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

Ну а для нас сверхновые имеют огромное значение, ведь они отвечают за химическую эволюцию галактик. Выбрасывают вещество, в котором заложена вся таблица Менделеева.

Взрывы сверхновых – основной источник пополнения меж-звездной среды элементами, которые тяжелее гелия. Они образуются в недрах звезд в результате термоядерных реакций и после взрыва вылетают в космос.

Золото – драгоценный металл, из-за которого сломано так много копий, – когда-то образовалось в недрах массивных звезд и разлетелось по всей галактике

Без сверхновых концентрация на Земле важных для нас элементов – от кислорода и углерода до железа и золота – была бы на порядок ниже. Причем если первые два еще относительно распространены, то подавляющее большинство тяжелых металлов – это остатки после взрывов сверхновых.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

За всю историю человечества было добыто 166,5 тысяч тонн золота.

Бóльшая часть – 50 % – была направлена на изготовление ювелирных изделий, 12 % – на технические нужды. Если сложить все добытое золото, то получится куб со сторонами 20,5 метра. Не так уж много. А сколько человек полегло в битвах за этот дефицитный металл!

Золото не образуется в недрах земли. Все золото на нашей планете имеет космическое происхождение. Оно образуется в недрах массивных звезд и разносится по галактикам после того, как звезды взорвутся как сверхновые.

Столкновение нейтронных звезд – также один из распространенных путей появления драгоценных металлов во Вселенной, как считал Стивен Хокинг. В этот момент выделяется огромное количество энергии, что приводит к образованию тяжелых элементов, которые после взрыва разбрасываются по космосу.

Также сверхновые стимулируют звездообразование, пополняя запасы межзвездного газа. Для появления жизни в галактике должны образовываться новые звезды. Процесс должен быть постоянным. С элементами таблицы Менделеева мы разобрались. Но из золота жизнь не возникнет. Откуда жизнь берет строительный материал? Оказывается, во Вселенной много органики!

С неживой природой все более или менее ясно. А как обстоят дела с органикой? Как оказалось, органического вещества во Вселенной довольно много. Ученые регулярно находят следы органических веществ на метеоритах.

Мурчисонский метеорит – один из самых древних, когда-то падавших на нашу планету. В его составе ученые нашли много любопытного. И это логично – ведь метеорит существовал еще до появления Солнца. Самое интересное из того, что было в метеорите, – множество органических соединений. За это ученые прозвали его «самым живым» метеоритом. Вещество, входящее в состав метеорита, образовалось 4,5–7 миллиардов лет назад. Значит, в его составе есть элементы, которые на 3 миллиарда лет старше нашей планеты!

Фрагмент Мурчисонского метеорита. Фото из архива Shutterstock

Вероятно, в истории Земли были и более древние метеориты. Но большинство из них упали на нашу планету на заре ее существования, когда у Земли еще не было мощной атмосферы. Да и планета была раскаленной и с более жидкой консистенцией. Метеоритное вещество, таким образом, проваливалось в нижние слои.

Мурчисонский метеорит упал 28 сентября 1969 года в Австралии, вблизи деревни Мурчисон неподалеку от Мельбурна. Метеорит весил свыше 100 килограммов, но раскололся при падении на множество фрагментов.

Метеорит был известен давно, но ученые смогли полноценно исследовать его только в последние годы: в XX веке лабораторных мощностей не хватало для столь детального анализа.

Основа метеорита – так называемые досолнечные реликты (второе название – досолнечные зерна). Это частицы минералов, которые собирались вокруг умирающих звезд еще до появления Солнечной системы. Состоят частицы в основном из карбида кремния. Это старейшие твердые вещества на Земле.

Семь миллиардов лет назад в нашей галактике происходило интенсивное звездообразование. К моменту появления Солнца, 4,57 миллиарда лет назад, процесс бурного образования звезд уже начал угасать. Изотопный состав частиц указывает на то, что они остались после взрыва сверхновой. Это была звезда с массой примерно в 25 раз больше нашего Солнца.

Международная команда ученых во главе с Йосихиро Фурукавой из Университета Тохоку детально изучила состав метеорита. Всего было найдено 14 тысяч различных органических соединений. Самые интересные из них – аминокислоты и органические вещества, входящие в состав ДНК и РНК. Разберем их подробнее. В метеорите удалось обнаружить свыше 70 аминокислот. В частности, он содержал аланин, глицин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, которые часто встречаются в белках на Земле.

Если вы когда-нибудь увлекались спортом и спортивной диетологией, то сразу поймете, сколько полезного было в этом метеорите. Такое ощущение, что это просто инопланетный атлет сделал заказ из магазина спортивного питания на свою какую-нибудь Альфа Центавру (по меркам космоса – подъезд по соседству от нас). Метеоритный курьер запутался и принес не туда, а на нашу Землю.

Глицин (аминоуксусную кислоту) многие покупают в аптеках как успокаивающее перед сном и для улучшения памяти. Глициновые рецепторы находятся в большом количестве в головном и спинном мозге. Он оказывает тормозящее воздействие. Это простейшая стабильная аминокислота, которой много в органических тканях. Глицин также регулярно находят в межзвездной среде.

Найденные аминокислоты – незаменимые кирпичики для появления жизни. Дальнейшие исследования космоса показали, что в нашей галактике много подобных соединений. А значит, существует вероятность возникновения жизни на других планетах. Однако и это еще не все. Кроме аминокислот, в составе метеорита обнаружены пурины и пиримидины. Они входят в состав нуклеотидов и нуклеозидов, которые являются важными структурными элементами ДНК и РНК, а также входят в состав источника энергии – АТФ.

Философ-позитивист Огюст Конт в 1835 году сказал: «Наука – это прекрасно! Но вы никогда не узнаете, из чего состоят Солнце и звезды». Прошло 25 лет, и немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф изобрели первый спектрометр. С помощью спектрального анализа можно разложить свет звезд и понять, какое вещество его испускает. А значит, узнать, из чего состоят звезды. Люди узнали и были поражены: у звезд то же самое вещество, что есть и на нашей Земле! И действуют те же законы физики.

То же сейчас происходит и с органикой. Это не прерогатива нашей планеты. Органических соединений очень много во Вселенной. А значит, высока вероятность, что где-то еще, на других планетах, им выпал шанс соединиться в причудливую форму под названием «жизнь».

В 2019 году на метеорите впервые нашли сахар. И это не рафинад. Не подумайте, не то чтобы какой-то инопланетянин захотел попить чайку, а тут – бац – люди! Впопыхах убежал и сахар рассыпал. Речь идет об углеводных соединениях, которые называются сахарами и входят в состав в том числе ДНК и РНК. А значит, являются одним из базовых элементов органической жизни.

Группа ученых из Японского агентства аэрокосмических исследований изучила данные, полученные с помощью космического аппарата NASA OSIRIS-REx с двух небольших астероидов Рюгу и Бенну. И каково же было их удивление, когда они обнаружили в составе астероидов сахар, который необходим для формирования жизни!

Это открытие подтвердило важную гипотезу: химические реакции на космических объектах могут привести к созданию базовых для появления жизни элементов. То есть неорганическая материя в космосе способна порождать сложные органические соединения, которые лежат в основе жизни.

Ученые изучали метеориты, богатые углеродами, и обнаружили на них несколько видов сахаров, в частности рибозу, арабинозу и ксилозу. Рибоза является ключевым компонентом РНК. Эта молекула играет важную роль – кодирует генетическую информацию. Образно говоря, РНК – это инструкция для организма, как синтезировать белок. А ДНК – автор этой инструкции.

«Раньше на метеоритах уже находили другие компоненты, важные для жизни. Например, аминокислоты, из которых состоят белки, и базовые элементы для нуклеиновых кислот, которые нужны для ДНК и РНК. Но сахар до сих пор найти не удавалось! – говорит ведущий автор исследования Есихиро Фурукава из Университета Тохоку. – Сахара – это была последняя недостающая часть среди строительных блоков, из которых строится жизнь».

Вечная загадка происхождения жизни – как живая материя могла возникнуть из неживой с помощью химических процессов. И, похоже, все базовые органические элементы есть в космосе. Они могут образовываться из неживой материи.

Органические вещества образуются из неорганических во время столкновения частиц на высоких скоростях. Такое возможно в условиях высокой плотности, температуры – например, когда образуются или сталкиваются звезды.

А уже из простых органических соединений типа метанола синтезируются более сложные вещества. При столкновении звезд, как брызги во время взрыва, образуются метеориты, которые разносят органические вещества по всей галактике. Скорее всего, когда-то именно таким образом они были занесены на Землю. И, попав в благодатный край, дали начало жизни на нашей планете.

Астрофизики обнаружили резервуары для органических молекул, которые необходимы для возникновения жизни. Вокруг молодых звезд образуются диски плотного газа, которые вращаются вокруг звезды. Это так называемые протопланетные диски, из них потом и образуются планеты. Процесс образования планет из дисков занимает от нескольких сотен тысяч до миллионов лет. То есть, по меркам Вселенной, происходит довольно быстро.

Ученые изучили протопланетные диски у нескольких недавно образованных звезд. И обнаружили в них залежи больших органических молекул. Оказалось, что базовые химические условия, которые привели к возникновению жизни на Земле, могли быть широко представлены в нашей галактике, как считает астрофизик Джон Или из Университета Лидса.

Эти молекулы являются ступеньками между простыми молекулами, например оксидом углерода, и сложными органическими, которые нужны для создания жизни. Из этих «сырьевых ингредиентов» потом формируются сахара, аминокислоты и компоненты РНК. Такие диски окружали когда-то и молодое Солнце. Из них образовались планеты.

Для изучения «космических» молекул ученые использовали телескоп ALMA, который находится в Чили на высоте 5 километров. Телескоп улавливает даже очень слабые сигналы. Каждая молекула изучает уникальный спектр волн, оставляя неповторимый отпечаток. И структуру вещества в отдаленных частях космоса можно узнать по этим своеобразным «отпечаткам пальцев». Они позволяют ученым определять присутствие молекул и исследовать их свойства.

Прежде всего ученые искали присутствие трех молекул: циано-ацетилен (HC₃N), ацетонитрил (CH₃CN) (нитрил уксусной кислоты, используется как растворитель) и циклопропенилиден (c-C₃H₂). Эти молекулы были необходимы для появления жизни на нашей планете 4 миллиарда лет назад.

Ученые обнаружили эти органические молекулы в четырех из пяти наблюдаемых дисков. Кроме того, количество молекул оказалось значительно выше, чем ожидалось. «Молекулы расположены преимущественно во внутренних областях протопланетных дисков. Их оказалось в 10–100 раз больше, чем предсказывали математические модели», – заявил Джон Или.

Получается, что шансы на то, что даже в нашей галактике есть жизнь, намного выше, чем считалось ранее. Ведь все строи-тельные кирпичики уже на месте! Что ж, как видите, в нашей Вселенной есть достаточно органического материала, чтобы строить жизнь во всем ее многообразии.

Получается, что все мы состоим из частичек, которые были созданы миллиарды лет назад и вышли из недр гигантских звезд, которые когда-то взорвались как сверхновые.

Глава 9
Черные дыры

Черные дыры – пожалуй, самый интересный космический объект для любого человека, не связанного в своей профессиональной деятельности с космосом. Насколько черные дыры интересны обычным людям, настолько про них не любят рассуж-дать астрофизики. Это сложные объекты, которые довольно неплохо исследованы. Они играют серьезную роль в развитии наших галактик. Но изучение черных дыр особого удовольствия астрофизикам не приносит. Это суровые объекты, которые напоминают о бренности нашего бытия.

Черная дыра – это объект гигантской массы. При этом компактно упакованный. Это наделяет черную дыру удивительными свойствами: она может затягивать в себя даже свет! Фотоны не могут свободно пролететь мимо, не будучи затянутыми этим гигантским космическим монстром.

Важный момент, о котором часто забывают: сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем больше расстояние, тем слабее притяжение. А компактные размеры черной дыры при гигантской массе дают ей супергравитацию. Ее гравитация настолько плотная, что сдавливает вещество максимально. Ведь в атомах на самом деле много пустоты. Ядро и электрон занимают лишь небольшую часть атома.

Главная особенность черной дыры – у нее есть так называемый горизонт событий. Это граница, за которой исчезает все, даже свет. Никакая информация, попав в черную дыру, не может из нее ускользнуть. Обратного пути у вещества, которое прошло горизонт событий, уже нет. Если максимально упростить, то горизонт событий – это та линия, где скорость, с которой нужно вырваться из черной дыры, превышает скорость света. Вам нужно двигаться быстрее света (что невозможно для любого вида материи), чтобы вырваться из цепких лап гравитации черной дыры. Она эффективно собирает и складывает в своих недрах вещество.

Черную дыру можно смело назвать перфекционистом среди материальных объектов. Если бы черная дыра была человеком, из нее получился бы идеальный дизайнер интерьеров. В скромную «однушку» этот дизайнер уместил бы вещи целой многоэтажки, максимально четко и компактно разложив их по полочкам.

Действительно, напрямую черную дыру увидеть нельзя. Но можно заметить по проявлениям.

Во-первых, через систему двойных звезд, одна из которых – черная дыра. Она начинает постепенно забирать вещество у своей «сестры», и этот процесс хорошо заметен. С помощью гравитации она засасывает в себя поток плазмы и газа. На данный момент это самый распространенный способ обнаружения черных дыр.

Во-вторых, через перепады светимости далеких звезд. Когда черная дыра пролетает между звездой и Землей, где расположены наши телескопы, она забирает себе часть света. Звезда резко тускнеет.

Также сверхмассивные черные дыры можно заметить по так называемому аккреционному диску. Черная дыра затягивает в себя гигантские объемы вещества, которые начинают крутиться вокруг нее на огромных скоростях. Из-за высокой вязкости возникает сила трения, которая заставляет материю светиться.

Сверхмассивные дыры часто находятся в центрах галактик, из-за чего те ярко светятся.

Черная дыра раскручивает вокруг себя вещество с огромной скоростью. Для сравнения: Меркурий, который находится максимально близко к Солнцу, движется вокруг нашего светила со скоростью около 48 км/c, а звезды и другие космические объекты, захваченные черной дырой и вращающиеся вокруг нее, разгоняются до 5000 км/с.

Если фотон не имеет массы, почему свет затягивается в черную дыру под действием гравитации?

Частица света – фотон – относится к безмассовым частицам. То есть его масса равна нулю. Такие частицы всегда движутся со скоростью света. Безмассовые частицы могут менять направление движения, энергию и импульc.

Импульс релятивистской частицы (то есть частицы, которая движется со скоростью, близкой к скорости света) считается не по методам классической физики, поэтому частицы с нулевой массой вполне могут его иметь. Энергия высчитывается по следующей формуле:

E = c √(p² + m²c²)

Дальше подставляем массу фотона m = 0. Зная энергию, высчитываем импульс. Импульс фотона:

P = Е/c = hv/c = h/λ.

Здесь h – константа, постоянная Планка. Импульс зависит от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше импульс. Поэтому фотоны фиолетового цвета имеют импульс и энергию больше, чем фотоны красного цвета.

Черная дыра притягивает вещество с помощью своей гигантской гравитации. Как же она затягивает безмассовую частицу? Ведь, как мы прекрасно помним, сила притяжения зависит от произведения масс. Если у одного из объектов масса равна нулю, то и сила притяжения, соответственно, равна нулю. Как же черная дыра притягивает фотон?

С точки зрения ньютоновской гравитации это и правда невозможно. Но объекты типа черных дыр нельзя просчитать с помощью ньютоновской физики. Для них используют общую теорию относительности.

Здесь пространство-время искривлено материей. Все объекты продолжают двигаться по прямым траекториям так же, как двигались раньше. Просто пространство-время здесь бесконечно искривлено.

Черная дыра создает так называемый гравитационный колодец. Принцип его такой. Представьте себе бесконечный колодец. Если в него упадет, скажем, капля воды, она будет двигаться по прямой. И бесконечно долго. Но с внешней стороны капля просто исчезла, хотя она существует и движется. Фотон и дальше продолжает лететь по прямой линии, но для наблюдателя он скрыт. Исчез, так как залетел в гравитационный колодец. Ведь фотону нужно пространство, чтобы двигаться, – он летит по траектории.

Гравитационный колодец. Иллюстрация

Представьте себе шоссе. Вы можете ехать только там, где проложен асфальт. А теперь представьте, что само шоссе движется с такой скоростью, что даже если вы попытаетесь повернуть назад и двигаться против движения шоссе – вы не сможете.

Если свет попал внутрь черной дыры, тут пространство растягивается таким образом, что фотонам, чтобы выбраться, нужно суметь изменить направление и двигаться быстрее света. Для фотона это невозможно. К тому же фотон не пропадает в черной дыре навсегда. Черная дыра постепенно испаряется, испуская частицы.

Гравитация не может замедлить фотоны, но она забирает у них энергию, поэтому они смещаются в красную область. То есть выходят уже ослабленными, красного спектра. Это уже не те фотоны, которые когда-то в нее залетели (подробнее см. далее главу «Черные дыры со временем испаряются», этот эффект называется излучением Хокинга).

Впрочем, масса фотона в некоторых случаях может быть и не нулевой. Это гипотетический тяжелый фотон, экспериментально пока не обнаруженный. И он может обладать массой, просто очень маленькой. По оценкам астрофизика Дмитрия Будкера из университета Гутенберга, масса тяжелого фотона не может превышать 10 в – 18 степени электронвольт (в физике электронвольтами измеряют массу микрочастиц). В таком случае черные дыры могут взаимодействовать с фотонами, притягивая их с помощью классической гравитации.

Согласно общей теории относительности, черные дыры пусты. За горизонтом событий – пустота. А вся масса черной дыры сосредоточена в безразмерной точке, называемой сингулярностью. Поэтому упасть на нее и разбиться в привычном понимании этого слова не получится.

Но по отношению к сингулярности название «дыра» не совсем корректно. Дыра подразумевает пустоту, а это небесное тело, напротив, – максимально сжатый комок вещества. Но раз уж закрепился термин когда-то в науке, не так просто его поменять. «Дыра» – это скорее метафорическая, художественная интерпретация.

Ведь если что-то – свет или материя – попало в дыру, назад пути нет. И на фоне космоса она черная, так как практически ничего не излучает. Свет она не отражает, а захватывает, не выпуская из цепких объятий плотной материи.

Согласно уравнениям Эйнштейна, которые не раз подтверждались на практике, пространство и время не существуют сами по себе. Они связаны с объектом, зависят от его массы. Пространство-время искривляется даже рядом с вами, когда вы идете на работу. Но это настолько несущественное искривление, что, как говорят физики, мы спокойно можем им пренебречь.

Но когда речь идет о таком супермонстре, как черная дыра, искривление пространства-времени становится сильно заметным.

Речь идет о массивных звездах, которые как минимум в три раза больше нашего Солнца. Такая звезда в конце своего пути может коллапсировать в черную дыру. Ее размер будет очень маленьким – максимум несколько десятков километров.

У каждого объекта, даже у человека, есть так называемый гравитационный радиус. Он же радиус Шварцшильда. Назван он в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда, который первым предсказал существование черных дыр. Сделал он это в 1916 году, незадолго до смерти, точно решив уравнения Эйнштейна.

Гравитационный радиус – это тот радиус, при котором объект заданной массы превращается в сингулярность. Ну, или, говоря проще, в черную дыру. Высчитывается он по очень простой формуле:

r_g = 2GM/c²

где G – уже знакомая вам гравитационная постоянная, а в знаменателе – скорость света в квадрате.

Подставляем сюда массу объекта вместо М и получаем гравитационный радиус. Для Солнца, например, гравитационный радиус был бы равен 3 километрам. Для Земли он составил бы всего 9 миллиметров.

Но ни Солнцу, ни тем более Земле просто не хватит массы, чтобы сколлапсировать в черную дыру.