Текст книги "Смерть с небес"

Неистовство в ночи

А сейчас наконец-то мы подошли к моменту истины. В течение года в ядре массивной звезды накапливалось железо, и все это время оно готовило смертный приговор звезде.

До того момента в жизни звезды ее ядро генерировало энергию; сейчас этот процесс прекратился. Помните, тепло, выделяющееся при ядерном синтезе, – это один фактор, не дающий звезде быть раздавленной собственными силами тяготения.

Второй источник сопротивления силам тяготения – это огромное море электронов в ядре звезды. В нормальном атоме электроны не покидают ядро. Однако в ядре звезды условия настолько критические, что электроны срывает с орбит атомов. Каждый раз, когда электрон стремится привязаться к своему атомному ядру, от интенсивного жара и давления его вновь срывает с орбиты.

В сердцевине звезды электроны очень плотно спрессованы, и в игру вступают причудливые эффекты квантовой механики. Один из них называется вырождением, он похож на электромагнитное отталкивание: если вы возьмете много одинаковых частиц (вне зависимости от заряда) и попытаетесь их сжать, они будут этому сопротивляться. Такое сопротивление – это основной источник поддержки ядра звезды. Вместе с рядовым теплом ядерного синтеза вырождение не дает ядру звезды сколлапсировать под действием собственных сил тяготения.

Но проблема заключается в том, что давление от процесса вырождения может противостоять силам тяготения только до определенного предела. По мере накопления железа ядро звезды становится все более и более массивным и ее силы тяготения увеличиваются все больше и больше. Наступает момент, когда железное ядро достигает критической массы, примерно в 1,4 раза больше массы Солнца. В этот момент вырождение проигрывает. Оно просто не в состоянии удерживать всю эту массу. Ранее, когда в звезде синтезировались другие, более легкие элементы, такой момент никогда не наступал: начинали синтезироваться следующие элементы в последовательности, и ядро звезды было в безопасности.

Но из железа другие элементы не синтезируются, поэтому вырождения уже становится недостаточно. Ядро звезды не может противостоять собственным титаническим силам тяготения, и механизм, поддерживающий ее, отказывает. Катастрофически. Ядро коллапсирует… но это не плавное сдутие, как у воздушного шара, выпускающего воздух. Когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно действительно коллапсирует – в этот момент разверзается ад.

Коллапс происходит невероятно быстро: за тысячную долю секунды – буквально и глазом моргнуть не успеешь – гигантские силы тяготения в ядре звезды сжимают ее от тысяч километров в поперечнике до шара из сверхплотного вещества диаметром всего несколько километров. Стремительность коллапса поражает воображение: вещество сжимается со скоростями более 70 000 км/с. В это невозможно поверить, но ядро звезды раскаляется до миллиардов градусов. Образуется высокоэнергетическое гамма-излучение, а эти беспощадные фотоны обладают такой энергией, что могут запросто разрушать атомные ядра при столкновении с ними. Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, начинает быстро разрушать ядра железа в сердцевине звезды, разбивая их на мелкие ядра гелия и свободные нейтроны. Но от этого ситуация только усугубляется (если это можно себе представить), так как они могут поглощать еще больше энергии и, соответственно, ускоряют коллапс.

События, происходящие в ядре, отзываются во всей звезде. На ядре лежали наружные слои звезды, и коллапс ядра для них – это ситуация, в которой оказывается герой мультфильма, Хитрый Койот, только реальная: когда персонаж внезапно понимает, что у него буквально ушла почва из-под ног и он начинает падать, так же и газ в наружных слоях звезды внезапно обнаруживает, что парит над вакуумом, и обрушивается вниз. Невероятные силы тяготения ядра звезды очень сильно ускоряют газ, и он врезается в сжатое ядро на скорости, составляющей значительную долю от скорости света.

Это создает колоссальный эффект рикошета, направление движения газа меняется на противоположное, и взрывной волной он начинает распространяться от звезды. Удивительно, но этого рикошета, каким бы значительным он ни был, самого по себе недостаточно для того, чтобы звезда взорвалась; несостоявшийся взрыв глохнет и наружные слои начинают снова падать на ядро. Но у звезды есть еще один козырь в рукаве.

Даже после исходного коллапса в ядре все еще полно электронов. От потрясающего жара и давления коллапса электроны подвергаются действию огромных сил, которые сдавливают их в протоны в ядре звезды. Когда такое происходит, электроны плюс протоны создают больше нейтронов. Но они также создают призрачные субатомные частицы, называющиеся нейтрино, и именно они предвещают звезде беду[22]22
  Английское слово disaster – «беда» – происходит из латыни и означает «плохая звезда», поэтому в этом случае мы можем говорить буквально.


[Закрыть].

Нейтрино – частицы крайне малых размеров, способные проникать сквозь большие объемы вещества, не поглощаясь им; даже самое плотное вещество для них практически прозрачно. Они извергаются из ядра звезды, унося с собой огромные количества энергии коллапса. Энергия, которую они переносят, поистине потрясающая: она может равняться суммарной энергии, излучаемой Солнцем в течение всей его жизни! По сути, бо́льшая часть энергии, выделяющейся при вспышке сверхновой, находится в форме нейтрино; весь видимый свет, доходящий до нас, каким бы ярким он ни был, составляет какой-то пустяковый 1 % от выделенной энергии.

Ядро звезды генерирует колоссальные количества нейтрино: примерно за 10 секунд из ядра вырывается около 10⁵⁸ (это единица с 58 нулями, народ) частиц. Это происходит почти в то же время, когда наружные слои звезды, обрушившиеся на ядро, начинают отскакивать от него в тщетной попытке улететь. Только этот колоссальный рикошет замедлился и газовая оболочка вот-вот вновь упадет на ядро, как в нее врезаются все те бессчетные нейтрино.

Несмотря на то что нейтрино, как правило, проходят прямиком сквозь нормальную материю, звездный газ – невероятно плотный. Кроме того, нейтрино так много, что часть их поглощается – это все равно как ехать на машине сквозь рой мошкары; как бы они ни старались увернуться, некоторые все равно размажутся по вашему ветровому стеклу.

Газ поглощает лишь небольшую долю, может быть 1 %, нейтрино, но все равно это эпическое событие: суммарная энергия, сбрасываемая в газ, огромна.

Это, именно это уничтожает звезду.

Представьте взрыв бомбы на фабрике фейерверков. Энергия сотен миллиардов миллиардов Солнц врывается в наружные слои звезды, разворачивая их в обратном направлении, буквально выталкивая взрывом вовне. Октиллионы тонн вещества обреченной звезды срываются с нее со скоростями, равными многим тысячам километров в секунду. Событие настолько титаническое, что даже крошечную его долю, которая преобразуется в свет, можно наблюдать через всю Вселенную.

И это только видимый свет. Образовавшаяся сверхновая звезда также извергает другие виды излучения – рентгеновское, гамма-излучение и ультрафиолетовое излучение. Прорывающаяся сквозь наружные слои звезды взрывная волна вызывает такой рост давления и температуры, что способна запуститься ядерный синтез. Кстати, так могут наконец образоваться элементы, которые тяжелее железа, потому что условия во взрывной волне, и это невероятно, на самом деле более суровые, чем в ядре звезды. В разлетающихся остатках звезды создаются радиоактивные варианты таких элементов, как кобальт, алюминий и титан, и при распаде они испускают гамма-излучение. Газ, уже адски раскаленный, поглощает эту энергию и разогревается еще сильнее, до миллионов градусов. Он светится в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне спектра. Кроме того, эти взрывы редко бывают однородными. Одни вещества разгоняются сильнее, чем другие, и неизбежные столкновения между ними порождают еще более колоссальные ударные волны, подобные звуковым ударам в расширяющемся веществе. При этом может также генерироваться рентгеновское излучение.

В итоге сверхновая – бурлящий котел мощи и хаоса. Это одно из событий, наводящих страшный ужас в видимой Вселенной.

Неспокойная округа

Вне всякого сомнения, все, что находится близко к взрывающейся звезде, смотрит в лицо надвигающемуся пылающему урагану. Любая планета, вращающаяся вокруг сверхновой, обречена: если ваша главная звезда взрывается в пламени, раскаленном до миллиардов градусов, конец один, и он не из приятных. Планеты будут испепелены, превратятся в бесплодные пустыни, а имеющиеся воздух и воду сорвет и унесет прочь мощной энергией взрыва.

От резкой потери массы силы тяготения звезды значительно ослабевают и планеты выбрасывает из звездной системы. Возможно, по Млечному Пути бродят тысячи или даже миллионы опаленных планет-отщепенцев, надолго переживших смерть звезды, породившей их. Однако космос столь необъятен, что мы можем никогда не найти таких планет, даже если галактика полна ими.

Понятно, что сверхновые опасны. Лучше всего держаться от них как можно дальше. Но насколько дальше? Если звезда взрывается в нашей Галактике, какое расстояние будет слишком близким.

В приложении есть таблица со всеми известными звездами, находящимися от нас на расстоянии до 1000 световых лет, которые могут стать сверхновыми. Самая близкая, Спика, голубой гигант в созвездии Девы, находится от нас на расстоянии примерно 260 световых лет, а большинство других значительно дальше. Несмотря на то что мы не можем назвать точную дату, когда одна из этих звезд взорвется, неоспоримый факт заключается в том, что они все взорвутся, а некоторые – в течение следующих нескольких тысяч лет.

Насколько нам следует беспокоиться об этом?

Вообще-то это зависит от того, о чем нам следует беспокоиться. На первый взгляд, вы можете подумать, что единственное, что стоит учитывать, это масштабность самого события. Ведь только что взорвалась целая звезда! Но в арсенале сверхновой имеется много оружия. Одно не является поводом для беспокойства. Но другое…

Кинетическое воздействие

Если взрыв происходит вблизи от вас, самая очевидная угроза – это осколки. Даже, например, взрыв гранаты неподалеку не сулит ничего хорошего, но сверхновая выводит все на совершенно новый уровень: выброс нескольких октиллионов тонн газа в пространство на скорости, составляющей значительную долю от скорости света, не назовешь немного опасным. Это опасно! Но только если вы находитесь относительно близко. Планета, вращающаяся вокруг обреченной звезды, обречена и сама, но что, если вы наблюдаете это зрелище с «дешевых мест», в районе другой звезды?

Чтобы несколько упростить ситуацию, представим, что процесс извержения вещества сверхновой происходит за одно мгновение. Мы бы увидели тонкую газовую оболочку, расходящуюся от звезды облаком, диаметр которого со временем увеличивается. В той оболочке заключена почти вся масса исходной звезды (наружные слои, сброшенные взрывом, могут в несколько раз перевешивать массу ядра). По мере расширения оболочка увеличивается в объеме, поэтому количество газа в отдельно взятой области уменьшается – это очень похоже на свет, испускаемый электрической лампочкой; чем дальше вы от нее, тем более рассеянным и тусклым он становится.

Осколки от взрыва сверхновой также рассеиваются. Если вы находитесь на планете поблизости от взрыва, на вас обрушится больше вещества, чем когда вы находитесь дальше. В этом случае количество сталкивающегося с вами вещества уменьшается пропорционально квадрату расстояния: если расстояние удвоить, до вас долетит лишь четверть вещества. Но какое расстояние будет достаточным?

Чтобы рассмотреть самый плохой вариант, предположим, что сверхновая находится от нас на расстоянии в 10 световых лет, что маловероятно. Это означает, что от нее до Земли будет около 95 трлн км[23]23
  Здесь нужно пояснить, что на таком расстоянии от нас нет звезд, способных взорваться.


[Закрыть]. Давайте также предположим, что суммарная извергнутая масса в 20 раз больше массы Солнца, что довольно характерно для рядовой сверхновой. В этом случае по Земле попало бы примерно 40 млн т вещества.

Ух ты! Берегись!

Но сколько это на самом деле?

Кажется, что очень много, но в действительности нет; примерно такую массу имел бы небольшой холм высотой около 400 м. Если бы такая глыба свалилась на нас целиком, результат был бы плачевным – в главе 1 это четко объясняется, – но помните, что вся эта масса была бы рассеяна по всей поверхности Земли. Это гораздо меньше, чем 300 г/м²: такая рассеянная масса – как одна капля дождя у вас во дворе.

И мы знаем, что это событие не вызвало бы массового вымирания, так как мы уже переживали столкновения с астероидами таких размеров и даже больше. Мы, возможно, заметили бы, что солнечный свет стал немного тусклее, но обошлись бы без долгосрочных последствий.

У нас есть реальная ситуация – взрыв звезды в 1054 г., после которого образовалась Крабовидная туманность. Сколько осколков долетит до Земли с расстояния 6500 световых лет? Оказывается, примерно 100 т.[24]24
  Этот результат потряс меня. Мне пришлось пересчитать дважды, чтобы убедиться, что я не сделал никакой глупой ошибки. Крабовидная туманность находится от нас на расстоянии 60 трлн км, но она выбросила столько вещества, что даже с такого расстояния до нас долетит 90 000 кг! Сверхновые колоссальны.


[Закрыть] Повторюсь, несмотря на то что 100 т кажется огромной массой, каждый день на Землю падает 20–40 т метеоритного вещества. Осколки из Крабовидной туманности – это просто небольшая добавка к нашему ежедневному рациону. Но в любом случае вам не стоит беспокоиться: чтобы добраться до нас на обычных для таких обломков скоростях от 1/20 до 1/10 скорости света, им понадобится 100 000 лет, а взрыв произошел всего 1000 лет назад. Кроме того, все равно то вещество наверняка даже не долетит до нас: газ и пыль, находящиеся в космическом пространстве, замедлят скорость и остановят осколки Крабовидной туманности еще до того, как они приблизятся к нам.

Оптический свет

Другая очевидная особенность сверхновых – они яркие. Даже на расстоянии 6500 световых лет Крабовидная туманность была столь же яркой, как и планета Венера. На каком расстоянии должна находиться сверхновая, чтобы свет от нее был очень ярким?

Нам нужно на минутку задуматься о том, что означает «очень яркий». Некоторые животные, например, синхронизируют свои жизненные циклы с Луной. Размножение, питание, охота и так далее определяются фазами Луны или так или иначе зависят от лунного света. Сверхновая, днем и ночью озаряющая небо как Луна, теоретически могла бы повредить некоторым видам.

Чтобы оказаться яркой, сверхновая должна быть от нас на расстоянии примерно 500 световых лет. На самом деле на таком близком расстоянии есть одна-две звезды, которые могли бы взорваться, а именно, как мы уже знаем, это голубой гигант Спика в созвездии Девы. Если она взорвется, она будет прекрасно видна среди бела дня, а ночью будет затмевать Луну на небосклоне, настолько яркая, что при ее свете можно будет читать, а объекты будут отбрасывать четкие тени! Но этот дополнительный свет, скорее всего, раздражал бы. Яркая-то яркая, но сверхновая все равно была бы просто светящейся точкой в небе, при взгляде на которую глаза начинали бы слезиться. Однако никакого физиологического вреда от нее для глаз не было бы. Вы бы просто привыкли не смотреть на нее (или надевать солнечные очки ночью).

Этот новый источник света не давал бы никакого дополнительного тепла: сверхновая все равно была бы слишком далеко и не смогла бы нас нагревать. Представьте это следующим образом: Луна не вызывает какого-либо заметного нагрева Земли, поэтому сверхновая, такая же яркая как Луна, также не стала бы нас нагревать.

Одной возможной проблемой было бы нарушение жизненных циклов некоторых животных, но последствия этого сложно установить. Они вполне могут быть минимальными, так как даже неистовство сверхновой не длится вечно. Через несколько месяцев после взрыва свет потускнеет до приемлемых уровней. Циклы животных, связанные с фазами Луны, могут быть нарушены, но, вероятно, они восстановятся.

Стоит отметить, что чем ближе сверхновая, тем ярче она будет. Чтобы стать такой же яркой, как Солнце, она должна быть гораздо ближе к нам: примерно на расстоянии одного светового года. На таком расстоянии не только нет звезд, которые могут взорваться, на таком расстоянии от нас нет никаких звезд (за исключением, разумеется, Солнца).

Нейтрино

А что насчет всех тех нейтрино, возникших, когда электроны в ядре звезды соединились с протонами с образованием нейтронов? Суммарная излученная энергия огромна. Она нам угрожает?

Вообще-то это довольно сложно установить. В физическом смысле непосредственное поглощение энергии нейтрино клетками человеческого организма не вызывает особой тревоги. Нейтрино невероятно верткие; собственно, прямо сейчас, когда вы читаете это предложение, несколько триллионов нейтрино прошли прямиком сквозь ваше тело, причем наверняка оно не поглотило ни одного. Сверхновая должна быть невероятно близко к Земле, как Солнце, чтобы поток нейтрино от нее мог непосредственно убить человека.

Но, прежде чем вы вздохнете с облегчением, подумайте о следующем. Нейтрино могут отскакивать от атомных ядер и выделять свою энергию, буквально как при ударе языка по колоколу. Оказывается, что такой способ выделения энергии является более эффективным, то есть вероятность, что от него будет эффект, выше. Если бы такое произошло, ядро клетки (в частности, находящаяся в нем ДНК) могло бы повредиться и теоретически вызвать развитие рака.

Повторюсь, степень опасности от этого точно рассчитать сложно, но математические модели показывают, что сверхновая должна быть невероятно близко, чтобы навредить нам таким образом. Если сверхновая находится на расстоянии больше, чем примерно 30 световых лет, эффект будет минимальным, и опять же стоит отметить, что так близко к Земле потенциальных сверхновых нет. Ваша ДНК в безопасности.

Прямое облучение гамма– И рентгеновским излучением

Если принять во внимание другие виды излучения, ситуация становится опаснее. Вы несомненно знакомы с рентгеновским излучением по приемам у зубного врача или если у вас когда-либо были переломы. С медицинской точки зрения рентгеновское излучение – вещь замечательная, потому что эти лучи способны проникать сквозь мягкие ткани нашей кожи и мышц; для фотонов рентгеновского излучения эти клетки прозрачны. Но кости имеют более плотную структуру и лучше поглощают рентгеновское излучение. Если руку положить на пленку, рентгеновское излучение пройдет прямиком сквозь мягкие ткани и засветит ее, а кости поглотят излучение и на пленке от них останется только тень. Именно поэтому медицинские рентгеновские снимки выглядят как негативы.

Однако мягкие ткани все-таки немного поглощают рентгеновское излучение, и в этом таится опасность. Когда клетка поглощает высокоэнергетическое рентгеновское излучение, это как выстрел из ружья по яйцу. При поглощении тканями излучения, выделяющаяся энергия может разрушить клетку. Низкоэнергетическое рентгеновское излучение также может повреждать ДНК, и теоретически клетка может переродиться в раковую. Хотя это кажется тревожным, следует отметить, что обычный медицинский рентгеновский снимок вполне безопасен – астронавты на «Шаттле», например, проводившие в космосе по две недели, получали от Солнца дозу радиации, эквивалентную примерно 50 медицинским рентгеновским снимкам, и без неприятных последствий. Цифровые технологии позволили еще больше снизить эту дозу, так как цифровые детекторы гораздо более чувствительны к рентгеновскому излучению, чем пленка.

Сверхновые, однако, немного ярче, чем рентгеновский аппарат у стоматолога. Тем не менее рентгеновское излучение от взрыва звезды может повредить вам, только если оно дойдет до вас. Но, оказывается, у нас есть встроенный щит.

И вы находитесь за ним.

Атмосфера Земли очень хорошо поглощает излучение такого типа. Многие астрономические источники испускают рентгеновское излучение, но до 1960-х гг. астрономы даже не знали о нем, потому что оно поглощается атмосферой Земли. Рентгеновские лучи блокируются еще в верхних слоях атмосферы, поэтому никогда не достигают поверхности, и даже телескопы, стоящие на вершинах гор, не могут их зарегистрировать. Только с наступлением космической эры было обнаружено, что звезды, галактики и прочие объекты излучают в рентгеновском диапазоне.

Поэтому нам на Земле такое облучение в принципе не грозит. Рентгеновское излучение, даже от близкой сверхновой, поглощается нашей атмосферой и практически не представляет угрозы. Но что можно сказать про людей, находящихся над атмосферой? На самом деле астронавты на орбите, на Международной космической станции, рискуют. Учитывая характерную интенсивность рентгеновского излучения при вспышке сверхновой, астронавты получат смертельную дозу, если звезда будет находиться на расстоянии меньше, чем примерно 3000 световых лет или около того. Это очень далеко! На таком расстоянии от нас есть множество звезд, способных взорваться. Определенно, астронавты – наши самые серьезные жертвы мгновенного (то есть быстрого) излучения от сверхновой.

С гамма-излучением, обладающим большей энергией, чем рентгеновское излучение, примерно такая же история. Оно поглощается нашей атмосферой и представляет мало угрозы тканям организма «сухопутных крыс». Но для команды космического корабля ситуация ухудшается. В результате поглощения гамма-лучей металлическим объектом – скажем, корпусом космической станции – металл может начать испускать сильное рентгеновское излучение; это подобно электромагнитной шрапнели. Гамма-излучение от вспышки на Солнце (как объяснялось в главе 2) может причинить серьезный вред, а сверхновая, даже на расстоянии в несколько тысяч световых лет, все равно способна генерировать столько же или больше гамма-лучей, сколько производит большая солнечная вспышка. Прямое облучение таким гамма-излучением может оказаться смертельным. Само по себе «вторичное излучение» в результате поглощения металлом также может оказаться очень высоким, смертельным для незащищенных астронавтов.

Не забывайте о том, что наши спутники также чувствительны к такому событию (см. главу 2). Кроме этого, вспышка гамма– и рентгеновского излучения от близкой сверхновой ионизировала бы верхние слои атмосферы, создавая каскад субатомных частиц. От этого возник бы сильный импульс магнитной энергии, который может повредить нашу энергосистему так же, как и солнечный корональный выброс массы (подробно события такого рода описаны в главе 2). Такой импульс излучения от сверхновой мог бы серьезно нарушить системы связи, телевидения, глобального позиционирования, авиасообщение на больших высотах и даже передачу электричества по линиям электропередачи.

Напомню, на таком расстоянии от нас имеется несколько звезд, готовых вспыхнуть. Шансы на то, что одна из них взорвется в ближайшем будущем, невероятно низкие, но мы уже вышли в космос и сильно зависим от нашей орбитальной инфраструктуры. Хорошие новости заключаются в том, что, если правительства воспримут угрозу от солнечных выбросов всерьез и примут меры по защите от них нашей инфраструктуры, сверхновые нам также угрожать не будут.

По крайней мере, в этом конкретном аспекте. Но мы еще не закончили экскурсию по их арсеналу.