Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
На дневной стороне нашей Луны, лишенной атмосферы, термометр покажет 400 К (127 °C). Отойдите на несколько шагов в тень валуна или перейдите на ночную сторону Луны – и термометр тут же упадет до 40 К (–233 °C). Чтобы пережить лунный день без скафандра с контролем температуры, вам пришлось бы закладывать пируэты, чтобы попеременно разогревать и охлаждать разные части тела и как-то сохранять приемлемую температуру.
* * *Если ударит совсем уж лютый мороз и вам захочется собрать как можно больше энергии излучения, лучше наденьте что-нибудь темное, а не блестящее.
Точно так же и термометр. Чем обсуждать, в какую обшивку помещать его в космосе, предположим, что можно сделать термометр с идеальным поглощением. А теперь, если вы поместите его посреди пустоты – например, на полдороге между Млечным Путем и галактикой Андромеда, вдали ото всех очевидных источников излучения, – термометр в конце концов покажет 2,73 К, нынешнюю фоновую температуру Вселенной.
В последнее время космологи пришли к согласию в том, что Вселенная будет расширяться вечно. К тому времени, как космос удвоится в размерах, его температура упадет вдвое. К тому времени, как он еще удвоится, температура снова снизится в два раза. Пройдут триллионы лет, весь оставшийся газ будет задействован при создании звезд, а все звезды сожгут все свое термоядерное топливо. Между тем температура расширяющейся Вселенной будет все падать и падать и все сильнее приближаться к абсолютному нулю.
Часть IV
Смысл жизни
Взлеты и падения на пути к пониманию того, откуда мы взялись
Глава двадцатая
Прах к праху
Если просто взглянуть на Млечный Путь невооруженным глазом, увидишь полосу из темных и светлых пятен, похожих на облака, которая тянется через все небо от горизонта до горизонта. Если взять обычный бинокль или любительский телескоп, при небольшом увеличении унылые темные пятна Млечного Пути превратятся в не менее темные и унылые пятна, зато на месте ярких пятен проступят бесчисленные звезды и туманности.
Галилей в своей книжке под названием «Sidereus Nuncius» («Звездный вестник» или «Астрономический вестник»), опубликованной в 1610 году в Венеции, рассказывает, как выглядят небеса, если смотреть на них в телескоп, и в том числе приводит первое в истории описание светлых пятен на Млечном Пути. Когда он упоминает свой инструмент – слово «телескоп» еще предстояло изобрести, поэтому Галилей называет его «зрительная труба», – то приходит в такое волнение, что едва сдерживается:
Третьим предметом нашего наблюдения была сущность, или материя Млечного Пути. При помощи зрительной трубы ее можно настолько ощутительно наблюдать, что все споры, которые в течение стольких веков мучили философов, уничтожаются наглядным свидетельством, и мы избавимся от многословных диспутов. Действительно, Галаксия является не чем иным, как собранием многочисленных звезд, расположенных группами. В какую бы его область ни направить зрительную трубу, сейчас же взгляду представляется громадное множество звезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошо заметными. Множество же более мелких не поддается исследованию.
(Пер. И. Веселовского)Самое увлекательное, конечно, происходит именно в «собрании многочисленных звезд». К чему интересоваться темными областями, где и звезд-то нет? Наверное, это какие-то космические дыры в бесконечную пустоту.
Только три века спустя стало понятно, что темные пятна – это густые плотные облака из газа и пыли, затмевающие далекие россыпи звезд. Именно в недрах этих облаков и таятся звездные питомники. Американский астроном Джордж Комсток задался вопросом, почему одни далекие звезды выглядят гораздо тусклее других на том же расстоянии, но кто в этом виноват, догадался лишь позднее, в 1909 году, голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн (1851–1922). Он написал об этом две статьи – обе назывались «О поглощении света в космосе» («On the Absorption of Light in Space»), – где привел доказательства, что облака, «межзвездная среда», которую он открыл, не просто рассеивают свет звезд: они по-разному влияют на разные части спектра звезды и ослабляют синий свет сильнее, чем красный. Из-за такого выборочного поглощения далекие звезды на Млечном Пути выглядят в среднем краснее близких.
Обычные водород и гелий, главные составляющие облаков межзвездного газа, не делают свет красным. А вот более крупные молекулы на это способны, особенно те, которые содержат углерод и кремний. А когда молекулы становятся так велики, что их уже нельзя называть молекулами, мы зовем их пылью.
* * *С домашней разновидностью пыли знакомы, наверное, все, хотя лишь немногим известно, что в замкнутом пространстве квартиры она состоит в основном из отшелушившихся мертвых клеток кожи человека (а также домашних животных, если вы держите дома какое-нибудь млекопитающее). Насколько мне известно, космическая пыль в межзвездном пространстве ничьего эпидермиса не содержит. Зато там есть удивительный набор сложных молекул, излучение которых лежит в основном в инфракрасном и микроволновом диапазоне. В арсенале астрофизиков микроволновые телескопы появились лишь в 60-е годы XX века, а инфракрасные – и того позже, в 70-е. Так что до той поры никто не подозревал о таком химическом многообразии. В последующие десятилетия сформировалась сложная и завораживающая картина рождения звезд.
Звезды формируются далеко не во всех газовых облаках на Млечном Пути и далеко не всегда. Чаще всего облако пребывает в растерянности – не знает, что делать дальше. Хотя нет, в растерянности пребывают скорее астрофизики. Мы знаем, что облако хочет схлопнуться под собственным весом и создать звезду, а может, и несколько. Однако этому мешает вращение, а также турбулентность в недрах облака. А еще обычное давление газа, которое вы проходили на физике в школе. Схлопыванию препятствуют и галактические магнитные поля: они пронизывают облако и вцепляются во все свободно парящие заряженные частицы в газе – и тем самым лишают облако возможности свободно реагировать на собственную гравитацию. И вот что пугает: если бы мы не знали заранее, что звезды существуют, данные самых передовых исследований на сегодняшний день предоставили бы нам массу убедительных доказательств невозможности их формирования.
Подобно нескольким сотням миллиардов звезд на Млечном Пути, облака газа вращаются вокруг центра Галактики. Звезды – это крошечные крупицы всего в несколько световых секунд в поперечнике, которые плавают в просторном океане проницаемого пространства, и друг с другом они расходятся, словно корабли в ночном море. А вот газовые облака очень велики. Обычно они расстилаются на сотни световых лет, и их масса эквивалентна миллионам солнц. Пробираясь по галактике, они частенько сталкиваются, и их содержимое перемешивается. Иногда они слипаются, словно поджаренный зефир, а иногда от ярости раздирают друг друга на части – все зависит от относительной скорости и угла столкновения.
Если облако остывает до достаточно низкой температуры (меньше 100 К), составляющие его атомы перестанут пробегать мимо друг дружки (как бывает при более высоких температурах) и начнут слипаться. Последствия подобного химического перехода сказываются на всех. Растущие частички, которые содержат уже десятки атомов, начинают отражать туда-сюда видимый свет, что заметно ослабляет свет звезд, которые находятся за облаком. К тому времени, как частички превращаются в полномасштабные пылинки, они содержат уже по 10 миллиардов атомов. При таких габаритах они уже не рассеивают видимый свет от далеких звезд, а поглощают его, а затем заново испускают полученную энергию в виде инфракрасного излучения – в этой части спектра излучение беспрепятственно покидает облако. Однако поглощение видимого света создает давление, которое толкает облако в направлении, противоположном источнику света. Теперь динамическая эволюция этого облака неразрывно связана с поглощаемым звездным светом. Силы, из-за которых повышается плотность облака, впоследствии могут привести его к гравитационному коллапсу, а это, в свою очередь, приводит к рождению звезд. Тут мы сталкиваемся со странной ситуацией: чтобы создать звезду с достаточной для термоядерного синтеза температурой недр 10 миллионов градусов, нужно сначала создать в газовом облаке максимально прохладную среду.
Когда астрофизики рассказывают об этом этапе жизни облака, то могут лишь мычать и размахивать руками. Теоретики и специалисты по компьютерному моделированию сталкиваются с задачей множественных переменных: прежде чем подступиться к изучению динамического поведения больших массивных облаков с учетом всех внутренних и внешних воздействий, им нужно вложить в свои суперкомпьютерные расчеты все известные физические и химические законы. Однако трудности на этом не заканчиваются: ученые, к своему вящему унижению, упираются в то обстоятельство, что первоначальное облако в миллиарды раз больше и в сотни секстильонов раз менее плотное, чем звезда, которую мы хотим создать, так что им приходится одновременно описывать и те процессы, которые играют роль на очень маленьких масштабах, и те, что играют роль на очень больших масштабах – непосильная ноша даже для самых мощных компьютеров современности.
