Текст книги "Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты"

5,2 миллиарда лет назад
Столкновение в Местной группе галактик

Слияние двух галактик Местной группы породило длинный шлейф звезд, некоторые из которых сгруппировались в две карликовых галактики в окрестности Млечного Пути.

Термин «Местная группа» был впервые использован в 1936 году Эдвином Хабблом – он назвал так группу галактик, к которой принадлежит и Млечный Путь. Местная группа состоит примерно из шестидесяти галактик и представляет собой довольно скромное галактическое скопление. Оно имеет форму гантели, растянувшейся на десять миллионов световых лет. Своей формой скопление обязано двум самым крупным образованиям – Млечному Пути и туманности Андромеды, известной также под именем Мессье-31. Каждая из этих крупных галактик окружена собственной системой карликовых галактик-спутников. Кроме того, в Местную группу входит и третья галактика, обладающая спиральной структурой, – галактика Треугольника, или Мессье-33.

Эволюция Местной группы, похоже, была весьма бурной, как и у других крупных скоплений, – если верить компьютерным моделям, с помощью которых ученые пытаются восстановить прошлое на основе наблюдений Мессье-31. Через пять миллиарда лет после Большого взрыва Местная группа включала, помимо будущего Млечного Пути, две довольно крупные галактики, одна из которых была в три раза массивнее другой. Они подошли друг к другу настолько близко, что попали в сети взаимного гравитационного притяжения. Через четыре миллиарда лет па-де-де галактик закончилось столкновением, хотя этот термин не совсем подходит к тому, что произошло.

В обеих галактиках расстояния между звездами настолько велики, что прямые удары практически исключены. Правильнее было бы говорить о взаимопроникновении, или даже о слиянии. Модели показывают, что к окончанию процесса слияния две галактики превратились в одну. В наши дни она носит имя Мессье-31, или туманность Андромеды.

Через восемь миллиарда лет после Большого взрыва в этом слиянии наступил решающий момент. Под влиянием сил гравитационного притяжения, так называемых приливных – этот термин используется по аналогии с океанскими приливами, возникающими в результате действия тех же сил, – образовался длинный шлейф из звезд. Одни звезды оказались в сфере влияния новой большой галактики, получившейся в результате слияния. Другие, наоборот, ускользнули из ее объятий и сформировали две неправильной формы галактики, которые понеслись с такой скоростью, что через некоторое время они вновь оказались неподалеку от Млечного Пути. Астрофизики полагают, что эти карликовые галактики, известные сегодня под именем Магеллановы Облака, стали спутниками нашей галактики.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Мессье-32 вливается в Андромеду (800 миллионов лет назад)

4,8 миллиарда лет назад
Расширение Вселенной ускоряется

Ускорение Вселенной, которое заметно замедлилось к окончанию фазы инфляции, вновь растет под усиливающимся влиянием темной энергии.

Видимый блеск звезды обратно пропорционален квадрату расстояния до нее. Абсолютная светимость некоторых типов небесных тел хорошо известна – это количество энергии, которую они выделяют в виде света. Применение простого правила трех точек позволяет оценить расстояние до небесных тел с известной светимостью – астрономы назвали их «стандартными свечами». Астрофизики располагают целым набором таких небесных тел. Во главе списка – переменные пульсирующие звезды-цефеиды, ставшие объектом исследований еще в начале ХХ века. Их изучала американка Генриетта Ливитт на примере Малого Магелланова Облака. Однако для изучения объектов, расположенных в глубоком космосе, астрофизикам приходится вычислять красное смещение дальних звезд, которое позволяет оценить расстояние до них на основе современной модели Вселенной.

Определение красного смещения стандартных свечей может служить одним из способов ограничения разнообразия различных моделей Вселенной. Для того чтобы быть видимой на очень большом расстоянии, надо быть очень яркой свечой. В конце ХХ века некоторые астрофизики решили, что в качестве таких объектов могут пригодиться термоядерные сверхновые. В двойной системе звезд, из которых одна является белым карликом, создаются порой такие условия, что карлик стягивает на себя внешние оболочки своего компаньона. В этом случае масса карликовой звезды достигает предела Чандрасекара (1,44 солнечной массы), и происходит термоядерный взрыв с выбросом в пространство очень горячей материи. Термоядерные сверхновые, образующиеся в результате схлопывания звезд с одинаковой массой, должны иметь и совершенно одинаковое свечение – верный признак истинной стандартной свечи.

Используя очень далекие термоядерные сверхновые в качестве стандартных свечей, две международные группы ученых доказали, что все они удалены на расстояние явно большее, чем предсказывали расчеты по классической модели Вселенной. Это открытие означает, что скорость расширения Вселенной растет, вместо того чтобы замедляться под влиянием суммарной гравитации всей находящейся в ней материи. За это открытие два американских космолога – Сол Перлмуттер и Адам Рисс, а также австрало-американский космолог Брайан Шмидт в 2011 году получили Нобелевскую премию по физике. Оказалось, что Вселенная сегодня переполнена некоей формой энергии – «темной энергией», чье отрицательное давление выглядит как отталкивающая антигравитационная сила. Из-за расширения плотность материи постепенно снижается; плотность темной энергии, наоборот, не меняется. Темная энергия стала основной составляющей Вселенной через девять миллиарда лет после фазы инфляции, и расширение Вселенной вновь начало ускоряться.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Инфляция (10^–35 секунд после начала расширения)

Взрыв сверхновой (–4500)

Мисс Ливитт и масштабы расстояний (1912)

Появление Солнечной системы

Девять миллиарда лет прошло с момента Большого взрыва. Уже более двухсот миллионов лет назад Вселенная преодолела последний этап своей эволюции, когда темная энергия стала ее основной составляющей. Эта таинственная сущность с тех пор превалирует над темной материей так же, как и над материей обычной, так называемой барионной. История нашей Вселенной с этих пор – история событий, которые привели к возникновению Земли, нашей планеты. Она находится в нашей Галактике – Млечном Пути – спрятавшейся в скромном галактическом скоплении – Местной группе – на периферии сверхскопления – Ланиакеи. Сосредоточившись на формировании планетной системы на окраинах Млечного Пути, мы тем не менее не оставим без внимания и некоторые крупные события, информация о которых поступает из глубин Вселенной. Но, концентрируясь в основном на Солнечной системе, мы отойдем от привычной манеры подачи истории, принятой в школьном преподавании, то есть перечисления подвигов нашей самой прекрасной в мире страны. Большинство событий, описанных в этой части книги, покажутся вовсе незначительными, но именно из них состоит история нашей общей деревни – Солнечной системы и планеты Земля – нашего дома, единственного известного уголка Вселенной, где существует жизнь.

Достаточно ли это веская причина, чтобы придавать особое значение нашему уголку Вселенной? Бернар Ле Бовье де Фонтенель опубликовал в 1686 году рассуждение «Беседы о множественности миров» и положил начало нескончаемой дискуссии о существовании внеземной жизни. В наши дни все больше астрофизиков склоняются к мнению, что на других планетах могут существовать разные формы жизни. Как и американский ученый Карл Саган, многие считают, что обратная вероятность – «мы одни во Вселенной» – никогда не сможет быть доказана, в силу древней мудрости, что отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия.

Но тем не менее крошечный уголок космоса, где эволюционирует Земля, заслуживает усиленного внимания. События, которые происходили во время формирования нашей Солнечной системы, на самом деле представляют собой замечательный пример того, каким образом могли образоваться иные планетные системы, которые астрофизики не устают открывать вокруг многочисленных звезд Млечного Пути.

4,57 миллиарда лет назад
Рождение Солнца

Фрагмент молекулярного облака на окраине Млечного Пути, сжимаясь, начал уплотняться. Этот сгусток вещества стал нашим Солнцем. Вокруг него начал вращаться диск, из которого образовались все другие тела Солнечной системы.

Ланиакея, локальное сверхскопление, представляет собой один из узлов гигантской космической сети. Он удерживает вместе более десяти тысяч галактик. На его окраине расположена скромная галактическая группа – Местная группа, состоящая из примерно шестидесяти членов. Млечный Путь – один из самых заметных из них. Уже более четырех миллиарда лет назад массивное гало из темной материи сформировало в этом звездном острове посреди пустоты тонкий диск из звезд и газа, в основном водорода, с небольшой примесью гелия и щепоткой других элементов. В основном этот газ имеет очень малую плотность (менее одного атома на кубический сантиметр), однако местами он сконцентрирован в большие и существенно более плотные туманности. Молекулы и частицы пыли делают непрозрачными эти облака из пыли и молекул, одно из которых некогда плавало на окраине Млечного Пути.

Внутри этого облака, как и везде в пространстве, действовала гравитация. Неожиданно, по причинам до сих пор до конца не ясным, весьма значительный кусок облака неожиданно начал сжиматься, проваливаться сам в себя. Может быть, по нему прошла одна из волн плотности, которая сформировала специфическую структуру спиральных рукавов Млечного Пути? Или по нему промчалась ударная волна от взрыва близкой массивной звезды? Но как бы там ни было огромный облачный пузырь сжался под влиянием собственного веса и превратился в зародыш звезды, внутри которой гравитационная энергия перерождалась в тепловую. Сжатие пузыря закончилось, когда температура в его центре поднялась до уровня, на котором в водородной плазме начинаются циклы термоядерных реакций.

В недрах протозвезды высвободилось огромное количество энергии, которое было выброшено в пространство в виде света. Звезда родилась…

Это был довольно банальный эпизод в наблюдаемой Вселенной, где в секунду рождаются тысячи звезд, однако для человечества этот случай стал решающим, поскольку эта звезда стала впоследствии известна под именем Солнце. Из того же облака сформировались и другие звезды, сестры Солнца. Со временем их собственные движения разнесли их далеко друг от друга.

Перед окончательным сжатием протозвезда – будущее Солнце – окружила себя нимбом из газа и пыли. Излучение звезды, родившейся в центре этой туманности, способствовало тому, что туманность распалась на мириады отдельных тел, которые стали слипаться в более крупные образования. Именно из одного из них возникнет будущая Земля… Это сценарий, в который астрофизики XXI века с помощью современных знаний превратили старую гипотезу солнечной туманности, дорогую сердцу философов века Просвещения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Формирование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Ударная волна сотрясает Магелланово Облако (–166 000)

4,57 миллиарда лет назад
Солнце – атомная электростанция

В сердцевине юного Солнца создались условия, необходимые для поддержания циклических ядерных реакций. Энергии, выделяющейся при этом, должно хватить на миллиарды лет сияния.

Юное Солнце, сжимаясь в плотный комок газа, постепенно нагрелось до температур столь высоких, что атомы (в основном водородные) потеряли свои электронные оболочки. Внутри звезды образовалась плазма из атомных ядер (по большей части протонов) и свободных электронов. Плазма – четвертое состояние материи, первые три из которых нам хорошо известны: твердое, жидкое, газообразное. В нашем непосредственном окружении плазма встречается весьма редко. На Земле она образуется лишь при некоторых природных явлениях (высокотемпературное пламя, молния) или в промышленности (газоразрядная лампа).

А Солнце в основном состоит из плазмы. Жарче всего в его центре: пятнадцать миллионов градусов. Там же, в ядре, наблюдается и самая высокая плотность: более ста граммов на кубический сантиметр. Температура и плотность в ядре звезды столь высоки, что происходят непрерывные ядерные реакции протон-протонного цикла. В 1939 году американский физик немецкого происхождения Ханс Бете описал три стадии этого цикла:

• первая стадия: в очень горячей и плотной среде частицы приобретают огромную энергию, и протоны сталкиваются друг с другом. Оба несут положительный заряд, но преодолевают взаимное отталкивание за счет туннельного эффекта – это свойство субатомного мира открыл в 1928 году американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Два протона оказываются настолько близки друг к другу, что сильное взаимодействие «склеивает» их. Но это вновь образованное ядро немедленно развалилось, если бы не слабое взаимодействие. Оно превращает один из протонов в нейтрон и создает стабильное ядро дейтерия;

• вторая стадия: встреча дейтерия и другого протона, приводящая к формированию ядра гелия-3 (два протона и один нейтрон);

• третья стадия: два ядра гелия-3 слипаются друг с другом, образуя гелий-4 (два протона и два нейтрона) и одновременно испуская два протона.

Цикл завершается довольно быстро: в его начале мы имеем четыре ядра водорода, в конце – одно ядро гелия-4. Оно менее массивно, чем четыре соединенных протона, но в силу действия уравнения, связывающего массу и энергию и записываемого известной формулой E = mc ², самой знаменитой формулой Эйнштейна, небольшое снижение массы (семь тысячных) дает огромное количество энергии! Для поддержания своей светимости Солнце должно ежесекундно превращать в гелий пятьсот миллионов тонн водорода. Но водорода в нем еще столько, что такую светимость оно может поддерживать еще миллиарды лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

E = mc² (1905)

4,57 миллиарда лет назад
Образование планет

Частицы пыли, которые носились в околосолнечном диске, слиплись в тысячи планетоидов по нескольку километров в диаметре каждый – и они постепенно увеличивались в ходе столкновений и объединений.

Вещество околосолнечной туманности, быстро вращавшееся вокруг Солнца в процессе его образования, сформировало плоский диск, толщина которого увеличивалась по мере удаления от центра. Диск в основном состоял из водорода и гелия, но в нем были и микроскопические твердые пылинки. Астрофизики считают, что диск делился на две области – на расстоянии около пяти астрономических единиц от Солнца в нем начинали доминировать ледяные частицы. Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в Солнечной системе, равная 149,6 миллиона километров. На периферии диска его температура была слишком низкой, чтобы там могла существовать жидкая вода.

Присутствовавшие в диске частички пыли постепенно слипались друг с другом, примерно так же, как они слипаются в пылевые клубки у нас под кроватью. Когда размеры пылевых клубков доходили до нескольких метров, в действие вступала гравитация – она помогала создавать тела размером более километра. Самые массивные из планетоидов притягивали к себе все, что оказывалось в зоне их гравитационного воздействия. Этот процесс приводил к образованию зародышей планет, масса которых росла по мере удаления от Солнца.

За «ледяной границей» зародыши планет были достаточно массивными (в несколько масс Земли), чтобы притянуть к себе газ из диска и окружить себя атмосферой из водорода и гелия. Из таких протопланет возникли газовые гиганты с массой в сотни земных масс – Юпитер и Сатурн. Газовые оболочки других планетоидов рассеялись; возникли гигантские образования из скал и твердых летучих льдов, с массой примерно в пятнадцать земных и с разреженной атмосферой из гелия и водорода – Уран и Нептун.

В промежутке между Солнцем и ледяной границей, в среде, откуда почти весь газ был вытеснен солнечным излучением, зародыши планет то и дело сталкивались, вращаясь по вытянутым и пересекающимся друг с другом орбитам. Взаимодействия планетоидов заканчивались либо их слиянием, либо выбрасыванием одного из них за границы Солнечной системы – будто камень вылетел из пращи. В результате во внутренней части системы, в порядке удаления от Солнца, остались только четыре планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Астрофизики называют их теллурическими, то есть планетами земного типа: как и Земля, они созданы из камня и металла. Они гораздо меньше гигантов с окраин Солнечной системы, но и заметно плотнее. Сейчас исследователи активно ищут планеты земного типа вокруг других звезд. И нашли их уже довольно много – в частности благодаря данным, полученным космическим телескопом «Кеплер» с 2009 по 2018 год.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Открытие экзопланет (1995)

4,56 миллиарда лет назад
Образование пояса астероидов

Из-за воздействия гравитационного поля Юпитера планетоиды, орбиты которых находились между ним и Марсом, не смогли объединиться в одну планету. Из них образовался пояс малых планет – астероидов.

Самые благоприятные для формирования планет участки газопылевого диска, вращавшегося вокруг юного Солнца, находились снаружи ледяной границы. Именно там масса протопланет (например, будущего Юпитера) росла очень быстро. Согласно исследованию немецких планетологов, опубликованному в 2017 году, масса прото-Юпитера всего за миллион лет превысила двадцать земных. В течение последующих трех миллионов лет он продолжал расти и достиг пятидесяти земных масс. Гравитационное воздействие такой массы позволило этой протопланете сыграть главную роль в формировании Солнечной системы. Оно препятствовало, и довольно заметно, переносу материи сквозь протопланетный диск. Именно по этой причине во внутренней части Солнечной системы нет массивных теллурических планет, подобных тем, что ученые обнаруживают во все возрастающих количествах на орбитах вокруг других звезд.

Итак, новорожденный Юпитер продолжает накапливать массу, поглощая окружающие его газ и пыль, и постепенно смещается к внутренней части диска. Из-за этого планета-гигант все чаще вступает в орбитальный резонанс с планетоидами, эволюционирующими во внутренней части Солнечной системы, между Марсом и Юпитером.

Взаимодействия приводят к возрастанию относительных скоростей, что, в свою очередь, вызывает разрушение тел во время столкновений. В результате, формирование планеты между Марсом и Юпитером оказалось невозможным – зародыши планет продолжали развиваться только в центральных областях Солнечной системы. Планетоиды, которые все еще оставались между Марсом и Юпитером, сформировали пояс астероидов, свидетелей ранней эпохи существования первичной Солнечной системы. В XIX веке многие астрономы предполагали, что пояс астероидов возник в результате разрушения гипотетической планеты Фаэтон, но сегодня ученые отвергают эту гипотезу.

Прогресс астронавтики позволяет планетологам надеяться посадить космический корабль на один из астероидов, чтобы исследовать вблизи первичный материал, из которого создавалась Солнечная система, и даже попробовать доставить на Землю его образцы. В 2005 году японский зонд «Хайабуса» совершил короткую посадку на астероид Итокава и забрал оттуда небольшое количество зернистого грунта, которое было доставлено на Землю в июне 2010 года. Позднее, в 2013-м, НАСА начало разработку амбициозной миссии ARM, предполагавшей доставку крупного осколка ближайшего астероида на постоянную окололунную орбиту, где астронавты могли бы детально его изучить. Однако по финансовым причинам в 2017 году подготовка этого проекта прекратилась.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

4,51 миллиарда лет назад
Образование Луны

Едва успев сформироваться, Земля столкнулась с Тейей, огромным планетарным зародышем. Этот мощнейший удар породил кучу обломков, превратившихся в Луну.

Международный астрономический союз недавно сформулировал критерии, которым должна соответствовать полноценная планета. В их числе – освобождение области пространства, в которой проходит орбита планеты, от каких-либо сопутствующих тел. В некоторый момент своей эволюции Земля превратилась в настоящую планету – ее орбита была свободна от «конкурентов». Исключение составляли так называемые точки Лагранжа L4 и L5 системы «Земля – Солнце». Эти точки названы в честь ученого из Пьемонта, графа Жозефа-Луи де Лагранжа, в 1772 году решившего «задачу трех тел» – описавшего движение небольшого тела под гравитационным воздействием двух более массивных, одно из которых совершает орбитальное движение вокруг другого (в данном случае Земли и Солнца). Лагранж открыл, что гравитационные поля массивных тел создают пять точек равновесия, от L1 до L5, и если небольшое тело поместить в одну из этих «точек Лагранжа», то оно останется неподвижным относительно двух тел большей массы.

Некоторые члены группы планетоидов, из которых формировалась Земля, нашли убежище в одной из двух самых стабильных точек Лагранжа в системе «Земля – Солнце» – L4 и L5. Объединившись, они образовали планетный эмбрион, постепенно выросший почти до размеров современного Марса. Протопланета, которую астрономы назвали Тейя, постепенно начала взаимодействовать с другими планетами; равновесие в точке Лагранжа нарушилось, планетоид выбросило на околосолнечную орбиту, и он столкнулся с Землей.

В результате катастрофического удара Тейя разлетелась на множество кусков. Ее внутреннее ядро, состоявшее в основном из расплавленного железа, погрузилось в недра Земли, тоже расплавившиеся от удара. Наша будущая планета окуталась облаком расплавленных и испарившихся легких пород, составлявших верхнюю мантию каждого из столкнувшихся небесных тел. Через несколько лет вещество этого облака сгустилось в плотное образование на расстоянии в двадцать тысяч километров от Земли – в будущую Луну. Новая планета и Земля начали постепенно отдаляться друг от друга.

Невероятная история протопланеты Тейи, названной в честь одной из дочерей Титана, матери Селены, богини Луны, – вовсе не сюжет фильма-катастрофы типа «Конца миров». Это сценарий, разработанный астрофизиками на основе детального компьютерного моделирования гипотезы о происхождении Луны, предложенной в 1975 году после того, как астронавты миссии «Аполлон» доставили на Землю образцы лунных пород. Катастрофическое столкновение подарило Земле большой спутник, который стабилизировал ее ось вращения и сыграл важнейшую роль в процессе эволюции жизни на Земле.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Последнее полное затмение Солнца (Через 600 миллионов лет)