Как можно узнать, из чего состоит что-то, что находится в 150 миллионах километров от нас? Особенно если это что-то настолько горячее и яркое, что к нему совершенно невозможно приблизиться хоть на шаг без риска быть насмерть обожженным? Так же, как и со всеми вещами в астрономии, ответ кроется в том свете, который поступает к нам от Солнца.

В первой главе мы уже видели, как можно воспользоваться призмой для расщепления белого света на его составные части – отдельные спектры цвета. В начале 1800-х годов немецкий физик Йозеф фон Фраунгофер обнаружил, что цветовой спектр солнечного света не является непрерывным – он содержит серию из более пятисот черных линий, в настоящее время известных как линии Фраунгофера. В 1850-х годах два немецких ученых – Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф – дали объяснение этому феномену, показав, почему они там находятся. Как оказалось, эти линии просто-напросто обозначают пропущенные цвета – пробелы в спектре, появившиеся из-за того, что разные вещества, существующие на Солнце, поглощают определенные цвета или частоты спектра солнечного света, не позволяя этим цветам достичь Земли.

Эти линии, по существу, представляют собой химические штрихкоды, скрывающие жизненно важную информацию о том, из чего состоят источники света. Это уникальные отпечатки пальцев Солнца. Разогревая различные химические элементы в лабораторных условиях, Бунзен и Кирхгоф сопоставляли их «линии абсорбции» с такими же для солнечного спектра (для целей своих экспериментов Бунзен изобрел нагревающее устройство, которое с тех времен носит его имя). Оказалось, что Солнце в основном состоит из водорода – самого легкого элемента во Вселенной.

Между тем в 1868 году Солнце поставило астрономам подножку. В тот год французский астроном Пьер Янссен, наблюдая за солнечным затмением, обнаружил линию абсорбции, не соответствующую ни одному из известных элементов. В этот же год английский астроном Норман Локьер заметил идентичные линии, когда наблюдал за Солнцем. Локьер со своим коллегой-химиком Эдвардом Франклендом назвали новый элемент «гелием» от греческого слова helios, что значит «солнце». Позднее этот элемент был найден и на Земле, и это был первый случай, когда элемент сначала обнаружили в космосе. Благодаря новому методу анализа спектральных линий, сегодня известного как метод спектроскопии, теперь мы знаем, что Солнце на 73 % состоит из водорода, на 25 % – из гелия, а остальные 2 % приходятся на другие элементы, такие как кислород, углерод и железо.

Солнце жжет нашу кожу с расстояния почти 150 миллионов километров. Вопрос о том, что является источником энергии этой огромной печи, был одним из самых насущных и животрепещущих для физиков конца XIX века.

Развитие геологии и биологии, в том числе и работы Дарвина по эволюции посредством естественного отбора, послужили намеком на очень старую Землю. С учетом того, что Солнце еще старше, обнаружение источников его энергии становилось еще более затруднительным. Одно дело – установить процесс, способный поддерживать Солнце в течение миллионов лет, и совсем другое – миллиардов.

Многие викторианские научные светила наотрез отказывались верить в столь широкие временные рамки. Лорд Кельвин – ведущий эксперт в вопросах тепла и энергии – видел источник солнечной энергии в гравитации. Поскольку солнечный материал, из которого оно состоит, сдавливается в направлении его центра, в этом же направлении повышается и давление, и температура. Именно эту конверсию гравитационной энергии в тепловую энергию Кельвин считал источником энергии солнца. Однако, по его подсчетам, солнце должно было растратить всю эту энергию примерно за 30 миллионов лет. Следовательно, оно должно быть моложе, если оно все еще продолжает светить, и по этой причине Кельвин в 1862 году публично отверг предположения Дарвина относительно возраста Земли, который, по мнению автора эволюционной теории, составляет миллиарды лет.

Однако прав оказался Дарвин, а не Кельвин. Недостающее звено в головоломке было найдено в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал свою знаменитую формулу Е = mc². Согласно этой формуле энергия (Е) и масса (m) в сущности это одно и то же, и вы можете преобразовать одно в другое. Помножив массу на скорость света (с) в квадрате, вы получаете количество энергии, которая имеется в вашем распоряжении. Вместе с тем здесь есть одна загвоздка: высвобождение энергии из массы требует экстремально высокого давления и температуры.

В 1920 году британский астроном Артур Эддингтон первым описал действительный механизм, поддерживающий энергию Солнца: синтез. Гелий может образоваться в результате слияния атомов водорода под воздействием экстремально высокого давления и температуры, какие отмечаются в центре солнечного шара. Важно, однако, что масса образующегося гелия немного меньше первоначальной массы водорода. Эта недостающая масса и является источником солнечной энергии – именно она преобразуется в энергию Солнца согласно знаменитой формуле Эйнштейна. Ежесекундно на Солнце происходит слияние и последующее превращение 620 миллионов тонн водорода с образованием 616 миллионов тонн гелия. Недостающая масса в 4 миллиона тонн преобразуется в солнечный свет.

Несмотря на ненасытную прожорливость Солнца в отношении водорода, у него все еще остается в запасе достаточно материала для синтеза, чтобы обеспечить свое существование на протяжении еще 5 миллиардов лет. В главе 4 мы рассмотрим, что произойдет после того, как источники энергии Солнца будут полностью исчерпаны.

Точное описание превращения водорода в гелий было получено в 1939 году, когда немецко-американский физик Ханс Бете опубликовал предварительную работу о протон-протонном цикле (пп-цикл), в котором четыре протона (ядра водорода), сливаясь, образуют ядро атома гелия. Несмотря на то что в ядре Солнца этот процесс протекает приблизительно 90 триллионов триллионов триллионов раз в секунду, процесс слияния отдельных протонов может занимать миллионы лет.

У нас нет возможности заглянуть внутрь Солнца и понаблюдать за пп-циклом в действии. Но мы можем предсказать, сколько энергии должно будет излучать Солнце, если именно это является его источником энергии. И сопоставить два числа.

Между тем существовала трудноразрешимая, неотступная проблема, мучившая астрономов вплоть до XXI века: на Землю от Солнца поступало недостаточное количество нейтрино. Нейтрино – это мельчайшие, почти невесомые субатомные частицы. Они также являются побочными продуктами пп-циклов Бете и, устремляясь от Солнца, распространяются по всей Солнечной системе. Но эти частицы невероятные индивидуалисты, они, никуда не отклоняясь, прямиком проходят через обычное вещество, подобно призракам. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр вашего тела проходит больше солнечных нейтрино, чем количество людей на Земле. Однако они не наносят нам никакого вреда.

С начала 1960-х годов физики разрабатывали все более изощренные эксперименты, которые позволили бы им уловить хоть небольшую горсточку этих частиц в момент их прохождения сквозь нашу планету. Однако они сразу же заметили, что на Землю поступает недостаточное количество этих частиц. Ученым удалось зафиксировать лишь примерно треть того количества нейтрино, которое было предсказано на основе пп-циклов. Предположительно это объяснялось тем, что нейтрино видоизменяется – меняет «аромат», – превращаясь на своем пути к Земле в два других типа нейтрино. Следовательно, предыдущие эксперименты с нейтрино, чувствительные только к одному его типу, игнорировали два других типа этих частиц. Поэтому они регистирировали только треть того, что ожидали получить.

В период между 1998 и 2006 годом эксперименты в Америке и Японии показали, что в действительности имеются три разновидности нейтрино и каждая конкретная частица может переходить, или осциллировать, в одну из этих разновидностей. С учетом этих осцилляций, количество нейтрино, приходящих на Землю, оказывается ровно таким, каким оно должно бы быть, если бы пп-цикл являлся источником энергии Солнца.

Представьте, что вы разрезаете Солнце пополам, чтобы увидеть его слои. Точно в центре вы увидели бы его ядро, занимающее примерно четверть внутреннего слоя. Именно здесь гравитационное давление, оказываемое лежащим сверху веществом, вызывает подъем температуры и давления до уровней, достаточно высоких, чтобы синтезировать гелий из водорода посредством пп-цикла. Температура колеблется в районе 15 миллионов градусов по Цельсию, а давление настолько высокое, что ядерное вещество достигает плотности в тринадцать раз большей, чем плотность свинца.

Свет выходит из ядра в радиационную зону, простирающуюся на 70 % ширины Солнца. По мере выхода и отдаления от ядра температура постепенно снижается до тех пор, пока на вершине радиационной зоны не становится равной примерно 1,5 миллиона градусов по Цельсию. В то время как плотность вещества также постепенно снижается, частицы продолжают оставаться вблизи ядра в уплотненном состоянии. В среднем частица света не может продвинуться больше чем на сантиметр до того, как она налетает на что-либо и сбивается с курса.

Солнечный шар подразделяется на множество слоев, идущих от центра к его наружной короне

Если бы вы прослеживали путь отдельно взятой частицы света (фотона), вам пришлось бы ждать от 100 тысяч до 1 миллиона лет, чтобы увидеть, как она появляется из этой невообразимой сумасшедшей радиационной зоны, напоминающей машину для игры в китайский бильярд. Часто можно слышать, как люди говорят, что возраст видимого нам света составляет восемь минут, – именно столько времени необходимо свету, чтобы достичь поверхности Земли. Это время путешествия света, начинающегося от края Солнца, но свет зарождается не на краю, а в солнечном ядре. К тому времени, когда свет достигает наших глаз, ему уже исполняется 100 тысяч лет.

Переход через зону конвекции происходит значительно стремительней. Обычно для высвобождения энергии требуется всего три месяца. Как только свет достигает зоны конвекции, он абсорбируется газом. Это приводит к нагреванию газа, что делает его легче, и он поднимается еще выше по направлению к краю солнечного диска. Здесь он охлаждается, становится тяжелее и опускается обратно, вытесняя более теплую материю. В результате таких циклов конвекции энергия выводится из краевой части радиационной зоны в фотосферу – видимый наружный слой солнечного шара, который мы можем наблюдать. По мере того как атомы, находящиеся в краевой части конвекционной зоны, охлаждаются, происходит высвобождение энергии в форме света, который теперь может устремиться вовне и осветить всю Солнечную систему.

Теперь, когда вы в следующий раз почувствуете тепло солнечного света на своем лице и будете купаться в его лучах, возраст которых не меньше миллиона лет, остановитесь на мгновение, чтобы призадуматься о том, какой колоссальный путь проделала солнечная энергия, высвободившаяся из солнечного ядра и достигшая поверхности нашей кожи.

Структура солнца не заканчивается фотосферой, имеются также значительно более тонкие слои, обрамляющие его, а именно хромосфера и корона. Хромосфера является обиталищем 500-километровых струй – своеобразных молний в виде трубок-конусов синего цвета, называемых спикулами. В каждый конкретный момент времени на Солнце имеются сотни тысяч таких спикул.

Температура падает в направлении от ядра к фотосфере, но затем, по мере выхода из фотосферы, внезапно начинает расти, достигая 8 тысяч градусов по Цельсию на вершине хромосферы. Температура продолжает увеличиваться и при переходе через узкий 100-километровый коридор под названием транзитная зона, а достигнув основания короны, достигает до 500 тысяч градусов по Цельсию. В пределах солнечной короны температура возрастает до миллионов градусов по Цельсию. Никто в действительности не знает, почему Солнце внезапно и вновь начинает разогреваться – эта проблема коронального разогрева является основной темой в современных исследованиях Солнца.

Это означает, что физики, работающие в области исследований Солнца, намерены как можно тщательнее изучить корону, однако ее очень тонкую натуру затмевает блеск нижележащих слоев.

Раньше нужно было ждать полного солнечного затмения, когда Луна создавала благоприятные для наблюдений условия, закрыв остальную часть Солнца. Но в настоящее время в нашем распоряжении появились современные телескопы для исследования околосолнечного пространства, оборудованные коронографами – специальными дисками, блокирующими Солнце и создающими искусственное затмение, чтобы астрономы имели возможность регулярно исследовать солнечную корону.

Эти глаза, направленные на Солнце, фиксируют не только видимый свет. Они чувствительны и к другим частям электромагнитного спектра, включая ультрафиолетовый и рентгеновский спектры. Такие наблюдения позволили обнаружить корональные дыры – темные околополюсные области, которые почти не излучают радиацию. Возникнув, эти области продолжают существовать месяцами и являются источником высокоскоростных солнечных ветров.

Солнце – это далеко не неизменный желтый шар, появляющийся на нашем небосводе. Напротив, это невероятно динамичное и стремительно меняющееся небесное тело с бурлящей поверхностью и постоянно меняющимися очертаниями, сформированное под воздействием интенсивной магнитной активности.

Солнце – это гигантский магнит. Вы наверняка помните из школы тот заезженный эксперимент с магнитным бруском и железными опилками. Опилки выстраивались ровными рядами вдоль линий невидимого магнитного поля, пролегающих между его северным и южным полюсами. И у Солнца, и у Земли имеются аналогичные магнитные поля, пролегающие от одного полюса до другого. Наше магнитное поле закономерно сходно с полем магнитного бруска, потому что Земля вращается как единое твердое тело. Однако Солнце представляет собой вихрящийся колыхающийся шар, состоящий из чрезвычайно перегретого газа под названием плазма. Не являясь единым цельным телом, Солнце на экваторе вращается на 20 % быстрее, чем на полюсах. Астрономы называют это явление дифференциальным вращением, или ротацией.

В итоге магнитное поле на экваторе растягивается быстрее, чем на полюсах. Это приводит к тому, что общее магнитное поле Солнца становится значительно более сложным из-за того, что оно скручивается и запутывается. Во многом так же, как и в скрученной пружине или резиновом поясе, в результате этого процесса происходит накопление энергии вдоль магнитных линий. Мы наблюдаем высвобождение этой скрытой энергии в форме специфических проявлений и извержений на поверхности Солнца.

Солнечные пятна – одни из самых заметных и очевидных явлений на поверхности Солнца – затемнения, часто появляющиеся группами. Первым эти пятна еще в начале XVII века заметил Галилей, наблюдавший за небом в телескоп, но сообщения о солнечных пятнах, видимых невооруженным глазом, появлялись на протяжении более двух тысяч последних лет. И это вполне вероятно, поскольку некоторые солнечные пятна вырастают до размеров, равных более чем 10 % от общего диаметра солнечного диска – или до 160 тысяч километров. Это в 12,5 раза шире, чем диаметр земного шара. Солнечные пятна, как правило, существуют от нескольких дней до нескольких недель, однако некоторые из наиболее устойчивых долгожителей остаются на поверхности Солнца месяцами.

В течение многих лет объяснения происхождения этих пятен варьировались от предположений, что они вызваны штормами в солнечной атмосфере, до подозрений в том, что это синяки или кровоподтеки, за которые ответственны кометы камикадзе. Средняя температура фотосферы равна приблизительно 5,5 тысяч градусов по Цельсию, тогда как температура на солнечных пятнах в большинстве случаев варьируется от 3 тысяч до 4 тысяч градусов по Цельсию. Мощные локальные магнитные поля в районе локализации солнечных пятен по возможности препятствуют подъему тепла вверх из нижележащей конвекционной зоны. Именно поэтому солнечные пятна часто появляются парами – по одному на каждый полюс.

Еще со времен Галилея астрономы постоянно и подробно фиксировали количество солнечных пятен. Была установлена четкая модель изменения их числа – их количество достигало максимума ровно через каждые одиннадцать лет, после чего они постепенно исчезали и затем появлялись вновь.

Другие формы солнечной активности – вспышки на Солнце, протуберанцы и корональные выбросы массы, которые мы рассмотрим в следующем разделе, – также следуют этой тенденции. Требуется ровно одиннадцать лет дифференциального вращения, чтобы развернуть магнитное поле Солнца настолько, чтобы оно переключилось, только для того, чтобы перестроиться и снова свернуться.

Астрономы также установили наличие и других моделей развития солнечной активности. Первая из них известна под названием закона Шпёрера, по имени немецкого астронома Густава Шпёрера. На раннем этапе одиннадцатилетнего цикла солнечные пятна появляются в высоких или низких широтах солнечного шара, то есть на большом расстоянии от солнечного экватора. Однако по мере протекания цикла они появляются все ближе и ближе к экватору. График изменения расположения солнечных пятен в зависимости от времени сходен с бабочкой – отсюда и его название – диаграмма Бабочки. Закон Джоя, носящий имя американского астронома Альфреда Джоя, гласит, что пара солнечных пятен часто бывает наклонена так, что ведущее пятно находится ближе к солнечному экватору.

Большинство людей убеждены, что никогда нельзя смотреть прямо на Солнце. Хотя в большинстве случаев этого действительно не следует делать – Солнце может вас очень быстро ослепить, – вы все же можете посмотреть прямо на него, если использовать специальный солнечный телескоп. Огромные фильтры, расположенные спереди, резко снижают интенсивность света, пропуская через окуляр прибора лишь его очень незначительную и безопасную часть.

Если вы посмотрите на Солнце через окуляр такого телескопа, то наверняка наряду с солнечными пятнами увидите мельчайшие языки пламени, отходящие от края поверхности солнца. Это солнечные протуберанцы. Когда силовые линии магнитного поля Солнца вырываются наружу, в космическое пространство, они выносят с собой некоторое количество горячего газа. Возможно, самая впечатляющая картина возникает тогда, когда они образуют арку, возвышающуюся над фотосферой, – горячий газ следует за силовыми линиями магнитного поля, выходящими из Солнца и входящими обратно. Такие арки могут казаться небольшими, но они часто тянутся на сотни тысяч километров в длину.

То, что вы видите, напрямую зависит от угла вашего зрения. Представьте, что протуберанец извергается из Солнца прямо в направлении вас. В таком случае вы будете смотреть на него «в лоб». Астрономы называют это филаментами или волокнами. Они выглядят как змеи, скользящие по солнечному диску. Как и солнечные пятна, они кажутся более темными, поскольку вы наблюдаете более холодный газ перед горячей поверхностью Солнца, находящейся позади него.

Довольно часто люди ошибочно называют протуберанцы вспышками на Солнце, но солнечные вспышки представляют собой отдельный класс солнечных явлений. Как можно понять по их названию, речь идет о резком увеличении яркости и отдельных областей солнечной поверхности и вспышке излучения. Количество энергии, вовлеченной в этот процесс, разнится, – одна-единственная вспышка может привести к высвобождению миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Для сравнения, все взрывчатые вещества, использованные во время Второй мировой войны, – включая и атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, – в совокупности составляли три мегатонны в тротиловом эквиваленте.

Вспышки на Солнце часто сопровождаются самым впечатляющим взрывом, который может произойти на Солнце: корональным выбросом массы (КВМ).

В марте 1989 года шесть миллионов канадцев провинции Квебек оказались погруженными в темноту во время девятичасового обрыва электрической сети. Поскольку связь с погодными спутниками также была прервана, северные сияния перестали быть северными – они стали видны далеко на юге, даже в южном Техасе и во Флориде. Все эти события имели одну причину: корональный выброс массы на Солнце (КВМ).

Потрясающий по красоте и мощный корональный выброс массы Солнцем в августе 2012 года

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Подобные мощные взрывы на Солнце приводят к выбросу в космическое пространство миллиардов тонн материала со скоростью более миллиона километров в час, который наводняет солнечную систему заряженными частицами. Когда эти частицы достигают Земли, мы оказываемся под воздействием геомагнитной бури, вызывающей колебания в нашем магнитном поле. Подобные космические события приводят к увеличению напряжения в электрических сетях, которые в конце концов отключаются, а также к повреждениям спутников и усилению полярных сияний. КВМ происходят каждые три-пять дней, но, к нашему счастью, большая их часть проходит мимо нашей крошечной планеты.

Одним из самых впечатляющих корональных выбросов массы, достигших Земли, было так называемое событие Каррингтона 1859 года, названное по имени английского астронома Ричарда Каррингтона. К счастью, наша электрическая инфраструктура в то время находилась в зачаточном состоянии. Электрический телеграф тогда был самым передовым средством коммуникации, и связь по нему была нарушена. Многие телеграфисты сообщали о том, что получили электрический удар. Если бы аналогичное событие произошло сегодня, ущерб наверняка составил бы триллионы долларов США. Самолеты должны были бы приземлиться и оставаться на земле, пока магнитная буря не уляжется. Даже в наши дни пилоты и воздушный экипаж относятся к разряду радиационных работников. Во время значительно более слабой бури на Солнце, произошедшей в 2003 году, все, кто находился в самолете, следовавшем по маршруту Чикаго – Пекин, должно быть, получили 12 % своей годовой нормы радиационного облучения.

По понятным причинам необходимо предсказывать подобные события – иметь службу прогноза погоды в космосе, во многом такую же, какая у нас есть на Земле. У нас нет возможности предотвратить это, но мы можем минимизировать наносимый нам ущерб. В настоящее время мы можем узнать, опасна ли приближающаяся буря на Солнце, лишь за несколько часов до того, как она обрушится на нас. Некоторые специалисты говорят, что прогноз космической погоды в настоящее время отстает от своего земного коллеги на тридцать-сорок лет. Однако уже предпринимаются определенные шаги для того, чтобы отодвинуть окно прогноза сначала за пределы двадцати четырех часов, а затем и нескольких дней. Эти работы имеют огромное значение, поскольку события, подобные событию Каррингтона в 1859 году, как предполагается, происходят каждые 150 лет или около того. Таким образом, это только вопрос времени, когда нам придется столкнуться с другим таким событием.

Это было многократно отрепетировано. Парашют раскрывается, и дежурящий вертолет загарпунивает его, обеспечив тем самым мягкую посадку бесстрашному путешественнику. Только все произошло не совсем так. 8 сентября 2004 года космический зонд НАСА «Генезис» прорвался сквозь атмосферу и разбился о поверхность Земли. На снимках с места события видно, как с вертолета наблюдают за жалкими остатками аппарата.

Стабилизирующий парашют не раскрылся – кто-то установил датчик ускорения верх ногами. Почти весь бесценный груз «Генезиса» был испорчен до невозможности.

Однако, к счастью, некоторые образцы были почти полностью восстановлены. Зонд запустили тремя годами ранее в смелой попытке захватить частицы солнечного ветра и вернуть их на Землю для проведения анализа. Это был первый случай возвращения миссии со времен миссий «Аполлона» и первая миссия из всех, которая привезла материал с орбиты, находящейся за пределами орбиты Луны.

Идея невидимых частиц, устремляющихся наружу из Солнца, обсуждалась уже в 1859 году Ричардом Каррингтоном во время события Карррингтона. В настоящее время мы знаем эти заряженные частицы – в большинстве своем электроны и протоны, – выбрасывающиеся из Солнца во все стороны со скоростью более миллиона километров в час. Самые стремительные потоки вырываются из дыр в солнечной короне. Оказавшись на свободе, частицы разлетаются по всему космическому пространству за пределами орбит планет, где они пересекаются с другими ветрами, исходящими от других звезд.

Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, в приполярных областях Земли возникает полярное сияние. Однако солнечный ветер далеко не погожий, – он также обладает достаточной разрушительной мощью. По мнению астрономов, атмосфера Марса в прошлом была значительно плотнее и таким образом могла сохранять жидкую воду на марсианской поверхности. В отсутствии магнитного поля, однако, солнечный ветер постепенно разъедал атмосферу Марса, «раздев» его догола. Сегодня Марс представляет собой обезвоженную, бесплодную пустыню.

Земля была сформирована из обломков и другого остаточного материала. Главным событием в этой части Вселенной было образование Солнца приблизительно 4,6 миллиарда лет назад.

Но огромное количество газов и пыли продолжало вращаться вокруг недавно родившейся звезды. Под воздействием гравитации этот материал объединился в более крупные объекты, которые называются «планетезимали», или планеты в начальной стадии зарождения – строительные блоки будущих планет, – каждый около километра в диаметре.

Примерно 4,56 миллиарда лет назад, лишь через несколько сотен миллионов лет после образования Солнца, некоторые обломки породы и металлов столкнулись друг с другом и, смешавшись, образовали Землю. Непрерывные бомбардировки новыми планетезималями, наряду с энергией, выделяющейся вследствие радиоактивного распада, поддерживали новообразованную планету в расплавленном состоянии. Под воздействием сил гравитации сформировавшееся шарообразное космическое тело превратилось в итоге в земной шар.

Земной шар в начальной стадии формирования находился в полностью расплавленном состоянии, что позволяло тяжелым материалам, таким как железо, устремляться в направлении его ядра

Поскольку наша планета находилась в расплавленном состоянии, наиболее тяжелые материалы могли свободно опускаться на дно. И наоборот, самые легкие материалы в итоге оказались на поверхности. Геологи называют этот процесс дифференциацией. После охлаждения уже отдифференцировавшегося земного шара над плотным ядром из железа и никеля сформировалась твердая земная кора.

В настоящее время в центре нашей планеты продолжает находиться железо-никелевое ядро. Оно подразделяется на две части – внутреннее и наружное ядра. Внутреннее ядро твердое, а наружное находится в расплавленном состоянии из-за огромной разрушительной силы вышележащих материалов.

Температура в пограничной области между внутренним и наружным ядром Земли может достигать 6000 градусов по Цельсию, делая ее такой же разгоряченной, как поверхность Солнца. В совокупности внутренняя и наружная части земного ядра составляют 55 % всей внутренней части нашей планеты и окружены мантией, состоящей из полурасплавленной породы, называющейся магмой. Верхнюю поверхность мантии покрывает земная кора – поверхность планеты, на которой мы и живем. Достигая всего 60-километровой толщины в самой глубокой своей части, земная кора составляет лишь половину процента от диаметра Земли. Если бы наша планета сжалась до размера яблока, то ее кора равнялась по толщине кожуре яблока.

Самым поразительным на нашей голубой планете являются огромные запасы воды. Более 70 % поверхности Земли покрыто водой – H₂O, находящейся в жидком состоянии, и жизни всех живых существ на Земле, начиная от мельчайшей бактерии до гигантского синего кита, зависят от воды. Любая вода, если бы она существовала на Земле изначально, уже давно испарилась бы вследствие наблюдавшихся тогда адских температур, следовательно, она появилась на земле позже. Но откуда?

Она могла быть образована в пределах мантии глубоко под корой. Жидкий водород и кварц способны вступать в реакцию, чтобы образовать жидкую воду, и эта вода могла быть впоследствии заперта внутри породы. В 2014 году на глубине в 700 километров был обнаружен огромный резервуар с водой, способной трижды заполнить океанские впадины на поверхности Земли. По всей вероятности, с течением времени пары воды испарялись через трещины в коре, попадая наружу. А впоследствии, по мере охлаждения нашей планеты, водяные пары стали конденсироваться, переходя в жидкое состояние, и заполнили все нижележащие впадины.

Другой вероятный источник воды находился в открытом космосе – вероятно, он попал к нам вместе с астероидами и кометами, когда эти космические тела столкнулись с Землей. Однако у такой идеи имеются явные изъяны. Анализ вещества комет показывает, что многие из них содержат другой тип воды, отличающийся от той, которая заполняет наши моря и океаны. Если бы вода попала к нам вместе с астероидами, то в атмосфере нашей планеты сегодня содержалось бы значительно больше ксенона, чем это имеет место на самом деле. Так что вопрос остается открытым.

Вопрос, касающийся происхождения атмосферы Земли, несколько более ясен, однако в момент зарождения ее состав сильно отличался от сегодняшнего. Первые газы, приставшие к недавно родившейся Земле, были высвобождены в результате вулканической активности из глубин нашей планеты. Это были главным образом диоксид углерода, перемежающийся с монооксидом углерода, сульфид водорода и метан. Свободного кислорода тогда еще не было. Весь кислород был связан в воде (H₂O) и твердых кремниевых соединениях, таких как двуокись кремния (SiO₂).

Но все изменилось 3 миллиарда лет назад, когда в океанах стали буйно развиваться микроскопические организмы, называющиеся цианобактериями. Они стали производить свободный кислород путем реакции между двуокисью углерода, водой и солнечным светом в процессе фотосинтеза. Образование кислорода в атмосфере привело к самому массовому вымиранию организмов в истории Земли, поскольку кислород был токсичен для подавляющего большинства существовавших тогда форм жизни. Выжили только те организмы, которым удалось приспособиться к грандиозному сдвигу в химическом составе земной атмосферы. Вы произошли от потомков организмов, успешно переживших те события. В настоящее время кислород является вторым преобладающим элементом в атмосфере Земли (21 %) после азота (78 %).

Обширная гряда Гималайских гор, подпирающая пограничную область между Тибетским плато и Индийским субконтинентом, является одним из естественных чудес на Земле. Ежегодно тысячи людей, плененные магией горы Джомолунгма (Эверест), пытаются помериться силами с величайшей вершиной мира.

Но в сравнении с возрастом Земли, Гималаи в действительности очень молоды. По мнению большинства ученых, они образовались всего каких-то 50 миллионов лет назад. Однако та часть суши, которая сегодня в большинстве своем укладывается в границы Индии, прошла довольно необычный путь, чтобы оказаться там, где она находится сейчас. Эта часть суши изначально откололась от древнего материка, известного как Гондвана, после чего отправилась в северном направлении, оставила в стороне остров Мадагаскар вблизи основной части Африканского континента, а затем продолжила свой путь к Азии. Передвигаясь со скоростью 20 сантиметров в год, она напролом пропахивала себе путь к крупнейшему на планете континенту, чтобы воздвигнуть здесь высочайшие в мире горные хребты.

Такие значительные передвижения огромных массивов суши оказались возможными только потому, что земная кора состоит из серии тектонических плит, плавающих на жидком веществе мантии. Нестабильность поверхности мантии, вызывающая течения и колебания расплавленной породы, привела к тому, что индийская плита отделилась от Гондваны и устремилась на север. Столкнувшись с основным массивом евразийской литосферной плиты, индийская плита вдвинулась под нее, вздымая вверх находившийся на ее пути материал, и тем самым воздвигая Гималайские горы. Этот процесс еще далеко не завершен. Столкновение только замедлило продвижение индийской литосферной плиты, – но она продолжает свое продвижение на север. А Гималаи продолжают расти со скоростью два сантиметра в год.

Однако тектонические плиты не просто геологическая экзотика. По мнению многих ученых, они сыграли ключевую роль в развитии жизни на Земле. В конце концов, Земля – единственная планета в Солнечной системе, на которой есть жизнь. По границам этих плит часто извергаются вулканы, позволяя газам, запертым под поверхностью планеты, высвободиться и выйти в атмосферу, – в первую очередь это касается двуокиси углерода. Дополнительные выбросы диоксида углерода в течение ледниковых периодов способствовали повышению температуры.

Но передвижения литосферных плит могут также задерживать избыточные количества CO₂, таким образом защищая планету от перегрева.

По этой причине при поисках жизни во Вселенной за пределами Земли астрономы стремятся найти не только планеты, где отмечаются те же температуры, что и на Земле, но и планеты, на которых имеются такие же тектонические плиты, которые могли бы сдерживать температуры в пределах биологически дружелюбных человеку значений.

В северо-восточной оконечности залива Мэн, на волнистом побережье Атлантического океана в Северной Америке, находится уникальный узкий морской залив, называющийся залив Фанди. Дважды в день более 100 миллиардов тонн воды приливают и отливают из этого залива. Для сравнения, это больше воды, чем вся вода, протекающая через пресноводные реки всей Земли, вместе взятая.

В чем причина перемещения столь невероятно огромного количества воды? Гравитация. Именно гравитационное притяжение Луны (и отчасти Солнца) является той силой, которая вызывает огромные приливы и отливы, происходящие ежедневно по всему миру. Твердые земные породы тоже притягиваются, но вода значительно более подвижна. Такой эффект воздействия гравитации достигает максимального уровня в заливе Фанди, где высота приливной волны достигает 16 метров, тогда как высота волны во время отлива составляет всего 3,5 метра, – это означает, что вода во время прилива поднимается до высоты четырехэтажного дома.

Гравитационное притяжение Луны создает приливные волны (горбы) на той стороне Земли, которая находится к ней ближе всего

Все происходит следующим образом. Когда ваша часть Земли обращена лицом к Луне, вода в ваших водоемах притягивается в направлении ее и прочь от тех регионов земного шара, которые находятся под прямым углом к вам.

Вы наблюдаете приливы, а те другие регионы – отливы. Сила притяжения Луны, воздействующая на воду на противоположной стороне планеты, не столь велика, так как она находится на большем расстоянии от нее. Здесь наблюдается другой прилив вследствие центробежной силы вращающейся Земли – та же сила, которая отбрасывает вас в наружную сторону машины, когда вы делаете резкий поворот. Именно по этой причине в большинстве мест на Земле наблюдаются два прилива и два отлива ежедневно – вращение планеты вокруг своей оси проводит нас через эти четыре области каждые двадцать четыре часа.

Происходящее заслуживает того, чтобы задуматься об этом на минуту. Если вы когда-либо находились на морском берегу и видели, как происходит отлив, вероятно, вас не надо долго убеждать, что в таком случае вода уходит от вас. Но это не то, что происходит на самом деле. Вода преимущественно остается там, где она находилась, удерживаемая на месте либо силой притяжения Луны, либо центробежными силами. Вместо этого двигаетесь вы, – это вас относит от приливной волны вращением Земли. В действительности это вы и берег убегаете от воды!

Одной из самых замечательных особенностей нашей планеты является сезонность, или вариации климата в зависимости от времени года. Весной цветы пробиваются из-под земли и тянутся к небу. Осенью все наоборот, – листья опадают наземь. Многие люди ошибочно думают, что изменения температур в течение года происходят в зависимости от расстояния от Солнца. То есть, по их мнению, наша планета летом находится ближе к Солнцу, а зимой – дальше.

Но в действительности смена сезонов на Земле является результатом наклона оси Земли. Наша планета расположена не строго вертикально – она отклоняется от вертикали на 23,4 градуса. Это означает, что в июне Северное полушарие наклонено в сторону Солнца и люди там наслаждаются более теплой погодой и более продолжительными днями. Те же люди, которые живут за полярным кругом, наблюдают нескончаемый день, – эта часть Земли так сильно наклонена в сторону Солнца, что оно практически никогда не садится. Тем временем Южное полушарие отклонено от Солнца так, что тепло и свет поступают туда с трудом, поэтому наступает зима. А Антарктида погружена в непрерывную ночь.

Через шесть месяцев, когда Земля будет находиться с другой стороны от Солнца, роли поменяются. Те, кто будет находиться ниже экватора, станут махать веером, готовя барбекю, тогда как живущие выше экватора люди потянутся к санкам. Арктика окажется в тени, а Антарктика будет постоянно освещена.

Самый длинный и самый короткий дни в году (в июне и декабре) называются днями солнцестояния. Ровно посередине между этими датами наша планета достигает такой точки, где ни одно из полушарий не наклонено ни к Солнцу, ни от Солнца. В эти дни в марте и сентябре, известные как дни равноденствия, на всей планете длины дня и ночи абсолютно равны.

Мы переживаем времена года, потому что наклон Земли означает, что в некоторых точках мы наклонены к солнцу, а в других отклонены

Мы должны быть благодарны за то, что наклон Земли не столь велик. Если бы угол был намного больше, сезонные изменения условий жизни были бы значительно более драматичными и к ним было бы куда труднее приспособиться. Благодаря силе притяжения Луны угол наклона нашей планеты остается неизменным, а сезоны года – предсказуемыми. Например, ось наклона Марса, в отсутствии крупного спутника в качестве противовеса, демонстрирует сильные колебания под воздействием силы гравитации других планет. Это приводит к долгим зимам и особенно жарким летам, которые не равны по длительности и постоянно смещаются.

Путешествия, которые совершают женские особи морских черепах, просто потрясающи. Будучи рожденными на морском берегу, они сразу же спускаются к воде и мигрируют на расстояния более 2000 километров в поисках более богатых пищей мест. Достигнув зрелости, они проделывают тот же самый путь, но в обратном направлении, возвращаясь на берег, где когда-то вылупились. Как черепахам удается запомнить, откуда они пришли? Ответ, вероятно, заключается в том, что они ориентируются по магнитному полю Земли.

В глубине, в скрытых резервуарах нашей планеты, в ее наружном ядре, пока Земля вращается, колыхается расплавленное железо. Это движение вещества приводит к генерированию магнитного поля Земли. Оно пробивается из вершины нашей планеты и, опоясывая ее кольцами, заканчивается на ее противоположной вершине. Однако когда дело касается полюсов, все становится немного сложнее. У Земли есть три северных и три южных полюса.

Во-первых, имеется географический северный полюс – физическая точка на планете, совпадающая с воображаемой линией оси вращения Земли. Эта точка во многом фиксированная, и она циклически смещается лишь на несколько метров в год.

Затем, имеется северный магнитный полюс – место, на которое указывает компас. Если бы стрелка компаса могла свободно двигаться по вертикали, то в этой точке она была бы направлена вниз. Вследствие изменений в наружном ядре Земли северный магнитный полюс очень подвижен. До недавнего времени он находился в Канаде, однако в настоящее время он блуждает по просторам Арктики и Сибири. Географический и магнитный полюса Земли в настоящий момент расходятся приблизительно на десять градусов.

И наконец, у Земли имеется геомагнитный северный полюс. Это точка, в которой находился бы северный магнитный полюс, если бы в центр Земли положили обычный магнитный брусок. В действительности же наше магнитное поле значительно сложнее, чем простой магнитный брусок. У всех этих трех северных полюсов имеются соответствующие эквиваленты в южном полушарии.

Трудно представить бурно развивающуюся жизнь на Земле без этого магнитного поля. Оно действует как гигантское силовое поле, преломляющее губительную радиацию, излучаемую Солнцем и поступающую из глубин космоса. Оно прикрывает нас от солнечного ветра, который в противном случае уничтожил бы весь наш озоновый слой и оставил бы нас беззащитными перед ультрафиолетовым излучением, поступающим к нам от Солнца.

Полярное сияние (aurora borealis), возникающее как огромный занавес из зеленого света, переливающийся и кружащийся в разных направлениях по всему небу, почти постоянно видно вблизи Северного полюса. То же самое зрелище можно наблюдать и вблизи Южного полюса Земли (aurora australis). Помимо свечения, это сияние производит целый спектр разнообразных звуков, включая шипение, треск и приглушенные хлопки.

Это ошеломляющие свидетельство того, что наша планета не одинока в огромном пространстве космоса, а наоборот, у нее очень тесные взаимоотношения со своей звездой. Нас постоянно овевает солнечный ветер – шквал заряженных частиц, устремляющихся к нам из глубин Солнца. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли движение заряженных частиц ускоряется вдоль силовых линий магнитного поля в направлении обоих полюсов. Здесь они наталкиваются на слои земной атмосферы над нашими головами, придавая его атомам дополнительную энергию. Когда атомы атмосферы высвобождают эту новообретенную энергию в форме света, мы получаем возможность наблюдать полярное сияние. Этот эффект обычно распространяется лишь в пределах ограниченной области вокруг каждого из магнитных полюсов, известных как овалы полярных сияний. Однако геомагнитные бури, такие, например, как те, что возникли в результате коронального выброса массы, могут преодолеть наше магнитное поле и значительно расширить эти овалы. Во время события Каррингтона 1859 года моряки, плывшие по Карибскому морю, сообщали о виденных ими фантастических огненных спектаклях. Поскольку эти моряки никогда не плавали в приполярных областях, они не имели никакого понятия о том, что это было. Сияние над Скалистыми горами было настолько ярким, что шахтеры проснулись, полагая, что настал день. Даже жители, проживающие в регионах, находящихся вблизи Сахары, могли наблюдать за этим грандиозным зрелищем.

Зеленый является наиболее распространенным цветом, так как это цвет, излучаемый кислородом на низких высотах, где его больше всего и он является хорошо видимым. Цвета красного спектра во время полярного сияния представлены светом, излучаемым кислородом при более спокойных условиях в атмосфере и на значительно больших высотах. Если вы сможете уловить синие полосы, то знайте, что их появление является результатом взаимодействия с азотом.

Земля не единственная планета в Солнечной системе, на которой можно наблюдать полярные сияния. Астрономы обнаружили подобные явления на Марсе, Юпитере и Сатурне.

Несколько миллионов лет назад в результате внешнего воздействия на Марс часть марсианской поверхности откололась и была выброшена в открытый космос. Эти марсианские осколки каким-то образом сумели преодолеть 225 миллионов километров космического пространства, пробились через земную атмосферу, достигли поверхности Земли и врезались в антарктическую тундру в качестве метеорита. В мировой коллекции метеоритов такие марсианские пришельцы чрезвычайно редкие экземпляры, – они составляют менее половины процента из общего числа всех метеоритов. Чуть больше их попадает к нам с Луны. Однако подавляющее большинство метеоритов прилетает из семейства астероидов Солнечной системы, – обломки породы и металла, оставшиеся со времен зарождения и формирования Солнечной системы. В этом и кроется их особая привлекательность – большинство из них возникли раньше самой Земли и таким образом являются для нас бесценным источником информации о том, как образовались Солнце и вращающиеся вокруг него миры.

Название фрагментов или кусочков поступающей из космоса породы зависит от того, где они находятся. Небольшой кусок породы, все еще находящийся в открытом космосе, называется метеороидом. Как только он прорывается сквозь атмосферу планеты, его название тут же меняется на метеор. И только если он достигает поверхности другого небесного тела целым и невредимым, он получает название «метеорита».

При одновременном появлении множества метеоров возникает ослепительное зрелище, называемое метеорным, или звездным, дождем, – внезапное появление целой плеяды «падающих звезд». Во время своего путешествия вокруг Солнца Земля регулярно пробивается через полосы космической пыли, рассеянной повсюду в Солнечной системе пролетающими кометами. Когда эти мельчайшие частицы – часто не больше песчинки – сверкают, раскаляясь добела в результате трения об атмосферу, мы можем видеть, как они стремительно проносятся по небу.

Одним из самых впечатляющих зрелищ такого рода являются Персеиды в августе. Из темени космоса, вдали от всепроникающего света больших городов, внезапно появляется метеор, на минуту освещающий огромное пространство ночного неба. Это для нас ежегодное напоминание о том, что в Солнечной системе имеется значительно больше небесных тел, чем просто планеты.

День 4 октября 1957 года стал поворотным в истории человечества. Советский спутник «Спутник-1» стал первым искусственным объектом, вращающимся вокруг Земли. Через три месяца он снова вошел в атмосферу Земли и там сгорел. С тех пор спутники изменили нашу жизнь. Климатические станции следят за погодой, спутники-шпионы следят за противниками, телевизионные спутники доносят до нас последние блокбастеры, а глобальная система позиционирования (GPS) помогает нам найти дорогу.

Теперь на орбите находится более тысячи функционирующих спутников, однако не все, что находится на орбите, можно использовать. В данный момент имеется более 21 000 объектов по размеру крупнее 10 сантиметров в диаметре, проносящихся вокруг нашей планеты. Если взять только космические тела с диаметром от одного до десяти сантиметров, их число возрастет до половины миллиона. Большинство из них представляют собой космический хлам – обломки спутников и космических аппаратов, оставленных вращаться на орбите посреди все растущей груды мусора.

И это представляет проблему для самого крупного искусственного спутника Земли – Международной космической станции (ISS). Размером почти с футбольное поле, эта станция стала вторым домом для команды из шести астронавтов из разных стран мира. Станция вращается на высоте 400 километров над Землей, но ее орбита уже несколько раз слегка приподнималась, чтобы она могла уклониться от столкновения с крупным фрагментом космического мусора. Наружный корпус станции, и особенно солнечные панели, несут на себе следы повреждений от столкновения с более мелкими обломками.

Астронавты меняются, как правило, каждые шесть месяцев, и начиная с 2000 года станция постоянно обитаема.

С учетом того, что станции требуется девяносто две минуты, чтобы обогнуть Землю, команда ежедневно проживает шестнадцать рассветов и шестнадцать закатов. C высоты своего полета астронавты также могут наблюдать за потрясающими видами нашей Земли, включая расползшиеся во все стороны города и мощные ураганы, и видеть вблизи пляшущие полярные сияния.

Помимо того, что эта станция является символом международного сотрудничества в космосе, она была создана для того, чтобы расширить наши знания о влиянии длительного пребывания в космосе на функции человеческого организма. В итоге мы воспользуемся полученными уроками для того, чтобы послать людей на Марс.

Наша Луна – странный объект. Если все спутники Солнечной системы сравнить с их планетами, взаимоотношения Земли с Луной покажутся из ряда вон выходящими, когда дело доходит до соотношения их размеров. Диаметр Луны составляет приблизительно 28 % земного диаметра. Следующим по размеру идет самый большой спутник Нептуна – Тритон, размеры которого составляют лишь 5 % от диаметра его хозяина. У нашей планеты имеется пятый по величине спутник в Солнечной системе, но Земля занимает лишь пятое место по своим собственным размерам.

Из всего этого следует, что очень маловероятно, что Луна сформировалась где-либо за пределами нашей системы и позже была захвачена гравитационным притяжением Земли. Для этого она слишком велика. По мнению Джорджа Дарвина, сына Чарльза Дарвина, Луна отделилась от Земли, и на том месте сейчас плещутся воды Тихого океана.

В настоящее время самой распространенной идей происхождения Луны является предположение о том, что Земля в начальной стадии своего формирования получила удар со стороны неизвестной планеты размером с Марс. Астрономы называют эту потерянную планету Тейей, а то катастрофическое столкновение объясняют гипотезой «Гигантского столкновения», или «Моделью ударного формирования Луны».

Это, предположительно, произошло всего через 50–100 миллионов лет после образования Земли. В результате такого столкновения образовалось кольцо из огромного количества обломков материала, которое было выброшено на орбиту и стало вращаться вокруг Земли, пока силы земной гравитации не собрали их в единый массив, сформировав Луну. Если представить всю историю Земли как один день, то окажется, что Луна образовалась тогда, когда Земле было всего десять минут от роду.

Такое представление хода событий объясняет, почему у Луны такое необычно маленькое ядро и почему она менее плотная, чем Земля. Наиболее тяжелые материалы после распада Тейи оставались вблизи Земли, а более легкие были выброшены вовне, именно в результате соединения этого материала и образовалась Луна. Земля имеет самую высокую плотность из всех планет Солнечной системы, что становится понятным, если учесть, что к земному шару после его формирования был добавлен дополнительный материал, оставшийся от Тейи. Гигантским столкновением объясняется и то, почему Луна в прошлом, как предполагается, находилась в расплавленном состоянии, – мощные столкновения между обломками в кольце вокруг Земли приводили к переходу породы в жидкое состояние.

Новые свидетельства этой гипотезы получены из лунной породы, доставленной на Землю миссией «Аполлон». Компьютерные модели позволяют предположить, что Луна была сформирована главным образом из материала Тейи, следовательно, можно ожидать наличия определенных различий между лунной и земной породами. В 2014 году ученые объявили, что обнаружили несколько различных смесей кислорода в породах, доставленных миссией «Аполлон».

Взгляните на карту Луны и увидите, как много на ней мест с поэтическими названиями, такими как Море Мечты, Залив Радуги, Озеро Счастья. На деле это очень суровая среда с почти полным отсутствием атмосферы. Все слои газа на Луне, вместе взятые, весят меньше пяти слонов.

Ее характерная поверхность покрыта расползающимися темными пятнами, называющимися «мария», или морями (в единственном числе – маре – mah – ray). С Земли они немного напоминают человеческое лицо, отсюда и знаменитый «Человек на Луне». Однако здесь нет и никогда не было никаких морей, заполненных водой. Вместо этого для Луны изначально были характерны обширные пространства расплавленной лавы, образовавшейся во время хаотичного рождения Луны, которая с тех пор остыла и затвердела. Днища морей изрешечены тысячами кратеров – глубокими, чашеобразными углублениями с неровными краями, оставшимися в качестве напоминания о столкновениях, безобразивших лунную поверхность на протяжении более миллиарда лет.

Вид Луны на нашем небе постоянно меняется. Объясняется это тем, что сама Луна не производит никакого света. Напротив, она выступает как гигантское зеркало, которое отражает солнечные лучи, направляя их в нашу сторону. Сколько отраженного Луной света попадает к нам, зависит от того, в каком конкретно месте орбиты Земли она в данный момент находится. Когда она занимает положение между нами и Солнцем, весь свет падает на дальнюю сторону Луны и отражается в противоположном от нас направлении. Мы называем это положение новолунием. По мере продвижения Луны к противоположной стороне нашей планеты мы постепенно наблюдаем все более освещенную Луну до тех пор, пока, примерно через две недели, она не начнет отражать на Землю весь падающий на нее свет. Тогда мы видим полнолуние. Когда Луна начинает обратный путь и все меньше и меньше света падает на обращенную к нам сторону, мы начинаем терять этот свет.

Нам всегда видна лишь одна сторона Луны, и люди думают, что она не должна вращаться. Но это не так, Луна все-таки вращается. Она совершает оборот вокруг своей оси точно за такое же время, которое ей требуется, чтобы совершить один оборот вокруг Земли – 27,3 дня.

Для того чтобы представить, как это происходит, возьмите мяч, который будет изображать Землю, и положите его на пол. Встаньте лицом к мячу и начните двигаться вокруг него по кругу, всегда глядя внутрь круга. Ваше возвращение к той точке, откуда вы начали движение, будет означать, что вы совершили не только один оборот вокруг Земли, но и прокружились на месте. Чтобы убедиться в этом, повторите упражнение, только теперь фокусируйтесь на стенах, на которые вы смотрите во время кружения. Вы увидите, что вы по очереди смотрите на каждую из четырех стен комнаты, точно так же, как если бы вы просто кружились на одном месте.

Луна ведет себя аналогичным образом, так как она захвачена Землей приливно-отливной силой. Первоначально период вращения Луны был значительно больше по сравнению с периодом обращения Луны по орбите вокруг Земли. Однако влияние земной гравитации привело к некоторому растяжению Луны по линии, соединяющей два небесных тела. Поэтому Луна располнела в одном направлении немного больше по сравнению с другим, – образовались приливные горбы. Впоследствии Земля притягивала Луну преимущественно за эти горбы, постепенно замедляя ее вращение до тех пор, пока период вращения Луны вокруг своей оси не сравнялся с периодом орбитального движения Луны вокруг Земли.

Серии фаз Луны требуют несколько больше времени для своего завершения, чем ее 27,3 – дневной период обращения по орбите. Промежуток времени между двумя полными лунами составляет 29,5 дня. Связано это с тем, что для того, чтобы мы могли наблюдать полную луну, необходимо чтобы Земля, Луна и Солнце находились на одной прямой с нашей точки зрения. В то время как Луна занята обращением вокруг Земли, мы в свою очередь совершаем облеты вокруг Солнца. Луне требуется около двух дней, чтобы наверстать дополнительное расстояние, которое проходит Земля по своей орбите вокруг Солнца за месяц, и вновь вернуться на ту же линию.

Приливный захват – довольно распространенное явление во Вселенной. Многие спутники Юпитера и Сатурна также испытывают его со стороны своих планет. Некоторые планеты в других звездных системах также захвачены приливно-отливной силой своими материнскими звездами. Вопрос о возможности жизни на таких планетах – когда одна сторона испепелена жарой, а другая дрожит от холода, пребывая в темноте, – предмет жарких споров среди астрономов.

Луна окутана столькими поверьями, которые часто зародились многие тысячелетия назад, так что сегодня уже трудно отделить научную реальность от исторических мифов. Идею о том, что Луна действительно влияет на поведение людей, можно встретить в сообщениях об оборотнях и лунатиках – людях, в буквальном смысле этого слова помешанных на Луне. Акушерки клянутся, что их родильные дома наполняются сильнее во время полной луны. Однако доказательств подобных заявлений пока не существует.

В большинстве таких случаев в качестве объяснения ссылаются на гравитационное притяжение Луны, которое, как предполагается, сильнее при полной луне и влияет на распределение воды в нашем теле. Но момент наибольшего приближения Луны к Земле редко совпадает с полнолунием – она с той же легкостью может находиться на максимально близком расстоянии от Земли и при новолунии. Но даже с учетом этих возражений необходимо признать, что Луна оказывает огромное влияние на жизнь на нашей планете. По мнению многих ученых, без поддержки нашей ближайшей соседки мы просто не могли бы оказаться на этой планете, чтобы восхищаться ею.

Мы уже говорили о том, как она уравновешивает времена года. Есть вероятность того, что именно Луна дала толчок зарождению жизни на нашей планете, сыграв в этом процессе главную роль. Сформировавшись на расстоянии в пятнадцать раз ближе к Земле, чем она находится сегодня, Луна в силу своей гравитации стала вызывать гигантские приливы, которые вторгались в прибрежные территории на сотни километров вглубь с гораздо большей частотой, чем это происходит в настоящее время. Некоторые ученые предполагают, что именно в этих приливных зонах зародилась жизнь, именно здесь, где на стыке суши и моря происходило смешение сред, могли возникнуть исходные кирпичики, из которых впоследствии образовались микроскопические биологические формы, способные дать начало жизни.

Помимо прочего, Луна замедляет движение нашей планеты. Миллиарды лет назад продолжительность суток составляла восемнадцать часов. Сегодня они продолжаются двадцать четыре часа, так как Земля постепенно теряет энергию вращения из-за трения с океанами, пытаясь повернуться под водной массой, удерживаемой на месте силой гравитации Луны.

Такая передача энергии океанам способствует переносу тепла от экватора к полюсам, что приводит к значительному снижению разброса температур на поверхности Земли. После того как начало жизни на Земле было положено, Луна стала фактором, способствовавшим поддержанию благоприятных условий для развития и разнообразия жизни.

Следствием замедления движения Земли стало все большее отдаление Луны от нашей планеты, а это в свою очередь означало более спокойные приливы и отливы, чем они когда-то были, – другая причина того, что условия окружающей среды на Земле стали более стабильными. Благодаря экспериментам, проведенным на Луне астронавтами миссии «Аполлон», у нас есть возможность измерить, насколько быстро Луна отдаляется от нас.

«Контактный свет. О’кей, двигатель остановить». Эти простые слова открыли новую эру в истории человечества. Тридцативосьмилетний Нил Армстронг в ручном режиме посадил «Игл» на поверхность Луны после головокружительного спуска и парения над полем с довольно внушительными валунами. У них оставалось горючего менее чем на минуту. В центре управления у всех отлегло от сердца. «Вас понял, вы прилунились. Мы тут чуть не посинели. Теперь мы снова дышим».

Несколькими часами позже Армстронг, неловко перебирая ногами, спустился по лесенке и стал первым человеком, когда-либо ступившим в новый мир. Этот день – 20 июля 1969 года – остался путеводной звездой, маяком, указывающим пределы стремлений и достижений человеческого духа. В течение трех последующих лет НАСА успешно отправила еще пять миссий и еще десять человек, которые достигли поверхности Луны. Лишь одна миссия – «Аполлон-13» – была отменена после того, как взрыв топливного бака во время полета разрушил корпус космического корабля.

Эдвин («Баз») Олдрин на Луне во время миссии «Аполлон-11». Фотограф Нил Армстронг отражается в смотровом щитке Олдрина

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Миссии не были лишь способом превзойти Советский Союз на пике холодной войны. Они имели и большое научное значение. Шесть миссий привезли на Землю в общей сложности 382 кг лунного грунта, изучение которого дало новые ключи к пониманию того, как образовалась наша ближайшая соседка. А на поверхности Луны был установлен целый набор зеркал, так что теперь есть возможность, направив на них с Земли луч лазера, отслеживать, как быстро Луна отдаляется от нашей планеты (в настоящее время это происходит со скоростью 3,8 сантиметра в год). В толщу лунной пыли были встроены детекторы, позволяющие изучать колебания или толчки лунного грунта.

Дальнейшие миссии имели более смелые цели, «Аполлон» доставлял также легкие двухколесные средства для передвижения по лунной поверхности, с помощью которых изучался пустынный ландшафт Луны. Алан Шепард даже пронес на борт корабля контрабандой металлическую головку от клюшки для гольфа и сделал ею удар на Луне.

Дейв Скотт специально ради эксперимента одновременно уронил молоток и птичье перо, чтобы показать, что предметы с разной массой падают с одной и той же скоростью, не испытывая тормозящего влияния атмосферы.

Когда 14 декабря 1972 года «Аполлон-17» отправился на Луну, командир корабля Джин Сернан – последний человек, побывавший на Луне, – был полон надежд вернуться туда. Возражения, связанные с финансовыми затратами, оказались сильнее, и возвращение не состоялось. Но притяжение Луны непреодолимо. Этот спутник Земли остается естественным местом для длительного пребывания в космосе, и различные космические агентства по всему миру уже разрабатывают планы возвращения на Луну. Наступит день, когда наши следы вновь отпечатаются на лунной пыли.

Создается впечатление, что внутренние части Солнечной системы подвергались ковровым бомбардировкам 3,9 миллиарда лет назад. По прошествии длительного времени после первоначального хаоса в период формирования Солнечной системы здесь наблюдался взрывной рост числа столкновений и ударов извне, обрушившихся на скалистые планеты. Тогда как раны на теле Земли, оставшиеся после этих событий, уже давно сгладились благодаря эрозии, не имеющая атмосферы Луна все еще хранит на своей поверхности следы таких столкновений.

Поскольку это событие произошло через 600 миллионов лет после образования Солнечной системы и носило особенно жестокий характер, астрономы называют его «Поздней тяжелой метеоритной бомбардировкой». Наиболее распространенная гипотеза, объясняющая это событие, указывает на Юпитер. Компьютерные модели формирования Солнечной системы предполагают, что вероятность того, что гигантские планеты образовались там же, где они располагаются в настоящее время, очень мала. Похоже, что Юпитер переместился в направлении ближе к Солнцу. При этом он отбрасывал астероиды, которые разлетались во все стороны наподобие голубей. Многие из таких астероидов наталкивались на Луну и другие скалистые планеты.

Однако в такой ход событий верят не все. В пользу гипотезы поздней тяжелой метеоритной бомбардировки свидетельствуют главным образом лунные породы, принесенные на землю миссией «Аполлон».

Все породы, взятые из разных точек лунной поверхности, так или иначе указывают на столкновения, происходившие приблизительно в одно и то же время. Однако, как отмечают некоторые астрономы, даже несколько сильных ударов могли привести к тому, что осколки разлетелись в разные стороны на большие расстояния, охватив большие области. Картина будет такая, как если бы имел место целый поток ударов.

Другая проблема – возникновение жизни на Земле. Традиционный взгляд на зарождающуюся Землю рисует ее в виде огненной преисподней, слишком горячей и слишком жестоко и безжалостно подвергаемой ударам со стороны других небесных тел, чтобы здесь могли пробиться ростки жизни. Если исходить из такой картины Земли на ранней стадии ее развития, то жизнь могла зародиться здесь только после поздней тяжелой метеоритной бомбардировки. Однако последние данные свидетельствуют о том, что океаны, заполненные водой, существовали на Земле уже 4,1 миллиарда лет назад, и возможно, что уже тогда на ней существовала жизнь.

Отсюда вывод: либо разные формы жизни на Земле пережили тот катаклизм и, будучи сначала стертыми с поверхности нашей планеты, возродились вновь, либо поздней тяжелой метеоритной бомбардировки вообще не было, как это традиционно предполагалось. Но как бы то ни было, этот период истории Солнечной системы и Земли находится в фокусе многих исследований, проводимых в настоящее время относительно Солнечной системы и ее бурного и неоднозначного прошлого.

Марс как никакая другая планета Солнечной системы захватил и покорил наше воображение. На протяжении всей человеческой истории люди стремились умилостивить его, боясь вторжений, и направляли космические аппараты-путешественники размером с автомобиль исследовать его. Эта планета и по сей день остается наиболее изученной человеком. В настоящее время мы обладаем даже лучшей картой поверхности Марса, чем картой океанического дна на собственной планете.

Его отчетливый рыжевато-коричневатый оттенок, из-за которого его часто называют Красной планетой, обязан высокому содержанию оксида железа (ржавчины) в марсианских породах. Даже при наблюдении невооруженным глазом, без телескопа, Марс кажется красновато-румяным. Сегодня это засушливая, холодная, пустынная планета. Однако, вероятнее всего, она не всегда выглядела таким образом. Космические миссии, побывавшие на Марсе, обнаружили признаки того, что когда-то в прошлом эта планета могла быть совсем другой, возможно, треть ее поверхности была покрыта водами океана.

Вопрос о том, почему марсианский климат изменился столь радикально, во многом остается открытым. Самой распространенной на сегодня является версия, что ядро Марса со временем затвердело, так как в силу небольших размеров планеты гравитационное давление сверху не было столь значительным. Следствием этого, возможно, стало исчезновение магнитного поля планеты, что сделало ее беззащитной перед разрушительным воздействием солнечного ветра.

Со временем марсианская атмосфера достигла крайнего истощения. Теперь вместо нее осталась лишь тонкая дымка из двуокиси углерода, стелющаяся над поверхностью планеты. Атмосферное давление на Марсе сегодня столь ничтожно – составляет менее 1 % давления земной атмосферы, – что лед, полностью минуя жидкую фазу, сразу же переходит в парообразное состояние, в процессе так называемой сублимации вещества.

Облик Марса четко разделяется надвое: верхняя от экватора часть поверхности планеты необычайно плоская, тогда как в части, расположенной ниже экватора, доминируют горные ландшафты. Единственное их сходство в том, что обе приполярные области планеты венчают шапки льда. Южное полушарие Марса является местом расположения Олимпийских гор, высочайшего вулкана Солнечной системы и второй по высоте вершины. Она больше чем в два раза выше Эвереста, однако на нее было бы значительно проще взбираться. Склоны вулкана наклонены лишь на пять градусов. При этом не следует ожидать, что вершину можно было бы увидеть с самого подножия вулкана – он настолько широк, что она скрывалась бы за горизонтом.

Также здесь имеется обширная, испещренная неровностями и извилистыми каньонами долина, распространяющаяся почти на четверть длины вдоль экватора планеты. Долина, названная «Маринер», является частью обширного вулканического плато, известного как возвышенность Тарсис.

Вокруг Марса вращаются два его спутника – Фобос и Деймос. Эти названия, означающие «страх» и «ужас», даны по именам сыновей бога войны, которые всегда сопровождали отца в его битвах. Эти спутники представляют собой крошечные космические тела, всего лишь 22,2 и 12,6 километра в диаметре соответственно.

Человечество направило уже целую армаду автоматических научно-исследовательских станций, которые облетали Красную планету, садились на ее поверхность или же пересекали ее вдоль и поперек. Эти аппараты становились свидетелями закатов в иных мирах, видели пыльные вихри, носящиеся по всему Марсу, и даже смогли понаблюдать за нашей собственной планетой, светящейся на чужом небосклоне. Все это стало свидетельством необыкновенного духа поиска и исследовательских устремлений человека.

Главная задача всех этих миссий, начиная от «Маринера-4» в 1965 году и заканчивая более современным полетом «Кьюриосити», – выяснить, были ли когда-нибудь условия среды на Марсе благоприятными для развития там жизни. Во время полетов «Викинга» в 1970 годах – первых миссий, успешно функционировавших на поверхности планеты, – проводились эксперименты, позволившие непосредственно протестировать марсианскую почву на наличие биологических организмов. Первоначальные результаты были положительными, однако сегодня существует единодушное мнение о том, что те результаты были ошибочными. Передвижение этих автоматических станций ограничивалось местностью, непосредственно прилегающей к месту их посадки на поверхность планеты, однако в ходе реализации более поздних миссий на Марс со станции отправлялись колесные роботы, которые, передвигаясь в разные стороны, могли исследовать значительно большую поверхность планеты.

В частности, миссии с участием самоходных космических станций «Спирит» и «Оппортьюнити» оказались на удивление успешными. Они спустились на поверхность Марса в 2004 году, а их конструкция предполагала, что станция сможет проработать всего девяносто дней. Но вопреки замыслу исследователей «Спириту» удалось протянуть шесть лет и зафиксировать почти восемь километров пройденного им пути, прежде чем он оказался в безвыходном положении, застряв в пластах мягкого грунта. На момент написания этой книги «Оппортьюнити» все еще продолжал прекрасно функционировать, пройдя большее расстояние, чем олимпийская дистанция марафонского бега.[1]

В 2012 году к этим станциям присоединился «Кьюриосити». Имея размеры, сходные с размерами небольшого автомобиля, он не мог спуститься тем же способом, что и «Спирит» c «Оппортьюнити». Эти космические аппараты были размещены внутри надувного кокона, который несколько раз ударился о поверхность планеты, прежде чем остановиться. «Кьюриосити» был спущен на поверхность Марса с помощью похожего на футуристическое устройство небесного крана. Стоит поискать и посмотреть видео удивительного маневрирования белой капсулы во время посадки аппарата на поверхность Марса, – это был воистину подвиг воображения и инженерной мысли.

Международная команда ученых совершает круиз со скоростью 39 тысяч футов на борту специально оборудованной летающей лаборатории. Все глаза и инструменты направлены на объект, прорывающйся сквозь атмосферу со скоростью 12 километров в секунду. Тем временем на Земле четыре команды скаутов распределились по территории размером 20 на 200 километров, представляющей узкую полосу безлюдной пустоши в австралийской глубинке, в ожидании того, когда этот объект ударится о Землю. Наконец, они проследили, где он упал и, тщательно упаковав, забрали его для дальнейших анализов. Их находка только что упала из космоса, но она не была создана в космосе. Зонд Японского космического агентства (JAXA) «Хаябуса» вернулся на Землю после семилетней, полной приключений экспедиции к астероиду 25143 Итокава. Это стало первым случаем возвращения космической миссии, отправленной к астероиду.

Астрономы отправили свои аппараты на столь большое расстояние, потому что астероиды предоставляют уникальную возможность узнать больше о том, какой была Солнечная система до появления в ней планет. Астероиды представляют собой ископаемые останки с тех времен, когда Солнечная система только зарождалась, это планетарные строительные блоки, не ставшие частью планет.

Вращающиеся куски породы и металла обнаруживаются повсюду в пределах Солнечной системы, однако почти 90 % этих кусков образуют некую поясообразную группу, находящуюся между орбитами Марса и Юпитера. Главный пояс астероидов представляет собой часть несостоявшейся планеты – той, которая не смогла образоваться из-за разрушительного воздействия гравитации расположенного по соседству Юпитера.

Общая масса пояса астероидов на сегодня составляет всего 4 % от массы Луны. При этом всего четыре астероида – Церера, Паллада, Веста и Гигия – в общей сложности составляют половину этой массы. Размеры остальных постепенно уменьшаются вплоть до размеров гальки и даже частиц пыли. Были ли астероиды крупнее – вопрос, требующий тщательного изучения. Космическая станция НАСА «Daun» побывала на Весте в 2011 году, прежде чем отправиться год спустя к Церере. Прибыв на эту карликовую планету в 2015 году, станция стала первой в истории, которая совершала вращение вокруг двух различных космических тел Солнечной системы.

Главный пояс астероидов является местом обитания примерно двух миллионов астероидов диаметром больше одного километра. Можно представить, что путешествие сквозь это скопление летающих обломков действительно небезопасное предприятие.

И многочисленные фильмы в духе «Звездных войн», где герои c увертками и ухищрениями огибают летящие навстречу космические булыжники, помогают укрепить это представление. Но космос огромен и бесконечен. Различные иллюстрации и анимации пояса астероидов часто во много раз преувеличивают размеры космических обломков, чтобы мы могли видеть их. В действительности же среднее расстояние между астероидами составляет приблизительно миллион километров.

Реальную опасность астероиды представляют тогда, когда они сталкиваются с Землей. Шестьдесят шесть миллионов лет назад астероид шириной в 10 километров – размер небольшого городка – пронесся над мексиканским побережьем, оставив после себя настоящую преисподнюю. И сегодня мы можем видеть остатки кратера, образовавшегося в результате его пришествия. Над океаном бушевало цунами, с неба низвергались сполохи огня, вмиг исчезли целые леса, последовало настоящее адское представление. Огромное количество обломков и пыли, выброшенных в атмосферу, погрузили Землю в ядерную зиму. Лишенные солнечного света растения начали вымирать. За ними последовали живые организмы, питающиеся растениями. После них наступила очередь плотоядных хищников. За столетний период вымерло 70 % всех видов, обитавших на суше. В океанах эта цифра достигла 90 % – огромное большинство океанических организмов не пережило этого катаклизма.

На наше счастье, такие катастрофические события, сопровождающиеся вымиранием огромного числа видов живых организмов, происходят нечасто. Космические обломки размером больше пяти километров в диаметре, как предполагается, сталкиваются с Землей один раз в каждые двадцать миллионов лет. И у нас есть одно очень важное преимущество, которого были лишены динозавры: у нас есть телескопы. В настоящее время роботизированные телескопы непрерывно сканируют космическое пространство вокруг Земли в поисках объектов размером больше километра в диаметре, чтобы предсказывать траекторию их орбит на сто лет вперед. Хорошая новость состоит в том, что в ближайшее время никакое более или менее крупное космическое тело не пересечется с орбитой Земли, то есть угрозы из космоса нам можно не ждать.

Однако это не оберегает нас от возможности неожиданного столкновения со значительно меньшими космическими телами. В 2013 году по небу над российским городом Челябинском стремительно пронесся огненный шар. Двадцатиметровый астероид прокрался к нам, выйдя из-за Солнца, подобно внезапно атаковавшему нас истребителю Второй мировой войны. К счастью, никто не пострадал, но наблюдатели и жители города испытали настоящий шок, поскольку их окна были выбиты, а стекла разлетались в разные стороны.

Наступит время, когда огромный астероид снова будет угрожать Земле. К тому времени нам следует подготовиться, чтобы суметь что-то предпринять. Вопреки голливудским фильмам, идея взрыва этих объектов является наихудшей из всех возможных способов решения проблемы, так как это приведет к образованию огромного множества более мелких обломков, которые продолжат путь к Земле. Наиболее эффективным решением является способ сохранения целостности этого объекта и постепенного отведения его от орбиты Земли с использованием гравитационного тяготения небольшой космической станции.

Таблица 3

Король всех планет смотрится грандиозно и величественно даже через обычный небольшой домашний телескоп. Можно отчетливо разглядеть оранжевый цвет, а также слои горизонтальных поясов из облаков. Телескоп с чуть большим увеличением позволит также увидеть его знаменитое Большое красное пятно. Вместе с тем следует иметь в виду, что ускоренное вращение Юпитера – день на этой планете длится менее десяти земных часов – может привести к тому, что оно будет находиться на противоположной стороне планеты.

Быстрота его вращения вокруг своей оси означает, что Юпитер плотнее на экваторе по сравнению с полюсами.

Будучи самой большой из планет, вращающихся вокруг Солнца, Юпитер мог бы вместить в себя все другие планеты, и еще осталось бы пространство в запасе. Объем Юпитера равен 1321 объемам земного шара. Среднее расстояние планеты от Солнца составляет 778 миллионов километров, и, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца, ей требуется около двенадцати лет.

Состав Юпитера приблизительно схож с составом Солнца – 75 % водорода и 24 % гелия. Однако остается значительная доля неопределенности относительно того, что происходит под поверхностью Юпитера. Существует предположение, что в центре планеты находится плотное ядро, но нам неизвестно, какой оно величины. По мнению астрономов, между ядром и наружной атмосферой имеется слой жидкого водорода.

Пояса облаков в атмосфере Юпитера часто перемещаются в противоположных направлениях. При этом темные области называются зонами, а более светлые – поясами. На Юпитере наблюдались вспышки молний в тысячи раз более мощные, чем на Земле. Большое красное пятно, расположившееся в поясе облаков южного полушария Юпитера, представляет собой антициклон «долгожитель» с меняющимися размерами. В одно время он достигал размеров, превышающих четыре земных шара. Однако по последним наблюдениям он сокращается. Причины этого нам недостаточно ясны, хотя ученые наблюдали небольшие завихрения газа, так называемые «вихри», которые входили в эпицентр шторма, – возможно, именно они и приводят к изменению внутренней структуры антициклона.

Малоизвестный факт, относящийся к Юпитеру, состоит в том, что у этой планеты есть кольца. На самом деле все четыре планеты-гиганта обладают кольцевой системой. В отличие от колец изо льда у Сатурна, кольца Юпитера состоят из пыли. Они были обнаружены лишь в тот момент, когда в 1979 году космический зонд «Вояджер» пролетал мимо Юпитера.

Являясь самой большой планетой Солнечной системы, Юпитер обладает самой большой силой гравитационного притяжения. В настоящий момент ведутся многочисленные споры о роли, которую эта планета сыграла в зарождении и формировании Солнечной системы в целом. Юпитер был вовлечен в позднюю тяжелую бомбардировку метеоритами, которая представляла собой непрерывный поток интенсивных ударов и столкновений, происходивших внутри Солнечной системы. В то же время остается неясным, является Юпитер «своим или чужим», то есть другом или врагом – способствует он нашей безопасности с помощью резкого изменения траектории космических тел, угрожающих Земле или же представляет для нас угрозу, направляя эти тела по опасным для нас траектоиям. Вероятнее всего, здесь имеет место и то, и другое.

Как можно было ожидать, самая большая планета Солнечной системы обладает и самым большим числом спутников – шестьдесят девять, по последним подсчетам. Большая часть этих спутников – крошечного размера, и они представляют собой главным образом астероиды или кометы, блуждавшие слишком близко к гигантской планете и попавшие в ее гравитационную паутину. Некоторые из спутников Юпитера заслуживают ровно такого же внимания, как и сами планеты. В частности, четыре так называемых галилеевых спутника Юпитера, открытые Галилео Галилеем еще в 1610 году, – это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто.[2]

Ганимед – крупнейший спутник во всей Cолнечной системе. Превышая 5 тысяч километров в диаметре, он даже больше, чем планета Меркурий. Однако, как мы увидим дальше, чтобы называться планетой, космический объект должен вращаться по орбите вокруг Солнца. У его соседки Каллисто очень древняя поверхность, мало изменившаяся за последние 4 миллиарда лет. Ее изрешеченная ударами наружная часть носит на себе гораздо больше следов разрушительных воздействий и шрамов, чем какое-либо другое космическое тело в Cолнечной системе.

Между тем, вероятно, двумя самыми интригующими спутниками Юпитера являются самые близкорасположенные к планете галилеевы спутники: Ио и Европа. Ио требуется всего 1,5 дня для того, чтобы совершить один оборот вокруг планеты. Подобная близость к Юпитеру приводит к образованию мощных приливно-отливных движений на поверхности небольшого спутника, в результате которых он то расширяется, то сжимается. Эти постоянные колебания, называемые приливным разогревом, приводят к расплавлению породы и являются источником энергии более 400 активных вулканов, так что Ио превратился в самое вулканически активное место Солнечной системы. Огромные струи серы здесь непрерывно взмывают ввысь на сотни километров.

Неудивительно, что содержание воды на этом спутнике наименьшее по сравнению со всеми другими космическими объектами Солнечной системы.

У Европы, находящейся на большем расстоянии от планеты, такой проблемы нет. Будучи также подверженным приливному разогреву, хотя далеко не столь интенсивному, лед на этом спутнике превращается в воду. Много воды. Существует предположение, что на Европе больше жидкой воды, чем во всех земных океанах, озерах, реках и морях вместе, взятых. Все это, бесспорно, ставит Европу на первое место в списке космических объектов, где можно предполагать наличие жизни и куда можно устремить наши поиски внеземных цивилизаций.

Последняя из всех классических планет, которая стала известна нашим древним предшественникам, Сатурн, находится на расстоянии почти 1,5 миллиарда километров от Солнца. Тот факт, что мы можем наблюдать планету невооруженным глазом, несмотря на огромное расстояние, которое нас разделяет, является свидетельством ее размеров и того, как много солнечного света она отражает в нашу сторону. Эта вторая по размерам планета могла бы вместить в себя более 750 таких планет, как Земля.

Но вопреки своим размерам Сатурн невероятно легкий по весу. Его показатели средней плотности, равные 0,7 грамма на кубический сантиметр, – наименьшие по сравнению со всеми другими планетами Солнечной системы. Это ниже показателей плотности воды (1 г/см³), а это значит, что если бы эту планету поместили в огромную ванну, то она просто всплыла бы, конечно, при условии достаточных размеров ванны. Хотя в действительности она заморозила бы воду, поскольку средняя температура на Сатурне составляет –178 градусов по Цельсию.

Отчетливо желтый цвет планеты связан с кристаллами аммония в высших слоях ее атмосферы. Временами здесь наблюдаются ураганы и бури, разрывающие атмосферу Сатурна, которые происходят преимущественно в тот момент, когда Сатурн оказывается в ближайшей к Солнцу точке орбиты, что происходит каждые тридцать лет или около того.

По прибытии космического аппарата «Вояджер», астрономы заметили гексагональное по форме облачное образование поверх северного полюса планеты. Каждая из сторон шестиугольника превышает диаметр Земли. Это образование наблюдала и станция «Кассини», она обнаружила, что в период между 2013 и 2017 годаом эта полярная шапка Сатурна меняла свой цвет от голубого до золотого.

Так же, как и в случае с Юпитером, астрономы теряются в догадках относительно того, что происходит под облачным слоем Сатурна. Высказываются предположения, что под кристаллами аммония имеются водяные облака. А под ними, вероятнее всего, лежат слои металлического водорода, под которыми скрывается твердое ядро плотной породы массой в 9–22 раза превышающей массу Земли. Некоторые ученые даже высказывались о том, что в атмосфере Сатурна, возможно, образуются алмазы со скоростью тысяча тонн в год. Молнии превращают газ метан в углеродную пыль, которая впоследствии, по мере падения в направлении ядра планеты, меняет свою структуру, образуя кристаллы алмаза.

Загадочные кольца Сатурна являются самой известной частью Солнечной системы. Тем не менее, вопреки всем усилиям ученых, никто пока не знает точно, откуда они взялись.

Издали они могут выглядеть как целостные образования, однако в действительности состоят из отдельных кусков льда, которые могут достигать по величине размеров домов. Если бы кому-нибудь пришлось собрать весь материал, из которого состоят кольца, в один шар, он в итоге получил бы нечто, по размеру сходное со спутником Сатурна Мимасом. Отсюда можно заключить, что кольца, вероятно, возникли как спутники, которые затем были разорваны на части силой гравитации планеты или же сами разбились на мелкие осколки в результате какого-то столкновения.

Последние данные с аппарата «Кассини» говорят о том, что кольца Сатурна гораздо моложе Солнечной системы: им, вероятно, всего 100 миллионов лет.

Если бы они были старше, солнечный ветер мог бы давно сделать материал, из которого они состоят, значительно темнее. Нам сильно повезло жить в то время, когда у Сатурна имеются кольца, поскольку, скорее всего, на протяжении большей части его истории у этой планеты их просто не было.

Даже с помощью любительского телескопа можно увидеть с Земли, что у колец Сатурна имеются разрывы. Самый большой из них называется «разрыв Кассини», и в этом случае просматривается влияние спутника Мимаса – его гравитационное притяжение способствует сохранению разрыва. Некоторые из спутников Сатурна вращаются внутри колец – их называют «спутниками-пастухами». Все кольца Сатурна обозначаются заглавными буквами в алфавитном порядке в порядке их обнаружения, а не в зависимости от их расстояния от планеты.

Аппарат НАСА «Кассини» сделал этот потрясающий по красоте снимок колец Сатурна в свете лучей Солнца

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Кольца продолжают таить в себе множество загадок. С момента пролетов «Вояджера» на малой высоте мимо планеты в начале 1980-х годов, астрономы обнаружили на кольцах щербинки – затемненные образования напоминающие спицы в велосипедном колесе. Их снова сфотографировали в ходе недавней миссии «Кассини», однако мы все еще не знаем, что они собой представляют.

Подобно Юпитеру, Сатурн в его перемещении по орбите вокруг Солнца сопровождают более шестидесяти естественных спутников. Большая их часть – крошечные, однако Титан превышает по размеру планету Меркурий. Это второй по величине спутник в Солнечной системе после Ганимеда – спутника Юпитера.

Мимас получил прозвище «Звезда смерти» за свое сходство с космической станцией размером со спутник во франшизе «Звездных войн». Это зловещее сопоставление – простое совпадение, так как «Звезда смерти» появилась на экранах мира за три года до поступления первого изображения Мимаса.

Гиперион – самый странный из всех спутников Сатурна. Гигантский космический булыжник из вулканической породы, испещренный дырами неправильной формы, он стал первым открытым спутником, имеющим некруглую форму. Вероятно, он является фрагментом или осколком, оставшимся после катаклизма, случившегося в древности.

Однако спутником, который в настоящее время привлекает всеобщее внимание, является Энцелад. Здесь вода бьет ключом, прорываясь из трещин на поверхности льда. В 2017 году астрономы объявили об обнаружении здесь веществ со сложным химическим составом – строительных блоков живых организмов. Их присутствие наряду с наличием воды означает наличие самой жизни, однако первоначальный энтузиазм, связанный с этим известием, быстро иссяк, когда на спутнике был обнаружен и токсичный метанол. Тем не менее Энцелад, как и Европа, находится на вершине списка потенциальных претендентов на звание обитаемого космического объекта.

Еще остается Титан. Наряду со своими размерами спутник выделяется толстым слоем дымчатой атмосферы – это единственный спутник в Солнечной системе, который обладает атмосферой. Астрономы отправили спускаемый аппарат «Гюйгенс», который должен был пройти сквозь мрак атмосферы спутника и достичь его поверхности. Аппарат опустился на высохшее русло реки в районе под названием Ксанаду 14 января 2005 года. Он стал первым и единственным аппаратом, когда-либо спускавшимся во внешней Солнечной системе.

Карта поверхности Титана открывает нам мир, который слишком сильно напоминает уже увиденное. Береговые линии, архипелаги, острова и полуострова были вымыты океанами, которые накатывали волнами и оттачивали древние берега. Однако этой размывшей все жидкостью не могла быть вода, поскольку из-за большого расстояния до Солнца здесь слишком низкие температуры. Виновником всех бед на спутнике является жидкий метан.

Точно так же, как и люди, звезды рождаются, стареют и умирают. Звезды формируются из обширных, прекрасных газовых столбов, называемых молекулярными облаками, невероятно разреженных, практически не обладающих плотностью. Поместим небольшой кубик со стороной в один сантиметр в молекулярное облако, и тогда внутри него окажется примерно одна сотня молекул газа. Если мы поместим такой же кубик в сердцевину нашей звезды, то в него сразу же попадет 100 триллионов триллионов частиц.

Итак, каким же образом можно получить из чего-то, настолько разреженного и слабо скомпонованного, как молекулярное облако, нечто достаточно компактное и плотное, чтобы оно было способно осуществлять процессы слияния водорода с образованием гелия (отличительный признак звезды)? Все в этом вопросе указывает на гравитацию, как на решающий фактор. Британский астроном Джеймс Джинс (1877–1946) вычислил, какой может быть максимальная масса молекулярного облака, прежде чем за дело берется гравитация и начинается его сжатие. Астрономы называют этот показатель «массой Джинса». Она также зависит от температуры и плотности облака.

Процесс сжатия облака может быть запущен внешними событиями. Возможно также, что происходит слияние двух молекулярных облаков, так что их общая масса взлетает до уровня, превышающего массу Джинса. Также есть вероятность, что происходит взрыв близлежащей звезды, посылающий через молекулярное облако мощные ударные волны, благодаря которым начинается объединение газовых молекул, пока в дело не вступает гравитация и не делает все остальное.

По мере своего сжатия молекулярное облако разбивается на небольшие сегменты. Эти сжимающиеся сегменты, называемые протозвездами, начинают вращаться вокруг своей оси все быстрее и быстрее, как это делает вращающийся фигурист, обхвативший себя руками. Температура и давление продолжают нарастать, пока не будет достигнут уровень, достаточный для того, чтобы внутри вращающейся газовой сферы начался процесс слияния водорода с превращением его в гелий: звезда родилась. Весь процесс занимает десятки миллионов лет.

Астрономы могут наблюдать за процессами образования звезд, происходящих в областях, подобных туманности Ориона – фабрики по производству ярких звезд, видимой невооруженным глазом как неясное пятно, располагающееся под тремя звездами в поясе Ориона. Это ближайшие к Земле звездные ясли. Вокруг некоторых из этих зарождающихся звезд наблюдались также и темные, плотные диски из обломков пород. Эти диски получили название протопланетных дисков (или проплидов), и ученые предполагают, что в результате силы гравитации в дальнейшем они превратятся в планетезималы, а впоследствии и в планеты.

Благодаря целой армаде спутников, вращающихся вокруг нашей планеты, у нас есть впечатляющие снимки Земли, сделанные из космоса. Самое потрясающее впечатление производят снимки, сделанные ночью, когда расползающиеся во все стороны современные мегаполисы светятся мириадами огней, как маяки земной цивилизации. Совершенно очевидно, что в нашем мире доминируют технологические индивиды.

Особенно красноречивую картину можно наблюдать при ближайшем рассмотрении южной части Средиземноморья. Засушливые пустынные земли Северной Африки, где с трудом можно найти свет электрических огней, соседствуют с деловой активностью Европы. Тем не менее есть один регион на северо-восточной оконечности континента, который по ночам светится как рождественская ель: это дельта Нила. В регионе, где вода в дефиците, люди скопились у берегов одной из самых длинных рек мира.

Это ясное напоминание о важной роли пресной воды для жизни на Земле. Жизнь на нашей планете существует во всех ее областях, начиная от глубоких недр до высоких облаков. Вместе с тем все формы жизни, обнаруженные сегодня на Земле, используют жидкую форму H₂O для выживания. Поэтому представляется естественным, что вода занимает первостепенное место в мыслях астрономов, когда они говорят о шансах найти жизнь где-нибудь во Вселенной за пределами Земли.

Земля находится в обитаемой зоне – узкой полоске космического пространства вокруг звезды, где температуры благоприятны для существования. Окажись мы слишком близко – вода закипит; слишком далеко – замерзнет. Это объясняет, почему обитаемая область часто называется по-другому: поясом Златовласки. Подобно овсяной каше из английской сказки про Златовласку, оказавшуюся в домике трех медведей, она не очень горяча, но и не очень холодна, а как раз такая, какая нужна. Современные астрономы неустанно ведут поиски признаков внеземной жизни, изучая планеты обитаемой области других звезд.

Обитаемая область включает узкую зону вокруг звезды, где температуры благоприятствуют поддержанию жидкого состояния воды. Ее точное и конкретное местоположение зависит от температуры звезды

Но это не единственное место, где следует вести поиски. В нашей собственной Солнечной системе жидкая вода, как предполагается, имеется в океанах под поверхностью спутников Европы и Энцелада, а эти спутники находятся вне пределов обитаемой области. И свое тепло они получают в результате приливного взаимодействия с Юпитером и Сатурном. Поэтому это самое подходящее место, откуда можно начать, но мы не должны ограничивать свои поиски внеземной жизни исключительно обитаемой областью звезд.

В легендах коренных жителей Америки, индейцев чероки, его называют дорогой, по которой убегала собака; тропой, усеянной зернами кукурузы, которые обронил своровавший их пес. В восточной Азии это серебристая река на небесах. Маори Новой Зеландии видят в нем облик гигантского каноэ. В греко-римской мифологии это грудное молоко Геры, разбрызганное по всему небу младенцем Гераклом (Геркулесом), сосущим материнскую грудь.

Именно на основе последней легенды получила свое современное научное название эта ярко светящаяся пылеобразная дуга, протянувшаяся по всему ночному небу от одного конца до другого: Млечный Путь. В этом поясе света, приблизительно охватывающем 30 градусов по ширине, доминируют звездные скопления и темные полосы пылевой материи. Но все же многие из нас никогда не видели его. Восемьдесят процентов населения Северной Америки живут в регионах, где его заслоняет световое загрязнение. Примерно треть мирового населения находится в таком же положении.

Наша галактика – Млечный Путь – имеет форму плоского диска с находящимся в центре балджем и спиральными дугами, окруженными гало из темного вещества

Но это стоит того: отправиться в темную сельскую местность, чтобы увидеть все своими глазами. Зрелище Млечного Пути, наверное, самое грандиозное и впечатляющее зрелище, какое только можно увидеть на ночном небе. Галилео был первым, кто направил свой телескоп к Млечному Пути и проследил всю его длину, наблюдая за бесчисленными звездами. Даже пары биноклей вполне достаточно, чтобы увидеть, как эта полоса неба буквально кишит звездами и звездной пылью.

Большой Провал и Угольный Мешок представляют собой ярко выраженные темные области, лишенные звезд. Гигантские молекулярные облака не позволяют нам наблюдать за звездами, которые находятся за ними.

Хотя Млечный Путь виден отовсюду, реальные события концентрируются в зодиакальных созвездиях Стрельца и Скорпиона. Наилучший вид на эти области неба открывается на широте – 30 градусов, в этом случае они оказываются прямо над головой. Эта широта протягивается от Чили и Аргентины через Южную Африку и продолжается на восток, проходя совсем рядом с австралийскими городами Перт и Брисбен. Неудивительно, что ряд лучших телескопов в мире установлены вблизи этой линии. Астрономы, наблюдающие за Млечным Путем и пытающиеся разгадать его тайны, стремятся занять наилучшие для этого места.

Мы видим Млечный Путь именно таким, потому что живем внутри него. Будучи спиральной галактикой, снаружи он напоминает две яичницы-глазуньи, приклеенные друг к другу. В центре Галактики имеется похожий на желток балдж, который окружен значительно более плоским диском. Мы находимся примерно на середине пути до края этого диска, на одном из малых спиральных ответвлений нашей Галактики.

Когда мы обращаем свой взор в направлении созвездия Стрельца, мы смотрим прямо сквозь диск на заполненную до предела центральную область. Если перемещаться в направлении созвездий Ориона и Возничего, то окажется, что вы направляетесь в противоположном направлении, к краю Галактики.

Оценки размеров и составляющих частей нашего Млечного Пути варьируют в самых широких пределах. Но большинство астрономов соглашаются с тем, что ширина нашей Галактики равняется, по крайней мере, 100 тысячам световых лет. Получается просто невероятная цифра – один миллион триллионов километров. Луч света, отправившийся в путь с одной стороны галактики 100 тысяч лет назад, когда Homo Sapiens все еще делили планету с неандертальцами, только сейчас добрался бы до другой стороны.

Есть еще один способ представить себе, как это все происходит. Вообразим на секунду, что вы могли бы сократить расстояние от Солнца до границы пояса Койпера до размеров своего мизинца. В масштабе этого пальца Млечный Путь распростерся бы по всему Атлантическому океану, с одним краем в Лондоне и другим – в Кингстоне, на Ямайке. Солнце – просто крошечный космический объект по сравнению с размерами всей Галактики.

Млечный Путь, может быть, и широк, но по толщине его диск составляет в среднем всего 1 тысячу световых лет. Этот диск является местом нахождения Солнца и, по меньшей мере, еще 100 миллиардов других звезд, возможно, в общей сложности даже 400 миллиардов звезд. Оценки, сделанные на основе полученных с помощью космического телескопа «Кеплер» данных, позволяют предполагать, что в обитаемой зоне этих звезд может находиться до 60 миллиардов планет.

Звезды на этом диске вращаются вокруг центра против часовой стрелки, то есть так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.

Солнцу требуется приблизительно 220 миллионов лет, чтобы завершить один виток по Млечному Пути, астрономы называют этот период космическим годом.

Нам не дано увидеть Млечный Путь со стороны – он просто слишком необъятен, чтобы его можно было покинуть. Если перемещаться со скоростью космической станции «Вояджер», потребовалось бы 5 миллионов лет, чтобы выйти за пределы нашей Галактики по самому короткому пути. Но на тот случай, если бы это стало возможным, у нашей Галактики имеются самые поразительные ее части – спиральные рукава.

Четыре огромные цепочки из звезд и газа, похоже, выходят спиралью из центральной перемычки, находящейся в галактическом балдже. К ним присоединяются по меньше мере два рукава меньших размеров. Один из них служит домом для Солнца. У нас есть возможность составить картину их взаиморасположения, наблюдая за тем, как движутся звезды нашей Галактики, а также наблюдая за другими спиральными галактиками, расположенными в других частях Вселенной.

Многие годы спиральные рукава представляли собой настоящую головоломку. На первый взгляд каждый рукав выглядит как отдельная группа звезд, двигающихся вместе вокруг центра. Но такого не может быть. Спиральные галактики вращаются достаточно быстро, так что со временем рукава просто перестали бы существовать. Представим галактику в виде беговой дорожки с несколькими полосами. Точно так же, как бегуны, занимающие внутреннюю дорожку, звезды, находящиеся ближе к середине, будут опережать тех, которые находятся дальше от центра. Потребовалось бы всего несколько кругов, чтобы рукава исчезли.

В 1960-х годах китайские астрономы С. С. Лин и Фрэнк Шу поняли, что спиральные рукава больше похожи на дорожную пробку. Когда кто-то, кто едет впереди, нажимает на тормоз, все, кто едет сзади, также останавливаются. По мере того как затормозивший автомобиль ускоряет свое движение, пробка, как волна, перемещается в заднем направлении.

Когда вы сталкиваетесь с такой чрезмерно запруженной автомобилями частью дороги, вы замедляете свой ход. То же самое происходит со звездами. Когда молекулярные облака спрессовываются, их настигает коллапс, в результате которого они превращаются в новые звезды. Именно поэтому мы наблюдаем такое множество процессов образования звезд в спиральных рукавах.

Такие дорожные пробки, получившие название волн плотности, обладают одним свойством, которое вы не увидите ни на одной трассе. По мере приближения звезды к запруженному плотному региону, она затягивается в него все быстрее под воздействием коллективной гравитации звезд, уже находящихся внутри пробки. Когда звезда, наконец, выбирается из нее, она делает это очень медленно, так как гравитация остающихся в ней звезд, удерживая, тянет ее назад. По этой причине звезды проводят много времени, будучи частью волны плотности, а спиральные рукава продолжают существовать.

Когда Солнце садится над спящим гавайским вулканом, купола гигантской обсерватории Кек превращаются в силуэт. С наступлением ночи они медленно открываются, демонстрируя десятиметровые зеркала, находящиеся внутри. Начиная с середины 1990-х годов астрономы пользовались этими расположенными на вершине Мауна-Кеа телескопами для сбора древнего света, падающего на Землю из центра Млечного Пути.

Они пытались точно установить и понять, вокруг чего вращается Галактика. Пристально вглядевшись сквозь 27 тысяч световых лет газа и пыли, они заметили звезды, со свистом вращающиеся вокруг яркого источника радиоволн, известного как Стрелец А (Sgr A*, произносится как «Звезда А созвездия Стрельца»). Мы можем воспользоваться скоростью звезд и расстоянием от Sgr A*, чтобы вычислить массу объекта, вокруг которого они вращаются. Получилась колоссальная масса в 4 миллиона Солнц.

Для того чтобы орбиты звезд оказались устойчивыми, необходимо, чтобы этот объект был по ширине меньше 12 миллионов километров (около пятой части расстояния от Меркурия до Солнца, или 8,5‐кратный диаметр Солнца). Единственным объектом, способным упаковать или вместить столь огромную массу в относительно небольшое пространство, является черная дыра.

Таким образом, в данный момент Солнце тащит нас вокруг черной дыры со скоростью примерно в миллион километров в час. К счастью, мы находимся на достаточно большом расстоянии от нее и можем не бояться угрозы быть засосанными внутрь, однако астрономы видели материалы, которые оказывались в опасной близости от нее. В период между 2011 и 2014 годами они наблюдали за газовым облаком, называемым «юбка Стрельца G2» и расположившимся вокруг черной дыры. Сначала они подумали, что оно собирается кануть в небытие, но, по-видимому, внутри облака находилась звезда, помогавшая ему держаться вместе.

Другое облако – Стрелец B2 – подверглось удару потока радиации, вызванной черной дырой около 400 лет назад. Можно заключить, что сравнительно недавно по космическим меркам Sgr A* была в миллионы раз активнее, чем в настоящее время.

Центр Галактики является идеальной лабораторией для проверки общей теории относительности Эйнштейна. Звезды, вращающиеся вокруг Sgr A*, испытывают гравитационное притяжение в сотню раз более мощное, чем где бы то ни было, где эта теория проверялась прежде. Точно так же, как близость Меркурия к Солнцу продемонстрировала нам изъяны в ньютоновской картине гравитации, звезды, вращающиеся вокруг центральной черной дыры Млечного Пути, могут выявить недостатки концепции Эйнштейна. При этом любые, даже малейшие отклонения, способны стать своего рода компасом, указывающим путь к успешной теории всего.

Продолжающиеся наблюдения центральных звезд через телескопы Кека будут играть значительную роль в достижении этой цели. Однако нам нужно взглянуть на черную дыру еще более пристально, если мы действительно хотим поставить теорию Эйнштейна в фокус нашего внимания. В идеале мы хотели бы увидеть, как пространство-время искривляется непосредственно за пределами горизонта событий.

Согласно предсказанию общей относительности, у черной дыры должна быть круглая тень: темное пятно внутри кольца, образованного светом, который прошел бы мимо нас, но из-за экстремального гравитационного поля черной дыры изменил свое направление в нашу сторону. Если окажется так, что тень по форме не кругообразная или не такого размера, как мы ожидали, тогда мы, возможно, окажемся на пороге революции.

Для того чтобы увидеть область вокруг черной дыры, понадобится телескоп размером с Землю. Поэтому астрономы создали телескоп горизонта событий путем объединения существующих по всему миру телескопов в единую сеть

И все же фокусироваться на столь компактном объекте, находящемся на расстоянии 27 тысяч световых лет, совсем не простая задача. Для этого требуется телескоп с разрешением в две тысячи раз большим, чем у космического телескопа «Хаббл». Об одиночном телескопе такой мощности говорить не приходится – он должен быть размером с Землю.

Поэтому астрономы изобрели очень хитроумную альтернативу. Они объединили телескопы США, Мексики, Чили, Антарктиды и Испании, и эта сеть превратилась в подобие более мощного телескопа, почти такого же широкого, как наша планета. В 2017 году этот телескоп горизонта событий был впервые направлен в сторону Sgr A*, и вскоре с его помощью будут окончательно проверены теории Эйнштейна.

На первый взгляд Млечный Путь выглядит как гигантская солнечная система. В ее центре находится огромная масса вещества и энергии, а вокруг вращаются более мелкие объекты. Но при ближайшем рассмотрении оказывается, что спиральные галактики фундаментально отличаются от планетарных систем.

Каждая последующая планета по мере удаления от Солнца движется медленнее, чем предыдущая, и ей требуется больше времени для совершения одного оборота вокруг своей звезды. Меркурию для этого необходимо всего восемьдесят восемь дней, у Нептуна же это занимает 165 лет. Отсюда можно было бы ожидать, что орбитальные скорости звезд также станут падать по мере удаления от центра Галактики. Но этого в случае с Млечным Путем не происходит.

Первые сообщения о том, что у Млечного Пути существуют такого рода проблемы вращения, поступили уже в 1930-х годах. Ян Оорт – голландский астроном, давший свое имя облаку Оорта, – наблюдал за звездами, расположенными вблизи окраин Галактики, и занимался измерением их скорости. Он обнаружил, что они движутся слишком быстро. При скоростях, с которыми они перемещались, они должны были преодолеть силу гравитации Млечного Пути и затеряться где-то в межгалактическом пространстве. Тот факт, что им это не удалось, заставил его предположить, что гравитация Галактики должна быть значительно мощнее, чем предполагалось ранее.

Работы Оорта были почти забыты, и о них не вспоминали вплоть до конца 1960-х годов, когда эстафетную палочку перехватила американский астроном Вера Рубин. На протяжении следующих десяти лет она наблюдала за вращением сотен других спиральных галактик и обнаружила тот же феномен. Выяснилось, что звезды на границах спиральных галактик вращаются так же быстро, как и те, что находятся вблизи балджа. Рубин скончалась на Рождество в 2016 году, когда многие высказывали предположения о том, что она могла бы получить Нобелевскую премию за свои работы (премии не присуждаются посмертно).

Наиболее распространенным объяснением проблемы вращения является то, что существует некая дополнительная, незримая масса, скрывающаяся по всей Галактике таким образом, что мы не можем ее видеть. Эта темная материя обеспечивает дополнительную гравитацию, необходимую для удержания на орбите быстро перемещающихся звезд. Действительно, Оорт еще в 1930-х годах предполагал, что эта скрытая масса превышает видимый материал в соотношении три к одному.

Первоначальная идея, объясняющая этот феномен, состояла в том, что в Галактике содержится большое количество массивных астрофизических компактных объектов гало (МАКОГ). Астрономам нравятся их аббревиатуры. В сущности, МАКОГ – это тривиальные космические объекты наподобие черных дыр и нейтронных звезд, физически настолько малые, что их трудно увидеть, и настолько тяжелые, что они все вместе способны компенсировать недостающую гравитацию.[5]

Однако сегодня мы можем измерить дефицит массы намного точнее, чем во времена Оорта. То, что мы можем наблюдать, составляет лишь 10–12 процентов от всей массы Млечного пути. Такой разрыв слишком велик для того, чтобы МАКОГ могли его восполнить за счет собственных ресурсов. Время от времени мы можем зафиксировать МАКОГ, если они проходят на фоне далекой звезды и увеличивают свое свечение в результате гравитационного микролинзирования. Мы еще не наблюдали достаточное количество таких событий, чтобы сделать вывод о том, что популяций МАКОГ хотя в бы в какой-то мере достаточно для решения проблемы ротации.

В настоящее время астрономы придерживаются мнения, что темная материя может выступать в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (СВМЧ). Слабо взаимодействующих – потому что они не взаимодействуют со светом (поэтому мы их не видим). Массивных – потому что они должны восполнить значительный дефицит гравитации. В отличие от МАКОГ, СВМЧ – это то, с чем мы никогда до этого не сталкивались. Они представляют собой совершенно новый тип материи, о которой только мечтали физики, исследующие элементарные частицы, чтобы объяснить вращение галактик.

Все, что мы видим вокруг себя, состоит из частиц, включенных в Стандартную модель – стандартный реестр, напоминающий кулинарную книгу для Вселенной, которую на протяжении многих десятилетий регулярно пополняли физики, исследующие элементарные частицы. Кроме того, никакое другое вещество в Стандартной модели не ведет себя так, как темная материя. Однако физики работали над дополнением к Стандартной модели, которое получило название суперсимметрии (мы уже встречались с ней, когда рассматривали теорию суперструн на странице 225). Согласно этой суперсимметрии, у каждой частицы из Стандартной модели имеется зеркальная частица. СВМЧ, возможно, являются наилегчайшими из этих суперсимметричных частиц – нейтралино.

В заброшенной шахте на золотых приисках, на глубине 1,5 километра под Южной Дакотой, располагается резервуар с жидким ксеноном, прикрытый слоем из 70 тысяч галлонов воды. А в это время в Антарктиде демонстрируют готовность к работе внедренные глубоко под лед приборы для обнаружения. На Большом андронном коллайдере в Швейцарии сталкиваются друг с другом элементарные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. А над Землей каждые девяносто две минуты вращается по своей орбите экспериментальная станция AMS-02, привязанная к Международной космической станции (МКС). С помощью всех этих инструментов физики ведут поиски самого разыскиваемого объекта во Вселенной: СВМЧ. Если темная материя действительно является артефактом суперсимметрии, тогда физикам в ЦЕРНе, занимающимся исследованием элементарных частиц, необходимо найти доказательства того, что суперсимметрия – нечто большее, чем просто красивая теория, существующая только на бумаге.

Если СВМЧ на самом деле существуют, тогда они должны ударяться о ваше тело ежеминутно. Однако зафиксировать их, с учетом того, что вокруг вас вращается так много всего другого, – цель настолько же благая, насколько и невозможная. Итак, в шахте в Южной Дакоте аппаратура Большого подземного ксенонового (БПК) эксперимента прикрыта твердой породой и слоем воды. Эксперимент задуман с тем, чтобы уловить вспышки света, излучаемые потоком СВМЧ, из-за столкновений с ксеноном.

Приборы для обнаружения в эксперименте «Кубик льда», проводимого на Южном полюсе, таким же образом защищены замерзшей тундрой. Они пытаются уловить косвенные свидетельства существования СВМЧ. Если в Галактике имеется темная материя, тогда Солнце силой своей гравитации должно привлекать к себе некоторое ее количество по мере своего передвижения по Млечному Пути. Это означает, что СВМЧ заканчивают свою жизнь, сталкиваясь друг с другом глубоко внутри звезды. Согласно вычислениям, это привело бы к образованию высокоэнергетичных нейтрино, которые могли бы выбрасываться из Солнца – поиски именно этих частиц и являются задачей научного проекта под названием «Кубик льда».

И наконец, магнитный альфа-спектрометр (МАС‐02), на МКС, направлен в сторону перенасыщенного космическими объектами балджа Млечного Пути. Учитывая, что в этой области темная материя упакована более плотно, столкновения СВМЧ должны быть здесь обычным явлением. Предполагается, что эти события приводят к созданию каскада частиц, называемых позитронами (антивещество, эквивалентное электронам). Обнаружить излишки позитронов вблизи центра Галактики все равно что найти дымящийся пистолет. И что удивительно, взрыв позитронов все же был обнаружен. Однако даже это открытие не позволяет астрономам исключить возможность существования менее экзотических объяснений.

Космические аппараты, запущенные в рамках эксперимента МАС-02, вращающиеся по орбите на МКС, занимаются поисками резкого увеличения количества позитронов, вызванного столкновениями темной материи в недрах Млечного Пути

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Очевидно, что физики делали все возможное для того, чтобы уловить СВМЧ. Но результаты пока остаются весьма скромными. Эта концепция продолжает оставаться лучшей из всех существующих на данный момент, но если в ближайшее время астрономам не удастся фактически обнаружить эти частицы, им не останется ничего другого, как вернуться к своим планшетам. Сторонники другой идеи, совершенно отличной от этой, – МОНД – уже предчувствуют запах крови и готовятся к атаке.

Для того чтобы объяснить, почему наблюдаемой в галактиках гравитации недостаточно для наблюдаемой скорости движения их звезд, нам необходима темная материя. Поэтому мы придумали невидимую субстанцию, чтобы восполнить этот недостаток.

Но что, если мы в действительности неправильно понимаем смысл гравитации? Что, если нам кажется, что гравитации недостаточно, лишь потому, что мы в действительности не понимаем, как работают эти силы в масштабах больших галактик? Это ровно то, что утверждают сторонники модифицированной ньютоновской динамики (МОНД). Концепция МОНД утверждает, что гравитация не является универсальным законом, открытым Ньютоном: в случае ее применения к большим масштабам она требует соответствующей модификации. Эта идея была впервые выдвинута в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом.

Ускорение движения типичной звезды вокруг спиральной галактики в 10 миллиардов раз меньше, чем ускорение вымышленного ньютоновского яблока при его падении на землю. По утверждению Милгрома, при таком незначительном ускорении нам следует видоизменять уравнения Ньютона. Теоретики МОНД утверждают, что объекты, находящиеся в слабых гравитационных средах, испытывают несколько большее тяготение, чем мы могли бы ожидать в норме.

Чтобы та или иная научная теория воспринималась всерьез, она должна выдвигать проверяемые предположения. Проповедники МОНД воспользовались ее модифицированными уравнениями для того, чтобы предсказать орбиты семнадцати карликовых галактик, вращающихся вокруг Андромеды (ближайшей к Млечному пути большой галактики). И они попали точно в цель.

Между тем, МОНД продолжает оставаться маргинальной теорией. Большинство астрономов и космологов отдают предпочтение идее темной материи. Это в большой степени связано с тем, что темная материя, являющаяся физической сущностью, позволяет объяснить, как структура образовалась на ранней стадии развития Вселенной. Гравитационное притяжение темной материи способствовало скоплению обычной материи с превращением ее в звезды и Галактики в расширяющейся после Большого взрыва вселенной.

Это также объясняет, почему Андромеда и Млечный Путь в настоящее время придерживаются курса, ведущего к их столкновению. Для того чтобы расширение Вселенной было преодолено и они начали двигаться в направлении друг к другу, необходимо, чтобы между ними существовало гравитационное притяжение, эквивалентное количеству вещества в галактиках в восемьдесят раз большему, чем все звезды, которые мы можем наблюдать.

В XVI веке португальский мореплаватель Фердинанд Магеллан проплывал по курсу ниже экватора, пытаясь обогнуть Землю. Здесь он заметил два гигантских облака, прорисовавшихся на небе, которые по мере вращения Земли проплыли по ночному небосклону.

Впрочем, самому мореплавателю в тот момент было невдомек, что он видел нечто, находящиеся за пределами нашей Галактики – за пределами Млечного Пути. Но мы до сих пор знаем эту парочку как Магеллановы Облака.

Эти Облака являются частью Местной группы – собрания наших ближайших соседей с подходящим названием, – включающей и другие карликовые галактики, вращающиеся вокруг Млечного Пути, а также Андромеду и галактики Треугольника. Видимые почти исключительно в южных широтах, Магеллановы Облака легко определяются невооруженным глазом и включают в себя созвездия Дорадо, Менза, Тукана и Гидры.

Большое Магелланово Облако (БМО) простирается на 14 тысяч световых лет в диаметре и находится от нас на расстоянии в 160 тысяч световых лет. На ночном небосклоне оно выглядит по величине как двадцать полных лун. Это место нахождения туманности Тарантула – самой активной из всех областей Местной группы, являющейся местом формирования звезд. В 1987 году замечен взрыв сверхновой звезды вблизи границы этой туманности. Известная как SN 1987a, эта звезда была первой ближайшей сверхновой звездой, взорвавшейся с момента взрыва так называемой сверхновой звезды Кеплера в 1604 году. Взрыв был настолько ярким, что его можно было наблюдать невооруженным глазом.

Малое Магелланово Облако (ММО) приблизительно вполовину меньше большого и находится от нас на 40 тысячах световых лет дальше. В результате гравитационного взаимодействия ММО и БМО возникает Магелланов Мост – струя водородного газа, охватывающая пространство между ними, которое в противном случае осталось бы пустым. Аналогичный эффект создает Магелланов Поток между Магеллановыми Облаками и самим Млечным Путем. Наличие отчетливой перемычки в центре БМО позволяет предполагать, что оно некогда могло быть карликовой спиральной галактикой, пока она не потеряла рукава в результате гравитационного притяжения ее соседей.

В 1908 году американский астроном Генриетта Суон Ливитт опубликовала одну из важнейших работ в истории астрономии. Статья была озаглавлена «1777 переменных звезд в Магеллановых Облаках».

В центре внимания статьи были цефеиды, или переменные звезды. Эти звезды расширяются и сжимаются, из-за чего их яркость регулярно меняется. Они также предоставляют нам бесценный способ измерения расстояний в космическом пространстве, будучи частью астрономических инструментов, известных как стандартная свеча. Для определения расстояния до ближайших звезд астрономы используют метод параллакса. Так или иначе, наступает момент, когда звезды оказываются на таком большом расстоянии от нас, что метод параллакса больше не работает. И тогда приходит очередь стандартной свечи.

Представим себе, что мы смотрим на светящуюся лампу сквозь окно в расположенном далеко здании. Чем на большее расстояние вы удаляетесь, тем тусклее будет казаться лампа, потому что по мере увеличения расстояния свет становится слабее. Если вы знаете действительную яркость лампы (скажем 40 или 60 ватт), вы сможете вычислить, насколько она потускнела и, отсюда, на каком расстоянии от здания вы находитесь.

Мы можем проделать в точности то же самое в космосе, конечно, с учетом того, что звезды не явятся к нам с их реальной светимостью, аккуратно прописанной у них на боку. Вот почему работа Генриетты Суон Левитт по цефеидам была поистине бесценной. Она показала, что для изменения светимости цефеидам с большей светимостью требуется больше времени. Таким образом, надо лишь найти цефеиды, подождать и посмотреть, сколько времени им требуется для того, чтобы изменить свою светимость, и вы сможете вычислить их истинную светимость. Точно так же, как и в случае с лампой, после этого можно просто вычислить, на каком расстоянии находится звезда.

Как мы увидим дальше, именно в начале XX века был сделан огромный шаг вперед в нашем понимании Вселенной и ее происхождения. Но трудно представить, как все эти достижения могли бы стать возможными без Генриетты Суон Ливитт и ее точного метода определения расстояний, учитывая ситуации, когда метод параллакса просто не работает.

Зрелище ночного неба – истинное наслаждение для наших глаз. Метеоры, кометы, планеты, звезды, шаровидные скопления, туманности, двойные звезды – у неба есть что нам предложить. Но какие самые дальние объекты мы можем увидеть без помощи телескопов и биноклей? Ответ – ближайшие к нам галактики.

В созвездии Андромеды находится неясно очерченное пятно света, едва видимое невооруженным глазом и укромно разместившееся среди других звезд. Такое впечатление, что оно появилось из-за того, что кто-то, лизнув свой большой палец, дотянулся до небес и поставил кляксу в кромешной тьме. Это и есть галактика Андромеда – ближайшая к нашему Млечному Пути большая галактика. Она состоит из триллиона звезд, но при этом выглядит так, будто это всего лишь пролетающее мимо небольшое облачко. Происходит это из-за невероятно огромного расстояния, разделяющего нас, – в среднем 2,5 миллиона световых лет. Даже с учетом того, что свет перемещается со скоростью 300 тысяч километров в секунду, ему требуется 2,5 миллиона лет, чтобы пройти весь путь от Андромеды до нас. Неудивительно, что мы едва ли можем ее видеть.

Когда мы смотрим в направлении Андромеды, мы видим свет, которому 2,5 миллиона лет. Современных людей даже еще не было на этой планете, когда свет, поступающий к нам сегодня, зародился и отправился в путь. Напротив, наши обезьяноподобные предки, занимавшие промежуточное положение между приматами и современным человеком, известные как австралопитеки, только еще начали на заре каменного века выделывать камни, превращая их в первые примитивные орудия труда.

Всё, что разные формы внеземной жизни, существующие на Андромеде, будь у них телескопы достаточно мощные, чтобы пристально всматриваться в Землю из такой дали, могли бы увидеть на Земле, – это австралопитеки.

Они не знали бы, что их потомки соорудили плавающие суда из мертвых деревьев для того, чтобы бороздить воды океана. Или что их потомки сами завоевали весь новый океан – на этот раз черный, а не синий, – отправив в небо гигантские суда, сделанные из металла.

Вам придется часто слышать, как Андромеду называют самым далеким объектом, который можно увидеть без помощи бинокля и телескопа. В большинстве случаев это действительно так. Однако те, у кого идеальное зрение, должны также суметь разглядеть галактику M33 в Треугольнике из очень темного места. Являясь третьей по величине галактикой в Местной группе, она находится на расстоянии 3 миллионов световых лет от нас. Создается впечатление, что Треугольник находится в состоянии разрыва, вызванного силами гравитации Андромеды, а поток водорода между ними простирается на невероятные 782 тысяч световых лет.

Андромеда и Млечный Путь находятся в движении. Разрыв между галактиками сокращается со скоростью 100 километров в секунду, и ход событий убыстряется. Примерно через 4 миллиарда лет два звездных гиганта, по всей вероятности, столкнутся друг с другом.

Все это может звучать катастрофически, но спиральные галактики не являются целостными объектами, поэтому такое столкновение не будет похоже на лобовое столкновение. Вместо этого диски галактик будут пронизывать друг друга, а действие гравитации приведет к тому, что широкие нити звезд и пыли будут выдергиваться и выбрасываться наружу в открытое космическое пространство. В конце концов они сольются в одну супергалактику, которую астрономы назвали Млекомеда. Новая галактика будет вращаться под влиянием Треугольника, которого Андромеда притянет к себе в процессе своего приближения.

Компьютерные модели этого события предполагают, что шанс того, что Солнце в процессе слияния будет выброшено в межгалактическое пространство, где оно будет, подобно сироте, пребывать в полном одиночестве, составляет 12 %. Однако из этого не следует, что живым существам на Земле пора беспокоиться, – к тому времени Солнце уже сожжет нашу планету, превратив ее в безжизненную преисподнюю. Утешением может служить то, что по мере приближения Андромеда будет превращаться во все более эффектное зрелище. Она уже выглядит в шесть раз шире, чем полная луна.

Слияние галактик – довольно обычное явление во Вселенной, и они хорошо изучены астрономами. Одним из самых известных примеров является галактика Антенны в созвездии Ворона. Название галактики связано с потоками газа, выделяющимися наружу из центральных областей, – они напоминают антенны насекомых. Две галактики столкнулись всего немногим более миллиарда лет назад, вызвав слияние облаков газа и пыли и запустив интенсивный период формирования звезд.

Другое хорошо известное галактическое слияние происходит в галактике Водоворот. У основной галактики есть компаньон, называемый NGC 5195, – карликовая галактика, очевидно, прошедшая через основной диск 500–600 миллионов лет назад.

Если удаляться от Местной группы, то в конце концов вы пересечетесь с другими скоплениями галактик. Некоторые из ближайших скоплений – группы M81, M51 и M101 – получили свое название по названию их крупнейших галактик. Они образуют часть сверхскопления Девы, колоссальную структуру с более чем сотней галактических групп, включая и нашу собственную Местную группу. Она простирается более чем на 100 миллионов световых лет. Обозримая Вселенная содержит примерно 10 миллионов таких сверхскоплений.

Иметь в голове четкое представление об этой структуре – очевидно, не такая простая задача. В этом случае помощь может оказать сравнение с уже знакомой географией Земли. Представьте себе, что Солнечная система – это ваш дом, а Солнце и планеты – ваши комнаты. Тогда экзопланетные системы, обнаруженные до настоящего момента космическим телескопом Кеплер и другими телескопами, будут другими домами на вашей улице – отдельными, но расположенными очень близко.

Начав от вашей улицы и все больше расширяя свое поле зрения, дальше вы увидели бы ваш поселок или город. Галактика – это всего лишь город, местообитание звезд, поэтому Млечный Путь является эквивалентом нашего родного городка в космическом пространстве. У него даже есть более многолюдные центральные области вблизи балджа и более спокойные и тихие пригороды, удаленные от центра, где на диске обитаем мы.

На Земле все города располагаются вблизи друг друга и все вместе образуют одну страну. В космосе галактики объединяются в группы, образуя скопления. Страны объединяются в огромные пространства земли, называемые континентами. Галактические скопления объединяются в массивные группы, называемые сверхскоплениями. Точно так же, как весь мир состоит из континентов, доступная для наблюдения Вселенная состоит из сверхскоплений.

Таблица 6

Как мы уже видели ранее, центральная область галактики М87 возбуждена значительно сильнее, чем балдж нашего Млечного Пути. По этой причине астрономы дали М87 название «активной галактики», а ее центральной области – название «Активного ядра галактики» (АЯГ). Млечный Путь не является активной галактикой.

Все это так или иначе сводится к вопросу о том, сколько всего вещества и энергии поглощает сверхмассивная черная дыра в галактике. Если огромное количество вещества засасывается в черную дыру, то она формирует разрастающийся диск – по существу, большую плоскую вращающуюся очередь из вещества и материала, ожидающего того момента, когда будет втянуто внутрь дыры. По мере того как газ и пыль, спирально закручиваясь, все стремительнее втягиваются внутрь дыры, возникшее трение поднимает температуру до невероятных высот и сверхразгоряченная материя начинает светиться высокоэнергетичным ультрафиолетовым светом и рентгеновскими лучами. Центральная часть активной галактики обычно выделяет больше энергии, чем вся остальная часть галактики, вместе взятая. Некоторые из АЯГ настолько мощные, что они способны затмить тысячи галактик, подобных Млечному Пути.

АЯГ способны также вспыхивать, демонстрируя взрывной рост количества выделяемой ими энергии за короткий промежуток времени.

Предполагается, что это происходит потому, что сверхмассивная черная дыра в этот момент пожирает особенно большую порцию вещества. По длительности такой вспышки астрономы могут определить количество поглощаемого вещества. Вспышка, длящаяся неделю, вероятно, вызвана облаком шириной в одну световую неделю (1/52 светового года).

Примерно в одной из десяти активных галактик взаимодействия между разрастающимся диском и магнитным полем черной дыры приводят к формированию из некоторого материала симметричных струй или потоков, извергающихся из диска под прямым углом к нему. Это именно то, что происходит на М87. Однако струи вещества не выходят из недр самой черной дыры – это просто невозможно по определению. Они выплескиваются из областей самого разрастающегося диска, находящихся непосредственно за горизонтом событий черной дыры.

Наиболее мощные АЯГ могут быть видны на огромном расстоянии от них из всех точек Вселенной. На первый взгляд они кажутся звездами, однако измерения показали, что они часто находятся на расстоянии миллиардов световых лет. Ни одна из обычных звезд не может оставаться достаточно яркой, чтобы быть видимой с такого огромного расстояния, поэтому они были определены как «квазизвездные объекты». Это определение позже было сокращено до просто «квазаров».

Астрономы называют АЯГ в зависимости от угла, под которыми мы их наблюдаем. Если случается так, что мы смотрим на какую-нибудь струю прямо сверху вниз, она будет называться блазаром.

Поскольку эти струи очень узкие, блазары представляют собой очень компактные объекты. Кроме того, они очень переменчивы, так как сила АЯГ‐струй зависит от того, сколько газов потребляет черная дыра, расположенная в центре.

Астрономы называют АЯГ квазарами или блазарами в зависимости от угла зрения, под которым мы их наблюдаем

Вглядываться в далекие космические объекты, такие как квазары или блазары, означает смотреть в прошлое. Вообразите, что вы получаете почтовую открытку от друга, который пишет о каком-то празднике. Когда вы читаете это, вы не задумываетесь о том, что они делают в этот момент, – вы пытаетесь понять, что они собирались делать, когда писали все это несколько дней назад. Для того чтобы сообщение дошло до вас, потребовалось время, следовательно, открытка принесла вам новости о прошлом, об уже совершившемся, не о настоящем. То же самое происходит со светом и космическим пространством.

Когда мы наблюдаем какой-либо объект, находящийся на расстоянии в миллиарды световых лет от нас, мы осознаем, что этому свету потребовались миллиарды лет для того, чтобы достичь Земли. Следовательно, в этом случае мы видим образ Вселенной, каким он был в прошлом, миллиарды лет назад. Астрономы установили, что большая часть квазаров и блазаров обнаруживается на огромных расстояниях от Земли, из чего можно заключить, что на ранней стадии Вселенной они были более распространены, чем сейчас.

Хаббл показал, что Вселенная расширяется. Между тем, Вселенная, сегодня расширяющаяся, вчера была меньше, поэтому естественно предположить, что в далеком прошлом она должна была быть очень маленькой. Это предположение полностью согласуется с более ранними работами Александра Фридмана и Жоржа Леметра, выполненными в 1920-х годах. Для подтверждения идеи о том, что со временем Вселенная расширялась, начиная с первоначального компактного состояния, они обратились к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна.

Используя скорость, с которой Вселенная увеличивается, – константу Хаббла – мы можем произвести обратные вычисления и узнать, когда это расширение началось. Согласно современным данным, это произошло 13,8 миллиарда лет назад. Проследив процесс расширения в обратном направлении, можно было бы увидеть, как все становится ближе и ближе друг к другу. Если вы следуете общей теории относительности буквально, то все пространство(-время) заканчивается концентрацией в сингулярности – в той же самой бесконечно малой, бесконечно плотной точке, которая была предсказана этой теорией и находится в центре черной дыры. Идеи и пространства, и времени полностью разрушаются в этой сингулярности.

Все эти гипотезы дают основание предполагать, что пространство и время начали свое существование около 13,8 миллиарда лет назад, когда невообразимо маленькая горячая точка взорвалась, расширяясь наружу. Это событие астрономы назвали Большим взрывом. С тех пор возникшая в тот момент Вселенная непрерывно расширяется.

Термин «Большой взрыв» впервые использовал английский астроном Фред Хойл во время интервью на радио BBC в 1949 году. Он был главным оппонентом и критиком идеи Большого взрыва, предпочитая вместо нее стационарную модель – идею того, что Вселенная существовала всегда и по большей части в современном ее виде. Полностью противореча идее Большого взрыва, модель стационарной Вселенной утверждает, что время и пространство не имеют ни начала, ни конца. Основы этой теории сформулированы в 1948 году Хойлом, Германом Бонди и Томасом Голдом.

Ученые находились в поисках альтернативного сценария, так как в теории Большого взрыва существовала большая проблема: согласно ей Вселенная была моложе, чем Земля. Астрономы чрезмерно преувеличили константу Хаббла – меру того, насколько быстро расширяется Вселенная, – так как они не имели возможности точно измерить расстояние до галактик. Полагая, что Вселенная расширяется значительно быстрее, чем это было на самом деле, они чрезмерно недооценили ее возраст. Первоначальная оценка по данным Хаббла составляла 2 миллиарда лет. Но геологи уже обнаружили каменные породы, возраст которых равнялся 3 миллиардам лет.

Стационарная модель объясняет наблюдаемое расширение Вселенной тем, что по мере ее расширения создается новое вещество для того, чтобы заполнить возникающие просветы. Если это соответствует действительности, тогда общая плотность всей Вселенной должна оставаться стабильной на протяжении всего времени. Следовательно, наряду со старыми будут появляться и все новые звезды и галактики. Стационарная вселенная, где друг рядом с другом соседствует множество звезд и галактик, должна представлять собой смешение разных возрастов.

Таким образом, в 1940-х годах, ровно так же, как это уже было не раз в истории науки, наблюдалось противостояние двух взаимоисключающих теорий. Единственным способом разрешения спора между ними была попытка предсказать, какой окажется Вселенная в случае, если та или иная теория окажется верной. Так что вам и карты в руки: выходите и ищите то, что вы обещали найти, а если не найдете, то это будет за ваш счет.

У стационарной модели нет необходимости объяснять, каким образом Вселенная достигла того состояния, в котором она находится в настоящий момент. Она всегда находилась именно в этом состоянии. Трудности теории Большого взрыва состоят в том, что она заявляет не только то, что какой-то момент времени был началом пространства и времени, но и то, что Вселенная в начале своего движения к нынешнему состоянию была фундаментально другой. Если вы хотите убедить нас в том, что теория Большого взрыва должна быть признана верной, вам необходимо объяснить, каким образом, начав с крошечной горячей точки, мы пришли к огромной вселенной, заполненной мириадами звезд и галактик.

Если сегодняшняя Вселенная когда-то была меньше атома, тогда температуры в ней должны были быть невероятно высокими – до 10 миллиардов градусов по Цельсию всего через секунду после Большого взрыва. Астрономы могут воспользоваться тем, что мы знаем об элементарных частицах сегодня и что могут сказать физики о том, что произошло бы при таких экстремальных условиях. Именно это пытаются сделать ускорители элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер – воссоздать среду, возникшую сразу после Большого взрыва.

Первоначальная младенческая Вселенная была заполнена только энергией. Однако в первую секунду ее существования температуры были достаточно высоки, чтобы некоторая часть этой энергии превратилась в вещество. Разные формы протонов, нейтронов и электронов стали строительными блоками атомов. Между тем, сразу после продолжавшегося всего секунду расширения, Вселенная немного охладилась, поэтому новые частицы уже не могли образовываться прежним путем.

Тогда часть протонов и нейтронов стали соединяться друг с другом, образуя частицы, называемые дейтронами (форма ядра водорода). Когда Вселенная достигла возраста в три минуты, она была достаточно горячей, чтобы начались процессы слияния ядер, но при этом достаточно холодной, чтобы образовавшиеся частицы не были разорваны на части. Некоторые дейтроны и протоны вступали в реакцию друг с другом, образуя ядра атомов гелия – таким образом, здесь протекал тот же процесс, который мы наблюдаем в центре Солнца и в результате которого водород превращается в гелий. Астрономы назвали этот процесс нуклеосинтезом, или ядерным синтезом.

К тому времени, когда Вселенной исполнилось 20 минут, она охладилась еще больше, и процессы слияния элементарных частицы остановились. Произведенные расчеты дают основание предполагать, что четверть водорода всей Вселенной могла превратиться в гелий за 17 минут этого взрывного слияния частиц.

Фундаментальные предположения и предвидения теории Большого взрыва состоят в следующем. Когда процессы слияния частиц прекратились, новых путей изменения того, из чего Вселенная состояла, еще не существовало. По крайней мере до того времени, пока через миллионы лет не появились звезды и не создали основу для более тяжелых элементов. Таким образом, космос сегодня должен в основном состоять на 75 % из водорода и на 25 % – из гелия. Именно это астрономы находят, когда они смотрят на сегодняшнюю Вселенную – да здравствует теория Большого взрыва.

Процесс преобразования энергии в частицы называется процессом образования электрон-позитронной пары. Из его названия следует, что в результате этого процесса всегда образуется две частицы – одно вещество и одно антивещество. Частицы антивещества являются зеркальными отражениями обычных частиц. Они обладают всеми те же свойствами, что и частицы вещество, но имеют противоположный электрический заряд. Например, позитрон – это античастица отрицательно заряженного электрона.

Пары частица-античастица могут образовываться до тех пор, пока энергия достаточно высока, чтобы компенсировать массы обеих частиц (согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc²). Именно по этой причине теория Большого взрыва предполагает остановку производства пар в тот момент, когда Вселенной исполнилось всего одна секунда. Будучи все еще исключительно горячей, она все же охладилась настолько существенно, что доступная энергия уже не могла компенсировать образование массы новых пар частица-аничастица.

Процессом, противоположным образованию пар частиц, является процесс аннигиляции, при котором частицы и их античастицы сталкиваются и превращаются обратно в энергию. Поскольку продукция пары должна создавать равное количество вещества и антивещества, за 13,8 миллиарда лет с момента Большого взрыва все вещество должно было аннигилироваться с антивеществом, оставив Вселенную, вновь заполненную только энергией.

Но этого не произошло. Сегодня во Вселенной имеется непомерное количество вещества – это и звезды, и планеты, и люди, и много чего еще. Астрономы убеждены, что на каждый миллиард образованных изначально частиц антивещества возникли миллиард плюс одна частица вещества. Все, что вы видите вокруг себя, возникло из крошечного излишка частиц вещества, которые не подверглись процессу аннигиляции. Почему во Вселенной произошло это небольшое отклонение соотношения вещества и антивещества, остается одной из самых больших загадок в физике.

Согласно теории Большого взрыва, процесс слияния частиц приостановился после того, как 25 % всего водорода во Вселенной превратилось в гелий. К этому моменту Вселенная просуществовала всего 20 минут. Но затем ничего существенного не происходило в течение очень долгого времени: 380 тысяч лет. Вселенная представляла собой море энергии, электронов, протонов (ядер водорода) и гелия, которое продолжало расширяться и охлаждаться.

Как мы уже видели в главе 5, смотреть на объекты, находящиеся в далекой Вселенной, – это все равно что смотреть в прошлое. Но когда мы пытаемся, оглянувшись назад, увидеть то, что находится на расстоянии, эквивалентном первым 380 тысячам лет Вселенной, наш взгляд не способен достичь цели. В те времена море частиц было настолько плотным, что никакой свет просто не мог излучаться. Это как смотреть сквозь густой туман.

Вместе с тем, согласно теории Большого взрыва, Вселенная в конце концов расширилась и охладилась до такой степени, что протоны и ядра гелия уже могли захватывать пролетающие мимо электроны и впервые могли образовывать атомы. Все это привело к высвобождению значительного пространства и неожиданно позволило свету вырваться наружу. Физики называют это событие рекомбинацией. Однако это имя малоподходящее, потому что электроны и ядра никогда до этого не объединялись.

Если Большой взрыв все-таки является реальным фактом истории Вселенной, свет, высвободившийся в момент рекомбинации, должен был залить все пространство Вселенной. За последние 13,8 миллиарда лет он, несомненно, потерял большое количество своей энергии, тем не менее продолжал оставаться там. Наличие этого реликтового излучения является ключевым предвидением и следствием теории Большого взрыва, потому что этого излучения просто не было бы, если бы наша Вселенная соответствовала стационарной модели. Поэтому решение вопроса о том, существует ли такое излучение стал ключевым моментом, определяющим выбор между двумя альтернативными теориями.

В 1964 году американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали c рупорной антенной в Холмделе в Нью-Джерси. Эта антенна была предназначена для приема радиоволн, отраженных от ряда самых первых спутников связи, которые должны быть запущены в космос. Поступающие сигналы оказались невероятно слабыми, поэтому Пензиасу и Уилсону предстояло настроить антенну таким образом, чтобы устранить любые более громкие фоновые шумы, включая и трансляции местных радиостанций.

Но несмотря на то, что они устранили все посторонние сигналы, о которых могли подумать, антенна продолжала улавливать какие-то тихие шумы. Они поступали из всех концов космического пространства и были слышны 24 часа в сутки. Сначала они подумали, что это всего лишь приветы от голубей, устроившихся на рупоре. Они назвали их «белым диэлектрическим материалом». Голубей прогнали, а последствия их проделок были тщательно отмыты, но шум никуда не делся.

Тем временем ниже по дороге, в Принстонском университете, команда под руководством Роберта Дикке занималась поиском реликтового излучения, которое, как было предсказано, осталось после рекомбинации, произошедшей через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Услышав о радиошумах, зафиксированных Пензиасом и Уилсоном, Дикке произнес ставшие знаменитыми слова: «Парни, нас опередили». Сегодня мы называем это излучение реликтовым микроволновым излучением (РМИ). Его обнаружили совершенно случайно, но это был удар, от которого стационарная модель так и не оправилась. РМИ стало неопровержимым, просто железобетонным доказательством того, что Вселенная началась с маленькой горячей точки.

Ко времени высвобождения РМИ в результате расширения, Вселенная охладилась примерно до 3000 К (2727 градусов по Цельсию). Это равно температуре на поверхности красной карликовой звезды, и отсюда следует, что первоначальный свет, высвобожденный в результате рекомбинации, вероятно, имел красноватый оттенок. Между тем, расширение Вселенной, продолжавшееся более 13 миллиардов лет, привело к удлинению этого света, из-за чего длина волны изменилась до уровня, недоступного человеческому глазу. Поэтому сегодня мы улавливаем его в микроволновой и радиоволной части спектра. Его температура в настоящее время составляет всего 2,7 К (–270 градусов по Цельсию).

Факт существования РМИ является неопровержимым доказательством того, что Вселенная началась с маленькой горячей точки

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Для того чтобы уловить послесвечение Большого взрыва, вам не нужна массивная рупорная антенна. Переключая каналы на старом аналогом телевизоре, вы слышите шипение и видите скачущие черные и белые полосы. Точно так же можно услышать треск и хруст при переходе между станциями на аналоговом радиоприемнике. Один процент от этих помех связан с РМИ. Вы ловите самый старый свет во Вселенной, эхо Большого взрыва, смещенное к более низким частотам в результате ее расширения.

За год до открытия реликтового микроволнового излучения Мартен Шмидт обнаружил первый квазар. Эти космические объекты представляют собой экстремально яркие ядра галактик. С того времени астрономы обнаружили в общей сложности более 200 тысяч квазаров. Почти все они, по-видимому, находятся очень далеко от Земли.

Факт того, что ранняя Вселенная включала в себя множество квазаров, тогда как в местной (современной) Вселенной их не так много, может означать одно: космос со временем эволюционировал. А это значит, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии. Мы также не обнаружили ни одной звезды, возраст которой превышает 13,8 миллиарда лет – времени, когда предположительно произошел Большой взрыв. Таким образом, квазары представляют собой один из четырех столпов, на которых держится теория Большого взрыва.

Четыре столпа теории Большого взрыва:

– расширение Вселенной;

– нуклеосинтез, или ядерный синтез (75 % водорода / 25 % гелия);

– реликтовое микроволновое излучение;

– распределение квазаров.

На сегодня теория Большого взрыва бесспорно лучшая из всех, которая у нас имеется для объяснения того, как и из чего произошла Вселенная. Все указывает на то, что она началась с маленькой горячей точки. И все же эта теория не лишена некоторых затруднений, которые невозможно обойти.

Согласно первоначальной версии теории Большого взрыва, Вселенная начинается как сингулярность – бесконечно малая, бесконечно плотная точка, существование которой предусматривалось общей теорией относительности Эйнштейна. Это было в буквальном смысле этого слова ничто. Но как из ничего может возникнуть что-то?

Пожалуй, данная сингулярность не является реальным свойством Вселенной. Скорее, это яркий, неоновый указатель того, что мы не вполне корректно понимаем физику. Как мы уже видели в главе 4, физики пытаются объединить революционную теорию Эйнштейна с квантовой физикой для создания более завершенной Теории всего.

Мы уже знаем, что в квантовом мире нечто вполне может возникнуть из ничего. Даже в абсолютном вакууме энергия может превратиться в пару частиц, которые затем мгновенно исчезают. Физики называют их виртуальными частицами. Эти же самые частицы участвуют в излучении Хокинга из черных дыр. Теория всего могла бы показать нам, что структура пространства-времени Эйнштейна не является непрерывной, а образована из серий пузырьков. Если это так, то эти пузырьки могли возникнуть и исчезнуть точно так же, как виртуальные частицы.

В таком случае существует вероятность, что наша Вселенная не возникла из ничего, а появилась из крошечного пузырька в пространстве-времени.

Почти из сингулярности, но не совсем. Однако нам необходимо получить объяснение, почему наш пузырек расширялся, вместо того чтобы просто исчезнуть.

В первоначальной версии теории Большого взрыва нет ничего такого, что помогло бы нам объяснить это затруднение.

Этот вопрос напрямую связан с предыдущим вопросом – как что-то может возникнуть из ничего? Первоначальная версия теории Большого взрыва говорит о том, что время было запущено вместе со взрывом сингулярности. Ровно так же, как нет ничего севернее Северного полюса, не было ничего до самой ранней точки отсчета времени.

Такой ответ не удовлетворяет большинство людей, особенно если рассматривать обычные причинно-следственные связи. Предположим, вы роняете книгу. Ее удар о пол (следствие) случится после того, как вы позволили ей это сделать (причина). Нам хорошо знакома идея того, что, если вы видели только то, как книга ударяется о пол, вы имеете право полагать, что несколько ранее кто-то уронил ее.

Если Большой взрыв был следствием, тогда что было причиной? Если следствие создало время, тогда как может существовать априорная причина? В рамках первоначальной модели Большого взрыва рассуждения о времени до Большого взрыва просто лишены смысла.

В рамках первоначальной теории Большого взрыва ранняя Вселенная могла быть достаточно горячей, чтобы создавать магнитные монополи – гипотетические частицы, обладающие только одним магнитным полюсом. Однако физикам ни разу не встречались никакие магнитные монополи ни в одной части Вселенной.

Когда в результате рекомбинации высвобождался свет, который мы сейчас рассматриваем как реликтовое микроволновое излучение, температура вселенной равнялась около 3000 К (2727 градусам по Цельсию). Но сегодня излучение, которое мы улавливаем от РМИ, соответствует температуре, равной всего 2,7 К, так как Вселенная значительно расширилась.

С помощью спутников, таких как WMAP или «Планк», астрономы получили подробные карты реликтового микроволнового излучения и обнаружили незначительные отклонения температур всего на одну миллионную часть.

Некоторые части РМИ очень незначительно горячее или холоднее остальных. Это указывает на то, что некоторые области ранней Вселенной были незначительно горячее или холоднее, когда высвобождалось РМИ.

Такое распределение температур было бы объяснимо, если бы в ранней Вселенной вещество было распределено неравномерно. Несколько более плотные области были бы горячее, а менее плотные – холоднее. Эта картина соответствует и современной структуре Вселенной, где гигантские сверхскопления галактик окружены масштабными космическими пустотами. Менее плотные области были растянуты, как следствие расширения, с образованием пустот, а гравитация более плотных зон притягивала дополнительный материал, образуя скопления. Однако первоначальная модель Большого взрыва не дает объяснения происхождению мельчайших вариаций в распределении вещества в ранней Вселенной.

Незначительные колебания температур в реликтовом микроволновом излучении происходят невероятно гладко. Каким образом фоновая температура остается одной и той же во всем пространстве доступной обзору Вселенной?

Если вы зимой откроете окно, все тепло уйдет наружу и в комнате станет так же холодно, как и на улице. Физик в этом случае скажет, что два места в итоге достигли термального, или температурного, равновесия. Но для того, чтобы оно было достигнуто, требуется время. Как и все во всей Вселенной, максимальная скорость, с которой может происходить обмен чем-либо между двумя пунктами в пространстве, является скорость света. Этот вопрос не представляет какой-нибудь проблемы в вашем доме, но все меняется, когда речь идет о космическом пространстве.

Давайте представим клочок неба, находящийся по одну сторону от вас на расстоянии в 10 миллиардов световых лет, и затем другой клочок неба, находящийся на том же расстоянии, но в противоположной стороне. Таким образом, расстояние между ними составит 20 миллиардов световых лет. Самой Вселенной исполнилось всего 13,8 миллиарда лет, тогда откуда эти два региона космического пространства нашли время, чтобы достичь термального равновесия?

Можно было бы сказать, что в прошлом они находились ближе друг к другу, но они никогда не располагались по отношению друг к другу достаточно близко. На основе теории Большого взрыва можно рассчитать, как быстро расширялась Вселенная, начиная с момента ее зарождения. Учитывая то расстояние, на котором они находятся сегодня по отношению друг к другу, эти два пункта космического пространства никогда не смогли бы оказаться на достаточно близком расстоянии друг от друга, чтобы достичь термального равновесия. У света никогда не было возможности пройти от одного пункта до другого – каждый из них всегда находился за горизонтом другого. Это проблема горизонта представляет собой одно из самых больших затруднений первоначальной версии Большого взрыва.

Поверхность Земли выпуклая, но для того, чтобы эта выпуклость стала заметной и очевидной, вам нужно увидеть или пройти по ней определенное расстояние. Представьте себе, что вы привязаны к одному и тому же месту и можете видеть только ограниченную область пространства диаметром десять метров вокруг себя. Вы решите, что Земля плоская, даже если это не так.

Эта ситуация аналогична тому, что мы испытываем по отношению к Вселенной. В настоящее время мы ограничены пространством Солнечной системы и полностью полагаемся на свет, который доносит до нас подробности о том, что находится дальше за ее пределами. Однако у нас есть возможность видеть объекты, только если у этого света было достаточно времени, чтобы дойти до нас. Вселенная вначале расширялась настолько стремительно, что некоторые ее области мы никогда уже не увидим. Поэтому необходимо делать различие между Вселенной (все сущее) и Вселенной, доступной нашему обзору (видимой нам Вселенной).

Измерения видимой нам области Вселенной говорят о том, что космическое пространство в ее пределах плоское – в целом оно не имеет заметных искривлений. В отношении этого феномена существуют два возможных объяснения. Во-первых, предполагается, что расширяющаяся Вселенная растянула пространство космоса настолько, что ее небольшая часть, видимая для нас, кажется плоской, даже если более широкая Вселенная искривлена. Это аналогично тому, что десятиметровое пространство вашей комнаты смотрится как плоское, тогда как поверхность нашей планеты на самом деле изогнута. Между тем, согласно первоначальной версии Большого взрыва, Вселенная не расширилась настолько, чтобы это могло случиться. Отсюда можно заключить, что история Большого взрыва либо еще не закончилась, либо вся Вселенная – и та ее часть, которую мы можем видеть, и та, которую не можем, – плоская. Астрономы рассчитали, что вероятность того, что такое вообще возможно, равна приблизительно одному на сотни триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов.

То, что наша Вселенная плоская – не единственная вещь, которая представляется в высшей степени маловероятной. Представьте, что в нашей Вселенной имеется гигантская панель управления с множеством кнопок, ручек и шкал. Каждый из них управляет каким-либо одним параметром Вселенной. Это может быть скорость света, масса электрона или сила гравитации. Если вы измените хотя бы один из этих параметров – даже на несколько процентов – наша Вселенная оказалась бы совершенно другой.

Возьмем силу гравитации. Если бы она была больше, вещество в центре звезд разрушалось бы значительно сильнее. Процесс слияния веществ в звездах протекал бы куда стремительнее, и их жизнь длилась бы месяцы и годы, а не миллиарды лет, как это происходит сейчас. В этих условиях у жизни на Земле не было бы шанса возникнуть. Измените шкалу на достаточную величину, и звезды не образуются вовсе.

Если бы гравитация была значительно сильнее, она могла бы развернуть первоначальное расширение Вселенной в обратном направлении и вызвать всеобщий коллапс, вернув все в исходное состояние «Большого хруста» до того, как первые звезды вообще зажглись.

Если все эти настройки носят случайный характер и могли принять значения, варьирующиеся в самых широких пределах, тогда каким образом все настройки оказались ровно такими, какие необходимы для того, чтобы возникла Вселенная, полная звезд, планет и людей? Результатом большинства других гипотетических настроек стало бы появление пустой Вселенной или вообще ничто. Существует несколько ответов на проблему точной настройки. Во-первых, это могла быть просто удача – невероятные вещи иногда случаются. Во-вторых, это могло быть деянием некоего всемогущего существа, которое все тщательно предусмотрело. Однако ни одно из этих предположений не может считаться удовлетворительным, так как их нельзя проверить.

Однако третий вариант – идея под названием инфляция – потенциально способен объяснить не только проблему точной настройки, но и все другие проблемы, связанные с Большим взрывом.

К концу 1970-х годов многие из этих проблем с Большим взрывом стали очевидными. Было ясно, что определенного рода Большой взрыв все-таки имел место, так как трудно было просто игнорировать такие очевидные свидетельства, как реликтовое микроволновое излучение, ядерный синтез и квазары. Однако в чем-то надо было уступить.

Начиная с 1979 года и вплоть до начала 1980-х годов физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт занимались поисками способа совсем незначительно изменить идею Большого взрыва, чтобы все ее достоинства оставались бы незатронутыми. Их концепция получила название инфляции, и ее предпосылки невероятно просты: на своих ранних этапах Вселенная испытала период расширения, значительно более стремительного, чем все то, что происходило с ней позже.

Это можно представить, как расширение, предсказанное Хабблом, но только как если бы оно проходило под действием стероидов. В первую триллионную часть триллионной части триллионной части секунды Вселенная прошла от значительно меньшего, чем атом, размера до размера грейпфрута. Может показаться, что это не так уж много, но это соответствует фактору масштабирования, равному единице с семьюдесятью восьмью нулями. Если вы промасштабируете размер красной кровяной клетки на эту величину, то вы получите нечто в триллион триллионов триллионов раз более широкое, чем видимая часть Вселенной.

Наша лучшая иллюстрация истории Вселенной, с первоначального периода инфляции и до сегодняшней эры доминирования темной энергии

Если мы будем брать каждую из проблем Большого взрыва по очереди, мы сможем увидеть, как добавление раннего инфляционного периода стремительного расширения способно помочь их решению.

Когда ранее мы рассматривали этот вопрос, мы говорили, что, возможно, Вселенная произошла не из ничего, а из квантового пузырька в пространстве-времени. Однако нам было необходимо объяснить, почему этот пузырек снова не исчез. Согласно теории инфляции, пузырек мог выжить, если он подвергся периоду стремительного расширения, аналогичному инфляции.

Наше понимание Большого взрыва вытекает из рассмотрения той скорости, с которой космическое пространство расширяется в настоящее время, затем мы идем в обратном направлении, возвращаясь к точке, с которой началось расширение. Строго говоря, это расширение – в той его части, которое подчиняется закону Хаббла, – началось только после того, как инфляция завершилась. Таким образом, инфляция – это и есть то, что происходило до Большого взрыва. Многие теоретики утверждают, что нет никакой необходимости в сингулярности до инфляции, особенно, если действительно существует теория всего. Независимо от того, что было в этой области до того, как она подверглась инфляции и образовалась Вселенная, вполне возможно, оно существовало здесь вечно.

Период инфляции мог бы привести к разбросу любых магнитных монополей в разные стороны на значительно большие расстояния, чем предполагала первоначальная картина Большого взрыва. К настоящему времени они должны быть так далеко разбросаны во все стороны, что неудивительно, как мы никогда не сталкивались с ними.

Известно, что на мельчайшем уровне всегда существуют виртуальные частицы, внезапно появляющиеся и так же внезапно исчезающие. Такие квантовые флуктуации вызывают временные изменения в количестве энергии в любой точке пространства. В течение инфляции они могли быть увеличены до астрономического масштаба, приводя к областям новой Вселенной с большим или меньшим количеством энергии, чем в среднем.

Это объясняет, почему реликтовое микроволновое излучение характеризуется незначительными вариациями температур. При сравнении ожидаемых величин квантовых флуктуаций, подвергшихся инфляции, с величинами температурных вариаций в РМИ физики обнаруживают хорошее соответствие между ними. Как мы уже видели, эти вариации стали теми зернами, вокруг которых позже образовывались сверхскопления и сверхпустоты. Следовательно, инфляция также способна объяснить, почему структура современной Вселенной выглядит именно так.

Вначале инфляция побуждала Вселенную расширяться намного быстрее, чем это предполагалось в первоначальной версии теории Большого взрыва. Это означает, что обе области пространства могли изначально находиться на значительно более близком расстоянии друг от друга, и все равно оказаться так далеко, как сейчас. Если бы все точки в космическом пространстве были значительно ближе друг к другу до наступления инфляции, они могли бы достичь термального равновесия до того, как были разбросаны во все стороны.

Одно из решений проблемы плоской Вселенной состоит в том, что вначале космическое пространство было растянуто настолько, что видимая нам часть вселенной оказалась плоской. Даже в том случае, когда у более широкой Вселенной могут быть определенные искривления (во многом так же, как Земля могла бы казаться плоской, если смотреть на нее с небольшой части ее поверхности).

Проблема в том, что, как мы уже отмечали, одного только Большого взрыва было бы недостаточно, чтобы растянуть Вселенную так сильно. Однако все станет понятнее, если предположить, что был период инфляции, вызвавший большее расширение, чем мы прежде думали. Инфляция должна была сгладить любые искривления, существовавшие в видимой части Вселенной.

Остается только одна проблема – проблема точной настройки, и для ее решения была выдвинута гипотеза вечной инфляции.

Идея инфляции дает нам в руки привлекательное решение основных проблем, связанных с концепцией Большого взрыва. Вместе с тем, если вы намерены заявить, что период стремительного расширения Вселенной действительно существовал, вам необходимо дать объяснение того, почему она подверглась инфляции и как преобразовалась во Вселенную, описанную в концепции Большого взрыва.

Для поиска ответа теоретики концепции инфляции прибегли к идее существования инфляционного поля. В рамках физики поле – это пространство, в пределах которого действуют определенные силы. Например, Земля обладает гравитационным полем. Ее сила по всей поверхности Земли варьируется – она сильнее над горами и слабее ниже, в долинах. По мнению физиков, инфляционное поле также варьируется. Инфляция происходит в областях, где оно достаточно сильное, и прекращается там, где слабое. В момент прекращения инфляции энергия, запертая в инфляционном поле, конвертируется в вещество и радиацию: происходит Большой взрыв.

Однако сторонники этой концепции получили бы возможность обосновать переход энергии инфляционного поля во что-то, что в точности напоминало бы Большой взрыв, только при условии принятия идеи о том, что этот переход осуществляется не одномоментно, не сразу. Тогда каждый раз при частичном переходе энергии вы получаете очередной Большой взрыв, создающий новую изолированную область космического пространства, в то время как инфляция где-то в другой области пространства продолжается. Это вечная инфляция, и она влечет за собой фундаментальные последствия.

Следствием множественности Больших взрывов является множественность вселенных. Согласно инфляционной теории, должно существовать приближающееся к бесконечности – возможно, даже действительно бесконечное – число вселенных. В каждой из них, в зависимости от того, каким именно путем она трансформировалась из инфляционного поля в Большой взрыв, законы физики, массы частиц и величины сил, будут различными. Это эквивалентно ручкам, шкалам и кнопкам на управляющей панели каждой из вселенных, настройки которых незначительно различаются.

Если вы думаете, что ваша вселенная – единственная на свете, тогда, конечно, тот факт, что ее панель управления просто идеально настроена для вашего существования, вы скорее сочтете озадачивающим. У вас может даже возникнуть мысль о Создателе. Но если вы осознаете, что ваша вселенная – лишь одна из множества других, то в какой из них вы оказались бы?

Естественно, вы не могли появиться во вселенной, настройки которой не позволят вам существовать, в пределах которой не могут образоваться звезды и планеты. Вы можете быть только там, где всё настроено соответствующим образом. Идея вечной инфляции решает проблему точной настройки путем утверждения, что в космическом пространстве существует бесконечное инфляционное множество вселенных и в их пределах реализуется бесконечное множество самых разных вариантов настроек. Где-нибудь, в той или иной области космического пространства, так или иначе, настройки должны оказаться «правильными», и у вас нет возможности быть где-то не там.

К идее множественности вселенных нужно привыкнуть. Это настоящий калейдоскоп возможностей, где все, что может вообще случиться, где-то случается. Если множественная вселенная бесконечна, тогда каждая возможность реализуется бесконечное число раз.

Чтобы увидеть, что это действительно так, представьте себе, что вы подкидываете игральные кости шесть раз. Каковы шансы, что выпадут числа 1, 2, 3, 4, 5, 6? Ответ – 1,5 %. Соответственно, в среднем эта модель выпадения чисел должна реализовываться три раза на каждые двести подкидываний кости. И чем больше вы будете кидать кости, тем большее число раз вы увидите ту же саму модель.

В точности то же самое происходит с множественной вселенной. Каждый раз, когда инфляционное поле переходит в Большой взрыв, – это очередное подкидывание игральной кости. Если будете подкидывать кости достаточное число раз, вы, скорее всего, увидите, как та же самая модель (вселенной) повторяется. Если вы будете подкидывать кости бесконечное количество раз, то повторение этой модели вам будет гарантировано.

Пройдитесь по всей этой множественной вселенной, и вы рано или поздно столкнетесь с другой вселенной, в которой все атомы построены в порядке, идентичном тому, какой наблюдается в данной вселенной. Именно каждый атом. В том числе и атомы на моих пальцах, напечатавших эти слова, потому что атомы, мерцавшие на ночном небе, вдохновили меня на карьеру в астрономии, когда я был еще ребенком, и атомы в ваших глазах, принимающих свет, отразившийся с этой страницы. В другой части множественной вселенной вы делаете абсолютно то же самое – полностью повторяется тот же самый сценарий.

Что это говорит о выборе, который вы делаете, учитывая, что существуют миллионы других вас в миллионах других вселенных, вас, делающего точно такой же выбор? И миллионы других приблизительно-вас, делающих совершенно другой выбор? Где-то там, в других областях космического пространства, существует множество других вселенных, где вы являетесь президентом Соединенных Штатов, и еще других – где Вашингтон все еще управляется из Англии. Любимые, покинувшие мир в этой вселенной, все еще живы и благоденствуют в других. В некоторых вселенных у вас голова цыпленка или сумка кенгуру спереди. В бесконечной множественной вселенной существование каждой возможной конфигурации атомов гарантировано бесконечное количество раз.

Множественная вселенная, очевидно, является естественным следствием вечной инфляции, которая, в свою очередь, помогает нам объяснить свойства и характеристики нашей Вселенной, а также продвинуться в понимании Большого взрыва. Вместе с тем в настоящее время у нас нет абсолютно никаких доказательств того, что инфляция, будь то вечная или какая-либо еще, реально существует. Фактически Пол Штейнгардт, один из отцов-основателей этой теории, отвернулся от нее. С тех пор он превратился в открытого критика идеи множественной вселенной.

Наряду с этим есть множество исследователей, убежденных в том, что возможность обнаружения доказательств инфляции все-таки существует. В действительности еще в 2014 году команда ученых вызвала настоящую сенсацию по всему миру, заявив о том, что они обнаружили некое неопровержимое доказательство. Данные поступили от BICEP2, экспериментальной лаборатории, расположенной на антарктической станции Амундсена – Скотта в районе Южного полюса. Ученые воспользовались ею для того, чтобы еще раз взглянуть на реликтовое микроволновое излучение.

Предполагалось, что расширение, протекавшее столь стремительно, как это было в случае с инфляцией, должно было посылать гравитационные волны, пробивавшиеся наружу сквозь зарождающуюся Вселенную. Может быть, наступит день, когда мы сможем уловить эти первобытные гравитационные волны, но в настоящее время, по прошествии более 13 миллиардов лет, они еще очень малы, слишком малы для того, чтобы наши современные детекторы гравитационных волн могли их уловить. Между тем, реликтовое микроволновое излучение смогло добраться до нашего местопребывания, предложив нам снимки того, на что была похожа Вселенная в возрасте всего 380 тысяч лет. Если бы Вселенной сейчас было сорок лет, то РМИ представлял бы собой ее младенческий облик, которому десять часов от роду. Любые изначальные гравитационные волны, проходящие через космическое пространство в момент высвобождения РМИ, должны были оставить какие-то следы или отклонения в его свете. В марте 2014 года команда эксперимента BICEP2 сообщила миру о том, что они обнаружили эти искажения.

Правда, большинство астрономов сейчас согласно с тем, что этого пока не произошло. Сомнения прозвучали довольно быстро, а команда, работавшая со спутником «Планк», утверждала, что тот же самый эффект мог быть сгенерирован при прохождении света от РМИ сквозь пыль нашего собственного Млечного Пути значительно позже. Таким образом, на сегодня астрономы продолжают охоту за первыми доказательствами существования инфляции.

Фиаско команды ученых BICEP2 случилось за 18 месяцев до того, как в ходе эксперимента LIGO в сентябре 2015 года впервые были открыты гравитационные волны, возникшие при столкновении черных дыр. LIGO было недостаточно чувствительным для того, чтобы улавливать изначальные гравитационные волны, но теперь, когда гравитационные волны были наконец-то подтверждены, очевидно, начнется гонка по установке все более крупных и более продвинутых детекторов.

День, когда эти приборы смогут показать нам дорогу к множественной вселенной, безусловно, наступит.

Остается неясным, является ли наша Вселенная единственной в своем роде или же частью какой-то бесконечной инфляционной множественной вселенной. Если мы все-таки одни, есть ли у нашей Вселенной конец? Если же вселенных множество, где заканчивается одна и начинается другая?

Несомненно, у того, что мы можем наблюдать, есть свои окраины. Свет реликтового микроволнового излучения приходит к нам от границ видимой нам части Вселенной – это был первый свет, оказавшийся способным пройти сквозь плотный туман из частиц на ранней стадии Вселенной. Он обозначает наш космический горизонт, немного напоминающий ваш горизонт на Земле. Если вы встанете около вашего дома, то сможете видеть только до этой линии. Но вы все равно знаете, что Земля не заканчивается на вашем горизонте. Точно так же астрономы не думают, что Вселенная заканчивается на нашем космическом горизонте.

Большинство моделей единичной вселенной подразумевает ее бесконечное существование и бесконечно огромное пространство без границ и края. Люди часто спрашивают: куда, в каком направлении расширяется наша Вселенная? Но если наша Вселенная единственная, тогда она по определению должна содержать в себе всё, что вообще существует.

Если есть что-то за пределами Вселенной, тогда оно должно вообще существовать и поэтому быть частью Вселенной. Мы знаем, что Вселенная расширяется не в том смысле, что галактики выдвигаются вовне, в какую-то ранее незанятую область. Наоборот, растягивается пространство между галактиками.

Если наша Вселенная является частью огромной множественной вселенной, тогда все отдельные вселенные должны быть частью какой-то более обширной структуры. Физик Лаура Мерсини-Хаутон, уверенная в том, что холодное пятно в реликтовом микроволновом излучении является вмятиной от столкновения с другой вселенной, вычислила, как далеко могла бы находиться сейчас следующая вселенная. Ее ответ: по крайней мере, в тысячу раз дальше, чем наш сегодняшний космический горизонт.

Какая судьба ожидает космическое пространство? Что его ждет впереди? Ответ зависит от того, сколько самых разных объектов находится в нем.

Начиная с момента Большого взрыва, наша Вселенная непрерывно расширялась, галактики разлетались во все стороны, а пространство между ними увеличивалось. Но помимо этого галактикам свойственно гравитационное тяготение, заставляющее их притягиваться друг к другу. В случае, когда во вселенной имеется достаточно вещества и темной материи, их совместная гравитация, в конце концов, превысит силы расширения и снова начнет притягивать галактики ближе друг к другу. Эта вселенная претерпит коллапс в «Большом хрусте». Но если во вселенной вещества будет недостаточно, расширение продолжится, постепенно замедляясь, но никогда не прекратится. Третья перспектива состоит в том, что во вселенной достаточно массы, чтобы так или иначе приостановить расширение, но при этом ее недостаточно для того, чтобы привести ее к коллапсу.

У всех трех сценариев есть одно общее: предполагается, что расширение Вселенной в настоящее время замедляется. В середине 1990-х годов две команды астрономов работали над проектом точного определения того, как скорость расширения Вселенной изменилась со временем.

Как мы уже видели в главе 5, вглядываться в далекие объекты означает то же самое, что и смотреть назад во времени. Свет представляет своего рода почтовую открытку, доносящую до нас информацию из прошлого. Чем дальше от нас находится галактика, тем из более далекого прошлого к нам приходит информация вместе со светом. Проведя измерения скоростей далеких галактик, мы сможем узнать, как быстро галактика расширялась в далеком прошлом и сравнить это со скоростью ее расширения в настоящее время. Если Вселенная сейчас замедляется, это значит, что в прошлом расширение происходило стремительнее.

Вместе с тем нам необходимо точно измерить, насколько далеко галактики находятся от нас, если мы хотим узнать, какую точку в истории Вселенной они представляют. Обычные методы определения расстояния, основанные на методах параллакса и цефеид, не работают в случае столь отдаленных областей.

Две команды астрономов нуждались в новой, намного более яркой стандартной свече, называемой сверхновая типа Ia.