентгеновского излучения. Пока причина этого неизвестна.

Если бы мы «закрыли» все участки спектра, кроме ультрафиолетового, ночное небо выглядело бы совершенно иначе, чем сейчас. На нем наблюдалось бы много очень ярких туманностей солидных размеров. Например, одна из них заняла бы все созвездие Ориона. Интересно выглядело бы в ультрафиолете Солнце: его внешние части были бы гораздо ярче диска звезды.

Отправимся теперь в область самой коротковолновой астрономии — рентгеновскую и гамма. Здесь уже телескопы совсем не похожи на оптические или радио. Это специальные физические приборы для регистрации жестких, то есть обладающих высокой энергией квантов, излучений в рентгеновском и гамма-диапазоне. Ясно, что кванты с высокой энергией могут рождаться в физических процессах с большим энерговыделением. Поэтому окно рентгеновской и гамма области спектра является окном в астрофизику высоких энергий. В первую очередь следует отметить открытие мощных рентгеновских источников — нейтронных звезд в тесных двойных системах. Мощность этих источников в сотни тысяч раз больше мощности Солнца, также излучающего в рентгеновском диапазоне.

Рентгеновские лучи принесли нам информацию о присутствии в межгалактическом пространстве внутри скоплений галактик горячей плазмы с температурой сто миллионов градусов. Мощными источниками рентгеновского излучения являются вспышки сверхновых, процессы «каннибализма» в мире галактик, вспыхивающие нейтронные звезды — барстеры.

Читателю не надо бояться новых загадочных терминов. Мы просто договоримся сейчас о том, что, когда разговор пойдет о мире галактик, нам станет понятно, что такое «каннибализм», беседуя о звездах, мы узнаем о барстерах и т. д. Сейчас же я хочу еще раз повторить, что наблюдения рентгеновского излучения в астрономии всегда связаны с высокими энергиями.

Рентгеновская астрономия приносит сюрпризы и неожиданности. В 1983 году советские и японские спутники зарегистрировали «внезапную смерть» источника Геркулес Х-1 в рентгеновском диапазоне. Почему? На очередной вопрос, поставленный природой перед астрофизиками, ответа пока нет.

Очень интересен рентгеновский источник Лебедь Х-1, который уже более десятка лет будоражит воображение астрофизиков. Наблюдения как будто не противоречат гипотезе о черной дыре, входящей в состав двойной звездной системы Лебедя, но… скажем прямо, имеются и альтернативные объяснения наблюдаемой картины. Конечно же, хотя на счету рентгеновской астрономии колоссальные достижения, открытие черной дыры было бы ее триумфом. Но пока триумф откладывается.

Здесь не следует забывать, что рентгеновская астрономия очень молода — лишь в 1970 году был запущен спутник «Ухуру», с помощью которого были сделаны фундаментальные открытия, например, нашли рентгеновские звезды — тесные двойные системы, где одним из компаньоном является нейтронная звезда.

Еще моложе гамма-астрономия. Лишь в 1972 году был запущен специализированный спутник для изучения гамма-излучения.

Сразу же уместно обсудить вопрос о том, какие процессы и объекты на небе могут быть источниками космического гамма-излучения? Таких источников несколько. Гамма-излучение может возникать, если энергичные протоны, входящие в состав космических лучей, или релятивистские электроны сталкиваются с ядрами межзвездных атомов или молекул. Релятивистские электроны могут порождать гамма-кванты при взаимодействии с квантами электромагнитного излучения различной энергии, заполняющими межзвездное пространство, и при движении в магнитных полях (синхротронное излучение). Поэтому огромные холодные газопылевые облака, заполняющие межзвездное пространство, обязательно должны были быть источниками гамма-излучения: ведь плотность вещества в них больше, чем в обычном межзвездном пространстве, и вероятность взаимодействия протонов космических лучей с содержимым облака соответственно повышается.

Изображение остатка сверхновой Кассиопеи Α в гамма-диапазоне.

Так оно и оказалось. Некоторые максимумы гамма-излучения на небе удалось отождествить с облаком в созвездии Орион, где происходит рождение звезд. Это облако находится сравнительно недалеко от нас: около 500 пс. Еще ближе (150 пс) к нам звезда ρ Змееносца. Около нее также расположено облако — источник гамма-излучения. На основе результатов спутниковой гамма-астрономии удалось даже построить «гамма-карту» части нашей Галактики, поскольку гамма-излучение в Галактике подчеркивает ее крупные детали.

Природа некоторых гамма-всплесков не понята до настоящего времени. Так, например, настоящая загадка — гамма-излучение от пульсара Паруса-Х. Он слабо светит в рентгене, но дает заметные всплески в радио-, в оптическом и в гамма-диапазоне. Так вот, оказывается, что за один и тот же промежуток времени в радиодиапазоне можно видеть один импульс, а в гамма- и оптическом — два. Почему — неясно.

5 марта 1979 года на небе был зарегистрирован мощный гамма-всплеск. Нельзя исключить того, что источником этого всплеска является вспыхнувший молодой пульсар — остаток взрыва Сверхновой, происшедшего в Большом Магеллановом Облаке. Есть на небе и гамма-источник CG 195+4, который излучает лишь гамма-кванты, не проявляя активности ни в каком другом диапазоне. Было открыто гамма-излучение от знаменитого квазара 3С 273. Мощность его гамма-излучения в сотни раз превышает полную мощность излучения всех звезд нашей Галактики. Причем она примерно такая же, как в радио и в оптическом диапазоне.

Даже из этих примеров видно, какие широкие перспективы открывает и какие важные задачи ставит перед астрофизиками гамма-астрономия.

Для исследований самых жестких гамма-квантов с энергиями 10²–10⁴ ГЭВ используются… оптические телескопы! Эта на первый взгляд невозможная вещь объясняется просто.

При прохождении сверхжестких гамма-квантов через атмосферу возникают очень энергичные электроны, вызывающие знаменитое «черенковское» излучение. Это излучение и можно в конце концов поймать при помощи оптического телескопа.

Итак, электромагнитные колебания являются сейчас основным источником информации в современной астрономии. Можно смело сказать, что астрономия не возникла бы как наука, если бы у нее не было глаз. Сначала это были просто глаза человека, затем они вооружились оптическими телескопами, затем появились радиотелескопы. Сейчас термины «рентгеновская, гамма-астрономия» общеприняты — астрономия стала всеволновой.

Но только ли электромагнитный спектр несет нам информацию о космосе? Конечно, нет. Ведь космос буквально «нашпигован» заряженными и незаряженными частицами. Это ядра атомов различных химических элементов, просто протоны высоких энергий и некоторые другие частицы. Все они объединяются в так называемые космические лучи. Исследование космических лучей также несет информацию о грандиозных катаклизмах, происходящих во Вселенной, в частности, о взрывах Сверхновых звезд, процессах в ядрах галактик.

На страницах оригинальных статей и обзоров все чаще появляется новый термин — нейтринная астрономия. Действительно, эти неуловимые из-за своего чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом частицы могут дать исключительно важную информацию о внутреннем строении звезд, в том числе и нашего Солнца. Изучение реликтовых нейтрино, оставшихся после Большого Взрыва, принесло бы неоценимую информацию о первых мгновениях жизни нашей Вселенной. Но регистрация нейтрино — задача исключительной сложности. Это, кстати, мы увидим, когда речь пойдет о нашем Солнце и проблеме солнечных нейтрино. Тем не менее многие ученые считают, что нейтринная астрономия уже к концу этого века скажет свое веское слово. И мне кажется, что это будет очередная порция сюрпризов и загадок, которые природа до поры до времени держит про запас, а потом вдруг дает возможность прикоснуться к своим тайнам, то ли, чтобы подхлестнуть любопытство человека, то ли лишний раз щелкнуть его по носу.

Есть еще один очень интересный потенциальный источник информации из космоса. Это гравитационные волны — следствие ОТО. Большой бум в науке возник более 15 лет тому назад, когда бывший американский адмирал, большой энтузиаст астрофизики Д. Вебер объявил о том, что ему впервые удалось зарегистрировать таинственные гравитационные волны. Аппаратура Вебера состояла из алюминиевых цилиндров весом 4 тонны каждый.

Если на цилиндр подействует гравитационная волна, в нем должны возникнуть собственные колебания с частотой 1600 герц. Эти колебания можно регистрировать чувствительными приборами. Сначала Вебер использовал для измерения лишь один цилиндр. В этом случае, естественно, нельзя было дать никакой гарантии в том, что колебания цилиндра вызваны именно гравитационными волнами, а не какими-либо другими, более земными причинами. Поэтому-то и появилась вторая установка с гигантским алюминиевым цилиндром в Иллинойсе, чтобы можно было регистрировать гравитационные волны одновременно в разных точках земной поверхности.

На минуту отвлечемся от эксперимента Вебера и попытаемся понять, что такое гравитационные волны. Нам удастся это лучше всего, если мы вспомним два обстоятельства. Первое: теория электромагнитного поля и теория гравитации ОТО — две классические теории, оперирующие с силами бесконечного радиуса действия. Второе: знаменитый опыт Г. Герца с испусканием электромагнитных волн.

Теперь ясно, что, так же как и в классической теории электромагнитного поля, где колебания электрического заряда будут вызывать электромагнитные волны, в ОТО колебания массивного тела будут вызывать гравитационные волны. Источником гравитационных волн поэтому может быть процесс коллапса звезды в черную дыру, взрывы Сверхновых, тесные двойные системы с массивными компаньонами.

Но трудность состоит в том, что даже при наличии двойных систем и других источников гравитационных волн силы, вызываемые этими волнами, ничтожны. Если, например, Солнце находилось бы в системе двойной звезды и воображаемый компаньон, имеющий такую же массу, как Солнце, располагался на расстоянии одной астрономической единицы от нашего светила, гравитационное излучение составило бы всего 10^–14 от мощности электромагнитного излучения этих звезд. Именно поэтому, когда в 1969 году Вебер сообщил о том, что удалось зарегистрировать гравитационные волны, идущие от района центра Галактики, ему не поверили.

Результаты Вебера большинству ученых кажутся неубедительными и малоправдоподобными, поскольку мощность источника гравитационных волн в случае достоверности регистрации слишком велика. Для обеспечения подобной мощности должна существовать черная дыра, поглощающая в год массу вещества, равную нескольким тысячам масс Солнца.

Построенные позже более чувствительные, чем у Вебера, детекторы не зарегистрировали до сих пор гравитационного излучения. Тем не менее ОТО предсказывает это излучение, а некоторые астрономические наблюдения как будто указывают на существование этого излучения.

Что здесь имеется в виду? ОТО предсказывает, что в тесных двойных системах непрерывное излучение энергии в виде гравитационных волн должно изменять орбиты компаньонов системы и приводить, в частности, к уменьшению периода обращения.

Наблюдения за пульсаром PSR 1913+16 прекрасно согласуются с вычислениями, выполненными на основе ОТО. Если бы уменьшение периода можно было бы однозначно связать с гравитационным излучением, результаты наблюдений за PSR 1913+16 явились бы очередным триумфом ОТО и их с полной определенностью можно было бы трактовать как ясное доказательство гравитационного излучения. Но… к сожалению, уменьшение периода может быть вызвано и другими причинами.

Сегодня разрабатываются все новые и новые системы для детектирования гравитационных волн. Здесь особенно интересна идея использовать всю Землю в качестве детектора гравитационных волн, которые должны возбуждать в теле нашей планеты малые по амплитуде сейсмические волны. Подобные волны уже зарегистрированы, но (опять это «но») нужна схема совпадений, поскольку, если эти волны зарегистрированы лишь в одном детекторе (Земле), интерпретация не может считаться однозначной. В схему эксперимента предполагается дополнительно включить Луну. Если микросейсмы с определенными характеристиками будут одновременно зафиксированы и на Луне и на Земле, тогда можно будет праздновать победу новой отрасли астрономии — гравитационной.

Этап бурного развития наблюдательной астрономии во второй половине XX века неспроста называют «второй революцией». Первая связана с именами Коперника и Галилея, вторая — с освоением практически всего диапазона электромагнитных колебаний и полным техническим перевооружением астрономов.

На очереди — решение увлекательных загадок Вселенной: поиск цивилизаций, выяснение природы квазаров, решение проблемы скрытой массы и многое другое. На очереди — вынос в космос больших оптических и радиотелескопов, создание космической голографии — получение трехмерных изображений некоторых объектов, измерение угловых расстояний в 10^–8 секунды дуги, в десять тысяч раз более высокая точность, чем сегодня. Одним словом, реальные перспективы исследования новых загадок окружающего нас мира становятся все более и более реальными.

Если же размеры превышают критическую длину Джинса, то плотность сгущения будет расти, причем размеры таких сгущений определяются величиной начальных малых флуктуаций плотности. При исследовании этого вопроса, как мы уже говорили, совершенно необходимо учитывать то радикальное обстоятельство, что все процессы дифференциации вещества происходили в расширяющемся мире.

Качественная картина возникновения и роста сгущений справедлива лишь для бесконечной, однородной среды, содержащей затравочные флуктуации. Пионерские работы, в которых исследовалось поведение малых возмущений в однородной расширяющейся среде, были выполнены в нашей стране сразу после войны академиком Е. Лифшицем. Эти работы показали, что в реальном случае расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться несколько медленнее, чем Вселенная в целом. Это понятно, поскольку тяготение в этих участках сильнее, и оно будет препятствовать расширению. Эти области будут постепенно отставать в расширении от Вселенной, а в какой-то момент времени они и совсем перестанут расширяться. Они как бы отключатся от общего космологического расширения Вселенной.

Теория, развитая Е. Лифшицем, позволяет аккуратно и точно рассчитывать временную эволюцию сгущений и их начальную величину. И вот именно здесь возникают весьма серьезные трудности.

Мы уже говорили о процессах конденсации влаги в атмосфере. В этих процессах также велика роль флуктуаций плотности. Они носят чисто тепловой характер. Эти флуктуации возникают из-за случайного повышения плотности воздуха в силу хаотического движения молекул газовой среды. Кстати говоря, Джинс в своих работах рассматривал именно тепловые флуктуации как затравочные центры гравитационной неустойчивости.

Не представляет особенной сложности оценить величину чисто тепловой флуктуации плотности, в системе из N частиц. Это может быть стакан воды, атмосфера, район Вселенной, содержащей число частиц, соответствующее, к примеру, числу частиц в нашей Галактике (≈ 10⁶⁸). Поскольку для любой термодинамической системы относительное значение флуктуации плотности равно просто 1/√N, то для N = 10⁶⁸ относительная величина теплового возмущения плотности равна 10^–34.

Пора, наконец, сказать, что относительная величина возмущения плотности определяется как (ρ_φ – ρ_c)/ρ_c, где ρ_φ — плотность в районе возмущения, а ρ_c — средняя плотность среды. Итак, тепловые флуктуации дают очень небольшие отклонения от средней плотности среды. Но теория Лифшица требует, чтобы в момент времени, равный одной секунде после Большого Взрыва, во Вселенной существовали начальные возмущения, относительная величина которых никак не меньше 10^–17. Как мы видим, разница здесь огромная.

Казалось бы, что такое 10^–17? Очень маленькая величина. Но в то же время она на 17 порядков превышает значение чисто тепловых флуктуаций. И именно вопрос о том, какие процессы в ранней Вселенной могли привести к появлению флуктуаций требуемой величины, мучает теоретиков уже многие годы.

Число нерешенных проблем в этой области как туман закрывает от нас таинство происхождения галактик. Разумеется, картину нельзя назвать уж совсем безрадостной. Общий подход здесь более или менее ясен. Были малые начальные флуктуации, работала гравитационная неустойчивость, и на небе астрономы отчетливо видят галактики. Нужно лишь проследить и описать в рамках какой-то разумной теории всю эту картину. Но когда теоретики пытаются прийти к общей точке зрения по поводу ключевого вопроса в этой проблеме, вопроса о начальных возмущениях, выросших впоследствии в галактики, в их лагере сразу же появляются противоречия и споры не утихают по сегодняшний день.

Нынешнее время в теории образования галактик — эпоха поиска; окончательной, завершенной картины нет, есть только наброски. Но и по этим наброскам мы вправе попытаться представить себе общий ход событий, помня, разумеется, что наши сценарии будут в значительной мере предварительными. Ведь даже вопрос о том, с каких образований — крупных или небольших — началось структурирование мира, решается разными учеными совершенно по-разному.

А вопрос этот принципиальный. Ведь наблюдательные данные достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в необозримых просторах Вселенной галактики образуют огромные космические соты — сверхскопления, окружающие гигантские «черные области» — пустоты.

Возникновение подобных структур требует наличия очень больших начальных изолированных масс: 10¹⁵–10¹⁶ М. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно. Сжатие первоначального объекта начинается в эпоху отделения излучения от вещества (когда излучение перестает взаимодействовать с веществом). Исчезновение давления излучения приводит к развитию гравитационной неустойчивости, которая «подтягивает» вещество к области повышенной плотности.

Расчеты показывают, что сжатие вещества будет анизотропным. Если, к примеру, сначала исходный объект имел форму куба, то впоследствии он сожмется в пластинку. Такую пластину авторы модели назвали «блином».

Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и наконец в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверхскопление галактик, имеющее уплощенную форму.

«Блинная» модель, или, точнее сказать, теория, не свободна от недостатков. Она находится в противоречии с данными наблюдательной астрономии. Ведь исходные возмущения должны быть по этой теории столь велики, что современные способы оценки флуктуаций реликтового фона обязаны были бы зарегистрировать соответствующие отклонения в температуре. Однако этого не случилось. И поэтому для спасения блинной теории необходимо предположить, что плотность Вселенной была выше, чем думали ранее.

Сталкивающиеся галактики.

На роль спасителей теории блинов претендуют сейчас нейтрино, поскольку, как мы знаем, есть указания на то, что их масса покоя не равна нулю, или какие-то пока ненаблюдаемые частицы. С учетом массивных нейтрино теория блинов совмещается с наблюдениями реликтового излучения. Авторы теории надеются к концу XX века завершить построение общей теории.

Существуют, однако, и другие подходы к проблеме структурирования. Теория блинов оперирует лишь со сверхструктурой Вселенной, не отвечая на вопрос о происхождении более мелких образований — галактик. А ведь нас в первую очередь интересует именно это. Для решения этого вопроса придется снова вернуться к массе Джинса.

Тщательный анализ эволюции возмущений плотности различных типов в ранней Вселенной показывает, что ко времени рекомбинации остается два выделенных масштаба масс: 10⁶ и 10¹² солнечных масс. Случайно ли то обстоятельство, что массы шаровых скоплений составляют около миллиона солнечных масс, а массы наиболее массивных галактик и небольших скоплений приближаются, в свою очередь, к величине 10¹² М.

Безусловно, этот факт заслуживает внимание. Соответственно, появилась очередная космогоническая гипотеза, согласно которой из первичных возмущений с массой 10⁵–10⁶ М возникло «все» — и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. В этой теории существенно то обстоятельство, что масса исходного сгустка сравнима с массой Джинса. Поэтому силы давления также сравнимы с силами гравитации.

Гигантская галактика.

Процесс сжатия здесь отличается от случая, когда гравитация полностью преобладает над давлением. Сжатие такого сгустка не может привести к образованию блина, так как давление сглаживает любую анизотропию. Поэтому первичные объекты, образовавшиеся в результате сжатия сгустков вещества с массой 10⁵ солнечных масс, сферически симметричны. Они сразу фрагментируют на звезды, образуя шаровое скопление. Затем отдельные шаровые скопления при взаимодействии друг с другом собираются в галактики, а галактики, в свою очередь, образуют скопления.

Все это многообразие трудностей и нерешенных вопросов требует развития новых методов наблюдений. Более тридцати лет назад, выступая на Дарвиновских чтениях, Э. Хаббл сказал: «Что касается будущего, то можно проникнуть в пространство еще глубже, проследить красное смещение еще дальше назад во времени, но мы уже вступили в область уменьшения отдачи: инструменты будут стоить все дороже и дороже, а достижения возрастать все медленнее и медленнее… Но, возможно, позднее, когда военные ассигнования можно будет передать ученым, более счастливое поколение сможет возобновить наступление на пространство.

…Из нашего дома на Земле мы вглядываемся в даль, стараясь представить себе, каков мир, в котором мы были рождены. Сегодня мы уже далеко проникли в космическое пространство. Но чем больше расстояния, тем меньше мы знаем, и пока на едва различимой линии горизонта, среди едва уловимых ошибок наблюдений мы отыскиваем вряд ли более заметные, чем эти ошибки, „межевые столбы“. Но эти поиски будут продолжаться. Стремление к познанию старше истории. Оно безгранично и неодолимо». Слова эти не потеряли своей актуальности и сегодня.

Свойства галактик

Посмотрим теперь на некоторые свойства галактик, на их характерные особенности. Как мы уже говорили, Хаббл думал, что его камертонная диаграмма отражает эволюционный путь галактик. При этом он руководствовался гипотезой Джинса, согласно которой эллиптические галактики представляли собой гигантские газовые туманности. С течением времени туманность, охлаждаясь, сжималась и вращалась все быстрее, проходя последовательно все стадии от Е0 до Е7. При достижении определенной скорости вращения на экваторе туманности начиналось истечение материи в виде спиральных струй, в которых конденсировались звезды. Таким образом, туманность проходила весь путь по камертонной диаграмме, превращаясь в спиральные звездные системы.

Сегодня нам хорошо известно, что эллиптические образования во Вселенной не туманности, а звездные системы. Вопрос эволюции уже образовавшихся звездных систем — галактик заставляет нас обратить внимание и на их вращение, взаимодействие друг с другом, причины морфологических различий и т. д.

Одним из достаточно сложных и интересных вопросов является проблема очень широкого диапазона масс галактик. Для объяснения этой проблемы можно предположить, что определенную роль в образовании галактик играла не только газовая фрагментация, но и объединение, слияние первичных галактик. Однако вопрос о том, что образуется раньше: галактики или их скопления, непонятен до сих пор.

Галактика сомбреро.

Различия в морфологии галактик проявляются очень отчетливо. Многие имеют довольно выпуклую округлую форму, например, эллиптические. Такие галактики нередко концентрируются в богатых скоплениях, проявляя тягу к коллективизму. Для спиральных галактик характерно более индивидуальное поведение, они распределены во Вселенной более однородно и несколько шире распространены, чем галактики других типов. Какие причины могли привести к подобным различиям?

В качестве одного из возможных механизмов ученые рассматривают слияние галактик. Этот процесс был промоделирован на ЭВМ. Результаты оказались чрезвычайно интересными.

В процессе слияния двух галактик поначалу образуется объект совершенно неправильной формы. Но затем эти неправильности сглаживаются, и в результате образуется массивная галактика эллиптической формы. Процесс этот довольно быстрый (по космическим масштабам, конечно), он занимает «всего» несколько сотен миллионов лет. Можно думать, что эллиптические галактики — продукт столкновений протогалактик в скоплениях, а спирали образовались вне скоплений. Такова одна из возможных точек зрения.

Спиральная галактика NGS 891.

Интересно, что эллиптические галактики не бывают сильно сплюснуты. В экстремальных случаях у галактик класса Е7 сплюснутость достигает 3:1. Это, по всей видимости, связано с неустойчивостью вращающейся системы с большим значением сплюснутости. В результате такой неустойчивости может образоваться дискообразная структура, которая постепенно будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением подобной точки зрения служит в известной мере наличие галактик класса S0. Это сильно уплощенные системы, занимающие промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.

Когда мы говорили о процессе слияния галактик, мы упомянули лишь о численном машинном эксперименте, подтверждающем возможность подобного механизма. Однако природа обладает здесь куда более впечатляющими иллюстрациями. Хорошо известно, что в скоплениях галактик присутствуют иногда гигантские галактики, радиус которых достигает миллиона световых лет. Такие образования в 100 раз могут превышать по массе и светимости нашу собственную Галактику, которая, как мы знаем, сама относится к категории гигантских.

В скоплениях галактик присутствует, как правило, лишь один такой сверхгигантский компонент — галактика-монстр. Каково же ее происхождение?

Скажем прямо, механизм ее роста не совсем привлекателен с человеческой точки зрения, — это самый натуральный каннибализм. В чем же здесь дело? Поначалу галактика-каннибал лишь ненамного превышает по размерам соседние. Но по мере движения по спиральной траектории к центру скопления эта галактика заглатывает более мелкие системы. Мелкие галактики, обреченные на съедение галактикой-каннибалом, называют «миссионерами».

Конечно, подобные процессы наблюдаются не в каждом скоплении галактик. Иногда взаимодействие галактик может иметь характер лобового столкновения. При таком столкновении центральные области одной из галактик — участниц катастрофы — могут быть выброшены наружу. В результате образуется кольцевая структура, представляющая собой неустойчивую, короткоживущую систему. Астрономам известно несколько кольцевых галактик.

Здесь у читателя может возникнуть вполне уместный вопрос. Ведь хорошо известно, что галактики разлетаются друг от друга вследствие общего космологического расширения Вселенной. О каких же столкновениях может идти речь?

Ключ к пониманию этих процессов лежит в поведении, во взаимодействии отдельных частей гравитационно связанных систем. Наиболее наглядный пример в этом плане представляет собой наша Солнечная система, которая никак не реагирует на общее космологическое расширение. То же самое характерно и для звезд внутри нашей Галактики. Именно поэтому, если какие-то системы связаны гравитационно, они остаются в пространственной близости друг от друга.

Разумеется, закон всемирного тяготения описывает гравитационное взаимодействие на любых расстояниях. И в принципе любые системы во Вселенной гравитационно связаны между собой, в том числе и галактики, которые разбегаются друг от друга. Все дело в том, что в достаточно тесных, компактных по космическим масштабам образованиях, конечно, может существовать достаточно сильное гравитационное взаимодействие, определяющее собственную динамику поведения системы.

Так, например, наш Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы облака, Галактика Андромеды со своим спутником и ряд других небольших галактик-спутников образуют группу галактик, называемую Местной группой, или Местной системой галактик. (Небольшие группы галактик — обычное явление в космосе. Типичная группа может содержать несколько десятков галактик.)

Не только динамика взаимодействия галактик друг с другом заставляет вспомнить общее космологическое расширение. Существует еще одно немаловажное обстоятельство, связанное со строением галактик, которое может самым радикальным образом повлиять на характер расширения Вселенной. Что здесь имеется в виду?

В спиральных галактиках звезды, находящиеся в диске, обращаются вокруг общего центра масс. Движение этих звезд, а в общем случае не только звезд, но и пыли и газа, точно так же как и движение планет в Солнечной системе, определяется законом всемирного тяготения. Действительно, на стабильной орбите сила тяготения равна центробежной силе:

GM_rm/r² = mV_r²/r,

где M_r — масса, заключенная в пределах от 0 до r, V_r — орбитальная скорость массы m. Если масса сосредоточена в центре, то изменение скорости происходит по закону 1/√r, то есть по хорошо известному закону Кеплера.

Обычно в галактиках максимум яркости приходится на центр, а к периферии яркость быстро падает. Долгие годы астрономы полагали, что яркость пропорциональна массе, и поэтому масса, как и яркость, также уменьшается с расстоянием от центра Галактики. В этом случае вполне естественно было ожидать, что орбитальные скорости звезд должны меняться по закону Кеплера, другими словами, уменьшаться с увеличением расстояния от центра Галактики.

В последнее время выполнены тщательные наблюдения вращающихся дисков многих спиральных галактик. Эти наблюдения принесли поистине сенсационные результаты. Оказалось, что в удаленных от центра галактик районах скорость вращения не уменьшается по мере увеличения радиуса. Более того, в ряде случаев она увеличивается. Не нашлось буквально ни одной сколь-либо протяженной области внутри изученных галактик, в которой скорость вращения уменьшалась бы с увеличением расстояния от центра. Но, поскольку закон всемирного тяготения незыблем, этот факт может означать лишь одно: масса в отличие от яркости отнюдь не концентрируется к центру спиральных галактик.

И это еще не все. В галактиках есть невидимая масса, корректирующая скорости орбитальных движений. По всей видимости, спиральные галактики окружены мощной сферической короной невидимого вещества, причем размеры этой короны простираются далеко за пределы видимого диска галактик. Судя по всему, именно существование этого невидимого вещества и его гравитационное притяжение препятствуют уменьшению скорости вращения с увеличением расстояния от центра.

Косвенные указания на присутствие в нашей Галактике значительной невидимой массы были замечены около тридцати лет назад знаменитым голландским астрономом Я. Оортом, в честь которого назван кометный резервуар, находящийся на расстоянии более ста тысяч астрономических единиц от Солнца (знаменитое облако Оорта). Оорт оценил массу звезд и газа, которая требуется для стабилизации звезд, сферической составляющей нашей Галактики — «гало».

Сейчас, после недавних измерений кривой вращения многих спиральных галактик, оказалось, что наличие в них большой невидимой массы — повсеместное явление в космосе. Массивная корона невидимой материи может распространяться в некоторых случаях на величину до трех радиусов диска. Если включить (а это совершенно необходимо) корону в картину общей морфологии нашей Галактики, то окажется, что наше Солнце и, соответственно, Солнечная система расположены отнюдь не на периферии Галактики, как считалось совсем недавно.

Но это не самый важный вывод из наблюдений. Самое главное в том, что невидимая масса вполне может остановить расширение Вселенной. Мы помним, что значение критической плотности во Вселенной, то есть такой плотности, при которой Вселенная становится замкнутой и ее расширение рано или поздно сменится сжатием, составляет ρ_кр ≈ 10^–29 г/см³. Для достижения ρ_кр плотность невидимого, ненаблюдаемого вещества должна примерно в 70 раз превышать плотность светящейся материи. Когда астрономы начали подсчитывать значение невидимой массы, оказалось, что оно может в некоторых случаях при переходе к все большим и большим системам, достигать значений, близких к критическим.

Конечно же, следует учитывать то обстоятельство, что здесь степень нашего незнания определяется отсутствием информации о том, какая доля массы спиральных галактик недоступна сейчас для наблюдений. Вопрос о том, что представляет собой эта невидимая масса, также нельзя считать решенным. Ненаблюдаемая материя может быть представлена несостоявшимися звездами — гигантскими планетами типа Юпитера, а может быть, блуждающими планетами еще большей, чем Юпитер, массы. Быть может, это черные дыры. Наиболее «удобный» на сегодня кандидат — нейтрино, обладающие массой покоя, или гипотетические тяжелые частицы — монополи, фотино, гравитино. Многие из этих экзотических частиц могли в принципе дожить со времени начала Большого Взрыва и до наших дней (в том случае, конечно, если они устойчивы). Итак, мы видим, что кропотливое и тщательное изучение галактик дает материал исключительной важности для решения глобальных проблем космологии.

Галактики задают вопросы

При исследовании галактик всегда возникает великое множество самых различных загадок. Возьмем, к примеру, Большое Магелланово Облако. Расположенное далеко на южном небе, недоступное для телескопов северного полушария, оно давно привлекает внимание наблюдателей-астрономов. Магеллановы Облака были впервые описаны во время первого кругосветного путешествия. Это самые близкие к нам галактики, с обильным и широким составом объектов. Интересно, что в некоторых случаях наблюдения удобнее проводить не в нашей Галактике, а в Магеллановых Облаках, поскольку наблюдениям, производящимся в направлении главной плоскости Галактики, мешает расположенная там темная пылевая материя. В то же время направления на Большое и Малое Магеллановы Облака составляют углы 33° и 45° с плоскостью Галактики. Следовательно, поглощение света пылевой материей не мешает наблюдениям.

Огромным «преимуществом» звезд Магеллановых Облаков по сравнению со звездами нашей Галактики является то, что, поскольку размеры Облаков малы по сравнению с расстояниями до них, все звезды Облаков можно считать расположенными на одном и том же расстоянии до нас. Именно это важное обстоятельство дало возможность в 1910 году разработать метод определения расстояний по изменению блеска цефеид.

В Большом Магеллановом Облаке очень много ярких молодых звезд. Там находится около 5 тысяч голубых сверхгигантов, каждый из которых светит ярче, чем 10 тысяч солнц. Но самый интересный объект находится в Большом Магеллановом Облаке, в созвездии Золотой Рыбы. В этом созвездии есть туманность Тарантул, а в ней объект R 136, который уже многие годы будоражит воображение астрономов и астрофизиков. Этот объект расположен около центра туманности. В видимой части спектра он светит в миллион раз сильнее, чем Солнце, а в ультрафиолете и того больше — в 50 миллионов раз. Если бы на месте самой близкой к нам звезды — проксима Центавра находился этот объект, он светил бы ярче, чем несколько лун.

В 1980 году удалось установить, что R 136 состоит из трех компонентов, и самый яркий из них был назван R 136а. Можно предположить, что R 136а — самая массивная из известных на сегодняшний день видимых звезд. Температура ее «поверхности» заключена в пределах 45 тысяч — 80 тысяч K. (Напомним, что «температура» поверхности нашего Солнца всего 6000 K.) Но это еще не все. Этот объект непрерывно теряет массу в результате истечения из него газа. Это так называемый звездный ветер. Но для объекта R 136а это уже не ветер — это звездный ураган: вещество удаляется от объекта со скоростью 3500 км/сек.

В 1983 году удалось выяснить, что R 136а состоит по крайней мере из четырех звездообразных объектов. Доминирующий объект был назван R 136а1. И здесь возник следующий очень важный вопрос: является ли R 136а1 одиночной звездой или же это скопление очень ярких звезд? Дело в том, что по астрономическим масштабам диаметр этого компонента совсем невелик — всего 24 световых дня (ближайшая к Солнцу звезда находится на расстоянии около 4 световых лет). Если это коллектив звезд, то тогда в сравнительно небольшой объем нужно затолкать около двух десятков массивных ярких звезд. Таких примеров мы не знаем.

Вообще ведь очень ярких звезд не так много, а звезд такого типа, как объект R 136а1, и того меньше. Известная на сегодняшний день максимальная концентрация ярких звезд — 4 звезды в объеме с линейным размером около 10 световых лет. А в случае с R 136а1 размеры намного меньше, а звезд больше. Так что в этом варианте трудности достаточно велики. Но они становятся еще больше, если предположить, что R 136а1 — отдельная самостоятельная звезда.

Еще примерно 60 лет назад английский астроном А. Эддингтон установил, что звезда определенной светимости не может иметь массу меньше некоторого определенного предела и оставаться при этом в равновесии. С другой стороны, сравнительно недавно Ф. Кан из Манчестерского университета показал, что существует верхний предел массы звезд, образующихся из газопылевых облаков. В работе Кана этот предел составил 40 солнечных масс. Но если R 136а1 — одиночная звезда, то ее масса должна быть заключена в интервале между 400 и 1000 солнечных масс.

Как и многие другие оценки, используемые в астрофизике, оценки Кана сильно зависят от заложенных в исходные данные параметров. При небольшом изменении параметров можно в принципе «получить» протозвезду с массой около 100 масс Солнца. Но эти расчеты, как и многие другие, не учитывают всех возможных факторов.

Для объяснения феномена туманности Тарантул привлекаются волнующие воображение процессы, как слипание звезд, находящихся в малом объеме пространства, и, конечно же, наличие черной дыры в этой туманности. Теоретики буквально спасают современную астрономию. Действительно, что было бы без черных дыр гравитонов, гравитино, массивных нейтрино, магнитных монополей? Число необъяснимых явлений в нашем мире было бы просто-напросто устрашающим, а так, всегда имея «в запасе» черную дыру или еще какой-либо экзотический объект, можно без труда объяснить самые сложные вещи.

Исследование галактик вносит вклад не только в космологию, но и в вопросы звездной эволюции. Объекты, подобные туманности Тарантул, нельзя считать уникальными. Так в галактике М 101 есть несколько туманностей, каждая из которых светит в пять раз сильнее, чем туманность Тарантул, причем светимость одной из них в 11 раз превышает светимость Тарантула.

Проявление активности в других галактиках принимает не менее впечатляющие формы, чем в Большом Магеллановом Облаке. В последнее время наблюдения с помощью радиотелескопов обнаружили новое удивительное явление, получившее название «космических выбросов». «Выброс» представляет собой довольно узкий поток плазмы из центра Галактики. Обнаруживается выброс по испускаемому им радиоизлучению, протяженность его достигает иногда миллионов световых лет.

Вообще говоря, выбросы были известны астрономам достаточно давно — в начале нынешнего столетия. Естественно, наблюдения можно было тогда проводить только в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Но лишь с введением в строй радиоастрономических обсерваторий и радиоинтерферометров было принципиально улучшено разрешение, что дало возможность изучать детали и структуру как самих выбросов, так и их источников. Действительно, разрешение, которое сейчас можно получить в радиодиапазоне, достигает тысячной доли секунды. Это соответствует поперечнику двадцатикопеечной монеты, рассматриваемой с расстояния около 4 тысяч километров. Ученые сегодня знают много примеров космических струй, но реальные механизмы, приводящие к образованию выбросов, неизвестны.

В южной части неба нашего северного полушария радиоастрономы давно изучают оптическую галактику NGC 5128, с которой связан Центавр Α — один из сильнейших радиоисточников на небе. Размеры этого радиоисточника огромны — около 3 миллионов световых лет. Если бы мы могли увидеть этот источник на небе, он выглядел бы как объект в 20 раз больше Луны.

Так вот, вещество, образующее эту гигантскую радиообласть, исторгается из центра галактики, словно струя из шланга. Интересно то, что струя односторонняя. Хотя природа любит симметрию, наблюдается несколько случаев односторонних выбросов из ядра. Причина подобной асимметрии неизвестна, однако попытки объяснения подобного явления существуют. Мы не будем сейчас о них говорить. Остановимся вкратце на вопросах о причинах высокой галактической активности.

Эллиптическая галактика NGC 5128.

Энергия радиообластей, окружающих активные галактики, может достигнуть 10⁶⁰ эрг. Чтобы получить такую величину, надо было бы превратить в энергию массу 10 миллионов звезд. Что касается конкретного случая активности NGC 5128, то здесь можно сказать следующее. Структура этой галактики нестандартна: она представляет собой как бы комбинацию эллиптической и спиральной структур. На камертонной диаграмме Хаббла мы не видим подобных гибридов. Причиной такого явления может служить уже обсуждавшийся нами галактический каннибализм. В данном случае эллиптическая галактика — каннибал, а спиральная — миссионер. Поглощенный в процессе каннибализма материал может быть топливом для источника в ядре галактики.

Но что же происходит в самом источнике, какой механизм может обусловить возникновение огромных выбросов?

Читатель, по-видимому, уже догадался, что и здесь дело не может обойтись без черной дыры, расположенной в центре оптической галактики. Если принять, что КПД источника по превращению массы в энергию равен 10 процентам, то для обеспечения деятельности источника достаточно превращать в энергию ¹/₁₀ массы Солнца в год. Топливом для источника могут служить газовые облака, падающие на ядро. Нельзя исключить того, что источник разрывает звезды, которые расположены вблизи ядра галактики, и «заглатывает» их.

Здесь очень важными являются принятые цифры величины коэффициента полезного действия источника, 10-процентный коэффициент полезного действия по превращению массы в энергию никак не может быть обеспечен термоядерными реакциями, эффективность которых менее 1 процента. Кроме того, термоядерные реакции сопровождаются тепловым излучением. Однако данные наблюдений свидетельствуют о том, что Центавр Α генерирует нетепловое синхротронное излучение.

Итак, объяснить активность ядра NGC 5128 простыми аргументами не удается. Поэтому в качестве возможного источника рассматривается вращающаяся черная дыра с массой порядка миллиарда солнечных масс. Такая дыра могла бы объяснить многие особенности возникновения космических выбросов. Ведь вокруг черной дыры образуется так называемый аккреционный диск. Он может иметь форму бублика, в середине которого находится черная дыра. Тогда часть падающего газа, проходя близко от черной дыры, будет выброшена вдоль оси ее вращения давлением излучения, идущего с внутренней поверхности аккреционного диска. Таким образом диск будет разгонять частицы и образовывать пучок материи.

Не следует думать, что лишь центр галактики NGC 5128 представляет специальный интерес для астрономии. Это не так. Не меньше загадок содержит центр нашей собственной Галактики, о которой, кстати говоря, мы почти совсем не упоминали.

Наша Галактика

Гигантская спиральная система, называемая Млечным Путем, входит в Местную систему и является одной из самых больших галактик системы. Вторая крупная галактика — знаменитая туманность Андромеды (Галактика М31 по каталогу Ш. Месье, или по новой классификации NGC 224). Первые представления о Млечном Пути как об отдельной звездной системе сложились в результате выдающейся работы Гершеля, но лишь в 20-х годах нашего века, когда выяснилось, что существуют другие гигантские звездные системы, находящиеся на огромных расстояниях от Млечного Пути, стала окончательно очевидна обособленность нашей Галактики, стал ясен факт, что Галактика — лишь один из бесчисленного количества окружающих нас звездных миров. Вскоре после этого, в 1924–1926 годах обнаружили вращение Галактики, а в 1944-м два типа звездных населений в Галактике. Что это значит?

Звезды отличаются не только по массе и светимости, но и по возрасту. Наиболее старые звезды обеднены тяжелыми элементами. Молодые же по сравнению со старыми обогащены элементами тяжелее гелия. Так вот, оказалось, что звезды, расположенные в плоскости диска Галактики, сравнительно молоды; к их числу от носится наше Солнце.

Кстати, Солнце и Солнечная система расположены не просто в диске, а вблизи плоскости симметрии диска. Существующие оценки показывают, что расстояние между Солнцем и этой плоскостью не превышает 10 парсек, а расстояние до центра Галактики составляет около 10 килопарсек. Звезды же, принадлежащие гало, имеют более солидный возраст, и содержат гораздо меньше тяжелых элементов. Галактическое гало (сферическая часть Галактики) образовано шаровыми скоплениями — компактными группами, содержащими сотни тысяч звезд.

Схематическое изображение положения Солнечной системы в Галактике.

Лишь в начале 50-х годов было подтверждено предположение о спиральной структуре нашей Галактики.

В мире галактик наш Млечный Путь занимает отнюдь не последнее место. Это гигантская галактика с диаметром диска около 100 тысяч световых лет и толщиной около 30 тысяч световых лет. Масса видимого вещества в Галактике оценивается в 1,5 · 10¹¹ солнечных масс. Но, несмотря на впечатляющую величину массы Млечного Пути, еще большая масса невидимого вещества содержится в короне Галактики. Эта масса оценивается примерно в 10¹² масс Солнца.

Млечный Путь.

Галактика чрезвычайно напоминает живой организм. Она обладает своим внутренним обменом веществ — космическим метаболизмом. Различные объекты Галактики тесно связаны между собой и находятся в процессах непрерывного взаимодействия. Это взаимодействие отчетливо прослеживается на всех уровнях иерархии отдельных систем Галактики.

Чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров. Звезды рождаются из массивных газопылевых облаков. В процессе эволюции звезда «нарабатывает» в своих недрах новые элементы. Если в дальнейшем она взрывается в виде сверхновой, эти элементы включаются уже в состав новых звезд.

Сами звезды производят снова газ и пыль, которые поставляются ими в межзвездную среду. Это сильно напоминает школьное выражение о «круговороте веществ в природе». Процесс рождения звезд зависит, например, и от космических лучей, а космические лучи, в свою очередь, производятся сверхновыми.

Что собой представляют космические лучи? Это заряженные частицы очень высоких энергий. Они приходят на Землю в достаточной мере изотропно, то есть примерно в одинаковых количествах со всех направлений. Оценки показывают, что, в принципе, космические лучи не должны долго задерживаться в Галактике. Ведь их скорость близка к скорости света, и поэтому, если бы им ничто не мешало, они покинули пределы Млечного Пути достаточно быстро, за время порядка 100 тысяч лет. На самом же деле они путешествуют в Галактике гораздо больший промежуток времени — около десяти миллионов лет.

Что же меняет столь радикальным образом характерное время пребывания космических лучей в Галактике? Ответ более или менее очевиден: крупномасштабное галактическое магнитное поле. Доказательством тому служит синхротронное радиоизлучение электронов космических лучей, приходящее к нам из районов Галактики, не связанных ни с облаками межзвездного газа, ни с какими-либо другими дискретными радиоисточниками. Таким образом, и космические лучи, и магнитные поля — составные элементы нашей Галактики.

Чрезвычайно важной компонентой Галактики является межзвездная среда. В основном это газ и пыль. Газ — межзвездный водород — можно наблюдать по излучению на волне 21 сантиметр. Он сконцентрирован в тонком диске, образованном молодыми звездами, и образует отдельные облака. Интересно, что некоторое количество газа обнаружено вне диска. Водород может присутствовать как в атомарной, так и в молекулярной форме.

Гигантские молекулярные облака содержат в форме молекулярного водорода H₂ значительную часть массы межзвездного газа в нашей Галактике. Их характерный размер составляет 20–30 парсек, а иногда и того больше. Солнечная система просто потерялась бы внутри такого облака. Его масса в сотни тысяч раз превышает массу Солнца. Таким образом, гигантские облака молекулярного водорода являются наиболее массивными изолированными объектами в Галактике. Неудивительно, что они могут играть особую роль в ее динамике.

Удивительно скорее другое обстоятельство. Ведь вещество облака — молекулярный водород — практически невидимо, и большая часть сведений о нем получена весьма косвенным образом, по данным радиоизлучения входящего в состав облака молекул угарного газа на длине волны 2,6 миллиметра. Именно поэтому острые дискуссии относительно точного значения массы облаков, их размеров, причин образования и т. д. не утихают и по сегодняшний день, а разногласия между оценками, сделанными различными группами исследователей, весьма значительны. К тому же стоит отдельно подчеркнуть, что происхождение гигантских облаков до сих пор остается загадкой.

Скажем прямо — это отнюдь не единственная загадка. Массу проблем ставит перед астрономами и центр Галактики. Положение осложняется тем, что центральная область Млечного Пути скрыта от нас второй важной компонентой межзвездной среды — пылью. Она настолько сильно поглощает в оптическом диапазоне (до 30^m), что наблюдения здесь практически невозможны. Поэтому астрономы используют данные о центрах других, похожих на нашу галактик для оценок звездного состава центра Млечного Пути. Тем не менее информацию о центральных областях астрономы могут все-таки получить, исследуя эти районы в инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазоне.

Мы уже говорили о том, что центры галактик проявляют различные формы активности, и наша Галактика не является исключением. Центральные области Галактики можно подразделить на три характерные зоны.

В зоне, имеющей радиус около 4 килопарсек, наиболее интересно резкое падение плотности газа. Образуется своего рода «дырка» в газовом диске Галактики.

На расстоянии от центра в 600–700 парсек проходит «граница» очень интересного района, который принято называть звездным балджем (от английского слова bulge — выпуклость). Эта область напоминает собой и по «форме» и по «содержанию» небольшую эллиптическую галактику, вкрапленную в центр Млечного Пути. Так же как эллиптические галактики, балдж содержит в основном старые звезды, возраст которых существенно больше среднего возраста звездного населения диска.

Как я уже говорил, наблюдение центрального района Млечного Пути в оптическом диапазоне сильно затруднено, и поэтому приходится изучать балджи других спиральных галактик. В нашей Галактике балдж проявляет себя по инфракрасному излучению. Основной вклад в это излучение вносят красные гиганты. Оценки дают значение массы балджа примерно в 30 миллиардов солнечных масс.

Наиболее загадочная область Галактики — центральный парсек. По космическим масштабам эта область невелика, но здесь наблюдаются аномалии, не имеющие пока удовлетворительного объяснения. К примеру, там находится «мини-спираль» — необычный источник радиоизлучения диаметром всего в 12 световых лет, а также другой быстропеременный компактный радиоисточник с периодом порядка нескольких минут. Этот источник расположен точно на оси вращения Галактики.

В том же направлении находится совершенно необыкновенный объект, уникальный источник, излучающий узкую линию, соответствующую аннигиляции электронов и позитронов!

Там же расположен точечный рентгеновский источник переменной интенсивности.

Объяснить наличие всех этих источников в сравнительно маленькой области пространства довольно трудно, и здесь, как обычно, на помощь приходят черные дыры. Я специально употребил здесь множественное число, поскольку одной дыры для объяснения всех чудес в центре нашей Галактики не хватает.

По модели Н. Кардашева, в центре Галактики должна находиться пара черных дыр, причем масса каждого из компаньонов порядка миллиона солнечных масс. Наличие такой пары дает возможность объяснить природу и параметры компактного радиоисточника и загадочной аннигиляционной линии.

В модели Кардашева вращательная энергия черной дыры преобразуется в конечном счете в энергию пучков релятивистской электронно-позитронной плазмы, направленных вдоль осей вращения черных дыр. Наблюдаемые по соседству с центральным парсеком облака атомарного водорода в рамках этой модели могут быть остатками звезд, разрушенных при взаимных столкновениях или разорванных приливными силами черных дыр. Облака эти были выброшены из области центрального парсека благодаря эффекту пращи.

Согласно альтернативным моделям центрального парсека там сравнительно недавно произошел взрыв сверхновой в массивной двойной системе. Остаток после взрыва также может быть источником позитронов, аннигиляция которых и дает наблюдаемую линию.

Перейдем теперь к проблемам, связанным с вращением Галактики. Для начала попытаемся объяснить происхождение этого вращения. Согласно наиболее популярной точке зрения на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больших размеров, чем нынешние галактики. Кроме того, космологическое расширение не успело разогнать их далеко друг от друга, и поэтому в эпоху образования протогалактикам в ранней Вселенной было довольно тесно. В этой ситуации приливные взаимодействия могли вызвать вращение галактик, причем, когда мы рассматриваем для простоты взаимодействие двух галактик, они приобретают одинаковые угловые моменты, направленные в противоположные стороны. Поскольку угловой момент — величина сохраняющаяся, то при падении вещества к центру галактик их вращение все время увеличивается. В какой-то момент времени падение вещества к центру прекращается и скорость вращения галактик стабилизируется.

Спиральная галактика M51.

Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть материи Галактики вращается дифференциально. Поясним, что это такое. Хорошим примером дифференциального вращения служит вращение планет вокруг Солнца. Они движутся по своим орбитам согласно закону всемирного тяготения, и каждой планете «совершенно безразлично», как и по какой орбите двигается другая (конечно, достаточно далекая планета).

Есть другой тип вращения — твердотельный. Здесь уже картина совершенно другая. Пример твердотельного вращения музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. Здесь угловая скорость вращения для любой точки диска одинакова.

В Галактике твердотельно вращается лишь некоторый участок диска, в котором линейная скорость возрастает пропорционально радиусу. Соответственно, мы можем сказать, что эта область Галактики вращается твердотельно с постоянной угловой скоростью. За этим участком начинается дифференциальное вращение, и скорость вращения здесь уменьшается с увеличением расстояния от центра.

Самым примечательным процессом в проблеме вращения является движение спиральных рукавов. В них содержится значительное количество газа и пыли, в них происходят интенсивные процессы звездообразования, молодые звезды здесь встречаются чаще, нежели в других областях Галактики. Но как и почему возникает спиральная структура в галактиках?

Спиральная галактика с перемычкой.

Этот вопрос интересует астрономов более 50 лет. Еще в 1928 году Джинс писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно неизвестные нам силы, быть может отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства.

Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер сингулярных точек. В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя».

Сейчас, более чем через полвека после написания этих слов, мы знаем, что действительно в центрах Галактик могут находиться сингулярные точки — черные дыры, что они могут по крайней мере перерабатывать материю. Ф. Хойл также полагал, что в ядрах галактик рождается и впоследствии истекает оттуда материя, из-за чего и образуется в результате спиральная структура.

Сравнительно недавно известный советский астроном Б. Воронцов-Вельяминов пришел к выводу о том, что для объяснения многообразия всех структур галактик необходимо вводить некие новые, неизвестные физике типы взаимодействий.

Конечно же, неортодоксальные гипотезы существуют всегда. Даже когда какая-либо теория становится канонической, общепризнанной. Ну а когда ситуация в целом ясна еще не до конца, то попытки решения вопросов с помощью «первых принципов» и неортодоксальные модели долгое время идут параллельными курсами.

Тем не менее в последние годы оптимизм астрофизиков в вопросе спиральной структуры галактик, ее происхождения и эволюции сильно возрос. Это связано в первую очередь с появлением идеи о волнах плотности, распространяющихся по галактическому диску, и процесс распространения представляет собой как раз твердотельное вращение спиральных рукавов.

Попробуем разобраться в этом вопросе несколько подробнее.

Прежде всего отметим, что спиральных галактик очень много — порядка 70 процентов от всех наблюдаемых галактик. Во многих случаях удалось выявить прямую связь между такой важной характеристикой спирального узора, как степень закрученности в зависимости от видимого распределения массы в галактике. Оказалось, чем сильнее сосредоточено вещество к центру галактики, тем сильнее закручены спиральные рукава. Чем массивнее сама галактика в целом, тем более развита в ней спиральная структура.

Выраженная спиральная структура присутствует в галактиках с твердотельным вращением, в галактиках с перемычкой, в галактиках, имеющих близкий спутник. Таким образом, спиральные рукава — явление, широко распространенное в мире галактик.

Любая теория спиральной структуры должна ответить, как минимум, на два основных вопроса: почему в некоторых галактиках наблюдается ярко выраженный спиральный узор и почему этот узор существует довольно долго, выживает на протяжении многих оборотов Галактики, несмотря на разрушающее воздействие дифференциального вращения? С наибольшей полнотой на эти вопросы ответила теория волн плотности. Что это такое?

Волна плотности — состояние уплотнения материи, распространяющееся по диску Галактики. Это состояние не переносит за собой материю, не тащит ее за собой, а просто вовлекает «в игру» по мере своего распространения новые и новые участки диска, волна переходит от одних частиц (звезд!) к другим, создавая уплотнение в новом месте. Так, волной плотности является любая звуковая волна. Она распространяется в материальной среде, создавая по мере движения уплотнения в различных участках среды, но не увлекает за собой частицы среды.

Если бросить камень в воду, мы увидим на поверхности воды кольцевые волны. Но если размешивать сахар в стакане с чаем ложечкой, то каждый может наблюдать возникновение спиральных структур. Примерно то же самое происходит в галактических дисках.

Несмотря на то, что диск, по крайней мере часть его, вращается дифференциально, спиральный узор всегда вращается с одной и той же угловой скоростью — твердотельно. Теоретический анализ показал, что если спиральные рукава — волны плотности, то они должны быть достаточно устойчивыми образованиями.

Концепция волн плотности приводит к целому ряду очень интересных последствий.

Первое из них состоит в следующем. Волна создает уплотнение в распределении звезд диска, а гребни волны имеют форму спиральных рукавов. Но изменение плотности в гребне волны не сильно отличается от средней плотности распределения звезд в диске. Этот контраст плотности вообще нельзя было бы заметить на фотографиях, если бы звезды в рукавах были такими же, как и в диске. Однако в кромках спиральных рукавов происходит интенсивное звездообразование и там присутствуют молодые звезды, которые на начальной стадии своей эволюции гораздо более ярки, чем большинство звезд диска. Высокая скорость превращения газа в звезды может быть связана со сверхзвуковыми течениями межзвездного газа через рукав. Из-за этого на входе газа в рукав, то есть на кромке рукава, образуются ударные волны, всегда появляющиеся при переходах к сверхзвуковым процессам. В ударной волне газ сильно сжимается, и это может служить началом процесса звездообразования.

Второе интересное следствие, вытекающее из концепции ударных волн, было отмечено советским астрономом Л. Марочником. Он подметил, что Солнечная система в Галактике находится в выделенном, исключительном положении. Исключительность состоит в том, что скорости вращения волны плотности в месте расположения Солнца на радиусе диска и скорость вращения Солнца по галактической орбите примерно равны. Это означает, что Солнце расположено вблизи так называемого коротационного круга, на котором выполняется условие равенства скоростей твердотельного и дифференциального вращения. Очевидно, что в каждой галактике есть лишь один коротационный круг, который является в ней выделенным местом. Солнце вращается почти синхронно с волной плотности, и это должно было создать специальные условия для эволюции протосолнечного облака.

В зоне круга коротации условия звездообразования, разумеется, отличаются от упомянутых выше. Галактических ударных волн там практически нет, и досолнечное облако поэтому находится в течение всего своего времени жизни в рукаве в спокойных стационарных условиях. Можно показать, что в силу малого отличия в скоростях вращения между Солнцем и рукавами досолнечное облако могло лишь один раз находиться в рукаве. Второй раз пересечь рукав Солнечная система еще не успела. В настоящее время она находится между двумя спиральными рукавами нашей Галактики — Персея и Стрельца.

Галактика NGC 7217 в созвездии Пегаса.

Конечно же, расположение Солнца в специфических условиях близости к коротации может быть чисто случайным и не иметь непосредственного отношения к формированию Солнечной системы со всеми ее особенностями и, в частности, с наличием разумной жизни в Солнечной системе. Однако, если это вещь не случайная, то системы, подобные Солнечной, могут образовываться в нашей и в других галактиках именно около коротационного круга, где их стоит, быть может, поискать.

На этом мы и закончим весьма краткий обзор некоторых свойств нашего Млечного Пути. Я старался здесь отметить лишь наиболее интересные вещи, Галактики сейчас привлекают больший интерес астрономов, чем звезды. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, в общих чертах свойства звезд уже понятны к сегодняшнему дню, а, с другой стороны, ввод в строй новой астрономической техники приносит все новую и часто загадочную информацию о галактиках. Физика галактик, как мы уже видели, тесно связана с космологическими проблемами, эволюцией и строением звезд, межзвездной средой. В этой области наблюдается чрезвычайно быстрый прогресс, однако до построения общей стройной теории происхождения и эволюции галактик еще далеко.

Ядра галактик

В заключение этой главы мне хотелось бы еще раз вернуться к проблеме активности галактических ядер, поскольку эта проблема в ряде случаев тесно связана с, быть может, самыми интересными и загадочными объектами Вселенной — квазарами.

В той или иной степени радиоизлучательная активность свойственна всем галактикам, и, главным образом, именно по активности в радиодиапазоне удается оценить энергетику процессов, происходящих в ядрах галактик. Есть, однако, и исключения.

В 60-х годах нынешнего столетия небольшая часть радиоисточников на небе была надежно отождествлена со звездами. Астрономам этот результат показался удивительным, поскольку до этого отождествления было хорошо известно, что космические источники радиоизлучения всегда соответствовали либо галактикам, либо туманностям, образовавшимся при вспышках сверхновых звезд. Мы уже говорили о том, что, к примеру, мощность радиоизлучения источника Лебедь-Α в 10²⁸ раз превосходит интенсивность радиоизлучения Солнца. Но упомянутые выше звездоподобные источники были довольно интенсивны, что не могло не привлечь внимания к этому факту вполне естественного интереса астрономов. Именно с этого и началась история открытия знаменитых квазаров.

До 1962 года считали, что квазары (квазизвездные источники — guasi stellar sources) расположены в пределах нашей Галактики. Эта точка зрения подкреплялась переменностью светового излучения радиоисточника 3С48. Хорошо известно, что переменность излучения в оптике — вещь, характерная именно для звезд. Для объяснения свойств квазизвездных объектов было предложено несколько идей.

И. Шкловский предположил, что эти источники связаны с большим числом вспышек сверхновых. Но если эти объекты находятся в Галактике, то почему тогда сверхновых так мало? Выдвигалась гипотеза о цепной реакции взрывов многих звезд, но тогда трудно было объяснить тесную связь между звездами. Ф. Хойл предложил собрать миллионы звезд в одно сверхтело, но эта идея в то время не могла перешагнуть через психологический барьер, из-за которого не допускалась в принципе возможность существования звезд с массой больше 50 масс Солнца. К тому же эти объекты должны были светить ярче целой галактики, что в то время казалось нелепостью. Заметим, что само содержание идеи Хойла о сверхтеле оказалось пророческим, но об этом чуть позже.

Тем временем астрономами предпринимались поистине героические попытки уточнения характеристик квазаров. Так, при наблюдениях источника 3С 273 в Австралии были предприняты беспрецедентные меры предосторожности. С телескопа сняли несколько тонн металла, чтобы иметь возможность наблюдать при меньших углах возвышения. За несколько часов до начала работ район наблюдения был объявлен на «чрезвычайном положении». Местные радиостанции неоднократно повторяли призыв о том, чтобы на время работы телескопа все радиопередатчики были выключены. Все дороги около телескопа патрулировались, чтобы прекратить движение автомобилей в этом районе. Последний штрих этой истории имеет совсем детективный оттенок: два дубликата записей были отправлены в Сидней на отдельных самолетах.

Предосторожности оправдали себя. Оказалось, что 3С 273 — двойной источник, причем положение компонент было определено с рекордной для того времени точностью в 1″. Одна из компонент казалась обычной звездочкой 13-й величины, но при внимательном анализе удалось выяснить, что из «звезды» выходит струя длиной в 100 тысяч световых лет, которая сама является источником оптического и радиоизлучения. И это еще не все. Анализ красного смещения линий источника 3С 273 позволил установить скорость его удаления от нас. Она оказалась огромной — 42 тысячи км/час. Но тогда этот источник находится от нас на расстоянии около 600 мегапарсек. С такими расстояниями астрономы 60-х годов еще «не работали».

Сразу же возник вопрос об интенсивности свечения этого источника в оптике. Ведь если он виден с расстояния около двух миллиардов световых лет как звезда 13-й величины, то его светимость в сто раз превышает светимость нашей Галактики, содержащей сотни миллиардов звезд. Причем кванты квазар излучал в то время, когда Вселенная была совсем молода.

Мы упоминали уже о переменности оптического излучения квазаров. В этом плане особенно интересен квазар 3С 279, который можно сейчас наблюдать как слабопеременную звездочку 18-й величины. Однако на снимках, сделанных до второй мировой войны, он виден как объект почти 13-й величины. Оценки показывают, что в то время 3С 279 светил в десять тысяч раз сильнее нашей Галактики. Но размеры излучающей области очень малы — меньше светового года. К тому же оказалось, что и в рентгеновском диапазоне многие квазары светят в 1000 раз мощнее, чем, например, Млечный Путь.

Гигантская мощность излучения квазаров и ядер некоторых галактик не единственная проблема, которую эти объекты ставят перед астрофизиками. Мы уже говорили о космических выбросах и об их асимметрии. В чем здесь дело? И. Шкловский предположил, что если существует два симметричных выброса, скорость которых близка к скорости света, направленных к наблюдателю под небольшим углом зрения, то из-за релятивистского эффекта Доплера поток излучения от сгустка плазмы, идущей по направлению к нам, будет в сотни раз меньше, чем от удаляющегося пучка. Тот просто-напросто не будет виден. Но механизм, предложенный Шкловским, не в состоянии объяснить односторонность выброса в Центавре-Α, так как там вряд ли достигаются субсветовые скорости. Хотя в других случаях этот механизм, быть может, и работает (выброс в NGC 4486). Существуют, конечно, и другие гипотезы, но окончательной ясности в этом вопросе нет.

Схема действия гравитационной линзы.

Квазары не так давно поставили ученых перед совершенно ошеломляющим фактом. Дело в том, что в ряде случаев расстояние между компонентами у квазаров 3С 345, 3С 279, радиогалактики 3С 120 увеличивается. Когда были проведены радиоинтерферометрические измерения угловой скорости расширения в этих системах, оказалось, что компаньоны удаляются друг от друга со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света! Стоит ли говорить о том, насколько эти результаты озадачили ученых.

Правда, довольно скоро выяснилось, что специальная теория относительности, утверждающая, что любые сигналы не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света, может жить спокойно. В данном случае наблюдалась кажущаяся скорость разлета. Читатель сам без труда может построить чисто геометрические конструкции с источником света (вращающийся прожектор), когда можно мерить кажущуюся скорость, превышающую скорость света. В случае квазаров было убедительно показано, что наблюдатель будет видеть кажущуюся скорость разлета, превышающую скорость света тем больше, чем больше скорость выбросов и чем меньше угол между вектором их скорости и лучом зрения. Таким образом, с этой неприятностью как будто покончено.

В 1979 году весь астрономический мир был буквально ошарашен открытием пары квазаров, столь одинаковых по своим характеристикам, что их можно было бы считать близнецами, тем более что расположены они были на небе рядом друг с другом, на расстоянии всего в 6″.

Их красное смещение оказалось к тому же практически одинаковым. Казалось абсолютно невероятным, чтобы два столь близких квазара имели бы столь схожие характеристики. И ученые тогда предположили, что эти квазары — изображение одного и того же объекта на небе! Как подобная вещь может случиться? Мы знаем из теории относительности о реальном отклонении луча вблизи гравитирующей массы. Это было подтверждено экспериментально на примере Солнца. Предположим, что между Землей и далеким квазаром расположено очень массивное тело, например галактика. В этом случае галактика будет действовать как гравитационная линза, искривляя поток излучения квазара неравномерно. Гравитационная линза — настолько неординарное явление природы, что о нем стоит рассказать чуть подробнее.

Еще в 1938 году известный русский астроном Т. Тихов, известный своими работами по астробиологии, опубликовал статью под названием «Следствия возможного отклонения световых лучей в поле тяготения звезд». А за два года до этого Эйнштейна посетил чешский инженер-электрик Р. Манда, который предположил, что в космосе могут находиться гравитационные линзы — звезды. Эйнштейн по его просьбе провел необходимые расчеты и опубликовал небольшую заметку «Линзоподобное действие звезды на отклонение света в гравитационное поле».

Схематическое изображение квазара как центра массивной галактики.

Справедливости ради нужно сказать о том, что еще в 20-х годах нашего столетия английские астрономы О. Лодус и А. Эддингтон рассмотрели некоторые оптические эффекты, возникающие при прохождении света в гравитационном поле звезды. Эддингтон указывал даже на возможность появления двух изображений одного объекта. Сейчас имеются дополнительные свидетельства в пользу действия во Вселенной гравитационных линз.

По поводу квазаров можно сформулировать два наиболее интригующих вопроса. Связаны ли квазары генетически с ядрами галактик или это принципиально новый объект во Вселенной? Какова природа чудовищного излучения квазаров?

Попробуем разобраться с первым вопросом. Некоторые спиральные галактики имеют ядра чрезвычайной яркости. Они были открыты американским астрономом К. Сейфертом в 1943 году и называются с тех пор его именем. Возникает вопрос: не может ли яркая сейфертовская галактика, находящаяся очень далеко от нас, быть принята за квазар? Ведь на большом расстоянии можно увидеть лишь ее ядро, не заметив спиральных рукавов? И действительно: исследуя большие выборки квазаров, удалось установить в ряде случаев наличие у них дополнительной структуры вокруг наиболее яркого участка, причем иногда эта структура напоминала структуру галактик. Эти результаты убеждают нас, что квазары тем или иным образом соотносятся с ядрами галактик. Возможно, что галактики проходят через стадию квазаров, когда их ядра экстремально ярки. И тогда в ядрах других, менее ярких галактик могут находиться сейчас мертвые квазары.

Но что питает живой квазар? Каково его строение? Конечно же, при решении очередной загадки, поставленной перед нами природой, не обошлось без черной дыры. Схема здесь в общем-то идентична той, которую мы рассматривали в галактике NGC 5128.

Предполагается, что в центре квазара или в центре галактического ядра имеется компактный сверхмассивный объект — черная дыра с массой примерно в миллиард солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры могут образовываться в процессе роста «обычной» черной дыры массой в несколько десятков солнечных. Впоследствии эта дыра растет, поглощая звезды, межзвездную среду и, возможно, другие черные дыры, доводя свою массу до «необходимых» значений.

Затем в результате падения газа на черную дыру образуется аккреционный диск, вместе со всеми сопутствующими явлениями, которые могут объяснить экзотические особенности ядер галактик и квазаров. О механизме «работы» аккреционного диска мы уже вкратце говорили. Более подробно этот процесс будет рассмотрен в следующей главе.

Следует ли из всего вышесказанного, что астрофизика полностью разобралась и с квазарами, и с галактиками? Мне кажется, что у читателя вряд ли сложилось подобное впечатление. Самая главная трудность состоит в том, что большая часть моделей построена на кончике пера, «руками». Ведь не следует забывать, что черные дыры до сих пор еще не открыты. Более того, существуют и альтернативные гипотезы, в частности, гипотеза академика В. Амбарцумяна, согласно которой в ядрах галактик находится особая, дозвездная форма материи, так называемые Д-тела. Бесспорно, успехи в решении этих увлекательных проблем будут обусловлены в первую очередь развитием наблюдательной техники в астрономии.

В этом месте у читателя может возникнуть некоторое недоумение, связанное с тем, что совсем недавно мы говорили вроде бы другое. Действительно, речь шла о падении температуры при росте плотности в процессе тепловой неустойчивости. Но там излучение свободно выходило из облака. Здесь же, когда работает гравитационная неустойчивость, изменение плотности гораздо больше, чем в предыдущем случае.

Энергия сжатия превращается в излучение, которое может свободно выходить из облака в космическое пространство, пока плотность облака невелика. Поэтому сначала и температура облака повышается очень незначительно. Но чем сильнее сжатие, тем больше плотность вещества и тем труднее излучению выходить из облака.

Очень важно, что с повышением температуры начинаются изменения химического состава облака. Те молекулы, которые раньше при столкновениях высвечивали инфракрасное излучение, разваливаются. Холодильное устройство перестает работать, непрозрачность возрастает, и температура внутренних областей облака начинает повышаться. Что такое непрозрачность и почему должна повышаться температура?

Включим электрическую лампочку. Она сконструирована так, чтобы нить накаливания работала как можно дольше. Когда лампочка включена, она горячая, ее не возьмешь в руки: она и светит, и греет. Но воздух комнаты прозрачен и для видимого света, и для теплового излучения лампочки. Если теперь завернуть лампочку в хороший теплоизолирующий материал, например, в асбест, выход тепловой энергии будет затруднен, температура повысится, и лампочка перегорит быстрее. Асбест непрозрачен для излучения.

Так же и в случае облака. Только роль асбеста здесь играют достаточно плотные наружные слои. А внутри облака — горячее ядро, протозвезда. Но она еще находится внутри родительского облака. Если провести здесь аналогию с живой материей, то протозвезду можно сравнить с клеточным ядром, окруженным протоплазмой. Оценки показывают, что время сжатия облака солнечной массы — порядка миллиона лет. В конце первой стадии сжатия облако «напоследок» начинает интенсивно излучать, причем его инфракрасная светимость в десятки тысяч раз превышает общую светимость Солнца. Происходит вспышка инфракрасного излучения, длящаяся несколько лет. Далее облако, протозвезда, начинает сжиматься гораздо медленнее. В это время она имеет размеры порядка размеров орбиты Меркурия.

А затем происходят удивительные вещи. Когда звезда становится непрозрачной для собственного излучения, энергия сжатия оказывается «запертой» внутри протозвезды, и в ее жизни наступает знаменитая «стадия Хаяши» (этап развития протозвезд, получивший свое название в честь известного японского астрофизика С. Хаяши).

Поскольку сброс энергии, которая выделяется при сжатии, из-за непрозрачности затруднен, сжатие резко замедляется. Но энергию-то сбрасывать все-таки надо. Так вот, Хаяши и показал, что в этой стадии сжатия энергия сбрасывается при помощи конвекции. Да, да, той самой конвекции, которую мы каждый день видим, когда кастрюля с водой или чайник стоят на плите и более горячие слои воды поднимаются снизу вверх. И в нашем случае внутренние, горячие участки протозвезды начинают перемещаться наверх, а на их место стремится газ из наружных, более холодных районов. В это время температура протозвезды достигает нескольких тысяч градусов.

Понятно, что такой процесс, как конвекция, не может сразу охватить всю протозвезду: она развивается постепенно даже в таком небольшом объеме, как чайник. Что здесь говорить о протозвезде! Но когда вся протозвезда вовлекается в этот процесс, энергия сжатия получает возможность «выйти наружу» и переизлучиться в мировое пространство. Поэтому-то развитие конвекции сопровождается короткой вспышкой светимости.

Уже после этого продолжается медленное сжатие охваченной конвекцией протозвезды. Радиус ее уменьшается, неуклонно стремясь к некоторому конечному значению. А поскольку температура поверхностных слоев протозвезды постоянна, то светимость ее будет падать. Эта стадия, как показывают расчеты, занимает уже десятки миллионов лет.

Наконец начинаются ядерные реакции, сжатие прекращается и протозвезда становится стабильной, обычной звездой. Как говорят астрономы, она садится на главную последовательность — столбовую дорогу жизни большинства звезд.

Звезды светят

Итак, картина рождения звезды, пусть несколько схематичная, нарисована. Но ведь это теория, и все, о чем мы сейчас говорили, базировалось на теоретических оценках, приведенных, в частности, в замечательной книге советского астрофизика И. Шкловского «Звезды, их рождение, жизнь и смерть». А соответствуют ли эти оценки действительности? Можно ли наблюдать все эти процессы, эти вспышки «закипающих» звезд в Галактике?

Да. Астрономы видят звезды, хаотически меняющие свой блеск, а это как раз и может свидетельствовать о том, что их атмосферы находятся в бурной конвективной стадии. Звезды эти получили название «звезд типа Τ Тельца». Они всегда наблюдаются группами, так называемыми Τ-ассоциациями. Интересно, что в их спектрах есть линии, имеющие синее смещение. Это означает, что они непрерывно выбрасывают вещество, избавляются от «излишков массы». Интенсивность этого процесса достигает одной десятимиллионной доли массы Солнца в год. Поэтому ясно, что звезды до того, как они «сядут» на главную последовательность, имеют гораздо большую массу.

Таким образом, у нас есть все основания считать, что подобный «сценарий» рождения Солнца действительно разыгрывался около 5 миллиардов лет назад. Следует заметить: он справедлив лишь для звезд меньше солнечной массы (или равной ей). Эволюция более массивных объектов на финише процесса имеет некоторые существенные особенности.

Массивные звезды изменяют форму сброса энергии еще до того, как они садятся на главную последовательность.

Конвекция в них заменяется «лучистым» переносом тепла. Это связано с более быстрым ростом температуры, что приводит, в свою очередь, к уменьшению непрозрачности. Звезда, несмотря на продолжающееся сжатие, имеет почти постоянную светимость, что означает непрерывный рост ее поверхностной температуры во времени. И на Солнце такой процесс имел место. Когда радиус светила был примерно в два раза больше нынешнего, светимость его была в полтора раза выше. В процессе дальнейшего сжатия светимость уменьшилась (а температура возросла!). Далее, на главной последовательности, светимость постепенно достигла сегодняшних значений.

Было бы несправедливо не сказать об альтернативной точке зрения по поводу рождения звезд. Ее автор — известный советский астрофизик академик В. Амбарцумян. Он считает, что во Вселенной существуют сверхплотные образования — Д-тела. Природа этих тел неизвестна. Астрономы их не наблюдали. Так вот, при распаде Д-тел и рождаются звезды. Гипотеза В. Амбарцумяна не имеет большого числа сторонников. Но следует помнить о том, что, вступая в спор с устоявшимися концепциями, он не раз оказывался прав.

Итак, все вспышки и катаклизмы завершены. Возникает естественный вопрос, как долго может светить звезда, каков срок ее жизни и, наконец, почему она светит? К обсуждению этих вопросов мы сейчас и перейдем.

Наше Солнце стабильно уже в течение почти 5 миллиардов лет. Но откуда мы знаем об этом? Прежде всего у нас есть такой чувствительный «индикатор», как живые организмы на Земле. Из палеогеологических данных известно, что жизнь на Земле существовала три с половиной миллиарда лет назад. А должно было уйти время еще и на возникновение этой жизни. Но если она уже существовала три с половиной миллиарда лет назад, то на ее зарождение остается не более миллиарда лет, поскольку возраст Земли около 4,5 миллиарда лет.

Отсюда следует, что если светимость Солнца уменьшилась, скажем, в несколько раз, на Земле не могла бы возникнуть жизнь, так как на поверхности нашей планеты из-за сильного холода не было бы жидкой воды. А если бы Солнце было заметно горячей, то мы бы имели сегодня Землю, похожую на Венеру, где ни о какой жизни не может быть и речи. Поэтому, если Солнце и изменяло светимость за такой большой промежуток времени, как 5 миллиардов лет, то можно говорить лишь о незначительных изменениях, порядка нескольких процентов, не более. Вот тут-то мы и подходим к очень интересному, важному и отнюдь не простому вопросу: почему, собственно говоря, звезды, и в том числе наше Солнце, светят, светят долго с удивительным постоянством? Откуда берется это гигантское количество энергии?

Замечательную, немного грустную историю об одном известном человеке, решившем эту загадку, рассказал лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман. Этот человек (мы будем о нем еще говорить) отправился поздно вечером гулять с девушкой. А накануне он понял, что заставляет светить звезды. Влюбленные всегда говорят или о погоде, или о красотах ночного неба. «Посмотри, как чудесно сияют звезды», — сказала она. «Да, чудесно. А ведь сегодня я — единственный в мире человек, который знает, почему они сияют», — ответил он. Она лишь рассмеялась. «Что ж, как это ни печально, быть одиноким, непонятым — в порядке вещей», — меланхолически заканчивает Р. Фейнман свой рассказ.

Но посмотрим, что думали об этом ученые до исторической прогулки. Солнце светит потому, что на него падают кометы, считал великий Ньютон. Правда, его натуре не была свойственна категоричность, а количественных оценок этого «факта» в его работах мы не найдем.

Первым, кто попытался с чисто научных позиций проанализировать этот вопрос, был немецкий врач Ю. Майер. Имя его навсегда сохранилось для человечества отнюдь не из-за его успехов в медицине. Он обессмертил свое имя, открыв в 1842 году закон сохранения энергии. (Кстати, в этом же году произошло полное солнечное затмение, принесшее астрономам массу новой информации о Солнце.)

Установив закон сохранения энергии для земных явлений, Майер задался таким вопросом. Если на Земле непрерывно происходят превращения одних форм энергии в другие, то любой достаточно серьезный анализ проблемы неуничтожимости энергии с неизбежностью ставит задачу: где источник солнечного излучения? Как может Солнце излучать огромное количество энергии со столь завидным постоянством?

Решая эту головоломку, Майер пришел к неожиданному и интересному выводу. Он предположил, что излучение Солнца, его тепло обеспечивается кинетической энергией падающих на Солнце метеоритов (Ньютон говорил о кометах). Ведь приходят же на Землю метеорные тела из космического пространства, так почему бы им не падать на Солнце?

Однако очень скоро выяснилось, что Майер ошибся. Когда ученые попытались оценить, сколько же вещества нужно «добавлять» к Солнцу, чтобы поддержать его излучение, они получили цифру, составляющую одну тридцатимиллионную долю массы Солнца. Именно такое количество метеорных тел должно было бы ежегодно бомбардировать Солнце, чтобы обеспечить постоянство его излучения.

На первый взгляд цифра кажется небольшой. Ну, подумаешь, каждый год на Солнце выпадает множество метеоров, общим весом примерно равных массе Марса. Но тут свое слово сказали специалисты по небесной механике. Они вычислили, что даже столь незначительное увеличение массы нашей звезды привело бы к изменению продолжительности земного года, он стал бы ежегодно укорачиваться на две секунды. Именно этот факт явился смертельным ударом по гипотезе Майера: ведь и в тысячи раз меньшая величина давным-давно была бы замечена при наблюдениях.

Кроме того, воспользуемся таблицей умножения и посмотрим, что получится, если умножить возраст Земли (4,5 миллиарда лет) на те самые две секунды ежегодного уменьшения года. Другими словами, посмотрим, чему был равен год в начале жизни Земли, если бы Майер оказался прав. Мы получим совершенно абсурдную цифру: Земля должна была бы крутиться вокруг Солнца очень медленно, год продолжался… более сотни нынешних земных лет. Пришлось искать другие пути решения вопроса, почему постоянна светимость Солнца.

Два выдающихся физика — Г. Гельмгольц и Д. Томсон (лорд Кельвин) — в конце XIX века предположили, что Солнце сжимается, уменьшая свой радиус на несколько десятков метров ежегодно, под воздействием собственной гравитации. За счет этого выделяется тепловая энергия, которая и поддерживает постоянную светимость Солнца. Но и эта гипотеза оказалась несостоятельной, несмотря на ее привлекательность и в общем-то физическую обоснованность.

Как это нередко бывает в физике, «контракционная» гипотеза во многом определила свое время. Она правильно могла бы обрисовать начальные стадии эволюции звезды, но оказалась неприемлемой для объяснения светимости стабильного Солнца. И действительно, точные расчеты показали, что, используя механизм Гельмгольца — Кельвина, Солнце могло бы светить не более 30 миллионов лет. А нам нужны миллиарды. Разница, как видим, немалая.

Но если ни гравитационная, ни кинетическая энергия не могут обеспечить нормальной работы нашего светила в течение миллиардов лет, то что же тогда?

Выдающийся астроном Д. Джинс предположил, что источником энергии Солнца является его радиоактивность. Это уже было, как говорится в детской игре, «теплее». Именно «теплее», потому что Джинс тоже был далек от истины. Сейчас любой студент, а может быть, даже и школьник сумел бы доказать, что энергия радиоактивного распада никогда не сможет обеспечить светимость звезды. И тем не менее Джинс находился рядом с решением вопроса. Все дело действительно было в ядерных процессах.

Рождение звезд в туманности Ориона.

А. Эддингтон понимал, что в Солнце должен работать самостоятельный источник энергии, и правильно назвал его. Этот источник — энергия атомного ядра. Однако естественно, что в то время Эддингтон не мог указать конкретные механизмы ядерных реакций.

Нужно сказать, что Эддингтон достаточно натерпелся от своих земляков — именитых английских физиков и астрономов. Его идеи были почти всегда столь неожиданными и экстравагантными, что немедленно вызывали бунт коллег и ставились под сомнение, хотя именно Эддингтона следует считать одним из пионеров и создателей новой науки — астрофизики. Но это мы знаем сейчас… В те же времена многие просто-напросто смеялись над Эддингтоном.

Он, разумеется, не оставался в долгу. И когда ему говорили, что недра звезд недостаточно горячи, чтобы там могли идти ядерные реакции, он с раздражением советовал своим оппонентам отправиться поискать местечко погорячее, чем внутренность звезды, имея в виду ад.

Среди оппонентов Эддингтона были директор Кавендишской лаборатории, знаменитый физик Д. Томсон, открывший существование электрона, Джинс и другие. Просто дело было в том, как утверждает крупнейший астрофизик Ф. Хойл, что великий Джинс почему-то всегда оказывался не прав, а Эддингтон — прав.

Этот «одинокий и непонятный Эддингтон» (о котором шла речь в рассказе Фейнмана) был гениален и как физик и как личность. Блистательно владея математическим аппаратом, он с известной мерой брезгливости относился к приближенным вычислениям, всегда стремясь получить точную формулу. Мысль его работала столь четко и ясно, что когда он написал книгу с изложением основ теории относительности, Эйнштейн в шутку сказал: «Я стал лучше понимать собственную теорию, прочтя книгу Эддингтона». Но ведь в каждой шутке есть доля правды.

Молодые звезды в Плеядах.

Полемика между Эддингтоном и Джинсом развлекала и удивляла ученых в течение многих лет, и лишь в 1939 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Г. Бете сумел построить количественную теорию, объясняющую ядерные процессы в звездах. Был наконец перекинут мост между микро- и макромиром и показано, что звезды суть не что иное, как гигантские термоядерные реакторы.

Прежде чем подробно обсудить эту увлекательнейшую тему, вернемся на время к известным законам физики. Это поможет нам лучше понять, почему лишь термоядерные реакции обеспечивают постоянную светимость Солнца и других звезд и почему именно благодаря им существует на Земле все живое.

В своем изучении биографии звезды мы остановились на том, что она стала стабильной, вступила в стадию спокойной (конечно, относительно спокойной, как мы потом увидим) жизни. Протозвезда стала звездой.

А что же такое звезда с точки зрения физика? Ответ прост, хотя и не сразу очевиден. Солнце — раскаленный газовый шар. Почему газовый? Давайте-ка разделим массу Солнца на его объем, чтобы узнать плотность нашей звезды. Мы получим цифру 1,4 грамма в кубическом сантиметре, то есть побольше, чем плотность воды. О каком газе может идти речь? К тому же это средняя плотность, а ведь в центре Солнца плотности должны быть куда больше, чем полученная цифра.

Все дело в том, что температуры в недрах Солнца огромны — более десяти миллионов градусов, а при таких температурах ни жидкая, ни твердая фазы вещества существовать не могут. И тогда Солнце действительно газовый шар. А что это означает для физика?

Да то, что он для описания «поведения» Солнца может использовать, в частности, простейшую формулу, известную из школьного курса физики под названием формулы Клайперона. Она устанавливает связь между температурой, давлением, плотностью и молекулярным весом определенного объема газа.

Но неужели так все просто, и жизнь Солнца физик опишет только законом поведения идеального газа? Ведь если действовал только этот физический закон, Солнце бы очень быстро рассеялось в космическом пространстве?

Все мы знаем, что, прежде чем выйти из корабля в открытый космос, космонавту нужно пройти шлюзовую камеру. Это необходимо для предотвращения разгерметизации корабля. Если нарушена герметизация, в кабине корабля установится космический вакуум. Ведь давление газа в окружающем космическом пространстве ничтожно, а внутри корабля велико. Вот газ и стремится выйти наружу. То же происходит, когда разгерметизируется кабина самолета. К счастью, это бывает редко. Но когда все же случается, жизни пассажиров угрожает опасность, так как они сразу вынуждены дышать воздухом на высоте большей, чем Эверест.

Так в чем секрет? Почему наш огромный раскаленный газовый шар не рассеялся в космическом пространстве? Ведь газ в недрах Солнца находится под чудовищным давлением, а вне Солнца — пустота, глубокий вакуум. Однако благодаря своей огромной массе Солнце сжато силами гравитации, и именно эти силы препятствуют тепловому разлету его вещества в космос.

В наружных слоях Солнца тепловая скорость частиц газа порядка 10 километров в секунду. И не будь гравитации, уже за 10 дней радиус Солнца увеличился бы в 10 раз.

И как на Земле каждый человек чувствует свой вес, так и на Солнце каждая частичка «знает», что ей никогда не вырваться из гравитационного плена нашей звезды. Вот причина равновесия Солнца. Высокие температуры газа препятствуют силам гравитации совершить катастрофу и заставить сжаться наше Солнце, а гравитация, со своей стороны, «дисциплинирует» Солнце, заставляя его находиться в определенных «рамках».

Кластер галактик в созвездии Тельца.

Условие равновесия можно выразить чрезвычайно просто. Газовое давление в центре звезды должно быть равно весу столба с поперечным сечением 1 см² и высотой, равной радиусу нашего газового шара. Если сделать соответствующие оценки, то окажется, что давление в центре Солнца будет порядка 10¹⁰ атмосфер! Столь большое давление может быть обеспечено достаточно высокой температурой. Здесь как раз, зная давление, мы можем использовать закон Клайперона и вычислить температуру:

T = Pμ/Aρ,

где P — давление, A — универсальная газовая постоянная, μ — молекулярный вес, ρ — плотность, а T — температура. Вводя некоторые простые допущения, путем несложных преобразований можно привести эту формулу к другому виду:

T = μFM/AR,

где M — масса звезды, R — ее радиус, a F — постоянная всемирного тяготения. Все здесь известно (по крайней мере для нашего Солнца), кроме μ — молекулярного веса. Как известно, молекулярный вес численно равен массе вещества, состоящей из числа частиц N (N = 6 · 10²³ — число Авогадро). Нам нужно найти молекулярный вес звездного вещества, состоящего из ядер атомов различных элементов и электронов. Оценки показывают, что он меняется от 0,5 до 1,3. У звезд середины главной последовательности, к которым, разумеется, относится и наше Солнце, μ = 0,6.

Теперь мы можем записать крайне простое соотношение для температуры центральной части звезды: T_с = 14(M/M)(R/R) миллионов градусов.

Здесь M и R — масса и радиус любой звезды, M, R — масса и радиус Солнца. Ясно, что температура Солнца равна по этой формуле 14 миллионам градусов. Таким образом, довольно сложная задача определения температуры в центре звезд решена очень просто.

Мы использовали сейчас лишь два хорошо известных физических закона: закон всемирного тяготения и газового состояния. Посмотрим теперь, каким образом тепловая энергия переходит из очень горячих, центральных частей звезды к более холодной поверхности, откуда она уходит в пространство. Насколько это важно для понимания строения звезды?

Вопрос этот имеет принципиальное значение. Ведь светимость звезды — один из главных ее параметров — и есть поток энергии, достигший поверхности и уходящий потом в пространство. Этот поток во многом определяет структуру всей звезды.

Различные формы переноса тепла хорошо известны в повседневной жизни. Холодная металлическая ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, быстро нагревается. Это перенос тепла посредством теплопроводности тела. В металле есть свободные электроны, которые переносят тепловую энергию. Этот вид переноса существен для белых карликов и не имеет практически никакого значения для обычных звезд. Конвекция, о которой мы уже говорили, также одна из возможных форм переноса. Наконец, существует наиболее важная (для нас) форма «лучистый перенос» — перенос тепла излучением.

В быту мы хорошо знакомы с лучистым переносом. Тепло, которое идет от любого нагретого предмета, — результат именно этой формы переноса. Горячий утюг излучает в инфракрасном диапазоне, и мы не видим, а лишь чувствуем это излучение. Раскаленный кусок железа светит в видимом диапазоне, а мы можем визуально наблюдать лучистый перенос энергии, впрочем, так же, как в случае Солнца и звезд. Мы помним, что количество излученной энергии очень сильно зависит от температуры, оно пропорционально ее четвертой степени (закон Стефана — Больцмана). Именно поэтому по мере продвижения в глубь звезды энергонасыщенность вещества растет очень быстро.

К примеру, один кубический сантиметр вещества, «взятого» из центра Солнца, излучал бы за секунды энергию около 10²⁶ эрг. Такая энергия эквивалентна извержению крупного вулкана. Если бы излучение внутренних областей Солнца могло достичь напрямую земной поверхности, оно бы мгновенно испепелило ее. Но мы, к счастью, застрахованы от такой малоприятной возможности, и причиной тому — непрозрачность звездного вещества к световым квантам.

На первый взгляд это обстоятельство может показаться странным: ведь мы говорили о том, что звездное вещество представляет собой газ. Да, это так, звезда — газовый шар. Но газ в звезде в высшей степени непрозрачен. Это объясняется высокой плотностью вещества в центре звезды. Непрозрачен уже 1 миллиметр звездного вещества — у поверхности звезды непрозрачность растет с ростом температуры.

Это нетрудно понять, поскольку здесь при большей температуре больше возбужденных атомов, способных поглощать свет в видимой области. Но в недрах звезды при росте температуры атомы все больше и больше «оголяются», теряя электронные оболочки, и поэтому там поглощение света несколько падает за счет увеличения температуры, но в то же время, поскольку T растет, общую непрозрачность можно считать постоянной.

Теперь нам осталось попытаться понять, как зависит светимость звезды от ее массы. Мы уже видели, что температура в центре звезды пропорциональна массе. С другой стороны, светимость L ~ T⁴ и L ~ 1/ρH, где ρ — средняя плотность звездного вещества, а H — коэффициент поглощения, который, как говорилось, можно принять постоянным. Ясно, что по определению ρ = 3M/4πR³. И тогда мы находим, что L ~ M³. Мы таким образом получили путем простых рассуждений теоретическое соотношение между массой звезды и ее светимостью.

Более точно оно записывается в следующем виде:

L = K(μ⁴/H)M³,

где K — численный коэффициент, а μ — молекулярный вес. Эта формула в принципе верно отражает наблюдательные факты. Основной вывод состоит в том, что перенос энергии из недр звезды определяется излучением, а «пропускная способность» звезды ее массой. О конвекции мы с вами уже немного говорили, но дело в том, что на главной последовательности полностью конвективных звезд практически нет.

Все просто и хорошо: мы с вами выяснили, какие силы управляют Солнцем, как излучает звезда, причем все это было проделано «на пальцах», не выходя за рамки школьного курса физики. Наверное, у многих читателей сложилось впечатление, что Эддингтон был прав, когда говорил: «Нет ничего проще, чем звезда». Быть может, у некоторых появилось даже легкое чувство обманутых надежд: а где же обещанные тайны, проблемы, загадки? Будут и тайны, и загадки. Они впереди.

Источник энергии

Повнимательнее вглядимся в источник светимости Солнца — термоядерные реакции. Сначала решим простой вопрос. Ведь если идет термоядерная реакция (неважно, по какому конкретному механизму), она резко повышает температуру вещества. Это, в свою очередь, должно обязательно повысить скорость процессов, что чревато для звезды весьма опасной возможностью: уподобиться огромной водородной бомбе, в которой термоядерная реакция носит характер взрыва.

Но Солнце светит стабильно, внутри нашей звезды есть механизмы, регулирующие скорость термоядерного синтеза. Что же это за механизмы?

Да, в общем-то опять школьная физика, все так же формула Клайперона, действующая, правда, в условиях гравитации. По этой формуле, если повысить температуру объема газа, немедленно произойдет его расширение, отчего газ тут же охладится. Вот поэтому-то в Солнце и существует жесткий механизм обратной связи, и термоядерные реакции не могут идти в недрах нашего светила с произвольной скоростью. Их скорость полностью определяется самой структурой Солнца.

Вспомним, что такое ядерные реакции. Ядро атома любого элемента (за исключением водорода) состоит из протонов и нейтронов, связанных между собою сильными взаимодействиями. Ясно, что, если протон или нейтрон сталкивается с ядром атома какого-либо элемента и «застревает» в нем, образуется ядро атома нового элемента и вдобавок высвобождается образовавшийся избыток энергии. Этот избыток уносится обычно какой-либо частицей — гамма-квантом, нейтрино и другими.

Процесс может быть и более сложным. Вновь образовавшееся ядро распадается на осколки (деление). Но все это и есть, собственно говоря, ядерные реакции.

Если мы начнем облучать какое-либо вещество нейтронами, то особых трудностей мы испытывать не будем, поскольку нейтрон не имеет заряда и ничто не мешает ему сколь угодно близко подойти к ядру. С протонами дело обстоит гораздо сложнее. Протон несет положительный заряд, и ему необходимо преодолеть электростатическое отталкивание других протонов в ядре. Сделать это довольно не просто, и поэтому в земных условиях для изучения реакций с этими частицами строят огромные ускорители, которые и сообщают протону необходимую начальную энергию для прохождения потенциального барьера. Если мы хотим заставить провзаимодействовать с каким-либо ядром α-частицу — ядро атома гелия-4, ей необходимо будет сообщить еще большую энергию, чем отдельному протону, поскольку в ее составе их уже два.

Ядерные реакции с протонами для космоса — вещь обычная, так как водород — самый распространенный элемент во всей Вселенной. Таким образом, протоны не представляют дефицита, а роль ускорителей в космосе играют, в частности, недра звезд. Температура там столь велика, что часть протонов приобретает вполне достаточные для начала ядерных реакций скорости. Такие реакции, где для «активирования» протонов используется температура, называются термоядерными.

Каковы эти реакции? Главным образом те же, что вызывают взрыв водородной бомбы, — слияние четырех ядер водорода (протонов) через ряд промежуточных реакций в ядро атома гелия. Это так называемый протон-протонный цикл.

Ядро атома гелия весит чуть меньше, чем четыре протона, и в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc² эта разница в массе переходит в энергию, которая и идет на разогрев вещества.

Попробуем провести простые количественные оценки выхода энергии в этой реакции. Четыре протона в атомных единицах весят — 4,03252. Но хорошо известно, что ядро атома гелия в тех же единицах весит 4,00389. Именно эта разница в массах и переходит в энергию: mc² = E = 1,67×10^–24 · 0,02863 · (3 · 10¹⁰)² = 4,3 · 10^–5 эрг на одно ядро. Если весь водород Солнца превратится в гелий, то выделится чудовищное количество энергии ~ 10⁵² эрг. Так как Солнце излучает каждую секунду 4 · 10³³ эрг, то топлива в Солнце хватит примерно на 100 миллиардов лет.

Теперь о механизмах термоядерных реакций в звездах.

Протон-протонный цикл начинается с образования дейтерия:

¹H + ¹H → ²D + e⁺ + ν + 1,44 МЭВ.

Вообще говоря, «выход» этой реакции очень мал. Даже в недрах звезд, где условия в общем-то благоприятствуют ее прохождению, лишь один из десятков миллиардов протонов имеет возможность превратиться в дейтерий.

Дополнительная трудность для начальной реакции состоит в том, что один из протонов во время акта столкновения должен успеть превратиться в нейтрон. Ведь ядро дейтерия состоит не из двух протонов, а из протона и нейтрона! Выручает то обстоятельство, что число протонов огромно, и поэтому все-таки необходимые условия для некоторых из них выполняются, и начальная реакция «запускает» протон-протонный цикл.

Далее дейтерий соединяется вновь с протоном, образуя изотоп гелия-3:

²D + ¹H → ³He + γ + 5,49 МЭВ.

Затем возможны уже три направления ядерных реакций. Главный путь — взаимодействие двух ядер изотопа ³He:

³He + ³He → ⁴He + ¹H + ¹H + 12,85 МЭВ.

Все возвращается здесь на круги своя: мы снова имеем два протона, цикл замкнулся, но нам надо запомнить, что в результате цикла появилось ядро атома гелия. Это и есть «столбовая» дорога протон-протонного цикла.

Кроме нее, существуют два побочных пути. Первый состоит во взаимодействии гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро бериллия может захватить протон и превратиться в бор-8, бор-8 претерпевает бета-распад:

⁸B → ⁷Be + e⁺ + ν.

Эту реакцию нам надо обязательно запомнить, так как именно с ней связаны наиболее драматические страницы в современной физике Солнца. Радиоактивный бериллий-8 быстро распадается на два ядра «обыкновенного» гелия-4.

Наконец, еще одна «дорожка» протон-протонного цикла состоит в следующем: бериллий-7 может захватить электрон, превратившись после этого в литий-7. А тот, захватив протон, «переходит» в неустойчивый изотоп бериллия-8, судьба которого нам уже известна.

Существует еще один тип ядерных реакций, играющий определенную роль в энергетике Солнца, — углеродно-азотно-кислородный цикл (С – N – О-цикл). Причем его конечный результат, так же как и в протон-протонном цикле, — образование атома гелия из четырех ядер атома водорода.

Здесь происходят очень интересные вещи. Все начинается с того, что ядро углерода захватывает протон (ядро атома водорода) и превращается в радиоактивный азот, который, распадаясь, дает более тяжелый изотоп углерода. Этот изотоп тоже захватывает протон и превращается в обычный азот. Но и азот стремится захватить ядро водорода, тем более что недостатка в водороде внутри Солнца нет.

Поглотив протон, ядро азота превращается в радиоактивный кислород, а тот, распадаясь, — в стабильный изотоп азот-15. Азот-15 опять захватывает протон. Но даже в недрах Солнца жадность наказуема: распухшее ядро азота-15 с лишним протоном не в состоянии удержать захваченное и распадается на исходное ядро атома углерода-12 и ядро атома гелия.

В результате начавшее всю цепочку захвата ядро углерода-12 осталось «при своем интересе» и вышло из игры, а из четырех захваченных ядер водорода образовалось ядро гелия. Снова работает соотношение E = mc², и разность масс между четырьмя протонами и ядром гелия превращается в энергию.

В отличие от первого механизма в различных этапах реакций С – N – О-цикла участвуют атомы углерода, кислорода и азота. Именно поэтому его и назвали С – N – О-цикл. Но если за счет протон-протонного процесса Солнце получает 98 процентов своей энергии, то за счет углеродно-азотно-кислородного только 2 процента.

Нужно сказать, что для звезд более массивных, чем Солнце, роль С – N – О-цикла значительно существеннее. Понятно, что кулоновский барьер для этой реакции выше, чем в первой реакции протон-протонного цикла. Там реагировали отдельные протоны, а здесь во взаимодействие приходят ядра. Поэтому в более массивных звездах, где температура выше, чем у Солнца, эти реакции будут идти более эффективно.

Итак, и в протон-протонном, и в С – N – О-цикле конечным продуктом термоядерных реакций является гелий. Другими словами: водород звезд выгорает, выгорает в одних случаях медленно, в других побыстрее. Что же происходит со звездами по мере выгорания в них водорода, из какого источника они вновь черпают энергию?

Прежде чем ответить на этот вопрос, следует обратить внимание на термоядерные реакции с легкими элементами — литием, бериллием и бором. Их особенность состоит в том, что и литий, и бериллий, и бор «выгорают» в процессе реакций. Мы видели, что в С – N – О-цикле ядра углерода «возобновляются». Они служат здесь как бы катализаторами реакции. Легкие же элементы вместе с водородом, сгорая в термоядерном котле звезды, быстро исчезают, превращаясь в гелий. Кстати, именно поэтому легких элементов (исключая водород и гелий) в звездах и на Солнце крайне мало.

Когда основное топливо звезды — водород — выгорает, источником энергии становится так называемый тройной альфа-процесс. Эта термоядерная реакция идет при температуре около ста миллионов градусов. Сначала две α-частицы при столкновении на короткое время образуют неустойчивый изотоп бериллия-8. Он, конечно, может распасться вновь на два ядра гелия-4. Но в том случае, если за какой-то очень короткий промежуток времени он успеет столкнуться еще с одной α-частицей. Получится стабильный изотоп углерода-12, и выделится большое количество энергии. Таким образом, в этой реакции сгорает уже не водород, а гелий.

В обычных звездах «главной последовательности» температура недостаточна для «запуска» тройного α-процесса, но в некоторых специальных случаях именно этот механизм может быть основным источником энергии. Об этих случаях мы поговорим позже, а сейчас зададимся естественным вопросом: откуда в нашем мире появились химические элементы?

О том, как во Вселенной образовались водород и гелий, мы уже говорили. Этот вопрос решается легко и непринужденно в рамках модели Большого Взрыва. Но как объяснить огромное обилие элементов в менделеевской таблице? Почему, к примеру, в космосе очень мало лития, бериллия и бора? Почему существует так называемый железный пик? (Обилие элементов группы железа.) Вопросов немало, и решение их сильно зависит от того, какие температуры достигаются в недрах звезды.

Прежде всего возникает идея о последовательном построении тяжелых элементов из более легких путем присоединения нейтрона к ядру легкого элемента. Такой механизм называется S-процессом. Но откуда берутся нейтроны?

Если в звезде достигнута температура порядка 100 миллионов градусов, в ней начинает идти важная реакция:

¹³C + ⁴He → ¹⁶O + n.

Эта реакция важна именно потому, что она генерирует нейтроны, которые впоследствии «утяжеляют» ядра легких элементов. Если достигнута температура около 1 миллиарда градусов, нейтроны появляются в результате взаимодействия ядер углерода-12:

¹²С + ¹²C → ²³Mg + n.

Существуют и другие реакции с образованием нейтронов. Но нам сейчас важно не столько перечисление этих реакций, сколько понимание самой возможности образования тяжелых элементов как путем последовательного присоединения нейтронов, так и путем термоядерных реакций между элементами:

¹²C + ¹²C → ²³Na + ¹H;

¹⁶O + ¹⁶O → ³²S + γ;

¹²C + ¹²C → ²⁰Ne + ⁴He;

²⁰Ne + ²⁰Ne → ²⁴Mg + ¹⁶O.

Во всех этих реакциях выделяется энергия. Но образование более тяжелых элементов, чем железо, в процессе термоядерного синтеза затруднено. Это объясняется тем, что ядро железа-56 обладает очень большой энергией связи. Чтобы из этих ядер получить более тяжелые, нужно затратить больше энергии, чем ее освободится в термоядерной реакции синтеза. Поэтому синтез элементов, более тяжелых, чем железо, невозможен в равновесных звездах.

Проблему синтеза элементов нельзя считать решенной до конца прежде всего потому, что нам неизвестно точно, насколько высокими могут быть температуры в недрах звезд. Некоторые особенности в распространенности элементов в космосе сейчас можно объяснить. «Недостача» лития, бериллия и бора вызвана их быстрым выгоранием в термоядерных реакциях. Обилие элементов группы железа («железный пик») связано с повышенной устойчивостью ядер этих элементов и т. д.

Но в мире звезд есть и исключения, причем отнюдь не единичные, и они не укладываются в рамки простых схем, о которых мы сейчас говорили. Проблема образования элементов сложна. Сейчас не видно непреодолимых трудностей на пути ее решения. Тем не менее сам путь решения не будет коротким. Дело здесь, собственно говоря, не в самих ядерных реакциях, а в построении моделей звезд с температурами внутри до 10 миллиардов градусов. Это очень и очень нелегкая задача.

Солнечные нейтрино

Ядерные реакции могут идти не только в недрах Солнца, где высокие температуры обеспечивают их течение. Они могут происходить и в атмосфере Солнца, за счет ускорения заряженных частиц до высоких энергий. Но об этом мы поговорим позже. Сейчас же отметим один принципиальный факт, который, скажем прямо, уже долгое время не дает покоя астрофизикам. Дело в том, что в термоядерных реакциях, о которых мы говорили, образуются (кроме всего прочего) нейтрино — элементарные частицы, представители микромира с удивительными свойствами.

Сегодня нейтрино — одна из самых «модных» элементарных частиц. Именно нейтрино, как мы помним, могут определить судьбу нашего мира. Но роль их в астрофизике этим не ограничивается. И сейчас нам нужно будет поговорить о трех тесно связанных между собой областях человеческой деятельности — гениальном теоретическом предвидении, внутреннем строении Солнца и… бытовой химии.

В начале 20-х годов нынешнего столетия в легендарный институт Н. Бора в Копенгагене приехал склонный к полноте молодой человек — В. Паули. В здании института царила сугубо неофициальная обстановка. Жена Бора угощала студентов бутербродами, они играли днем в пинг-понг, по институту сновали сыновья Бора. Бор страшно любил ковбойские фильмы и часто ходил со студентами в кино. Днем времени на работу у учеников Н. Бора оставалось немного, и работали они главным образом по ночам.

Это была счастливая эра физики, когда основы современной науки закладывали совсем молодые люди в возрасте между двадцатью и тридцатью годами. Сам Бор на семинарах никого не критиковал, но его студентов нельзя было назвать застенчивыми людьми. Вот в такую обстановку окунулся сын венского профессора биологии В. Паули.

О Паули ходит много легенд и анекдотов. Свой отнюдь не ангельский характер он проявил еще в Мюнхенском университете, где Эйнштейн читал лекцию по теории относительности. После лекции 18-летний Паули поднял руку и, когда ему предоставили слово, глубокомысленно заявил: «А знаете, то, что рассказывал вам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо…»

Да, этот молодой человек был лишен чувства ложной скромности. У него был острый и злой язык. Но единственное, что его оправдывало, абсолютная научная честность и требовательность по самым высоким меркам к своим научным работам.

О характере Паули свидетельствует такой, например, случай. На одной научной конференции молодого ученого представили известному физику П. Эренфесту из Лейденского университета. Как обычно, Паули начал беседу с очередной грубости. «Ваши научные работы нравятся мне намного больше, чем вы сами», — сказал ему обиженный Эренфест. Что-что, а за словом в карман Паули не лез никогда. «Странно, — ответил он, — а мне как раз наоборот». Эренфест с Паули впоследствии подружились, но совсем неудивительно, что многие называли его молодым человеком, вселяющим ужас.

Самому Бору Паули кричал: «Замолчите! Не стройте из себя дурака…» — «Но, Паули, послушайте…» — робко возражал Бор. «Нет, нет. Это чушь. Не буду больше слушать ни слова». И все же, несмотря на подобного рода выходки, Паули пользовался непререкаемым авторитетом в среде физиков-теоретиков.

К экспериментаторам он относился с пренебрежением, иногда просто не замечал их. Он панически боялся всякого, даже сравнительно простого технического устройства. И нужно сказать, что приборы тоже боялись Паули. В его присутствии они просто отказывались работать. Это явление получило название «эффекта Паули».

Однажды в Геттингенском университете взорвалась по неизвестной причине вакуумная установка. Причину взрыва перестали искать, когда выяснилось, что перед самым взрывом на Геттингенский вокзал прибыл поезд, в котором находился Паули…

Несколько молодых итальянцев-физиков решили подшутить над ним. Они подвесили к потолку люстру, присоединив ее к входной двери системой блоков таким образом, чтобы, когда Паули откроет дверь в помещение, люстра с грохотом обрушилась. Но «эффект Паули» был, по-видимому, неким общим явлением природы. Ученый спокойно вошел в комнату, а устройство итальянских физиков не сработало: люстра не упала. Паули весело сообщил им, что они прекрасно продемонстрировали известный эффект.

Работая в Копенгагене, Паули открыл одно из самых важных правил квантовой механики, знаменитый «принцип запрета», за который получил Нобелевскую премию по физике. О значении этого принципа говорит тот факт, что, используя его, Паули сумел вывести все химические свойства элементов. Этот принцип в силу его универсальности имеет огромное значение и для астрофизики. Нам будет удобно сформулировать этот принцип для электронов: не может быть двух электронов, расположенных в достаточно малом объеме и движущихся абсолютно одинаково.

Немногим даже выдающимся физикам удается «на кончике пера» открывать новые законы природы. Паули был именно таким человеком. Принцип Паули является одним из краеугольных камней современной физики.

Но Паули знаменит еще и тем, что предсказал существование нейтрино, быть может, одной из самых удивительных элементарных частиц. Сделано это было в 1931 году, и лишь через 25 лет удалось в лабораторном эксперименте подтвердить реальность существования таинственных частиц.

Нейтрино — частица с замечательными свойствами, а в последние годы, как мы знаем, интерес к ней вспыхнул с новой силой. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом. Ясное дело, что самое важное здесь слово «почти», поскольку, если бы нейтрино совсем не взаимодействовали с веществом, их вовсе нельзя было бы обнаружить.

Солнце для этих частиц не препятствие. Родившись, они мгновенно покидают Солнце, и, сосчитав поток солнечных нейтрино, можно было бы оценить, какие ядерные реакции и с какой эффективностью происходят в недрах нашего светила. Ведь нейтрино образуются и в протон-протонном, и в углерод – азот – кислородном цикле.

Согласно теоретическим расчетам число солнечных нейтрино, попадающих на Землю, огромно. Каждую секунду один квадратный сантиметр земной поверхности бомбардирует сто миллиардов нейтрино. Но это даже не бомбардировка, нейтрино просто пронизывают Землю насквозь и уходят в космическое пространство.

Физики стали думать, как поймать нейтрино. В 1946 году академик Б. Понтекорво предложил идею нейтринной ловушки. Вкратце она состоит в следующем. Солнечное нейтрино с очень малой, но все-таки конечной вероятностью может провзаимодействовать с устойчивым изотопом хлора, хлором-37, в результате чего получится радиоактивный изотоп аргона, аргон-37, и электрон. Радиоактивный аргон можно было бы определить чувствительным радиохимическим методом.

За решение этой задачи взялся известный американский физик-экспериментатор Р. Дэвис из Брукхэйвенской национальной лаборатории. Мне не хочется использовать банальную журналистскую фразу: «Перед ученым возникли значительные трудности». Она попросту ничего не отражает. И в самом деле, уникальная установка Дэвиса — своеобразный рекорд современной экспериментальной физики.

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с атомом хлора-37 ничтожно мала, ясно. То, что поэтому детектор нейтрино должен содержать много хлора, тоже ясно. Но как много? Трудно себе представить, но Дэвис и его сотрудники наполнили емкость объемом с 25-метровый плавательный бассейн жидкостью для химической чистки одежды — четыреххлористым углеродом, содержащим хлор-37.

Казалось, вопрос с детектором нейтрино решен. И все-таки оставалось преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что космические лучи, попадая в этот детектор, тоже приводили к появлению аргона-37. От них надо было избавиться, и огромный детектор Дэвиса поместили в старой шахте, пробитой в скале на глубине полутора километров под землей.

Невероятная чувствительность этой установки позволяла выуживать из емкости в 400 кубометров буквально считанные атомы аргона-37. Ведь его период полураспада 35 дней, и поэтому накапливать его можно было только до определенного предела. Дальше уже шла процедура химчистки, но не одежды, а аргона-37, который затем и предъявлялся как доказательство существования солнечных нейтрино.

И физики стали ждать результатов. Детектор Дэвиса имел хороший запас чувствительности по отношению к потоку солнечных нейтрино, даже для «минимальной модели» термоядерных процессов в недрах Солнца. Казалось, вот-вот появятся первые результаты. Но в течение многих лет гигантская установка Дэвиса не могла обнаружить солнечные нейтрино. Правда, в самое последнее время Дэвису удалось поймать таинственные частицы. Но все равно их число было намного меньше, чем предсказывали теоретические расчеты.

В чем же дело? Были тщательно перепроверены все теоретические оценки, вновь откалибрована установка, результаты оставались прежними.

В фундаменте физики Солнца возникла первая опасная трещина. Более того, как считают некоторые астрофизики, сейчас зарождается кризис доверия к основополагающим теориям строения и эволюции звезд. Отрицательный результат опытов Дэвиса поставил под угрозу казавшиеся до сих пор неуязвимыми теоретические построения. Этот результат требовал объяснения, и, конечно, теоретики взялись за работу.

Один крупный ученый, советский физик, сказал, что все физики делятся на три категории: теоретики, экспериментаторы и интерпретаторы, то есть люди, которые могут и умеют лишь интерпретировать результаты чужих экспериментов на основании чужих теорий. В случае с детектором Дэвиса огромная армия теоретиков превратилась в интерпретаторов.

Еще бы, кому приятно, когда рубят сук, на котором сидишь. А Дэвис подрубил сук, на котором сидело немало крупных астрофизиков. Понятно, что все они предпринимали попытки исправить ситуацию, которая стала, скажем прямо, угрожающей.

Для решения проблемы нейтрино привлекались самые неожиданные идеи. Некоторые были вызваны отчаянием и беспомощностью.

Приведем лишь один пример. В «Астрофизическом журнале» в 1975 году появилась статья, в которой высказывается предположение, что в центре Солнца находится небольшая черная дыра с массой, примерно равной массе Земли, и радиусом несколько сантиметров. Такая черная дыра сумела бы обеспечить около половины наблюдаемой светимости Солнца. Остальное — за счет протон-протонного цикла. В этом случае Дэвис не смог бы «выудить» из своего бассейна с жидкостью для химчистки необходимого количества нейтрино.

Известный астрофизик В. Фаулер предположил, что скорость ядерных реакций в центре Солнца временно уменьшилась. Значит, уменьшился и поток нейтрино, и именно эту ситуацию мы видим сейчас. Но наружные слои Солнца еще «не знают» того, что произошло в центре. Ведь излучению энергии нужно десяток миллионов лет, чтобы достигнуть наружных слоев нашей звезды. Вскоре все должно прийти в норму, примерно через десять миллионов лет поверхности Солнца достигнет «неполноценный» поток фотонов, рожденный в период спада термоядерной активности солнечного ядра. Светимость Солнца несколько уменьшится, на Земле наступит ледниковый период.

На самом деле все эти цифры не очень точные, но, конечно, очень интересен тот факт, что периоды оледенения Земли совпадают с вариациями светимости, теоретически рассчитанными на основе идеи Фаулера. Тем не менее окончательных подтверждений этой идеи нет.

В общем, недостатка в гипотезах нет. Более того, некоторые теоретики готовы были отказаться от общей теории относительности, чтобы объяснить отрицательные результаты Дэвиса. Цена, как мы видим, немалая. Однако отказ от общей теории относительности повлек бы за собой и другие следствия, которые можно было бы наблюдать. В частности, Солнце должно было быть сплюснутым. Проверки, проведенные на новых телескопах, не подтвердили этого. Общая теория относительности Эйнштейна осталась непоколебимой, а результаты Дэвиса необъясненными.

Как пишет специалист по физике Солнца Р. Нойс из Гарварда, «никакого решения проблемы солнечных нейтрино не видно». А один из ведущих современных астрофизиков, А. Камерон, прямо говорит, что именно проблема нейтрино служит предостережением о необходимости соблюдать осторожность, утверждая, что мы уже разобрались в природе недр Солнца и других звезд.

Сравнительные размеры Солнца, Земли и белого карлика.

Но гипотезы гипотезами, а Солнце упрямо светит каждый день в течение многих миллиардов лет, светит, давая жизнь Земле, светит, определяя климат планет и само их существование. И в общем-то у нас нет сейчас никаких сомнений в том, что желтый карлик питается энергией термоядерного синтеза. Его вкусы постоянны, и он не балует себя разнообразием в пище. Вопрос в том, на какое время хватит ему этой пищи. Ведь в мире нет ничего вечного, и когда-нибудь он начнет испытывать водородный голод, ведь водород-то все время превращается в гелий. Что же тогда случится с нашей звездой?

Модели звезд

Перед тем как мы начнем разбираться в этом на редкость интересном вопросе, полезно познакомиться с моделями звезд. Модель звезды в принципе должна описывать температуру, давление, плотность, химический состав, состояние вещества в любой точке звезды.

Мы не можем наблюдать «внутренности» звезды, и поэтому только расчеты, основанные на использовании известных физических законов, позволяют понять «поведение» звезды, ее физику. Мы никогда не узнаем, с какой степенью приближения соответствует модель истинной структуре космического объекта — звезды. Но сопоставление моделей с данными астрономических наблюдений помогает произвести соответствующие отбраковки.

Сегодня для построения моделей используются мощные ЭВМ; работа эта сложная и кропотливая, хотя в основе ее лежит использование простых физических законов, о которых мы уже говорили. Не будем останавливаться на технике счета моделей, перейдем сразу к наиболее интересному и важному вопросу об устройстве звезд различной массы и светимости. Это будет, собственно говоря, «сухой остаток» огромной работы, начатой еще в 1921 году Эддингтоном.

Итак, верхняя часть главной последовательности.

Там, как мы помним, расположены горячие массивные звезды. Возьмем, к примеру, звезду с массой в 10 солнечных масс и светимостью в 3 тысячи раз больше, чем у Солнца. Расчеты дают следующие характеристики ее структуры.

В центре такой звезды находится конвективное ядро, радиус которого занимает примерно 0,2 от полного радиуса звезды. Причина появления конвективного ядра очевидна: лучистый перенос уже не справляется с откачкой энергии из центральных районов звезды, и поэтому должен включиться механизм конвекции. В центре звезды температура около 27 миллионов градусов, а плотность в 26 раз больше средней. В звезде 90 процентов водорода, 9 — гелия и 1 процент остальных элементов. Согласитесь, что такая звезда устроена достаточно просто, основной источник ее энергии С – N – О-цикл.

Посмотрим теперь, что представляют собой звезды, расположенные на нижней части главной последовательности. Они, разумеется, сильно отличаются от случая, который мы только что рассмотрели. Во-первых, у этих звезд (и в том числе у нашего Солнца) нет конвективного ядра, во-вторых, основной источник энергии — протон-протонный цикл. И наконец, в этих звездах есть внешняя конвективная зона, в которой содержится примерно 10 процентов всей массы звезды, если масса этой звезды составляет 60 процентов от массы Солнца. Конвективная зона образуется из-за повышенной непрозрачности слоя, начинающегося на расстоянии 0,65 от полного радиуса звезды и продолжается почти до поверхности.

Яркая звезда в Трапеции.

В центре звезды плотность выше средней в 20 раз, а температура, естественно, ниже, чем у более массивной звезды, — всего 8,9 миллиона градусов. Химические элементы в этой модели равномерно распределены по всей звезде.

При построении моделей Солнца была учтена неравномерность распределения водорода по радиусу, и тогда получилось, что температура в центре Солнца составляет 14,6 миллиона градусов, а плотность — 134 г/см³.

Итак, все наши модели заметно отличаются друг от друга. Каждая звезда имеет свою структуру — например ядро, или внешнюю конвективную зону. И выражение Эддингтона: «Нет ничего проще, чем звезда», — кажется уже не столь очевидным. А ведь мы пока рассмотрели лишь самые простые модели звезд. Сложности дальше будут расти, как снежный ком.

Рассмотрим, к примеру, модель звезды-гиганта, радиус которой в 21 раз больше радиуса Солнца. Пусть масса гиганта равна 1,3 массы Солнца, а светимость больше в 226 раз. При расчетах структуры такой звезды выяснилась удивительная вещь.

В центре звезды водорода нет, он весь выгорел. Там находится маленькое ядро, состоящее почти целиком из гелия. Радиус его — всего лишь одна тысячная полного радиуса звезды. Поскольку водорода там уже нет, термоядерные реакции в ядре не идут, а температура ядра (40 миллионов градусов) постоянна. Поэтому ядро называется изотермическим. Однако даже 40 миллионов градусов недостаточны, чтобы «зажечь» тройной α-процесс, и источников энергии в ядре нет.

Вокруг ядра расположена тонкая оболочка, в которой идут реакции С – N – О-цикла. Толщина оболочки — чуть меньше радиуса ядра. Далее идет слой, в котором энергия переносится излучением. Толщина его составляет примерно одну пятую радиуса звезды. А далее идут наружные слои гиганта, охваченные бурной конвекцией. Они содержат около 70 процентов массы всей звезды.

Но тогда мы приходим к удивительному выводу. Небольшое ядро гиганта весит почти одну третью его часть. И его плотность составляет 3,5 · 10⁵ г/см³. Другими словами, чайная ложка вещества ядра весит около тонны. Возникает резонный вопрос. Неужели вещество ядра красного гиганта тоже можно считать газом?

Ответ на поставленный вопрос однозначен: «Да». Но газ этот особенный, и, чтобы объяснить все его свойства, мы должны будем поговорить о том, как устроены белые карлики — широко распространенный тип звезд в нашей Галактике. Каковы их основные свойства?

Светимость их очень мала: иногда в тысячи раз меньше солнечной. В то же время масса их примерно равна массе Солнца. Но при солнечной массе эти звезды имеют размеры, сравнимые с размерами планеты.

Сразу же возникает вопрос о температуре внутри такой звезды. Если мы попробуем оценить ее по формуле T = 14(M · R)/(M · R) миллионов градусов, то получим совершенно несуразный и противоречивый результат. Температура получится равной сотням миллионов градусов. Это, в свою очередь, означает что должны идти высокотемпературные реакции, в частности, тройной α-процесс. Крохотные звезды должны выделять огромное количество энергии и светить, как маяки на ночном небе. Но на самом деле их светимость очень мала. В чем здесь дело?

До сих пор во всех «звездных» оценках мы пользовались лишь законом Клайперона и законом всемирного тяготения. Последний исключений не знает. Тогда остается сделать вывод о том, что вещество белого карлика не идеальный газ, и закон Клайперона здесь не работает. Но что же это такое? Быть может, вещество белых карликов жидкость или твердое тело?

Нет. Плотность жидкости или твердого тела не может превышать 20 г/см³. При этой плотности атомы вещества уже предельно тесно расположены друг к другу. Расстояние между ними порядка 10^–8 сантиметра. Но плотность белого карлика больше тонны в кубическом сантиметре. Это означает, что внутри белого карлика нет атомов! Там есть очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов.

Итак, вещество белого карлика — газ, но газ чудовищной плотности. Поведение его никак нельзя описать в рамках законов школьной физики. Здесь уже нужна квантовая механика. Она, и только она, в состоянии объяснить свойства белых карликов.

Великий физик Паули знаменит не только тем, что он предсказал существование нейтрино. Он также ввел в квантовую механику основополагающий принцип, названный его именем — принцип Паули, который запрещает находиться на одной и той же квантовой орбите в атоме более чем двум электронам. Принцип этот универсален, его смело можно назвать законом природы, исключений он не знает.

Но при чем здесь атомы? Ведь спрессованное до немыслимых плотностей вещество белого карлика не содержит атомов. Там есть лишь ядра атомов и электроны. Оказывается, что электронный газ в белом карлике является чисто квантовой системой, и, говоря другими словами, словами квантовой механики, каждый электрон в газе может занимать строго определенное состояние. Но число состояний ограничено, конечно. Более того, число электронов в каком-либо объеме белого карлика больше числа разрешенных состояний.

Тогда, поскольку принцип Паули нарушать нельзя, электроны, находящиеся в одном и том же объеме, должны отличаться друг от друга, должны обладать различными скоростями. Чем больше электронов в одном состоянии, тем больше отличаются их скорости. Электронов много, и все они движутся с разными скоростями в силу принципа Паули. В обычном газе изменение температуры влияет на скорости частиц. В нашем же, электронном газе, где работает принцип Паули, нагревание или охлаждение практически не повлияет на скорости электронов.

Подобный газ называется вырожденным электронным газом. В принципе его можно охладить до абсолютного нуля, а движение электронов все равно будет продолжаться. Поэтому и давление вырожденного газа мало зависит от температуры частиц и определяется лишь плотностью.

Интересно, что в недрах обычных звезд газ не вырожден. «Критическая» плотность вырождения для «нормальной» звезды с температурой в центре около 10 миллионов градусов должна быть больше 1000 г/см³. Как мы знаем, такие плотности там не достигаются. Белые карлики, эти удивительные звезды, обладают еще некоторыми необычными свойствами. Во-первых, их масса тем больше, чем меньше радиус. Во-вторых, существует некоторое предельное значение массы, при котором давление вырожденного газа уже не может сопротивляться воздействию гравитации. Теория показывает, что белых карликов с массой больше чем 1,43 М в природе существовать не может.

Мы забыли сказать несколько слов о причинах светимости белых карликов. Это отнюдь не праздный вопрос. Ведь водорода в них нет, он весь сгорел, а другие реакции в центре карлика, как мы видели, не идут. Но светимость-то, хоть и небольшая, есть. В чем здесь дело?

Во-первых, ядерные реакции могут идти в «атмосфере» белого карлика. Водород из межзвездной среды может попадать на его поверхность и служить затем ядерным горючим в тонком приповерхностном слое звезды. Во-вторых, белый карлик сам по себе имеет огромные запасы тепловой энергии. Время его охлаждения — сотни миллионов лет.

Белые карлики — одно из самых удивительных творений природы. Но, кроме всего прочего, они играют существенную роль в проблемах звездной эволюции. К этому вопросу мы вернемся несколько позже, а сейчас посмотрим снова на изотермическое ядро красного гиганта. Теперь нетрудно видеть, что оно имеет все свойства белого карлика! Но такая сложная структура звезды не может не вызвать следующего вопроса: каким образом в центре гиганта мог образоваться белый карлик — звезда с удивительными свойствами?

Для ответа на поставленный вопрос, хотя на первый взгляд это может показаться и непоследовательным, посмотрим, что будет с нашим Солнцем через миллиарды лет. Ведь и Солнце начнет когда-нибудь стареть. Как это будет происходить?

Для начала вернемся к протон-протонному циклу. Мы уже говорили о том, что водород в центральных частях Солнца потихоньку выгорает. Сегодняшние оценки говорят, что водородной пищи Солнцу хватит еще на несколько миллиардов лет. В течение всего этого огромного промежутка времени в центре Солнца водород постепенно превращается в гелий.

Планетарная туманность NGC 6781.

Планетарная туманность в Лире.

Гелий — нечто вроде золы в огромной ядерной топке Солнца. Только если из обычной печки золу можно убрать, то гелий накапливается, и таким образом у Солнца образуется гелиевое ядро. Процессы слияния ядер водорода в гелий, изменение химического состава приводят в конце концов к тому, что облегчается выход квантов света — фотонов к поверхности звезды, и поэтому светимость Солнца постепенно увеличивается.

Ядерные реакции по протон-протонному механизму уже не смогут идти в ядре, состоящем из гелия, а будут происходить лишь вокруг ядра, как бы в его оболочке. Гелий, образующийся в оболочке, добавляется к ядру, и его масса увеличивается.

Ядро, естественно, начинает сжиматься. Но сжимается оно очень медленно, и энергия сжатия поэтому не успевает выходить из него наружу. И все-таки температура ядра очень медленно повышается. Почему?

И раньше во время нормальной своей работы в центре Солнца плотности газа были велики: более 100 граммов в одном кубическом сантиметре. Газ, который потяжелее воды в сотню с лишним раз! А в процессе сжатия гелиевого ядра этот газ потихоньку начинает вырождаться. Свойства ядра становятся близкими к свойствам металлов. Ну а это означает, что ядро очень хорошо проводит тепло, то есть имеет высокую теплопроводность. Именно поэтому, хоть ядро и сжимается, температура его повышается очень медленно, за счет высокой теплопроводности оно успевает отдать «излишки» тепла наружу.

Итак, ядерные реакции в процессе старения Солнца пойдут вокруг ядра. Но из-за его вырожденности, из-за его высокой теплопроводности энергия здесь не запасается, она «накачивается» в оболочку, и наступит время, когда оболочка «разбухнет» от избытка энергии. В ней разовьются очень бурные конвективные процессы, гораздо более мощные, чем в сегодняшнем Солнце. Этот процесс займет немного времени, какие-нибудь миллионы лет.

Нет, не беспокойтесь, ведь мы помним, что все эти катаклизмы начнутся скорее всего через несколько миллиардов лет, так что пока развитию нашей цивилизации со стороны термоядерных реакций на Солнце прямой угрозы нет. Ну а загадывать, что будет с человечеством даже через тысячу лет, даже при спокойном Солнце, дело гораздо более сложное, чем прогнозировать поведение светила через пару миллиардов лет. Ведь поведение человечества нельзя описать точными физическими законами.

Итак, Солнце вновь раздуется, закипит, да так, что здесь уже и от планет земной группы вряд ли что-нибудь останется, кроме оплавленных камней. Светимость Солнца возрастает при этом чудовищном кипении в тысячу с лишним раз, да еще вдобавок к этому оно станет очень большим. Короче говоря, наш желтый карлик станет красным гигантом.

Размеры этого гиганта огромны. Солнце может «раздуться» до орбит Меркурия или даже Земли. А затем красный гигант сбросит с себя все, кроме того, что находится у него в центре. Это очень интересный процесс, до конца не понятый современной астрофизикой. Почему звезда «хочет» избавиться от лишней массы? Почему она с колоссальной энергией выбрасывает часть своего «тела» в пространство?

Эти процессы связаны с нарушением равновесия. Только за один год Солнце может потерять одну миллионную часть своего веса. Гигант начнет худеть. И за какие-нибудь десять-сто тысяч лет от него останется лишь центральная часть — ядро, о котором мы уже говорили. Гигант как бы сбросит все, что оказалось ненужным ему на этой стадии эволюции.

Звездная материя образует около оставшегося ядра так называемую планетарную туманность, которая постепенно исчезнет, рассеется в космическое пространство. Этот своеобразный звездный стриптиз приведет к тому, что рано или поздно на месте Солнца останется только его гелиевое ядро — белый карлик.

Мы уже говорили о свойствах ядра, которое представляет собой вырожденный газ. Возможно, дальнейшая судьба белого карлика определяется его массой и температурой. В случае нашего Солнца есть вариант, при котором белый карлик будет просто остывать в течение миллионов лет и превратится в «черный карлик» — холодную маленькую звезду размером с земной шар, которую из какой-нибудь другой планетной системы и наблюдать-то невозможно.

И белый и черный карлик полностью оправдывает свое название: это действительно карликовые звезды. Мы помним, что спутник одной из ярчайших звезд, Сириуса, — белый карлик. Диаметр его всего-навсего 4200 километров, меньше, чем диаметр Земли. Называется он Сириус В. А пример эволюции Солнца, который мы сейчас (в сильно упрощенном виде) рассмотрели, приводит нас к более общей проблеме — проблеме эволюции звезд вообще.

Эволюция звезд

Мы уже рассмотрели достаточно подробно протозвездный этап эволюции. После фрагментации часть облака сжимается в протозвезду, и, когда включаются протон-протонные реакции (или C – N – О-цикл), протозвезда становится звездой, поскольку именно тогда гравитация и газовое давление в точности уравновешивают друг друга. Звезда «прописывается» на главной последовательности, но «место прописки» зависит от массы звезды. Звезды большой массы располагаются вверху диаграммы Герцшпрунга — Рессела, маломассивные звезды — в ее нижней части.

По сравнению с временем протозвездной стадии период пребывания на главной последовательности велик. Звезды медленно меняют свои характеристики, находясь на главной последовательности, но все таки меняют. Запасы ядерного горючего в них ограниченны. Кроме того, наблюдаются смены тепловых режимов. Так что изменения со звездами происходят. Наша задача — посмотреть, как они идут у звезд различной массы.

Перетекание вещества в двойной системе с образованием аккреционного диска.

Оценки показывают, что у звезды с массой в одну четвертую часть массы Солнца водород будет гореть в протон-протонном цикле около 70 миллиардов лет. Это означает, что даже самые старые из звезд малой массы за время существования Вселенной не успели выжечь свой водород и уйти с главной последовательности. Поэтому многие астрофизики считают вопрос об эволюции таких звезд малоинтересным и тривиальным.

Действительно, все изменения в звезде сводятся к тому, что немного увеличивается ее яркость, слегка уменьшается температура (за счет изменения радиуса). Вот, собственно говоря, и все. Структура звезды очень долгое время остается без изменений. Более того, в звездах с массой меньше 0,08 М термоядерные реакции вообще не зажигаются, так как температура в их недрах оказывается недостаточной для этого. Такие звезды сразу переходят в состояние вырожденных красных карликов.

Теперь о жизненном пути более массивных звезд. Возьмем, к примеру, звезду с массой, равной пяти солнечным. Как мы уже знаем, такие звезды всегда имеют конвективное ядро. В нем водород сгорает достаточно быстро — всего за 64 миллиона лет. После сгорания водорода, по мере затухания протон-протонного цикла звезда начинает сжиматься. Эта стадия занимает еще меньше времени — около двух миллионов лет.

Но по мере сжатия звезды увеличивается как температура ядра, так и температура прилегающих к нему областей. В ядре водород уже выгорел, оно состоит из гелия, а в околоядерном районе водорода вполне достаточно. И вот по прошествии двух миллионов лет загорается в термоядерных реакциях водород в тонком слое около ядра. Теперь внутренняя часть звезды имеет гелиевое изотермическое ядро, окруженное слоевым источником термоядерных реакций.

Пока это немного напоминает структуру центральных частей красного гиганта, внутри которого также находится изотермическое ядро. По мере горения водорода в околоядерной области сходство звезды с красным гигантом становится все больше и больше. Оценки показывают, что сжатие звезды должно смениться расширением, и внешние слои звезды становятся конвективными. Звезда переходит в стадию красного гиганта.

Весь этот процесс, начиная с момента возгорания водорода в околоядерной области и кончая стадией красного гиганта, занимает немногим более двух с половиной миллионов лет. Мы видим, что массивная звезда ведет очень бурную, богатую событиями жизнь. За ничтожный по космологическим масштабам срок (менее 70 миллионов лет) она успевает полностью изменить свой облик. Но это еще не все.

Фаза красного гиганта — финишная прямая для более легких звезд. Мы разбирали уже пример с Солнцем. Наша более массивная звезда будет продолжать свою жизнь дальше. Расчеты показывают, что после фазы красного гиганта снова начинается сжатие. Температура в центре звезды повышается, и когда она достигнет ста миллионов градусов, включается тройной α-процесс — синтез углерода из гелия. Мы видим в этот момент (еще через 6 миллионов лет) на небе яркую горячую звезду.

Далее история повторяется. Гелий выгорает в ядре, образуя углеродную центральную часть с гелиевой околоядерной областью — слоевым источником термоядерных реакций. Потом звезда снова расширяется, переходя в стадию сверхгиганта. Этот процесс занимает около десяти миллионов лет.

Таким образом, достаточно массивные звезды довольно быстро уходят с главной последовательности, образуя семейство гигантов. Красные гиганты, в свою очередь, превращаются со временем в карликовые звезды, о которых мы уже говорили. Эта общая тенденция хорошо согласуется с различными наблюдательными данными. Но тем не менее следует иметь в виду, что мы сейчас рассматривали эволюционный путь одиночной звезды.

Может возникнуть вопрос об эволюции звезд с массой большей, чем пять масс Солнца. Попробуем хотя бы качественно ответить на последний вопрос. Вспомним, что чем больше масса звезды, тем больше температура в ее центральных частях. Поэтому вполне возможны варианты, при которых образуется не только гелиевое ядро. В последующих циклах термоядерных реакций могут получиться углеродно-кислородный, магниевый, а быть может, и железный белый карлик.

Что касается эволюции звезд в двойных системах, то здесь, безусловно, есть свои интересные особенности.

Еще в 1951 году советские ученые заметили одно весьма необычное явление. В тесных двойных системах компонент с большей светимостью обладал заметно меньшей массой. Этот парадокс получил название «парадокса Алголя», мы уже упоминали об этой знаменитой звезде. Действительно, астрономы столкнулись здесь с необычной ситуацией. Массивный компаньон двойной системы вел себя «нормально», то есть находился на главной последовательности, а менее массивная звезда почему-то явно приближалась по своей светимости к «субгигантам».

Объяснение этого факта оказалось нетривиальным.

Предположим, что звезда высокой светимости когда-то задолго до настоящего времени обладала большей массой и превратилась в красного гиганта с раздувшейся оболочкой. Оболочка, естественно, слабо связана со звездой. В этом случае второй компаньон пары начинает перетягивать на себя вещество гиганта, и в конце концов масса его становится больше массы гиганта. Звезда в этом случае начинает эволюционировать быстрее, она тоже превращается в гиганта, а тогда сосед, в свою очередь, перетянет часть массы на себя и т. д.

Попеременный обмен массой хорошо объясняет тот факт, что подавляющее большинство взрывающихся и вспыхивающих звезд принадлежит к двойным системам. Процесс перекачки массы объясняет и «парадокс Алголя», поскольку светимость ставшей менее массивной компоненты системы почти не изменяется во время перекачки. А почему, собственно, в двойных системах должны наблюдаться вспышки?

Иногда маленькое пятнышко на фотопластинке задает столько загадок, что на решение их уходят многие и многие годы. Примерно пятьдесят лет назад были на небе обнаружены объекты особого класса, спектры которых указывали на присутствие красного гиганта радиусом в 200 раз больше солнечного внутри горячего газового облака. Гигант сам не сумел бы столь сильно нагреть облако, и поэтому предполагалось, что внутри облака гигант имеет горячий невидимый спутник. Кроме того, некоторые особенности излучения этих объектов лучше всего объясняются наличием маленького горячего спутника, расположенного вплотную к своему гигантскому соседу. Такие пары получили название симбиотических звезд.

Ясно, что именно в симбиотических парах процессы приливного перетекания вещества будут особенно эффективны. Но каким образом перетекание инициирует вспышку?

Существует две модели этого явления. Согласно одной из них вокруг горячего спутника вследствие перетекания образуется аккреционный диск. Вещество гиганта не может попасть непосредственно на поверхность спутника из-за высокой скорости их взаимного обращения. В процессе своего формирования диск разогревается примерно до 100 тысяч K и становится мощным источником излучения. Это излучение и выбрасывает из симбиотической системы большие количества вещества.

Другая модель также связана с переносом вещества от красного гиганта к партнеру. Но если в дисковой модели в принципе неважно, какая звезда является партнером (главную роль играет диск), то в новой модели компаньоном гиганта должен быть белый карлик. Вещество гиганта, перетекая на карлик, накапливается на его поверхности. Но это вещество — водород! Он образует оболочку, которая постепенно разогревается излучением карлика. В конце концов температура в оболочке поднимается настолько, что в ней начинаются термоядерные реакции — происходит вспышка. При этом выбрасываются значительные массы вещества — до одной десятитысячной массы Солнца.

Существование подобных вспышек не вызывает никаких сомнений. Они хорошо известны астрономам, наблюдавшим двойные системы. На месте очень слабой звездочки вдруг появляется яркая звезда, светимость которой в десятки и сотни тысяч раз превышает светимость Солнца. Через некоторое время, исчисляемое обычно месяцами, ее светимость уменьшается, и она становится видной на небе как карликовая звезда низкой светимости. Такие звезды получили название «новых». Ежегодно у нас в Галактике вспыхивает несколько десятков новых звезд. Зажигаются новые и в других галактиках.

Мы видим, что эволюция звезд в двойных системах может проходить весьма причудливым образом. Сюрпризы двойных систем бывают иногда особенно неожиданны. Возьмем, например, так называемые звезды-бегуны. Это горячие яркие звезды спектрального класса О. Нормальные звезды этого класса имеют сравнительно небольшие скорости движения по отношению к другим звездам — около 10 км/сек. Но есть звезды этого же класса — бегуны, которые двигаются со скоростями, в десять раз большими! Вдобавок они всегда одиночны. Почему?

Представим себе двойную систему, в которой компаньоны вращаются вокруг общего центра масс, подчиняясь закону всемирного тяготения. В принципе такая система очень устойчива. Но если более тяжелый компонент по какой-либо причине взорвется и заметная часть массы в результате взрыва быстро покинет двойную систему, устойчивость нарушится, и второй компаньон, как камень, выброшенный из пращи, улетит из системы. Именно подобный механизм и вызывает появление на небе звезд-бегунов.

Отвлечемся от двойных систем и обратим внимание на еще один необычный тип звезд: «бурые карлики». Значение их велико в первую очередь для проблемы космологии. Бурые карлики — это субзвезды, газообразные тела с размерами в несколько раз больше Юпитера. При их гравитационном сжатии выделяется тепловая энергия, которая производит достаточное количество тепла для их довольно тусклого свечения, но которой явно не хватает, чтобы вспыхнули термоядерные реакции. Ясно, что время свечения таких объектов по космологическим меркам невелико — миллионы лет, и астрономам крупно повезло, когда сравнительно недавно такая субзвезда была обнаружена в 28 световых годах от Солнца.

Значение же этих объектов для космологии состоит в том, что бурые карлики наряду с нейтрино и черными дырами могут быть компонентами «скрытой» массы Вселенной. В принципе, пространство между звездами может быть заполнено бесчисленными бурыми карликами, которые просто-напросто довольно быстро «умирают» — перестают светить и становятся недоступными для наблюдений.

Мы сейчас довольно бегло обсудили эволюцию звезд различной массы, остановившись, естественно, на наиболее общих закономерностях. Это обсуждение никоим образом не исчерпывает всего разнообразия явлений, происходящих в мире звезд. А некоторые из этих явлений были известны людям тысячи лет тому назад.

Взрывающиеся звезды

В 1915 году центральное бюро астрономических сообщений получило телеграмму следующего содержания: «Звезда раздувается и лопается». Телеграмма была направлена в связи с очередной вспышкой новой. Мы помним, что при вспышке светимость новой в сотни тысяч раз может превышать светимость Солнца. А может ли звезда светить так же, как миллиарды Солнц?

На первый взгляд подобный вопрос кажется абсурдным. И тем не менее во Вселенной происходят поражающие воображение человека явления поистине циклопических масштабов, когда одна звезда вдруг становится почти столь же яркой, как гигантская, содержащая сотни миллиардов звезд галактика.

В 1885 году в астрономической обсерватории в Тарту была обнаружена новая звездочка. Располагалась она поблизости от центра туманности Андромеды и имела блеск примерно 6,5 звездной величины. А это значит, что, обладая хорошим зрением, ее можно было наблюдать и без оптических инструментов. Поскольку сама туманность Андромеды имеет блеск 4,4^m, сразу становится ясно, что в этом случае блеск отдельной звезды лишь в четыре с небольшим раза слабее блеска гигантской галактики, превышающей по своим размерам нашу.

Однако в то время мало что было известно о структуре галактик и расстоянии до них. Поэтому открытию 1885 года не было придано никакого значения. А ведь знай тартуские астрономы о том, что туманность Андромеды находится от нас на расстоянии свыше 2 миллионов световых лет и содержит сотни миллиардов звезд, они, бесспорно, смогли бы оценить всю грандиозность открытого ими явления, когда одна-единственная звезда светила ярче многих миллиардов звезд.

В 1895 году в NGC 5253 вспыхнула звезда, блеск которой превышал блеск всей галактики в 100 раз! Конечно, NGC 5253 гораздо меньше туманности Андромеды, но тем не менее и в ней есть несколько миллиардов звезд. В 1972 году в NGC 5253 снова зарегистрировали чудовищный взрыв. За последние 90 лет астрономы наблюдали около 100 подобных катаклизмов. Для того чтобы отличить эти вспышки от вспышек обычных новых, в 1934 году американские астрономы Ф. Цвикки и В. Бааде предложили называть новый класс объектов «сверхновыми».

Нельзя, конечно же, говорить о том, что лишь в первой половине XX века люди смогли оценить грандиозный масштаб этого явления. В записях китайских и японских астрономов мы находим описание неожиданно появившейся на небе звезды — «звезды-гостьи». Она вспыхнула в 1054 году и была много ярче Венеры. За последнюю тысячу лет в нашей Галактике наблюдалось пять сверхновых: в 1006, 1054, 1572, 1604, 1667 годах. Остальные вспышки происходили в других галактиках.

Изучая зависимость блеска сверхновых от времени, астрономы установили, что существует два типа «кривых блеска» у сверхновых. В первом случае имеется ярко выраженный и достаточно продолжительный максимум блеска (до месяца), после которого блеск звезды линейно спадает. Во втором случае максимумы блеска выражены гораздо хуже, а спад блеска существенно круче.

Выделение двух групп кривых блеска и исследование спектров при вспышках позволило подразделить сверхновые на два типа — сверхновые I типа и сверхновые II типа. Очень скоро выяснилось весьма интересное и довольно загадочное обстоятельство. Оказалось, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, в то время как в спиралях возгораются сверхновые как II, так и I типов. Этот наблюдательный факт чрезвычайной важности сразу позволил связать теорию звездной эволюции с характеристиками сверхновых.

Дело в том, что в эллиптических галактиках нет массивных звезд. Звездное население этих галактик составляют главным образом звезды, масса которых близка к массе Солнца. Там (в эллиптических галактиках) рождение звезд давно прекратилось, и основную часть населения составляют очень старые, маломассивные звезды.

Остатки взрыва сверхновой в Крабовидной туманности.

Естественно, что миллиарды лет тому назад и в эллиптических галактиках были массивные звезды. Но они давно прошли или стадию красных гигантов, или еще один интересный этап, о котором речь пойдет ниже. В любом случае ясно, что сверхновые I типа до взрыва представляют собой старые звезды малой массы, порядка массы Солнца или чуть больше.

Но ведь когда мы обсуждали судьбу Солнца, мы видели, что никакие взрывы ему не грозят. Стадия красного гиганта, планетарная туманность, белый карлик — вот стандартный путь звездной эволюции.

Астрономам-наблюдателям хорошо известен факт образования планетарных туманностей. В нашей Галактике ежегодно образуется несколько таких объектов, и, следовательно, ровно такое же число звезд с массой, примерно равной солнечной, заканчивают свой путь на главной последовательности, превращаясь в белые карлики.

Однако примерно один раз в 50–100 лет происходит вспышка сверхновой I типа. Важно, что взрывается звезда с массой, примерно равной массе Солнца. Значит, в одном из ста случаев мы имеем отклонение от стандартного пути звездной эволюции. Сотня звезд «идет в ногу» по главной последовательности к закономерному концу, а одна уходит с проторенной дороги и идет своим путем. Почему?

Гипотез здесь, естественно, немало, но «хорошего» ответа на этот интригующий вопрос нет. Мы поговорим о некоторых моделях взрывов сверхновых I типа. Но, перед тем как перейти к описанию природных процессов, приводящих звезду к драматическому финишу, остановимся вкратце на некоторых сравнительных характеристиках вспышек сверхновых I и II типа.

При взрывах звезд выбрасывается огромное количество вещества. При вспышках новых оно достигает 10^–4–10^–5 массы Солнца. А при взрыве сверхновой II типа масса выброшенного газа превосходит массу Солнца. Образуется огромная оболочка, туманность, существующая десятки тысяч лет. Но если во время взрыва выбрасывается столь большая масса, то это неопровержимо свидетельствует о том, что взорвалась достаточно массивная звезда. Вывод этот подкрепляется оценками, согласно которым при взрыве сверхновой I типа образуется оболочка с массой «всего» в 0,1 массы Солнца.

Итак, в случае сверхновых I и II типов мы имеем дело с грандиозными взрывами. Каков механизм этих взрывов и в чем их причина? Это очень трудный вопрос, и мы начнем его обсуждение со сверхновых II типа. Здесь ясности больше, хотя, конечно, и в этом случае понятие ясностей весьма относительно, поскольку природа не очень-то прислушивается к расчетам теоретиков.

В предыдущем разделе мы утверждали, что судьба звезды, вообще говоря, определяется ее массой. Мы подчеркивали, что у массивных звезд ядро может претерпевать ряд превращений, когда идет последовательная смена циклов термоядерных реакций — протон-протонный, C – N – О, тройной α-процесс. Когда в ядре истощается гелий, начинается горение углерода с образованием более тяжелых элементов.

Во всей этой цепочке событий могут возникнуть некоторые неустойчивые состояния ядра звезды, которые «столкнут» ее с обычного эволюционного пути и превратят в сверхновую II типа. Хорошо известно, например, что скорость генерации энергии в термоядерных реакциях очень чувствительна к температуре. Повышение температуры повышает давление в ядре, а это, в свою очередь, приводит к расширению и охлаждению ядра, и такая обратная связь поддерживает постоянный уровень температуры.

Остатки взрыва сверхновой в NGC 6992.

Но если этот механизм обратной связи хорошо работает в протон-протонном цикле, то в реакциях с участием углерода температурная зависимость для выхода энергии гораздо более сильная, чем в протон-протонном цикле. При некоторых условиях процесс горения углерода в центре красного гиганта может принять катастрофический характер и полностью взорвать звезду. В этом, кстати говоря, и состоит некоторая трудность модели: звезда должна взорваться без остатка, а наблюдения показывают, что взрывы некоторых сверхновых оставляют после себя в качестве остатков очень интересные объекты — нейтронные звезды.

Можно представить себе и несколько иной ход событий. Горение углерода проходит без катастрофы. Но тем не менее ядро звезды очень горячее, и в нем будет образовываться множество нейтрино. Чрезвычайно слабо взаимодействуя с веществом, они могут уносить большое количество энергии. Интересно, что этот процесс называется URCA-процессом (по-русски читается УРКА). Читатели, знакомые со слэнгом, оценят точность термина, поскольку нейтрино уносят энергию незаметно, «тайком». (Автор термина знаменитый физик Гамов говорил, что в Рио-де-Жанейро есть казино URCA, где игроки незаметно теряют деньги. Звезды также незаметно теряют энергию в процессе испускания нейтрино).

Гибель гипотетической планетной системы, когда центральная звезда вспыхивает как сверхновая.

Теряя постепенно энергию, ядро звезды все больше сжимается и нагревается. Наконец оно вступает в стадию катастрофического сжатия — коллапса. В конце этой стадии происходит всплеск нейтринного излучения высокой энергии. Оболочка взрывается, а ядро коллапсирует в нейтронную звезду или черную дыру.

Рассмотрим эти процессы несколько подробнее, с привлечением некоторых других идей. Пусть мы имеем достаточно массивную звезду с массой больше десяти солнечных масс. Температура в центре такой звезды — несколько миллиардов градусов, гелия и водорода там уже нет. Такая звезда очень быстро эволюционирует, образуя в центре железное ядро.

Она имеет к этому моменту времени достаточно сложную структуру. Железное ядро окружено углеродно-кислородной «мантией», содержащей потенциальное ядерное горючее, легкие элементы. Самые внешние слои звезды представляют собой смесь водорода и гелия. Мы уже говорили о ядре, в котором идет горение углерода. В железном ядре ядерное горючее исчерпано, тем не менее звезда огромными темпами теряет энергию за счет УРКА-процесса. В то же время происходит увеличение температуры ядра за счет его сжатия.

Можно представить себе, к чему приводит рано или поздно рост температуры ядра. Ядра железа при некоторой критической температуре начнут разваливаться на нейтроны и ядра гелия-4. Это очень важный момент, так как начиная именно с него рост температуры прекращается, поскольку большая часть энергии идет на диссоциацию ядер железа. Дополнительно к этому огромная энергия уносится нейтрино.

Все это приводит к тому, что ядро теряет упругость, начинает катастрофически сжиматься, причем время этого сжатия очень мало меньше секунды. Естественно, оболочка начинает падать на ядро. Плотность и температура ее при этом резко возрастают, и в результате она взрывается, как чудовищная термоядерная бомба. Таким образом, мы видим здесь сочетание двух процессов — гравитационного коллапса ядра и термоядерного взрыва оболочки. Первый процесс обеспечивает энергией нейтрино и процессы диссоциации ядер, второй, собственно говоря, — прямое следствие первого.

В какой мере приведенную выше картину взрыва сверхновой II типа можно считать обоснованной? Полной теории этого явления не существует. Не совсем ясно, как происходит коллапс ядра. Многие расчеты говорят, что коллапс приводит к появлению черной дыры, в то время как наблюдательные данные свидетельствуют о том, что остатком взрыва сверхновой II типа является нейтронная звезда. Мы также не говорили о роли вращения, которое в принципе может прекратить на определенном этапе сжатие ядра.

Остатки взрыва в созвездии Лисички.

Но если в изучении процессов сверхновых II типа определенный прогресс налицо, то со сверхновыми I типа дело обстоит гораздо хуже. Мы уже говорили, что сверхновая I типа возникает в результате взрыва обычной звезды с массой, близкой к массе солнца. Что мешает ей превратиться в белый карлик?

Здесь нет единой точки зрения. Существует гипотеза, согласно которой взрыв сверхновой I типа связан с эволюцией звезды, находящейся в тесной двойной системе, с перекачкой материала на белый карлик. Механизм перекачки таков, что масса белого карлика постепенно увеличивается, переходя некоторый предел (предел Чандрасекара), после чего он начинает коллапсировать и сбрасывать оболочку.

Подчеркнем еще раз, что законченной теории, полностью объясняющей путь эволюции звезд, вспыхивающих, как сверхновые, нет. Поэтому проблема сверхновых — одна из узловых проблем современной астрофизики. Она тесно связана с пульсарами, черными дырами, космическими лучами и нуклеосинтезом.

Что же остается после чудовищных взрывов звезд? Прежде всего сброшенные при вспышке внешние слои звезды, разлетающиеся со скоростью около 10 тысяч км/сек. Именно по этому признаку (большая скорость) остатки от вспышек сверхновых отличаются от других туманностей, например планетарных, расширяющихся со скоростью порядка десятков километров в секунду.

Из-за огромной мощности взрыва оболочка при разлете сгребает межзвездный газ, и общая картина остатков взрыва получается довольно сложной. Ведь масса выметенного при взрыве межзвездного газа достигает 8 тысяч солнечных масс. Несмотря на масштабы процесса, мы можем наблюдать его ограниченное время.

Непосредственно после взрыва в течение сотен лет можно видеть так называемые оптические остатки сверхновой. В течение десятков тысяч лет можно будет исследовать послевзрывные процессы, изучая рентгеновское и радиоизлучение остатков вспышек сверхновых. Однако через сотни тысяч лет и это станет невозможным. Астрономам останутся для наблюдения лишь пульсары, радиоизлучение которых будет последним свидетелем происшедшей катастрофы.

Здесь мы сталкиваемся с процессами гибели и рождения звезд. Гибнет гигант и во время своей гибели, проходя этап катастрофического взрыва, порождает, оставляет вместо себя чудовищного карлика — нейтронную звезду с совершенно экзотическими свойствами.

Звезда эта устойчива: силы гравитации огромны, но давление вырожденной нейтронной жидкости еще может уравновесить эти силы. Однако, если масса ядра звезды более трех масс Солнца, силы тяготения выигрывают схватку. Ничто уже не в состоянии противостоять им, гравитационный коллапс здесь неизбежен, и на любой стадии этого коллапса равновесной конфигурации не существует. А это значит, что силы гравитации будут сжимать вещество звезды в состояние с бесконечной плотностью, в точку. Говоря другими словами, некоторые массивные звезды должны в конце своей жизни превратиться в черные дыры.

И нейтронные звезды и черные дыры являются релятивистскими объектами — объектами, в окрестности которых особенно выпукло проявляются следствия из общей теории относительности Эйнштейна.

Рассмотрим некоторые из них. К примеру, как внешний наблюдатель опишет гравитационный коллапс звезды с образованием черной дыры?

Естественно, легче всего наблюдать за изменением светимости звезды. Ясно, что во время коллапса до перехода через шварцшильдовский радиус звезда наблюдаема, и ясно, что число фотонов, которое она испускает, в худшем случае постоянно (или увеличивается). Тем не менее такая звезда погаснет «на глазах у изумленной публики» за доли секунды. «Последний вздох» коллапсирующей звезды очень короток.

Казалось бы, это утверждение противоречит тому, что для далекого неподвижного наблюдателя время достижения звездой гравитационного радиуса бесконечно велико. Ну а если это время бесконечно, то и звезда должна была бы светить бесконечно долго. Но это не так. Яркий пример относительности хода времени для внешнего наблюдателя и наблюдателя, «коллапсирующего» вместе со звездой, — это ход времени при наличии сильного гравитационного поля.

Свет от коллапсирующей звезды будет катастрофически краснеть при стремлении звезды к горизонту событий. Это вызвано как эффектом Доплера, поскольку поверхность коллапсирующей звезды непрерывно удаляется от нас, так и гравитационным покраснением квантов света. Что такое обычный эффект Доплера, мы с вами знаем. Но что такое гравитационное покраснение, или, точнее, гравитационное красное смещение?

Вспомним, что свет сам по себе — следствие различных колебаний в атомах и молекулах, переходов электронов с одного энергетического уровня в атоме на другой. Процессы эти, практически мгновенные в земной практике из-за сверхсильных гравитационных полей, могут показаться внешнему наблюдателю очень медленными. Ведь чем больше промежуток времени между двумя колебаниями, тем больше длина волны и тем меньше частота. Значит, действительно по мере приближения поверхности коллапсирующей звезды к гравитационному радиусу внешней наблюдатель будет видеть звезду, непрерывно изменяющую свой спектр (в сторону все более длинных волн).

Но, кроме того, и интенсивность света также будет падать, так как по часам внешнего наблюдателя промежутки времени между испусканием квантов света также будут увеличиваться, а следовательно, будет уменьшаться интенсивность светового потока. Проделанные оценки показывают, что коллапсирующая звезда с массой в два раза больше массы Солнца практически погаснет для внешнего наблюдателя за 2 · 10^–5 секунды. Конечно, до достижения гравитационного радиуса фотоны будут еще выходить из звезды. Но нам от этого не легче. Что толку, если от этой звезды придет, грубо говоря, один квант света в год?

Говоря об эффектах ОТО в сильных гравитационных полях, нельзя не рассказать более подробно, как ведут себя световые лучи в окрестностях черной дыры.

В 1918 году астрономы попытались провести первые эксперименты по проверке общей теории относительности. В этом году произошло полное солнечное затмение, и во время наблюдений за ним удалось заметить отклонение лучей света в поле тяготения Солнца. Эксперимент подтвердил гениальное предсказание Эйнштейна. И хотя в окрестностях Солнца эффект искривления светового луча невелик, он достаточен для прямых наблюдений.

Поле тяготения черной дыры неизмеримо сильнее поля тяготения Солнца, и эффекты ОТО должны проявляться там гораздо заметнее. И действительно, расчеты показали, что свет, проходящий поблизости от черной дыры, будет гравитационно захвачен ею. На расстоянии, равном примерно полутора шварцшильдовским радиусам, существует воображаемая окружность, на которую световой луч будет «навиваться». Если луч проходит от дыры на более близком расстоянии, он будет поглощен ею.

Мы видим, что возможно столь сильное искривление луча света, что фотоны могут двигаться по замкнутой окружности. Отметим, что движение это неустойчиво. При малейшем возмущении квант света улетит с этой орбиты либо в гравитационную могилу, либо снова в космическое пространство.

Ряд дополнительных интересных эффектов возникнет в случае с вращающейся черной дырой. Дело в том, что Шварцшильд получил свое решение для неподвижной черной дыры, а в природе, по всей видимости, этот случай не должен иметь места вообще. Ведь нейтронные звезды вращаются очень быстро, а поскольку и нейтронные звезды, и черные дыры — продукт эволюции массивных звезд, черные дыры также должны иметь собственное вращение.

Вообще говоря, скорость вращения и масса полностью определяют свойства черной дыры. Есть еще, правда, электрический заряд, но все-таки большинство объектов во Вселенной можно считать электрически нейтральными, и поэтому главные параметры черных дыр — масса и вращение. Никакое другое свойство вещества, участвующего в образовании черной дыры, не передается ей «в наследство».

Если, к примеру, нам надо рассказать о Земле, мы должны знать ее форму, размеры, плотность, движение, параметры ее недр, поверхности, атмосферы. Черная дыра в этом смысле намного проще. Зная лишь ее массу и вращение, мы можем описать достаточно строго почти все ее свойства и характеристики. Я специально использовал здесь слово «почти», поскольку проблема сингулярности продолжает и, видимо, еще долгие годы будет продолжать как дамоклов меч висеть над всей современной физикой.

Итак, если черная дыра вращается, мы сталкиваемся с целым рядом новых ситуаций. Основное свойство вращающейся дыры состоит в том, что вокруг нее образуется область пространства-времени с весьма необычными свойствами, называемая эргосферой. Эта область ограничена воображаемой поверхностью, которая называется пределом стационарности. Между горизонтом событий и пределом станционарности ничто не может оставаться в покое, там само пространство-время как бы закручивается вокруг оси вращения черной дыры.

Лучи света, попавшие в эргосферу, даже если они шли по направлению к центру дыры, также будут крутиться там, хотя, впрочем, они могут и покинуть эту область. Космический корабль, залетевший в эргосферу, тоже может покинуть ее, но ничто не может внутри эргосферы быть неподвижным.

Экватор предела стационарности вращающейся черной дыры имеет одинаковый диаметр с горизонтом событий невращающейся черной дыры той же массы. Процесс вращения дыры приводит к одной удивительной возможности, на которую впервые обратил внимание английский физик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 году. Он доказал, что из эргосферы черной дыры можно черпать энергию.

Если какое-то тело попадает в эргосферу и разделяется там на две части таким образом, что одна из них будет двигаться к горизонту событий, а другая в противоположную сторону, то эта вторая часть будет подхвачена гравитационным вихрем эргосферы и выброшена с огромной скоростью из нее. Заметим, что энергия осколка будет превышать первоначальную энергию исходного тела.

Поскольку законы сохранения вещь незыблемая, должна уменьшаться общая энергия дыры. Ясно, что из самой дыры мы ничего извлечь не можем, по определению, а следовательно, энергия черпается из эргосферы за счет уменьшения энергии вращения дыры, замедления вращения.

Оценки показывают, что если бы можно было построить машину, использующую в качестве источника энергии эргосферу черной дыры, то такая машина от момента ее пуска до остановки (прекращения вращения дыры) дала бы количество энергии, равное примерно тридцати процентам первоначальной массы — энергии вращающейся дыры. Это огромная величина, поскольку термоядерные реакции могут превратить в энергию лишь один процент массы вещества.

Таким образом вращающиеся черные дыры могут быть в принципе самыми мощными источниками энергии во Вселенной.

Можно представить себе и такую фантастическую картину. Облучая потоком электромагнитного излучения вращающуюся черную дыру, при определенных условиях мы можем заставить ее работать как гигантский усилитель, который будет выдавать из эргосферы поток гораздо более интенсивный, чем тот, который падал на черную дыру. Это явление названо суперрадиацией.

Если теперь окружить дыру искусственной сферой, то усиленные волны будут отражаться от поверхности сферы, попадать в эргосферу дыры, усиливаться, вновь отражаться и т. д. Если сфера сплошная, то такое устройство будет работать как накопитель энергии, и рано или поздно энергия излучения внутри сферы разорвет ее. Такая — к счастью, чисто умозрительная — конструкция получила название гравитационной бомбы. Мы видим теперь, что слово «эргосфера» (от греческого слова «эргон» — работа) действительно имеет глубокий смысл, из нее (из эргосферы) можно черпать энергию.

Мощнейшим источником энергии может быть и гравитационное поле невращающейся дыры. К примеру, газопылевые облака, падая на черную дыру, друг с другом будут сталкиваться еще до того, как дыра поглотит их. В процессе столкновения они будут нагреваться до очень высоких температур и излучать огромное количество энергии задолго до того, как исчезнут за горизонтом событий. Кстати говоря, именно подобные процессы и лежат в основе возможности наблюдения черных дыр.

Но что же все-таки происходит под горизонтом событий? Человек не был бы человеком, если бы не попытался ответить на этот вопрос.

Таких попыток за последние годы было сделано немало. И, конечно же, все они сталкивались с барьером сингулярности. Заметим, что при обсуждении проблемы сингулярности появился так называемый принцип космической цензуры, согласно которому любая сингулярность всегда образуется только в пределах горизонта событий: голых сингулярностей быть не может. Многие ученые рассматривали вращающиеся черные дыры как своеобразные перемычки между различными Вселенными. Они, эти перемычки, могли бы в принципе дать возможность путешествий в другие миры. Именно таким образом предполагалось осуществить связь с иными цивилизациями.

Более того, высказывались мысли об использовании черных дыр для путешествий во времени. Но в последние годы все чаще и чаще высказываются сомнения по поводу использования дыр как «транспортного» средства.

Полностью надежды по поводу этих фантастических возможностей не исчезли. Они основываются на том, что нет еще окончательной ясности, что же на самом деле происходит внутри вращающейся черной дыры. Пока ясно лишь одно: дыры звездной массы полностью непригодны для любых путешествий чисто по техническим причинам.

Представим себе космический корабль, приближающийся к черной дыре. Пусть все неприятности и опасности путешествия в космосе позади и осталось лишь пересечь горизонт событий. Но и для космонавтов и для корабля эта задача может оказаться неразрешимой. В каком смысле? На космонавтов начнут действовать приливные гравитационные силы. Действие этих сил проявится в том, что силы гравитации различны вверху и внизу корабля. Те участки космического корабля, которые расположены ближе к горизонту событий, подвергнутся большей силе притяжения, чем части корабля, расположенные подальше. Эти приливные силы могут просто-напросто уничтожить, разорвать на части и корабль, и космонавтов в нем.

Заметим, что приливные силы действуют и на космонавта, летящего по околоземной орбите, но в этом случае они ничтожны. А вот если наш корабль будет приближаться к дыре с массой в 10 солнечных масс, то космонавт будет чувствовать себя так, как если бы он повис, уцепившись за перила на мосту, а за ноги его тянет вниз все население большого города.

Но если дыра будет более массивной, то космический корабль может безболезненно пересечь горизонт событий. Так, при встрече с черной дырой в 100 миллионов солнечных масс приливные эффекты практически не будут замечены экипажем. Но это вряд ли спасет их от последующей гибели, поскольку все равно рано или поздно, находясь внутри черной дыры, корабль устремится к сингулярности.

Ситуация здесь не кажется, впрочем, особенно трагичной, поскольку, наверное, скорее физики разберутся до конца с природой сингулярности и выдадут соответствующие рецепты, чем уровень техники позволит реализовать полет к сверхмассивным черным дырам (центр Галактики!). Поэтому исследование черных дыр еще долгое время будет прерогативой теоретической физики.

Но и здесь на листках бумаги рождаются поистине удивительные вещи. Наиболее поразительный эффект в поведении черных дыр был открыт в 1973 году профессором кафедры математики Кембриджского университета С. Хокингом. Эту должность до него занимали такие корифеи науки, как Ньютон и Дирак. Хокинг, один из крупнейших физиков-теоретиков нашего времени, заинтересовался вопросом об эволюции черных дыр.

На первый взгляд подобный вопрос может показаться бессмысленным. Действительно, как может эволюционировать гравитационная могила? Для нее ведь нет вопроса об устойчивости конфигурации. Все исчезает под горизонтом, все черные дыры равной массы и с равным угловым моментом абсолютно одинаковы («черные дыры не имеют волос»). И все они являются вечными поглотителями материи.

Все это так, за исключением одной тонкости. Оказалось, что черные дыры не вечны. Но, чтобы открыть это поразительное свойство черных дыр, вернее, предсказать его, этой задачей должен был заняться великий физик. Здесь, как никогда, уместно выражение Пушкина «…гений, парадоксов друг». Черными дырами занималось много крупных физиков, но самое неожиданное и блестящее открытие оказалось под силу Хокингу, которому в ту пору не было еще 30 лет.

Посмотрим, какое представление сформировалось в физике о черных дырах к началу 70-х годов.

Если черная дыра сформировалась, то никакое материальное тело, никакие сигналы, достигшие горизонта событий, не смогут выйти обратно. Черная дыра — область пространства, подвергшаяся гравитационному самозамыканию, невидима для внешнего наблюдателя. Единственный путь для обнаружения черных дыр — изучение их взаимодействия с окружающей материей. Образовавшаяся дыра должна существовать вечно, она вечно поглощает массу энергии, лишь увеличивая свои размеры и массу. Кстати, именно Хокинг проделал важные работы по изучению процесса слияния черных дыр. Он показал, что площадь горизонта событий при этом может только увеличиваться.

Казалось бы, все говорило о том, что черные дыры — один из самых стабильных объектов во Вселенной. Этот вывод абсолютно верен в рамках классических теорий. Но сделан этот вывод на основании предсказаний ОТО, а ОТО, как мы знаем, классическая физическая теория. Хокинг же исследовал квантовые эффекты поведения частиц вблизи горизонта событий, и именно этот новый подход позволил ему сделать выдающееся открытие.

Пример квантового процесса, имеющего прямое отношение к вопросу, который мы сейчас обсуждаем, хорошо известен. Это так называемый туннельный эффект. Альфа-частица, вылетающая из ядра атома при его радиоактивном распаде, с точки зрения классической теории, не может вылететь из ядра — ее кинетическая энергия меньше потенциальной энергии связи в ядре. Однако частица вылетает, и это противоречие решается именно с помощью законов квантовой механики.

Согласно этим законам частица имеет вполне определенную отличную от нуля вероятность преодолеть потенциальный барьер, пройти как бы сквозь него. Поэтому такие переходы называются туннельными.

Ну а теперь нам осталось разобраться в том, как рождаются частицы вблизи горизонта событий черной дыры. Собственно говоря, «спонтанное» рождение частиц для современной квантовой физики процесс неновый. Например, очень сильное электрическое поле в вакууме может вызвать рождение электрона и позитрона.

Суть открытия Хокинга состоит в том, что чудовищное гравитационное поле черной дыры также рождает частицы и античастицы. Иногда частица и античастица падают обратно в черную дыру, но возможен случай, когда в дыру попадает лишь один партнер, а другой покидает окрестность черной дыры с помощью туннельного эффекта.

Ясно, что для рождения пары должна быть затрачена энергия. Хокинг строго доказал, что весь этот процесс может и должен идти за счет уменьшения массы черной дыры, ее испарения. Ну а если происходит процесс испарения, пусть даже квантового испарения, то можно сказать, что тело имеет некоторую температуру. Хокинг вычислил значение температуры черных дыр, и оказалось, что чем больше масса черной дыры, тем меньше ее температура. Другими словами, чем массивнее дыра, тем меньше темп потери ею массы. Так, черная дыра с массой, равной массе Солнца, будет иметь температуру менее одной миллионной градуса, а испарится она полностью за 10⁶⁴ лет! Поразительный вывод!

Согласно классической теории и вещество, и энергия бесконтрольно и необратимо исчезали из нашего мира в бесконечных колодцах гравитационных могил — черных дыр. Квантовая физика описала все процессы с точностью «до наоборот». Наша книга не перегружена формулами, и поэтому давайте посмотрим на простые соотношения, определяющие температуру черных дыр и время их испарения. Итак,

Здесь M, как обычно, масса Солнца, M — масса черной дыры в единицах массы Солнца, а во второй формуле массу черной дыры нужно выражать в граммах.

Уже первый взгляд на эти соотношения вызывает ощущение недоумения. Ведь достаточно горячими могут быть лишь дыры с массой, существенно меньше массы Солнца. Так, чтобы дыра имела температуру всего лишь в 1 К, она должна быть легче Земли. А ведь мы говорили о том, что лишь массивные звезды могут превратиться в черные дыры. В чем же здесь дело?

Значение открытия Хокинга состоит не только в том, что он опроверг устоявшееся представление о вечности черных дыр. Еще до появления в свет работы о квантовом испарении Хокинг показал, что в первые мгновения после Большого Взрыва флуктуации плотности могли привести к чудовищному сжатию сравнительно небольших объемов вещества. Следствием такого процесса должно было быть образование черных мини-дыр.

Подобные давления сейчас нельзя получить ни в одном процессе. Однако в те далекие времена у природы были широкие возможности. Чтобы ощутить грандиозность этих процессов, приведем следующий пример. Первичная черная дыра с массой в миллиард тонн имела бы размер, сравнимый с размером протона, а плотность, до которой должно было бы сжаться вещество, чтобы получить черную дыру, равнялась бы плотности вещества всех галактик наблюдаемой Вселенной, спрессованной в литровую банку! Температура ее составляла бы 100 миллиардов градусов, а мощность излучения — 6000 мегаватт.

Ясно, что чем горячее дыра тем быстрее она теряет массу. Самые маленькие первичные дыры должны были уже давно взорваться, а вот дыра с массой в миллиарды тонн будет испаряться примерно 10 миллиардов лет. Такие дыры должны взрываться в наше время. Конечная стадия испарения — взрыв — высвобождает огромное количество энергии равное взрыву десяти миллионов мегатонных водородных бомб.

Таким образом, если бы и удалось создать искусственно черную дыру для того, чтобы использовать ее как источник энергии, это было бы чрезвычайно опасной затеей. Трудно представить себе, чтобы источник энергии с мощностью, равной мощности нескольких крупных электростанции, имел бы размеры, сравнимые с размером протона! Если черные дыры звездной массы существуют, именно они произведут космический салют гибнущей Вселенной (в случае ее неограниченного расширения) через огромный, недоступный воображению промежуток времени. Их взрывы и ознаменуют собой превращение последних островков материи в излучение.

Идея черных мини-дыр настолько привлекательна, что с ее помощью пытались объяснить даже, казалось бы, такое далекое от релятивистской астрофизики событие, как падение Тунгусского метеорита. В свое время была опубликована работа, где утверждалось, что катаклизм в районе Подкаменной Тунгуски произошел в результате столкновения мини-дыры с Землей! Идея эта, конечно же, чересчур экстравагантна, но она, по всей видимости, все-таки «уступает» идеям связанным с взрывом в атмосфере Земли космического корабля пришельцев.

Все, о чем мы говорили сейчас, относится к области теоретической астрофизики. Но найдены ли черные дыры в природе?

Эти вопросы стоят сегодня с особенной остротой на повестке дня. Ведь черные дыры настолько часто привлекаются для объяснения различных явлений в космосе, что они — настоящий якорь спасения современной астрофизики. Более того, их отсутствие просто выбило бы почву из-под ног всей астрономии. Но как их искать?

Светящееся вещество в окрестностях черной дыры.

Если черная дыра представляет собой одиночный объект, ее практически невозможно заметить. Лишь в том случае, если она работает как гравитационная линза, мы могли бы сделать кое-какие выводы. Но пока, к сожалению, на роль гравитационных линз претендуют лишь массивные галактики.

Наиболее реальный способ обнаружения черных дыр — исследование их взаимодействия с окружающей материей. Понятно, что такое взаимодействие будет наиболее выпукло проявляться в двойных системах.

Вообще говоря, более половины звезд нашей Галактики входят в состав двойных систем. Поэтому вполне реально предположение о существовании двойных систем, содержащих в качестве одного из компаньонов черную дыру. Астрономы поначалу пытались определить наличие черной дыры в двойных системах по особенностям движения видимого компонента, но в результате всегда оказывалось, что второй компонент в системе белый карлик или нейтронная звезда. Поэтому-то наиболее обещающий метод — поиск активности черных дыр, которая проявляется во взаимодействии ее с веществом.

Мы уже говорили об аккреции вещества на нейтронную звезду, на белый карлик, на черную дыру, читатель знает, что это такое. Тем не менее вкратце напомним основные особенности этого процесса.

Пусть в состав двойной системы входит обычная звезда главной последовательности и черная дыра. Она будет перетягивать на себя вещество видимого компонента. Из-за вращения этих звезд вокруг общего центра тяжести это вещество не будет падать на дыру «по прямой», а образует аккреционный диск. На внешнем краю диска температура газа сравнительно невелика, порядка температуры самой звезды. Но по мере приближения частичек газа к горизонту событий температура за счет трения при вращении диска значительно повышается, достигая десятков миллионов градусов. Оценки показывают, что в таком процессе выделяется огромное количество энергии — до 10 процентов от mc².

Нагретый до чудовищных температур газ излучает в рентгеновском диапазоне, и поэтому советские ученые Я. Зельдович, И. Новиков, И. Шкловский предложили в 1966–1967 годах искать рентгеновские источники в составе тесных двойных систем. Ясно, что характеристики таких источников должны отличаться от рентгеновского излучения вращающейся нейтронной звезды, входящей в состав двойной системы. Такая звезда, как мы уже знаем, дает узконаправленное рентгеновское излучение прожекторного типа с изменяющимся периодом.

В 1970 году спутник «Ухуру» обнаружил на небе мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. Источник этот получил название Лебедь Χ-1. Мощность его излучения в рентгеновском диапазоне в тысячи раз превосходила полную (по всему диапазону волн) светимость Солнца. В следующем, 1971 году удалось выяснить, что этот источник совпадает с горячим голубым сверхгигантом НДЕ 226868. Но выяснилось, что объект НДЕ 226868 — двойная звезда, а голубой сверхгигант имеет невидимого компаньона. Мы знаем, что именно двойные системы представляют уникальную возможность взвешивания звезд. И вот оказалось, что невидимый компаньон голубого сверхгиганта весит примерно 8–11 солнечных масс. Эта величина существенно превышает предел устойчивости и белых карликов, и нейтронных звезд. Очень важно, что все характеристики излучения Лебедя Χ-1 резко отличаются от рентгеновского излучения пульсаров.

Таким образом, мы имеем на сегодня два существенных аргумента в пользу присутствия в созвездии Лебедя черной дыры.

Первый аргумент состоит в том, что в состав объекта НДЕ 226868 входит невидимый компаньон с массой, превышающей как чандрасекаровский предел, так и предел устойчивости нейтронных звезд.

Второе соображение касается характеристик излучения Лебедя Χ-1. Интересно, что оценки дают значение внутренних размеров диска примерно 200 километров, а сама черная дыра оказывается размером около 30 километров.

Итак, можно с большой степенью вероятности считать, что в источнике Лебедь Χ-1, на расстоянии 8 тысяч световых лет от Солнца, есть черная дыра. Правда, предполагались и другие возможности для объяснения феномена Лебедя Χ-1; например, модель тройной звездной системы, в состав которой входит нейтронная звезда, окруженная аккреционным диском. Однако периодические эффекты, неизбежные для тройной системы, не были замечены.

Кроме Лебедя Χ-1, есть и другие кандидаты в черные дыры. Это рентгеновский источник Циркуль Χ-1, находящийся от нас на расстоянии 25 тысяч световых лет. Это, наконец, знаменитый объект SS 433, на котором следует остановиться несколько подробнее.

Мощный источник радиоизлучения, расположенный вблизи центра остатка взрыва сверхновой, был обнаружен в 1978 году. Источник излучал и в рентгене. Вслед за этим было установлено, что пары спектральных линий на фоне неподвижных линий излучения этого источника перемещаются вправо и влево с периодом 164 дня. Когда были проделаны оценки скорости вещества на основании эффекта Доплера, оказалось, что значение скорости газа огромно, до 50 тысяч км/сек. Некоторые ученые предполагают, что в состав этого объекта также входит черная дыра, компаньоном которой является белый карлик.

Делались предположения о том, что даже наше Солнце входит в состав двойной системы. Компаньоном Солнца может быть нейтронная звезда с массой в 1 M, на расстоянии 800 астрономических единиц, или черная дыра с массой 150 M, на расстоянии 90 тысяч астрономических единиц.

Однако эта модель содержит слишком много косвенных допущений и скорее всего может служить хорошим примером неудержимого стремления ученого выдать желаемое за действительное.

Итак по-видимому, лишь Лебедь Χ-1, Циркуль Χ-1 да, возможно, SS 433 на сегодняшний день — наиболее вероятные кандидаты на присутствие черных дыр.

Фотосферу удобно рассматривать как внешний, поверхностный слой Солнца, видимый в белом цвете. Этому слою можно приписать температуру 6700 K.

Слой этот по сравнению с другими довольно тонкий даже по нашим земным меркам, он простирается примерно на 500 километров, сливаясь, с одной стороны, с зоной конвекции, а с другой — с хромосферой. Поразительной особенностью фотосферы является так называемая грануляция, о которой мы уже упоминали чуть выше. Гранулы — это многоугольники на поверхности фотосферы, пересеченные узкими темными прожилками. Размеры гранул порядка тысячи километров, живут они несколько минут, сменяясь потом другими гранулами. Именно поэтому и возникло довольно удачное сравнение с кипящей рисовой кашей.

Уже чисто интуитивно напрашивается ответ на вопрос о природе подобных образований. Если каша кипит, то мы должны иметь дело с конвекцией.

И действительно, если мы начнем путешествие вместе с квантами излучения из центральных районов Солнца к его поверхности, то сначала ни кванты, ни воображаемый путешественник не будет испытывать заметных трудностей. Температуры там высоки, непрозрачность мала, и кванты без труда «просачиваются», диффундируют к поверхности.

С понижением температуры начинается рекомбинация электронов и ядер атомов в ионы, которые могут уже взаимодействовать с фотонами, в частности, поглощать их. Ясно, что непрозрачность при этом сильно возрастает.

Однако звезда должна «сбрасывать» энергию, выделяющуюся в ее недрах, если бы этого не было, она просто бы взорвалась. И вот здесь в игру вступает другой, уже известный нам механизм переноса энергии — конвекция, когда горячие элементы всплывают и отдают свое избыточное тепло окружающей среде, подогревают ее. Ну а вещество, которое опускается при конвективном перемешивании, холоднее окружающей среды, почему и кажется (при тех температурах, с которыми мы имеем дело) более темным. Поэтому можно считать, что разделяющие гранулы темные полосы — участки поверхности фотосферы.

Конвективная зона на Солнце начинается выше уровня, где значение радиуса достигает 0,85 полного радиуса Солнца. Здесь эффективность конвекции очень велика, она переносит почти весь поток солнечной энергии, хотя сама эта зона содержит всего около двух процентов массы Солнца.

Итак, грануляция фотосферы — типичное конвективное движение. Скорость этого движения около 300 метров в секунду, разница в температурах между светлыми и темными участками примерно 300 K.

В конвективной зоне происходит еще один удивительный процесс, имеющий большое значение не только для фотосферы, но и для хромосферы, и для короны Солнца. Что же это такое?

Еще раз вернемся к явлениям конвекции и грануляции. На первый взгляд может показаться, что и тот, и другой процессы должны быть совершенно хаотическими. Образование каждой ячейки, так же как и в кипящей рисовой каше, должно происходить случайно. Оказалось, однако, что это не так. В 1960 году было обнаружено, что вся поверхность в некоторых участках слоя, расположенного над верхней границей конвективной зоны, поднимается и опускается относительно некоторого среднего положения, смещаясь при этом на высоту примерно 25 километров. Причем горизонтальный размер области, которая поднимается и опускается, достигает 50 тысяч километров!

Долгое время это явление не находило объяснения. В последние годы картина все-таки прояснилась. Оказалось, что Солнце, вернее — его конвективная зона, работает как гигантский орган, генерируя акустические волны. Этот факт имеет огромное значение не только потому, что в руках астрофизиков появился новый метод изучения и фотосферы и конвективной зоны Солнца. «Пятиминутные» колебания переносят энергию в верхние слои атмосферы Солнца, определяя во многом происходящие в них процессы.

В последние годы в Крымской обсерватории под руководством академика А. Северного открыты более длиннопериодные колебания Солнца. Они носят глобальный характер. Здесь уже двигается вся «поверхность» Солнца в целом. Период этих колебаний составляет 160 минут.

Так как колебания охватывают весь раскаленный газовый шар, звезду, они, по всей видимости, также могут немало сказать о структуре недр Солнца. Однако объяснить природу этих колебаний сегодня нелегко, даже не учитывая причин их возбуждения. Более того, в рамках современных представлений о внутреннем строении Солнца и протон-протонном цикле внутри его теоретические оценки дают значение периода колебаний нашей звезды не 160, а 130 минут.

Таким образом, не только проблема солнечных нейтрино омрачает настроение теоретиков. Один из крупнейших специалистов в области исследования Солнца, А. Северный, полагает даже, что совокупность нерешенных вопросов может привести к «новому фундаментальному пересмотру наших представлений о внутренних процессах на Солнце». Он отмечает, что на сегодняшний день есть три «трещины» в фундаменте знаний о нашем светиле. О двух из них мы уже знаем. Это проблема борных нейтрино (в реакциях их образования участвует бор) и только что упоминавшиеся 160-минутные колебания.

Что касается третьей «трещины», то она, по всей видимости, не столь опасна, как две предыдущие. Связана эта «трещина» с противоречием, на первый взгляд очевидным, между палеоклиматическими и геологическими данными и следствиями, вытекающими из теории внутреннего строения Солнца. Вспомним, в чем состоит суть дела.

Если современные представления о внутреннем строении Солнца справедливы, то с того времени, как Солнце «село» на главную последовательность, и до настоящего момента его светимость должна была увеличиться примерно на 30 процентов. Но тогда мы должны были 3–4 миллиарда лет назад «иметь» очень холодную Землю, сплошь покрытую льдом. В то же время геологические данные неопровержимо свидетельствуют о том, что уже 3,8 миллиарда лет назад на Земле были океаны, была жизнь. В этом парадоксе некоторые астрофизики усматривают серьезный камень преткновения для теории внутреннего строения Солнца. Но на самом деле парадокс этот совсем не носит устрашающего характера. Он без труда разрешается в рамках теории возникновения и эволюции атмосфер планет.

Посмотрим, как это делается. Сначала обратим внимание на тот принципиальный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяется вода и углекислый газ. Об этом свидетельствуют множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов, отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4:1 до 10:1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, хотя Солнце грело плохо.

Гранулированная структура фотосферы Солнца.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной и Меркурием можно принять за 0,1. И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33° ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра: основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он, создавая парниковый эффект, начал подогрев. С ростом концентрации CO₂ в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько CO₂ должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0 °C. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан известным советским астрофизиком В. Морозом. Такой расчет не прост, точной цифры не получишь. Поэтому в конце концов были найдены верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? При выделении из мантии 10¹³ граммов углекислоты в год (полагают, что именно так оно и было) давление 0,3 атмосферы будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние, и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу, происходит его растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывают снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан.

Правда, мы не учли весьма важного обстоятельства: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания CO₂ в цикле оценена нами в 1,5 × 10²¹ граммов. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы CO₂ в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И расчеты строились на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

Бесспорно, что конкретные цифры, полученные в этих оценках, несут на себе печать некоторого произвола. Однако поскольку эти оценки основаны на хорошей физике, они в принципе полностью цементируют одну из «трещин» в теории Солнца.

Закончив наше небольшое отступление, посвященное одной из загадок Солнца, вернемся снова к фотосфере, вернее — к «дефектам» сферы света. Эти дефекты — пятна на Солнце, пожалуй, самые легкие для наблюдения объекты из всех явлений, связанных с нашим светилом. О них очень много известно, но тем не менее специалисты считают, что до сих пор мы не можем понять два основных факта, прямо касающихся пятен: почему пятна темные и почему они вообще существуют. Ответ на первый вопрос может показаться очевидным, поскольку разгадку может дать любой человек, мало-мальски знакомый с физикой.

«Разумеется, — ответит он, — пятна темные, так как они холодные». Этот ответ будет абсолютно правильным, пятна холоднее окружающей фотосферы на 1500–2000 K. Но почему они холодные?

Ясно, что тем или иным образом дело здесь связано с магнитными полями. Вообще говоря, магнитные силовые линии в сравнительно слабых полях как бы «вморожены» в вещество и следуют за ним при всех его движениях. Это понятно, так как при высоких температурах фотосферы мы имеем хорошую проводимость вещества. Но в области пятен магнитные поля в тысячи раз сильнее, чем среднее магнитное поле Солнца, и поэтому ряд исследователей считает, что сильные магнитные поля в области пятна подавляют конвективные движения, вещество как бы приклеивается к магнитным силовым линиям, и это тормозит восходящие и нисходящие потоки вещества.

Однако подобное объяснение сталкивается с целым рядом трудностей. Отнюдь не все специалисты разделяют эту точку зрения, и проблему понижения температуры фотосферы в области пятен никоим образом нельзя считать полностью решенной.

Пятна редко появляются в одиночку, обычно возникает сразу группа пятен. Иногда в области пятен можно наблюдать магнитное поле одной полярности, иногда группы пятен биполярны. Интересно, что пятна имеют небольшие собственные движения на диске Солнца.

Появлению пятен в активной области предшествует рождение факела — более яркой области фотосферы. Затем уже в районе факела можно увидеть темные поры. Разрастаясь, они сливаются друг с другом в пятно. Диаметр пятна составляет 10–15 тысяч километров, но, как мы уже говорили, бывают и более крупные пятна. Пятна, по всей видимости, вращаются быстрее, чем окружающий их газ.

Очень интересны результаты анализа поведения пятен за историческое время. Этот анализ показал, что начиная с 1645 по 1715 год, то есть в течение 70-летнего промежутка времени, циклы солнечной активности практически исчезли. С 1672 по 1704 год в северном полушарии Солнца пятен не было видно совсем! Этот период времени был назван маундеровским минимумом.

Схема строения Солнца.

Удивительно, что дифференциальное вращение поверхностных слоев Солнца в течение нескольких лет перед маундеровским минимумом было в три раза больше обычного. Вдобавок этот период времени (минимум) совпал с так называемым «малым ледниковым периодом» — чрезвычайно холодной погодой в северном полушарии. Внутренняя связь всех этих явлений не представляется очевидной, но ясно лишь одно — сюрпризы и загадки астрофизики находятся не только в глубинах Вселенной, но и прямо перед нашими глазами.

Явления, связанные с пятнами на Солнце, не ограничиваются одной лишь фотосферой. Так, например, «плюмажи» интенсивного излучения, имеющие форму замкнутых петель, уходят в корону. Но о короне позже. А сейчас мы поговорим о следующем за фотосферой слое Солнца хромосфере.

Хромосфера

Больше всего солнечная активность проявляется в хромосфере — сфере цвета, имеющей красноватый оттенок, хорошо видный в момент, непосредственно предшествующий полному покрытию Солнца Луной. Именно в хромосфере разыгрываются наиболее впечатляющие и поражающие взор человека процессы. И хотя, следуя традиции изложения, следовало бы сначала поговорить о структуре хромосферы, давайте все-таки посмотрим на самое интересное явление на Солнце — протуберанцы. Они могут принимать разнообразнейшие формы, а поведение их нередко совершенно непредсказуемо, словно поведение капризной женщины.

Протуберанцы во многом напоминают порождения Океана в романе С. Лема «Солярис». Есть спокойные, долгоживущие протуберанцы, плавающие над Солнцем, словно облака. Эти облака имеют форму занавесок, частоколов, воронок, спокойных волокон. Такие протуберанцы способны существовать месяцами. Правда, они могут изменять свою форму после вспышек на Солнце.

Солнечные протуберанцы.

Короткоживущие протуберанцы связаны с вспышками на Солнце и с пятнами. Такие протуберанцы представляют собой веерообразные выбросы, где вещество движется со скоростью до двух тысяч километров в секунду. Нередко после вспышек и выбросов возникают протуберанцы, имеющие вид красивых, сложных дуг, замкнутых петель, дождя, а протуберанцы, примыкающие к солнечным пятнам, похожи на волокна. Структура волокон изменчива, но сами протуберанцы живут довольно долго, в течение нескольких дней. Очень часто вещество вытекает из протуберанца и по изящной дуге втекает в солнечное пятно.

Ясно, что протуберанцы, как одно из проявлений активности Солнца, тесно связаны с магнитными полями. Их плотность существенно выше плотности окружающего вещества, и поэтому они в принципе не должны были бы существовать столь длительное время.

Пусть в хромосфере образовалась магнитная структура типа «примятой арки». Такие вещи могут появляться в активных областях на границе раздела полярности поля. Суть процесса в том, что на краях «арки» газ нагревается сильнее, чем в центре. Уменьшение нагрева на вершине приводит к тому, что газ охлаждается, сваливается в яму магнитного поля и там уплотняется. Это и есть зародыш протуберанца. Он непрерывно растет по мере добавления к нему все новых и новых порций газа, а магнитные линии прогибаются под его тяжестью, но тем не менее не дают ему возможности упасть обратно в хромосферу.

Солнечные протуберанцы. Структура типа «примятой арки» в хромосфере.

Такой механизм может за один день обеспечить появление над хромосферой довольно солидного протуберанца. Но не только структура поля типа «примятой арки» может обеспечить устойчивость протуберанца. К примеру, горизонтальные участки магнитного поля удерживают протуберанцы типа спокойных волокон.

Мы видим, что практически все проявления солнечной активности, будь то пятна, протуберанцы или вспышки, так или иначе связаны с магнитными полями на Солнце.

Феерическое зрелище протуберанцев не может оставить равнодушным того, кто хоть раз наблюдал это. Но наиболее мощным и сложным проявлением солнечной активности являются вспышки. Они характеризуются удивительным многообразием физических процессов. Здесь мы можем видеть и ядерные реакции и накопление огромного количества энергии с чрезвычайно быстрым последующим ее выделением. Достаточно сказать, что энергия вспышек в некоторых случаях эквивалентна взрыву сотен миллионов водородных бомб! Но давайте сейчас все-таки посмотрим, что представляет собой сама хромосфера — арена, на которой разыгрываются эти бурные события.

Хромосфера — область между фотосферой и короной. Но сразу же следует сказать, что выражена она несколько нечетко. Эта нечеткость проявляется особенно наглядно в верхней хромосфере, которая довольно плавно, без видимых границ переходит в солнечную корону.

Если задать неспециалисту «провокационный» вопрос, чья температура выше — фотосферы или хромосферы, наверное, ответ будет однозначен: фотосферы. Но этот ответ, хотя и построен на правильных общих предположениях, неверен. Оказывается, что над поверхностью фотосферы до высоты сто километров температура возрастает до 20 тысяч K, то есть на 1 K на каждые 5 метров! И чем выше, тем больше становится температура, на высоте 5 тысяч километров она достигает уже миллиона градусов. Однако эти высоты связаны с короной, и мы сейчас спустимся чуть пониже.

Естественно, возникает вопрос об источнике нагрева хромосферы и короны. Ведь действительно кажется по меньшей мере странным, что с удалением от центра Солнца, где расположены основные источники энергии, температура его внешних слоев начинает увеличиваться. Но против наблюдательных данных, как говорится, не пойдешь, и факт повышения температуры нужно было объяснять.

Объяснение оказалось далеко не тривиальным. В хромосферу и корону накачивают энергию, необходимую для нагрева… акустические волны. Именно голос Солнца, о котором уже говорилось выше, и греет верхние слои Солнца. Не правда ли, несколько неожиданный вывод? Но это именно так. А кроме того, корона возвращает часть полученной ею энергии обратно в хромосферу, так что источники ее нагрева сегодня известны.

Одно из самых интересных и красивых явлений в хромосфере — спикулы. Они наблюдались еще патером Секки, который сравнивал их с горящей прерией. На самом деле спикулы — это струи вещества, поднимающиеся вверх со скоростями 20–30 километров в секунду до высот более 6 тысяч километров. Другими словами, спикулы уходят в область солнечной короны.

Наблюдаемый лес спикул — постоянная особенность хромосферы. Отдельные спикулы геометрически тонки — толщина многих из них меньше 500 километров. Конечно, понятие «тонкий» совершенно различно для Солнца и Земли. Мы говорим о тонких спикулах в атмосфере Солнца, но представьте себе столб раскаленной плазмы с диаметром основания, равным расстоянию от Москвы до Ленинграда, а высотой с половину радиуса земного шара.

Некоторые ученые считают, что в каждый момент времени на Солнце имеется около полумиллиона спикул. Отдельные скопления спикул были названы «дикобразами».

Спикулы генетически связаны с более глубокими, чем фотосферные гранулы, элементами конвекции. Это так называемая супергрануляция, размеры элементов которой достигают 3 тысяч километров. Это явление было открыто сравнительно недавно.

Элементы супергрануляции живут уже не несколько минут, а сутки. Элементы супергрануляции, вернее — связанные с ними магнитные поля, воздействуют на хромосферу, инициируя в ней такие сложные структуры, как, в частности, спикулы. Система спикул, в свою очередь, образует в хромосфере более крупномасштабную структуру, называемую хромосферной сеткой.

Поразительные явления, возникающие в хромосфере, еще таят в себе немало загадок. Но, пожалуй, самым масштабным и самым сложным из всех процессов на Солнце являются все-таки солнечные вспышки, разговор о которых мы уже начинали.

Сегодня вспышки интересуют не только астрономов-наблюдателей, но и геофизиков и космонавтов. Это и неудивительно, поскольку вряд ли какое-либо другое явление на Солнце оказывает столь сильное влияние на Землю, как солнечные вспышки.

В настоящее время десятки станций, расположенных по всей Земле, непрерывно ведут службу Солнца (патрулирование), измеряют число, положение, площадь вспышек. По интенсивности вспышки оцениваются по трехбалльной системе в зависимости от их яркости. Самая яркая вспышка имеет балл 3.

В связи с этим я хочу рассказать забавную историю, связанную с началом патрулирования Солнца. Дело это было новое и нудное, поскольку, как говорится, нужно просто-напросто ждать у моря погоды, ждать вспышки. Администрация одной обсерватории решила вопрос с зарплатой наблюдателей просто и «мудро». Она платила за вспышку в 1 балл пять монет, за вспышку в два балла 10 монет, ну а за вспышку в три балла 15 монет. Нужно ли говорить о том, что данные этой обсерватории отличались огромным количеством сильных вспышек!

Связь вспышек с магнитными полями активных областей Солнца сейчас точно установлена. Посмотрим, что же такое активные области.

На Солнце существуют так называемые пояса активности, расположенные к северу и югу от экватора. Именно в этих поясах наблюдаются сильные магнитные поля, которые нарастают и распадаются за время от суток до месяцев. В тех местах, где происходит нарастание напряженности магнитного поля, и происходят такие явления, как пятна, вспышки и факелы. Области проявления вариаций солнечного магнетизма называются активными областями. Размеры их колеблются от десяти тысяч до сотен тысяч километров. Кроме пятен и вспышек, активные области замечательны тем, что они излучают рентгеновские и ультрафиолетовые фотоны. Мало того, над активными областями иногда исчезает верхняя хромосфера!

Структура активной области полностью определяется совокупностью магнитных полей в ней. Но что можно сказать о самих полях? Почему происходят такие сильные изменения в магнитных свойствах Солнца?

На Солнце мы имеем дело с веществом, представляющим собой плазму — хороший проводник. Движение же проводника в магнитном поле всегда приводит к появлению электрического тока.

Совершенно ясно, что токи эти, в свою очередь, вызывают изменение поля. Ну а поскольку, как мы знаем, на Солнце наблюдается весьма сложная картина движений плазмы — здесь и грануляция, и супергрануляция, дифференциальное вращение и многое другое, — она и приводит к сильной изменчивости магнитных полей, наиболее ярко проявляющихся в поясах активности.

Магнитные поля на Солнце не предоставлены самим себе. Они тесно взаимодействуют с проводящим веществом, и в этом суть дела. При высокой проводимости поле «вмораживается» в плазму, магнитный поток остается постоянным, двигаясь вместе с плазмой. Для этого, конечно, нужно, чтобы плотность плазмы была достаточно высока. Так и случается в конвективной зоне, откуда магнитные поля как бы всплывают вместе с веществом к фотосфере. Далее, уже в атмосфере Солнца, и разыгрываются все процессы, связанные с аннигиляцией, перезамыканием полей различной полярности.

Посмотрим теперь, что происходит на Солнце во время вспышки. Задолго до самой вспышки, в течение нескольких часов или даже суток, в активной области, в ее магнитных полях запасается избыточная энергия. Происходят процессы, внешне аналогичные закручиванию резинки в «двигателе» игрушечного самолета. Ситуации здесь действительно геометрически похожи — такие закрученные структуры нередко можно наблюдать в атмосфере Солнца, в районе областей сильного магнитного поля. В закрученных полях должны возникать токи, так как в них меняется направление поля.

К тому же может случиться, что всплывшее поле имеет другую полярность, чем то, которое уже было на этом месте. Здесь тоже, разумеется, возникают токи. Именно таким образом и запасается энергия перед вспышкой.

Сегодня принято считать, что главная причина появления вспышки лежит в очень быстрой перестройке магнитных полей, их перезамыкании. В области перезамыкания выделяется около половины общей магнитной энергии. Этого вполне хватает, чтобы обеспечить вспышку требуемой энергии и выбросить в корону нагретую плазму. Вообще говоря, чудовищная энергия магнитных полей высвобождается в виде взрыва, но этот взрыв длится иногда несколько минут, а то и сутки.

Значительная часть энергии идет на ускорение электронов, скорость движения которых достигает половины скорости света. Движение таких электронов в магнитном поле и окружающем газе вызывает радиоизлучение и жесткое рентгеновское излучение. Эффекты, вызываемые вспышками на Солнце, столь сильны, что они проявляются даже на нашей планете. Так, во время вспышек нарушается радиосвязь, или, наоборот, становится возможным прием удаленных телепередатчиков, или вдруг начинает приходить радиоизлучение от далеких гроз. Все эти вещи имеют не только научное, но и практическое значение, так как от этих эффектов, с одной стороны, зависит радиосвязь на Земле, а с другой стороны — космонавты в космосе практически ничем не защищены от жесткого излучения, сопровождающего вспышки.

Советский ученый А. Чижевский провел огромную работу, пытаясь установить зависимость между солнечной активностью и частотой различных эпидемий на Земле. Он обнаружил удивительные закономерности. Вспышки различных болезней очень точно «отслеживают» изменения в активности Солнца.

Труды Чижевского не сразу получили признание, хотя и до него ученые замечали, что активность Солнца связана с различными явлениями на Земле. Свою замечательную книгу «Земное эхо солнечных бурь» он написал на французском языке и впервые издал в Париже. Интересно, что одним из первых смелые идеи Чижевского оценил К. Циолковский.

Следует сказать о том, что Чижевский не считал солнечную активность прямой причиной вспышек эпидемий и заболеваний. Он полагал, что деятельность Солнца «лишь способствует» развитию болезней на Земле.

Одна из глав его книги называется очень образно: «Спазмы Земли в объятиях Солнца». В этой главе он приводит перечень явлений в органическом мире Земли, связанных с изменениями в солнечной активности.

Интересно, что еще В. Гершель отметил в 1801 году зависимость урожая зерновых от числа солнечных пятен. Поскольку хлеб все-таки вещь более нужная, чем вино, то лишь в 1878 году удалось выяснить, что количество и качество производимого в Германии вина тоже таинственным образом связано с пятнами на Солнце.

Да что там вино! Чижевскому удалось установить, что от активности Солнца зависит частота несчастных случаев, преступлений, внезапных смертей, эпизоотии и падеж скота и целый ряд других явлений: уровень озер, грунтовых вод, сток рек, толщина донных отложений ила, количество льда в полярных морях, повторяемость засух, ураганов, ливней, годовые температуры.

Удалось обнаружить 27-дневный цикл погоды. Но ведь период вращения Солнца вокруг собственной оси также равен примерно 27 дням.

Многие считают, что активность Солнца и, в частности, хромосферные вспышки оказывают прямое воздействие на погоду. Но у этой идеи есть и свои противники.

Да что там погода! Высказываются мысли о том, что с солнечной активностью связаны изменения скорости суточного вращения Земли! А ведь эти изменения могут вызывать такое грозное явление природы, как землетрясения. Кстати, от вращения планеты зависят и погода и климат.

Чижевского можно с полным правом считать первым человеком, который перекинул мост между Солнцем и Землей. Его идеи оказались настолько плодотворными, что сейчас возникает новая отрасль науки — гелиобиология. У нас в Советском Союзе различными вопросами гелиобиологии занимаются в частности в Крымской астрофизической обсерватории.

Многие десятки обсерваторий всего мира осуществляют круглосуточный контроль за Солнцем. Кроме того, различная научная аппаратура для исследования Солнца запускается на шарах, зондах, самолетах, ракетах и спутниках. Радиотелескопы слушают радиоголос Солнца. Долгоживущие орбитальные станции типа «Салют», космические корабли «Веги» и «Вояджеры» имеют на борту приборы, давшие неоценимую информацию о межпланетном пространстве, плазме, солнечном магнитном поле, ударных волнах и т. д.

Корона

О короне писать легко и приятно по той причине, что она устроена существенно проще хромосферы и фотосферы. Разумеется, это не означает, что мы знаем о ней больше, чем о нижних слоях. И все-таки ее жизнь не отягчена такими бурными событиями, как жизнь хромосферы и фотосферы, хотя, конечно, отголоски различных катаклизмов доходят и до короны.

Солнечную корону видел каждый, кому посчастливилось наблюдать полное солнечное затмение.

Корона особенно ярка вблизи Солнца, а длинные лучи простираются на большие расстояния. Форма короны заметно меняется в зависимости от уровня солнечной активности. В минимуме корона симметрична, а в максимуме над активными областями наблюдаются особенно интенсивные лучи.

Как мы уже говорили, характерной особенностью короны является ее чрезвычайно высокая (по сравнению с фотосферой) температура, превышающая миллионы градусов. Поскольку горячая корона представляет собой хорошо проводящую плазму, то отчетливо наблюдаемая в ней волокнистая структура как бы отслеживает «магнитные силовые линии и тем самым показывает» астрономам структуру магнитного поля Солнца. Кстати говоря, с высокой температурой короны связана одна поучительная история.

Уже давно в спектре короны наблюдались сильные эмиссионные линии, длины волн которых были точно известны более пятидесяти лет назад. Но в среде астрономов и спектроскопистов слишком сильно было предубеждение о невозможности высокой температуры короны. Поэтому перебиралось огромное количество «кандидатов» в качестве источников возбуждения этих линий, но все было тщетно.

Эти линии приписали неизвестному элементу «коронию». Затем линии «корония» открыли при исследовании спектров повторной новой Змееносца. Это случилось в 1933 году.

Заведомо было ясно, что уж во время вспышек новой температуры должны быть достаточно высоки. Но только шесть лет спустя удалось установить, что неизвестные линии в короне принадлежат не «коронию», а обычным земным элементам, в частности железу, но только атомы железа находятся в очень высокой степени ионизации: электронные оболочки атома просто «ободраны». Ну а поскольку такое возможно лишь при очень высоких температурах, стало ясно, что корона очень сильно нагрета. В состав короны входят полностью ионизированные водород и гелий, углерод, азот и кислород, ионизированные вплоть до электронов самой глубокой оболочки, и другие элементы с различной степенью ионизации.

На этом примере видно, как радикально изменялись представления о Солнце за очень короткий промежуток времени.

Не менее серьезные изменения произошли и в наших знаниях о межпланетной среде. Сегодня мы уже знаем, что это не пустота, земля буквально плавает в верхней части короны Солнца, и она обдувается потоком частиц — солнечным ветром.

Солнечная корона во время затмения.

Явление это, как нередко бывает в науке, предсказано было теоретически, «на кончике пера», в 1958 году, совсем недавно. Интересно, что толчком послужил анализ поведения комет.

Давно считалось, что солнечное излучение влияет на форму и давление вещества в хвостах комет, но только в начале 50-х годов нашего столетия было строго показано, что как ионизация, так и направленное наружу ускорение материала в хвостах комет намного больше, чем если бы это было вызвано одним световым давлением. Кроме того, хвосты комет явно реагировали на солнечную активность: ускорение движения вещества увеличивалось в годы повышенной солнечной активности.

Все встало на свои места, когда советская станция «Луна-2» обнаружила в межпланетном пространстве потоки плазмы, которые с довольно большими скоростями двигались от Солнца. Потоки эти состоят из протонов, электронов, более тяжелых ионов, и в зависимости от солнечной активности они имеют различную скорость от 200 до 1000 километров в секунду. Таким образом, оказалось, что из нашей звезды, из ее короны происходит непрерывное истечение вещества.

Связь солнечного ветра со структурой короны обнаружилась довольно быстро, и здесь ученым пришлось обратить особое внимание на обширные области в короне, практически не дающие рентгеновского излучения. Области эти получили название корональных дыр. Им присущи интересные особенности. Во-первых, плотность короны над дырами примерно в три раза ниже, чем для среднего спокойного Солнца. Во-вторых, температура короны над ними заметно ниже, она составляет «всего» миллион градусов, тогда как над спокойными нормальными областями приближается к двум миллионам градусов.

Солнечная корона в инфракрасном диапазоне.

Интересно, что в фотосфере и нижней хромосфере дыры проявляются мало, а чаще всего вообще не проявляются. Ни грануляция, ни супергрануляция, по всей видимости, никак с ними не связаны, приток механической энергии, проходящий через фотосферу вверх (акустические волны), вероятно, один и тот же внутри и вне дыр. Но тогда непонятно, на что же расходуется избыток энергии. Ведь температура и плотность в корональних дырах поменьше, чем в окружающих областях, а это означает меньшие потери на излучение (именно поэтому дыры и выглядят темными).

Вопрос этот не простой, и ответ на него был найден не сразу. Лишь данные, полученные в последнее время, самым решительным образом продемонстрировали тот факт, что таинственный избыток энергии идет на создание и ускорение солнечного ветра, который истекает главным образом из областей, где расположены корональные дыры.

Самые крупные дыры расположены у полюсов Солнца. Эти дыры живут особенно долго: космический корабль «Скайлэб» наблюдал полярную дыру в течение восьми месяцев. Размеры этих дыр позволяют предположить, что из полярных областей Солнца исходит солнечный ветер огромной силы. По сравнению с ним солнечный ветер, наблюдающийся в околоземном пространстве, показался бы совсем слабым.

Чтобы представить себе масштабы этого явления, заметим, что солнечный ветер уносит ежесекундно около миллиона тонн вещества! Солнечный ветер оказывает сильное воздействие на нашу планету, вызывая, например, полярные сияния. Давайте посмотрим немного подробнее, как взаимодействуют потоки солнечной плазмы с Землей, вернее, не с твердым телом планеты, а с самыми внешними ее оболочками.

Итак, в течение многих миллиардов лет потоки солнечной плазмы атакуют Землю. Первым защитным бастионом здесь является магнитное поле Земли. Именно оно не дает частицам солнечного ветра возможность напрямую бомбардировать Землю. Под воздействием потока плазмы геомагнитное поле «поджимается» ближе к дневной поверхности Земли, а солнечный ветер начинает обтекать магнитное препятствие, встретившееся на его пути. Причем, вполне естественно, напряженность геомагнитного поля при такой деформации возрастает.

Все эти события разыгрываются в некой довольно узкой зоне, расположенной от нас на расстоянии 10–12 земных радиусов. А во время сильных магнитных бурь граница магнитосферы сильно приближается к нам, и геомагнитное поле поджато до 4–6 земных радиусов.

Однако некоторые наиболее энергичные частицы могут прорываться через магнитосферные щели — участки, где поле очень слабое. Эти частицы ответственны за разрушение ионосферы Земли, и, следовательно, за все те нарушения радиосвязи, о которых мы говорили. Около магнитных полюсов силовые линии геомагнитного поля расположены ближе к поверхности Земли. Заряженные частицы солнечного ветра, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, проникают в полярных районах более глубоко в атмосферу и, взаимодействуя там с атомами и молекулами, передают им часть своей энергии. В верхней атмосфере возбуждается таким путем свечение, и мы можем наблюдать одно из самых красивых явлений природы — полярные сияния.

Все явления, о которых мы сейчас говорили, тесно связаны с магнитными полями Солнца. Природа вспышек, протуберанцев, солнечных пятен станет ясной лишь тогда, когда до конца будет понят механизм, приводящий к возникновению магнитных полей на Солнце. Сейчас общепринятой теории всех этих явлений нет. Именно поэтому мы не понимаем, в частности, чем обеспечена устойчивость солнечных пятен, как происходит нагрев короны и т. д.

Но чувство неудовлетворенности от в общем-то большого числа нерешенных загадок, которые ставит нам Солнце, отчасти смягчается тем обстоятельством, что все эти нерешенные вопросы мы не в состоянии даже поставить по отношению к другим солнцам — далеким звездам. Исследование Солнца дает нам ключ к пониманию множества процессов, проходящих в дальнем космосе, и, не будь Солнца, мы вынуждены были бы ограничиваться лишь догадками.