Текст книги "Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба"

Наблюдать звезды в инфракрасном диапазоне непросто. Трудность состоит в том, что мы живем внутри атмосферного покрывала Земли, нас затопляет его тепловая энергия и мы должны смотреть через эту пелену. Тогда как основные составляющие атмосферы азот (N₂) и кислород (O₂) по большей части прозрачны для инфракрасного излучения, вода (H₂O) эффективно поглощает такие лучи, как и углекислый газ (CO₂), и метан (CH₄). Более того, земля вокруг телескопа теплая; теплым остается и купол, и сам астроном, и воздух; все это сияет инфракрасным излучением (именно за счет этого работают камеры ночного видения). Сам детектор нужно охладить до температуры жидкого азота, чтобы он стал достаточно темным в инфракрасном диапазоне и смог зафиксировать хоть что-то. Из-за всех этих сложностей, а также из-за того, что надежные инфракрасные астрономические приборы не существовали почти до самого конца прошлого века, мы четко и однозначно обнаружили теплые диски вокруг звезд только в 1980-х гг.[96]96
  Конечно, если мы не видим их (то есть не получаем разрешенного изображения), тогда мы вынуждены догадываться, что же в действительности означает инфракрасный всплеск. Самый простой ответ – это протопланетный диск. Но для некоторых самых необычных наблюдений выдвигалось даже предположение об «инопланетных мегаструктурах». Тут я настроен скептически. При образовании звезд, как и при образовании планет, возникают кольца вещества, которые подогреваются таким образом, который хорошо согласуется с данными инфракрасных наблюдений. Странные, меняющиеся со временем системы – это вовсе не инопланетные мегаструктуры на разных этапах строительства (хотя, возможно, парочка таких во Вселенной и найдется…), но просто еще одна система в ходе сталкивания своих молодых планет.


[Закрыть] Это дало основания для осторожного оптимизма, что вскоре будут открыты системы экзопланет.

Высотные обсерватории, такие как Комплекс инфракрасного телескопа NASA (Infrared Telescope Facility, IRTF) на вершине вулкана Мауна-Кеа на Гавайях, позволяют нам выглядывать наружу через атмосферные окна в непрерывном излучении – длины волн, где вода и углекислый газ в какой-то мере прозрачны для инфракрасных лучей. Конечно, лучше всего заниматься инфракрасными наблюдениями в космосе, высоко над теплой, поглощающей излучение атмосферой и подальше от крупных излучающих объектов. Для этого был создан космический телескоп «Джеймс Уэбб» стоимостью 10 млрд долларов, который будет запущен в космос в 2021 г. Это инфракрасный телескоп со складываемым зеркалом диаметром 6,5 м, имеющий чувствительность от видимой области спектра до волн длиной 28,5 микрометра. Чтобы выполнять свою работу, телескоп должен выйти на орбиту в 1,5 млн километров от сияющей теплом Земли.

С теми же затратами можно было построить на Земле телескоп видимого диапазона с зеркалом в пять раз больше, использующий современные технологии адаптивной оптики, чтобы все изображение получалось в фокусе. Разрешение было бы в пять раз лучше, чувствительность в сто раз выше, комплекс было бы куда легче обслуживать, а данные передавались бы по проводам. Но в таком случае все равно не удалось бы увидеть формирующиеся планеты, потому что они заметны только в инфракрасном свете. Отдельные полосы поглощения в инфракрасном диапазоне также расскажут о химии образующейся планеты, то есть, заглядывая вперед, о том, каким будет состав ее почвы и атмосферы. Та же самая чувствительность к поглощению молекулами воды и углекислого газа в земной атмосфере, которая делает инфракрасные наблюдения такими сложными, делает их и очень ценными.

Первоначально заветной мечтой исследователей молодых звезд было сфотографировать планету, находящуюся на стадии формирования. Теперь это уже сделано для нескольких соседних планет, массивных горячих тел в глубине комковатого диска. Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) состоит из десятков отдельных телескопов с зеркалами диаметром от семи до двенадцати метров (размером с бассейн на заднем дворе). Эти телескопы установлены на мобильных платформах и занимают несколько квадратных километров на пустынном высокогорье в северном Чили[97]97
  Телескопы (тарелки диаметром в 7 или 12 м) размещаются оптимальным образом в зависимости от природы наблюдений – например, нужна ли вам максимальная чувствительность или максимальное разрешение снимка. Каждый телескоп на самом деле представляет собой точно откалиброванную радиоантенну гигагерцевого диапазона; полученные ими сигналы складываются в изображения.


[Закрыть]. На снимках ALMA отчетливо видны вложенные одно в другое кольца вокруг звезд, щели в дисках и другие структуры, которые указывают на присутствие обращающихся вокруг звезды массивных планет, разгоняющих газ и пыль по отдельным полосам. Аналогичный снимок землеподобной планеты – дело отдаленного будущего. Возможно, для этого потребуется еще несколько десятков лет и целая флотилия космических телескопов, расположенных на обширном участке космоса в виде напоминающей ALMA формации с большими расстояниями между устройствами.

Доказательства существования экзопланет появились еще в 1990-е и в основном базируются на двух популярных методах. Первый – обнаружение трудноуловимого гравитационного влияния, которое массивная планета оказывает на свою звезду. Любой из очень распространенных «горячих Юпитеров» – небесных тел, равных по массе Юпитеру, но обращающихся по орбите ниже Меркурия, – заставляет свою звезду совершать небольшие круговые движения с частотой в несколько недель или месяцев. Когда звезда обращается вокруг такого «барицентра», она в течение полугода приближается к наблюдателю, а в следующие полгода удаляется (имеется в виду, разумеется, планетный год). В ее излучении появляется небольшое периодическое красное/синее смещение, напоминающее красное смещение галактик, только намного, намного, намного слабее. Иначе говоря, эти вихляния звезды становятся причиной небольшого доплеровского сдвига спектральных линий, который могут зафиксировать только наиболее чувствительные методы измерения[98]98
  Спектральные линии йода и других элементов сдвинуты в свете этих звезд относительно спектральных линий аналогичных веществ на Земле.


[Закрыть]. Это дает нам лучевую скорость звезды, потому что мы замеряем скорость ее движения либо к нам, либо от нас и вычитаем из этого значения скорость орбитального движения Земли вокруг Солнца в момент наблюдения.

Другой метод описать проще: это поиск прохождений (или транзитов), когда планета оказывается перед звездой, делая ее свет более тусклым. Первоначально было трудно доказать, что такие колебания яркости указывают на существование экзопланет, поскольку звездные пятна иногда выглядят почти так же, но теперь наблюдения прохождений обеспечивают основной массив данных для открытия и исследования экзопланет. Астрономия звездных транзитов пережила расцвет в 2010-е гг., во время работы космического телескопа «Кеплер», на протяжении более пяти лет использовавшего 95-мегапиксельную камеру для постоянного наблюдения за 150 000 звезд. Фиксируя моменты, когда их свет тускнел и снова разгорался, «Кеплер» обнаружил многие тысячи затмевающих свои светила планет.

Двадцать изображений протопланетных дисков, полученных Большим атакамским миллиметровым комплексом.

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Когда я учился в магистратуре в 1980-е гг., я в основном занимался теорией, но помню, как астрономы целыми ночами пропадали у телескопов в близлежащих горах, а их режим дня был перевернут с ног на голову. Но, несмотря на все это веселье, в науке царил консервативный скептицизм: никто не хотел с уверенностью заявлять, что нам удастся доказать существование экзопланет – ведь ничто не известно заранее. (Нечто подобное происходит и сегодня, когда никто не спешит делать заявления о существовании разумной жизни где-либо еще во Вселенной, хотя многие ученые полагают, что это так.) Косвенных признаков было немало, особенно доказательств наличия газово-пылевых дисков, что согласуется с теоретическими моделями планетообразования. Кажется, все понимали, что момент истины вот-вот наступит. Шли годы. Наконец, в 1995 г. было объявлено о равной по массе Юпитеру планете, обращающейся с периодом в четыре дня вокруг 51 Пегаса, солнцеподобной звезды примерно в 60 световых годах от Земли[99]99
  Открыта швейцарскими астрономами Мишелем Майором и Дидье Кело в 1995 г. См.: Michel Mayor and Didier Queloz, «A Jupiter-Mass Companion to a Solar-Type Star,» Nature 378, no. 6555 (1995): 355–59.


[Закрыть]. Обнаружение вихляния этой звезды стало первым несомненным успехом метода фиксации колебаний лучевой скорости. За следующие пять лет был накоплен достаточный массив данных о наблюдениях, чтобы команды ученых со всего мира смогли обнаружить еще десятки экзопланет. Плотина рухнула.

Сегодня известно до 4000 планет – так много, что мы уже не успеваем подробно изучить каждую из них. Для этого нам просто не хватает телескопов[100]100
  Область, где огромный вклад внесли астрономы-любители, – это последующие наблюдения предсказанных прохождений. Небольшие вариации во времени прохождений, связанные с гравитационным воздействием других планет системы, могут быть измерены с помощью небольших телескопов.


[Закрыть]. Несколько десятков этих новых планет находятся в зоне обитаемости – области, где при удачном составе атмосферы на поверхности планеты может присутствовать жидкая вода и, соответственно, если сложатся все остальные условия, возникнуть жизнь. А если принять во внимание океанические миры, подогреваемые приливными силами и обращающиеся вокруг газовых гигантов (самым известным среди них является Европа), зона обитаемости может простираться так далеко, как встречаются планеты-гиганты.

Если все пойдет хорошо, космический телескоп «Джеймс Уэбб» охарактеризует десятки пригодных к обитанию планет. Он не сможет получить их детальные изображения, но зафиксирует признаки существования спутников и смены сезонов, ледяные массы, растущие зимой и тающие летом, а также изменчивый облачный покров. Спектроскопические характеристики дадут нам представление о составе атмосферы, к примеру, о наличии в ней молекулярного кислорода, который может быть признаком наличия сложной жизни.

Мы не получим об этих экзопланетах такого же четкого представления, как о Луне, Марсе или Сатурне, пока спустя сотни лет не пошлем к ним роботизированные космические аппараты. Но данные о спектральных характеристиках нескольких десятков наших ближайших соседей в видимом и инфракрасном диапазоне должны появиться у нас довольно скоро. Из этих данных мы узнаем состав их атмосферы, характер погоды и общую картину геологии их поверхности. Покрыты ли они океанами? Есть там континенты или ледовые щиты? Два десятка лет после запуска телескопа «Джеймс Уэбб» будут очень бурными, и новых гипотез будет в избытке. Возможно, к 2050-м гг. размещенная в строгом порядке группировка космических телескопов, действующая как один гигантский телескоп диаметром в десятки километров[101]101
  Для того чтобы различить 100-километровые структуры на поверхности планеты, обращающейся вокруг звезды в 30 световых годах от Земли, нам понадобится разрешение в 50 миллиардных угловой секунды. Разрешение телескопа обратно пропорционально его диаметру, так что такой массив телескопов должен иметь линейные размеры как минимум в 20 км, причем отдельные устройства должны быть размещены с погрешностью ниже длины волны, то есть менее одной десятитысячной миллиметра. Более того, поскольку планеты в миллиард раз тусклее, чем звезда, вокруг которой они обращаются, каждый телескоп в массиве должен иметь заслонку или какое-то другое приспособление, блокирующее звездный свет. Все это может показаться невозможным, но то, что сегодня стало рутинными астрономическими наблюдениями, 30 лет назад казалось почти чудом.


[Закрыть], позволит нам получить изображения второй Земли, или двух, что будет сравнимо с первыми изображениями Марса в 1880-х гг. или Плутона в 1980-х; быть может, это подтолкнет нас к тому, чтобы послать туда первые непилотируемые экспедиции. У нас впереди долгий путь, но для того, чтобы существенно продвинуться по нему, потребуются уже десятилетия, а не века.

* * *

Для создания планет, с разумными существами или без, требуется нечто большее, чем правильные химические элементы. Эти элементы должны присутствовать в правильных пропорциях для синтеза правильных молекул. Поэтому давайте вернемся к широкой панораме молекулярного облака, состоящего из водорода, гелия и других газов, из крошечных частиц льда и пыли, – облака, которое стало зародышевым скоплением множества звезд, в том числе нашего Солнца. От взрывавшихся неподалеку сверхновых по пространству расходились ударные волны, которые запускали в молекулярном облаке процесс коллапсирования, а также наполняли его звездной пылью – строительным материалом для будущих планет. Остывая и сжимаясь, облако распалось на сотни сгустков, после чего гравитация стянула каждый сгусток в новую звезду[102]102
  Или в двойную (или тройную) звезду. Двойные звезды на самом деле более распространены, чем одиночные, такие как наше Солнце; мы видим на небе всего несколько из них, потому что по большей части одна из звезд во много раз тусклее другой или они расположены очень близко друг к другу.


[Закрыть].

Любые, кроме водорода и гелия, элементы, которые обнаруживаются внутри звезды (или галактики, или молекулярного облака, или чего-то еще), астрономы называют металлами. Они говорят о металличности звезд – это понятие отражает, как много полезных материалов доступно там для создания землеподобных планет[103]103
  По-видимому, у звезд с высокой металличностью есть склонность иметь на близких орбитах газовые гиганты. Возможно, это происходит из-за того, что при наличии большого количества таких элементов твердые тела рано конденсируются и собирают водород и гелий до того, как их развеет звездный ветер.


[Закрыть]. То, что любой элемент тяжелее водорода и гелия называется металлом, связано с тем, что при спектроскопии Солнца и соседних звезд легко вычислить соотношение содержания железа и водорода. Звезды кажутся голубыми, красными, желтыми или имеющими какие-то промежуточные оттенки, но, если в фокус телескопа поместить спектрометр – то есть по сути очень совершенную призму, – вы увидите целый лес узких темных промежутков, которые называются спектральными линиями поглощения. Они были открыты Сесилией Пейн-Гапошкиной и другими астрономами в 1920-е гг. и сообщают нам об обилии внутри звезды тех или иных элементов, поскольку возникают, когда атомы поглощают волны определенной длины из непрерывного спектра фотонов, которые пытаются вырваться из глубоких слоев звезды. Если непрерывный спектр можно сравнить с нотами, издаваемыми тромбоном, то линии поглощения блокируют волны определенной длины, создавая свой тембр для каждого элемента.

Компактное, полное пыли молекулярное облако Барнард 68 протяженностью в половину светового года и массой примерно вдвое больше массы Солнца. Оно находится на пороге гравитационного коллапса и через сотню тысяч лет превратится в одну или несколько звезд.

FORS/VLT/ESO

Чем четче линии поглощения, тем больше концентрация данного атома в фотосфере. В предположении, что солнечное вещество хорошо перемешано, в его состав по массе входит 73,9 % водорода, 24,7 % гелия и 1,4 % других элементов, в основном кислорода (1 %) и углерода (0,3 %). Нам известна концентрация еще десятков элементов, а всего их там обнаружено более 60. Если внести поправку на атомную массу, мы получим, что более 90 % атомов Солнца – это атомы водорода; аналогичным образом, соотношение числа атомов С и О составляет 0,55[104]104
  Если внешняя фотосфера звезды хорошо перемешана, тогда ее металличность говорит о составе звезды в целом, за исключением продуктов термоядерного синтеза в ядре. Это, в свою очередь, может указывать и на состав и молекулярного облака, из которого возникла звезда, и системы планет, которая сформировалась вокруг нее.


[Закрыть].

Химический состав примитивных метеоритов близок к составу Солнца. Если на одной оси откладывать средние содержания элементов, обнаруженных на Солнце, а на другой – элементов, найденные путем масс-спектрометрического анализа таких примитивных метеоритов, как Альенде и Оргей, то в итоге получится более-менее прямая линия. Если не учитывать газы и другие элементы, которых в метеоритах просто не может быть, то соответствие будет один к одному (то есть состав идентичен) с несколькими резко отличающимися значениями. Каждый такой выпадающий элемент вместе со своими изотопами сообщает нам нечто важное и о происхождении метеоритов, и о том, как звезды обзавелись планетами.

Если водород и гелий (H, He) – строительный материал для звезд, а кремний, магний, железо и кислород (Si, Mg, Fe, O) – основные компоненты каменистых планет, то углерод, водород, кислород, азот (C, H, O, N) и понемногу еще нескольких других элементов составляют любую пригодную для жизни среду. Поэтому теперь мы сосредоточимся на углероде и кислороде, третьем и четвертом по распространенности элементах во Вселенной. Оба являются типичными продуктами идущего внутри звезд термоядерного синтеза, в частности так называемого CNO-цикла. Возможно, что углерод производят все звезды, а кислород – преимущественно взорвавшиеся на первом этапе гиганты; если это так, то соотношение углерода и кислорода во Вселенной в целом растет. Но сейчас звезды вокруг нас обычно содержат примерно в два раза меньше атомов углерода, чем кислорода. Такое же соотношение характерно и для Солнца.

При таком соотношении, когда гигантское газовое облако остывает, H и H становятся H₂ (самая распространенная молекула), C и O превращаются в СО (самое распространенное соединение), а затем появляются CO₂, CH₄, NH₃, HCN и все прочие CHON-штуки, которые в конце концов конденсируются во льды. После завершения этих реакций основная часть углерода уже израсходована, но остается много свободного кислорода. Как уже говорилось во введении, кислород создает характерные для землеподобных планет оксиды. Один из таких оксидов – вода (H₂O), второе по распространенности соединение во Вселенной. Далее идут минералы, которые составляют кору и мантию землеподобных планет, такие как кварц (SiO₂), оливин ((Mg, Fe)₂SiO₄) и тому подобное. Мы называем их силикатами, но важнейший элемент в их составе – это кислород, а не кремний (Si), потому что, как это ни странно, образование силикатов ограничено доступностью именно кислорода. Когда кислород кончается, прекращается образование и горных пород, и воды.

Кислород – ключ ко всем этим земным активам. Но что происходит вокруг тех немногих звезд[105]105
  По мнению астронома Джонатана Фортни, у примерно 1 % солнцеподобных звезд соотношение С: О может быть около 0,8–1,0. См.: «On the Carbon-to-Oxygen Ratio Measurement in Nearby Sunlike Stars: Implications for Planet Formation and the Determination of Stellar Abundances,» Astrophysical Journal Letters 747 (2012).


[Закрыть], в которых соотношение С и О гораздо выше? Настоящая катастрофа! В таком случае углерод связывает в молекулы СО и СО₂ весь кислород. В условиях изобилия свободного углерода и отсутствия свободного кислорода, необходимого, чтобы появились горные породы и вода, из чего же сделаны их планеты? Планеты-гиганты по-прежнему будут состоять из газообразных водорода и гелия, но под черными графитовыми облаками, из которых льются алмазные дожди. «Каменистые» планеты выглядят там еще более странно. Вместо силикатов там будут карбиды, карбонаты и твердый углерод, а вместо воды – углеводороды, такие как метан и пропан (CH₄ и C₃H₈). Карбидная планета размером с Землю имела бы большое металлическое ядро, а вокруг него – мантию из карбидов кремния вместо оксидов кремния (например, SiC вместо SiO₂). Поверх мантии находилась бы кора из твердого углерода – в форме графита в верхних слоях и сжатого до алмаза на глубине около 10 км.

Потрясающее зрелище: при образовании в плитах такой коры[106]106
  В случае с углеродной планетой верхние слои коры могут быть слабее, чем нижние: графит расположился бы там над алмазами. Возможно, эта ситуация аналогична земному ледяному щиту на гранитном основании.


[Закрыть] складок и разломов, на планете вырастали бы сверкающие алмазные горы! Эрозия графита под действием углеводородных дождей создавала бы в мутном свете звезды поразительные композиции из прозрачных кристаллов, разделенных черными полосами. Вы могли бы жить там в наполненной светом пещере, напоминающей Крепость Одиночества из комиксов про Супермена, – нужно было бы только герметизировать ее и наполнить пригодным для дыхания воздухом. Но вне вашей алмазной пещеры планета оставалась бы холодной и ядовитой. Углеводороды, льющиеся дождем с задернутого смогом неба, циркулировали бы там в атмосферно-гидрологическом цикле, как вода на Земле, создавая океаны, озера и могучие реки.

Если бы активная геология расколола алмазную мантию, на такой планете появился бы узор из глубоких углеводородных океанов. Там, возможно, образовались бы рифтовые долины, где могли бы возникнуть невероятные формы жизни, использующие в качестве растворителя вместо воды метан и пропан. А если процесса горообразования, такого как тектоника плит, не начнется, в результате получится полностью покрытая океаном планета, где на глубине в несколько километров будет темнеть мягкое графитовое дно, нежный черный ил, в котором морские скаты и трубчатые черви заживут припеваючи среди пузырящихся подводных вулканов. Мечты, мечты.

Как бы невероятно это ни звучало, возможно, аналог среды, основанной на углероде, находится на поверхности окутанного смогом спутника Сатурна – знаменитого Титана. Его вполне можно считать планетой в своем праве, поскольку он в десять раз массивнее Плутона. На Титане углеводородные моря лежат поверх коры из водяного льда, формирующей крупные континенты. Но он не является карбидной планетой в полном смысле этого слова. Под метаново-этановыми морями и корой из водяного льда лежит глобальный водный океан, который, как считается, нагревается приливным действием Сатурна из-за эксцентриситета орбиты спутника.

На почти лишенной кислорода поверхности Титана тем не менее идут метановые дожди, которые создают напоминающий живописные послеледниковые ландшафты Земли рельеф, испещренный сотнями озер с изрезанной береговой линией. Некоторые из них тянутся на сотни километров и богаты островами и заливами.

* * *

Титан имеет приблизительно тот же диаметр, что и самые крупные спутники Юпитера Ганимед и Каллисто, – около 5000 км, примерно как Меркурий. Если Юпитер и Сатурн – типичные газовые гиганты с типичным соотношением содержания C и O, тогда их крупнейшие спутники рассказывают нам, как может происходить формирование подобных небесных тел по всему космосу. Тем не менее тут явно есть кое-что, чего мы не понимаем. Несмотря на практически тот же размер и объемную плотность, Титан почти по всем геологическим параметрам отличается от Каллисто и Ганимеда. Каллисто – холодный мертвый шар изо льда и горных пород, который никогда не прогрелся до такой степени, чтобы пережить гравитационную дифференциацию, тогда как Титан ближе всех известных нам небесных тел подошел к тому, чтобы считаться землеподобной гидросферной системой.

Геология на что-то намекает. Горный хребет высотой 20 км опоясывает по экватору ледяной спутник Сатурна Япет, имеющий диаметр 1500 км и прозванный «грецким орехом». Все теории о механизме формирования этих гор отдают безумием, но либо одна из них верна, либо все они недостаточно сумасшедшие.

NASA/JPL

Это только первая из геологических странностей вокруг Сатурна. Ближе, чем Титан, обращаются пять спутников среднего размера с диаметром от 300 до 1400 км; некоторые из них состоят из чистого льда, другие – наполовину из горных пород, а сверху покрыты льдом. Энцелад – один из самых маленьких, но на нем бьют гейзеры, которые указывают на наличие в его глубине океана из богатой аммиаком воды. За Титаном есть еще два спутника – Гиперион и Япет, которые состоят по большей части изо льда. Гиперион похож на стершийся шарик пемзы. Пожалуй, больше других мне нравится Япет – вполовину меньше Луны, он обращается по далекой наклонной орбите и почти целиком состоит из водяного льда. Он опоясан экваториальным горным хребтом высотой в 20 км. Одна половина Япета сияет белизной, а другая – угольно-черная.

Если оставить в стороне их необыкновенную геологию и общую странность, больше всего в этих спутниках среднего размера озадачивает то, что у Юпитера таких нет. У него есть четыре галилеевых спутника, три из которых обращаются в резонансе, и какие-то обломки. Теперь поищем разгадку этого факта.

* * *

Как у двигателя внутреннего сгорания, который при холодном запуске иногда дает обратную вспышку, у молодого Солнца первые несколько миллионов лет случались нерегулярные всплески высокой активности. Звезды, проходящие через эту стадию развития, называются звездами типа Т Тельца по названию хорошо изученной активной звезды в соответствующем созвездии. Пройдя этап родовых мук, звезды в конце концов подчиняются правилу, в соответствии с которым самые тяжелые и яркие из них становятся голубыми, огромными и очень горячими, тогда как маленькие – красными, прохладными и тусклыми. Если нанести все известные звезды на график, где слева будут голубые звезды, справа – красные, внизу – тусклые, а вверху – яркие, они в основном выстроятся вдоль линии, идущей из верхнего левого угла в правый нижний. Эта линия называется главной последовательностью, и желтое Солнце находится прямо посередине нее. Также у главной последовательности есть множество исключений, а также ответвлений, где пребывают молодые звезды, еще не развившиеся до главной последовательности, и старые звезды, уже покинувшие ее.

Солнце, весьма рядовая звезда, испускает свои тепло и свет практически с неизменной силой на протяжении 4,5 млрд лет. Оно не такое маленькое, как красные карлики, которые горят исключительно экономно. Но и не такое большое, чтобы сгореть за 10 млн лет, как это происходит с голубыми гигантами, которые становятся сверхновыми. Наше Солнце – хорошая звезда, и у нас в баке еще достаточно горючего. Его светимость постепенно увеличивается, поднявшись примерно на четверть с момента зарождения, что слегка сдвинуло его по главной последовательности, но никаких других претензий ему не предъявишь. Разумеется, мы время от времени сталкиваемся с корональными выбросами массы, когда Солнце извергает магнитоэлектрический пузырь и окатывает нашу планету потоками излучения[107]107
  По иронии судьбы сегодня к воздействию коронального выброса массы наиболее уязвима наша искусственная сеть, потому что связанный с этим событием электромагнитный импульс может нарушать работу больших участков электросети на срок от нескольких недель до двух лет. В 1859 г. самый крупный за всю современную историю выброс коронального вещества вызвал искры в телеграфных отделениях и великолепные северные сияния. В 2013 г. лондонская страховая компания Lloyd's оценила, что ущерб от подобного коронального выброса в современных США составит от 0,6 до 2,6 трлн долларов.


[Закрыть]. Но по сравнению с тем, что происходит в других планетных системах, эта активность вполне безобидна.

Но так будет не всегда. Примерно через 5–7 млрд лет для нас начнутся «сумерки богов», последняя смута, в ходе которой планеты сойдут со своих орбит. Покинув главную последовательность, Солнце станет красным гигантом и за несколько миллионов лет поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю. Затем оно сожмется, выбросив в пространство половину своей массы. Астрономы с соседних звезд смогут наблюдать в своем небе «новую», расширяющуюся оболочку сверкающего газа, которая исчезнет через несколько тысяч лет. Солнце перестанет удерживать внешнее облако Оорта, тела которого отправятся странствовать по межзвездному пространству как космические призраки. То, что останется от звезды, будет сжиматься, пока она не станет белым карликом, чрезвычайно плотным телом, сияющим белым светом благодаря своей гравитационной энергии, – едва живым, но ярким, размером с Землю, но в миллиард раз тяжелее. Мы полагаем, что такова судьба нашей Солнечной системы, отчасти потому, что Солнце – обычная звезда, и мы наблюдаем множество примеров таких звезд на различных стадиях эволюции, а отчасти, поскольку наше теоретическое понимание таких процессов шагнуло далеко вперед и хорошо согласуется с результатами наблюдений.

После того как расширение красного гиганта закончится и Солнце станет белым карликом, планеты, астероиды и другие остатки внутренней Солнечной системы начнут падать на него по спирали – сначала из-за торможения в газе, а потом из-за действия приливных сил, – пока сверхплотные остатки звезды не разнесут планеты в клочья одну за другой. В конце останется диск из землеподобных материалов, в основном состоящий из сорванных мантий Земли и Венеры, который по спирали будет опускаться на разрушенную звезду. Это не просто фантазия: астрономы видят эту картину в спектроскопических показателях нескольких соседних «загрязненных белых карликов», где формирующие горные породы элементы – магний, железо, кремний, кислород – присутствуют в атмосфере звезды в количествах, соответствующих составу минералов из класса силикатов, таких как оливин. Это последнее напоминание о землеподобных планетах прошлого.

* * *

Планеты, которые формируются вокруг куда более крупных по сравнению с Солнцем звезд, ждет не такая интересная судьба. Массивные звезды горят при температуре в сотни миллионов градусов, потребляя водород, гелий, углерод, азот, кислород и кремний в ходе бурного термоядерного синтеза. Продуктами этих реакций становятся все более тяжелые элементы, пока звезда не достигает критического состояния и не взрывается как сверхновая, разбрасывая свои внутренности по округе диаметров в несколько световых лет и при этом образуя почти все тяжелые элементы. Вопрос о будущем планетной системы, которая могла сформироваться вокруг нее, превращается в риторический.

Сейчас все взоры устремлены на Бетельгейзе – яркую звезду, образующую левое плечо созвездия Ориона. От Земли ее отделяют 600 световых лет, то есть она находится не слишком далеко, но, к счастью, и не среди наших ближайших соседей. Масса Бетельгейзе в восемь раз больше солнечной, а возраст по эволюционным моделям составляет примерно 10 млн лет. В течение пары недель взрыв этой звезды по яркости будет сравним с сиянием Луны, а затем начнет тускнеть; если это не произвело на вас впечатления, то имейте в виду, что с расстояния в 1 а.е. это все равно что наблюдать взрыв водородной бомбы в соседнем дворе. На протяжении геологического времени сверхновые взрывались и гораздо ближе к Земле, облучая нашу планету и иногда приводя к массовым вымираниям на ней, но ни одна из ближайших к нам звезд сейчас взрываться не собирается. «Зона поражения» для этого типа сверхновых – от 25 до 50 световых лет, так что Бетельгейзе не представляет для нас угрозы.

Поскольку она находится относительно недалеко и имеет гигантские размеры, эта звезда – первая, которую нам удалось в деталях разглядеть в телескоп. Хотя качество изображений оставляет желать лучшего, они показывают, что Бетельгейзе представляет собой сфероид странной неправильной формы, напоминающей частично сдутый воздушный шарик, который совершает один оборот вокруг своей оси за 30 лет. Мы видим огромный плюмаж или деформацию[108]108
  Pierre Kervella et al., «The Close Circumstellar Environment of Betelgeuse V. Rotation Velocity and Molecular Envelope Properties from ALMA,» Astronomy & Astrophysics 609 (2018).


[Закрыть], возможно вызванную глобальной тепловой неустойчивостью. Кажется, она в самом деле готова взорваться в любой момент. Но, по правде говоря, для того чтобы кто-либо из нас имел шанс увидеть свет этого события, Бетельгейзе должна была разлететься в клочья еще во времена Кеплера и Шекспира.

Первый в истории атомный взрыв, произведенный в 1945 г., был в 1030 раз слабее взрыва сверхновой. Этот снимок был сделан Гарольдом Эджертоном через 1/1000 секунды после детонации с помощью изобретенной им высокоскоростной фотокамеры с выдержкой 0,0000001 секунды. Деревья юкки позволяют оценить масштаб.

MIT Museum, Edgerton Digital Collections

Когда взрывается массивная звезда, двери ее химической кухни сносит с петель. Пепел из термоядерного очага разлетается во все стороны, так что гелий, углерод, азот, кислород, кремний, магний, железо, никель и другие продукты синтеза распространяются со скоростью сотен километров в секунду. По ходу движения эти атомные ядра, достигающие максимальной массы в 60 атомных единиц, подвергаются массированной бомбардировке потоком высокоэнергетических нейтронов (частиц, по массе равных протонам, но без электрического заряда), исходящим из коллапсирующего звездного ядра. Время от времени нейтрон, сталкиваясь с ядром атома, присоединяется к нему; в результате всего этого взрыв сверхновой сопровождается быстрым синтезом более сложных элементов, которые считаются необходимыми для существования жизни, а также многих радиоактивных. У некоторых таких изотопов период полураспада составляет всего лишь секунды, другие, такие как ⁶⁰Fe и ²⁶Al, распадаются примерно за тот миллион лет, который заняло формирование нашей протопланетной туманности, а третьи, скажем ²³⁸U, ждет долгий жизненный путь: они обеспечивают геологический подогрев на протяжении миллиардов лет[109]109
  Верхний индекс соответствует суммарному количеству протонов и нейтронов в ядре – это называется атомной массой.


[Закрыть].

Вот что произойдет, когда Бетельгейзе взорвется. За секунду ее ядро сожмется до размеров нейтронной звезды – объекта настолько плотного, что чайная ложка его вещества весит миллиард тонн, – и, возможно, станет черной дырой. В этот же момент Бетельгейзе извергнет примерно 10⁵⁷ нейтрино, которые уносят энергию так быстро, что ударная волна разорвет звезду на части. Это будет напоминать взрыв атомной бомбы, но в триллионы раз сильнее. Для наблюдателей с Земли яркость Бетельгейзе будет нарастать в течение нескольких дней, пока звезда не зальет светом свой участок неба. В следующие пару недель она будет тускнеть, а затем расползется в светящуюся туманность газового облака, облучаемого компактным чудовищем в его центре.

Сверхновые бледнеют по сравнению со взрывами килоновых, которые случаются, когда две нейтронные звезды попадают в ловушку взаимного притяжения и по спирали приходят к столкновению[110]110
  Возможно, именно благодаря килоновым в космосе появились более тяжелые элементы, такие как золото и молибден.


[Закрыть]. Эти два тела уже и так немыслимо плотны – каждое имеет массу Солнца, утрамбованную в объем 10-километрового астероида, – поэтому их слияние вызывает гравитационные волны, рябь в структуре пространства и времени. Давно предсказанные гравитационные волны были впервые зафиксированы в 2015 г. с помощью стоящего миллиарды долларов прибора под названием LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, «Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория»)[111]111
  Первая гравитационная волна была зарегистрирована лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) в сентябре 2015 г. Она была вызвана слиянием двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли.


[Закрыть]. Позже, в 2017-м, гравитационная волна пришла с разницей в 1,7 секунды со всплеском гамма-излучения, зафиксированным совершенно другим прибором, – как удар грома и вспышка молнии.

Поразительно, что гравитационные и электромагнитные волны (то есть фотоны) шли через пространство и время миллиарды лет, причем вроде бы совершенно независимо друг от друга (гравитация и свет – это разные вещи), но тем не менее прибыли одновременно. Возможно, это тривиальное или предсказуемое явление, но лично для меня такая синхронность гравитации и света наполнила единство Вселенной глубоким смыслом. Взрыв килоновой миллиард лет назад в миллиарде световых лет кажется далеким ударом колокола, отзвук которого заставляет как никогда раньше почувствовать связь с теми, кто может существовать где-то в глубинах космоса. Это как смотреть на Луну, думая о своих любимых и помня, что они тоже ее видят.