Текст книги "Популярная астрофизика. Философия космоса и пятое измерение"

Глава 6
Юпитер – несостоявшаяся звезда и защитник земли

Почему Юпитер получился таким большим? Его масса почти в 2,5 раза больше, чем масса всех планет нашей Солнечной системы вместе взятых.

Юпитер начал образовываться раньше других планет Солнечной системы, поэтому успел собрать максимум массы.

У него гигантская магнитосфера. Ученые считают, что это потому, что его ядро состоит из металлизированного водорода. 89 % в составе Юпитера – это водород, и 10 % – гелий.

Остальное – это другие соединения, такие как метан, аммиак и т. д.

Передвигаться по Юпитеру при его большой гравитации было бы очень трудно. Здесь вес объекта будет в 2,5 раза выше, чем на Земле. Поэтому человек весом 70 килограммов на Юпитере будет весить 175 килограммов!

Когда я выступал с лекциями и рассказывал о Юпитере, в аудитории всегда находился любопытный слушатель, у которого возникал вопрос: почему вес тела на Юпитере будет всего в 2,5 раза больше, если его масса аж в 319 раз больше массы Земли?

Здесь вступает в силу классическая путаница понятий «масса» и «вес». Это на Земле мы живем в условиях одинаковой гравитации (да и то есть зависимость от высоты над уровнем моря). У Юпитера же и объем намного больше земного. А как мы помним из школьного курса физики, сила гравитации зависит не только от массы, но и от расстояния.

G – гравитационная постоянная, которая равна 6,67⋅10–11 м³/(кг·с²),

m¹ и m² – массы объектов, между которыми действует сила притяжения.

А вот в знаменателе – расстояние в квадрате. Чем оно больше, тем гравитация меньше.

Земля – более плотный и компактный объект, чем Юпитер. Поэтому ускорение свободного падения на Юпитере составляет всего 2,535 g.

Формула веса выглядит так:

P = mg

Если мы хотим узнать, какой вес будет у человека на Юпитере, подставляем известную массу и умножаем на 2,535. Получается, что 100-килограммовый объект здесь будет весить 253,5 кг.

Так выглядит шторм на Юпитере. Фото NASA/JPL–Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

Интересный факт. Как вы помните, у Юпитера есть характерное большое красное пятно. Но знаете ли вы, что это такое? Это огромная область высокого давления в атмосфере Юпитера. И в этом месте бушует самый мощный шторм в нашей Солнечной системе. С Земли в телескоп он и выглядит как красное пятно. И этому шторму уже как минимум 356 лет! Штормы на Юпитере могут длиться веками. И размах у них на порядок больше, чем на Земле.

Однако сейчас красное пятно Юпитера резко сужается. В XIX веке, когда за ним начали активно наблюдать, пятно было в 3 раза больше. Сейчас ширина пятна составляет 16 350 километров, что в 1,3 раза больше Земли. Скорость ветра здесь достигает 432 км/ч.

Юпитер называют «неудавшейся звездой». У него был шанс стать красным карликом, как Проксима Центавра. Юпитер себя ведет в какой-то степени подобно звезде: он излучает. Конечно, каждая планета имеет свой спектр излучения, но Юпитер излучает на 60 % больше энергии, чем получает от Солнца. Идут химические реакции внутри планеты и гравитационное сжатие. Поэтому Юпитер излучает преимущественно в инфракрасном диапазоне. Излучение не проходит бесследно: Юпитер уменьшается на 2 сантиметра в год. По оценкам астрофизиков, на заре Солнечной системы Юпитер был в два раза больше и его температура была значительно выше. Если бы Юпитеру удалось собрать массу в четыре раза больше, из него могла бы получиться звезда, которая в дальнейшем притянула бы еще больше массы. Однако это была бы не обычная звезда типа Солнца, а скорее красный карлик. Зато мы имели бы на небе сразу две звезды, потому что Солнечная система превратилась бы в систему двойных звезд.

Юпитер – как старший брат Земли. За счет большой массы он собирает в себя множество комет и метеоритов, которые могли бы угрожать Земле. Поэтому не стоит расстраиваться, что Юпитер так и не стал звездой. Тогда бы он, напротив, мешал нам и сдвигал орбиту. Орбиты планет в «жилой» зоне в системах двойных звезд обычно нестабильны, потому и жизнь там маловероятна. А в нынешнем виде Юпитер – наш мощный защитник. Ему нипочем сотня-другая астероидов, а жизнь на Земле он спасает сотни миллионов лет.

На этом мы закончим главу об объектах Солнечной системы. У вас может возникнуть резонный вопрос: а как же Венера и Марс? Ведь это очень интересные планеты, которые потенциально можно колонизировать! И они так похожи на нашу Землю. Все верно, поэтому к ним мы обязательно вернемся в главе, посвященной будущей колонизации других планет.

Часть II
Вселенная

Как и в предыдущей части, изучение Вселенной мы начнем с нашего дома – галактики Млечный Путь.

Глава 7
Млечный путь

Мы много говорим о будущем освоении космоса, но пока слабо представляем себе даже родную галактику. Наш уровень знания космоса даже ниже, чем представления о географии Земли в доколумбовую эпоху. И все-таки человечество накопило про Млечный Путь порядочный пласт информации.

Наша галактика – удивительное место, вместилище самых разных звезд, сверхновых, туманностей, черных дыр и загадочной темной материи.

Наша Вселенная чем-то напоминает город – со своими кварталами, ярким, искрящимся разными огнями центром. Если принять эту аналогию, то наш Млечный Путь – это пригородный квартал: находится далеко от основных событий, до него нужно ехать на электричке, а потом еще топать через лес. И поверьте, это прекрасно! В центре нашей галактики очень тесно, гораздо чаще сталкиваются звезды. В таких катастрофах гибнет не только все живое, но и целые планеты. Что уж говорить о маленькой Земле…

Диаметр нашей галактики – 100 тысяч световых лет. Мы же находимся в 20 тысячах световых лет от края галактики. По пропорциям, если бы Млечный Путь был Москвой, Солнечная система находилась бы в Перово или Царицыно. Световой год часто путают с единицей измерения времени (очевидно, влияет слово «год»). На самом деле световой год – это единица измерения длины. Такой путь пройдет свет со скоростью около 300 тысяч километров в секунду за год. Световой год примерно равен 9,4 триллиона километров. Звучит как какая-то гигантская, недостижимая и непостижимая цифра. Однако расстояния между звездами, как правило, равны нескольким световым годам. Самая близкая к Земле звезда – Альфа Центавра. Расстояние до нее – примерно 4,4 световых года. Столько требуется свету, чтобы проделать путь до нас. И сейчас мы видим эту звезду, какой она была, соответственно, 4,4 световых года назад. Увы, мы никогда не сможем узнать точно, как какой-либо космический объект выглядит прямо сейчас.

Солнечная система путешествует по Млечному Пути так же, как Земля вращается вокруг Солнца. Полный оборот вокруг центра Млечного Пути Солнце вместе с планетами делает примерно за 226 миллионов лет. Это называется галактическим годом.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

Как ученые понимают, из чего состоят далекие звезды и галактики? Как можно с помощью телескопа оценить состав небесных тел? Ну, видим мы звезду. Как мы понимаем, что в ней водород и гелий, а не, скажем, раскаленное жидкое золото?

На помощь ученым приходит метод спектрального анализа. Атом каждого химического элемента испускает и поглощает волны определенного диапазона. Данные по каждому химическому элементу давно собраны. Приборы на Земле улавливают эти волны. Ученые сравнивают полученную картину с земным шаблоном. Делают поправки на «красное смещение» и т. п., с учетом дальнего расстояния. И понимают, какое вещество есть в составе той или иной звезды и в каком объеме.

В центре Млечного Пути находится настоящий монстр – массивная черная дыра весом 4 миллиона солнц, которая захватывает огромные объемы вещества вокруг. Хотя самого монстра ученые не видят, но это легко отследить по косвенным признакам. Звезды в центре Млечного Пути вращаются вокруг сверхмассивного объекта. Со временем многие притягиваются к нему и исчезают в его пучине (важный аргумент не жить в центре галактики).

В центре нашей галактики звезды вообще расположены очень плотно – в сотни раз ближе друг к другу, чем в окрестностях Солнца. Если где-то там есть жизнь, то она не знает, что такое ночь. Если скрылась родная звезда, то звездное небо даже ночью будет достаточно ярким.

Представьте себе гипотетическую картину. На другом конце нашей галактики есть инопланетяне, которые создали высокотехнологичный телескоп. Что они увидят, если посмотрят на Солнечную систему и Землю? Солнечная система расположена ближе к периферии галактики. До противоположного конца от нас примерно 80 тысяч световых лет. А значит, взору инопланетян открылись бы события, которые происходили на Земле в то время. Это был пик Ледникового периода. Homo sapiens в современном виде только-только появился. Наши предки кроманьонцы еще не выбрались из Африки. До их конфликта с неандертальцами и начала экспансии в Европу остается еще 30 тысяч лет.

А что же инопланетяне? Они сделают вывод, что ничего серьезного на Земле не происходит. Возможно, пометят ее как еще одну «планету, пригодную для жизни». И продолжат считать, что они одиноки во Вселенной.

Возможно, и мы, когда смотрим в телескоп, видим пустоту. А за десятки тысяч лет инопланетные расы развились и уже вовсю осваивают новые звездные системы. Что ж, скоро узнаем. Осталось подождать каких-нибудь 80 тысяч лет.

Ну, это не удивительно. Мы даже не знаем, сколько именно людей живет в Москве, что уж говорить о галактике!

Как многие приезжие успешно прячутся от переписи населения, так и слабые звезды уходят от бдительного взора астрономов. По сути, мы видим только самые яркие звезды в нашей галактике. Очень много звезд почти не испускают света, некоторые скрыты газом и пылью.

Поэтому астрономы не доверяют только телескопам, а пытаются сосчитать звезды через физические характеристики. Например, через массу галактики, которую можно высчитать по скоростным характеристикам.

Но эти оценки все равно являются приблизительными. Спутник Gaia Европейского космического агентства составил карту с 1 миллиардом звезд Млечного Пути. По мнению ученых, это менее 1 % от реальной картины и в нашей галактике – 200–400 миллиардов звезд. Ответ, скорее всего, мы узнаем только в эпоху Нового Колумба, когда сможем свободно путешествовать по галактике.

Оценка тоже будет очень приблизительной. Астрофизики из Университета Аризоны оценили массу нашей галактики в 1–2 триллиона масс нашего Солнца.

Бóльшая часть – до 85 % – приходится на так называемую темную материю. Что это такое, пока непонятно, так как она не излучает свет и зафиксировать ее невозможно. Это может быть как совокупная масса «всего не яркого» – то есть черные дыры, газ, пыль и т. п., – так и принципиально новый вид вещества.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

Думаете, что на фото на с. 70 на самом деле наша галактика Млечный Путь?

У нас нет реальных фотографий нашей галактики. Мы пока – даже на уровне небольших космических аппаратов – не смогли покинуть пределы галактики, чтобы ее сфотографировать. Большинство фотографий на самом деле относятся к другой спиральной галактике из созвездия Рыб, которая называется Мессье 74.

М 74 (Messier 74), спиральная галактика. Фото NASA/ESA

Между звездами в нашей галактике летают скопления жира. Это масляные органические молекулы, известные в химии как алифатические углеродные соединения. В химии это соединения жирного ряда, подобные смолам. Они образуются у некоторых звезд.

Ученые считают, что 30 % межзвездного углерода, наполняющего космическое пространство, может состоять именно из этих жиров.

А углерод, в свою очередь, – важный строительный материал для клеток живых существ. Раз его так много в галактике – значит, и вероятность, что где-то еще есть жизнь, не так уж мала.

Эти загадочные объекты открыли всего 9 лет назад. Перпендикулярно диску нашей галактики из нее испускаются два гигантских пузыря. Ученые назвали их пузырями Ферми – в честь телескопа, который их обнаружил. Без специальных устройств их не увидеть – они испускаются в гамма-излучении.

Что это такое, до конца неясно. Вероятнее всего, это было какое-то мощное энергетическое событие – взрыв нескольких сверхновых. И тогда сверхмассивная черная дыра в центре галактики поглотила огромные скопления газа и пыли. А пузыри – энергетический след этого события.

Гамма-рентгеновские пузыри Ферми. Иллюстрация Goddard Space Flight Center, NASA

Границы Млечного Пути размыты. Пока ведутся дискуссии, где именно находится его край. Галактики не заканчиваются просто так, резко обрываясь. Звезды просто встречаются все реже и реже, пока совсем не исчезают.

Однако если говорить о нашей Солнечной системе, мы находимся ближе к периферии Млечного Пути. Что, как уже было сказано, к лучшему: нет такого массового скопления вещества и звезд (а с ним – и опасностей столкновений, взрывов сверхновых, притяжения черных дыр и т. п.), как в ядре галактики. За краем Млечного Пути – разреженное пространство. И у нас есть четыре ближайших соседа.

Андромеда. Ближайший крупный сосед Млечного Пути. Она намного крупнее нашей галактики. В ней как минимум в три раза больше звезд. Андромеда летит в нашу сторону, и через несколько миллиардов лет наши галактики встретятся.

NGC 2419 – шаровое скопление в созвездии Рысь. Второе его название – Галактический Бродяга. Так его прозвали за то, что обычно подобные скопления находятся ближе к ядру Млечного Пути, а Галактический Бродяга вращается вокруг нашей галактики по длинной орбите, для полного оборота по которой требуется до 3 миллиардов лет.

Большое и Малое Магеллановы Облака. Это карликовые галактики, которые притягиваются Млечным Путем. Наша галактика поглотит их ориентировочно через 4 миллиарда лет.

Будущее Млечного Пути прочно связано с этими соседями.

Вокруг Млечного Пути вращаются небольшие галактики. Их можно увидеть невооруженным глазом, как это сделал когда-то Фернан Магеллан в XVI веке. Он приметил несколько круговых скоплений звезд, которые потом в честь него и назвали Малым и Большим Магеллановыми Облаками. Эти маленькие галактики – спутники нашего Млечного Пути. Со временем они сольются с нашей галактикой и станут ее частью.

Магеллановы Облака имеют в своем составе более молодые звезды, чем Млечный Путь. Да и содержание тяжелых элементов в них ниже. Млечный Путь в далеком прошлом поглощал другие галактики. Процесс поглощения более крупными более мелких – норма в природе, как в живой, так и неживой.

Млечный Путь тоже собирался в большую галактику постепенно, по дороге захватывая карликовые скопления звезд. Одной из таких поглощенных галактик является Омега Центавра. Ученые пришли к выводу, что это скопление возникло не случайно, а является ядром галактики, которую когда-то поглотил наш Млечный Путь. Вероятнее всего, в центре Омега Центавра находится черная дыра, как это традиционно бывает во многих галактиках.

Но самый интересный факт про нашу галактику находится в далеком будущем. Ведь Млечный Путь завершит свой путь (простите за каламбур!) красивейшей космической катастрофой.

Помните, я писал, что наша галактика – это пригородный квартал? Вспомните, как быстро расширяется Москва, как далекие прежде дачные поселки теперь застраиваются небоскребами. Так и в космосе. Сейчас идет сближение галактик Млечный Путь и Андромеда. Наш сосед – та самая туманность Андромеды, один из немногих объектов за пределами нашей галактики, который мы можем увидеть невооруженным взглядом.

Ничто не вечно в нашем мире, и ночное небо – не исключение. К нам навстречу с бешеной скоростью летит галактика Андромеды. Через 2 миллиарда лет в ночном небе она будет светить ярче нашей Луны.

А через 4 миллиарда лет случится большая космическая катастрофа – две галактики столкнутся. Со всеми вытекающими. То есть многие звезды столкнутся друг с другом, будут взрывы, в межзвездное пространство выплеснутся триллионы тонн материи.

После крушения более массивная галактика Андромеды поглотит Млечный Путь. По оценкам астрофизиков, Андромеда в 3–5 раз больше нашей галактики. Выше уже было отмечено, что в космосе, как в жизни: более крупные, как правило, поглощают более слабых и мелких.

Андромеду можно увидеть и сейчас. Это та самая «Туманность Андромеды», которая фигурирует в нашей литературе и кинематографе. Почему туманность? Потому что персидские астрономы, которые впервые ее обнаружили, описали Андромеду как небольшое облачко. Небольшое… пока что. Но все изменится в течение каких-нибудь двух миллиардов лет.

То, что Андромеда – не туманность, а галактика, ученые узнали совсем недавно. В 1924 году это открыл астроном и космолог Эдвин Хаббл – тот самый, в честь которого назвали знаменитый телескоп. В дальнейшем стало понятно, что галактика Андромеды – не простой сосед. Наша галактика Млечный Путь и галактика Андромеды летят навстречу друг другу с огромной скоростью. И через 4 миллиарда лет наши галактики столкнутся. Вследствие космической катастрофы образуется новая, громадная галактика.

Итак, Андромеда поглотит Млечный Путь, но не все так страшно. Астрофизики посчитали, что с учетом больших расстояний между звездами большинство из них не столкнется. Звезды просто перемешаются, и получится более плотная и крупная галактика.

Ночное небо через 2 миллиарда лет с Земли будет выглядеть примерно так:

Луна, в свою очередь, будет удаляться от Земли и уменьшаться в размерах. Луна отдаляется от Земли примерно на 4 сантиметра в год. Значит, через 2 миллиарда лет она отлетит от Земли почти на 80 тысяч километров. Это 20 % от нынешнего расстояния между Землей и Луной.

Недавно специалисты NASA смогли зафиксировать аналогичную катастрофу, которая произошла в других галактиках. Это позволит нам в реальном времени изучить события, которые ждут в будущем наш Млечный Путь. Странную галактику уловил космический телескоп «Хаббл». Она образовалась в результате слияния двух галактик, которые столкнулись друг с другом.

Речь идет о галактике NGC 1614 (меня всегда удивляло, какие скромные имена получают интереснейшие космические объекты. Как будто заключенные в тюрьме получают номера). Впервые ее обнаружили астрономы еще в 1885 году, но изучить галактику детально удалось только сейчас.

У этой галактики образовался длинный хвост, который тянется от центра. Издалека она напоминает головастика. Хвост – поток межзвездного газа и отдельных звезд от меньшей галактики, которая столкнулась с более крупной.

Спиральная галактика NGC 1614. Фото NASA/ESA

Что ждет Солнечную систему после столкновения галактик? Возможно, что ничего страшного. Межзвездные расстояния велики, и большинство звезд после столкновения галактик просто перемешаются. Солнечная система находится на периферии Млечного Пути. Поэтому, скорее всего, так и останется на обочине галактики – только уже намного более крупной.

Согласно расчетам астрофизиков, есть вероятность в 12 %, что Солнечную систему выбросит за пределы новой галактики. Улетит в таком вот хвосте, как у «головастика» NGC 1614, а затем и в принципе отправится в путешествие в открытом космосе.

Но для жизни на Земле это уже не будет иметь значения. Как вы прекрасно помните из первой главы, Солнце к тому моменту станет красным гигантом и поглотит нашу планету. Поэтому самое время будет переселиться на другие. Например, на те, что находятся в новой галактике – Андромеде. И уже оттуда наблюдать за судьбой нашей родной звезды.

Наблюдая за галактикой NGC 1614, ученые NASA полагают, что самый вероятный сценарий катастрофы – образование новой мегагалактики. Большинство звезд перемешается. Часть вылетит прочь из галактики. А мощные столкновения будут лишь в эпицентре, где сольются ядра галактик.

Глава 8
Химики вселенной. Почему умирающие звезды называют сверхновыми

Сверхновые – интересные объекты, которые влияют на химическую эволюцию наших галактик. Крупные звезды, которые массивнее нашего Солнца, заканчивают жизнь яркой вспышкой, которая и называется сверхновой.

Взрывы сверхновых человечество наблюдало не раз. Одну из самых известных сверхновых наблюдали в 1054 году, об этом сохранилось много информации, записанной арабскими и китайскими астрономами. Сверхновая была видна даже днем. А ночи из-за нее были намного светлее. Длилось это 23 дня. При этом сверхновая расположена от нас очень далеко – на расстоянии в 6500 световых лет! Мы и сейчас видим последствия этого события – в этом месте образовалась Крабовидная туманность.

Последний взрыв сверхновой, который было видно невооруженным глазом, люди наблюдали в 1604 году. Это была вспышка в созвездии Змееносца, ее описал знаменитый астроном Иоганн Кеплер.

Сверхновые в большом количестве появляются каждый день по всей Вселенной. Только видны они лишь астрономам. Для человечества очень хорошо, что взрывы сверхновых происходят далеко. Если бы взорвалась одна из соседних звезд, это могло бы привести к гибели живого на нашей планете из-за сильной радиации. Но все массивные звезды, которые могут взорваться как сверхновые, находятся очень далеко от нас.

Парадокс, что фактическую гибель звезды называют сверхновой, но это связано с историей исследования звезд. Когда на небе в «пустом» пространстве, где ничего раньше не было, загоралась звезда, ее называли новой звездой. Автор названия – астроном эпохи Возрождения Тихо Браге, который детально описал такую вспышку. Когда неожиданно в небе начинает ярко-ярко гореть звезда – она затмевает все остальные. Поэтому ее назвали сверхновой.

На самом деле объекты там, конечно, были. Вспышка происходила не в пустоте. Просто далекие звезды с оборудованием XVII века разглядеть было трудно. До взрыва объект представляет из себя красного гиганта. После взрыва он сбрасывает оболочку. В звезде выгорает бóльшая часть вещества, и она уже не может поддерживать баланс. Оболочка улетает в космос на огромной скорости. В дальнейшем в этом месте образуется туманность. В более редких случаях так взрываются белые карлики. Как правило, это происходит в системах двойных звезд.

Оставшееся ядро звезды начинает сжиматься. В зависимости от массы первоначальной звезды получится один из двух объектов: либо нейтронная звезда, либо – если масса превышает 40 солнц – черная дыра.

Так может выглядеть Бетельгейзе с поверхности одной из своих планет. Иллюстрация

Следующий взрыв в Млечном Пути, как ожидают астрономы, произойдет в созвездии Ориона. Взорваться должен старый красный гигант – Бетельгейзе. Произойти это событие может в любой момент. Хотя большинство астрофизиков считают, что у Бетельгейзе в запасе все-таки есть несколько миллионов лет.