Чтобы было!

Любопытство – одно из ключевых качеств человека, делающих научный прогресс возможным.

Представь себе человека, который всю жизнь жил в глубине леса и никогда не отходил от дома больше, чем на десять километров. Однажды у него в голове появился вопрос: а что находится дальше? Он собрался, отправился в поход и спустя несколько дней нашел реку. Река для него – это уже серьезное научное открытие, даже если он еще не знает, как и для чего ее использовать. Со временем он проведет эксперименты, узнает, что в реке водится рыба и как лучше всего ее ловить. Результатом всех этих научных поисков станет вкусный ужин. Но если бы в самом начале мы спросили этого человека, зачем он вышел из дома, он бы ответил, что из чистого любопытства.

Если бы мы спросили древних греков, зачем они придумали такую штуку, как эллипс, они могли бы пожать плечами и сказать, что это интересная геометрическая фигура. Могли ли они знать, что спустя полторы тысячи лет ученый Иоганн Кеплер скажет, что на самом деле орбиты планет имеют форму эллипса? И что еще позже по таким же орбитам двинутся первые космические аппараты?

Можно спросить и других ученых. Например, зачем Алессандро Гальвани тыкал в лапки лягушек металлическими спицами? Он мог бы ответить что-то про интересный эффект биологического электричества. Но мог ли он знать, что спустя несколько веков гальванический элемент будет у каждого в кармане – обычный аккумулятор в телефоне. А начиналось все с лягушек! Зачем Галилео Галилей кидал камешки с Пизанской башни? Зачем Иоганн Мендель скрещивал разноцветный горох, а Иван Павлов зажигал собакам лампочки перед тем, как покормить? Зачем современные ученые ставят все новые и новые опыты, в том числе, в области космофизики?

Мы все дальше отходим от того знания, с которым жили в начале, но никто не может сказать, где мы обнаружим новую реку и какая там может быть рыба.

Вообще-то она шарообразная (а если быть совсем точными, то имеет форму геоида), но для простоты мы будем говорить, что она круглая.

Считается, что люди верили в плоскую Землю чуть ли не до открытия Колумбом Америки, но это не совсем так. Всегда (даже в наше время) находятся те, кто утверждает, что Земля плоская, однако образованные люди еще во времена Древней Греции знали, что планета имеет форму шара, и даже сумели рассчитать ее примерный размер.

Одним из доказательств шарообразности Земли греки считали уходящие за горизонт корабли. Сначала за горизонтом скрывается низ корабля, а потом уже все более высокие части. На самом корабле люди видят, как суша постепенно уходит под горизонт – сначала пляж, а потом высокие дома и горы над ними. При этом, если забраться повыше, то будет видно, как все предметы «возвращаются» обратно. Происходить это может только из-за изогнутого «горба» океана, который загораживает корабль от суши. Некоторые возражают, что и на плоской поверхности такие оптические эффекты возможны (что, кстати, правда), но забывают о математике. А ведь именно точные математические расчеты всегда отличают настоящую науку. Расстояние, на котором могут скрываться определенные предметы, можно посчитать и для круглой и для плоской планеты, и окажется, что для круглой все расчеты расстояний сойдутся с реальностью, а для плоской – нет.

Самый простой способ проверить этот эффект, не выходя из дома, – наблюдать закат.

Что, если Солнце не уходит за край, а просто отдаляется, и поэтому наступает темнота? Тогда можно просто посмотреть на любой высокий дом на закате. Тень от земли и соседних домов поднимается снизу вверх, а не наползает на весь дом одновременно, пока Солнце убегает. К тому же само Солнце не становится меньше (из-за оптических эффектов иногда оно выглядит даже больше, чем днем).

Значит, если Солнце не уходит вдаль, то оно уходит вниз за горизонт (как корабль: сначала нижний край, потом верхний). И если бы Земля была плоской, то Солнце ушло бы за край для всей планеты сразу. У плоской Земли край только один, а у круглой – вообще любое место на ее поверхности, и для каждого человека край свой. Проверить это можно, найдя в интернете трансляции с камер со всего мира (ко многим камерам уличного наблюдения есть открытый доступ). При помощи карты часовых поясов можно даже прикинуть, как высоко Солнце будет на камере в Париже или в Сиднее, когда, например, в Москве наступает закат. Если ты не доверяешь камерам, можно попробовать позвонить знакомым, живущим в других частях планеты. Конечно, придется учитывать часовые пояса и наклон самой Земли, но ты всегда найдешь половину планеты, на которой прямо сейчас солнечный день, и половину, где уже наступила ночь. Значит, Земля все-таки круглая и Солнце обычно светит на одну из ее сторон.

Кстати, по похожим наблюдениям за высотой Солнца в разных точках мира ученый Эратосфен сумел рассчитать размер Земли во II веке до нашей эры. Правда, камер у него не было и приходилось самому совершать путешествия и измерять длину теней в полдень (когда Солнце выше всего, а теперь самая короткая), но принцип все равно остался тот же. Правда, не совсем понятно, в каких именно единицах измерения Эратосфен делал расчеты (он написал ответ в мере длины, которые назывались стадиями, но в разных регионах у стадии была разная длина), но в любом случае он ошибся не больше чем на треть реального размера планеты, что уже очень впечатляющая точность для первого в истории измерения.

Помимо этого, были и другие доказательства. Например, явно круглая форма Луны и Солнца (если бы они были дисками, то не казались бы одинаково круглыми из разных частей света). Сейчас уже известно, что все планеты, крупные луны (не только наша, но и у других планет) и звезды тоже круглые, а Земле нет смысла отличаться от них. Во время лунных затмений на Луну наползает круглая тень от Земли. Если подняться повыше, то можно рассмотреть более обширную по площади территорию (если ты когда-нибудь летал на самолете, можешь проверить это сами, глядя в окно при взлете и посадке).

Тут нужно будет отвечать по порядку.

Начнем с Центавра. Цента́вр – это огромное созвездие, которое лучше всего видно в Южном полушарии, а названо оно в честь мифа о кентавре Хироне из древнегреческой мифологии. Кентавр превратился в Центавра из-за сложностей перехода слов из одного языка в другой. Само по себе название созвездия, как и многие другие научные термины, традиционно взялось из латыни. Однако латинское слово Сentaurus можно прочитать и через «К» и через «Ц», в зависимости от фонетики разных стран и эпох. Хотя в современном русском языке можно использовать оба варианта прочтения, мифологических существ привыкли называть кентаврами, а вот созвездие Центавром.

А́льфа Центавра – это конкретная звезда в созвездии, то есть Альфа (чья?) Центавра. Точно так же можно говорить про Альфу Большой Медведицы, Бе́ту Дракона или Та́у Кита. Первое слово – буква греческого алфавита, второе – созвездие, которому принадлежит звезда.

Использовать буквы вместо имен придумал астроном Иоганн Ба́йер в начале XVII века. У многих ярких звезд были свои древние имена, однако далеко не у всех, и астрономам было сложно объяснять друг другу, какую звезду они имеют в виду. Фраза вроде «Вот эта, которая с краю рядом с тремя звездами в форме треугольника… Не эта, левее!» звучит гораздо непонятнее, чем Альфа Центавра.

Байер обычно называл альфой самую яркую звезду в созвездии, бетой вторую и так далее по алфавиту. Если звезды были примерно одной яркости, мог пойти просто по порядку их расположения в созвездии или руководствоваться другими соображениями.

Во времена Байера еще толком не было телескопов, так что с тех пор количество известных звезд стало в разы больше. Придумывать для каждой имя невероятно сложно, поэтому буквенные обозначения звезд используются и сегодня. Когда буквы в алфавите заканчиваются, астрономы начинают использовать в названии по две или даже три буквы сразу. Например, у звезды VY Большого Пса имя только одно, ее так и обозначают: «ви игрек» Большого Пса. Древние имена ярких звезд остались, но теперь у них может быть как именное, так и буквенное обозначение. А еще бывает такое, что одна звезда оказывается целой звездной системой.

Вернемся к Альфе Центавра, она же α Центавра. На самом деле это тройная звездная система, где каждая звезда имеет в итоге свое имя: Ри́гил, Толима́н и Про́ксима. В буквенном обозначении это звезды α Центавра А, α Центавра B и α Центавра C.

Галиле́о Галиле́й – итальянский ученый, живший в конце XVI и в начале XVII века. Как очень многие ученые того времени, занимался огромным количеством наук одновременно. Время от времени кто-то говорит, что за научные открытия его сожгли на костре, но на самом деле не на костре, и не совсем за науку, да и в целом эта история заметно сложнее.

Началось все с Николая Копе́рника, который жил почти на век раньше Галилея. Согласно его идее, в центре Солнечной системы находилось Солнце, а Земля являлась лишь одной из многих планет, вращающихся вокруг него.

Сейчас нам абсолютно очевидно, что Коперник был прав, и не только Земля рядовая планета, но и Солнце – совершенно обычная звезда и мы вращаемся вокруг нее, а не наоборот. Однако для современников Коперника и Галилея эта теория звучала примерно так же как утверждение, что небо розовое в полосочку, а хомячки знают квантовую физику.

Во-первых, гелиоцентрическая система мира не не была похожа на то, что каждый человек видел сам. Всем было понятно, что Солнце восходит на востоке и само движется на запад. Если бы Земля двигалась вокруг него, пришлось бы признать, что она несется в космосе с невероятной скоростью (сейчас мы уже знаем, что Земля движется по орбите со скоростью 108 000 км/ч), и при этом еще и бешено вращается вокруг своей оси (скорость вращения на экваторе 1670 км/ч). Даже сегодня в такие цифры сложно поверить, а в эпоху Коперника и Галилея они и вовсе казались невозможными. Так как явление инерции еще не было достаточно изучено, считалось, что невозможно двигаться с такой скоростью и не заметить этого.

Во-вторых, геоцентри́ческая система мира была очень древней. Птолемей создал ее во II веке нашей эры, и все время вплоть до Коперника она позволяла делать достаточно точные расчеты и наблюдения. Только представь: человечество пользуется системой целых полторы тысячи лет, она работает, и тут приходит Коперник и говорит, что на самом деле все совсем не так. При этом обе теории имеют свои плюсы и минусы, а инструментов, с помощью которых можно было железно доказать одну из них, просто не существует. Первые телескопы по мощности своей были даже хуже, чем современные бинокли, а математические расчеты в этой области только пытались делать (поначалу вообще ни одна из этих двух систем не совпадала с реальностью до конца).

В-третьих, идеи Коперника не совсем удачно оказались связаны с именем Джорда́но Бру́но. Как ученый, Бруно активно поддерживал теорию Коперника, считал звезды далекими солнцами и предполагал у них наличие других планет и жизни на других планетах. Все эти утверждения противоречили общепризнанной тогда трактовке Библии. Для христианского общества той эпохи это был уже очень серьезный повод для обвинения в ереси. Все могло бы обойтись, но Бруно был не только ученым, но и священником, который вступил в открытую и непримиримую вражду с католической церковью по многим религиозным вопросам. Свою роль сыграло и то, что он смешивал науку с магией и мистикой.

Кончилось тем, что Джордано Бруно оказался самым известным ученым, которого действительно сожгли на костре. Хотя наука в тексте обвинительного приговора вообще не упоминалась.

Все это вместе привело к тому, что теорию Коперника все-таки объявили ересью спустя почти шестьдесят лет после ее публикации. На всякий случай. При этом ее все еще можно было публиковать и использовать как математический фокус, но воспринимать буквально оказалось запрещено. Галилея это невероятно возмутило, и он обошел этот запрет хитростью, и при этом умудрился поссориться лично с папой римским. В результате Галилео Галилея осудили на бессрочный домашний арест, но до костра дело не дошло.

В XIX веке католическая церковь признала гелиоцентрическую систему Коперника, а в двадцатом полностью оправдала Галилея. А приговор Бруно действителен до сих пор.

Да. Люди высаживались на Луну целых шесть раз в ходе миссий под названием «Аполло́н». В первый раз в 1969 году, а последний – в 1972-м. В каждой высадке участвовало три человека – двое спускались на спутник, а третий оставался сторожить корабль на окололунной орбите. Не совсем удачным был полет «Аполлона-13»: все вернулись назад целыми, но высадки не случилось. Так что всего к Луне летал двадцать один человек, и двенадцать из них сумели по ней прогуляться. Луна – это единственное небесное тело, по которому людям удалось пройтись пешком.

В качестве доказательств у нас есть огромное количество свидетелей полета всех шести миссий «Аполлона», фотографии, видео, а также почти четыреста килограммов лунного грунта!

А может ли любая независимая сторона проверить следы высадки на Луне? С обычного наземного или даже околоземного (вроде Хаббла) телескопа не выйдет – слишком маленькие объекты и мощности современных приборов просто не хватит. Основной способ «пощупать» следы на Луне с Земли – это мощный лазер. Во время высадок на Луне был установлен специальный отражатель, по координатам которого любая достаточно мощная обсерватория на Земле может выстрелить лазерным лучом. Луч идет от Земли до Луны и обратно за определенное время, которое засекают. Если знать скорость света и время путешествия луча, можно рассчитать расстояние до отражателя. Ошибка составит всего несколько метров! Сам отражатель изначально и был нужен для точного определения расстояния до спутника.

При этом многие страны регулярно отправляют к Луне автоматические межпланетные станции (АМС), которые могут не только изучить Луну, но и посмотреть, что же находится в местах высадки. В интернете достаточно много снимков с таких станций. На них достаточно хорошо видны следы ро́веров (лунные машины, на которых передвигались космонавты), и оставленная на Луне аппаратура. С каждым новым поколением АМС количество таких снимков увеличивается, а четкость – повышается.

Легенда о том, что никакой высадки не было, появилась в те времена, когда проверить это действительно было почти невозможно, однако теперь миссий на Луну становится все больше. Да и потом, если бы это действительно был заговор, неужели никто бы до сих пор не проболтался?

Солнечная система – это Солнце и все, что вращается вокруг него. Вращающиеся вокруг Солнца тела можно поделить на три группы – планеты, карликовые планеты и малые тела вроде комет и астероидов. У некоторых из них есть спутники. Кроме небесных тел существует еще солнечный ветер, магнитные поля и гравитация.

Центр Солнечной системы – это Солнце. Мы расположены к нему достаточно близко – всего каких-то 150 000 000 километров! Это означает, что между нами и Солнцем может вместиться почти 12 000 планет размером с Землю. На машине такое расстояние можно преодолеть примерно за 200 лет непрерывной езды (возможно, на Земле даже не хватит для этого топлива), а на самолете – всего за 24 года. Свет долетает до нас за 8 минут. В астрономии расстояние от Земли до Солнца называют гордо и просто – одна астрономическая единица. Именно в астрономических единицах (а.е.) принято измерять расстояние внутри Солнечной системы.

Давай попробуем сделать линейку для измерений. Найди какую-нибудь длинную нитку и сделай в самом начале узелок. Это будет Солнце. Отметь на расстоянии в 1 сантиметр от него точку – это Земля (можно отметить ее ручкой или фломастером). Сантиметр будет нашей астрономической единицей.

Если нас будет интересовать самая далекая от Солнца планета – это Нептун, то до него от Солнца 30 а.е. (или 30 см на нашей нитке). Все, что вращается вокруг Солнца дальше называется транснепту́новыми объектами (приставка «транс» обозначает, что они находятся за Нептуном). Во-первых, это астероидный пояс Ко́йпера (здесь находится Плутон). Пояс начинается сразу за орбитой Нептуна и заканчивается примерно в 60 а.е. от Солнца (60 см на нитке). Во-вторых, за поясом Койпера должно быть еще и облако Оорта. Его нельзя наблюдать в телескоп, так мало в нем объектов и настолько они малы. Однако должны же откуда-то прилетать к нам долгопериодические кометы, которые в теории и составляют облако. Их орбиты настолько сильно вытянуты, что им требуются десятки тысяч лет, чтобы подлететь к Солнцу и снова улететь в облако Оорта. Поэтому они и долгопериодические – период оборота и правда очень долгий.

Где-то внутри облака Оорта солнечный ветер встречается и смешивается с межзвездной средой. Это означает, что до этого момента в пространстве можно ловить частицы, которые летят от Солнца, а потом – уже и от других звезд. Близко к Солнцу звездного ветра почти нет, его едва ли не полностью выдувает солнечным. Это место находится на расстоянии в 130–150 а.е. от Солнца (нужно отмерить полтора метра на нитке) и называется гелиопа́узой. Именно гелиопаузу сейчас пересекают космические корабли «Во́яджер-1» и «Во́яджер-2». Многие ученые считают, что граница Солнечной системы пролегает именно здесь, потому что космическая среда уже похожа на обычную межзвездную. Но кроме солнечного ветра у Солнца есть еще и гравитация.

Облако Оорта должно закончиться на границе сферы Хи́лла. Эта сфера – огромный шар, внутри которого солнечная гравитация еще способна удерживать хоть что-то. То есть граница солнечной сферы Хилла – место, где заканчивается власть солнечной гравитации.

Сейчас один из самых далеких известных нам объектов Солнечной системы – астероид Седна. Его орбита – это очень сильно вытянутый овал. Ближе всего он может подлететь к Солнцу на расстояние 76 а.е., а дальше всего – на 1000 а.е. (на целых 10 метров от нашего узла, обозначающего Солнце). Однако гравитация нашей звезды расходится гораздо дальше, поэтому конец облака Оорта может оказаться на расстоянии почти в полтора световых года или 100 000 а.е. Для обозначения этого расстояния нам потребовался бы километр нитки.

Кстати, на нашей линейке до ближайшей к Солнцу звезды будет почти 3 километра (2700 метров, если точнее), а расстояние от Земли до Луны – одна пятидесятая миллиметра.

Диаметр Солнца (как и размер любого другого космического тела) можно легко найти в книгах и интернете, но это не очень наглядная информация. Для оценки какого-нибудь объекта или расстояния можно использовать сравнения. Попробуем сделать линейку Солнца и планет так же, как делали ее для размеров Солнечной системы.

Пусть наша Земля – это один сантиметр. В реальности ее диаметр – 12 742 км (попробуй сравнить это расстояние с любым другим известным тебе). Диаметр Марса – 6740 км, и если мы поделим эту цифру на диаметр Земли, то получим примерно 0,5. То есть на нашей линейке это будет всего 0,5 см. Аналогичным образом можно посчитать сравнительные диаметры остальных планет, а затем добавить на эту шкалу другие звезды или даже галактики.

В середине XIX века ученые заметили, что Уран движется по своей орбите немного странно – то быстрее, то медленнее. Вскоре они поняли, что для такого влияния нужна гравитация еще одной планеты и в предсказанном месте обнаружили Нептун. Вскоре они заметили, что Нептун тоже движется странно.

Странности Нептуна в итоге были всего лишь ошибкой в расчетах, но они все равно привели к тому, что в начале ХХ века ученые оказались одержимы поиском девятой планеты. Когда после десятилетий безуспешных поисков был найден более или менее крупный Плутон, его немедленно назвали той самой девятой планетой и успокоились. Правда, ненадолго.

С развитием технологий измерять параметры Солнечной системы удавалось все лучше, и в начале нашего века к Плутону появилось огромное количество вопросов.

Во-первых, орбиты всех планет почти круглые и лежат в одной плоскости (то есть как будто на одной тарелке). Однако орбита Плутона очень сильно наклонена и вытянута гораздо больше, чем все остальные. Более того, в одном месте Плутон даже умудряется пересекать орбиту Нептуна. Приличные планеты так себя не ведут!

Во-вторых, когда удалось точнее узнать размер Плутона, оказалось, что он меньше даже нашей Луны. Его собственный спутник Харон умудряется раскручивать Плутон так, что они оба движутся вокруг общего центра вращения.

Пожалуй, все это и можно было простить Плутону, но тогда все то же самое пришлось бы прощать целой куче других крупных астероидов.

Первым делом ученые вспомнили Цереру, а заодно и Палладу, Юнону и Весту – самые большие астероиды в поясе между Марсом и Юпитером. Церера, кстати, в начале XIX века уже имела статус планеты и была «разжалована» только потому, что астероидов на той же орбите оказалось очень и очень много. Плутон тоже оказался одним из астероидов пояса Койпера. В этом же поясе начали находить и другие «планеты», у многих из которых были собственные луны, а у одной даже кольца.

Все эти открытия не оставили ученым выбора, и в 2006 году. Международный астрономический союз придумал новый класс небесных тел – карликовые планеты. Карликовые планеты ведут себя как планеты, то есть вращаются вокруг Солнца и имеют форму шара, но им недостает гравитации, чтобы очистить свою орбиту от других крупных тел (чуть подробнее расскажем об этом в главе «Небесная механика»). Все известные карликовые планеты находятся в астероидных поясах, а все «настоящие» планеты являются единственными крупными телами на своих орбитах. В отличие от астероидов карликовые планеты достаточно крупные, чтобы при рождении получить форму шара: гигантскую расплавленную каплю выравнивает собственная гравитация, у маленьких не хватает массы.

На момент написания этой книги учеными признано пять карликовых планет, но существует еще полтора десятка «кандидатов», которые тоже однажды могут пополнить официальный список карликовых планет.

Самым первым человеком, разглядевшим инопланетный рельеф, был изобретатель телескопа Галилео Галилей. Его телескоп был слабее современных биноклей, но этого уже хватило, чтобы обнаружить на Луне горные хребты и неровности кратеров. С горами все было достаточно понятно, горы и на Земле есть. Но чем должны были быть ровные темные пятна между ними? Водоемами?

Немного позже Ян Геве́лий построил телескоп гораздо мощнее. Линзы подвешивались на веревках на огромных столбах, а специально нанятые матросы двигали их на манер корабельных парусов. Наблюдения Гевелия оказались невероятно точны и аккуратны, и его книги пользовались большой популярностью. Среди прочего Гевелий считается одним из изобретателей селеногра́фии (это как география, только лунная, «селена» – луна, «гео» – земля) и первым, кто назвал подозрительные серые равнины на лунных картах «морями» и «океанами». Произошло это в середине XVII века.

Впрочем, до нас дошли в основном названия, придуманные Джова́нни Риччо́ли спустя несколько лет после выхода «Селенографии» Гевелия. Он собрал в одну книгу все известные в то время человечеству астрономические факты и первым придумал давать названия кратерам по именам ученых (эта традиция поддерживается до сих пор). Также среди современных топонимов Луны есть Океан Бурь (по примете, многие земные бури начинались тогда, когда он появлялся на растущей луне), Море Кризисов, Болото Гниения, Озеро Справедливости и даже Море Москвы. Кратеры имени Гевелия и Риччоли тоже есть.

Сейчас считают, что лунные моря когда-то были морями вытекшей изнутри лавы, которая застыла плоской равниной. Состав этой лавы отличается от того, из чего состоят окружающие ее горы – в песке гор больше светлого алюминия, а в морях – более темного железа. Причем почему-то с видимой стороны Луны морей гораздо больше, чем с обратной. Либо на эту сторону падает больше астероидов и кратеры перекрыли все моря, либо Луна сама повернулась к нам более тяжелой стороной из-за гравитации (вытекшая лава плотнее и тяжелее, чем просто лунная кора).

Может, и бывает, но мы ни разу такого не видели. В любом случае такое явление должно быть очень редким. Дело в том, что скрепляющая планетарные системы гравитация легко справляется с простыми конструкциями, например, летающая вокруг большой звезды маленькая планета. Однако, чем больше объектов вращаются друг вокруг друга, мешая свои гравитационные поля, тем сложнее гравитации удержать их между собой. (Подробнее о тонкостях гравитации читай в разделе «Небесная механика».)

С тремя телами разных масс – звезда, планета и сам спутник – управиться проще, чем со всем тем же самым, но еще и дополнительной луной у Луны. На данный момент больше всего лун известно у Сатурна, их у него целых 82. Бывают луны и у карликовых планет. Например, у Плутона их целых 5!

А еще луны бывают у астероидов. На сегодняшний день таких астероидов найдено несколько десятков. Причем как в основном поясе астероидов – между Марсом и Юпитером, так и в поясе Койпера за Нептуном.

То, что мы называем «падающей звездой», не имеет к звездам никакого отношения.

Быстрая хвостатая вспышка происходит в атмосфере нашей планеты, когда в ней сгорает космический мусор – небольшой астероид, осколок кометы или обломок космического корабля. Когда какой-нибудь камень падает сквозь атмосферу на огромнейшей скорости, он трется о воздух. Если ты быстро потрешь друг о друга ладони, то можешь отчасти почувствовать себя летящим камнем, который нагревается от трения. Астероиды, несущиеся на огромных скоростях, трутся о воздух гораздо сильнее, чем любые руки друг о друга, а потому плавятся и рушатся, чаще всего полностью испаряясь в атмосфере. Например, от Челябинского метеорита осталась кучка осколков весом примерно в тонну, а ведь изначально он был астероидом массой 10 000 тонн!

Пока что-то летит и горит, оно называется метео́ром. Именно полет метеора мы называем падающей звездой.

Некоторые метеоры – это просто случайные астероиды, которые повстречались с нашей планетой в космическом пространстве. Но бывают еще и метеорные дожди, которые случаются в определенное время года и которые можно предсказать.

Такие дожди выпадают из-за того, что когда-то в определенном месте орбиты Земли пролетала комета. Приближаясь к Солнцу, она плавилась и разлеталась на маленькие осколки, которые потом облачком разносило по всей кометной орбите. Сама комета могла давно окончательно разрушиться, а вот ее осколки еще очень много лет будут крутиться небольшим астероидным кольцом вокруг Солнца. Каждый раз, когда наша планета пролетает через метеорный поток, пересекающий ее орбиту, огромное число кометных осколков сгорает в земной атмосфере и вызывает красивое явление метеорного дождя. За один час в звездопаде может сгореть сотня тысяч метеоров.

Метеори́т – это любой космический камень, который упал из космоса и сумел долететь до поверхности другого небесного тела не сгорев. Если камень падает на Луну или Марс, то ему относительно просто стать метеоритом, но Земля окружена достаточно мощной атмосферой, и в процессе пролета через нее огромное трение просто плавит камень в полете.

Большинство метеоритов не оставляет заметных кратеров. Это либо совсем небольшие камни, либо целая россыпь осколков большого астероида, выпавшая дождем на огромной территории. Название одного из известнейших метеоритов Кампо-дель-Сьело буквально переводится как «Небесное поле», потому что люди в древности наблюдали, как он выпал дождем на огромной территории. А еще кратеры на Земле очень быстро разрушаются.

Удобнее всего обследовать окрестности падения уже известных метеоритов, но может посчастливиться найти одинокий метеорит просто на дороге. Каждый год на Землю падает несколько тысяч метеоритов, хотя две трети из них попадают в океан. Иногда падение маленьких метеоритов принимают за визит инопланетян.

Пробравшиеся сквозь атмосферу астероиды часто выглядят как обычные камни, но внимательный глаз заметит небольшую разницу. Метеориты чаще всего имеют оплавленную или обгоревшую поверхность и обязательно будут отличаться от лежащих рядом камней-соседей по цвету. Можно найти в интернете несколько фотографий реальных метеоритов, чтобы запомнить общие черты.

Метеориты бывают каменные, железокаменные и железные. С железными метеоритами проще всего – металлические камни в природе образуются редко (разве что можно откопать в шахте самородок или найти кусок металлолома), они будут магнититься и заставлять стрелку компаса отклоняться. А еще метеоритное железо плохо ржавеет из-за измененного экстремальными космическими условиями строения и лучше блестит. Каменный метеорит скорее всего придется расколоть, чтобы проверить его «внутренности». Часто в каменных метеоритах можно заметить хо́ндры – круглые полупрозрачные капли, похожие на цветное стекло.

Для полной уверенности можно найти специалиста-геолога, который сможет провести анализ, а заодно проверить химический состав камня и проверить, не мог ли он просто образоваться в месте находки обычным геологическим путем.

Теория об астероиде-убийце появилась после обнаружения Чикшулу́ба – одного из крупнейших кратеров на планете. Кратер наполовину погружен в море, и из-за большого размера и древности обнаружить его получилось, только когда ученым понадобилась очень точная карта местности для прокладки кабелей.

У геологов достаточно много инструментов для определения событий далекой давности. Например, точно известно, что кратер образовался 65 миллионов лет назад, что подозрительно совпадает со временем исчезновения последних динозавров. Примерно в это время по всей планете выпал тонкий слой пыли из иридия. Иридий – это редкоземельный элемент. В земной коре почти отсутствует, зато его полно в астероидах, поэтому в любой находке этого металла обязательно замешан метеорит. По форме кратера ученые смогли определить, что удар оказался настолько мощным, что поднятая пыль и сажа держались в атмосфере следующие несколько лет, устроив на планете почти «ядерную зиму»! Солнечный свет и тепло просто не проникали сквозь облака пыли. Днем было сумрачно, ощутимо похолодало, еды и воды стало меньше, да и дышать в пыли было сложно.

С одной стороны, падение астероида действительно стало катастрофой планетарного масштаба и вызвало мел-палео-ге́новое вымирание. С другой стороны, многие динозавры начали исчезать задолго до падения Чикшулубского метеорита, а после самого падения вымерли далеко не все другие существующие виды животных. Те же млекопитающие успешно пережили катастрофу, став новыми хозяевами планеты.

Сейчас ученые считают, что динозавров сгубило общее изменение планеты – появление видов живых существ, с которыми стало трудно соседствовать, изменение климата из-за дрейфа материков и прочее. Конкретно для динозавров падение метеорита оказалось последней каплей в длинном списке неудачно сложившихся обстоятельств.

Да, этот вопрос здесь для того, чтобы объяснить, почему так называется этот раздел книги!

Обычная механика рассказывает, как работают обычные механизмы. Например, именно она подсказывает автомобильному мастеру, как должен работать двигатель машины. А небесная механика рассказывает ученым, как должны двигаться небесные тела.

Все планеты, звезды и другие небесные тела не летают сами по себе. Они обязательно взаимодействуют друг с другом, как шестеренки в гигантской машине. Шестеренки цепляются друг за друга зубчиками и заставляют друг друга вращаться. Небесные тела могут цеплять друг друга невидимой гравитацией. Например, гравитация держит рядом с Солнцем планеты, а рядом с планетами их спутники. Отталкивать гравитация не умеет, только притягивать. Именно она приводит в движение все массивные объекты во Вселенной. Стоять в космосе ровно невозможно – обязательно найдется планета, звезда или галактика, на которую (или мимо которой) ты будешь «падать».

Чем больше у тела масса, тем сильнее у него гравитация. Например, кровать по утрам притягивает нас достаточно сильно, однако мы можем с нее встать. А вот планета гораздо тяжелее и массивнее, чем кровать, и «встать» с нее даже при помощи ракеты куда сложнее. Хорошая новость в том, что сила притяжения сильно зависит от расстояния. Например, мы на Земле почти не чувствуем притяжения Солнца, хотя оно просто огромное! Поэтому мимо тяжелых объектов вполне можно пролететь не упав, даже если это черная дыра! Но если мы подлетим достаточно близко, нас обязательно «засосет» в гравитационный колодец, то есть мы упадем на Солнце, оказавшись в области его сильной гравитации.

Если кратко: все тела в космосе взаимодействуют при помощи гравитации – невидимой притягивающей силы. Чем тяжелее объект и чем ближе к нему приблизишься, тем сильнее он будет притягивать к себе. Это главная движущая сила во Вселенной, и именно она поможет нам ответить на большинство вопросов в этом разделе!

Мы выяснили, что все тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Но почему тогда они до сих пор не притянулись в одну большую кучу? Между прочим, они пытаются! Просто им мешает их собственный разгон.

Представь себе пушку, которая стреляет ядрами. Чем сильнее она стреляет, тем быстрее и дальше улетает ядро. Если мы будем увеличивать мощность пушки, сначала оно может улететь на другой конец города, потом на другой конец страны, потом на другой континент… Если выстрелить достаточно сильно, то к тому моменту, когда ядро начнет падать обратно, планета под ним просто «закончится», то есть ядро улетит дальше, чем диаметр планеты, и просто «промахнется» по ней. Сможет ли оно просто улететь? Нет, потому что все еще будет находиться в области действия гравитации нашей планеты. Гравитация попробует притянуть ядро обратно и развернет его так, чтобы оно снова падало к центру Земли. Если мощности выстрела будет достаточно, ядро снова будет промахиваться, а гравитация – пытаться развернуть полет к центру планеты. При достаточной скорости ядро будет постоянно поворачивать и промахиваться, летая по кругу. То есть ядро выйдет на околоземную орбиту, став искусственным спутником Земли (ИСЗ).

Но кто тогда «запустил» планеты? Достаточно мощная гравитация в нашей системе есть только у Солнца. Когда-то очень давно новорожденная звезда была окружена облаком пыли и газа. Солнце притягивало это облако к себе, раскручиваясь от падающего на него вещества и само раскручивая то, что ухитрялось пролетать мимо. Бо́льшая часть облака падала на звезду, но оставшиеся его клочки приобретали огромную скорость и склеивались в уже разогнанные планеты. Миллиарды лет эта система приходила в равновесие – если скорость слишком мала или высока, тело может отодвинуться на ту орбиту, где его скорость будет достаточной.

Наверняка ты слышал, что рано или поздно все искусственные спутники Земли падают. Это происходит из-за того, что на околоземной орбите (где летает бо́льшая часть ИСЗ) все еще остается неплотный слой земной атмосферы, который достаточен, чтобы их тормозить. Спутники теряют скорость, и гравитация побеждает.

Однако такой массивный объект, как планета, затормозить практически невозможно, разве что столкновением с другим столь же большим телом. Поэтому однажды запущенные при помощи солнечной «пушки» они несутся сквозь космос миллиарды лет по одним и тем же орбитам. Конечно, гравитации разных планет все же немного влияют друг на друга и на Солнце. Из-за влияния друг на друга планеты могут «раскачиваться» или немного менять скорость, но это очень слабые изменения.

Астероиды гораздо меньше по размеру, поэтому пролетающая мимо планета вполне может вывести астероид с его родной орбиты своей гравитацией и отправить, например, на свою луну, другую планету или даже вышвырнуть из Солнечной системы. Главный хулиган в этом деле в нашей системе – Юпитер. Эта планета обладает очень сильной гравитацией и находится неподалеку от пояса астероидов, поэтому достаточно часто меняет их орбиты.

Так же как наша, но перевернутая вверх ногами.

Для всех людей на планете направление вниз – это то, куда падают предметы. Но они подчиняются основному направлению притяжения гравитации, то есть всегда летят к центру планеты. Планета у нас круглая, поэтому «низы» для людей из Северного и Южного полушарий различаются и даже могут быть противоположны. Если ты находишься где-то на севере Атлантического океана, то для тебя австралийцы и правда будут ходить вверх тормашками! Правда, и ты для них тоже.

Если два человека «перевернуты» относительно друг друга, то один и тот же предмет они будут видеть одинаково, но перевернуто. Это касается не только Луны, но и всех созвездий или даже вида на Солнце.

Из-за того, что в разное время разные участки планеты получают разное количество тепла от Солнца. А происходит это из-за параметров орбиты планеты.

Солнце круглое, и лучи расходятся от него по кругу. Однако наша планета находится достаточно далеко, чтобы мы считали, что к нам лучи идут параллельно, как от гигантского прожектора, никуда не сворачивая и ничего не огибая.

Если бы наша планета стояла ровно, то крутилась бы в этом потоке, равномерно прогреваясь со всех сторон, как шашлык на вертеле. Однако из-за наклона земной оси к Солнцу попеременно повернуто то одно, то другое полушарие. При этом людям из разных мест кажется, что Солнце подни-мается на разную высоту. Тут примерно такой же эффект, как с перевернутой Луной – если Солнце в это время года светит высоко над Великобританией, то австралийцу его будет видно достаточно плохо, и тепла он получит меньше. Значит, в этот момент в Австралии – зима, а в Великобритании – лето. Проходит полгода, Земля перемещается на другую сторону своей орбиты. Солнце свое положение меняет, а вот наклон оси – нет. Поэтому теперь тепло достается австралийцам.

Интереснее всего в данном случае тем, кто находится на полюсах. Пока ось наклонена к Солнцу, планета подставляет ему Северное полушарие так, что Северный полюс вообще не может от него отвернуться. Там наступает не просто лето, а полярный день – Солнце вообще не уходит за горизонт, просто бегая по кругу! Чем ближе к полюсу находится наблюдатель, тем сильнее эффект. На самóм полюсе Солнце может не заходить полгода, в Мурманске – два месяца, а вот, например, в Санкт-Петербурге жители отделываются только лишь белыми ночами в течение нескольких дней июня. На противоположной стороне планеты в этот момент наступают полярные ночи.

Форма орбиты Земли тоже влияет на времена года. Мы движемся вокруг Солнца не по идеальному кругу, а по вытянутому овалу – э́ллипсу, причем Солнце находится не совсем по центру орбиты, а чуть ближе к одному краю. Когда планета оказывается в периге́лии своей орбиты, она получает меньше тепла, чем в афе́лии.

Вытянутость орбиты работает так, что, когда Земля находится максимально далеко от Солнца, она получает немного меньше тепла. В этот момент в Южном полушарии зима. Это одна из причин, почему в Антарктиде зимы обычно холоднее, чем в Арктике (а еще сильно влияет сама поверхность планеты и глобальные климатические процессы в атмосфере). Правда, у Земли разница в расстоянии до Солнца в этих точках всего 5 миллионов километров (если поделить 5 миллионов на 150 миллионов из астрономической единицы, получится, что расстояние до Солнца в течение года меняется примерно на 3%), так что разница между зимами в двух полушариях очень маленькая.

Кроме того, орбита нашей планеты не остается неизменной. Ось нашей планеты никак не закреплена и постоянно «шатается» из-за гравитации Луны и Солнца. Одно из таких «шатаний» – это движение самого направления оси по кругу – прецéссия земной оси. Представьте себе раскрученную юлу, которая постоянно наклоняется то в одну сторону, то в другую. Это тоже прецессия.

Полный оборот направление оси нашей планеты делает примерно за 26 000 лет. Это достаточно долго, чтобы в течение одной человеческой жизни ничего не изменилось, но современные ученые замечают, что все звезды как будто немного «уехали» по сравнению с античными записями. Прецессия медленно, но верно смещает многие астрономические процессы вместе с земной осью, в том числе и времена года. Правда, официальный календарь постоянно подправляют, чтобы он не «уезжал» вместе с орбитой. А ведь через каких-нибудь 13 тысяч лет наши потомки в Северном полушарии могли бы купаться в речках в январе, а в июле играть в снежки. А еще Полярная звезда со временем перестанет показывать на север – и направление на полюс «уедет» вместе с осью. Поэтому всю космическую навигацию по звездам приходится каждый год подправлять, как и календарь.

Кроме прецессии есть еще и другие «шатания» планеты. Так же медленно плавает наклон нашей оси, и даже сама орбита смещается, двигаясь вокруг Солнца, становясь то круглее, то овальнее. Все эти вращения называются циклами Мила́нковича и влияют на глобальные изменения климата, например, на наступление ледниковых периодов.

Все люди на Земле договорились жить по григориáнскому календарю, в котором ровно 365 дней, а в високосный год – 366. Лишний день берется из-за того, что на самом деле год получается на несколько часов больше. Когда накапливаются лишние сутки, их добавляют в дополнительный день високосного года. Другое дело, что «настоящий» год можно считать по-разному.

Если иметь в виду только перемещение самой нашей планеты по орбите, получится сидери́ческий год (365 дней 6 часов 9 минут и 10 секунд). Именно через это время планета окажется в той самой точке орбиты, откуда начинала год. Когда ученые указывают в таблицах «год» для какой-то планеты, то обычно имеют в виду именно ее сидерический период обращения вокруг Солнца. Такой период можно посчитать и для лун, вращающихся вокруг планет. Однако кроме вращения вокруг Солнца, наша планета вертится еще и вокруг оси. Если ты будешь каждый день отмечать положение Солнца на фоне звезд, то между одинаковыми положениями Солнца пройдет тропический год (365 дней 5 часов 48 минут 34 секунды). Разница в двадцать минут с сидерическим годом возникает из-за прецессии земной оси (вспомни главу «Почему меняются времена года?»), которая немного смещает наш собственный вид на Солнце. Каждый раз, когда Земля делает полный оборот вокруг себя, ось вращения тоже чуть смещается и новый оборот начинается немного не в том месте.

Строго говоря, нет.

Дело в том, что с точки зрения научных определений вес – это сила, с которой объект давит на опору. Однако кружка на столе сама по себе давить ни на что не может. Это гравитация Земли притягивает ее к планете и заставляет давить на разделяющий их стол. Если передвинуть кружку на Луну, на нее будет действовать лунная гравитация, которая заметно меньше земной. Вес кружки на лунном столе тоже станет меньше. В открытом космосе она и вовсе окажется в невесомости, то есть ее вес будет равен нулю.

Однако у всех материальных объектов есть и другое свойство – масса. Например, космонавт в невесомости ни на что не давит, а значит, и весить ничего не будет. Но если он объестся сладкого, то сдвинуть его с места будет немного тяжелее, потому что космонавт станет массивнее. Причем тут уже неважно, где именно он в этот момент находился. Масса объекта зависит не от гравитации вокруг, а только от количества содержащегося в нем вещества (вроде съеденных тортов).

Кстати, настоящие ученые никогда не говорят, что, например, «колбаса весит 1 килограмм», потому что килограмм и другие похожие единицы измерения на самом деле измеряют массу, а вес – это сила, и ее считают в ньютонах. Другое дело, что земная гравитация давно посчитана и не меняется. Поэтому на обычных бытовых весах нормальные ньютоны спокойно можно пересчитывать в привычные килограммы. Весы, на которых шкала не пересчитана, называются динамометрами.

С научной точки зрения взвесить планету нельзя, а вот измерить ее массу – можно. Для этого ученые измеряют гравитацию тела и то, как эта гравитация влияет на соседние планеты, луны и другие объекты.

На орбите Земли действует два основных источника гравитации – Солнца и самой планеты. При этом оказывается всего пять точек, где наложение двух вращающихся гравитаций безопасно для третьего тела. Эти места называются точками Лагра́нжа (или L-точками). В любом другом месте чья-то гравитация перетянет одеяло на себя и рано или поздно либо вытолкнет третьего лишнего, либо изменит его движение так, что произойдет столкновение.

Если тело маленькое, его собственная гравитация ничего не сломает, а две остальные гравитации будут достаточно сильными чтобы держать его на месте, даже если сами будут двигаться. У многих планет (в том числе у Земли) в L-точках находятся астероиды, а на орбите спутника Сатурна Тефии в L-точках ее орбиты находятся еще два очень маленьких спутника.

Однако, если на орбите планеты возникнет вторая планета, им обеим придется балансировать в наложении уже трех крупных движущихся гравитаций.

Гравитация – основной клей Солнечной системы, но это крепление не жесткое. Солнце удерживает планеты вокруг себя гравитацией, но при этом планеты тоже держат Солнце и могут его немного раскачивать, двигаясь вокруг него и двигая вместе со звездой ее гравитацию, таким образом меняя собственную орбиту. Летящий по своим делам Уран вдруг может затормозить или разогнаться из-за пролетевшего мимо Нептуна, а орбиты астероидов вообще сложно считать по-настоящему стабильными – так легко влияют на них планеты и Солнце, как и они сами. При этом и изначальные орбиты не всегда неизменны. Наша Луна отдаляется от нас на несколько сантиметров в год, а один из спутников Марса через несколько миллионов лет упадет на его поверхность. Одним словом, любая гравитационная система – тонко настроенный механизм, который слишком легко можно сломать неправильным распределением массы.

Даже если на одной орбите образуется две планеты (а мы знаем как минимум один такой случай среди экзопланет), система все равно очень быстро выйдет из равновесия. Правда, астрономическое «быстро» означает тысячи и миллионы лет, очень долгий срок с точки зрения человека, но очень мало для образования, например жизни.

Нельзя забывать о том, что орбиты планет похожи на круги, но все же не идеально круглые, и в разных участках орбиты планеты могут двигаться с разной скоростью (а значит, и их точки Лагранжа тоже, а массивное тело, находящееся в них может просто отстать от своего островка безопасности или перегнать его).

Постоянные раскачивания гравитации рано или поздно сдвинут одну из планет из точки Лагранжа. Сдвиг может оказаться очень маленьким, но приведет к ужасным последствиям. Это похоже на шарик, установленный на вершине горки. Одно неверное движение, и он безвозвратно скатится с нее. Ученые называют это неустойчивым равновесием.

Что касается Земли, сейчас никаких соседей у нашей планеты точно нет, ее орбита давно исследована и сфотографирована со всех ракурсов.

Теоретически из любой гравитационной ловушки можно улететь, вопрос только в том, какая для этого потребуется скорость.

Сама по себе Луна не имеет двигателей, зато у нее есть начальная скорость и на нее действуют приливные силы. Приливные силы возникают, когда тело оказывается в изменяющемся гравитационном поле (например, оно движется во время вращения одного тела вокруг другого). Луна вращается вокруг Земли и своей гравитацией поднимает в океанах приливную волну. При этом вращение Земли постоянно передвигает волну чуть дальше, чем сама Луна. И все бы ничего, но огромный водяной горб тоже действует на Луну своей гравитацией и подталкивает ее вперед немного мимо планеты. Время от времени ему помогает Солнце, когда Луна оказывается между ним и Землей. Из-за приливных сил Луна каждый год отдаляется от нас примерно на 4 сантиметра.

Для того чтобы полностью покинуть орбиту какого-то тела, нужно разогнаться выше второй космической скорости этого тела. Если стартовать с поверхности Земли, нужно не меньше 11,2 км/с. На лунной орбите нужно всего 1,44 км/с, и Луне… немного не хватает. Скорость Луны сейчас 1,02 км/с и в будущем она будет только падать (чем выше орбита, тем ниже скорость). Приливные силы могут подвинуть ее в пространстве, но не разогнать.

Гравитация очень сильно зависит от расстояния. Чем дальше отдаляется Луна, тем меньше на нее действует приливная гравитация. Примерно через 50 миллиардов лет орбита нашей Луны должна стабилизироваться, и спутник зависнет над одной из сторон нашей планеты во взаимном прили́вном захвате, как у Плутона и его спутника Харона. Сейчас приливной захват держит над нами одну сторону Луны, но с Луны можно увидеть все стороны Земли.

Впрочем, по подсчетам ученых, через 5 миллиардов лет Солнце должно раздуться до размеров красного гиганта и поглотить нашу планету вместе с Луной.

Почему Луна изначально оказалась на слишком низкой орбите, ученые не знают. Однако такое могло произойти, если Земля когда-то столкнулась с другим телом, и ее осколки слепились в аномально близкую к планете крупную Луну.

Обычной погодой мы называем состояние атмосферы в конкретный момент – дождь, солнечный свет, ветер и так далее. Космическая погода изучает состояние ближайшего космоса. Это только кажется, что в космосе ничего нет, а на самом деле он полон отдельно летающих частиц и магнитных полей, которые могут этими частицами управлять. Частицы, кстати, летают с буквально космическими скоростями, и потому называются космической радиацией.

Возле нашей планеты довольно оживленное по меркам вакуума место. Часть частиц космической радиации прилетает к нам из глубин Галактики, но основной их источник – Солнце и вылетающий с его поверхности солнечный ветер. Магнитное поле у нашей планеты тоже есть, причем относительно мощное.

Когда солнечный ветер врезается в магнитное поле нашей планеты, случается множество различных интересных явлений: геомагнитные бури, полярные сияния, рождается радиационный пояс Земли и многое другое.

Про все эти вещи мы поговорим чуть дальше в отдельных вопросах.

Космическая погода очень важна для космонавтов и искусственных спутников Земли. Правильное предсказание уровня космической радиации позволяет сохранять людям здоровье, а технике – работоспособность.

Наша звезда – гигантский раскаленный шар. Его поверхность совершенно не твердая и больше похожа на кипящий суп, сквозь который пробираются пузыри, выплескивая кипяток на неосторожные руки.

Иногда наша звезда успокаивается и кипит чуточку тише, но потом обязательно вновь собирается с силами. Ее поверхность покрывается темными пятнами холодного вещества. Температура внутри пятен «всего» 4000 градусов Кельвина, в то время как обычно поверхность нашей звезды разогрета до 6000 К (подробнее про шкалу Кельвина будет в главе «Насколько холодно в космосе»). В космос вырываются колоссальные протубера́нцы. Это всплески плазмы на поверхности Солнца. Часто это выглядит как петля, способная протянуться от Земли до Луны и даже дальше. Из атмосферы вырываются плотные сгустки газа и солнечного ветра – корональные выбросы масс, и все это обязательно сопровождается взрывами солнечных вспышек, выбрасывающими в космос тонны солнечного вещества. Весь этот мощнейший фейерверк называется солнечной активностью и повторяется примерно каждые 11 лет (цикл Шва́бе).

Отслеживать вспышки и протуберанцы не очень удобно даже в телескоп, а вот солнечные пятна при удачном стечении облаков и обстоятельств вполне можно заметить и почти невооруженным глазом. Во всяком случае, многие древние астрономы их время от времени замечали.

Одним из первых современных исследователей загадочных пятен оказался Галилео Галилей, впрочем, он был далеко не единственным даже среди своих современников. Он и многие другие астрономы с конца XVI века начали вести дневники наблюдений за загадочными пятнами, которые то исчезали, то появлялись целыми группами. Самым простым способом оценить масштаб явления оказалось просто ежедневно считать видимые пятна. В какой-то момент ученые сообразили объединять свои исследования и даже начали вводить специальные коэффициенты. Например, астроном с плохим телескопом или слабым зрением договаривался умножать число наблюдаемых пятнет на два, а с телескопом получше – только на полтора.

К тому моменту, когда в середине XIX века за дело взялись Генрих Швабе и Рудольф Вольф, записей с наблюдениями накопилось за целых два столетия. Считается, что первому из этих ученых принадлежит открытие циклов солнечной активности на основе собранных записей, а второму – идея аккуратно отслеживать эту самую солнечную активность по числу пятен и их групп на поверхности звезды. Уровень солнечной активности, рассчитанный на основе количества темных пятен на Солнце, назвали числом Вольфа, а считать его взялась Цюрихская обсерватория, которой разрешили ни на что не умножать свои подсчеты. Сегодня тем же самым занимается Центр анализа солнечного влияния в Бельгии (SIDC).

Сегодня числа Вольфа – одно из самых старых в мире почти непрерывных научных наблюдений. Некоторые считают его недостаточно надежным (мало ли что на что в XVII веке умножали), однако это чуть ли не единственный способ оценить активность Солнца на протяжении четырех столетий.

Сначала разберемся, как вообще выглядит этот ветер.

Представь себе кипящую кастрюлю. Вода испаряется и улетает, превращаясь в пар. Точно так же с поверхности кипящего Солнца испаряются водород и гелий, из которых получается сильный поток частиц – в основном протонов и электронов. Это и есть солнечный ветер.

Скорость этих частиц в «тихий денек» составляет всего 300–400 км/с. Представь, что ты на секунду закрыл глаза в Москве, а открыл уже в окрестностях Санкт-Петербурга. А если подождать минутку, то можно оказаться на другом конце планеты, например, в Антарктиде. На Солнце, как и в кастрюле, бывают пузыри и всплески, от которых ветер разлетается гораздо мощнее со скоростями до 1200 км/с. Чем выше солнечная активность, тем сильнее «дует» солнечный ветер, разнося с собой космическую радиацию.

Несмотря на огромные скорость и серьезную радиационную опасность, волосы такой ветерок развевать не будет. Его плотность очень маленькая – всего десяток частиц в объеме размером с наперсток. Это меньше, чем пыли в воздухе только что убранной комнаты. Частиц настолько мало, а их масса настолько крохотная, что они в целом не в состоянии эффективно двигать что-либо.

Тем не менее космические паруса все-таки существуют. Еще в начале прошлого века ученые придумали технологию солнечного паруса – огромного полотна, из материала, похожего на обычную фольгу. Правда, работает он не на солнечном ветре, а на солнечном свете! Если уж разрабатывать вещество, которое сможет ловить маленькие частицы как парус, то частиц света – фотонов – от Солнца определенно больше, чем остальных. Настоящий солнечный ветер научились использовать только в начале нашего века. Для него придумали электрический парус, а выглядит он как сетка из металлических тросов под напряжением. Заряженные частицы отталкиваются от электромагнитных полей этих тросов гораздо лучше, чем от обычного паруса.

Впрочем, ни одного космического парусника запустить удачно пока не вышло. Да и тяга у таких парусов невероятно мала по сравнению с обычными топливными двигателями современных космических аппаратов. Эффективны такие технологии могут быть только в пределах орбиты Земли или Марса. На аппаратах, летящих к более далеким от Солнца планетам обычно даже солнечные панели не ставят.

Во время земных бурь волнуется атмосфера, дует ветер, летают облака и качаются деревья. Во время геомагнитных бурь волнуется магнитное поле Земли.

Мы уже выяснили, что наша планета находится под постоянным дуновением солнечного ветра (он же солнечная плазма). Именно из-за его радиации находиться в космосе для людей достаточно вредно. Вместе с радиацией до нас может долетать и магнитное поле Солнца.

К счастью, у нас есть природный щит – магнитное поле Земли. Так как протоны и электроны заряжены, они прекрасно чувствуют это поле и либо отскакивают от него как от силовых полей как в кино, либо застревают в нем, начиная бегать по кругу. Застрявший на орбите нашей планеты солнечный ветер образует радиационные пояса Земли. При этом наполненные частицами пояса даже дополняют нашу электромагнитную защиту, так как начинают отталкивать новые частицы вместе с магнитосферой.

В обычном состоянии наше магнитное поле и радиационные пояса почти не меняются. Однако если из-за какой-нибудь солнечной вспышки случится особенно мощный порыв солнечного ветра, который врежется в нашу магнитосфе́ру (это как атмосфера, только магнитная), то она начнет волноваться.

Во-первых, магнитосфера будет «сдуваться» в сторону от Солнца, хотя сдуть ее полностью невозможно. Ядро нашей планеты тут же будет генерировать новое магнитное поле.

Во-вторых, радиация будет застревать в магнитосфере. Когда много заряженных частиц собираются в одном месте и начинают двигаться в одну сторону, возникает электрический ток. У каждого тока есть собственное магнитное поле. В обычном состоянии эти токи никому не мешают, но сразу после попадания в магнитосферу и верхние слои атмосферы, можно сказать, начинают течь не в ту сторону. Магнитные поля новых электрических токов и самой планеты вычитаются, их общая сила ослабевает. При этом часть заряженных частиц вполне может выпасть дождиком в земную атмосферу (правда, до поверхности планеты все равно не долетит). В околоземном пространстве начнется геомагнитная буря.

При высокой солнечной активности бури могут случаться несколько раз в месяц и длиться несколько дней, а то и неделю. Магнитосфера (а вместе с ней и радиационные пояса) перестанет дергаться и вернется на обычное на место, лишние электрические токи ослабнут и исчезнут, а вместе с ними и лишние магнитные поля.

Во время геомагнитных бурь магнитное поле Земли немного сдвигается и ослабевает. Но это только звучит страшновато. Сила магнитного поля планеты и так довольно невелика – ни один магнит с холодильника к ней не приклеится, а ощущать его могут разве что чувствительные приборы вроде компаса. Во время даже очень сильных геомагнитных бурь оно меняется всего на пару процентов. Настолько маленькое изменение и без того слабого поля на поверхности планеты повлиять ни на что не может, даже голова не заболит!

Геомагнитные бури могут быть страшны в верхних слоях атмосферы и на околоземной орбите, где летает в том числе МКС. Они могут мешать радиосвязи, перегружать электронику и вредить космонавтам.

Однако на самой Земле полностью расслабляться не стоит. В 1859 году произошла самая сильная буря за всю историю наблюдений – событие Кэ́ррингтона. Магнитосферу штормило настолько, что космическая радиация вызвала полярные сияния даже в Египте, а в Канаде они так осветили небо, что некоторые люди решили, что уже рассвет, и принялись готовить завтрак. Но полярные сияния сами по себе совершенно безобидны.

В предыдущей главе говорилось, что во время бури в магнитосфере появляются мощные электрические токи, которые создают свои собственные магнитные поля. Обычно эти поля очень слабые, но во время бури Кэррингтона оказались настолько сильными, что перегрузили всю основную электронику на планете. К счастью, в середине XIX века из крупных электрических цепей у людей были только телеграфные линии, поэтому нанести серьезный урон буря не могла.

В наш век электричества подобная буря вполне могла бы вызвать массовую перегрузку на линиях электропередачи (ЛЭП), пожары на трансформаторах, выход из строя включенных в розетку электрических приборов и другие подобные неприятности в масштабе целой планеты. Но какова вероятность такой бури? Можно изучить следы прошлого.

Сильные геомагнитные бури добавляют в атмосферу очень много заряженных частиц, которые умеют незначительно менять строение атомов (в основном число нейтронов в ядрах). Для природы такие изменения совершенно безвредны и почти незаметны, но очень внимательные ученые могут находить измененные атомы, например в слоях древнего льда в Антарктиде или внутри колец очень старых деревьев. Сейчас нам известно около восьми случаев изменения атмосферы, три из которых случились за последние две тысячи лет. Некоторые из них могут быть в десятки раз мощнее, чем буря Кэррингтона (например, событие Мия́ке, произошедшее в 774 г. н. э.). Впрочем, часть из них вполне может быть и еще какими-нибудь другими космическими взрывами.

Хотя такие бури должны случаться очень редко, по некоторым подсчетам, возможный ущерб от них для человечества даже больше, чем от падения от любого из ближайших астероидов. Именно поэтому наше Солнце находится под непрерывным наблюдением центров космической погоды по всему миру. Свет от слишком мощной солнечной вспышки мы увидим всего через восемь минут после того, как она начнется, а сам солнечный ветер будет лететь к нам около суток. За это время можно успеть отключить бо́льшую часть электросетей и просто переждать бурю, наслаждаясь видами.

Как ни странно, на самих полюсах полярные сияния случаются редко. Чтобы их увидеть, нужно немного отойти в сторону – в зону аврора́льного овала.

Дело в том, что полярные сияния случаются тогда, когда космическая радиация «выпадает» в атмосферу планеты. Из-за магнитного поля Земли это происходит только в определенных местах – там, где линии магнитного поля уходят внутрь нашей планеты и частицы соскальзывают по ним, как по горке. Так как центр магнитного поля Земли находится практически в ядре планеты, то линии магнитного поля сворачивают к нему еще на поверхности примерно в районе географического полярного круга – около 60–70° северной или южной широты, эта область и образует авроральный овал.

Другое дело, что магнитное поле Земли нестабильно – его серьезно может подвинуть солнечный ветер, и тогда авроральный овал начинает смещаться. Иногда полярные сияния вполне реально увидеть на широте Москвы или даже южнее. Особенно во время пика солнечной активности.

Цвет полярных сияний зависит от состава атмосферы, так как каждый газ под действием падающих частиц светится по-своему. Земная атмосфера состоит в основном из азота и кислорода. Первый светится немножко фиолетовым и ярко-зеленым, а второй – зеленым и немного красным.

Встретить другие оттенки на Земле довольно сложно, а вот на других планетах – вполне возможно. Например, водород и гелий Юпитера светятся очень ярко, но в ультрафиолете.

Чтобы правильно охотиться за полярными сияниями, можно воспользоваться специальными сайтами. Многие обсерватории и отдельные сервисы занимаются прогнозами сияний, и часто составляют целые карты предполагаемого аврорального овала. Совсем как прогноз погоды, только вместо циклонов рисуют сияния, предсказывают скорость солнечного, а не обычного ветра, и вместо температуры часто используют Kp-индекс (читается «ка-пе-индекс»), который показывает уровень геомагнитной активности. Если этот индекс более 5 баллов, то, скорее всего, начинается геомагнитная буря, а при 6–7 баллах есть шанс увидеть полярные сияния на широте Москвы. У многих центров космической погоды даже есть свои мобильные приложения.

Мы живем внутри гигантского радиоактивного пончика в форме магнитосферы нашей планеты. Этот пончик называется радиационными поясами (их два – внутренний и внешний).

Пояса состоят из космической радиации – электронов и протонов, которые вылетели с поверхности Солнца или других звезд и получили огромную энергию.

Заряженные частицы (а протоны и электроны заряжены) прекрасно чувствуют магнитные поля. Сами магнитные поля состоят из магнитных линий. Частицы обычно не могут просто взять и попасть на такую линию, соскочить с нее или просто пересечь. В обычных условиях, сталкиваясь с нашей магнитосферой, частица отскакивает от нее и летит дальше. Но из-за резких порывов солнечного ветра магнитосфера может дергаться, и иногда магнитные линии как будто рвутся. Частицы попадают внутрь разрывов частицы, а когда магнитосфера успокаивается, больше не могут покинуть свою магнитную линию и вынуждены летать только вдоль нее туда и обратно. Линии магнитного поля изгибаются, выходя из одного полюса нашей планеты и заходя в другой. Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими, но они все равно расположены достаточно близко друг к другу.

Если магнитная линия очень длинная, а частица обладает большой энергией, то она может двигаться вдоль линии достаточно долго. Но энергия не может сохраняться вечно, и со временем частица становится медленной и слабой и с каждым новым витком спускается по линии все ниже к атмосфере планеты. Иногда солнечный ветер сам пригибает магнитное поле ближе к Земле вместе с попавшими в него частицами.

Если частица касается атмосферы, она «гибнет» – вступает в реакцию с частицами атмосферы и больше в пояс не возвращается.

Обычно частицы попадают в пояс во время геомагнитных бурь, которые случаются так же непостоянно, как дожди на Земле. При этом уже попавшие в пояс потихоньку «гибнут» в атмосфере. Количество частиц в поясе постоянно меняется, их может быть то больше, то меньше. При этом, чем толще пояс, тем сложнее сквозь него пробиться новым частицам, так что общая защита нашей планеты от радиации с «толстым» поясом даже растет. Другое дело, что космическим аппаратам летать сквозь такой пояс может быть опасно.

Чтобы образовалось магнитное поле, нужно движение электрического заряда. Магнитное поле возникает вокруг движущихся электронов в атомах, вокруг любого работающего электрического прибора или провода (потому что электрический ток – это буквально движение и течение заряда). Даже если ты пронесешь по комнате бьющийся током свитер, вокруг тоже образуется магнитное поле, хоть и невероятно слабое. В природе большие магнитные поля образуются еще и внутри гигантских движущихся проводников.

На поверхности Земли таких больших проводников нет, а вот в космосе предостаточно. Проводником может быть межзвездная плазма – огромное облако заряженных частиц. Кипящие и текущие внутренности любой звезды (у нашего Солнца тоже есть магнитное поле). У планет магнитное поле образуется только в том случае, если их ядра содержат достаточно свободных заряженных частиц, то есть являются проводниками.

Например, и у Земли и у Меркурия есть огромное железное ядро. Но у Меркурия ядро холодное и застывшее. А у Земли оно горячее и жидкое. При этом Земля еще и крутится гораздо быстрее (один оборот Меркурия длится 176 земных дней). То есть внутри нашей планеты есть проводник, который лучше течет и быстрее крутится. Поэтому у Земли есть магнитное поле, а у Меркурия – нет. Более того, в Солнечной системе более мощное поле, чем у Земли, есть только у Юпитера и Солнца.

У газовых планет-гигантов такого количества железа внутри нет. Зато у них есть океаны металлического водорода – газа, который сдавлен гравитацией настолько, что начинает течь, как жидкость, и вести себя, как металл. Электроны металлического водорода отделяются от атомов и двигаются так же свободно, как и в железе например.

Потому что водород превращается в гелий. Но обо всем по порядку.

Все вещества во Вселенной состоят как будто из одного конструктора лего. Чтобы получить определенное химическое вещество, нам нужно составить ядро его атома. Самое простое вещество во Вселенной – водород. Его ядро состоит всего из одной частицы – протона. Второй по простоте – гелий. Для него нужно два протона и два нейтрона. Так как и протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, то они сами могут превращаться друг в друга, если будут меняться запчастями. И еще одна важнейшая деталь любого вещества – энергия, которая связывает частицы между собой. Частицы во всех веществах одинаковые, так что в теории можно получать из одних веществ любые другие, просто добавляя или убирая протоны и нейтроны (или превращая их друг в друга) и замешивая на нужном количестве энергии. Можно даже превратить ртуть в золото, если очень постараться!

Звезды стараются на славу. Гравитация сжимает их собственным весом, отчего в звездном ядре возникают колоссальные давление и температура. В таких условиях ядра водорода буквально вжимаются друг в друга. И если собрать в одном месте четыре протона и превратить парочку из них в нейтроны, получится гелий. Эта «инструкция по сборке» называется протон-протонным циклом. На самом деле достаточно большие и мощные звезды могут использовать в качестве изначального топлива почти любое вещество легче железа, но водородное топливо самое доступное и мощное. А самое удивительное в этой реакции то, что в процессе сборки остаются лишние винтики, и это не что иное, как энергия! Именно она выходит из недр звезд в виде тепла и света, позволяя звездам гореть.

В центре звезд проходит множество похожих между собой реакций. В процессе используются ядра более легких веществ и синтезируются новые более тяжелые химические вещества, а в качестве побочного продукта реакции выходит тепло. Все это вместе называется термоядерным синтезом – огромным по мощи, длящимся миллионы и миллиарды лет взрывом, в котором сгорают одни вещества и появляются новые.

Чтобы запустилась термоядерная реакция, нужно собрать в одном месте много вещества – например, как минимум сотню Юпитеров. Тогда гравитация обеспечит нужные условия и в небе зажжется новая звезда.

Невозможно проводить реакцию термо-ядерного синтеза бесконечно. Для нее нужно топливо – легкие элементы (в данном случае все, что в таблице Менделеева стоит перед железом). Дело в том, что при создании легких элементов энергия оказывается лишней и выделяется. Когда требуется создать элемент тяжелее железа, энергию, наоборот, приходится тратить. Если энергии в реакции недостает, она поглощается из окружающей материи. Но если лишней энергии не образуется, то и хорошо горящей звезды не получится. Это явление изменения вида реакции при утяжелении конечного вещества называется железным пиком.

В большинстве звезд обычно горит только водород. Гелий загорается только тогда, когда его становится очень много, а водород, наоборот, заканчивается. Зажечь более тяжелый элемент сложнее, но и реакция получится сильнее. От перехода к новому более мощному топливу в конце жизни звезду распирает, и она превращается в гигант или сверхгигант. Чем массивнее звезда, тем дольше она может гореть на все более тяжелом химическом элементе, но при этом она и тратить будет больше, так что обычно такое топливо кончается в разы быстрее водородного.

В течение жизни реакция термоядерного синтеза распирает звезду изнутри, в то время как гравитация пытается сжать ее снаружи как можно плотнее. До тех пор, пока у звезды есть топливо, гравитация и термоядерный взрыв ведут равный бой. В таком случае говорят, что между этими силами установлено гидродинамическое равновесие. Но рано или поздно легкие вещества заканчиваются, термоядерная реакция прекращается, и гравитация побеждает. Гравитационные силы начинают мгновенно сжимать все доступное вещество. Звезда обрушиваться к центру, как здание, внутри которого резко снесли несущие стены, и умирает.

Если звезда была маленькая, она относительно тихо стянется в маленький белый карлик, но большие звезды рушатся с мощным взрывом – сверхновой.

Абсолютно вся материя, которая есть во Вселенной, появилась в момент рождения самой Вселенной. Если сказать проще, то с тех пор одни и те же частицы летают по космосу, составляют звезды и планеты, участвуют в реакциях, из них собираются атомы химических веществ, которые потом могут разваливаться обратно. Все привычное нам вещество состоит из деталек одного гигантского конструктора, которые бесконечно перемешиваются между собой.

Когда кто-то говорит, что мы состоим из звездного вещества, имеется в виду не само вещество, а конкретные химические элементы, которые рождаются только внутри звезд.

Чтобы получить химический элемент, достаточно собрать ядро его атома, а для этого – слепить в один «снежок» нужное число протонов и примерно такое же количество нейтронов. Например, чтобы получилось железо, требуется ровно 26 протонов и от 19 до 46 нейтронов. Точное число протонов определяет электрический заряд ядра, и от него зависят свойства элемента. Если забрать у железа один протон, получится марганец, а если добавить – кобальт. Нейтроны нужны тут скорее в качестве прослойки, их может быть чуть больше или чуть меньше, но совсем неправильное их количество сделает атом непрочным, и он развалится.

Самый простой элемент – водород. Для него нужен один-единственный протон, который даже не обязательно соединять с нейтроном. Поэтому, когда в результате появления материи по космосу начали летать отдельные протоны, это уже можно было считать водородом. Этот газ до сих пор самый распространенный элемент во Вселенной, и именно из него собирались первые звезды.

Для сборки протонно-нейтронного конструктора в любой более тяжелый элемент требуются специальные условия. Сам процесс создания ядер называется нуклео-си́нтезом (от «нуклео» – ядро и «синтез» – соединение).

В главах про горение звезд уже рассказывалось про реакцию термоядерного синтеза. Вспомним, это реакция, в которой под огромным давлением отдельные протоны и нейтроны склеиваются в гелий и другие вещества легче железа. Для более тяжелых элементов требуется процесс помощнее, чем сжатое ядро гигантского горящего шара. Например, вспышки сверхновых или другие масштабные взрывы. Чем тяжелее элемент, тем сложнее «слепить» его ядро и тем реже он встречается. А еще слишком тяжелые элементы умеют разваливаться под собственной тяжестью, это называется радиоактивным распадом.

Если химические элементы рождаются внутри звезд, как они попадают в планеты? Стоит вспомнить, что звезды не живут вечно. В конце жизни они часто разваливаются или даже взрываются, и внешние слои разлетаются вместе со всеми образовавшимися внутри продуктами синтеза по округе и перемешиваются.

Каждый атом в твоем теле или в любом предмете вокруг, кроме атомов водорода, был собран внутри какой-то древней давно умершей звезды. Например, если у твоей мамы есть золотые украшения, почти наверняка в возникновении их атомов замешаны столкновения нейтронных звезд, в создании чугунной сковородки на кухне не обошлось без взрыва белого карлика, а редкоземельные металлы внутри любого смартфона были бы невозможны без сверхновых.

Может, и такие планеты называются Татуи́нами. Да, в честь того самого Татуина из фильмов.

Более того, одиночная звезда вроде нашего Солнца – это скорее исключение из правил. Большинство звезд образуют многочисленные скопления или даже звездные системы, в которых звезды вращаются вокруг друг друга. Чаще всего такие системы двойные, но бывает и такое, что в разных комбинациях вращаются вокруг друг друга три или даже больше звезд. Рекордсменами сейчас считаются Ню Скорпиона и AR Кассиопеи. В обеих системах по семь звезд.

В вопросе про вторую Землю на орбите или луны у другой луны уже упоминалось, что основная связующая сила во Вселенной – это гравитация и при этом любая система требует достаточно точной настройки. Как и в случае с планетами и спутниками, здесь действует правило «два центра тяжести – это нормально, а вот больше уже перебор». Но у звезд и планет настолько большая разница в массе, что в отличие от планет и лун, тут можно схитрить.

Вариантов примерно два с половиной. В первом случае планета вращается на орбите вокруг одной из звезд, а все лишние звезды находятся слишком далеко, чтобы создавать гравитационное перетягивание одеяла. Во втором случае две звезды вращаются настолько близко друг к другу (известны системы, в которых расстояние между звездами меньше одной астрономической единицы), что планета может вращаться вокруг этой пары так, как будто это одна звезда с одним центром тяжести. Третий, «половинный» вариант, это орбита в форме восьмерки, когда планета делает оборот сначала вокруг одной звезды, потом вокруг другой. Однако «восьмерка» считается очень нестабильной и велика вероятность, что рано или поздно планета сойдет с орбиты и улетит в межзвездное пространство.

Хотя такие сложные гравитационные системы и сложны, все же они встречаются, и уже известно более десяти «Татуинов» с двумя солнцами. Обычно в таких планетарных системах всего одна планета (очень редко две) как раз из-за общей нестабильности таких планетарных систем. Иногда планеты встречаются и у тройных систем.

Чтобы обозначить цвет звезды, ученые используют спектральные классы. Спектр – это портрет излучения, он рассказывает, какими цветами светит тело. Например, у красного лазерного меча из Звездных Войн спектр состоит только из красного цвета (у лазеров вообще очень простые спектры). А вот настольная лампа светит белым, потому что в ее спектре есть все цвета радуги, которые вместе складываются в белый.

Спектральные классы звезд тоже сложные и состоят из самых разных цветов, и в результате смешения может получиться почти любой цвет радуги. Ты наверняка слышал о красных, оранжевых и голубых гигантах или желтых карликах, но куда делись фиолетовые и зеленые звезды? Конечно, есть еще звезды, которые лучше всего светят в инфракрасном или ультрафиолетовом свете, но их невероятно мало.

Во всем виноват наш глаз. Дело в том, что в процессе эволюции оказалось выгодно приспособить органы зрения именно к тому свету (а вернее, спектру), который испускает Солнце.

Яркий солнечный свет кажется нам нейтрально белым, но на самом деле наша звезда… зеленая. Вернее, желто-зеленая, если быть совсем точными. Кроме зеленого и желтого Солнце хорошо светит оранжевым и красным, а вот синим и голубым уже гораздо слабее. Как следствие, человеческий глаз гораздо чувствительнее к красно-желтому освещению и относительно плохо воспринимает синий и фиолетовый (поэтому, например, красные и розовые вывески ночью читаются хорошо, а синие и фиолетовые нет).

При этом светить фиолетовым в принципе довольно сложно. За каждый цвет и оттенок отвечает электромагнитная волна с определенной частотой, и чем фиолетовее цвет, тем больше у него частота, а значит, и энергии на его излучение требуется больше. Чтобы светить голубым и синим, звезда уже должна быть очень и очень горячей, а для получения фиолетового или даже ультрафиолетового свечения требуется просто экстремальная мощность, которую термоядерный синтез может обеспечить только внутри уникально больших звезд.

Получается, что зеленые звезды мы видим белыми, а фиолетовые звезды мало того что очень редкие, так еще и человеческий глаз почти не воспринимает их свечение, поэтому мы видим их синими или не видим вообще.

На самом деле с помощью спектрального класса можно многое узнать. Цвет излучения звезды зависит от того, как именно она горит: какого она размера, какое внутри давление, какое топливо использует и как много в ней «примесей» из тяжелых элементов. Чтобы знать, что означает каждый цвет, ученые составили диаграмму Герцшпру́нга–Ра́ссела.

Спектральные классы обозначаются буквами английского алфавита c примерным указанием главного цвета в спектре: O (голубой), B (бело-голубой), A (белый), F (желто-белый), G (желтый), K (оранжевый), M (красный). Составляя самые первые версии классификации, ученые дополнительно смотрели на наличие в звезде водорода и других элементов, и у них получалось 17 классов, названных в алфавитном порядке. Но со временем ученые стали узнавать о звездах больше и расставили их просто в порядке убывания температуры. Классов стало меньше, все буквы перемешались, но переименовывать ничего не стали. Можно запомнить названия классов по фразе «Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь». К классу еще дописывают подкласс по температуре от 0 до 9 (0 – самая горячая в классе, 9 – самая холодная). Есть еще отдельные классы для коричневых карликов (переходная стадия от планеты до звезды), звезд с аномальными химическим составом и даже для туманностей. Спектральный класс Солнца – G2.

Скорее всего ты слышал, что все они получаются из умирающих звезд разных размеров. Но почему так много вариантов и чем они различаются? Все дело в плотности вещества и начальной массе звезды.

Когда вещество неплотное, оно летает в качестве облака из газа или пыли. Если его уплотнить, получится знакомое нам твердое вещество, вроде обычной воды, камня или, например, собаки. Если объект очень маленький, то его собственный вес никак не влияет на строение вещества, и собака внутри состоит из тех же атомов, что и снаружи. Однако, когда речь заходит об объектах размером со звезду, в дело вступает гравитация.

Когда звезда умирает, гравитация сжимает ее так сильно, как только может, и в процессе сжатия с веществом могут произойти интересные изменения.

Маленькие звезды схлопываются в белые карлики, ломая атомы и превращая вещество в кучку осколков атомов – атомных ядер и электронов отдельно друг от друга. На большее силы их гравитации просто не хватает. Представь, что у тебя в руках была горсть свежего пушистого снега, но ты смял ее до плотного и маленького снежка, ломая снежинки. Примерно так же Солнце может сжаться до размеров Земли, превращаясь в белый карлик.

Средние звезды превращаются в нейтронные звезды, где содержимое атомов не просто ломается, но и плотно спрессовывается. В белом карлике еще довольно много заряженных частиц. Частицы с одним знаком так же плохо соединяются друг с другом, как одинаковые полюса магнитов. Протоны отталкиваются от протонов, электроны от электронов, и эти силы еще пытаются поддерживать вещество изнутри. В нейтронной звезде электроны вдавливаются в протоны и получаются нейтроны. У нейтронов нет заряда, а поэтому они гораздо охотнее спрессовываются в нейтронную кашу (да, это научный термин), и расстояние между ними еще меньше, чем между заряженными частицами.

Превращение в нейтронную звезду сопровождается взрывом сверхновой, и бо́льшую часть звезды разносит по окрестностям. В нейтронную звезду превращается только ядро весом чуть больше Солнца. Вся эта масса впихивается в объем размером с крупный город вроде Москвы.

Большие звезды превращаются в черные дыры, и как выглядит их вещество, не представляет вообще никто. Предполагается, что все вещество стягивается в бесконечно маленькую точку, которая называется сингулярностью. Для этого изначальная звезда должна весить больше 25 сложенных в кучу солнц, а в черную дыру превращается только ядро весом от двух Солнц.

Черная дыра – один из самых интересных и загадочных объектов, которые изучают астрофизики. Ученые начали догадываться об их существовании почти 100 лет назад, но официально оно до сих пор не доказано. Дело в том, что мы наблюдаем тела, которые по свойствам очень сильно напоминают черные дыры, но их все равно упорно называют «сверхмассивные компактные объекты», потому что железные доказательства получить очень сложно.

Черная дыра сама по себе – это маленькая точка в пространстве. Технически у нее даже размера нет. Однако у черной дыры есть горизонт событий, имеющий форму шара и окружающий ее со всех сторон. Какие же события могут отмечать на черной дыре и откуда у них горизонт?

Дело в том, что в современной науке изучают не только перемещение вещества, но даже и перемещение информации. Например, ты стоишь на пешеходном переходе и светофор переключается на красный. В данном случае от светофора к тебе была передана информация о том, что сейчас переходить дорогу нельзя. Здесь информация была передана при помощи света. Если ты сидишь на кухне, а в комнате что-то «грохнуло», ты при помощи звука получил информацию о том, что кот уронил любимую вазу. Таким образом информация может поступить к тебе, то есть к наблюдателю, при помощи света, звука, излучения, вещества (если кто-то запустит в тебя подушкой, это тоже считается!) и так далее. Самое главное, что во всех этих случаях информация передается при помощи перемещения чего-нибудь в пространстве.

Черная дыра ловит абсолютно все, что находится возле нее. Поэтому если возле сингулярности происходит какое-нибудь событие – вспышка света, инопланетное ДТП или вообще ничего не происходит, мы никак не сможем об этом узнать. Информация об этом не выйдет наружу, и для нас эти события находятся как бы за горизонтом. Свет также не может выбраться за пределы горизонта событий, так что мы видим пространство внутри горизонта событий как большой абсолютно черный шарик, что очень удобно обозначает размер гравитационной ловушки вокруг черной дыры.

Когда где-то говорится про размер черной дыры, это значит, что говорят именно про размер этого черного шарика, окруженного горизонтом событий.

У самого горизонта, кстати, никакой твердой поверхности нет, неудачливый космический корабль может пролететь сквозь него и даже не заметить этого. Вся материя, из которой реально состоит черная дыра, находится в той малюсенькой точке в центре черной дыры, которая называется сингулярностью. Как выглядит сингулярность, никто не знает. Предполагается, что это точка в пространстве (впрочем, есть теория, в которой вращающиеся сингулярности имеют форму кольца), внутри которой перестают работать привычные нам законы физики, а плотность, температура и гравитация становятся бесконечными.

Черная дыра – это сжатое до предела вещество. В теории ее можно получить, сжав любое количество материи или даже энергии до бесконечно маленьких размеров, но на практике для этого нужна просто колоссальная гравитация, которая бывает только внутри гигантских звезд или в центре галактик. Во всяком случае черных дыр массой меньше двух масс Солнца мы пока не видели.

Чтобы ответить на этот вопрос, астрономам потребовалось несколько веков и физика XX века.

Началось все, как ни странно, с силы тяжести. Ньютон придумал классическую теорию гравитации, в которой все объекты, которые имеют массу, обязаны притягиваться друг к другу. Теория казалась совершенно правильной и работала. Например, расчеты движения планет полностью совпадали с наблюдениями. Вот только возникала проблема со Вселенной в целом.

Представь себе две большие звезды. Если расстояние между ними небольшое, они быстро притянутся друг к другу, а если огромное, то тоже притянутся, просто позже. Вопрос был только в том, сколько времени это должно занять. Почти всю историю человечество считало Вселенную вечной, а значит, времени у нее было достаточно для чего угодно. Чтобы две звезды не притягивались друг к другу, рядом с ними нужно было поставить другие звезды, которые бы тянули их в обратную сторону и держали первые две в равновесии. А кто удержит новые крайние звезды? Если ставить все больше и больше звезд друг с другом, получалось, что гравитация приходила в равновесие только в центре. Но при этом сама Вселенная оказывалась все тяжелее и тяжелее и все сильнее притягивала свои собственные края. Так почему же вечная Вселенная до сих пор не схлопнулась? Ученые пришли к выводу, что она бесконечна и вообще не имеет краев. Отдельные звезды и галактики могут сталкиваться, но в целом все достаточно спокойно. И всегда найдутся новые звезды, которые удержат на месте старые.

А теперь представь, что находишься внутри бесконечного леса. Куда бы ты ни повернул голову, ты обязательно увидишь дерево. Если сидеть внутри бесконечной Вселенной, в любой точке неба должна оказаться звезда… Но это же не так! Бо́льшая часть ночного неба темно-синяя, а за пределами земной атмосферы совершенно черная. Если в любом месте неба должна быть звезда, почему в космосе так темно? Это противоречие получило название фотометрический парадокс.

Разрешить его удалось только после признания, что Вселенная все-таки имеет конец. Правда, не в пространстве, а во времени. В начале XX века ученые пришли к выводу, что Вселенная родилась в результате Большого взрыва примерно 13,7 миллиарда лет назад. Свет в пространстве может идти только с определенной скоростью. Поэтому свет бесконечно далеких звезд до нас просто не успел дойти (не хватило всего времени существования Вселенной) и, скорее всего, не дойдет, так как Вселенная еще и расширяется. Поэтому хотя сама Вселенная считается действительно бесконечной, мы находимся внутри шарика видимой Вселенной, которая имеет свои границы, а звезд внутри просто недостаточно, чтобы в каждой точке неба была своя звезда.

На самом деле там достаточно много всего!

Во-первых, есть звезды и их остатки – белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Во-вторых, камни разных размеров – от планет и их лун до астероидов. Не стоит забывать про огромные облака газа и пыли. Они называются туманностями, и некоторые из них могут вмещать в себя тысячи звезд и планетарных систем. Все эти объекты притягиваются друг к другу гравитацией и образуют разные группы – планетарные системы, звездные скопления и галактики. Все это – материя, и вполне понятно, что она очень даже есть. Однако галактики и звезды разделены межзвездным пространством. А вот оно пустое? Не совсем.

Каждая звезда испускает свой звездный ветер (как Солнце – солнечный), состоящий из частиц (отдельные атомы, протоны и электроны, нейтрино и другие). Частицы рождаются в различных процессах вроде сверхновых или падения вещества на черные дыры. А еще бывают виртуальные частицы, которые рождаются прямо из пустоты и мгновенно аннигилируют (уничтожаются при встрече с другими). Собственно, поэтому они и виртуальные, что просто не успевают как-то повлиять на мир. Одним словом, вакуум совершенно пустой с точки зрения человека, но с точки зрения частиц там очень оживленное движение.

Помимо обычных частиц космос полон магнитных полей и всех видов электромагнитного излучения: радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, оптическое излучение (свет, который мы видим), ультрафиолет, рентген и гамма-лучи.

Еще одно неочевидное наполнение пространства – темная материя. Потрогать, понюхать или еще как-то обнаружить ее кроме как через гравитацию мы не можем, однако с большой долей вероятности она есть даже в твоей комнате. Впрочем, мы знаем как минимум одну галактику, в которой ее почти нет. Есть еще и темная энергия, но как она выглядит, вообще никто не представляет. Но скорее всего именно она заставляет нашу Вселенную расширяться.

Никакого, потому что мы не можем ее увидеть. Мы вообще никак не можем ее обнаружить, кроме как почувствовать ее гравитацию.

Все началось, когда ученые начали измерять скорость вращения звезд вокруг центра Галактики. Мы уже упоминали, что чем дальше от центра вращения, тем ниже должна быть скорость, вот только внутри Млечного Пути это правило почему-то отказалось работать. Звезды упорно двигались так быстро, словно по всей Галактике размазано невероятно тяжелое вещество, а мы почему-то его не видим.

При этом количество гравитационных аномалий, обнаруженных в космосе, постоянно увеличивалось. Например, странное вращение вращение других галактик, гигантские кластеры галактик, которые держались явно не на своей гравитации, и другие похожие случаи. А недавно было обнаружено две галактики, в которых звезды вращаются именно так, как должны были в Млечном Пути. То есть внутри них лишней гравитации почему-то нет, и изначальные расчеты могут быть правильными. Неведомый источник гравитации назвали темной материей. Она присутствует в галактиках и их скоплениях и почти отсутствует в межгалактическом пространстве. При этом сама структура Вселенной невозможна без этой дополнительной гравитации.

На этом фокусы не закончились. К концу XX века при помощи хитроумных косвенных методов ученые сумели рассчитать среднюю плотность Вселенной (получилось примерно 5,5 атома водорода на кубический метр) и все бы ничего, но все видимое вещество Вселенной и необходимое для устранения всех аномалий количество темной материи обеспечивают только одну треть этой плотности. Ну и куда делось еще две трети массы Вселенной?

Пока ученые недоумевали, где они потеряли столько массы, было открыто ускоренное расширение Вселенной. Само по себе ускоряться просто так ничего не способно, на это нужна энергия. При помощи формулы Эйнштейна е = m · c² энергию можно превращать в массу (е в формуле – это энергия, m – масса, а с – скорость света). Оказалось, что необходимая для наблюдаемого расширения Вселенной энергия по массе как раз и составляет те самые потерянные две трети. Так появился термин темная энергия. Предполагается, что ее масса почти равномерно распределена по всему пространству Вселенной.

Что именно представляют из себя темная материя и темная энергия, неизвестно. Насчет темной материи у ученых хотя бы есть идеи. Это могут быть неоткрытые частицы, микроскопические черные дыры, аномальные особенности гравитационного поля, антиматерия или еще что-то в таком духе. А откуда берется темная энергия, не понимает вообще никто.

Единственное свидетельство существования и того и другого – это гравитация. По современным оценкам, видимое вещество (звезды, облака газа, излучение, пыль, планеты и тому подобное) составляет 5% от массы Вселенной, темная материя отвечает за 26%, а темная энергия – 69%.

Считается, что в космосе –270,45 градуса по Цельсию (°C) или 2,7 по шкале Кельвина (К).

Однако этот вопрос отчасти с подвохом, потому что говорить о температуре в привычном нам понимании можно только тогда, когда речь идет о привычной материи. Например, если потрогать чай или снег, то мы рукой почувствуем, что чай горячий, а снег – холодный. Однако потрогать космос, вернее, межзвездную среду достаточно сложно, потому что наполняющие ее частицы слишком редкие и маленькие. Как можно вообще измерить температуру отдельной частицы или даже излучения, вроде света?

Физики говорят о температуре как о количестве энергии. Например, если частица движется очень быстро, значит, у нее много энергии и она считается горячей. Если волна излучения имеет слишком низкую частоту (меняется очень медленно), то она считается холодной.

Чаще всего, когда мы говорим о температуре космоса, мы имеем в виду температуру реликтового излучения. Когда-то очень давно это был самый первый свет, родившийся во Вселенной, и сейчас он наполняет абсолютно все возможное пространство между звездами и даже между галактиками. Реликтовое излучение начало разлетаться по космосу еще до того, как появились первые звезды, и поначалу было очень и очень горячим. Однако потом Вселенная расширялась, а реликтовое излучение теряло энергию и сейчас остыло почти до абсолютного нуля.

Межзвездный газ может быть почти любой температуры. Чаще всего он чуть-чуть теплее реликтового излучения – примерно –270 градусов по Цельсию. Однако в некоторых туманностях этот газ может быть разогрет почти как настоящие звезды и ярко светиться. Внутри нашей Солнечной системы тоже сложно достичь по-настоящему низких температур, так как от Солнца разлетается солнечный ветер и тепловое излучение. Возле самого Солнца его температура может достигать тысяч градусов. Впрочем, таких горячих частиц настолько мало, что мгновенно зажариться будет сложно. Но если греться долго, толк будет. Например, поверхность Луны может нагреваться до 130 °С, телескоп, находящийся в тени Земли, может охладиться до 40 К, а внутри самых темных кратеров Луны может оказаться и 25 К.

В какой-то степени да.

Это происходит не потому, что звезды какие-то особенные, а потому, что скорость света в принципе не бесконечна. Мы вообще ничего не видим ровно таким, какое оно есть на самом деле, а всегда с небольшим запозданием. Даже от страниц этой книги свет доходит до глаз не сразу, и мы воспринимаем не настоящую книгу, а то, какой она была ничтожную долю миллисекунды назад. То же самое происходит с машиной на другом конце улицы, пробежавшей мимо собакой, брошенным мячом. Так как свет в принципе самое быстрое, что есть во Вселенной, никаких других способов получить информацию быстрее не существует. Мы всегда смотрим в прошлое. Почти суперспособность, между прочим.

В обычной жизни все интересующие нас вещи расположены близко, и их прошлое отстает от реальности на столь маленькое время, что это совершенно не мешает нам жить и своевременно реагировать на происходящее. В космосе расстояния просто огромны. Один из способов измерить такие масштабы – указать время, за которое свет может его преодолеть.

От Земли до Солнца свет доходит за восемь обычных минут, значит, расстояние между ними – восемь световых минут. От Солнца до Нептуна – 253 световых минуты. От Солнца до ближайшей к нему звезды чуть больше четырех световых лет. От края Млечного Пути до его центра примерно 50 тысяч световых лет. До ближайшей крупной галактики от нас примерно два с половиной миллиона световых лет.

Все эти цифры действительно обозначают, что свет (и любая другая информация) может идти к нам годы и даже миллионы лет. Если звезда умерла, мы узнаем об этом только тогда, когда ее последние лучи достигнут Земли. Все это время мы будем видеть звезду на прежнем месте и даже ощущать ее тепло и гравитацию.

Невооруженным глазом без усилий можно рассмотреть звезды, находящиеся от нас на расстоянии до нескольких тысяч световых лет (впрочем, считается, что одна из самых далеких звезд, видных без телескопа расположена на расстоянии около 16 тысяч световых лет). Это очень короткий срок для космоса, так что скорее всего все звезды, видимые невооруженным глазом на обычном ночном небе, существуют и по сей день.

Один из основных кандидатов на скорую гибель – Бетельге́йзе. Это одна из самых ярких звезд, расположена в созвездии Ориона. Уже сейчас она выглядит нестабильной, и ученые предполагают, что в ближайшие десять тысяч лет мы увидим на этом месте сверхновую. Расстояние до Бетельгейзе примерно 550 световых лет, а значит, сама сверхновая могла уже и случиться.

В достаточно мощный телескоп можно разглядеть очень тусклые и далекие объекты, а значит, буквально заглянуть в прошлое нашей Вселенной.

Казалось бы, использовать привычные и понятные нам единицы измерения совершенно логично, но у космофизики существуют свои.

Единицы измерения зависят от ситуации. Например, если речь пойдет о расстоянии от кровати до холодильника, ты скорее всего будешь считать его в метрах. А вот если тебя спросят, какое расстояние от дома до школы, то можно дать ответ и в километрах. Но иногда нагляднее сказать: «Я живу в десяти минутах ходьбы» или «В трех автобусных остановках». На вопрос «Сколько времени ты проводишь в школе?» ты скорее всего ответишь в уроках, а не в часах, а «На какой высоте живешь?» в этажах, а не метрах.

Мы сами не всегда замечаем, как переходим от одной системы измерений к другим в зависимости от масштаба или структуры объекта. В астрономии также существует своя система измерений (и это не единственная область науки с собственными единицами), зависящая от того, что именно мы измеряем.

Если речь об относительно маленьких объектах и их частях, вполне допустимо использовать километры. Например, когда мы измеряем размер планеты или луны. Если речь идет о расстояниях внутри Солнечной системы (или любой другой тесной планетарной или звездной системы), то используют астрономическую единицу – те самые 150 миллионов километров между Землей и Солнцем.

Например, расстояние от Солнца до Венеры – 108 миллионов километров, а до Марса – 228 миллионов километров. В астрономических единицах это будет 0,7 а.е. и 1,5 а.е. соответственно, и тут гораздо нагляднее видно, что Марс от Земли почти в два раза дальше, чем Венера (еще раз, от Солнца до Земли ровно 1 а.е.).

На больших межзвездных расстояниях астрономические единицы становятся такими же неудобными, как и километры. Например, до ближайшей к нам звезды примерно 266 000 а.е. Или 4,2 световых года. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за год. А заодно самая популярная мера измерения расстояний в космосе.

Чтобы познакомиться с еще одной мерой расстояния, нам потребуется понятие углового размера. Оглянись вокруг. Чтобы это сделать, нужно осмотреть все на 360°. Допустим, обоими своими глазами ты одновременно видишь половину круга, значит, угол твоего зрения – 180°. Если какая-то стена комнаты занимает половину твоего зрения, значит, ее видимый угловой размер – 90°. Если подойти ближе или дальше, он, конечно, изменится. При этом каждый градус делится еще на 60 угловых минут, а каждая минута еще и на 60 угловых секунд. Видимый диаметр нашего Солнца, если смотреть с Земли, – 31'59''. Читается как 31 угловая минута (обозначается одной черточкой) и 59 угловых секунд (две черточки).

А теперь представь, что смотришь на орбиту нашей планеты из космоса и при этом постоянно отходишь назад. В какой-то момент расстояние от Земли до Солнца будет занимать ровно 1 угловую секунду от всего круга зрения. Расстояние, на которое пришлось отойти, будет равно 3,26 световых года, или 206 264 а.е., или ровно 1 парсек. Тут как с этажами, странноватая единица измерения, но нужная для очень конкретной задачи – измерения расстояний до звезд по годовому смещению. Про смещение сейчас тоже поговорим.

Посмотри на другую сторону комнаты, закрыв один глаз. Теперь, не меняя положения головы, посмотри туда же но другим глазом. Попробуй быстро менять глаза и ты обнаружишь, что картинка как бы смещается. Это смещение называется параллакс. Чем дальше от тебя объект, тем меньше будет его параллакс при сравнении картинок с двух точек наблюдения. Но расстояние между точками можно увеличить и смотреть, например, не двумя разными глазами, а из двух разных углов комнаты. Самое большое расстояние между двумя точками наблюдения на Земле – это два конца ее орбиты. Поэтому, когда астрономы начали определять расстояния до звезд при помощи их параллакса, они делали одно измерение, ждали полгода и тогда уже делали второе измерение. Получается, они измеряли смещение звезды в течение полугода. Градусы параллакса оказалось удобно переводить именно в парсеки. Поэтому парсек оказался привязан к астрономическим единицам и градусам, а само это слово составлено из слов «параллакс» и «секунда».

Для самых далеких объектов во Вселенной может еще использоваться величина космологического красного смещения, обозначаемого буквой z. Дело в том, что чем дальше от нас объект, тем краснее он светит из-за эффекта красного смещения. Например, у галактики HD1 (одна из самых далеких от нас) красное смещение z = 13,2, а расстояние до нее 13 500 000 000 световых лет.

Зависит от того, какую Вселенную мы имеем в виду.

Есть та Вселенная, в которой мы живем и с которой можем взаимодействовать. Мы уже упоминали, что свет, гравитация и сама информация распространяются не быстрее чем со скоростью света, и эта скорость не бесконечна. Также мы знаем, что наша Вселенная возникла 13,7 миллиарда лет. Это означает, что мы можем видеть только ту часть Вселенной, свет от которой за это время успел до нас дойти. Все более далекие объекты для нас как бы не существуют. Мы смотрим в прошлое и самые далекие объекты для нас одновременно и самые древние.

Можно сказать, что мы находимся в центре гигантского шарика. Близкие объекты мы наблюдаем почти в реальном времени, а вот далекие – в прошлом. И на определенном расстоянии мы не видим уже совершенно ничего, потому что настолько давно ничего и не существовало. Это означает, что наш взгляд уперся в космологический горизонт. Все, что находится внутри космологического горизонта, называется наблюдаемой Вселенной или Метагалактикой.

При этом наблюдаемая Вселенная постоянно расширяется, потому что все большее количество света успевает дойти до нас.

А еще пространство Вселенной расширяется само по себе. Представь, что у тебя в руках резиновая линейка и ты ее растягиваешь – расстояние между ее рисками будет увеличиваться. Точно так же увеличивается и расстояние между галактиками. Не потому что они куда-то сами убегают, а потому что само пространство тянется. Галактики при этом не увеличиваются, потому что их держит гравитация.

Например, до галактики HD1 13,5 миллиарда лет. В данном случае 13,5 миллиарда световых лет – это собственное расстояние до границы наблюдаемой Вселенной, то есть до того места, где она была в момент испускания света, и именно это расстояние свет преодолел, добираясь до нашей планеты. Однако за это время пространство между нами успело еще расшириться и теперь до этой галактики 33,4 миллиарда световых лет, это реальное или сопутствующее расстояние до этой галактики. Собственное расстояние до космологического горизонта равно возрасту Вселенной, а сопутствующее – 46 миллиардов световых лет.

Что находится за пределами наблюдаемой Вселенной, никто толком не знает. Есть разные предположения, по которым настоящая Вселенная может быть в сотни раз больше наблюдаемой, а может и всего в несколько раз. Мы предполагаем, что границ у полной Вселенной все-таки нет… хотя мы все равно этого никогда не увидим!

Хотя вопрос о существовании зеленых человечков кажется смешным, ученые все же принимают его очень серьезно.

В 1950-х годах американский астроном Френк Дрейк попробовал составить «уравнение Дрейка». Ничего особенно точного с его помощью посчитать нельзя, но он одним из первых попытался придумать, что вообще нужно учитывать при подсчете потенциально общительных цивилизаций. Он пытался учесть скорость образования звезд, рядом с которыми можно жить, количество звезд, похожих на Солнце и имеющих рядом с собой планеты, количество планет, имеющих пригодные условия для жизни, вероятность образования на планете жизни и вероятность того, что эта жизнь вообще будет способна разговаривать. И при этом надо было учитывать, что время существования развитой цивилизации может быть ограниченно.

С тех пор мы узнали о Вселенной и экзопланетах довольно много. Например, теперь предлагается учитывать не только планеты, но и их луны, так как они тоже могут оказаться обитаемы. При это некоторые планеты могут вращаться не только вокруг солнцеподобных звезд, но даже вокруг черных дыр.

Впрочем, как говорится, «следите за руками». Наша галактика Млечный Путь имеет диаметр от 105 000 до 200 000 световых лет и содержит от 200 до 400 миллиардов звезд (миллиард секунд – это почти 32 года, кстати). Даже если предположить, что только вокруг 1% из этих светил вращается 1% пригодных для жизни планет, лишь на 1% из них есть жизнь, и всего на 1% из этих планет эта жизнь разумна и способна с нами поговорить… Получается, что только в одной нашей галактике должно существовать несколько тысяч цивилизаций! И где же они все? До сих пор у нас нет ни единого научного доказательства их существования. Этот вопрос называется «Парадокс Ферми» и впервые был задан самим Ферми примерно в 1950-х.

Самым популярным ответом ему служит «Гипотеза Великого Фильтра» Робина Хенсона, сформулированная в 1990-х. Согласно ей, существует некий фильтр, который просто не пропускает цивилизации на высокий уровень развития, и на самом деле их меньше, чем тысячи. Что это за фильтр и прошли ли мы его – никто не знает. Возможно, это некая мировая война, в ходе которой цивилизация с большой долей вероятности может уничтожить сама себя, а может быть и сам факт наличия разумности.

Впрочем, нами исследован всего 0,1% неба…

Об этом мы не имеем ни малейшего понятия, потому что даже не знаем, как они должны выглядеть. В качестве примера у нас есть только мы сами, и приходится ориентироваться на наши особенности. Например, сравнивать другие планеты с Землей, а следы в космосе – с теми, которые могла бы оставить наша собственная цивилизация.

Первые попытки найти жизнь на других планетах были сделаны более полувека назад в рамках проекта «Озма» Френком Дрейком и Карлом Са́ганом. При помощи радиотелескопа «Большое ухо» ученые попытались услышать от похожих на Солнце звезд Эпсилон Эридана и Тау Кита звуки внеземных цивилизаций на частоте радиоволн. Безуспешно.

Сегодня существует два основных способа наладить контакт с братьями по разуму – пытаться искать самим (этим занимаются программы SETI – Search for Extraterrestrial Intelligence – поиск внеземного разума) или заявить о себе на весь космос (а это программы METI – Message to Extraterrestrial Intelligence – послание внеземному разуму).

В рамках программы SETI ученые многих стран скрупулезно прочесывают небо в поисках хоть чего-нибудь, что нельзя объяснить известными нам природными явлениями. В основном ученые пытаются слушать космос в радиодиапазоне, так как именно в этом диапазоне очень сильно заметны мы сами. Радиоволны могут довольно быстро и почти без потерь уходить в космос. Наша планета прекрасно слышна в радиусе примерно ста световых лет вокруг – потому что именно сто лет назад мы начали активно использовать радиосвязь и именно на такое расстояние успели разлететься первые эфиры. Кроме того, природных источников столь мощного радиоизлучения с поверхности планет мы не знаем.

Пока что мы нашли всего несколько странных так ни разу и не повторившихся подозрительных сигналов, в том числе знаменитый WOW-сигнал. И они могут быть просто случайностью, техническим сбоем или неизвестным природным явлением.

В рамках программ METI ученые несколько раз посылали собственные послания. Здесь и золотой граммофон на борту «Во́яджера», и радиопослание «Ареси́бо», и многие другие проекты. К сожалению, из-за колоссальных расстояний ответы на все из них придется ждать очень долго. Например, послание «Аресибо» отправлено к звездному скоплению M31, расположенному от нас в 25 000 световых лет. Это значит, что оно будет идти туда как раз эти 25 000 лет, и еще столько же нам придется ждать ответ! Впрочем, некоторые радиопослания достигнут целей уже в середине XXI века.

Кроме того, мы активно ищем в пределах собственной Солнечной системы неразумную жизнь или ее биомаркеры – вещества или структуры, которые могут образовывать только живые организмы. Например, ракушка, найденная на пустом пляже, будет таким же биомаркером, как и оставленный неряшливым человеком пластиковый мусор. На разумную или хотя было многоклеточную жизнь по соседству рассчитывать пока не приходится, но ученые надеются отыскать хотя бы инопланетные бактерии или их останки.

В какой-то степени Марс – самая населенная планета в нашей системе после Земли. На момент написания книги по нему вполне бодро бегали несколько марсоходов. Что касается живых организмов, то тут уже возникают вопросы.

Одним из основных условий возникновения жизни ученые считают наличие жидкой воды. Вода – без преувеличения вещество с уникальными свойствами. Именно она может обеспечить нужные условия для существования живых организмов и процессов, протекающих в них самих (например, многие химические реакции хорошо идут только в водных растворах). К тому же дожди и реки смывают в океаны огромное количество самых разных химических веществ, превращая морскую воду в своеобразный питательный химический бульон (предполагается, что именно в этом бульоне появилась земная жизнь).

Надо заметить, что вода может течь только при очень ювелирной настройке температуры и атмосферного давления. Температура планеты зависит от ближайшей звезды и расстояния до нее, поэтому для каждой планетарной системы ученые рассчитывают зону обитаемости – место, в котором достаточно тепло, чтобы вода не замерзала и достаточно холодно, чтобы не испарялась до конца.

Венера расположена слишком близко к Солнцу. Земля находится почти в центре зоны обитаемости Солнечной системы. Марс тоже заходит в эту зону, хотя и на самом краешке, но тут есть другая проблема. У жидкостей нет сильных внутренних связей между молекулами, поэтому если на них ничего не давит снаружи, эти молекулы мгновенно разлетаются. На Земле воду держит мощное атмосферное давление, а вот на Марсе атмосфера слишком слабая. Даже в те редкие дни, когда температура на красной планете все же поднимается выше нуля, растаявшая вода (ее очень мало, но все же она есть в виде льда и облаков) мгновенно испаряется.

Получается, помимо нахождения в зоне обитаемости приходится учитывать и другие детали. Например, наличие атмосферы, магнитного поля, гравитации, воды или химический состав самой планеты. Для учета всех возможных факторов ученые даже вывели специальный индекс подобия Земле. Если он равен нулю, то между этой планетой и Землей нет вообще ничего общего, а если единице – полное сходство. У Марса он, кстати – 0,7, что считается довольно заметным сходством. У Венеры всего 0,4. Зато у некоторых экзопланет вроде Kepler-438b индекс подобия может достигать почти 0,9.

Современные исследователи считают, что если на Марсе и могла быть жизнь, то только в далеком прошлом. Ученые почти уверены, что плотная атмосфера и круговорот воды на этой планете все-таки были. Марсоходы регулярно находят вещества, которые могут образовываться только в проточной воде, вроде кристаллов гипса, а некоторые участки выглядят как пересохшие русла рек или озера. Согласно сегодняшним догадкам, на планете стало холоднее из-за изменения формы орбиты и наклона оси (тут виновата гравитация Юпитера и астероидов), а атмосферу могло просто сдуть солнечным ветром из-за отсутствия у планеты сильного магнитного поля и слабой гравитации.

Хорошая новость в том, что искать жизнь мы можем и в других уголках Солнечной системы. Большие надежды сейчас возлагают на луны Юпитера и Сатурна. Несмотря на то, что эти планеты находятся очень далеко от Солнца, их гравитация двигает недра крупных спутников примерно так же, как Луна двигает океаны на Земле. Гравитационное перемешивание разогревает ядра лун, и на их поверхности становится почти тепло. Во всяком случае считается, что на спутнике Юпитера Европе и на спутнике Сатурна Энцеладе под толстым ледяным слоем, покрывающим луны, как панцирь, есть жидкая вода.

Не меньший интерес вызывает другой спутник Сатурна – Титан. Во-первых, он единственный в Солнечной системе (кроме Земли) обладает плотной азотной атмосферой. Во-вторых, это единственное небесное тело в Солнечной системе (опять кроме Земли), на поверхности которого идут настоящие дожди, текут полноводные реки и плещутся озера! Правда, есть одна деталь – вместо воды там жидкий метан – жидкость, чем-то похожая на обычный спирт.

С одной стороны, отсутствие воды, конечно, расстраивает. Но, с другой стороны, метан – это углеводород. Вещество, отдаленно напоминающее то, что мы привыкли видеть в составе органических существ. А еще, как и любой другой углеводород (например, нефть или природный газ), жидкий метан можно использовать в качестве топлива. В данный момент уже стартовала разработка космического корабля, который сможет долететь до Титана, взять с него образцы грунта и атмосферы для изучения, а потом буквально закинуть насос в ближайший метановый ручеек и заправиться для обратного полета.

Восемь.

На самом деле это вопрос с подвохом. Дело в том, что по современной классификации планетой может считаться только то, что находится в Солнечной системе и действительно похоже на планету (круглое, вращается вокруг своей звезды, является гравитационным центром на своей орбите, не горит как звезда). Все, что претендует на это гордое звание в любом другом месте Вселенной, называется экзопланетой. И подсчитать экзопланеты – задача достаточно сложная.

Самую первую экзопланету смогли открыть в начале 1992 года, а в начале 2022 года их число в каталогах достигло 5000. Если ты будешь хлопать в ладоши, то для пяти тысяч хлопков тебе потребуется больше часа!

Если подумать, это просто огромное количество планет при том, что их поиск – очень сложная задача. Сами по себе планеты маленькие и не светятся. Чтобы найти экзопланету, придется долго и пристально наблюдать за каждой звездой по очереди. У нас просто слишком мало телескопов, чтобы проверить все звезды сразу. Пока что мы изучили лишь очень маленький кусочек неба. К тому же мы можем обнаруживать только самые крупные или удачно расположенные экзопланеты.

Сложности добавляет то, что планеты есть не только у звезд. Какая-то доля планет определенно может образовываться в погибших системах, например, возле нейтронных звезд или черных дыр. По иронии судьбы, самая первая экзопланета в истории была открыта как раз возле нейтронной звезды с красивым названием Лич.

А еще в космосе должны быть бездомные планеты. То есть планеты, которые по каким-то причинам оказались за пределами родных систем – из-за гибели родной звезды, гравитации соседних звезд или даже других планет. Обнаружить их с нынешними технологиями почти невозможно, но даже в Солнечной системе есть кандидат на вылет. Из-за близости к Солнцу и относительно большой Венеры под боком орбита Меркурия не совсем стабильна, и при неудачном стечении обстоятельств он имеет все шансы однажды отправиться в одинокое путешествие по бескрайнему космосу.

Впрочем, даже если мы будем считать, что экзопланеты есть только у звезд и все они сидят по родным планетарным системам, а мы не упускаем часть планет в процессе поисков, цифра все равно выйдет колоссальной. Даже по нашим наблюдениям в очень грубом усреднении примерно у каждой пятой звезды есть планетарная система, состоящая из примерно пяти планет. То есть число планет должно примерно соответствовать числу звезд, а их только в нашей Галактике примерно 400 000 000 000. Если умножить это число на количество только известных нам галактик, выйдет что-то вроде 100 000 000 000 000 000 000 000 экзопланет в видимой нам части Вселенной.

Да. Более того, иногда ученые видят в телескопы не просто экзопланеты, но даже процесс их рождения – сгустки газа и пыли, которые только набирают массу и называются протопланетами.

К сожалению, визуальный метод наблюдения далеко не лучший. Если планета слишком близко к своей звезде, ее можно просто не разглядеть в сиянии звезды, а если слишком далеко – она может отражать недостаточно света. Обычно хорошо видны молодые планеты, чья поверхность – это еще не застывшая лава.

Однако ученым не обязательно именно видеть экзопланету. Представь, ты наблюдаешь звезду и твои приборы говорят, что ее яркость вдруг немного упала на некоторое время, а потом восстановилась. Если это падение яркости регулярно повторяется, то скорее всего ты имеешь дело с каким-то маленьким темным объектом, который регулярно чуть-чуть загораживает от тебя звезду, то есть проходит транзитом по ее видимому диску. Поздравляю, ты открыл экзопланету транзитным методом. К сожалению, он подходит только в том случае, если чужая планетарная система повернута к нам боком и мы правда можем увидеть планету на фоне звезды. Далеко не все системы расположены так удачно, но именно так мы открыли бо́льшую часть всех известных нам экзопланет.

Почти во всех остальных случаях нам на помощь приходит гравитация. Секрет в том, что ее притяжение всегда работает в обе стороны. Планета притягивает к себе звезду с той же силой, что и звезда планету. Однако звезды гораздо массивнее, поэтому заставить планету двигаться вокруг звезды можно, а вот звезду удается разве что немного раскачать. Иногда это раскачивание заметно, и по его силе и скорости можно рассчитать, где и какого размера вращается экзопланета. Этот метод называется методом радиальных скоростей. Правда, работает в основном для тяжелых и близких к своей звезде планет.

Еще один способ искать планеты довольно хитрый и работает в том случае, если мы видим планетарную систему на фоне чего-то другого и светящегося. Представь себе, что ты смотришь на лампу сквозь стакан с водой. Свет от лампы не может пройти сквозь стекло и воду по прямой, он обязательно преломится и изображение станет кривым. В космосе таким стаканом с водой может стать гравитация. Иногда ее силы оказывается достаточно, чтобы заметно искривить лучи света от объекта за планетарной системой, свет как бы проходит сквозь гравитационную линзу. Если звезда одинока – искривление будет симметрично круглым, а если нет, то планеты будут вытягивать линзу в свою сторону. Причем так можно находить не только гиганты, но и планеты размером с Землю.

Предположим, мы хотим посетить другую планетарную систему и для экономии ресурсов решили выбрать ближайшую. Сначала определимся, куда именно прокладывать курс и какое расстояние придется преодолеть.

Ближайшие к Солнцу звезды – это целая звездная система Альфа Центавра. Она состоит из двух похожих на Солнце звезд – желтого карлика Ри́гила и оранжевого карлика Толима́на, которые вращаются очень близко друг к другу. На приличном расстоянии от них вокруг их общего центра масс вращается третья маленькая и тусклая звездочка – красный карлик Про́ксима, которая на данный момент считается самой близкой звездой к Солнцу (буквальный перевод ее названия с латыни – «Ближайшая»).

Возможно, что у каждой из этих трех звезд есть свои собственные экзопланеты, но подтвержденной (то есть эти планеты видели несколько раз и, скорее всего, даже несколько разных телескопов) сейчас является только планетарная система Проксимы Центавра.

Вокруг Проксимы Центавра вращаются как минимум две планеты – Проксима Центавра b и Проксима Центавра d. Возможно, существует еще неподтвержденная Проксима Центавра с. Первая из этих планет похожа на Землю и находится в обитаемой зоне, но она слишком близка к своей звезде, а потому ее атмосферу скорее всего давно сдуло. Вторая планета холоднее и дальше, поэтому скорее всего похожа на Марс. Такие планеты называют субзе́млями, потому что они каменные и меньше Земли (приставка «суб» имеет значение «ниже» или «менее»). Третья планета предположительно похожа на Нептун, но мы еще не уверены в ее существовании, поэтому ближайшей к нам экзопланетой считаем Проксиму Центавра d.

Так как Проксима вращается вокруг своих более крупных соседок, то со временем ближайшей к нам звездой станет кто-то из них. Однако, период обращения Проксимы вокруг Ригила и Толимана чуть более полумиллиона тысяч лет, так что в ближайшее время она никуда со своими планетами не улетит, а расстояние до нее останется примерно 4,24 световых года или чуть больше 40 триллионов километров.

Самое время определиться с космическим кораблем. Чтобы покинуть Солнечную систему, нужно развить скорость выше скорости убегания (при старте с Земли это третья космическая скорость, и равна она примерно 17 км/с). Правда, для каждой точки старта она будет своя в зависимости от расстояния до Солнца, и при этом она еще может меняться из-за гравитации других планет, поэтому в качестве примера возьмем реальную скорость аппаратов, которые уже отправились в межзвездное пространство.

На 2024 год таких аппаратов пять: «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Пионер-1», «Пионер-2» и «Новые горизонты. Самый быстрый из них – «Вояджер-1», чья скорость относительно Солнца после всех гравитационных маневров составила 16,9 км/с. Кажется, что цифра небольшая, но это больше 60 000 км/ч и больше полумиллиона километров в год! Если взять калькулятор и поделить 40 триллионов на полмиллиона, получится, что на путь до Проксимы «Вояджер-1» потратил бы 80 000 лет. По астрономическим меркам это совсем небольшой срок, но по Земле восемьдесят тысяч лет назад еще ходили неандертальцы и мамонты. Обычный радиосигнал, отправленный в сторону ближайшей экзопланеты, дошел бы за 4 года и 88 дней.

В целом, если достаточно постараться, можно разогнать космический аппарат и до более высоких скоростей. Правда, топливо нам здесь поможет гораздо хуже, чем та же гравитация. При помощи притяжения Солнца космический аппарат «Паркер Солар Проб» регулярно бьет любые рекорды разгона, последним из которых на начало 2024 года стала скорость 635 266 км/ч. Это самый быстрый рукотворный объект в истории человечества. Если этот аппарат попробует удалиться от Солнца (сейчас он даже ближе Меркурия), то затормозит больше чем в два раза, но даже без торможения его путь до Проксимы занял бы больше 7000 лет.

Конечно, есть вероятность, что в будущем нам будут доступны двигатели и космические аппараты гораздо быстрее, чем мы можем сейчас вообразить, но это тема совсем другого вопроса.