Текст книги "Смерть с небес"

Гамма– и рентгеновское излучение: возвращение

Прежде чем вы начнете дышать свободно, сидя на дне этого воздушного океана, вам следует осознать, что мы кое-что забыли. Нам, находящимся на поверхности Земли, действительно не грозит прямое облучение высокоэнергетическим излучением, потому что атмосфера поглощает его. Но тогда будет разумным поинтересоваться, как это влияет на саму атмосферу?

Теоретически это самая большая угроза, которую представляет сверхновая.

Наша атмосфера состоит из многих слоев. Мы находимся на дне, где много кислорода, смешанного с азотом, а также присутствуют и другие газы, такие как двуокись углерода и аргон, в следовых количествах. Но там наверху все по-другому.

Как обсуждалось в главе 2, на высоте примерно 15–50 км над поверхностью Земли находится озоновый слой, поглощающий опасное УФ-излучение Солнца. Если бы его ничто не задерживало, оно достигло бы поверхности и причинило самый разнообразный вред, включая солнечные ожоги и рак кожи у людей. Более того, многие простейшие организмы и бактерии, основа пищевой цепочки на планете, очень чувствительны к ультрафиолету.

Несомненно, озоновый слой исключительно важен для жизни на Земле, и с точки зрения сверхновой на нем красуется большая жирная мишень.

Когда рентгеновское излучение и гамма-излучение от сверхновой попадают в атмосферу Земли, они могут разрушать молекулы озона, приводя к каскадному развитию событий, описанных в начале этой главы. Критическим фактором, как и всегда, является расстояние. С какого расстояния сверхновая сможет разрушить озоновый слой настолько, что от этого пострадает жизнь на поверхности?

Это важный вопрос, и многие ученые относятся к нему очень серьезно. Некоторые составили компьютерные модели, чтобы понять, насколько близкая сверхновая может повредить нашей атмосфере. Они использовали математическую модель атмосферы, куда включили такие факторы, как высота сверхновой над горизонтом, время года, расстояние и так далее.

Разные модели дают разные ответы, но конечный результат, судя по всему, для нас благоприятен: чтобы причинить достаточно вреда озоновому слою и полностью разрушить основание пищевой цепочки, сверхновая должна была бы находиться от нас на расстоянии как минимум 100 световых лет. Некоторые модели свидетельствуют о том, что она должна быть даже ближе, скажем, 25 световых лет.

Так близко к нам нет массивных звезд, готовых взорваться, поэтому и в этот раз нам, похоже, ничто не угрожает… или угрожает?

Сириусная опасность?

У меня есть и другие плохие новости: взрываться могут не только массивные звезды. Более легким звездам, таким как Солнце, не хватает массы, чтобы создать условия для коллапса ядра. Но оказывается коллапс ядра – не единственный способ взорвать звезду.

В ядре массивной звезды накапливается гелий, со временем превращающийся в углерод и кислород. Но в звезде с малой массой этого не происходит: ее внешние слои просто слишком легкие и не создают нужного давления для слияния ядер гелия. Вместо этого гелий просто накапливается в самом центре звезды в виде плотного шара из вырожденного гелия. Вырождение – это тот причудливый эффект квантовой механики, который мы обсуждали ранее, проявляющийся, когда слишком много частиц одного типа – в данном случае электронов – очень сильно спрессованы. По мере накопления гелия скорость вырождения увеличивается и температура стремительно растет (хотя в данном случае все равно недостаточно сильно, чтобы синтезировать углерод и кислород из гелия).

Ранее мы уже рассмотрели, что звезда с малой массой расширяется и остывает, превращаясь в красный гигант. Если она достаточно массивна, она все еще может продолжать синтезировать углерод из гелия, при этом углерод будет накапливаться и цикл повторяться. Если у звезды не хватает массы, чтобы синтезировать углерод, процесс на этом прекращается.

Но жизнь красного гиганта еще не окончена. В то время как глубоко в сердцевине проходят все эти процессы, на поверхности ситуация совсем иная. Значительно увеличившиеся размеры звезды означают, что на поверхности силы тяготения гораздо ниже; газ там уже не удерживается столь надежно, как раньше. Вспомните также, что существенно возросла яркость звезды. Свет, исходящий изнутри, бомбардирует все частицы газа на ее поверхности. Газ поглощает этот свет, выталкивающий его наружу. Этого толчка может быть достаточно, ослабшие силы тяготения будут преодолены, газ получит достаточный импульс, позволяющий ему сорваться с поверхности и устремиться в космос.

Звезда испускает плотный поток вещества. Астрономы называют его звездным ветром, это как солнечный ветер на стероидах. Ветер от красных гигантов может быть очень плотным, унося в тысячи раз больше газа, чем раньше, до того, как в ядре звезды произошло вырождение; плотность этого потока может быть настолько большой, что наружные слои звезды могут полностью исчезнуть всего за несколько тысяч лет. За этот короткий по сравнению с продолжительностью жизни звезды промежуток она теряет до половины своей массы.

Когда такое происходит, ее вырожденное ядро обнажается и она становится белым карликом. Несмотря на то что в нем может быть заключена масса целой звезды, белый карлик такой плотный, что размерами не превышает Земли. Силы тяготения на поверхности сложно представить, они в сотни, тысячи раз сильнее, чем земные. Примерно несколько кубических сантиметров вещества белого карлика имели бы массу в несколько тонн, это все равно что спрессовать десятки автомобилей до размеров кубика сахара. Кроме того, белый карлик очень горячий, он раскален до температуры свыше сотни тысяч градусов.

После того как звездный ветер унес внешние слои звезды, этот шар сверхспрессованного, сверхгорячего вещества остается в центре расходящегося газового облака. Белый карлик настолько горячий, что испускает поток ультрафиолетового излучения, возбуждающего газ в улетающем ветре, вызывая его свечение. С Земли эти газовые облака выглядят бледными, призрачными дисками, светящимися характерным зеленым цветом, потому что содержат кислород. Астрономы называют их планетарными туманностями, потому что в окуляре телескопа они похожи на далекие планеты, но такой термин неверен: это последние вздохи звезд со средней массой, и однажды наступит черед Солнца пройти через подобный этап (сделав жизнь здесь, на Земле, очень неприятной; к вашему сведению, дальше этому будет посвящена отдельная глава).

С этого момента, однако, жизнь звезды становится довольно скучной. В конце концов газовое облако улетает, полностью рассеиваясь и смешиваясь с холодным газом, существующим в межзвездном пространстве. В течение миллиардов лет белый карлик остывает, тускнеет и просто гаснет.

Но для некоторых белых карликов история на этом не заканчивается.

Примерно половина всех звезд на небе являются частью двойных или множественных звездных систем; это звезды, которые обращаются вокруг друг друга благодаря взаимным силам тяготения. Теперь представьте такую систему с двумя звездами на общей орбите. Обе имеют массу, приблизительно равную массе Солнца. Одна стареет немного быстрее, чем другая; возможно, она чуть более массивна, чем ее компаньонка, поэтому ядерный синтез в ней происходит чуть интенсивнее. Она превращается в красного гиганта, сбрасывает свои внешние оболочки и становится плотным белым карликом, состоящим из гелия.

Со временем и вторая звезда начинает проходить через те же этапы. Но, когда она раздувается, превращаясь в красного гиганта, ее компаньонка уже стала белым карликом с более сильной гравитацией. Если карлик находится достаточно близко к образовавшемуся красному гиганту, благодаря своей мощной гравитационной тяге он может фактически стаскивать вещество со второй звезды, буквально пожирая его. Этот газ, который практически весь является водородом, оседает на поверхности белого карлика и накапливается, как снег на земле.

С этого момента ситуация становится опасной. Силы тяготения белого карлика поразительно мощные, они неимоверно сдавливают массу, оседающую на его поверхности. Если вещество переносится на поверхность слишком быстро, оно скапливается в одном месте, и давление там возрастает до критической точки. Ядра водорода в этой куче мгновенно сливаются, детонируя как термоядерная бомба, только бомба мощностью в 100 000 раз больше, чем вся излучаемая энергия Солнца.

Колоссальная вспышка – и накопившееся вещество сдувает с поверхности звезды, несмотря на мощные силы тяготения. Это как будто отрыжка после того, как вы поглотили слишком быстро и слишком много пищи, – давление на белом карлике спадает, и после того, как все успокоилось, вещество начинает накапливаться вновь, и запускается новый цикл.

В человеческих масштабах высвобождаемая энергия колоссальна, но все равно она меньше, чем при вспышке сверхновой, и это событие называется просто новой. Взрыв практически никак не влияет на белого карлика – количество материи, сдуваемой во время этого события, всего в несколько сотен раз больше массы Земли[25]25
  Обратите внимание на слово «всего». Астрономия легко обращает в пыль наше понимание масштаба. Для нас масса Земли может казаться огромной, но это всего лишь одна миллионная доля массы белого карлика.


[Закрыть], то есть гораздо, гораздо меньше, чем масса звезды, и, следовательно, цикл может повторяться до тех пор, пока красный гигант питает белого карлика.

Однако, если поток материи от красного гиганта перетекает медленней, это меняет дело. Газ не будет скапливаться так быстро в одном месте и взрываться. Вместо того он будет распределяться по всей поверхности белого карлика, образуя вокруг него оболочку из инертного водорода. Но в этом случае давление не сбрасывается, «отрыжки» не происходит. Так как материя распределена, давление ниже, чем в первом случае, и слой вещества продолжает нарастать, утолщаясь, повсюду на поверхности белого карлика. В конце концов, когда накопится достаточно материи, точка взрывного запуска синтеза будет все равно достигнута.

В этом случае взрывным термоядерным процессом сливаются не только ядра водорода на одном небольшом участке, но вся материя на всей поверхности звезды. Взрыв выделяет гораздо, гораздо больше энергии, и она прогрызает свой путь внутрь белого карлика, а также вырывается в космос. Выделяющаяся энергия настолько титаническая, что может разорвать саму звезду, приводя к катастрофе эпических масштабов. Звезда взрывается целиком, как одна огромная термоядерная бомба размером с планету Земля. Это катастрофа в прямом смысле слова: звезда превращается в сверхновую.

По космическому совпадению суммарная энергия, выделяемая при этом событии (называется сверхновая типа I), очень схожа с энергией, испускаемой массивной звездой, превращающейся в сверхновую (называется сверхновая типа II), несмотря на то что происходят совершенно другие физические процессы. На деле эти события выглядят настолько похоже, что астрономы не сразу смогли понять, что они никак не связаны. Но в обоих выделяются титанические количества энергии, и оба очень опасны, если произойдут слишком близко к нам.

Одна категория, в которой два события различаются, – это испускаемый ими высокоэнергетический свет: звезды типа I испускают гораздо больше рентгеновского и гамма-излучения, чем звезды типа II. Это означает, что даже на большом расстоянии они могут быть опасны для нас. Нам известно, что поблизости кандидатов на тип II нет. А что насчет типа I?

К счастью, и таких поблизости нет. Однако – и «однако» есть всегда – очень близко к Земле существует двойная звезда с белым карликом: Сириус, самая яркая звезда на ночном небе. Она находится на расстоянии всего девяти световых лет от Земли, что по космическим меркам практически у нас на коленях.

Сириус А, главная звезда, – это нормальная звезда (то есть синтезирующая гелий из водорода в своем ядре, как Солнце) с массой, примерно вдвое превышающей массу Солнца. Вокруг нее вращается Сириус В, белый карлик с примерно такой же массой, как и Солнце. В один прекрасный день Сириус А превратится в красного гиганта, и Сириус В начнет его поедать… но, насколько мы можем судить, Сириус В находится слишком далеко от А и не сможет питаться с нужной для взрыва скоростью. Белый карлик будет все равно накапливать материю и от этого становиться ярче, так как материя разогревается и врезается в поверхность выродившейся звезды, но этого, вероятно, будет недостаточно, чтобы представлять опасность для нас на Земле. Кроме того, Сириус А, скорее всего, станет красным гигантом только через десятки или сотни миллионов лет. Насколько нам известно, больше нигде поблизости от нас кандидатов на тип I нет.

Поэтому, повторюсь, вы можете вздохнуть с облегчением. Похоже, сверхновая такого типа нам также не грозит.

Космическая лучевая пушка

У сверхновых обоих типов есть еще одно, последнее, оружие, которое нам нужно учитывать, и, возможно, оно самое разрушительное.

Межзвездное пространство заполнено субатомными частицами – протонами, нейтронами, даже целыми ядрами гелия, – движущимися на высоких скоростях, иногда практически на скорости света. Эти потоки, которые называются космическими лучами, открыл ученый по имени Виктор Гесс в 1912 г. Он запустил воздушный шар с простым аппаратом, регистрирующим ионизирующее излучение, субатомные частицы, способные врезаться в нормальные атомы и срывать с них электроны. Считалось, что этого излучения будет больше у поверхности Земли (благодаря существующим в природе радиоактивным элементам), но по мере подъема воздушного шара уровень излучения возрастал. Это означает, что значительная часть того излучения должна поступать из космоса.

Что может разгонять частицы до таких высоких скоростей? Ну как что, для этого понадобилась бы энергия взрыва звезды… о, точно.

Как я уже упоминал, когда звезда взрывается, в выброшенном веществе распространяются массивные ударные волны. Ударная волна может передавать этим частицам огромную энергию, ускоряя их. Ударные волны в турбулентном хаосе расширяющегося газа могут множество раз швырять частицу, заставляя ее двигаться невероятно быстро. Когда она наконец вырывается, ее скорость может составлять 99,9999 % от скорости света.

По сути, это субатомная пуля, а сверхновые производят гигатонны таких. К тому же оказывается, что они, несомненно, очень опасны, потому что есть несколько способов, какими они могут причинить вред нам на Земле.

Когда космические лучи врезаются в нашу атмосферу, они могут ионизировать молекулы, находящиеся в ней, и даже разрывать их. Например, озон разрушается при попадании по нему космических лучей. Модели близких вспышек сверхновых демонстрируют, что последствия от повреждения озонового слоя космическими лучами похожи на последствия воздействия гамма-излучения. Помните, гамма-излучение от сверхновой, находящейся на расстоянии 25 световых лет или больше, ничему не угрожает, поэтому мы можем предположить, что наш озон выдержит налет космических лучей от события, произошедшего на большем расстоянии.

Тем не менее, когда космические лучи попадают по молекуле в нашей атмосфере, может создаваться множество вторичных частиц, движущихся на высокой скорости. Они разлетаются как шрапнель, сея разрушения на большем пространстве. Эти вторичные частицы, называемые мюонами, могут проливаться дождем прямиком на поверхность Земли. Они могут быть чрезвычайно опасны: мюоны будут врезаться в ткани, разрушая клетки и, хочешь не хочешь, ДНК. Достаточно большая волна космических лучей, попадающая в атмосферу Земли, может распространить мюоны по всей планете, убивая растения и животных в больших количествах.

Такой тип взаимодействий очень сложно моделировать. Например, на космические лучи воздействуют магнитные поля, отчего их траектория и скорость могут меняться. В галактике существуют очень замысловатые магнитные поля, и неизвестно, как конкретно это затронет нас. Магнитные поля Солнца и даже Земли также играют в этом роль, усложняя и без того невероятно запутанную игру. Тем не менее ученые попытались оценить ситуацию, но из-за всех неопределенностей разброс в цифрах получился очень большой: некоторые модели показывают, что сверхновая должна быть всего на расстоянии нескольких световых лет, чтобы ее космические лучи причинили нам вред, а по оценке других, это расстояние ближе к 1000 световых лет. Врать не буду, это не сильно успокаивает, потому что на таком расстоянии существует множество звезд, способных взорваться (как видно по таблице в приложении).

Однако мы можем найти некоторое утешение. Интенсивность облучения, предсказываемая самыми зловещими моделями, практически стерла бы всю жизнь с лица Земли: мюоны обладают потрясающей проникающей способностью, поэтому от них не зарыться в землю и не спрятаться глубоко под водой. Однако само наше существование является вполне убедительным доказательством того, что более умеренные модели – более точные.

Тем не менее у облучения космическими лучами есть и другие последствия, которые нам нужно учитывать. Как уже упоминалось в главе 2, когда озон разрушается от воздействия космических лучей, может образовываться диоксид азота, превращающийся в азотную кислоту. Даже относительно умеренное облучение космическими лучами от вспышки сверхновой может увеличить интенсивность кислотных дождей. Однако, если количество событий, во время которых образуются мюоны, мы можем прикинуть только приблизительно, модели кислотных дождей, вызванных вспышкой сверхновой, еще менее определенные. Скорее всего, вспышка сверхновой должна произойти достаточно близко, чтобы причинить нам такой вред, но насколько близко, мы все еще точно не знаем.

Привет из прошлого

Наконец давайте обсудим еще кое-что. Несмотря на то что прямо сейчас потенциальных сверхновых любого типа на расстоянии, достаточном для того, чтобы убить нас, нет, это не значит, что их не было в прошлом. Земля существует 4,6 млрд лет, а расстояния между звездами меняются, так как они движутся по орбитам внутри Галактики, как автомобили по шоссе. Могла ли когда-то в отдаленном прошлом неподалеку от нас вспыхнуть сверхновая и каким-то образом затронуть Землю?

С точки зрения статистики практически наверняка. В зависимости от расстояния (чем они ближе, тем реже), возможно, что Земля несколько раз наблюдала взрывы звезд из первого ряда. По данным одной модели Земля видела по крайней мере три с расстояния в 25 световых лет; это достаточно близко, чтобы серьезно повредить наш озоновый слой или облучить нас потоком мюонов.

Но у нас есть кое-что еще, кроме простой математики. У нас есть геология.

В 2004 г. научное сообщество было потрясено, когда группа ученых объявила, что нашла радиоактивный изотоп ⁶⁰Fe (железо-60) в аномально высоких количествах в образце, взятом со дна Тихого океана. Это исключительно редкий на Земле изотоп, и на Земле нет процессов, при которых он мог бы создаваться в заметных количествах.

Однако этот изотоп образуется в сверхновой, когда в расширяющемся облаке осколков происходит взрывной процесс ядерного синтеза. Кажется вероятным, что ⁶⁰Fe, обнаруженный в донной пробе из Тихого океана, был создан сверхновой и попал на Землю, когда Земля оказалась на пути облака проносящихся осколков.

Очень интересен тот факт, что у изотопа ⁶⁰Fe относительно короткий период полураспада. Радиоактивные элементы распадаются с образованием «дочерних» элементов. Со временем все исходные элементы исчезают. Период полураспада – это статистический период, в течение которого половина пробы вещества распадается, и у разных изотопов он разный. Период полураспада изотопа ⁶⁰Fe составляет всего около 1,5 млн лет. Измерив количество ⁶⁰Fe по сравнению с другими элементами, обнаруженными в пробе, можно определить возраст пробы. В данном случае, ⁶⁰Fe погрузился на дно Тихого океана всего лишь 2,8 млн лет назад.

Это означает, что с геологической точки зрения вспышка сверхновой наблюдалась относительно недавно. Учитывая количество ⁶⁰Fe в пробе, сверхновая также должна была находиться не так далеко: возможно, на расстоянии всего 50 световых лет. Может быть, даже ближе.

Кстати, было обнаружено и возможное место рождения сверхновой: неплотный кластер массивных звезд – таких, которые образуют сверхновые типа II, – называющийся ассоциацией Скорпиона – Центавра. Эта группа звезд в настоящее время находится от нас на расстоянии примерно от 400 до 500 световых лет, но 3 млн лет назад она была ближе, на расстоянии всего 100 световых лет, подозрительно близко к подходящему расстоянию, с которого сверхновая могла запустить изотоп ⁶⁰Fe на Землю.

Более того, известно, что Солнце расположено в области, называемой «Местный пузырь» – это полость в обычном тумане из газа и пыли, наполняющем галактику. Такие пузыри могут создаваться взрывающимися звездами; расширяющийся газ расчищает полость, как снегоуборочная машина. Удивительно, но Местный пузырь не старше 10 млн лет. Похоже, к его возникновению также приложила руку ассоциация Скорпиона – Центавра.

Ни о каких эпизодах массового вымирания в тот период, когда на Землю осаждался изотоп ⁶⁰Fe, неизвестно, и это успокаивает: даже сверхновая на расстоянии от 50 до 100 световых лет, похоже, не представляет большой угрозы.

Но статистические данные все равно интересны. Жизнь на Земле существует более 3 млрд лет, а многоклеточные организмы – в течение последних 600 млн лет или около того. Происходило ли какое-либо космическое событие, потрясшее мир, в тот период?