Вся_библиотека

 

Астрофізика і Сонячна система

 

1. Освіта Сонячної системи

Наша Галактика містить близько 100 млрд. зірок, а все галактик, які принципі наблюдаемы, приблизно 10 млрд. Чому ж тоді треба витрачати час на з'ясування подробиць народження Сонця? Воно являє собою посередню, нічим не примітну зірку, яка з'явилася близько 4,6 млрд. років тому (можна навіть назвати його вік середнім). Сонце старше Плеяд, вік яких кілька десятків мільйонів років, але явно молодше червоних гігантів, що населяють кульові скупчення (їх вік 14 млрд. років).

 

Справа в тому, що Сонце досі залишається єдиною відомою науці зіркою, на однією з планет якій існує життя. Тому надзвичайно цікаво дослідити механізм виникнення Сонячної системи. Може виявитися, що планети утворюються, як правило, при народженні якої-небудь зірки. У цьому випадку помітно збільшилася б ймовірність виявити життя ще де-небудь у Всесвіту. Така можливість представляє великий інтерес, причому не тільки з наукової точки зору.

 

Теорії минулого

Перша теорія утворення Сонячної системи, запропонована в 1644 р. Декартом, має помітне схожість з теорією, визнаною в даний час. За уявленнями Декарта, Сонячна система утворилася з первинної туманності, яка мала форму диска і складалася з газу і пилу (моністична теорія). У 1745 р. Бюффон запропонував дуалістичну теорію; згідно його версії, речовина, з якого утворені планети, було відірване від Сонця якийсь занадто близько проходила великою кометою або іншою зіркою.

 

Найбільш відомими монистическими теоріями стали теорії Лапласа і Канта. Труднощі, з якими зустрілися наприкінці 19 ст. моністичні теорії, сприяли успіху дуалістичних, однак розвиток історії знову повернуло нас до моністичної теорії. Такі коливання цілком зрозумілі, оскільки в розпорядженні дослідників було надто мало даних: розподіл відстаней до планет, підпорядковане певним законом (закон Боде), знання того, що планети рухаються навколо Сонця в один бік, та ще деякі теоретичні міркування (на яких ми не будемо зупинятися), стосуються кутового моменту Сонячної системи.

 

Якщо б Бюффон виявився прав, то поява такої планети, як наша, було б подією надзвичайно рідкісним, пов'язаним з іншим настільки ж рідкісною подією, як зближення двох зірок, а ймовірність знайти життя де-небудь у Всесвіті стала б мізерно малою. Така перспектива викликала б розчарування не тільки в читачів наукової фантастики.

 

Народження Сонця

Більш численні і надійні експериментальні дані про Сонячну систему, отримані в післявоєнні роки. Методи, якими були досліджені і метеорити поверхня Місяця, не можна було б навіть уявити у часи Лапласа.

 

Мова йдеться про матерію, яка утворилася на самій ранній стадії життя Сонячної системи або навіть було частиною первинної туманності.

 

Дослідження повоєнних років призвели до деякого прояснення нашого походження. Ми вже розповідали вище про «великий вибух», в результаті якого в далеку епоху, приблизно 15...20 млрд. років тому, народилася Всесвіт. Через мільярд років після «великого вибуху» із суміші водню і гелію, що заповнювали все простір, почалося утворення галактик. Перші зірки, що утворилися в ті часи, все ще видно в кульових скупченнях і в центрах галактик. Слідом за ними утворилися спіральні рукави.

 

Найбільш масивні зірки, що сформувалися в самому початку, пройшли дуже швидку еволюцію, при якій водень перетворювався в більш важкі елементи (у тому числі вуглець і кисень), а новостворене речовина викидалося в навколишній простір. Такі перетворення і зараз відбуваються в термоядерних реакціях, що постачають всю енергію, випромінювану зірками.

 

Цей «попіл» у свою чергу піддавався локального стиснення, що приводить до рожденью нових зірок, і цикл повторювався. Сонце являє собою зірку другого або третього покоління. Згідно Клейтону, стискання, у результаті якого утворилося Сонце, було викликано наднової, яка, вибухаючи, повідомила рух межзвездному речовини і, як мітла, штовхала його поперед себе; так відбувалося до тих пір, поки за рахунок сили тяжіння не сформувалася стабільна хмара, що продовжувала стискатися, перетворюючи власну енергію стиснення в тепло.

 

Вся ця маса почала нагріватися, і за дуже короткий час (десяток мільйонів років) температура всередині хмари досягла 10...15 млн. градусів. До цього часу термоядерні реакції йшли повним ходом і процес стиснення закінчився. Прийнято вважати, що саме в цей «момент», від чотирьох до шести мільярдів років тому, і народилося Сонце.

 

Освіта планет

В ту епоху Сонце було оточене великим хмарою пилу, що складалася з піщинок графіту (як в олівці) і кремнію (найтонший пісок), а також, можливо, окислів заліза, смерзшихся разом з аміаком, метаном та іншими вуглеводнями. Зіткнення цих піщинок призвели до утворення камінців побільше, діаметром до декількох сантиметрів, розсіяних по колосального комплексу кілець навколо Сонця.

 

Обчислення, виконані Голдрайхом, показали, що ці кільця були нестабільні через взаємного тяжіння, і тому камінчики на ранніх стадіях об'єдналися в великі тіла типу астероїдів, які заповнюють простір між Марсом і Юпітером і мають у діаметрі кілька кілометрів. В свою чергу нестабільною виявилася і система астероїдів. Великі маси об'єдналися в групи, які нарешті коллапсировали, утворюючи планети.

 

Спочатку Сонячна система складалася з безлічі планет і астероїдів, ще не об'єднаних разом і розподілених по дуже складних орбітах. Три мільярди років тому падіння астероїда на планету повинно було бути явищем досить частим; ті небесні тіла Сонячної системи, які практично позбавлені атмосфери (як Місяць, Марс і Меркурій), досі несуть на собі сліди цих жахливі бомбардування. На Землі вплив атмосфери знищила сліди таких подій, і тільки нещодавно утворені кратери ще видно (один такий кратер є в штаті Арізона).

 

Найбільш найближчі до Сонця планети сформувалися в більш гарячою області, ніж далекі планети; більш того, незабаром після свого народження Сонце пережило період великої активності, коли його маса, уносимая гарячим сонячним вітром, зменшувалася з величезною швидкістю (всього за декілька мільйонів років маса Сонця зменшилась вдвічі).

 

Мова тут йде про «стадії Тільця», що отримала назву по імені зірки, видимої в сузір'ї Тельця. Розпечене подих Сонця очищало міжпланетний простір від газів і залишкової пилу, переміщаючи їх у бік зовнішнього простору. Дійсно, близько далеких планет (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун) і тепер зустрічаються в достатку різні елементи, в той час як близько внутрішніх кам'янистих планет їх порівняно мало. А ось єдиної думки щодо походження комет досі немає.

 

Ми розповіли в загальних рисах про народження Сонячної системи. Можна сподіватися, що безперервно надходять нові експериментальні дані і прогрес у теорії дадуть відповідь на деякі ще не ясні питання. На це, можливо, буде потрібно кілька десятків років.

 

2. Введення в астрофізику

Той факт, що Сонце - це звичайна зірка, єдина примітна риса якої полягає в тому, що, перебуваючи так близько від Землі, вона нам світить, нас гріє і взагалі створює можливість існування життя на нашій планеті, судячи по всьому, загальновідомий. Однак якщо б ми стали розпитувати «людини з вулиці», намагаючись з'ясувати які-небудь подробиці про Сонце або інших зірках, то його відповіді на наші запитання виявилися б значно менш впевненими. Зараз ми спробуємо надати йому деяку інформацію, для чого швидко окреслимо панораму наших знань про зірок.

 

Склад Сонця

По суті, зірки - це газові кулі, речовина яких утримується разом гравітаційними силами тяжіння. Зоряний газ в основному складається з водню (70...75%) і гелію, а також містить сліди більш важких елементів (неон, вуглець, кисень). Зірки посилають нам світло і тепло, і, щоб не дати їм згаснути в дуже короткий час, необхідний джерело, безперервно поповнює запаси зіркової енергії. В минулому столітті мала ходіння теорія, згідно з якою це відбувається за рахунок енергії, що вивільняється в процесі безперервного стиснення зірки, викликаного її власним гравітаційним полем; куля, таким чином, стискається під дією власної ваги і нагрівається, подібно повітрю у велосипедному насосі.

 

З цієї теорії енергії Сонця вистачило б приблизно на 20 млн. років; цей уявний великим відрізок часу - дрібниця в порівнянні з віком Сонячної системи (5 млрд. років), відомим нам з дослідження радіоактивних каменів. Теорію залишили. Тим не менше вона містить частку істини. Як ми вже говорили, Сонце дійсно зобов'язана своїм народженням стиску величезної газової хмари, складався, ймовірно, з найтоншого піску з вуглецю і кремнію; і вже напевно описаний нами механізм діяв протягом перших 10...15 млн. років, нагріваючи і стискаючи первинна хмара, перетворюючи його в кулю з сучасними розмірами. В якийсь момент, однак, температура всередині хмари досягла 10...15 млн. градусів і запалилися термоядерні реакції, які почали повільно перетворювати водень в гелій та інші елементи; саме ці реакції і служать фактичним джерелом спостерігається сонячної енергії. В внаслідок термоядерних реакцій близько 0,7% повної маси Сонця зникає, щоб перетворитися в енергію згідно знаменитій формулі E = mc2.

 

На насправді такі перетворення відбуваються лише в обмеженій центральної області Сонця. Почалися термоядерні реакції відразу ж припинили всяке подальше стиснення Сонця, і воно знайшло стабільні розміри і світність, які практично не змінювалися протягом кількох мільярдів років. Подальше стиснення призвело б до збільшення густини та температури центральній області, що прискорило процес спалювання водню, а выделившееся додатково тепло призвело б знову до розширення Сонця до колишніх розмірів.

 

Еволюція Сонця

Такого положення все ж настане кінець, коли весь водень буде перетворений в гелій. Теоретично сонячного пального при сучасних темпах його згоряння вистачить принаймні на 100 млрд. років. Але існують обставини, які помітно зменшують цей час; так, водень, згораючи фактично тільки в центральній частині Сонця, зникне в ній вже через 5...6 млрд. років, набагато раніше, ніж в зовнішній оболонці.

 

Коли припиниться згоряння пального в центральній частині Сонця, вона знову почне стискатися,. швидко нагріваючись до зростаючих температур, а тепло, передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих порівняно з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій і буде розбазарювати пальне в сто разів швидше, ніж у даний час. Воно вступить у стадію червоного гіганта»; життя на Землі зникне або знайде притулок на зовнішніх планетах.

 

Ми, звичайно, будемо заздалегідь повідомлені про таку подію, оскільки перехід до нової стадії займе приблизно 100...200 млн. років. Неважко передбачити, що буде далі. Коли температура центральній частині Сонця досягне 100 млн. градусів, почне згоряти і гелій, перетворюючись у важкі елементи, і Сонце вступить у стадію складних циклів стиснення і розширення, не піддаються дослідженню навіть за допомогою сучасних обчислювальних машин. Майже напевно Сонце на останній стадії втратить зовнішню оболонку, яку понесуть із собою у простір огненні вітри, і воно залишиться у вигляді центрального ядра, що має неймовірно велику щільність і розміри, як у Землі. Пройде ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись у «білий карлик».

 

Магнітне поле

Отже, Сонце являє собою водневу бомбу безперервної дії, правда бомбу доброзичливу, приховану під газовим покривалом завтовшки понад півмільйона кілометрів. На сонячній поверхні безупинно вирують потужні розпечені урагани. Дуже цікаво, що магнітне поле Сонця грає значну роль у відбуваються там явищах. На Землі магнітне поле підкоряється строгому порядку, воно вказує напрямок з Півдня на Північ і служить мореплавцям при роботі з компасом.

 

На Сонце ж силові лінії магнітного поля сильно зігнуті і постійно переплітаються під дією сонячних бур. Якщо речовина нагріти настільки, що атоми будуть втрачати свої електрони при сильних зіткненнях один з іншому, то воно виявиться у стані, що фізики називають «плазмою». Магнітне поле в цьому випадку відіграє роль пляшки, з якої плазма не може вийти, хіба що у виняткових випадках. На Сонці магнітне поле захоплює за собою плазму і перемішує її, як ополоником в каструлі. Часом трапляється, що області сонячного речовини, в яких магнітне поле сильно, виходять на поверхню Сонця, і плазма у них охолоджується, випромінюючи тепло назовні, у той час як гаряча плазма з сусідніх областей проникнути до неї не може. Такі більш холодні зони виглядають темними плямами на поверхні Сонця; це і є знамениті сонячні плями, відкриті Галілеєм (хоча майже напевно ще раніше їх бачив єзуїт Шейнер з Инголштадта).

 

Буває також, що магнітні силові лінії так закручуються, що може «зламатися», передаючи всю свою енергію плазмі, яка тоді бурхливо нагрівається і прискорюється до швидкості в кілька сотень кілометрів на секунду; в таких випадках спостерігаються так звані «сонячні спалахи». Про сонце нам відомо вже дуже багато, але не все. Так, кількість сонячних плям змінюється, слідуючи одинадцятирічного циклу, але разом з тим спостерігаються і вікові зміни, які якимось таємничим чином впливають на клімат Землі.

 

Класифікація зірок

Що можна сказати про інших зірок? Астрофізики давно вже зрозуміли, що самим суттєвим параметром, що характеризує динаміку зірки, є її маса, тобто загальна кількість речовини, з якої вона складається. Збільшення маси вдвічі тягне за собою збільшення світності зірки приблизно в тридцять разів (як у випадку Сіріуса); у стільки ж разів зменшиться світність, якщо масу зменшити наполовину. Сіріус пожирає пальне відповідно в п'ятнадцять разів швидше, ніж Сонце; ми маємо тут справу зі «зіркою-пустозвоном», яка хоч і світить яскраво, але розгубить свій запал набагато раніше Сонця.

 

Існують, однак, зірки (наприклад, зірка Барнарда) з масою, у десять разів меншою маси Сонця, і светимостью, меншою в сто тисяч разів. Зустрічаються також об'єкти, які світяться настільки слабо, що їх неможливо відрізнити від такої планети, як Юпітер. До речі, багато астрофізики вважають Юпітер згаслої зіркою (його маса в тисячу разів менше сонячної в триста разів більше маси Землі). З іншого боку, існують і зірки з масою в десятки разів перевищує масу Сонця, які можуть світити, як мільйон Сонць. Мова йде про об'єкти, надзвичайно нестабільних, життя яких (тривалістю кілька мільйонів років), як правило, закінчується серією катастроф.

 

Ці сверхзвезды розвиваються дуже швидко, тому потрібно не так багато часу, щоб в центральній області почалося перетворення водню і гелію в більш важкі елементи. Коли в цих перетвореннях починається утворення заліза, стає неможливим подальше виділення ядерної енергії, і знову починається гравітаційний колапс. За певних умов такий колапс відбувається раптово, протягом частки секунди, з точки зору супутнього спостерігача. Зірка «схлопывается», стискаючись до надзвичайно малого обсягу. Тепло, що виділяється при стиску, передається зовнішній оболонці, і вона, нагріта до мільярдів градусів, викидається в простір зі швидкістю тисячі кілометрів в секунду. Описане нами явище відомо під назвою «спалах наднової» і являє собою одне з найбільш грандіозних і страшних подій на космічній сцені (існують також зірки, іменовані просто «новими»; вони також свідки значних катастрофічних явищ, але тьмяніють при порівнянні з надновими).

 

Самі близькі до нас зірки

Отже, ми знаємо, що існує величезна різноманітність зірок, і приємно усвідомлювати, що спостереження в загальних рисах досить добре підтверджують теоретичні передбачення (за винятком деяких «родимих плям», на яких ми зупинимося нижче). Подивившись навколо себе, ми побачимо близько сотні зірок, близьких до Сонця, відстані до яких можна визначити безпосередньо методом трикутника. Більше того, можна також визначити їх маси (використовуючи закон тяжіння Ньютона), якщо ми маємо справу, як часто трапляється, з системою з двох або більше об'єктів. Відстані до цих зірок змінюються від 4,3 світлового року, як у випадку Альфи Центавра, до сотні світлових років. Більшість зірок розташована, природно, на далеких відстанях, і саме ця обставина робить їх важко спостережуваними. Вивчаючи сусідів Сонця, ми нічого примітного в них (за винятком Сіріуса і Альфи) не виявляємо; часто (у 60% випадків) зустрічаються системи, що складаються з декількох об'єктів. Цей факт наводить на думку, що і наявність планет зірки, можливо, не виняток, а правило; втім, відрізнити молоду планету від маленької зірки не завжди вдається. У всякому разі, не існує прямих спостережень якоїсь темної планети, що обертається навколо близької до нас зірки; по всій імовірності, створення орбітальних телескопів надасть цікаву для нас інформацію, можна сподіватися, позитивну.

 

Повернімося тепер до труднощів сучасних теорій про зірок. Крім тепла, згорання термоядерного пального повинно привести до появи великої кількості нейтрино. Як ми вже говорили, нейтрино - невловимі частинки, здатні проходити, не взаємодіючи, через величезну товщу речовини. В експерименті, проводиться в даний час в Південній Дакоті (США), для виявлення нейтрино використовується великий бак, наповнений рідиною, в якій нейтрино викликають характерні реакції. Бак поміщений в глибоку шахту. В рідині, однак, було поглинена набагато менше нейтрино, ніж очікувалося, і досі немає задовільного пояснення цього факту.

 

Згідно Понтекорво, може виявитися, що нейтрино перетворюються в інші незареєстровані апаратурою частинки під час тривалої подорожі від Сонця до Землі. Деякі вчені вважають, що центральне ядро Сонця, де спалюється пальне, насправді має менші розміри, а його температура нижче, ніж прийнято думати; існує також теорія, відповідно до якої активність Сонця періодично виявляється значно нижче звичайної, хоча при це зовнішній спостерігач не зареєструє помітних змін в його світності.

 

Майже напевно ці проблеми будуть вирішені вже в найближчі роки. Майбутнє Сонце представляє не тільки суто академічний інтерес, хоча стадія «червоного гіганта» настане зовсім не скоро і не може викликати тривогу. Справа в тому, що навіть невеликі зміни світності Сонця і частоти появи сонячних плям можуть призвести до небезпечних порушень рівноваги клімату на Землі, і такі зміни необхідно вміти передбачати.

 

щоб уникнути катастроф у майбутньому. Про ці речі відомо поки мізерно мало, і вченим потрібно докласти великі зусилля в найближчі десятиліття для вирішення виникаючих проблем.

 

3. Наднові

«Зірка-гостя», з'явилася в 1054 р.

У 1054 р. в сузір'ї Тельця була виявлена найяскравіша зірка, перевершувала прохідність по світності зірки з постійними характеристиками, так і планети. Коли її яскравість досягла максимуму, вона була видна навіть серед білого дня. На щастя для нас, старанні китайські астрономи тієї епохи докладно, звертаючи увагу на всілякі деталі, описали побачене ними явище. Через кілька місяців від нової зірки не залишилося і сліду (принаймні видимого неозброєним оком). Китайці нарекли її зіркою-гостею, як називали будь-які швидкоплинні небесні явища (наприклад, поява комети).

 

Зірка-гостя китайців не була кометою. У 1731 р. один астроном-любитель в Шотландії вперше побачив дивну туманність в області сузір'я Тельця. Через кілька десятків років французький астроном Мессьє склав свій знаменитий каталог, який починався саме з цього дивного об'єкта (а саме, M1), званого Крабовидної туманністю (по-англійськи Crab Nebula). Тут я не буду зупинятися на історії наукових пошуків, які привели до розуміння того, що Крабоподібна туманність - це залишок після гігантського вибуху, сприйнятого китайцями як поява тієї самої знаменитої «зірки-гості».

 

Еволюція зірок

Ці цікаві та вражаючі природні об'єкти все ж заслуговують більш докладного обговорення і опису. Свою енергію зірка отримує, поступово перетворюючи водень в більш важкі елементи (гелій, вуглець, кисень, неон і інші) за допомогою складної ланцюжка термоядерних реакцій, що відбуваються в її надра. В дійсності тільки 0,7% маси перетворюється на енергію згідно з відомої формули Ейнштейна E = mc2. Перетворення припиняються, коли закінчується синтез заліза, інертного речовини в «атомному попелі».

 

Треба мати на увазі, що зірка з великою масою спалює своє пальне набагато швидше, ніж легка зірка. Так, наприклад, маса Сіріуса вдвічі перевищує масу Сонця, але його світність в 28 разів більше. Запаси пального Сіріуса будуть вичерпані набагато раніше, ніж у Сонця. Такі прості оцінки на самому справі є надто спрощеними, так як в кінці свого життя зірка переживає періоди нестійкості, коли витрата пального стрімко зростає, і її життя коротшає. У випадку Сонця така стадія настане приблизно через 5 млрд. років.

 

Якщо б раптом, як за помахом чарівної палички, припинилися реакції, що відбуваються в надрах звичайної зірки, нам довелося б чекати кілька мільйонів років, щоб помітити якась зміна. Самий парадоксальний ефект полягав би в тому, що зменшилися розміри зірки і одночасно збільшилася її температура. Справа в те, що обсяг, займаний зіркою, визначається її внутрішнім теплом, при цьому тиск газу і випромінювання компенсує прагнення до гравітаційному колапсу. Погасивши зірку, ми приберемо єдина перешкода, стримуючий гравітаційну силу, і зірка стиснеться під дією власної ваги. Але всім відомо, що при стисненні газ нагрівається (ми всі коли-небудь користувалися велосипедним насосом); те ж явище відбувається і в зірках.

 

Гравітаційний колапс

Як ми вже говорили, залізо являє собою інертний по відношенню до ядерних реакцій речовина. Коли в центральній області масивної зірки акумулюється достатню кількість заліза, термоядерні реакції припиняються і починається колапс. Спочатку цей процес протікає дуже повільно і проявляється в поступовому підвищенні температури. При певній температурі стає можливим перетворення протон електронної пари в пару нейтрон - нейтрино. Нейтрино, ледь з'явившись, залишають зірку, несучи енергію. Надалі колапс прискорюється і температура збільшується до тих пір, поки залізо не почне розпадатися, поглинаючи далі енергію центрального ядра зірки. Кінцевим підсумком цих процесів (температура досягає кількох мільярдів градусів, відбувається «нейтронизация» речовини) буде перетворення майже всіх електронів і протонів в нейтрони і нейтрино.

 

За кілька секунд центральне ядро колапсує в сильно стисле стан (нейтронну зірку, або пульсар), в якому щільність може досягати значень, в десятки трильйонів разів перевищують щільність води. Ложка, зроблена з такого надщільного матеріалу, містила б стільки ж речовини, скільки його в цілій горі. Вся маса Сонця займала об'єм, порівнянний з розмірами міста. В залежності від розмірів і структури зірки процес стиснення або припиниться на стадії нейтронної зірки, або піде далі - до стадії чорної діри.

 

При освіту пульсара енергія стиснення буде передаватися зовнішній оболонці, фактично ще не почала падати в напрямку до центру (до цього часу пройде всього лише кілька секунд). Ця оболонка нагріється до температури в мільярди градусів і буде відкинута геть великим тиском випромінювання (а також потоком нейтрино) зі швидкістю тисячі кілометрів в секунду. Зовнішній спостерігач побачив би майже миттєве перетворення зірки в вогненна куля, стрімко розширюється і знищує все на своєму шляху.

 

Коли яскравість її досягає максимуму, світимість зірки може перевищити первісну в мільярди разів. Крабоподібна туманність як раз складається з залишків такий вибух зірки, які продовжують поширюватися в просторі і займають в даний час область діаметром у кілька світлових років.

 

Пульсари

В центрі цієї туманності все ще можна розрізнити зірочку, яка вважається пульсаром, що залишилися після вибуху, Поблизу вона виглядала б як майже ідеальний куля, що складається з надщільного речовини (нейтронної рідини) і обертається навколо своєї осі з дуже високою швидкістю (понад 30 оборотів в секунду). Є заборонене на самій зірці сильне магнітне поле (в трильйони разів більше магнітного поля Землі), яке захоплюється обертанням пульсара. Це поле, взаємодіючи з плазмою, навколишнього зірку, передає їй енергію обертання, що призводить до значним ефектів. Вся система веде себе практично як обертається фара, випромінює світло з усіма довжинами хвиль, від радіохвиль до рентгенівських променів. Спостерігача на Землі здається, що пульсар випромінює дуже короткі спалахи світла, розділені однією тридцятої секунди (період обігу), чому сталося саме назва «пульсар». Вперше пульсар спостерігав Хьюиш в 1967 р.

 

Локальні ефекти, пов'язані з надновими

Можливо чи, що Сонце раптом вирішить ефектно припинити своє існування, спалахнувши наднової і назавжди викресливши нас з Всесвіту? Мова йде про дуже малоймовірному події, хоча і можливе. Дійсно, для синтезу заліза і забезпечення великих гравітаційних сил, необхідних для колапсу, вимагається зірка великої маси. Якщо б близько розташована зірка, наприклад Сіріус, вибухнути як наднова, ми напевно відчули б якісь наслідки, швидше за все негативні. Вибух призвів би до того, що в навколишнє середовище було викинуто велику кількість космічних променів; при цьому спостерігалися б інтенсивні перешкоди. Крім того, наднова зробила б наші ночі світлими, як день, що викликало б на Землі екологічні порушення.

 

Вистава вийшов би захоплюючим, але не позбавленим небезпек. В межах Галактики середньому одна наднова вибухає раз на триста років. Астрономи завжди напоготові у надії побачити об'єкти такого типу в початковій, найцікавішою, стадії. Але можна без особливої праці виявити наднові в сусідніх галактиках; мова йде про подію не настільки вже рідкісне. У цьому випадку можна наднові використовувати також і для грубої оцінки відстані до галактики, в якій вони знаходяться.

 

Нарешті, існують вказівки на те, що частина речовини, з якого складається Сонячна система, що залишилася від вибуху наднової в далекому минулому. Вже говорилося, що зовнішня оболонка зірки, будучи відкинута геть з дуже високою швидкістю, веде себе як «космічна мітла», змітаючи всі залишки речовини (міжзоряні пил і газ), що зустрічаються на її шляху. Часом це речовина стискується настільки, що настає гравітаційна нестійкість, і вона конденсується в нові зірки. Схоже, що наше Сонце народилося саме таким чином. Отже, ми беремо участь в безперервному циклічному процесі взаємного перетворення зірок і міжзоряної речовини, постійно обогащающегося і змінюється під впливом вибухів наднових.

 

Тільки того, хто спостерігає небо поверхнево, з допомогою недосконалих приладів, Всесвіт може здатися місцем тихим і спокійним. Насправді ми повинні бути вдячні долі за те, що живемо поряд зі скромною третьорядної зіркою, спокійним сонечком без претензій, що знаходяться на периферії, але зате надійним на найближчі п'ять мільярдів років. А там подивимося.

 

4. Юпітер і Сатурн

«Вояджер» виконав завдання і тепер віддаляється від системи Сатурна; приблизно через десять років він, можливо, пошле нам перші знімки Урану, зняті з близької відстані. Астрономам є чим зайнятися під час довгого очікування цих зображень. Космічний зонд вже зробив тисячі чудових фотографій Сатурна в додавання до зображень Юпітера.

 

Що ж дізналися ми про Сонячній системі за допомогою цієї та багатьох інших автоматичних станцій? Практично вся планетология була перебудована на основі величезного кількості нового матеріалу, порівняно з яким інформація, отримана раніше з допомогою телескопів, має в основному історичну цінність.

 

Склад Юпітера

Почнемо з Юпітера, колоса Сонячної системи. Галілей першим побачив диск і чотири головних супутника, провівши знамениту серію спостережень, відкривають епоху сучасної астрономії. Через три століття «Вояджер» підвів нас до самої планеті і дав можливість розгледіти деталі її поверхні. Діаметр Юпітера становить близько 144000 км, що приблизно в 12 разів більше діаметру Землі, а його маса всього лише в 300 разів перевищує земну; якби Юпітер мав таку ж щільність, як і Земля, то, враховуючи їх розміри, його маса повинна була б перевищувати земну більше ніж в 1500 разів. Насправді Юпітер складається з більш легкого речовини: із суміші водню, гелію і деяких домішок, що включають метан, аміак, сірчисті та інші хімічні сполуки. Сила тяжіння на поверхні Юпітера приблизно в два з половиною рази більше, ніж на Землі: хлопчик, важить 40 кг, на Юпітері важив би цілий центнер. З цієї причини вага верхніх шарів стискає оболонку Юпітера, поступово доводячи до речовина дуже великої щільності по мірі переходу в глиб планети. Юпітер майже весь складається з речовини з газо-рідинної структурою, і тільки в самому центрі, можливо, є невелике кам'янисте ядро, приховане під величезною оболонкою. Саме це ядро оповите воднем, який, будучи стиснутий до неуявної щільності, перетворюється на тверде металеве речовина, що проводить електрика і тепло.

 

Несостоявшаяся зірка

Юпітер утворився при стисненні тієї ж газової туманності, з якої утворилося Сонце, і за своїм хімічним складом він теж схожий з Сонцем. При цьому маса Юпітера ледве сягає однієї тисячної маси Сонця, що дуже багато за земним масштабами, але недостатньо, щоб запалити термоядерні реакції, які виробляють тепло в надрах Сонця. Так що тут ми маємо справу з «відбулася зіркою». У цьому сенсі Сонячна система включає в себе подвійну зірку (або навіть потрійну, якщо вважати Сатурн). Процес стиснення Юпітера ще не закінчений, і тепло, вироблене цим безперервним гравітаційним стисненням речовини Юпітера, випромінюється атмосферою планети інфрачервоній області спектру, невидиме для людського ока, але цілком помітне для астрономічних приладів.

 

Сприйманий в інфрачервоному світлі, Юпітер світиться сам і випромінює в три рази більше енергії, ніж отримує від Сонця.

 

Конвективні руху

Температура планети збільшується по мірі просування всередину, досягаючи кількох десятків тисяч градусів у самому центрі. Такі високі температури викликають конвективні руху в оболонці планети, рухи, що нагадують те, що ми бачимо в каструлі, поставленої на вогонь: глибинні маси рідини гаряче і легше і тому переміщуються до поверхні. Досягнувши її, вони випромінюють тепло у зовнішній простір, охолоджуються і опускаються вниз; цикл починається знову.

 

В телескоп видно, що поверхня Юпітера розділена на горизонтальні смуги (паралельні екватору). Темні смуги чергуються зі світлими. Вважається, що в межах світлих смуг гаряче речовина виходить на поверхню, у той час на темних смугах охолоджене речовина починає свій спуск вниз. Дані, отримані «Вояджером», показали, що ця теорія при всіх її достоїнствах має бути вдосконалена з урахуванням вражаючих структур, які ускладнюють і прикрашають атмосферу Юпітера гірляндами, вихорами і величезними вирами всіляких забарвлень. Ще Кассіні бачив на поверхні планети знамените Червоне Пляма, назване так, як каже Азімов, з-за яскравого червонувато-оранжевого кольору. Зблизька видно, що це червоне пляма не єдине і що є ще одне, набагато менше. Зрозуміло, велика пляма залишається самим знаменитим: все-таки воно було виявлено років триста тому. Поряд з цими плямами розташовано безліч інших різнобарвних плям, що мають, мабуть, різні фізичні і хімічні склади.

 

«Вояджер» сфотографував атмосферу Юпітера через безліч кольорових світлофільтрів; потім були відновлені триколірні зображення, але в «зміщеному кольорі», так, щоб інфрачервоний «колір» був представлений як червоний; інші кольори були змінені теж. На цих фотографіях різні за хімічним складом компоненти атмосфери пофарбовані в різні кольори, що дає можливість науковцям розібратися в складних метеорологічних умовах Юпітера.

 

Червоне Пляма

Дослідження показали, що Червона Пляма - це великий вихор, що займає площу, три-чотири рази перевищує всю площу поверхні Землі. На деяких «прискорених» кінокадрах чудово видно вихровий рух плями, проглатывающего більш дрібні плями і повертає їх назад неушкодженими, як після кола на каруселі. Схоже, що Червона Пляма підноситься як гігантський сплющений купол над середнім рівнем навколишньої його поверхні Юпітера. Смугаста структура цієї поверхні пояснюється швидким обертанням планети, здійснює один оборот трохи менше ніж за десять годин; у полярних зонах вплив обертання зменшується, і замість смуг видно безліч дрібних плям, де гаряче речовина з'являється з глибин.

 

Сильний магнітне поле Юпітера захоплює випромінювання Сонця, створюючи смертельний потік заряджених частинок, подібний радіаційних поясів Землі і навіть небезпечний для електронного обладнання; такий потік майже миттєво привів би до смерті будь-якої форми земного життя.

 

Автоматичний зонд зафіксував полярні сяйва і сліпучі блискавки, які постійно змінювали обриси в несамовитому бурління атмосфери Юпітера, де вирували безперервно змінювали один одного ураганні вітри зі швидкістю до 400 км/ч.

 

Супутники Юпітера

«Вояджер» передав на Землю не тільки знімки самої планети, але і чудові фотографії її супутників. З основних супутників (галилеевы супутники) найближчим до планети є Іо, на якому виявлено цілих вісім діючих вулканів; кора Іо, таким чином, перебуває у стані високої активності. З цієї причини на ньому немає слідів бомбардування метеоритами, які видно на Місяці, Марсі та майже на всіх небесних тілах Сонячної системи, що володіють твердою корою. Нагадаємо, що, відповідно до загальноприйнятої теорії, місячні кратери являють собою результат таких інтенсивних бомбардувань, що відбувалися близько трьох мільярдів років тому при зародженні Сонячної системи і з меншою інтенсивністю, що тривають аж до наших днів. На Іо безперервні потоки извергавшейся лави стерли всі сліди минулого, залишивши покривало червоного кольору, що складається, по всій ймовірності, з сірки і різних сірчистих з'єднань; місцевість незатишна ще з-за високого рівня небезпечного випромінювання поясів, подібних радіаційних поясів Землі. Відкриття діючих вулканів стало повним сюрпризом для планетологів і одним з найбільш значних результатів, отриманих «Вояджером».

 

Що до складу інших супутників Юпітера, то, по всій видимості, вони містять більше льоду і менше важких кам'яних матеріалів, причому це збагачення льодом і зменшення частки важких речовин тим помітніше, чим далі від планети знаходиться супутник. Число достовірно відомих супутників Юпітера перевищує дюжину; в більшості своїй це крижані кулі близько сотні кілометрів в діаметрі, ледь видимі з Землі. Підрахунок їх кількості, проведений акуратно, без поспіху за допомогою стаціонарного штучного супутника Юпітера, напевно виявив б сотні більш дрібних супутників. Таким чином, система Юпітера нагадує Сонячну систему в мініатюрі.

 

Настільки ж плідним виявився візит космічного зонда до Сатурна. Як і очікувалося, поверхні Сатурна і Юпітера схожі за характеристиками; судячи по всьому, наявність жовтуватих стрічок, розташованих уздовж екваторів, пов'язане з присутністю метану.

 

В астрологічних довідниках можна прочитати, що Сатурн приносить нещастя, його вплив завжди пов'язане з великим горем. У книгах по астрономії написано в більш прозовому стилі, що середня відстань від Сонця до цієї планети становить 1427 млн. км (майже в десять разів більше, ніж відстань до Землі) і що один оборот навколо Сонця вона здійснює приблизно за 30 років.

 

Відкриття кілець Сатурна

У 1610 р. Галілей, розглядаючи Сатурн з допомогою телескопа, зауважив, що планета виглядає досить дивно, і вирішив, що він бачить два тіла, що супроводжують основну планету і розташовані по обидва боки від неї. Про своє відкриття він повідомив анаграмою "Smaisnermiclmbpobtalevmibvneuvgttaviras", над якою довго ламав голову Кеплер, марно намагаючись знайти для неї рішення. Нарешті, Галілей пояснив сенс написаного: "Altissimum planetam tergeminum observavi" («Я виявив, що сама далека планета потрійна»). Кілька років тому з-за відносного руху Венери і Землі кільця виявилися повернутими у профіль і тому стали практично невидимими. Галілей вирішив, що він помилився і припинив займатися Сатурном. Він помер, так і не дізнавшись про існування кілець.

 

 

Кільця були відкриті Гюйгенсом у 1659 р., про що він оголосив наступним чином: "aaaaaa, cccc, d, eeeee, g, h, iiiiiii, llll, mm, nnnnnnnnnn, oooo, pp, q, rr, s, ttttt, uuuu", що означало: "Anulo cingitur tenui, nusquam coherente, ad eclipticam inclinato" («Вона оточена легким кільцем, ніде не стосуються світила і нахиленим щодо екліптики»).

 

Ми позбавимо читача від інших анаграм і докладного розповіді про історію цих досліджень. Сатурн являє собою величезну планету, що має в діаметрі 119300 км, трохи менше Юпітера. Система кілець має зовнішній діаметр понад 240000 км і з плином часу змінювалася.

 

Склад і структура кілець Сатурна

Шотландець Дж.К. Максвелл був першим, хто в 1850 р. в роботі, яка ознаменувала собою початок його блискучої наукової кар'єри, серйозним чином поставив питання про природі кілець Сатурна. З допомогою незаперечних доказів, заснованих на закони небесної механіки він показав, що кільця не можуть бути твердими, ні рідкими. Залишалася гіпотеза пилу, тобто безлічі обертаються по орбіті навколо планети астероїди, настільки дрібних і численних, що вони сприймаються як безперервне кільце. Через сторіччя модель пилу все ще вважається справедливою, і оцінки середнього діаметру «порошинок» дають значення близько одного метра. Крім того, схоже, що вони складаються з льоду. З-за збурень, викликаних супутниками Мимасом і Энцеладом, деякі орбіти нестабільні і тому залишаються незаповненими. З цієї причини пил збирається в складну систему концентричних кілець, щілини між якими, ймовірно, не перевищують одного кілометра; для порівняння можна сказати, що товщина аркуша паперу виявиться рівною 25 м, якщо пропорційно збільшити всі розміри на Землі до розмірів на Сатурні.

 

Теорія Голдрайха і Тремайна, яка повинна була пояснити деталі структури кілець, виявилася (після отримання даних від зонда) надто спрощеною і повинна бути тепер переглянута, хоча вона в принципі залишається справедливою, і на її основі вже отримані деякі важливі результати. Недавні знімки, передані зондом, свідчать, що структура системи кілець дуже складна; можливо, деякі ефекти пояснюються тільки на підставі припущення про існування інших супутників Сатурна, крім дюжини вже виявлені.

 

Ця теорія, як і всяка інша, заснована на законі всесвітнього тяжіння Ньютона і, по суті, являє собою складний приклад застосування цього закону.

 

Існує життя на газових гігантів Сонячної системи?

В цікавою статті Солпитера і Сагана, опублікованій в дуже серйозний періодичному виданні "The Astrophysical Journal", обговорюється одна така можливість. Ці два автори вважають, що Юпітер міг би бути місцем проживання гігантських впорядкованих організмів, начебто величезних куль, наповнених воднем і плаваючих в атмосфері планети. Ці організми могли б харчуватися речовинами, які виносяться з надр планети потужними висхідними потоками, згаданими нами вище. Не виключені випадки канібалізму. Червоне Пляма могла б виявитися ідеальним місцем для перебування цих організмів, що свою чергу могло б пояснити його забарвлення. Тут ми маємо захоплюючу робочу гіпотезу, для підтвердження або - будемо реалістично дивитися на речі - повного провалу якій будуть потрібні багато років. Аналогічні міркування можуть бути запропоновані і для Сатурна. Висловлювалася думка, що і в нагрітій вулканами атмосфері Титана, найбільшого супутника Сатурна, могла б існувати життя, проте «Вояджер» виявив, що атмосфера Титану холодна і навряд чи може цьому сприяти. Майбутнє, однак, завжди може приготувати нам який-небудь сюрприз.

 

5. Людина на Місяці

Висадка першої людини на Місяці 21 липня 1969 р. здійснила мрію кількох поколінь читачів Жуля Верна. Це пам'ятна подія привернула увагу всієї світової громадськості і прикувала до екранів телевізорів мільйони людей. Жуль Верн передбачив загальний хід подій, але він не міг передбачити ні грандіозний розмах і величезну вартість справи, початого НАСА, ні фантастичну складність всієї апаратури, що управляє запуском і польотом. Якби він глибше вивчив фізику, то, можливо, уникнув би деяких цікавих помилок, з-за яких ряд його ідей слід, скоріше, віднести до археології наукової фантастики.

 

Отже, що ж виявили астронавти на Місяці і який підсумок всього підприємства? Багато речі вже заздалегідь були відомі фахівцям; але, оскільки спектакль був добре розіграний, широку публіку вони змогли здивувати. Було відомо, що Місяць майже позбавлена атмосфери; кількість газу, залишеного на Місяці двигунами спускного модуля, можна порівняти з тією його кількістю, що там вже було.

 

Відсутність атмосфери на Місяці пояснюється слабкістю її гравітаційного поля, яке в шість разів менше земного; друга космічна швидкість на Місяці дорівнює приблизно 1 км/с - куля, пущена з рушниці, напевно, змогла б подолати місячне тяжіння. Молекули будь-якого газу знаходяться в безперервному тепловому русі; швидкість місячної молекули неминуче, а зовсім не випадково виявилася б більше космічній, так що молекула зникла б у просторі. Можливо, всі Місяць мала атмосферу в епоху зародження Сонячної системи, але до теперішнього часу на ній залишилися лише незначні сліди важких газів.

 

На Землі будь-камінь містить якісь сліди води; цю воду завжди можна витягти, нагріваючи камінь. Величезні місячні простори, покриті пилом з рідкісними вкрапленнями каменів, втратили жодних слідів води за мільярди років перебування в порожньому просторі. Ця пил виглядає дуже темною; будучи досліджена вже на Землі, вона виявилася абсолютно безплідною, схожою за складом на земні базальти. Місячна поверхня примітна хіба що присутністю деякого кількості титану - металу майбутнього. Наявні дані, таким чином, не можуть викликати ентузіазму у людей, що мріяли про використання багатих покладів місячних мінералів.

 

Будемо все ж обережні. На Землі корисні копалини сконцентровані в зонах з обмеженою площею, і, щоб їх отримати, необхідна велика дослідницька робота на місцевості. Якби ми раптом спустилися на Землю і стали вивчати мінерали, підібрані в десятці різних місць, то перспектива їх використання теж не видалася б нам привабливою.

 

Разглядываемая з Місяця, Земля здається нерухомо підвішеною в небі і має фазу, додатковий по відношенню до фази Місяця, разглядываемой в той же час з Землі. Сонце освітлює Місяць безперервно два тижні поспіль, потім слідують дві тижні темряви; складені разом, вони як раз і складають місячний місячний цикл. Місячна грунт, виключно гаряча днем, стає крижаною вночі. Так що Місяць являє собою надзвичайно непривітне місце, і тільки ціною величезних і безперервних матеріальних витрат можна було б створити на ній базу, де астронавти мали б мінімум комфорту. Картини, запропоновані глядачам авторами фільму «Космічна Одіссея», дуже далекі від реальності, і, можливо, ми ніколи і не побачимо такого, якщо не зможемо знайти виходу з настав енергетичної кризи.

 

Яку користь принесли людству експедиції на Місяць? Всього кілька років минуло після їх здійснення, але почуття розчарування і втрата інтересу у більшості людей очевидні. Напевно, всі очікували чогось схожого на відкриття Америки: досліджена нова територія, і, одного разу подолані, її межі повинні стати відкритими для всіх бажаючих. Але Місяць, на жаль, не Клондайк, і масова доставка людей на неї ще дуже далека від реалізації, навіть незважаючи на те, що введення в дію космічного корабля багаторазового використання повинно значно знизити вартість таких польотів.

 

Наукових даних про нашому супутнику накопичено величезну кількість, і лише частина їх оброблена. Можна сподіватися, що на основі цих даних буде отримано більше точна відповідь на питання про походження Сонячної системи. Дійсно, на Місяці, поверхні якої не торкнулися ні руйнівну дію атмосфери, ні катаклізми, як, наприклад, ті, які відбуваються в земній корі, збереглися найдавніші каміння (їх вік 4 млрд. років), своїм походженням висхідні до часу народження самої Сонячної системи.

 

Мабуть, ще десяток років буде потрібно, щоб на основі даних про Місяць і безперервно надходять даних про інших планетах зробити якісь певні висновки про походження Сонячної системи. Тоді ми зможемо точніше дізнатися, чи освіта нашої системи непересічною подією або, як ми припускаємо, що мова йде про освіту рядовий планетної системи, яких багато у Всесвіті.

 

В останньому випадку збільшилася б ймовірність знайти десь у Всесвіті життя, можливо, і розумну. Відповіді на фундаментальні питання про нашому далекому минулого не мають грошового еквівалента, їх не можна оцінювати тільки з точки зору економічної.

 

Місячні пригоди можна вважати розтрату громадських коштів (хоча б і «дядька Сема»). Вони сприяли розвитку космічної технології, а безліч зроблених помилок дозволило усвідомити небезпеки, що чекають нас в космосі; настав час, коли супутник, метеорологічний або зв'язку, щедро винагороджує нас за кошти, витрачені на його створення.

 

Зазираючи у найближче майбутнє, потрібно мати на увазі, що запаси корисних копалин на Землі підходять до кінця; якщо б весь світ споживав свинець з такою ж інтенсивністю, як Сполучені Штати, його вистачило б на три роки; такі ж цифри характерні для положення майже з усіма мінералами, а про нафту краще і не згадувати.

 

Збільшення чисельності населення земної кулі так само, як і розвиток світової економіки сучасними темпами протягом найближчих декількох десятків років, просто немислимо; більше того, криза природних ресурсів вже стукає у наші двері, хоча - ось парадокс! - в Сонячній системі майже напевно повним-повнісінько корисних копалин, нехай і не на Місяці. Маленькі зовнішні супутники Юпітера являють собою не що інше, як великі кулі, що складаються з смерзшихся каміння, льоду і вуглеводнів. Крім того, можливо, що багато хто з астероїдів, розташованих між Юпітером і Марсом, складаються зі сплаву заліза і нікелю, подібного центрального ядра Землі. Одного такого осколка діаметром у кілометр вистачило б для задоволення наших потреб на століття вперед. З цієї причини дослідження інших небесних тіл Сонячної системи і вивчення механізму її освіти набуває не тільки академічний інтерес, але може дати цілком певну практичну вигоду в майбутньому.

 

Подібні міркування справедливі і для Сонця, з різних причин ще недостатньо вивченого. Наприклад, мінімальна зміна його світності може призвести до різних змін земного клімату і до потрясінь, катастрофічні наслідки яких можна було б обмежити, знаючи про них заздалегідь. І в цій області очікуються надзвичайно цікаві результати, пов'язані з використанням космічного «човника» для виведення телескопа на орбіту.

 

Отже, наші пригоди тільки починаються, і, навіть якщо ми ще далекі від створення космічних колоній типу описаних американським драматургом о'нілом, види Юпітера, послані на Землю космічними зондами і вразили наше уява, змушують замислитися над винятковістю нашого часу і над значенням всіх вже наявних даних для майбутнього людства.

 

 

Вся_библиотека