Текст книги "100 великих загадок астрономии"

В споре двух звезд рождается Седна?

С открытием Эриды вновь вспомнилось о том, что четкой границы между планетами и «непланетами» нет. Ведь при диаметре порядка одной или двух тысяч километров небесное тело уже имеет форму правильного шара и ничем не отличается от таких маленьких планет, как Плутон. Эта путаница смущала умы астрономов на протяжении нескольких лет, прежде чем в 2006 году было решено и Плутон не считать планетой.

К тому времени в поясе Койпера, далеко за орбитой Плутона, были уже открыты три «десятые» планеты кряду, и астрономический мир пребывал в явном замешательстве. Помимо Эриды, впервые замеченной 21 октября 2003 года, это был Квавар, открытый 4 июня 2002 года и насчитывающий, как определили поначалу, 1250 километров в поперечнике (по новейшим оценкам, его диаметр составляет 890 километров). А еще – Седна, обнаруженная 14 ноября 2003 года (об этом открытии было объявлено лишь в марте следующего года) и имеющая диаметр от 1200 до 1600 километров, что уже гораздо ближе к Плутону.

Снимок Седны (слева, отмечена кружком) и ее поверхность глазами художника

Квавар обнаружили Майкл Браун из Калифорнийского технологического института и Чадвик Трухильо из обсерватории «Джемини» (годом позже они же, а также Дэвид Рабиновиц из Йельского университета, заметят Эриду). На то время Квавар, как считалось, стал самым крупным объектом, открытым в Солнечной системе, начиная с 1930 года. Это классический представитель пояса Койпера. Он движется по круговой орбите на расстоянии почти 6 миллиардов километров от Солнца. Его орбита наклонена примерно под углом 8 градусов к эклиптике – плоскости видимого годичного перемещения Солнца, что довольно умеренно, если сравнить эту цифру с наклоном орбиты самого Плутона. Зато альбедо Квавара составляет всего 10 процентов. Эта планета кажется черной, как сажа. Поэтому она так долго оставалась незамеченной.

Найденную планету назвали в честь божества, которому поклонялись индейцы тонгва, населявшие когда-то местность в районе Лос-Анджелеса. По их легендам, Квавар спустился с небес, навел порядок в царившем хаосе, укрепил Землю на спинах семи великанов, сотворил животных, а потом и человека. На бывших охотничьих угодьях индейцев теперь располагается Калифорнийский технологический институт, в котором работали первооткрыватели этой планеты.

Седна получила свое название в честь эскимосской богини моря, живущей в ледяной пучине северных вод. На ее поверхности и впрямь царит страшный холод. Температура здесь достигает минус 243 °C. В этом нет ничего удивительного, ведь планета приближается к Солнцу самое большее на 11,4 миллиарда километров. Но даже тогда она оказывается в 76 раз дальше от Солнца, чем Земля, и в два раза дальше, нежели Плутон. По этой причине она выглядит на экране телескопа крохотным, едва различимым красноватым пятнышком.

Красная окраска Седны заметно отличает ее от других транснептуновых объектов. Причина такой окраски неясна. Очевидно, она свидетельствует о том, что на поверхности планеты содержатся соединения железа или присутствует большое количество органических веществ. В первом случае возникают аналогии с Марсом, во втором – с кометами. К слову, для появления на поверхности Седны оксида железа не требуется непременно наличия атмосферы.

Удаляется же Седна от Солнца на 130 миллиардов километров, совершая оборот вокруг него за 10 500 лет. Эта планета постоянно пребывает в полной темноте, и Солнце на ее поверхности выглядит небольшой звездочкой. Когда она находится в самой дальней точке орбиты, солнечные лучи летят к ней целых пять дней. Эксцентриситет ее орбиты превышает 0,8 – это неизмеримо больше, чем у Меркурия (0,21) и Плутона (0,25). Один оборот вокруг своей оси она совершает примерно за десять часов.

Это – самая отдаленная и холодная планета из всех, когда-либо найденных в Солнечной системе. Возможно, по ту сторону ее орбиты обращаются и другие похожие на нее планеты, но их невозможно разглядеть в наземные телескопы, да и сама Седна остается видна в телескоп всего около ста лет, а затем вновь невероятно удаляется от Солнца. Подобное поведение этой планеты порождает многочисленные гипотезы. Как признаются астрономы, «Седна сразу же заняла место “планеты-изгоя”, ранее принадлежавшее Плутону. Ее сильно вытянутая орбита снова нарушила устоявшиеся представления о Солнечной системе».

Так, современная модель возникновения планет подразумевает, что самые крупные объекты пояса Койпера ввиду их малой плотности должны были формироваться на протяжении нескольких сотен миллионов лет. Однако сам протопланетный диск, по оценке астрономов, существовал менее 10 миллионов лет. Для объяснения этого противоречия строятся разные гипотезы.

Несомненно, орбита Седны была изначально круговой. Ее не могли трансформировать ни маленький Плутон, ни огромный Нептун, поскольку они находились слишком далеко. Может быть, эта орбита является столь вытянутой потому, что близ Седны располагался очень массивный объект, принадлежащий Солнечной системе? Впрочем, радиус орбиты подобного объекта должен составлять примерно 200 астрономических единиц. Существование этой крупной планеты стало бы столь же громкой сенсацией, как и существование самой Седны.

А почему бы не объяснить изменение этой орбиты внешними факторами, игрой космических сил, действующих за пределами Солнечной системы? По расчетам американских астрономов Скотта Кениона и Бенджамина Бромли, более четырех миллиардов лет назад Солнце сблизилось с некой звездой, тоже окруженной вереницей планет. Расстояние между ними составило всего 150–200 астрономических единиц. На периферии обеих планетных систем, на расстоянии свыше 50 астрономических единиц от материнской звезды, очевидно, все перемешалось во время этого рандеву. Возможно, чужая звезда увлекла за собой некоторые наиболее крупные объекты, находившиеся на окраине Солнечной системы. Поэтому Седна так удалилась от Солнца. Если бы обе звезды подошли еще ближе друг к другу, то и Нептун изменил бы свою орбиту и вместо круга описывал бы эллипс.

Но есть и другая, прямо противоположная гипотеза. Возможно, Седна первоначально обращалась вокруг чужой звезды и затем покинула ее. Вероятность этого события составляет 10 %. Вместе с ней из «космической тьмы» на сторону Солнца могли переметнуться от нескольких тысяч до нескольких миллионов небесных тел, которым был уготован «светлый плен». В таком случае на периферии Солнечной системы находится вещество другой звездной системы. Зачастую орбиты этих новых спутников Солнца наклонены к центральной плоскости Солнечной системы под очень большими углами, превышающими 40 градусов.

В настоящее время в радиусе четырех световых лет от Солнца нет ни одной звезды, однако около четырех с половиной миллиардов лет назад все могло обстоять иначе. Ведь новые светила чаще всего рождаются целыми группами из сотен и даже тысяч звезд.

Эта гипотеза объясняет еще один странный факт. На расстоянии 50 астрономических единиц от Солнца пояс Койпера резко очерчен. Дальше Солнечная система внезапно пустеет, будто что-то «вымело» оттуда все астероиды и кометы. Расчеты же показывают, что плотность протопланетного диска по мере удаления от Солнца должна уменьшаться постепенно. Что если встречная звезда, однажды разминувшаяся с Солнцем, и «очертила» границу пояса Койпера, а вовсе не какая-то мстительная Немезида, которую не разглядишь в лучшие телескопы планеты?

Где прячется Немезида?

Грандиозные катаклизмы не раз меняли облик Земли. После этих «бурь» исчезали процветавшие прежде виды растений и животных, в то время как другие, вроде бы находившиеся на обочине эволюции, начинали стремительно развиваться. За последние полмиллиарда лет произошло пять крупных катастроф, во время которых наблюдались массовые вымирания всего живого. Подчас их жертвами становилось до 75–80 % всех видов животных, населявших нашу планету. Среди них – аммониты, трилобиты, динозавры, птерозавры, ихтиозавры.

Помимо этих грандиозных «смен декораций» в истории Земли было и немало других периодов, когда значительная часть ее обитателей гибла. Порой таинственный рок расправлялся лишь с морскими животными, порой загадочный мор уносил «всего» 30–40 % видов животных, порой вымирание охватывало только животных, населявших отдельные континенты или регионы.

Чем были вызваны эти катастрофы? Мощными извержениями вулканов? Резкими колебаниями климата? А может быть, причину следует искать в глубинах неуютного космоса, окружающего нас?

В 1984 году палеонтологи из Чикагского университета Джон Сепкоски и Дэвид Рауп попытались ответить на этот вопрос. Они проанализировали частоту массовых вымираний животных и пришли к неожиданному выводу. Периоды гибели целых семейств морских организмов подчиняются определенному ритму – повторяются через 26–33 миллиона лет (в качестве среднего показателя была принята цифра 27 миллионов лет – именно с такой периодичностью возрастало число падений метеоритов на нашу планету). За последнюю четверть миллиарда лет лишь дважды – около 170 и 120 миллионов лет назад – не наблюдалось этого поголовного истребления животных, населявших моря.

Как ни сенсационны были эти выводы, но Сепкоски и Рауп добавили к ним еще одну неожиданную гипотезу. По их мнению, массовые вымирания были связаны не с земными – геологическими – причинами, а с ударами из космоса. Незадолго до этого Луис и Уолтер Альваресы уже предположили, что на исходе мелового периода динозавров погубил именно «космический блицкриг» – падение метеорита на полуостров Юкатан. Почему бы не связать и другие загадочные случаи с ударами астероидов или комет?

В целом статья – особенно выводы, сделанные из нее, – была встречена среди коллег скептически. Однако она казалась так основательно аргументирована, что, похоже, и впрямь периодичность земных катастроф не являлась ни случайным совпадением, ни умозрительной игрой. Вскоре некоторые астрономы начали увлеченно искать небесные тела, которые могли бы вызывать подобные события.

Так возникла идея, что у Солнца есть невидимый нами спутник – звезда Немезида, извечно сопровождающая его. Она то удаляется от него на 90 тысяч астрономических единиц (1,4 световых года), то – каждые 27 миллионов лет – сближается с ним на расстояние порядка 20 тысяч астрономических единиц. Оказавшись на периферии нашей планетной системы, она вносит разлад в размеренное кружение комет, пребывающих в облаке Оорта (считается, что это облако занимает область на расстоянии от 2000–5000 до 50 тысяч астрономических единиц от Солнца).

Проблема в том, что никаких других признаков существования этой звезды, кроме статистики смертей на нашей планете, пока нет. Можно предположить, что звезда не должна быть яркой или массивной. Она гораздо меньше и темнее Солнца. Вполне может статься, что она давно внесена в каталоги слабо светящихся звезд, хотя особенности ее движения так и не были выявлены.

Американский физик Ричард Маллер, увлеченный гипотезой Альваресов, одним из первых заговорил о существовании Немезиды, названой так в честь греческой богини возмездия. На страницах журнала «Nature» в апреле 1984 и феврале 1985 годов Марк Дэвис, Пит Хат и Ричард Маллер описали эту гипотетическую звезду как слабо светящийся красный или коричневый карлик, который движется по очень вытянутой орбите. Перигелий Немезиды находится в облаке Оорта. Всякий раз, пересекая это облако, она нарушает ход комет, заставляя множество их сойти с привычных орбит. Ученые оценили число потревоженных комет астрономической цифрой: 10⁹ комет. На протяжении последующих нескольких десятков тысяч лет они устремляются в центральную область Солнечной системы, причем от 10 до 200 комет обрушиваются на поверхность нашей планеты, опустошая целые регионы и вызывая гибель всего живого.

Как отмечают Мартин Уайнберг, Стюарт Шапиро и Айра Вассерман, опубликовавшие свои работы на страницах журналов «Icarus» (1986) и «The Astrophysical Journal» (1987), вероятность существования подобных двойных звезд с периодом обращения в 27 миллионов лет и большой полуосью, равной примерно 10⁵ астрономических единиц, достаточно мала, но тем не менее ею невозможно пренебрегать.

Облако Оорта

Впрочем, многие ученые отнеслись к этой гипотезе с нескрываемым скепсисом. В самом деле, есть в ней что-то от мистических учений древних времен. Суть ее вполне можно было бы передать в духе легенд и мифов. Высоко в небе прячется «звезда демонов» – второе Солнце. Никому из смертных не суждено увидеть ее. Давным-давно, задолго до того, как на Земле поселились наши прадеды и деды, звезда демонов напала на Солнце. Сотни хвостатых комет устремились тогда в сторону светила, словно стрелы и копья – к стенам крепости. Многие из комет вонзились в Землю, изранив ее. Тело ее стало остывать. На планете воцарилась зима. Почти все, кто жил тогда на Земле, умерли от напасти, насланной демонами. Заколдованная ими звезда, так и не добившись своей цели – не погубив Солнце, еще несколько раз нападала на него, но под ударом всегда оказывалась Земля. Сейчас эта звезда затаилась и ждет. Но она вернется, обязательно вернется.

И все-таки, хотя ученые и встретили эту гипотезу скептически, она вполне научна, и не случайно статьи о Немезиде печатались в авторитетных научных журналах. Ведь гипотезу можно проверить путем астрономических наблюдений, а это главное! Можно попытаться отыскать эту звезду, а если она найдется, изучить ее свойства и предсказать поведение.

Поиски «звезды смерти» ведутся уже четверть века, но пока не увенчались успехом. А может быть, дело вовсе не в Немезиде? И роль ее готова играть любая случайная звезда?

Оценивая гипотезу Дэвиса, Хата и Маллера, британский астроном Уильям Нейпьер отметил, что звездная пара, состоящая из Солнца и карликовой звезды, которая обращается по вытянутой орбите, была бы очень неустойчивой. Гравитационные возмущения, вносимые межзвездными газовыми облаками, которыми окружена Солнечная система, непременно повлияли бы на орбиту Немезиды. Уже после нескольких оборотов ее большая полуось сократилась бы до 100 астрономических единиц.

Тот же профессор Нейпьер предлагает другое объяснение периодических катастроф, постигающих Солнечную систему. Каждые 35 миллионов лет в своем движении вокруг центра Галактики она пересекает галактическую плоскость, и тогда заметно возрастает вероятность того, что ее размеренную жизнь может что-либо потревожить. В облаке Оорта начинается беспорядочное движение комет, и все чаще какая-либо из них внезапно приближается к Земле и сталкивается с ней.

…К слову, в последний раз массовое вымирание животных на нашей планете наблюдалось около 30 миллионов лет назад. Возможно, звезда по имени Немезида, если она и впрямь существует, уже приближается к границам Солнечной системы? Удастся ли ее обнаружить?

Вестницы жизни из космоса

На протяжении столетий астрономы пытались понять тайны внезапного появления комет. Но даже теперь, в век космонавтики, они остаются одними из самых загадочных и наименее исследованных небесных тел. Их можно назвать «живыми ископаемыми». Они сформировались одновременно с планетами около 4,6 миллиарда лет назад, но в отличие от последних почти не изменились с тех пор. Большую часть времени они проводят среди мрака и холода, на окраине Солнечной системы, а потому представляют собой своего рода «законсервированный архив», в котором хранятся сведения о далеком прошлом нашей космической родины. Может быть, там, внутри комет, укрытые от космических лучей и ударов микрометеоритов, покоятся образцы вещества, оставшиеся с эпохи зарождения нашей планетной системы?

Лишь время от времени кометы срываются с привычной орбиты и устремляются в центр Солнечной системы. Тогда астрономы имеют редкую возможность исследовать их и узнать, что таится за их видимой поверхностью.

Четвертого июля 2005 года, во время обстрела кометы Темпеля-1 автоматическим зондом «Deep Impact», ученые впервые заглянули внутрь кометы. Сразу после удара над ней поднялись беловатые клубы газов, а затем и облако взвихренной пыли. Всего, по оценке экспертов, она потеряла в тот день около 1000 тонн вещества. Спектральный анализ показал, что комета Темпеля-1 содержала, например, кристаллические силикаты. Эти соединения образуются при температурах порядка 700–800 °C. Очевидно, они возникли в окрестностях Солнца.

Полгода спустя, 17 января 2006 года, в ходе другого эксперимента зонд «Стардаст» доставил на Землю тысячи крохотных частиц кометы Вильда-2. Впервые со времен лунных экспедиций на нашу планету было привезено внеземное вещество. По своему химическому составу эта комета напоминала другие тела Солнечной системы. Здесь имелись, например, зерна кальция и алюминия. Они тоже образуются лишь при очень высоких температурах, – вероятно, поблизости от Солнца.

Спектральный анализ показал, что комета Темпеля-1　содержала кристаллические силикаты

Подобные находки свидетельствуют о том, что уже 4,6 миллиарда лет назад кометы бороздили нашу планетную систему, снова и снова сближаясь с Солнцем. По-видимому, их активность была обусловлена вихревыми процессами, которые протекали в протопланетном облаке.

Период обращения комет очень разнится. Так, полторы сотни известных науке короткопериодических комет совершают оборот вокруг Солнца за период от трех до 200 лет, удаляясь от него в ту область, где пролегают орбиты планет-гигантов. Например, афелий кометы Вильда-2 (самая удаленная от Солнца точка орбиты) находится близ орбиты Юпитера, а афелий кометы Галлея – по ту сторону орбиты Нептуна.

Период обращения длиннопериодических комет составляет от 200 до нескольких миллионов лет. К из числу относятся появлявшиеся в середине 1990-х годов кометы Хейла-Боппа (период обращения – 4000 лет) и Хиякутаке (около 40 тысяч лет). Теоретически они могут и не возвращаться к Солнцу, а покинуть нашу планетную систему.

Астрономы наблюдали за сотнями комет, но тем не менее загадка их происхождения до конца не раскрыта. Какое-то время родиной всех комет считалось облако Оорта – громадная сфера из пыли, льда и каменных крупиц, окружающее Солнечную систему. В 1950 году нидерландский астроном Ян Хендрик Оорт предположил, что это облако является своего рода «резервуаром комет». Они медленно движутся по обычным для себя орбитам, и лишь из-за внешнего воздействия срываются со своих мест. Что же заставляет их устремляться к Солнцу? Возможно, влияние звезд, оказавшихся поблизости от Солнечной системы? А может, таинственная звезда Немезида?

Гипотеза Оорта хорошо соотносилась с тем, что мы знаем о длиннопериодических кометах, однако не объясняла характер движения короткопериодических комет. Тогда же Джерард Койпер высказал догадку, что в Солнечной системе имеется еще одно «вместилище комет». Оно расположено сразу за орбитой Нептуна. Небольшими темными шарами, лишенными привычного для нас хвоста, кометы проносятся в этой космической дали. Их не разглядеть даже в телескоп, ведь их размер не превышает нескольких километров.

Лишь в 1988 году канадские астрономы путем компьютерного анализа подтвердили, что особенности орбит короткопериодических комет можно объяснить существованием подобного пояса. По их расчетам, там находится от 100 миллионов до 10 миллиардов кометных ядер. Наконец, в начале 1990-х годов астрономам наконец, удалось разглядеть первые объекты из пояса Койпера. Впрочем, небольшие кометные ядра по-прежнему невозможно увидеть в телескопы, но нет никакого сомнения в том, что их там множество.

Ядра комет и теперь еще остаются «белыми пятнами» астрономии. Их строение почти неизвестно ученым. Долгое время они анализировали их состав лишь косвенными методами – методами спектрального анализа света, отраженного кометами.

По мнению американского астронома Фреда Уиппла, опубликовавшего в 1950 году свою теорию «грязных снежков», ядра комет на три четверти должны состоять из водяного льда, а также замерзшего оксида углерода, углекислого газа, метана и аммиака, а еще на четверть – из пыли и камней.

Лишь когда в 1986 году межпланетный зонд «Джотто» приблизился к комете Галлея, переданные им фотографии подтвердили правоту Уиппла. Впервые астрономы увидели, как выглядит ядро кометы. Оказалось, что оно отражает не более 5 % солнечного света, упавшего на него, – даже меньше, чем отражает асфальт. Вся поверхность ядра кометы была покрыта сажей, из-под которой местами вырывались яркие фонтаны испарявшегося льда, увлекавшего за собой пыль.

Плотность пористого кометного ядра, как предположил Уиппл, так мала, что пробить его поверхность можно легким ударом ладони. Что ж, судя по эксперименту, проведенному зондом «Deep Impact», поверхностный слой кометы, пожалуй, даже рыхлее снежной пороши.

В 2014 году состоится еще один важный эксперимент: запланирована посадка европейского зонда «Розетта» на поверхность кометы Чурюмова-Герасименко. Астрономы готовы к любым неожиданностям: к тому, что зонд увязнет в пыли, перемешанной со снегом, или ударится о ледяную гладь.

С некоторых пор кометы интересуют как астрономов, так и геологов. Ведь эти небесные тела, возможно, не только принесли на Землю жизнь (теория панспермии), но и наполнили все впадины на нашей планете водой. Оживленная дискуссия на эту тему вспыхнула в 1981 году, когда в руки ученых попали фотоснимки, сделанные в верхних слоях атмосферы спутником «Dynamics Explorer». Это были потрясающие по качеству фотографии, на которых, впрочем, виднелось множество черных точек. Дефект фотопленки? Совсем иначе рассудил Луис Фрэнк из Айовского университета. По его мнению, камера запечатлела многочисленные космические «снежки», летящие в сторону Земли. Каждый день, по словам Фрэнка, нашу планету обстреливает около 30 тысяч ледяных комет, которые испаряются, попав в атмосферу.

Смелое утверждение! Пожалуй, за миллионы лет эти «снежки» принесли на Землю столько воды, что вся планета покрылась морями и океанами! Впрочем, соотношение изотопов водорода, содержащихся в отдельных кометах, не совпадает с соотношением изотопов водорода в Мировом океане. Быть может, это связано с тем, что химический состав исследованных комет не характерен для раннего периода истории нашей планеты? Поистине, кометы хранят еще так много тайн!