Текст книги "PRO парадоксы науки"

Глава 18. Космические лучи

В космических лучах наблюдали ряд странных, не объясненных до сих пор явлений, в частности события, получившие названия кентавров…

Л. Б. Окунь.

Физика элементарных частиц

Астрофизики полагают, что галактические лучи – это частицы вещества родом из «отгоревших» квазаров, галактик, в которых есть сверхмассивные черные дыры, которые некогда были звездами и сияли с невероятной яркостью.

Одна из нерешенных задач астрофизики – природа космических лучей сверхвысокой энергии. Космические лучи – это элементарные частицы (иногда ядра), попадающие на Землю из космоса. Они имеют некое распределение по энергии, что и неудивительно: ведь такие частицы могут появляться в совершенно разных астрофизических явлениях. Однако высокоэнергетическая часть спектра космических лучей вызывает много вопросов у астрофизиков. Дело в том, что элементарные частицы очень высокой энергии, распространяясь в межгалактической среде, должны очень эффективно взаимодействовать с микроволновым космическим излучением, которое пронизывает всю Вселенную. Другими словами, для столь энергетичных частиц Вселенная должна быть непрозрачной, мутной средой. То есть таких частиц наблюдаться не должно!

Однако они наблюдаются! Как такое может быть? Выход только один: источник этих частиц находится не так далеко от нас, где-то в нашем скоплении галактик, но никак не на космологических расстояниях. Однако наше скопление галактик более-менее изучено и… не очень ясно, где прячется этот источник.

Некоторые физики считают, что энергетический спектр космических лучей не противоречит предположению о том, что источник этих лучей – сверхмассивные метастабильные элементарные частицы, блуждающие по Вселенной и иногда забредающие в нашу Галактику или скопление галактик.

В самых больших масштабах вещество во Вселенной распределено почти равномерно, но в меньших делениях существуют большие неоднородности. Звезды могут образовывать двойные системы, входить в число скоплений или ассоциаций. Крупнейшим объединением звезд является галактика. Но и сами галактики редко встречаются по одиночке. Из числа ярких более 90 % входит или в число групп галактик, содержащих лишь несколько ярких членов, как, например, Местная группа, или в число скоплений галактик, содержащих от нескольких сотен до нескольких тысяч членов.

Ливни космического излучения

В октябре 1963 года США запустили спутниковую программу контроля выполнения Договора о запрете ядерных испытаний в атмосфере и космосе. Основу космического мониторинга составили спутники «Вела» (от исп. Vela – «вахта», «дозор», «смотреть»). За всю историю программы детекторы спутников зарегистрировали лишь один след ядерного взрыва на поверхности Земли. Этот случай, получивший название «Инцидент Вела», или «Южно-Атлантический проблеск», произошел в Южной Атлантике, когда спутниковые детекторы зафиксировали серию гамма-всплесков, характерных для взрыва ядерного заряда мощностью в несколько килотонн. Долгое время считалось, что сателлит напал на след совместного проекта ЮАР и Израиля по разработке ядерного оружия. Однако после смены власти в ЮАР и рассекречивания многих документов эксперты стали склоняться к версии, что гамма-вспышка была связана с падением крупного метеорита.

Тем не менее спутникам-наблюдателям удалось сделать крупнейшее астрономическое открытие, зафиксировав всплески гамма-излучения в далеких глубинах космоса.

В марте 1969 года при обработке поступающей из космоса информации, американские специалисты обратили внимание на то, что пара спутников-близнецов серии Vela-4 еще в 1967 году зарегистрировала два непродолжительных импульса гамма-излучения. Детальный анализ показал, что они явно не походят ни на отголоски взрыва сверхновой звезды, ни на солнечные вспышки и меньше всего напоминают следы наземных ядерных испытаний. Новой серии усовершенствованных «смотрящих» сателлитов Vela-5 уже удалось отследить 16 подобных вспышек. И вскоре на страницах Astrophysical Journal Leters появилась статья астрофизиков Рея Клибсадела, Роя Олсона и Йена Стронга, сообщивших об уникальном космическом явлении. Так возникло новое научное направление в физике космоса, связанное с исследованием гамма-всплесков (гамма-вспышек или гамма-барстеров – cosmic gamma-ray bursts (GRB).

Таинственная природа этих коротких ярких вспышек до сих пор горячо обсуждается астрофизиками. Гамма-излучения являет те же рентгеновские лучи, только очень высокой энергии, поэтому иногда гамма– и рентгеновские вспышки фиксируются вместе.

Вскоре после открытия этого необычного феномена выяснилось, что вспышки происходили в глубоком космосе и являются откликом мощнейших взрывов в далеких галактиках. Гамма-всплески являют собой великую тайну современной астрономии. Примерно раз в сутки гамма-небо освещается гамма-излучением от необычного взрыва. Никто пока не знает ни истинных причин этих взрывов, ни расстояния, на котором они происходят. Еще более поразительна карта, включающая тысячи подобных выбросов энергии, составленная в галактических координатах.

На карте видны странные дуги и линии, которые астрономы объясняют наложением изображений в диске нашей Галактики и в иных галактиках. Однако после недавнего пересмотра шкалы расстояний выяснилось, что большинство вспышек лежит на расстоянии нескольких миллиардов световых лет.

Поражают масштабы космических взрывов, совершенно несоизмеримые с земными, даже самыми мощными термоядерными испытаниями. Энергия типичного гамма-всплеска, зарегистрированного в далекой галактике, эквивалентна десяткам или даже сотням вспышек сверхновых звезд, каждая из которых щедро разбрасывает такую колоссальную энергию, которую наше Солнце излучает за многие сотни миллионов лет!

На сегодняшний день среди астрофизиков устоялось мнение, что возникновение длинных гамма-всплесков связано со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд.

Гравитационный коллапс – это безудержное падение «внутрь самого себя» у небесных тел с нарушенным балансом веса внешних слоев и сдерживающим его внутренним излучением. Такие взрывы оставляют после себя или черные дыры, или магнетары – сильно намагниченные, быстро вращающиеся нейтронные звезды – астрономические объекты, являющиеся одним из конечных этапов звездной эволюции. Магнетары выбрасывают излучение как два противоположно направленных прожектора – вдоль узких конусов по оси вращения гибнущей звезды.

В случае коротких гамма-вспышек популярна модель столкновения намагниченных нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести и постепенно сближающихся из-за потери энергии, уносимой гравитационными волнами.

Для самых коротких гамма-барстеров предлагается гипотеза о «схлопывании» черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва и доживших до современной эпохи. Такие дыры в теории должны непрерывно испускать излучение, теряя массу и, как это ни парадоксально, не охлаждаясь, а нагреваясь. В конце концов такой коллапсар должен взорваться, излучая очень энергичные гамма-кванты. Массивные черные дыры, наподобие тех, что притаились в ядрах галактик, испаряются очень медленно, но миниатюрные коллапсары могут взрываться как раз в нашу эпоху, так что их гамма-излучение можно будет легко зарегистрировать, если они находятся не далее нескольких световых лет.

Есть и еще один вариант для сверхкороткой генерации гамма-потоков коллапсарами просто небольших масс. В этом случае надо, чтобы черная дыра нагрелась до триллиона градусов. Тогда обычная материя в ее окрестностях превратится в кваркглюонную плазму, из которой когда-то состояла новорожденная Вселенная. Это напоминает фазовый переход первого рода: при замерзании воды в лед. Здесь должна выделиться колоссальная энергия сверхкороткого гамма-барстера, фиксируемого уже на расстоянии в десятки световых лет.

Не так давно астрономический мир облетела сенсация: возможно, на поверхности нашей планеты обнаружены следы мощнейшего космического гамма-взрыва из известных нам в истории Вселенной. Следы феноменальной по мощности гамма-вспышки были найдены в археологических слоях VIII века нашей эры. Исследуя годовые кольца кедров и пробы полярных льдов, ученые определили, что выброс энергии мог достичь Земли в 774 или 775 году нашей эры. Вначале был выявлен необычно высокий уровень радиоактивного изотопа углерода-14 в древних японских кедрах, а затем в приполярных льдах Антарктиды был обнаружен аномальный уровень изотопа бериллия-10. Обычно эти элементы образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей высокой энергии, а значит, в указанный период на нашу планету из космоса попал поток сверхвысокоэнергичных гамма-квантов.

Итоговые результаты исследований «средневекового барстера» были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, где сделано предположение, что гамма-взрыв произошел из-за слияния двух черных дыр или нейтронных звезд в нашей Галактике. Теория действительно предсказывает, что столкновение двух черных дыр, сверхновых звезд либо белых карликов должно сопросождаться мощнейшими выбросами гамма-излучения, однако астрономическое сообщество до сих пор не сошлось во мнении о том, какой именно из космических источников ответствен за открытое явление.

Вначале астрофизики склонялись к мнению, что причиной высокого уровня изотопов в древних кедрах и полярных льдах стала вспышка сверхновой звезды, однако затем эта гипотеза была признана несостоятельной, поскольку любая сверхновая оставляет после себя газопылевой «саван» с усопшей звездой типа белого карлика.

Среди возможных причин колоссального гамма-барстера фигурирует и супервспышка на Солнце с необычайно высоким выбросом энергии. Но и тут слышатся весомые возражения, основанные на том, что выделившаяся даже в супервспышке энергия не может объяснить аномально высокий уровень углерода-14 и бериллия-10 в недрах и льдах.

Следующая версия повышенного содержания изотопов в земной коре основывалась на неком очень мощном взрыве, произошедшем в глубинах нашей Галактики Млечный Путь. Сторонники этой гипотезы утверждают, что анализ спектра коротких гамма-всплесков показывает: они в целом соответствуют скорости образования углерода-14 и бериллия-10. Такие астрономические события должны быть в сотни раз ярче сверхновых звезд и в миллион триллионов раз ярче Солнца, причем «средневековый барстер», скорее всего, находился в пределах от 3 до 12 тысяч световых лет от Земли.

Хотя гамма-взрыв VIII века был исключительно мощным, средневековое население нашей планеты вряд ли заметило его последствия. Во всяком случае, до сих пор не найдено каких-либо письменных указаний на это событие, и это в первую очередь подтверждает, что в структуре вспышки отсутствовала видимая часть спектра.

Между тем, даже если гамма-вспышка произошла на таком незначительном (по астрономическим меркам) расстоянии, атмосфера нашей планеты вполне была способна поглотить львиную долю дошедшей до нее радиационной волны, оставив лишь след из изотопов.

Современные орбитальные гамма-обсерватории накопили солидную статистику гамма-взрывов, которая показывает, что данное явление происходит достаточно редко. Так, в каждой из галактик гамма-барстеры вспыхивают не чаще чем раз в десять тысячелетий, а может быть, и раз в миллионолетие.

В общем, подавляющее большинство астрономов сходится на том, что в скором будущем гамма-взрыв в ближайшем галактическом окружении Земли крайне маловероятен. Однако, даже если такое событие произойдет, его воздействие на организм человека будет едва ли ощутимым. Впрочем, может возрасти вероятность заболевания раком кожи при длительном нахождении на открытом воздухе без верхней одежды.

Гораздо больше может пострадать техносфера, ведь гамма-импульс «средневековой» энергии легко выведет из строя радиоэлектронное оборудование множества спутников.

А вот если подобный выброс гамма-квантов случится на близком расстоянии в несколько сотен световых лет, возникнет реальная угроза частичного или даже полного разрушения озонового слоя, что, несомненно, будет представлять большую опасность для всего живого на нашей планете.

Глава 19. Планетарный генезис

Новые данные о космических явлениях продолжают стремительно накапливаться как в результате наземных оптических и радиоастрономических наблюдений, так и благодаря исследованиям, которые ведутся с помощью космических аппаратов и орбитальных станций. И среди них есть такие, которые, по-видимому, уже открывают совершенно новые, до этого неведомые нам страницы бесконечно разнообразной «книги Вселенной».

В. Н. Комаров.

Новая занимательная астрономия

После распада и фрагментации протопланетного облака новорожденная Солнечная система содержала свиту планет и множества астероидов, еще не сгруппированных гравитационным профилем новой планетарной структуры и вращающихся по достаточно сложным орбитам. Из этого следует интересный факт, что около трех миллиардов лет назад падение астероидов на внешние и внутренние планеты происходило довольно часто. На некоторых планетах, практически лишенных атмосферы, таких как Марс и Меркурий, а также на нашем спутнике Луне до сих пор можно наблюдать следы этих метеоритных катаклизмов. На Земле и Венере, планетах с плотной атмосферой, ее воздействие практически полностью стерло последствия подобных бомбардировок, и сегодня планетологи и геофизики вместе с геологами и палеонтологами с громадным трудом находят остатки некоторых, сравнительно недавно образованных астроблем – метеоритных кратеров.

Планетарное облако скорее всего имело дискообразную форму, чем-то напоминая колоссальную двояковыпуклую линзу. Планетологи полагают, что протопланетный диск и Солнце генетически однородны, образовавшись из единой закрученной гравитационными силами массы межзвездной газопылевой туманности.

Итак, перед нашим мысленным взором предстает сверкающее голубизной молодое Солнце, окруженное обширным облаком пыли, состоявшим из песчинок графита, похожего по составу на грифель в простом карандаше, и кремния в виде тончайшего песка, покрывающего морские и речные пляжи. Возможно, изредка попадались окислы железа, напоминающие частички ржавчины, смерзшиеся вместе с метаном и аммиаком, а также другими углеводородами.

Считается, что залежи первичного вещества, оставшегося со времен образования Солнечной системы, остались в Главном поясе астероидов, раскинувшемся между орбитами Марса и Юпитера. Между тем его необычное местоположение издавна вызывало бурные споры. Дело в том, что одной из главных задач астрономии долгое время был поиск закономерности расположения планет в Солнечной системе. Одним из первых к этому приступил Иоганн Кеплер, представивший в 1596 году свой первый научный трактат «Тайна мира». В ней Кеплер попытался сопоставить орбитам пяти известных тогда планет различные правильные многогранники, известные как Платоновы тела.

Формирование Солнечной системы

A. Процесс объединения и укрупнения продолжался многие сотни миллионов лет, пока не возникли зародыши будущих планет.

B. Вокруг них, как источников гравитационного притяжения, также начали собираться облака околосолнечного вещества.

C. Первичные гравиконентраторы закручивались в «волчки» по тем же причинам, что и вся масса, и расслаивались в кольца, собираясь в сгустки на определенных орбитах, из которых в конечном итоге и формировались планеты.

D. Расчеты планетологов показывают, что первичные «песочные» кольца нашего светила были внутренне неустойчивы из-за сложного взаимного притяжения, и поэтому с течением времени все их твердые фрагменты стали объединяться в большие тела метеоритов и астероидов.

E. В современную эпоху эти и подобные им небесные тела заполняют большую часть пространства за орбитой Марса, причем среди них встречаются и гигантские астероиды диаметром в несколько километров

Именно тогда у великого астронома и зародились подозрения о слишком большом интервале между орбитами Марса и Юпитера, тем не менее он продолжал до конца верить в «гармонию мира». В 1621 году Кеплер переиздал с многочисленными изменениями и дополнениями свой труд, особо отметив, что на дистанции между Марсом и Юпитером должны быть открыты крупные небесные тела.

В 1766 году немецкий физик и математик Иоганн Даниэль Тициус опубликовал простую математическую зависимость, приблизительно описывающую расстояния планет от Солнца: a_i = 0,4 + 0,3 × 2^i–2, где i – порядковый номер планеты.

Вначале астрономы не придали значения открытию Тициуса, и лишь после открытия в 1781 году Урана, большая полуось орбиты которого точно соответствовала формуле Тициуса, на это обратил внимание немецкий астроном Иоганн Элерт Боде. Он высказал предположение о существовании между Марсом и Юпитером на расстоянии 2,8 астрономической единицы пятой планеты. В январе 1801 года в этом месте была открыта карликовая планета Церера, что и заставило астрономов поверить в правило Тициуса – Боде.

Первые планомерные поиски планеты между Марсом и Юпитером организовал в 1800 году Франц Ксавер. Он организовал интернациональный коллектив из 24 астрономов под названием «Общество Лилиенталя», более известный как Himmelspolizei – «Небесная полиция». В группу Ксавера входили знаменитые ученые Уильям Гершель, Шарль Мессье и Генрих Ольберс, которые разделили зодиакальную часть неба вблизи эклиптики на 24 доли по числу участников проекта.

Несмотря на прекрасную организацию наблюдений, Общество Лилиенталя так и не смогло выполнить свою задачу, и первый объект из пояса астероидов был открыт итальянским астрономом из Палермо Джузеппе Пиацци 1 января 1801 года. Объект находился на расстоянии 2,77 астрономической единицы от Солнца, соответствуя предсказаниям правила Тициуса – Боде. Пиацци дал название небесному телу Церера в честь божественной покровительницы родной Сицилии.

28 марта 1802 года бывший небесный полицейский Генрих Ольберс открыл соседку Цереры – Палладу. Поскольку, в отличие от других планет, эти тела даже в самые сильные телескопы выглядели точечными звездами, Уильям Гершель предложил для них название астероиды, по-гречески – «звездоподобные».

К 1807 году были открыты астероиды Юнона и Веста. После долгого перерыва немецкий астроном-любитель Карл Людвиг Хенке в 1845 году обнаружил Астрею, а через пару лет Гебу. После этого астрономы открывали новые астероиды ежегодно, сегодня они регистрируются автоматическими астрономическими системами, а их общее количество приближается к тремстам тысячам.

Долгое время в научной и популярной литературе всячески обсуждалась гипотеза гибели планеты Фаэтон, разорванной гравитацией Марса и Юпитера. Считалось, что именно так мог возникнуть Главный пояс астероидов. Правда, некоторые современные компьютерные модели ставят под сомнение эту оригинальную гипотезу. Главный контраргумент здесь связан с оценками общей массы астероидов, представляющейся слишком малой. Кроме того, под большим вопросом находится и сама возможность формирования такого крупного небесного тела в области, периодически испытывающей довольно сильные гравитационные возмущения, исходящие от Юпитера. Получается, что данный пояс астероидов является, как и многие другие объекты в Солнечной системе, остатками «строительного мусора», оставшегося от времен формирования планет. Из этих частичек протопланетного облака действительно должен был возникнуть Фаэтон, но сформироваться ему не дало все то же гравитационное влияние семейства газовых гигантов во главе с Юпитером.

Известный советский астроном и популяризатор Феликс Юрьевич Зигель полагал, что Фаэтон, Марс и Луна некогда могли составлять единую трехпланетную систему с общей орбитой вокруг Солнца. Катастрофа Фаэтона превратила его в пояс астероидов и нарушила равновесие трех тел. Марс и Луна сместились на более близкие к Солнцу орбиты. В дальнейшем Луна была захвачена притяжением Земли и стала ее спутником.

Главный пояс астероидов

Нечто подобное предполагают и специалисты исследовательского центра имени Говарда НАСА. В их компьютерных моделях, построенных для полета АМС «Рассвет», присутствуют варианты гравитационной неустойчивости для особо крупных небесных тел, обращающихся в главном поясе астероидов. При этом один из катастрофических сценариев гравитационного взаимодействия планетоида, подобного Фаэтону, и астероидов предполагает резкое изменение их орбит. Скорее всего, здесь и кроются причины катастрофической бомбардировки миллиарды лет назад, когда часть астероидов стала опасно пересекать орбиты Марса, Земли и Луны, выпадая на их поверхности. Сам же Фаэтон, внеся хаос во внутреннюю часть Солнечной системы, исчез: двигаясь по сильно вытянутой орбите, планета опасно приблизилась к Солнцу и была им поглощена. В последнее время появился еще один вариант данной гипотезы, согласно которому Фаэтон не погиб, а в силу эффекта «гравитационной пращи» был выброшен на окраину Солнечной системы, пополнив население пояса Койпера или даже облака Оорта.

Предмет изучения междисциплинарной науки геофизики составляет то, что находится прямо у нас под ногами – планета Земля. Поэтому несколько странно, что происхождение и внутреннее строение столь близкого предмета исследований известно гораздо хуже далеких светил. Собственно, это и составляет главную нерешенную задачу данной науки.

Почти до конца прошлого века раннюю историю «создания» природой нашего космического дома приходилось изучать лишь на основе косвенных данных. И только на границе прошлого и нынешнего веков стали более-менее доступны для наблюдений таинственные невидимые газопылевые диски, формирующиеся вокруг некоторых молодых звезд, среди которых встречаются и родственные нашему Солнцу желтые карлики.

В начале космогонического сценария возникновения нашей планетарной системы предполагается наличие некоего сгустка газопылевой туманности. Под действием силы тяготения все окружающее вещество устремляется к неоднородностям плотности, происхождение которых до сих пор служит предметом полемики. В конечном итоге материя в центральной области самого большого центра уплотняется настолько, что в результате гравитационного коллапса возникает протозвезда. Подобную модель подтверждают многие современные астрономические наблюдения среди центров формирования звезд в нашей Галактике.

Протопланетное газопылевое облако с тускло мерцающим сквозь туманность светилом и следует считать колыбелью Солнечной системы, в которой возникли планеты со своими спутниками и все прочие большие и малые небесные тела нашего космического дома. Этот своеобразный сгусток космического вещества, вокруг которого – только что сформировавшиеся звезды, должен был вести себя достаточно хаотично, однако в силу (опять-таки в деталях неясного) действия гравитационных сил большая часть газа и пыли начала закручиваться в одну сторону. Тогда в полном соответствии с законом механики сохранения момента импульса дальнейшая конденсация протопланетного облака приводит к увеличению угловой скорости вращения зародышей планет вокруг центральной части.

По мере уплотнения первичного планетарного облака его температура медленно повышалась, и постепенно в формирующемся ядре Земли запускались глубинные физико-химические процессы. На фоне радиоактивного распада и уплотнения исходного вещества там развивались колоссальные давления и температуры, приводящие к сложным превращениям ядерной сердцевины. Все это сопровождалось интенсивной генерацией парогазовых соединений, в своем абсолютном большинстве состоящих из воды или отдельных ее элементов.

Нерешенная задача происхождения жизни связана с тем периодом, когда земная кора приняла вид тонкой оболочки, напоминающей некий кислородный каркас из окисленных пород. При этом в ядре планеты стали скапливаться металлогидриды с карбидом железа, из зон высокотемпературного давления начался интенсивный дрейф водорода и углеводородов. Приближаясь к поверхности, данные вещества начали интенсивно реагировать с приповерхностными окислами, бурно выделяя углекислый газ и водяной пар.

Первые живые организмы на Земле могли появиться более 4 миллиардов лет внутри камней, выстилающих дно океана, а крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток. Ключевой момент в этой теории – то, что в горячих источниках на морском дне отложения сульфида железа образуют «соты» с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра. Эти ячейки – идеальное место для возникновения жизни, и возникновение клетки могло предшествовать возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком горячей воды в ячейки попадали ионы аммония и монооксида углерода, так что сульфид железа выступал в роли одного из катализаторов синтеза органических веществ из неорганики. Простые соединения концентрировались в «клетках» из сульфида железа, что могло привести к возникновению сложных молекул – белков и нуклеиновых кислот.