Книга знаменитого американского астрофизика и популяризатора науки К. Сагана рассказывает об эволюции Вселенной, формировании галактик и зарождении жизни и разума. Автор прослеживает пути познания Вселенной — от прозрений древних мыслителей через открытия Кеплера, Ньютона и Эйнштейна к современным космическим миссиям.

Глава IX ЖИЗНЬ ЗВЕЗД

Открыв глаза, [Ра, бог Солнца] пролил свет на Египет и отделил ночь ото дня. Из его рта вышли боги, а люди — из его глаз. Все вещи получили свою жизнь от него, ребенка, сияющего в лотосе, чьи лучи дают жизнь всякому существу.

Египетское заклинание времен Птолемеев

Бог способен создавать частицы вещества различных размеров и форм... и, возможно, различной плотности и силы и таким образом изменять законы Природы и порождать разного вида миры в различных частях Вселенной. По крайней мере, я не вижу в этом ничего противоречивого.

Исаак Ньютон. Оптика

Бывало, все небо над головой усеяно звездами, и мы лежим на спине, глядим на них и спорим: что они — сотворены или сами собой народились?

Марк Твен. Приключения Гекльберри Финна

Я испытываю... страшную потребность... какое бы подобрать слово?.. в религии. Тогда я выхожу ночью на улицу и рисую звезды.

Винсент Ван Гог

Чтобы приготовить яблочный пирог, нужны мука, яблоки, еще кое-какие мелочи и горячая печь. Все ингредиенты состоят из молекул — сахара, к примеру, или воды. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов: углерода, кислорода, водорода и небольшого количества других. Откуда появились эти атомы? За исключением водорода, все они образовались в звездах. Звезды — это своеобразные космические кухни, где из атомов водорода готовятся более тяжелые элементы. Звезды конден-

321

сируются из межзвездного газа и пыли, которые состоят в основном из водорода. А сам водород возник во время Большого Взрыва, положившего начало Космосу. Если вы хотите сделать яблочный пирог «с нуля», вам для начала придется изобрести Вселенную.

Предположим, вы взяли яблочный пирог и разрезали пополам; возьмите один из двух кусков и поделите пополам его; продолжайте далее в духе Демокрита. Сколько разрезов придется сделать, прежде чем мы получим отдельный атом? Ответ: примерно девяносто разрезов. Конечно, нет ножа, достаточно острого для такой работы, к тому же пирог будет крошиться, а уж атомы в любом случае слишком маленькие, чтобы их удалось разглядеть невооруженным глазом. И все же есть один способ.

Впервые природа атомов была понята в Кембриджском университете в Англии в 1880-1920-х годах — отчасти путем бомбардировки одних атомов фрагментами других и наблюдения за результатами. Обычный атом окружен снаружи облаком электронов. Как подсказывает их название, электроны несут электрический заряд. Более или менее произвольно этот заряд стали считать отрицательным. Электроны определяют химические свойства атома: блеск золота, холод железа, кристаллическую структуру алмаза. Глубоко внутри атома, тщательно укрытое электронным облаком, расположено ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Атомы очень малы — сто миллионов штук, выложенные в ряд, займут не больше кончика вашего мизинца. Но ядра еще в сто тысяч раз меньше, и в основном поэтому для их открытия понадобилось столько времени*. Как бы то ни было,

* Первоначально считалось, что протоны равномерно распределены по всему электронному облаку, а не сконцентрированы в положительно заряженном ядре, центре атома. Ядро было открыто в Кембридже Эрнестом Резерфордом, когда он заметил, что некоторые бомбардирующие частицы отскакивают в направлении, обратном тому, откуда они прилетели. Резерфорд признавался: «Это было самое невероятное событие, которое случилось со мной за всю мою жизнь. Оно казалось столь же немыслимым, как если бы вы стреляли из 15-дюймового артиллерийского орудия в тонкую бумажную салфетку, а снаряд отскочил бы от нее и попал в вас». — Авт.

322

большая часть массы атома сосредоточена в его ядре; по сравнению с ядром электроны — это просто облако подвижного пуха. Атомы по большей части пустое пространство. Материя построена в основном из пустоты.

Я состою из атомов. Мои локти, опирающиеся на стол, тоже состоят из атомов. И сам стол состоит из атомов. Но если атомы такие маленькие и пустые, а их ядра еще меньше, то почему стол удерживает меня? Почему, как любил спрашивать Артур Эддингтон*, ядра, сосредоточенные в моем локте, не проскользнут без всякого усилия мимо ядер, находящихся в столе? Почему я не оказываюсь на полу? Почему не проваливаюсь сквозь землю?

Все дело в электронных облаках. Снаружи атомы моего локтя имеют отрицательный электрический заряд. То же самое относится и к атомам стола. Но отрицательные заряды отталкиваются. Мои локти не проскальзывают сквозь стол потому, что ядра атомов окружены электронами, и потому, что электрическое взаимодействие достаточно сильное. Наша повседневная жизнь зависит от строения атома. Стоит убрать электрические заряды, и все рассыплется в тончайшую, невидимую пыль. Без электрического взаимодействия в мире

* Эддингтон (Eddington), Артур Стенли (1882-1944) — английский астрофизик. Автор трудов по внутреннему строению и эволюции звезд, теории относительности, релятивистской космологии. Экспериментально подтвердил (1919) отклонение светового луча в поле тяготения Солнца, предсказанное общей теорией относительности. — Ред.

323

не стало бы предметов — только диффузные облака электронов, протонов и нейтронов да гравитирующие шары из элементарных частиц — безликие останки миров.

Мысленно продолжая разрезать яблочный пирог на части меньше атома, мы сталкиваемся с бесконечно малым. Устремляя взгляд в ночное небо, мы сталкиваемся с бесконечно большим. Эти бесконечности представляют собой неограниченное повторение, длящееся не просто долго, но вечно. Если встать между двумя зеркалами, например в парикмахерской, видишь множество собственных изображений, каждое — отражение другого. Вы не сможете увидеть бесконечное число отражений, потому что зеркала не идеально плоские и не строго параллельны друг другу; потому, что свет распространяется не бесконечно быстро; а еще потому, что вы сами находитесь на его пути. Когда мы говорим о бесконечности, то имеем в виду количество, которое превосходит любое наперед заданное число, независимо от того, насколько оно велико.

Американский математик Эдвард Кейснер однажды попросил своего девятилетнего племянника придумать название для одного чрезвычайно большого числа — десять в сотой степени (10¹⁰⁰), единицы, за которой следует сто нулей. Мальчик назвал его «гугол» (googol). Вот оно: 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Вы тоже можете придумать свои собственные очень большие числа и назвать их какими-нибудь странными именами. Попробуйте. В этом занятии есть определенная привлекательность, особенно если вам девять лет.

Если гугол кажется вам большим числом, то что вы скажете про гуголплекс? Это десять в степени гугол, то есть единица, за которой следует гугол нулей. Для сравнения: общее количество атомов в вашем теле — около

324

10²⁸, а полное количество элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов) в наблюдаемой части Вселенной — примерно 10⁸⁰. Если бы Вселенная была плотно набита* нейтронами, так, чтобы нигде в ней не оставалось пустого места, то она вместила бы всего 10¹²⁸ частиц — лишь немногим больше гугола, но ничтожно мало по сравнению с гуголплексом. Но даже такие числа, как гугол и гуголплекс, не позволяют приблизиться к идее бесконечности. По сравнению с ней они бесконечно малы. Гуголплекс столь же далек от бесконечности, как и единица. Мы можем попробовать записать гуголплекс на бумаге, однако это будет безнадежная попытка. Лист бумаги, достаточный для выписывания всех нулей гуголплекса, не поместился бы в известной нам Вселенной. К счастью, есть более простой и очень короткий способ записи гуголплекса: 10^{10^10} — и даже для бесконечности: [∞].

В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов — и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов,

* Идея подобных вычислений очень стара. Вот как начинается книга Архимеда «О числе песчинок»: «Некоторые думают, о царь Гедон, что количество песка бесконечно в своей множественности. Я имею в виду не только тот песок, что можно найти вокруг Сиракуз и на всей остальной Сицилии, но также тот, что можно найти в любом другом месте, населенном или необитаемом. И опять же есть такие, кто хоть и не считает его бесконечным, все же думает, что нельзя назвать число, которое было бы достаточно велико, чтобы выразить его множественность». Затем Архимед не только называет такое число, но и определяет его значение. Далее он спрашивает, сколько крупинок песка, плотно уложенных одна к другой, поместится в известной ему Вселенной. Оценка Архимеда составляет 10⁶³, что соответствует примерно 10⁸³ атомов — забавное совпадение с современной оценкой. — Авт.

325

то это будет уже не ядро углерода, а ядро атома гелия. Подобный распад, или деление, атомных ядер (хотя и не распад ядер углерода) происходит в ядерном оружии и в обычных атомных электростанциях. Если вы сделаете девяносто первый разрез яблочного пирога и разделите при этом ядро углерода, то получите не два маленьких кусочка углерода, а нечто иное — атом с совершенно другими химическими свойствами. Разрезая атом, вы осуществляете трансмутацию элементов.

Но предположим, что мы пошли дальше. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Можем ли мы разрезать протон? Бомбардируя протоны другими элементарными частицами высоких энергий, например другими протонами, мы начинаем замечать, что внутри скрываются еще более фундаментальные составляющие. Физики предполагают, что так называемые элементарные частицы вроде протонов и нейтронов на самом деле состоят из еще более элементарных частиц — кварков, которые обладают различными «цветами» и «ароматами», как окрестили их свойства в попытке сделать субъядерный мир хотя бы немного более своим, домашним. Являются ли кварки самыми фундаментальными составляющими материи, или они тоже состоят из еще меньших, еще более элементарных частиц? Достигнем ли мы когда-нибудь окончательного понимания природы материи, или существует бесконечная лестница все более и более фундаментальных частиц? Это одна из величайших неразрешенных проблем науки.

В средневековых лабораториях алхимики пытались осуществить трансмутацию элементов. Многие из них верили, что вся материя состоит из четырех субстанций: воды, воздуха, земли и огня, — такова была древне-ионийская умозрительная гипотеза. Изменяя пропорции, например соотношение земли и огня, рассуждали

326

они, вы должны добиться превращения, скажем, меди в золото. На этом поприще подвизалось множество обаятельных плутов и мошенников, вроде Калиостро и графа Сен-Жермена, которые заявляли, что владеют не только тайной трансмутации элементов, но также рецептом бессмертия. Иногда золото прятали внутри волшебной палочки с «двойным дном», и оно чудесным образом появлялось в тигле в конце сложной экспериментальной демонстрации. Заглотив приманку богатства и бессмертия, европейская знать жертвовала изрядные суммы деятелям, практикующим это сомнительное искусство. Однако существовали и более серьезные алхимики, такие как Парацельс* и даже Исаак Ньютон. А значит, не все деньги потеряны зря — были открыты новые химические элементы, например фосфор, сурьма и ртуть. Фактически современная химия берет начало именно от этих экспериментов.

В природе встречается 92 вида химически различимых атомов. Они называются химическими элементами, и до недавнего времени все на нашей планете состояло из них. В большинстве своем встречаются они в составе молекул. Вода — это молекула, образованная атомами водорода и кислорода. Воздух в основном состоит из атомов азота (N), кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и аргона (Аr) в форме молекул N₂, O₂, СO₂, Н₂O и Аr. Сама Земля представляет собой очень богатую смесь атомов, преимущественно кремния, кислорода, алюминия, магния и железа. Огонь вообще не состоит

* Парацельс (Paracelsus) (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, 1493-1541) — врач и естествоиспытатель, один из основателей ятрохимии, которая рассматривала происходящие в организме процессы как химические явления, а болезни — как результат нарушения химического равновесия. Способствовал внедрению химических препаратов в медицину. — Ред.

327

из химических элементов. Это излучающая плазма; в которой высокая температура отрывает некоторые электроны от их ядер. Ни один из четырех древнеионийских и алхимических «элементов» не является элементом в современном понимании: один из них представлен молекулой, два других — смесью молекул, четвертый — плазмой.

Со времен алхимиков открывали все новые и новые элементы, и чем позже их обнаруживали, тем более редкими они оказывались. Многие из них — те, из которых в основном состоит Земля, или те, что являются основой жизни, — хорошо нам знакомы. Некоторые из них — твердые вещества, некоторые — газы, а два (бром и ртуть) при комнатной температуре представляют собой жидкость. Ученые обычно выстраивают элементы в порядке возрастания сложности. Простейший элемент, водород, имеет номер 1; наиболее сложный, уран, числится под номером 92. Другие элементы, с которыми нам не приходится сталкиваться в повседневной жизни, менее известны, например гафний, эрбий, диспрозий и празеодим. В целом, чем более знаком нам элемент, тем более он распространен. Земля содержит большое количество железа и совсем немного иттрия. Конечно, из этого правила существуют исключения, например золото или уран, элементы, которые высоко ценятся в силу произвольных экономических соглашений, эстетических оценок или в силу их особой полезности.

Тот факт, что атомы состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, — открыт относительно недавно. Нейтрон не был известен до 1932 года. Современные физика и химия поразитель-•но упростили картину окружающего мира: объединяя разными способами всего три элементарных блока, можно получить практически всё на свете.

328

Нейтроны, как мы уже говорили и как следует из самого их названия, не обладают электрическим зарядом. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Притяжение между противоположно заряженными электронами и протонами поддерживает целостность атома. Поскольку каждый атом электрически нейтрален, количество протонов в ядре должно быть в точности равно числу электронов в электронном облаке. Химические свойства атомов зависят только от числа электронов, равного числу протонов и называемого атомным номером. Химия не более чем числа — идея, которая пришлась бы по душе Пифагору. Если ты атом с одним протоном, значит, ты водород, с двумя — гелий, с тремя — литий, с четырьмя — бериллий, с пятью — бор, с шестью — углерод, с семью — азот, с восемью — кислород и так далее до 92 протонов, в этом случае твое имя уран.

Заряженные частицы с одинаковыми зарядами испытывают сильное отталкивание друг от друга. Можно подумать, что они питают отвращение к себе подобным, как будто весь микромир сплошь населен отшельниками и мизантропами. Электроны отталкивают электроны. Протоны отталкивают протоны. Но что же тогда скрепляет атомные ядра? Почему же они не распадаются немедленно на части? Да потому, что существует сила иной природы — не гравитация и не электричество, а особая ядерная сила с коротким радиусом действия, которая, подобно цепляющимся друг за друга крючкам, действует только тогда, когда протоны и нейтроны находятся очень близко друг к другу, преодолевая электрическое отталкивание между протонами. Нейтроны, которые дают вклад в ядерные силы притяжения и не подвержены действию электрических сил отталкивания, служат в качестве клея, помогающего удерживать части ядра

329

вместе. Алчущие одиночества отшельники прикованы цепями к своим сердитым собратьям и затерты среди прочих, ввергнутые во власть неразборчивой и бесцеремонной общительности.

Два протона и два нейтрона составляют ядро атома гелия, которое является очень стабильным. Три ядра гелия образуют атомное ядро углерода, четыре — кислорода, пять — неона, шесть — магния, семь — кремния, восемь — серы и т. д. Каждый раз, добавляя один или более протонов и необходимое для сохранения стабильности ядра число нейтронов, мы получаем новый химический элемент. Если мы удалим один протон и три нейтрона из ртути, то получим золото. Вот она — мечта всех древних алхимиков. За ураном следуют другие элементы, которые не встречаются на Земле в естественных условиях. Они синтезированы людьми и в большинстве случаев быстро распадаются на части. Один из них, элемент номер 94, называемый плутонием, принадлежит к числу самых ядовитых веществ, известных нам. К сожалению, он распадается довольно медленно.

Но откуда появились элементы, встречающиеся в естественных условиях? Можно предположить, что каждый вид атомов образовался независимо от других. Однако Вселенная в целом почти везде на 99 процентов состоит из двух простейших элементов — водорода и гелия*. В действительности гелий даже обнаружен был сначала на Солнце, а потом на Земле — отсюда и его название (от Гелиос — один из греческих богов солнца). Могли ли другие химические элементы каким-то обра-

* Земля является исключением, поскольку относительно слабое гравитационное поле нашей планеты не удержало первичный водород и он по большей части улетучился в космос. Юпитер благодаря своему сильному притяжению сохранил значительную часть исходной доли легких элементов. — Авт.

330

зом возникнуть из водорода и гелия? Для компенсации электрического отталкивания части ядерного вещества необходимо сблизить настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Это может произойти только при очень высоких температурах — в десятки миллионов градусов, — когда частицы движутся столь быстро, что силы отталкивания просто не успевают подействовать. В природе такие высокие температуры и сопутствующее им высокое давление встречаются только в недрах звезд.

Мы изучали Солнце, ближайшую к нам звезду, в различных диапазонах длин волн — от радио- до оптического и рентгеновского излучения, но все это излучение приходит из самых внешних слоев Солнца. Дневное светило оказалось не совсем таким, как думал Анаксагор, не раскаленным докрасна камнем, а огромным водородно-гелиевым газовым шаром, светящимся благодаря своей высокой температуре, как светится кочерга, нагретая до красного каления. И все же Анаксагор был прав, по крайней мере отчасти. Катастрофические солнечные бури порождают яркие вспышки, нарушающие радиосвязь на Земле, и колоссальные, выгнутые дугой столбы раскаленного газа, направляемые силами солнечного магнитного поля, — солнечные протуберанцы, рядом с которыми Земля кажется крошечной пылинкой. Солнечные пятна, иногда видимые на закате невооруженным глазом, — относительно холодные области повышенной напряженности магнитного поля. Вся эта непрестанная, беспорядочная, турбулентная активность протекает на сравнительно холодной видимой поверхности. Мы наблюдаем температуру всего лишь около 6000 градусов. Однако в скрытых от нас недрах Солнца, где генерируется энергия светила, температура достигает 40 миллионов градусов.

331

Звезды и сопровождающие их планеты рождаются в результате гравитационного коллапса* межзвездного газопылевого облака. Столкновения молекул газа внутри облака нагревают его до состояния, когда водород начинает превращаться в гелий: четыре ядра водорода сливаются, образуя ядро гелия и испуская при этом кванты гамма-излучения. Подвергаясь многократным поглощениям и переизлучениям в окружающем веществе, постепенно прокладывая путь к поверхности звезды и на каждом шагу теряя энергию, фотон совершает эпическое путешествие длиной в миллион лет, прежде чем превратится в видимый свет, достигнет поверхности и будет излучен в космос. Итак, звезда зажглась. Гравитационный коллапс протозвездного облака остановился. Вес вышележащих слоев звезды теперь удерживается высокой температурой и давлением, которые порождаются ядерными реакциями в недрах. Солнце находится в таком стабильном состоянии последние пять миллиардов лет. Термоядерные реакции, подобные тем, что используются в водородной бомбе, обеспечивают выделение солнечной энергии в режиме непрерывного управляемого взрыва, в ходе которого ежесекундно около четырехсот миллионов тонн (4•10¹⁴ грамм) водорода превращается в гелий. Когда мы смотрим в ночное небо, на звезды, все, что мы видим, светится благодаря протекающим вдали от нас ядерным реакциям.

В направлении звезды Денеб в созвездии Лебедя расположен громадный светящийся пузырь, заполненный очень горячим газом, вероятно, выброшенным в результате взрыва сверхновой, в момент смерти звезды, находившейся в центре пузыря. На периферии в межзвезд-

* Коллапс — необратимое сжатие объекта под действием самогравитации, т. е. за счет сил тяготения, действующих между различными частями межзвездного облака или звезды. — Пер.

332

ном веществе, сжатом ударной волной сверхновой, инициирован коллапс нового поколения облаков и новый этап звездообразования. В этом смысле у звезд есть родители; и, как это иногда случается у людей, родитель может умереть, производя на свет ребенка.

Звезды, подобные Солнцу, рождаются группами в больших плотных газопылевых комплексах, таких как туманность Ориона. Снаружи эти облака кажутся темными и мрачными. Однако внутри они ярко освещены горячими новорожденными звездами. Позднее звезды покидают свои колыбели, чтобы искать счастья на просторах Млечного Пути. Звезды-подростки все еще окружены следами светящейся туманности — гравитационно связанными остатками амниотического* газа. Пример тому — близкое к нам скопление Плеяды. Как это бывает в человеческих семьях, обретшие зрелость светила покидают родной дом и редко видятся друг с другом. Где-нибудь в Галактике есть звезды — возможно, десятки звезд — братья и сестры Солнца, родившиеся вместе с ним в одном газопылевом комплексе пять миллиардов лет назад. Но мы не знаем, что это за звезды. Нет причин, почему бы им не оказаться на другой стороне Млечного Пути.

Превращение водорода в гелий в центре Солнца не только обеспечивает его свечение в видимом диапазоне — оно также порождает излучение более загадочного и призрачного свойства: Солнце испускает неуловимые нейтрино, которые, подобно фотонам, не имеют массы и движутся со скоростью света. Однако нейтрино — это не фотоны. Это не особый вид света. Нейтрино, подобно протонам, электронам и нейтронам, несут внутренний угловой момент, или спин, тогда как фото-

* Амниотическая жидкость — околоплодные воды. — Пер.

333

ны не имеют спина*. Вещество прозрачно для нейтрино, которые безо всяких усилий проходят сквозь Землю и сквозь Солнце. Только очень малую их часть задерживает встречающееся на пути вещество. Когда я смотрю на Солнце, за секунду через мои глазные яблоки проходит миллиард нейтрино. Конечно, они не задерживаются сетчаткой, как обычные фотоны, а спокойно выходят сквозь мой затылок. И вот что забавно: если ночью я погляжу в землю, в ту сторону, где было бы видно Солнце, не заслоняй его Земля, то через мои глаза пролетит практически такое же количество солнечных нейтрино, для которых Земля прозрачна, как чисто вымытое оконное стекло — для видимого света.

Если наше знание солнечных недр настолько полное, как мы думаем, и если мы так же хорошо понимаем ядерную физику, которая приводит к появлению нейтрино, то не составляет труда с высокой точностью вычислить, сколько солнечных нейтрино должно приходиться на заданную площадь (например, на мой глаз) за единицу времени (скажем, за секунду). Проверить эти вычисления на опыте значительно труднее. Поскольку нейтрино проходят Землю насквозь, мы не можем поймать их все. Но из огромного числа нейтрино малая доля все-таки будет взаимодействовать с веществом, и при подходящих условиях ее удается зарегистрировать. В редких случаях нейтрино способны вызывать превращение атомов хлора в атомы аргона, с тем же общим числом протонов и нейтронов. Чтобы зарегистрировать предсказанный поток солнечных нейтрино, необходимо очень много хлора, и поэтому американские физики залили огромное количество очищающей жидкости в шахту Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота. Хлор был под-

* Точнее, спин фотона всегда равен нулю. — Пер.

334

вергнут микрохимической очистке, а затем фиксировалось образование в нем аргона. Чем больше найдено аргона, тем больше зарегистрировано нейтрино. Эти эксперименты показали, что нейтринная светимость Солнца меньше, чем предсказывают вычисления.

Здесь скрывается настоящая и неразрешенная загадка. Слабый поток солнечных нейтрино вряд ли ставит под угрозу наши представления о звездном нуклеосинтезе, но, несомненно, означает что-то важное. Предлагаемые объяснения варьируются от гипотезы о распаде нейтрино во время их движения от Солнца к Земле до идеи, что ядерные реакции в солнечных недрах на время замедлились и солнечное излучение сейчас частично генерируется за счет медленного гравитационного сжатия. Однако нейтринная астрономия еще очень молода. Пока не прошло первое изумление от того, что создан инструмент, способный заглянуть прямо в пылающее ядро Солнца. Не исключено, что с повышением чувствительности нейтринных телескопов появится возможность исследовать ядерные реакции в недрах ближайших звезд*.

Но ядерные реакции с участием водорода не могут продолжаться вечно: количество водородного топлива в раскаленных недрах Солнца, как и любой другой звезды, хотя и велико, но все же ограничено. Судьба звезды,

* Вторым (после Солнца) космическим объектом, нейтринное излучение которого удалось зарегистрировать, стала сверхновая звезда, вспыхнувшая в 1987 г. в Малом Магеллановом облаке. В тот момент на Земле действовало уже несколько нейтринных детекторов, зафиксировавших нейтринный всплеск, заметный на фоне обычной интенсивности счета солнечных нейтрино. Что касается обнаружения нейтрино от соседних звезд, то это лежит далеко за пределами возможностей современных детекторов, прежде всего потому, что пока нет способа определить направление прихода регистрируемых нейтрино, а значит, нельзя выделить слабый поток звездных нейтрино на фоне солнечных. — Пер.

335

конец ее жизненного цикла зависят в значительной степени от ее начальной массы. Если после всех потерь вещества, выброшенного в космос, масса звезды остается в два-три раза больше солнечной, то завершение ее жизненного цикла будет кардинально отличаться от того, что ждет наше Солнце. Однако и судьба Солнца тоже весьма драматична. Через пять-шесть миллиардов лет, когда весь водород в его центре превратится в гелий, область водородных термоядерных реакций станет медленно расширяться, перемещаясь в сторону поверхности, пока не достигнет зоны, где температура составляет менее десяти миллионов градусов. Тогда водородная реакция прекратится. Между тем самогравитация Солнца возобновит сжатие обогащенного гелием ядра и вызовет рост температуры и давления внутри него. Ядра гелия будут все более плотно прижиматься друг к другу, пока не начнут, несмотря на взаимное электрическое отталкивание, сцепляться крючками короткодействующих ядерных сил. Пепел станет топливом, и на Солнце начнется второй этап ядерных реакций.

Этот процесс будет генерировать такие элементы, как углерод и кислород, и на некоторое время обеспечит энергией свечение Солнца. Звезда подобна птице фениксу, которой предначертано на время восстать из собственного пепла*. Водородные реакции, протекающие в тонком слое вдали от центра, и высокотемпературные гелиевые реакции в ядре вместе приведут к значительным изменениям на Солнце: снаружи оно существенно увеличится в размерах и остынет. Солнце

* Звезды, массой превосходящие Солнце, на поздних этапах своей эволюции достигают более высоких центральных температур. Они способны свыше одного раза восставать из собственного пепла, используя углерод и кислород для синтеза еще более тяжелых элементов. — Авт.

336

станет красным гигантом. Его видимая поверхность настолько удалится от центра, что тяготение на ней значительно ослабнет и атмосфера начнет интенсивно улетучиваться в космос в ходе своеобразного звездного шторма. Когда покрасневшее и разбухшее Солнце сделается красным гигантом, оно поглотит и уничтожит планеты Меркурий и Венеру, а возможно, и Землю. Внутренняя часть Солнечной системы окажется тогда внутри самого Солнца.

Спустя миллиарды лет в жизни Земли наступит последний счастливый день. А затем Солнце начнет медленно краснеть и раздуваться, нависая над Землей, задыхающейся от зноя даже на полюсах. Арктические и антарктические ледники растают, затопив берега континентов. Высокая температура океана заставит воду испаряться интенсивнее, заслоняя Землю от солнечного света облаками и ненадолго оттягивая ее конец. Но солнечная эволюция неумолима. В конце концов океан закипит, атмосфера испарится в космос и катастрофа, колоссальней которой и не представишь, случится на нашей планете*. К тому времени люди наверняка эволюционируют во что-то совершенно иное. Возможно, наши потомки научатся управлять звездной эволюцией и сдерживать ее. Или, может быть, они просто переберутся жить на Марс, на Европу или на Титан либо, в соответствии с предвидениями Роберта Годдарда, отыщут себе необитаемую планету в какой-нибудь молодой и перспективной планетной системе.

Звездный пепел Солнца может повторно служить в качестве топлива лишь до какого-то предела. В конце концов наступит время, когда солнечные недра насытятся

* Ацтеки предсказывали время, «когда Земля устанет... когда семя Земли кончится». Однажды, верили они, Солнце упадет с неба, и звезды осыплются с него. — Авт.

337

углеродом и кислородом, дальнейшее протекание ядерных реакций станет невозможным при установившихся температуре и давлении. После того как гелий в центре будет почти полностью выработан, возобновится отложенный на время коллапс солнечных недр, температура снова вырастет, запустив последний этап ядерных реакций и еще немного увеличив атмосферу Солнца. В смертельной агонии Солнце будет медленно пульсировать, расширяясь и сжимаясь с периодом в несколько тысячелетий, извергая свою атмосферу в космос в виде одной или нескольких концентрических газовых оболочек. Обнаженные солнечные недра затопят сброшенную оболочку ультрафиолетом, возбуждая в ней восхитительное красное и голубое флуоресцентное свечение, тянущееся за пределы орбиты Плутона. Возможно, на это уйдет до половины массы Солнца*. Солнечная система наполнится жутковатым свечением, призраком Солнца, покидающим умершее светило.

Обозревая маленький уголок Млечного Пути вокруг нас, мы видим много звезд, окруженных сферическими оболочками светящегося газа — планетарными туманностями. (Они не имеют ничего общего с планетами, но в слабый телескоп некоторые из них отдаленно напоминают голубовато-зеленые диски Урана и Нептуна.) Они выглядят как кольца, по той же причине, что и мыльные пузыри: мы видим больше их вещества на периферии, чем около центра. Каждая планетарная туманность — это знак умирающей звезды. Вокруг центрального светила может сохраниться свита мертвых миров — останки планет, некогда полных жизни, а ныне безвоздушных и безводных, купающихся в призрачном свечении.

* Согласно современным представлениям, потери массы на этой стадии не могут быть столь велики и составляют не более 10-20 % массы звезды. — Пер.

338

Остаток Солнца, обнаженное солнечное ядро, поначалу заключенное в кокон планетарной туманности, будет маленькой горячей звездой, остывающей в космосе, сжавшейся до неслыханной на Земле плотности — более тонны в одной чайной ложке. Спустя миллиарды лет Солнце станет вырожденным* белым карликом, остывая, как те светлые точки, что мы видим в центрах планетарных туманностей, от высоких поверхностных температур до конечного состояния, темного и мертвого черного карлика.

Две звезды с близкими массами будут эволюционировать примерно в одинаковом темпе. Однако более массивная звезда потратит свое ядерное топливо быстрее, раньше станет красным гигантом и первой достигнет финальной стадии белого карлика. Поэтому должно существовать и дейтвительно существует множество двойных звезд, состоящих из красного гиганта и белого карлика. Некоторые такие пары настолько тесны, что звезды соприкасаются, и светящаяся атмосфера перетекает с раздувшегося красного гиганта на компактный белый карлик, причем норовит упасть на определенные области поверхности белого карлика. Водород накапливается, сжимается мощным гравитационным полем белого

* Устойчивость белому карлику придает особое состояние вещества, так называемый вырожденный электронный газ, давление которого определяется квантово-механическими закономерностями и зависит только от плотности вещества, но не от его температуры. Тем не менее и вырожденный электронный газ способен противостоять давлению только до известного предела, за которым электроны сливаются с протонами ядер, превращая их в нейтроны. В 1931 г. этот предел теоретически обнаружил знаменитый индийский астрофизик Субрахманьян Чандрасекар, доказавший, что не может существовать белых карликов с массой больше 1,4 массы Солнца. Это значение теперь известно как предел Чандрасекара. Спустя более пятидесяти лет, в 1983 г., за свои выдающиеся работы в области астрофизики Чандрасекар был удостоен Нобелевской премии. — Пер.

339

карлика до все более и более высоких давления и температуры, пока в украденной у красного гиганта атмосфере не начинаются термоядерные реакции, приводящие к кратковременной яркой вспышке белого карлика. Такие двойные звезды называют новыми, и они по своей природе принципиально отличны От сверхновых. Новые вспыхивают только в двойных системах за счет энергии водородных реакций; вспышки сверхновых случаются и с одиночными звездами, а их энергетику обеспечивают реакции с участием кремния.

Атомы, синтезированные в недрах звезд, обычно возвращаются в состав межзвездного газа. Атмосферы красных гигантов постепенно утекают в космос; планетарные туманности — это конечные стадии эволюции солнцеподобных звезд, сбрасывающих свои верхние слои. Сверхновые в ходе катастрофических взрывов извергают в космос большую часть своей массы. В межзвездное пространство возвращаются, конечно, те атомы, что легче всего возникают при термоядерных реакциях в звездных недрах: водород превращается в гелий, гелий — в углерод, углерод — в кислород, таким образом в массивных звездах за счет последовательного добавления ядер гелия образуются неон, магний, кремний, сера и далее вплоть до железа — по два протона и нейтрона за шаг. Реакция, протекающая в кремнии, также приводит к образованию железа: пара ядер кремния, по двадцать восемь протонов и нейтронов в каждом, сливается при температуре около миллиарда градусов, чтобы породить атом железа с пятьюдесятью шестью протонами и нейтронами.

Это все знакомые нам химические элементы. Мы узнаём их названия. В этих звездных ядерных реакциях не возникают эрбий, гафний, диспрозий, празеодим или иттрий, а только элементы, хорошо известные нам из

340

повседневной жизни, элементы, возвращаемые в состав межзвездного газа, где они вовлекаются в новые стадии коллапса облаков, формирования, звезд и планет. Все элементы на Земле, за исключением водорода и части гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звезд, часть которых является ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного

вещества.

Некоторые из более редких элементов вырабатываются непосредственно во время взрывов сверхновых. Золото и уран относительно широко распространены на Земле только потому, что перед самым образованием Солнечной системы произошло множество взрывов сверхновых. В других планетных системах распространенность редкоземельных элементов может быть иной. Нет ли таких планет, где с гордостью выставляют напоказ подвески из ниобия или браслеты из протактиния, а золото — лабораторная редкость? Не изменилась бы к лучшему наша жизнь, будь золото или уран столь же малоизвестны и незначительны на Земле, как празеодим? Происхождение и эволюция жизни глубочайшим образом связаны с происхождением и эволюцией звезд. Во-первых, само вещество, из которого мы состоим, атомы, делающие жизнь возможной, образовались очень давно и очень далеко в гигантских красных звездах. Относительная распространенность химических элементов, обнаруженных в космосе, слишком хорошо соответствует относительной распространенности атомов, возникающих в звездах, чтобы оставалось хотя бы малейшее сомнение в том, что красные гиганты и сверхновые — этот как раз те печи, те тигли, где было выплав-

341

лено наше вещество. Солнце — звезда второго или третьего поколения. Все его вещество, все вещество вокруг нас прошло уже через один или два цикла звездной алхимии. Во-вторых, существование на Земле некоторых разновидностей тяжелых атомов предполагает, что незадолго до образования Солнечной системы неподалеку вспыхнула сверхновая. Но вряд ли это было случайным совпадением; гораздо вероятнее, что ударная волна, порожденная взрывом сверхновой, сжала межзвездные газ и пыль и дала толчок конденсации Солнечной системы. В-третьих, когда Солнце зажглось, его ультрафиолетовое излучение стало интенсивно проникать в атмосферу Земли; его тепло привело к появлению молний; и эти источники энергии вызвали образование сложных органических молекул, положив начало зарождению жизни. В-четвертых, жизнь на Земле существует почти исключительно благодаря солнечному свету. Растения собирают фотоны и трансформируют солнечную энергию в химическую. Животные паразитируют на растениях. Сельское хозяйство — это просто методичный сбор урожая солнечного света при вынужденном посредничестве растений. Энергия Солнца питает нас, почти всех. Наконец, наследственные изменения, называемые мутациями, поставляют сырье для эволюции. Мутации, из которых природа выбирает вновь изобретаемые формы жизни, отчасти обусловлены космическими лучами — высокоэнергетическими частицами, выбрасываемыми с околосветовой скоростью во время взрывов сверхновых. Эволюция жизни на Земле в известной мере приводится в движение эффектной смертью далеких массивных солнц.

Представьте, что счетчик Гейгера и кусок урановой руды помещены глубоко под землю, например в золоторудную шахту или лавовую трубу — пещеру, оставлен-

342

ную в земных толщах потоком расплавленной магмы. Чувствительный датчик издает щелчок, когда в него попадают гамма-кванты, протоны или ядра гелия высоких энергий. Если поднести его вплотную к урановой руде, испускающей ядра гелия в результате спонтанного радиоактивного распада, скорость счета (число щелчков в минуту) резко возрастет. Если мы заключим урановую руду в тяжелую свинцовую канистру, счет значительно замедлится, поскольку свинец поглощает урановую радиацию. Но отдельные щелчки все же будут по-прежнему слышны. Эти отсчеты частично вызваны естественной радиоактивностью стен пещеры. Однако щелчков все же больше, чем можно объяснить радиоактивностью. Некоторые из них спровоцированы высокоэнергетическими заряженными частицами, проникающими сквозь своды. Мы слышим космические лучи, порожденные в далекие времена в глубинах космоса. Космические лучи, состоящие в основном из электронов и протонов, бомбардируют Землю на протяжении всей истории нашей планеты. Звезда, разрушаясь в тысячах световых лет от нас, испускает космические лучи, которые миллионы лет путешествуют по спирали через Млечный Путь, совершенно случайно попадают на Землю и воздействуют на наше наследственное вещество. Возможно, некоторые ключевые шаги в развитии генетического кода, кембрийский взрыв или прямохождение наших предков были вызваны как раз космическими лучами. 4 июля 1054 года китайские астрономы зарегистрировали в созвездии Тельца появление «звезды-гостьи». Никогда прежде не наблюдавшаяся звезда стала ярче всех других звезд на небе. На другой стороне земного шара, на юго-западе Америки, в то время существовала высокоразвитая культура с богатой астрономической традицией, также отметившая вспышку сверкаю-

343

щей новой звезды*. Благодаря радиоуглеродной датировке остатков древесного угля в кострищах нам известно, что в середине XI столетия некоторые индейцы племени анасази, предки сегодняшних хопи, жили в районе современного Нью-Мехико. Кто-то из них, прятавшийся от непогоды под навесом скального карниза, запечатлел на камне изображение вновь появившейся звезды. Ее положение относительно ущербной Луны было именно таким, как на рисунке. Рядом виден отпечаток руки; вероятно автограф художника.

Эта замечательная звезда, находящаяся на расстоянии 5000 световых лет, сейчас носит название сверхновой Крабовидной туманности, поскольку спустя несколько столетий астрономы, изучавшие в телескоп остатки взрыва, усмотрели в них сходство с крабом. Крабовидная туманность — останки взорвавшейся звезды. В течение трех месяцев взрыв наблюдался с Земли невооруженным глазом. Он был заметен даже днем, а ночью при его свете можно было читать. В среднем в одной галактике сверхновые вспыхивают примерно раз в столетие. За время жизни типичной галактики, составляющее около десяти миллиардов лет**, в ней взрывается примерно сто миллионов звезд — огромное количество, хотя это всего лишь одна звезда из тысячи. В нашей Галактике после 1054 года вспышки сверхновых наблюдались в 1572 году (описана Тихо Браге) и в 1604-м (описана Иоганном Кеплером)***. К сожалению, с мо-

* Мусульманские наблюдатели тоже обратили внимание на нее. Но ни слова о ней нет ни в одной европейской хронике. — Авт.

** Речь идет скорее о типичном возрасте, чем о времени жизни галактики. С момента своего образования подавляющее большинство из них не успели еще достигнуть конечных стадий эволюции. — Пер.

*** В 1606 г. Кеплер опубликовал книгу под названием «De Stella Nova» («О новой звезде»), в которой задается вопросом, не есть ли сверхновая результат случайного объединения атомов в небесах. Он преподносит сказанное им не как «мое собственное мнение, а мнение моей жены. Вчера, когда, уставший от писаний, я был приглашен к ужину и передо мной поставили салат, о котором я просил, с языка моего слетело: „Сдается мне, что, случись оловянному блюду, листьям салата, крупинкам соли, каплям воды, уксуса и масла и кусочкам яйца целую вечность плавать где-то по воздуху, они могли бы по чистой случайности собраться в салат". — „Да, — ответствовала моя красавица, — но он получился бы не таким удачным, как этот"».

344

мента изобретения телескопа в нашей Галактике не наблюдалось ни одного взрыва сверхновой, и астрономы с нетерпением ждут его вот уже несколько столетий*.

В наше время сверхновые регулярно наблюдаются в других галактиках. Среди отбираемых мною фраз, которые могли бы более всего поразить астронома начала ХХ века, есть следующая, взятая из статьи Дэвида Хелфанда и Нокса Лонга в британском журнале «Нейчур» от 6 декабря 1979 года: «5 марта 1979 года девятью межпланетными космическими аппаратами, входящими в сеть регистрации вспышек, был отмечен чрезвычайно мощный всплеск жесткого рентгеновского и гамма-излучения, который, будучи локализован по задержкам распространения сигнала, совпал по положению с остатком сверхновой N49 в Большом Магеллановом облаке». (Большое Магелланово облако, названное так в честь Магеллана, который первым среди обитателей Северного полушария обратил на него внимание, представляет собой небольшую галактику-спутник Млечного Пути, удаленную от нас на 180 000 световых лет. Как вы могли догадаться, существует также Малое Магелланово облако.) Однако в том же самом выпуске «Нейчур» Е. П. Мазец с коллегами из института им. Иоффе

* В 1987 г. сверхновая вспыхнула в Малом Магеллановом облаке. Это самая близкая к нам сверхновая, появившаяся после изобретения телескопа..— Пер.

345

в Ленинграде доказывают, что это была вспышка нуль* сара, находящегося на расстоянии всего нескольких сотен световых лет. Они наблюдали источник, о котором идет речь, при помощи детекторов гамма-всплесков на борту космических станций «Венера-11 и -12», находившихся на пути к Венере. Но Хелфанд и Нокс, несмотря на близкое расположение, не настаивают на том, что всплеск гамма-излучения связан с остатком сверхновой. Они тщательнейшим образом рассмотрели множество возможностей, включая даже тот маловероятный вариант, что источник находится в пределах Солнечной системы. Например, это мог быть выхлоп чужого звездолета, отправляющегося в далекий путь домой. Однако вспышка звездного пламени в N49 остается самой простой гипотезой: мы все же твердо знаем, что сверхновые существуют.

Когда Солнце станет красным гигантом, внутреннюю часть Солнечной системы ждет печальная участь. Но, по крайней мере, планеты никогда не будут расплавлены и сожжены взрывом сверхновой. Эта судьба предначертана планетам вблизи звезд, массой превосходящих Солнце. Поскольку такие звезды с высокой температурой и давлением быстро исчерпывают свои запасы ядерного топлива, их жизнь оказывается гораздо короче, чем у Солнца. Звезда, которая в десять раз массивнее Солнца, может стабильно перерабатывать водород в гелий всего несколько миллионов лет, а затем быстро переходит на более экзотические ядерные реакции. Этого времени почти наверняка недостаточно для эволюции развитых форм жизни на любой из сопутствующих светилу планет, и маловероятно, чтобы где-то были существа, знающие, что их звезда станет сверхновой: если они живут достаточно долго, чтобы понять, что такое сверхновая, значит, их звезда вряд ли ею станет.

346

Важной предпосылкой взрыва сверхновой является образование массивного железного ядра в результате ядерных реакций с участием кремния. Под воздействием огромного давления в звездных недрах свободные электроны сливаются с протонами в ядрах железа, их равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды взаимно уничтожаются, недра звезды превращаются в одно гигантское атомное ядро, занимающее гораздо меньший объем, чем предшествовавшие ему электроны и ядра железа. Ядро звезды испытывает своего рода катастрофический взрыв внутрь, внешние слои резко сбрасываются наружу, и происходит взрыв сверхновой. По светимости сверхновая может превзойти совокупное излучение всех звезд галактики, где она вспыхнула. Все те недавно образовавшиеся массивные бело-голубые сверхгиганты в Орионе обречены в следующие несколько миллионов лет стать сверхновыми, продолжая космический фейерверк в созвездии охотника. Грандиозные взрывы сверхновых выбрасывают в космическое пространство большую часть вещества звезды — немного оставшегося водорода и гелия и значительное количество других атомов углерода и кремния, железа и урана. На месте звезды остается горячий шар из нейтронов, скрепленных друг с другом ядерными силами*; одно массивное атомное ядро с атомным весом около 10⁵⁶; солнце поперечником около тридцати километров; крошечный, плотный, усохший и съежившийся звездный осколок; быстро вращающаяся нейтронная звезда. При схлопывании ядра массивного красного гиганта в нейтронную звезду его вращение ускоряется. Нейтронная звезда в центре Крабовидной туманности —

* Конечно, в первую очередь стабильным это ядро делает мощнейшая самогравитация. Не будь ее, гигантское нейтронное ядро немедленно распалось бы. — Пер.

347

это колоссальное атомное ядро размером с Манхэттен, совершающее тридцать оборотов в секунду. Его мощное магнитное поле, усиленное коллапсом, захватывает заряженные частицы, подобно гораздо более слабому магнитному полю Юпитера. Электроны во вращающемся магнитном поле испускают направленное излучение не только на радиочастотах, но также и в оптическом диапазоне. Всякий раз как Земля попадается на пути луча этого космического маяка, мы видим его вспышку, одну за каждый оборот. По этой причине он получил название пульсара. Мерцающий и тикающий, будто космический метроном, пульсар отсчитывает время намного точнее любых обычных часов. Продолжительный хронометраж интервалов между радиоимпульсами некоторых пульсаров, например PSR 0329+54, говорит о том, что они могут иметь один или несколько небольших планетообразных спутников. Весьма вероятно, что планеты смогли пережить превращение звезды в пульсар, или, возможно, они были захвачены позднее. Любопытно, как выглядит небо с поверхности такой планеты? Плотность вещества нейтронной звезды такова, что чайная ложка его имеет вес небольшой горы. Она настолько велика, что, если вы возьмете кусочек подобного вещества и уроните его (вряд ли вы сможете этого избежать), он пройдет сквозь Землю с той же легкостью, с какой падающий камень пропарывает воздух, и, насквозь пронизав планету, выйдет с противоположной стороны, где-нибудь в Китае. Тамошние жители будут спокойно идти по своим делам, когда крошечный кусочек нейтронной звезды выскочит из-под земли, на мгновение остановится и вновь вернется под землю, нарушив ход повседневной жизни. Если бы кусок вещества нейтронной звезды сбросили из космоса на вращающуюся под ним Землю, он раз за разом вонзался бы в соверша-

348

ющую обороты планету, проделав в ней тысячи отверстий, пока трение в ее недрах не остановило бы его движение. Прежде чем упокоиться в центре нашей планеты, он на короткое время уподобил бы ее недра внутренности швейцарского сыра. Правда, подземные потоки расплавленной магмы и металла быстро залечат эти раны. Хорошо, что крупные куски вещества нейтронных звезд не встречаются на Земле*. Но маленькие есть повсюду. Невероятная мощь нейтронной звезды таится в ядре каждого атома, скрывается в каждой чашке чая и каждом зверьке, в каждом глотке воздуха и каждом яблочном пироге.

Звезды, похожие на Солнце, как мы уже говорили, заканчивают свои дни становясь красными гигантами, а затем белыми карликами. Коллапсирующая звезда, масса которой вдвое больше солнечной, станет сверхновой, а затем нейтронной звездой. Однако еще более массивную звезду, которая после взрыва сверхновой осталась, скажем, в пять раз массивнее Солнца, ждет совершенно невероятная судьба: собственная гравитация превратит ее в черную дыру. Допустим, что у нас есть фантастическая гравитационная машина — устройство, позволяющее управлять земной гравитацией простым поворотом рукоятки. Для начала установим рукоятку на ускорение свободного падения lg², при котором все вещи

* Интересно, что идея подобного ядерного материала, «нейтрида», положена в основу повести «Черные звезды», написанной советским фантастом В. Савченко еще в 1958 г. — Пер.

** lg — это ускорение, с которым движется падающий на землю предмет, чуть меньше 10 метров в секунду за секунду. За одну секунду падающий камень достигнет скорости 10 метров в секунду, за две секунды — 20 метров в секунду и так далее, пока он не упадет на землю или не начнет тормозиться из-за сопротивления воздуха. В мире, где тяготение значительно выше, падающее тело будет набирать скорость быстрее. На планете с ускорением свободного падения 10g камень за первую секунду наберет скорость 10•10 м/с, то есть почти 100 м/с; спустя еще секунду он достигнет скорости 200 м/с и т. д. Малейшее спотыкание может оказаться смертельным. Для записи ускорения свободного падения следует всегда использовать строчную букву g, чтобы отличать его от ньютоновской гравитационной постоянной G, которая характеризует силу гравитационного взаимодействия для всей Вселенной, а не только для какой-то отдельно взятой планеты или звезды. (Ньютоновская формула, связывающая эти две величины, выглядит как F=mg = GMm/r²; g - GM/r², где F — сила тяготения, M — масса планеты или звезды, m — масса падающего предмета, r — расстояние от предмета до центра планеты или звезды.) — Авт.

349

ведут себя привычным образом. Земные растения и животные в ходе эволюции адаптировались к ускорению lg, все конструкции наших зданий рассчитаны на это ускорение. Будь гравитация намного слабее, значительно более высокие и тонкие конструкции могли бы существовать без риска упасть или разрушиться под тяжестью собственного веса. При значительно более сильной гравитации растения, животные и постройки во избежание угрозы разрушения оказались бы низкими, крепкими и приземистыми. Но даже в весьма сильном гравитационном поле свет распространялся бы по прямой, как это происходит в нашей повседневной жизни.

Рассмотрим довольно типичную группу земных существ — Алису из Страны Чудес и ее сотрапезников по чаепитию у Безумного Шляпника. Когда мы уменьшаем тяготение, вещи теряют свой вес. Около 0g малейшее движение отрывает наших друзей от земли, заставляя их плавать и кувыркаться по воздуху. Пролитый чай — или любая другая жидкость — образует в воздухе дрожащие сферические капли, поскольку поверхностное натяжение жидкости доминирует над тяготением. Повсюду в воздухе плавают чайные шарики. Если сейчас вернуть рукоятку в положение lg, прольется чайный дождь. Когда мы немного усилим тяготение — с lg до, скажем, 3g или 4g, — все присутствующие потеряют способность

350

перемещаться: каждое движение руки будет требовать непомерных усилий. В виде одолжения выведем наших друзей из-под действия гравитационной машины, прежде чем переводить рукоятку на более высокие отметки. При нескольких g, как и при 0g, луч фонаря распространяется строго по прямой линии (в пределах доступной нам точности). При 1000g луч остается прямым, но деревья расплющиваются и растекаются по земле тонким слоем; при 100 000g камни крошатся под действием собственного веса. Разрушается всё, за исключением Чеширского Кота, которому на то выдано специальное разрешение. Когда гравитация приближается к миллиарду g, происходит нечто еще более странное. Луч света, который до сих пор уходил прямо в небо, начинает изгибаться. Чрезвычайно сильное гравитационное ускорение воздействует даже на свет. Если мы еще увеличим тяготение, свет будет притянут вниз, к земле у наших ног. Теперь исчез из виду и космический Чеширский Кот, осталась только его гравитационная улыбка.

Когда гравитация становится достаточно сильной, ничто, даже свет, не в силах вырваться наружу. Такое место называется черной дырой. Загадочно безразличная к тому, что ее окружает, она и есть своего рода Чеширский Кот космоса. Когда плотность и гравитация достигают достаточно высоких значений, черная дыра меркнет и исчезает из нашей Вселенной. Потому она и называется черной, что даже свет не способен выйти из нее. Зато внутри, благодаря захваченному в ловушку свету, предметы могут быть довольно неплохо освещены. Хотя черная дыра не видна снаружи, ее гравитационное присутствие вполне ощутимо. Если вы, странствуя меж звезд, были беспечны, то вполне можете обнаружить, что безвозвратно затянуты ею, а ваше тело пренеприятнейшим образом вытягивается в длинную

351

тонкую нить. Однако случись вам пережить это путешествие, вид собранного в диск вещества вокруг черной дыры стал бы для вас незабываемым зрелищем.

Термоядерные реакции в солнечных недрах поддерживают внешние слои Солнца и на протяжении миллиардов лет оттягивают катастрофический гравитационный коллапс. Устойчивость белых карликов обеспечивается давлением электронов, оторванных от своих ядер. В нейтронных звездах гравитации противодействует давление нейтронов. Но, насколько нам известно, нет силы, способной противостоять коллапсу старой звезды, которая после взрыва сверхновой осталась более чем в несколько раз массивнее Солнца. Такая звезда невероятно сильно сжимается, раскручивается, краснеет и исчезает из виду. Двадцать масс Солнца сжимаются до размеров Большого Лос-Анджелеса; сокрушительная гравитация достигает 10¹⁰g, и звезда, расколов пространственно-временной континуум, проваливается в ею самой созданную трещину и пропадает из нашей Вселенной.

О черных дырах впервые задумался английский астроном Джон Майкл в 1783 году. Однако эта идея выглядела настолько странной, что до недавнего времени попросту игнорировалась. Затем, к удивлению многих, в том числе и многих астрономов, были обнаружены свидетельства того, что черные дыры в космосе действительно существуют. Земная атмосфера непрозрачна для рентгеновского излучения. Чтобы определить, испускает ли астрономический объект это коротковолновое излучение, рентгеновский телескоп необходимо поднять над атмосферой. Первая рентгеновская обсерватория, замечательный пример международного сотрудничества, была выведена на орбиту Соединенными Штатами с итальянской пусковой установки в Индийском океане,

352

у берегов Кении. Ее назвали «Ухуру», что на языке суахили означает «свобода». В 1971 году обсерватория «Ухуру» открыла поразительно яркий рентгеновский источник в созвездии Лебедя, вспыхивавший и гаснувший тысячу раз в секунду. Источник, получивший название Лебедь Х-1 (Cyg X-1), должен быть очень маленьким. В чем бы ни состояла причина его переменности, информация о том, когда вспыхнуть, а когда погаснуть, может распространяться по Cyg X-1 не быстрее, чем со скоростью света, 300 000 км/с. Таким образом, Cyg X-1 не может иметь в поперечнике более (300 000 км/с) • (1/1000 с) = 300 км. Объект размером с астероид, ярко светящийся и мерцающий в рентгеновском диапазоне, видимый на межзвездных расстояниях. Что бы это могло быть? Cyg X-1 совпадает на небе с горячим голубым сверхгигантом, который согласно наблюдениям в оптическом диапазоне имеет поблизости массивного, но невидимого компаньона, гравитация которого заставляет звезду смещаться то в одну, то в другую сторону. Масса компаньона составляет около десяти масс Солнца. Сам сверхгигант вряд ли может излучать в рентгеновском диапазоне, гораздо убедительнее отождествлять обнаруженный источник рентгеновского излучения с невидимым в оптике компаньоном. Однако невидимый объект с массой, десятикратно превосходящей солнечную, и заключенный в объеме астероида, не может быть ничем, кроме черной дыры. Рентгеновское излучение, вероятно, генерируется трением в газопылевом диске, образовавшемся вокруг Cyg X-1 из вещества его компаньона-сверхгиганта. Есть и другие звезды, числящиеся кандидатами в черные дыры: V861 Скорпиона, GX339-4, SS433 и Циркуль Х-2. Кассиопея А является остатком сверхновой, свет которой должен был достичь Земли в XVII столетии, когда наблюдение велось уже

353

довольно многими астрономами. Однако никто не зарегистрировал взрыва. Возможно, как предположил И. С. Шкловский, там находится черная дыра, которая поглотила взорвавшееся ядро звезды и погасила огонь сверхновой. Выводимые в космос телескопы должны проверить эти фрагментарные данные, и, возможно, они сумеют найти следы легендарных черных дыр.

Хороший путь к пониманию черных дыр — представление о кривизне пространства. Представим себе плоскую эластичную натянутую двумерную мембрану, например лист резины с нанесенной на него клетчатой разметкой. Если мы уроним на мембрану тело небольшой массы, она деформируется, прогнувшись. Мраморные шарики, катясь по кругу, огибают образовавшуюся воронку, подобно планетам, обращающимся по орбитам вокруг Солнца. Такая интерпретация, которой мы обязаны Эйнштейну, представляет тяготение деформацией ткани пространства. В приведенном примере мы видим двумерное пространство, искривленное под действием массы в третье физическое измерение. Вообразите, что мы живем в трехмерной Вселенной, которая местами прогибается под действием материи в четвертое физическое измерение, не поддающееся непосредственному восприятию. Чем больше масса, тем сильнее гравитация, тем значительнее прогиб или искривление пространства. В этой аналогии черная дыра — что-то вроде бездонной ямы. Что случится, если вы в нее упадете? На взгляд снаружи вам понадобится бесконечное время, чтобы упасть на дно, поскольку все ваши часы — и механические, и биологические — будут выглядеть остановившимися. Однако с вашей точки зрения все ваши часы будут идти нормально. Если вам удастся выдержать воздействие приливных сил и потоков излучения и к тому же (что весьма вероятно) черная дыра окажется

354

вращающейся, вполне возможно, что вас выбросит где-нибудь в другой области пространства-времени — в какое-то другое пространство, в иное время. Возможность существования таких «червоточин» в пространстве, немного напоминающих те, что бывают в яблоке, рассматривается вполне серьезно, хотя пока никоим образом не подтверждена. Могут ли гравитационные туннели оказаться чем-то вроде межзвездных или межгалактических подземных ходов, позволяющих нам попасть в недоступные места намного быстрее, чем обычными путями? Способны ли черные дыры послужить машинами времени, переносящими нас в незапамятное прошлое или в отдаленное будущее? Даже сам факт, что подобные вопросы обсуждаются, пусть и на полусерьезном уровне, показывает, насколько сюрреалистичным может оказаться наш мир.

Мы дети Космоса в самом глубоком смысле. Вспомните жар солнца на вашем запрокинутом к небу лице в безоблачный летний день; вспомните, как опасно прямо смотреть на Солнце. Мы ощущаем его энергию на расстоянии 150 миллионов километров. Что бы мы почувствовали на его кипящей самосветящейся поверхности или погрузившись в глубину его ядерного пламени? Солнце согревает нас, кормит и дает возможность видеть. Оно оплодотворяет Землю. Его могущество лежит далеко за пределами человеческого опыта. Птицы своими песнями приветствуют солнечный восход. Даже некоторые одноклеточные организмы устремляются навстречу свету. Наши предки поклонялись Солнцу*, а они были вовсе не глупыми людьми. И все же Солнце —

* В древнешумерском пиктографическом письме бог обозначался звездочкой — символом звезд. Ацтеки называли бога Теотль, а его символом было изображение Солнца. Небесный свод носил название Теоатль — божественное море, космический океан. — Авт.

355

обычная, даже заурядная звезда. Если мы должны поклоняться силе, превосходящей нашу собственную, разве не разумно почитать Солнце и звезды? В глубине каждого астрономического исследования, порой так глубоко, что сам его автор об этом не подозревает, скрывается зерно этого благоговейного трепета.

Галактика — неисследованный континент, полный экзотических существ звездного масштаба. Мы провели лишь предварительную рекогносцировку и встретились с отдельными обитателями. Некоторые из них напоминают нам что-то знакомое. Странности других превосходят самые невероятные фантазии. Но изыскания еще только начаты. Опыт прошлых экспедиций подсказывает нам, что многие наиболее интересные обитатели галактического континента еще не обнаружены и не предсказаны. Совсем недалеко от нашей Галактики, в Магеллановых облаках и в шаровых скоплениях вокруг Млечного Пути, почти наверняка есть планеты. В таких мирах нас поразил бы головокружительный вид восходящей Галактики — огромной спирали из 400 миллиардов звезд с коллапсирующими газовыми облаками, конденсирующимися планетными системами, лучезарными сверхгигантами, стабильными звездами средних лет, красными гигантами, белыми карликами, планетарными туманностями, новыми, сверхновыми, нейтронными звездами и черными дырами. В таком мире сразу было бы ясно, как это начинает становиться понятно в нашем, что наше вещество, наша форма и многое в нашем характере определяется глубочайшей связью между жизнью и Космосом.