Book: Смерть с небес. Наука о конце света



Смерть с небес. Наука о конце света
Смерть с небес. Наука о конце света

Филип Плейт

СМЕРТЬ С НЕБЕС

Наука о конце света

© Philip Plait, 2008

This edition published by arrangement with Loretta Barrett Books, Inc and Synopsis Literary Agency

© Nathan Fox, 2019

Nathan Fox retains and reserves all moral, droit and copyrights

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2020

© Электронное издание. ООО «Альпина Диджитал», 2020

* * *

Предисловие

ВСЕЛЕННАЯ ПЫТАЕТСЯ УБИТЬ ТЕБЯ.

Ничего личного. Меня она тоже пытается убить. Она пытается убить всех. И ей даже не нужно сильно стараться.

Вселенная — это невероятно враждебное место для жизни. Практически вся она состоит из вакуума, и одно это уже плохо. Из небольшого количества мест, где хоть что-то есть, большинство слишком горячие, и химические реакции не могут протекать в благоприятном для жизни направлении — молекулы разрывает, прежде чем они успевают сформироваться. Там, где не так жарко, обычно слишком холодно, и реакции протекают очень медленно, так что ничего интересного не происходит.

А в тех немногих местах, где нет вакуума, не очень жарко и не очень холодно, — и, в общем-то, мы знаем только одно такое место, планету Земля, — таятся самые разнообразные опасности. Вулканы извергают мегатонны ядовитых химических веществ в атмосферу, изрыгают лаву на километры вокруг и вызывают обширные землетрясения. Цунами изменяют протяженные участки береговой линии. Ледниковые периоды наступают и отступают, горы появляются откуда ни возьмись и изменяют метеорологические условия в глобальных масштабах, целые континенты соскальзывают в раскаленную мантию Земли.

И все это лишь наши местные проблемы. Земля все-таки находится в ужасно враждебных условиях космоса, и оттуда на нас могут обрушиться всевозможные напасти в прямом смысле слова.

Собственно, об этом-то наша книга.

На право называться самой древней могут претендовать многие профессии, но на самом деле древнейшей из них является астрономия: первым аграрным цивилизациям нужно было знать время посева и время сбора урожая, а подсказки они находили на меняющейся картине небосвода. Появление определенных созвездий в определенное время было ничем не хуже сегодняшних отметок в календаре.

Солнцу и Луне поклонялись. Это поклонение трансформировалось в убеждение, что все боги обитают на небесах. Изучение небес было своего рода религиозным обрядом.

Появилась астрология, пытавшаяся (и непреуспевшая, кстати) увязать жизнь людей с небесами. С изобретением телескопа и затем установки на него фотокамеры выяснилось, что небеса — это не только отражение наших суеверий. Небо оказалось холстом, на котором были написаны прекраснейшие картины, когда-либо виденные человечеством. На его просторах обнаружились пыльные ленты туманностей, раскинувшиеся грандиозные галактики, пестрые, полосатые планеты. Мы увидели, что небеса прекрасны.

Астрономия стала научной дисциплиной, руководствовавшейся принципами физики, математики и химии. Она развилась в отдельное направление и породила многие другие.

На протяжении тысячелетий считалось, что Вселенная создана для людей. Все в ней должно служить нам, и совершенно ясно, что именно так и было предопределено.

Гордыня. Глупая, глупая гордыня.

Потому что Вселенная — это жестокое место. Одни звезды взрываются. Другие, похожие на наше Солнце, могут заканчивать свое существование не таким драматичным образом, но заканчивать все равно. Целые галактики сталкиваются в фейерверках космических масштабов. Астероиды врезаются в планеты — могут ли они упасть на нашу?

Мы запустили в космос телескопы и установили на них камеры, способные регистрировать ультрафиолетовое, рентгеновское и сверхмощное гамма-излучение. Мы увидели Вселенную, которая, похоже, изо всех сил старается уничтожить нас. Взрывающиеся звезды очень опасны. Это источник мощнейшей смертоносной энергии. Черные дыры повсюду, они таятся в галактике, пожирая все, что приблизится к ним. Интенсивные вспышки светового излучения в глубинах Вселенной. До нас доносятся лишь крохи чудовищных, грозных сил, способных испепелить Солнечную систему целиком, попадись она им на пути.

В течение большей части истории человечества Земля считалась центром Вселенной. Однако сейчас наша планета кажется уязвимой и невероятно крошечной — далекая песчинка, затерявшаяся на пугающих просторах Вселенной, которой ужасно много лет.

На самом деле, Вселенной совсем нет до нас дела, живы мы или умерли. Если бы волшебным образом можно было перенести человека в любое произвольно взятое место в космосе, шансы на то, что в течение нескольких секунд он погибнет, равнялись бы 99,999999999999999 %. И это в лучшем случае.

Но, несмотря на все это (и кое-что другое, о чем еще не было сказано), мы существуем. Миллиарды лет, бессчетное число витков вокруг Солнца, в перекрестии дюжин космических орудий… наша планета не сдается. Жизнь не просто продолжается, но и процветает. Конечно, случались и многочисленные провалы, но жизнь идет своим чередом. Да, мы маленькие, уязвимые и слабые, но все-таки мы пока держимся.

Разумеется, мы еще не видели всего, что Вселенная готова обрушить на нас. Один-единственный астероид без всяких усилий может уничтожить половину человечества. Вспышка на Солнце способна смести всю нашу экономику за секунды. А вспышка гамма-излучения поблизости… да тоже очень плохо. Очень плохо.

Я люблю астрономию. Я посвятил ей всю свою жизнь, я рассказываю о ней, я пишу о ней. Астрономия удивительна, она прекрасна, она открывает научную перспективу, в ней есть секретные ответы на столь многие из наших сложных вопросов.

И у меня нет никаких сомнений в том, что астрономия может убить нас. Нет, не так. Я хочу сказать, что астрономические события могут убить нас. В некоторых случаях наше знание астрономии позволит фактически спасти нас. В других — оно дает нам информацию о том, что может убить нас, хотя, к сожалению, и не предоставляет никаких идей о том, как можно этому воспрепятствовать.

А во многих случаях мы и так ничего не смогли бы сделать.

В этой книге я пишу о таких событиях. Один упавший астероид убил динозавров, а где-то уже летит другой, предначертанный для нас. Кажется, что с Солнцем ничего не происходит, но оно способно причинить серьезный вред. Сверхновые вызывают разрушения грандиозных масштабов. Мы рассмотрим эти сценарии и многое другое. Мы представим, что бы произошло, если бы нас решила навестить черная дыра, и что мы можем сделать, чтобы пережить ожидаемую и неизбежную смерть Солнца через 6 млрд лет.

Мы даже будем наблюдать «из первого ряда» старение Вселенной, которое продлится бессчетное число лет, и увидим, что произойдет в конце времен.

Разумеется, на эти темы уже немало написано. Об этих событиях снято много захватывающих документальных телевизионных фильмов. Большинство из них не совсем точно отражают реальность — разрушительные последствия либо преувеличиваются, либо недооцениваются. Создатели этих фильмов концентрируются на несущественных аспектах и упускают из виду важные. Практически никогда в них не говорится о реальной вероятности описываемого события.

Последний момент очень важен. Я пишу о космических катастрофах, как реальных, так и воображаемых, уже несколько лет, и многих они по-настоящему пугают. Каждый раз, когда мимо Земли должен пролететь астероид, эти люди представляют себе апокалиптический сценарий, который подпитывают журналисты, расписывающие опасность и не упоминающие о том, что шанс на столкновение меньше шанса выиграть в самую обычную лотерею. Я потратил слишком много времени, стараясь развеять людские страхи, как рациональные, так и иррациональные.

В своей книге я не буду ничего утаивать. Реальные последствия появления источника гамма-излучения поблизости от Земли затмевают самые страшные представления религиозных фундаменталистов об Армагеддоне, превращая их в унылую историю. Я расскажу, не упуская никаких подробностей, о том, как у Земли сорвет атмосферу, океаны закипят, и все на планете, до основания земной коры, станет бесплодным.

Но, повествуя об этом, я буду напоминать вам, что рядом с нами нет звезд, от которых можно ожидать такую вспышку; а если бы такие звезды и были, шансы на то, что в ближайшее время они взорвутся, ничтожны; а если бы они и взорвались, шансы на то, что излучение будет направлено в нашу сторону, еще ничтожнее.

Но размышлять о том «а что, если…?» все равно весьма захватывающе.

Читая эту книгу, вы, возможно, будете ощущать себя как на сеансе в кинотеатре, где показывают фильм ужасов, — вам интересно, вас пронимает дрожь и, может быть, вам даже жутко. На самых страшных местах вам, вероятно, даже захочется отвернуться, или спрятать глаза, или вы рассыплете попкорн, но потом я обязательно приведу реальные факты, чтобы немного вас успокоить.

Разумеется (в этом месте автор недобро похмыкивает), между фильмом и реальностью большая разница — фильм рано или поздно заканчивается, вы выходите из кинотеатра и смеетесь над своими страхами.

Жизнь другая. В жизни существуют опасности, и от них невозможно отвести глаза. Но, читая эту книгу (надеюсь, с широко открытыми глазами), вы узнаете, что именно влекут за собой опасности и, важнее всего, чего не влекут. Какой ужастик по-прежнему страшит после того, как в зале зажегся свет?

И вы не должны никогда забывать о том, что мы все еще существуем. Вселенная — опасное место, но, я повторюсь, мы продержались до сегодняшнего дня. Значит, у нас есть все шансы продержаться еще немного.

Или нет. Врать не буду. Мы даже не в состоянии осознать масштабы Вселенной и те грозные силы, которыми она обладает. Потому что все события, описанные здесь, — это не вопрос «а что, если», а вопрос «когда».

Глава 1. В прицеле Земля: столкновения с астероидами и кометами

КАК ОБЫЧНО, БУДИЛЬНИК ПРОЗВЕНЕЛ В 6:52 УТРА. В полусне Марк прихлопнул его и поплелся в ванную. Плеснул воды на лицо, чтобы поскорее проснуться, и принялся чистить зубы.

Разгорающийся день уже был ясным и теплым. Чистя зубы, Марк выглянул в окно ванной, чтобы насладиться видом — зеленью деревьев, буйством цветов. Солнце медленно поднималось, и деревья отбрасывали длинные тени.

Закончив чистить зубы, Марк обратил внимание на необычную тишину. «Странно, — подумал он, — почему не слышно птиц?» Уголком глаза он уловил движение. Может быть, их распугал какой-то зверек на дворе…

Подойдя к окну, он приподнялся на цыпочки, чтобы оглядеть двор. Что за черт? — Все деревья отбрасывали две четкие тени. Забыв об утренних делах, Марк изумленно наблюдал за тем, как одна из теней от каждого дерева бежала вокруг ствола как на солнечных часах в ускоренной съемке. Прижав нос к окну, он посмотрел наверх, напрягая глаза, чтобы разглядеть причину такого странного явления.

Внезапно ему показалось, будто из-под карниза само Солнце мчится по небу. Марк подождал, пока ослепленные глаза не привыкли к свету, но по-прежнему не мог понять, что это такое. По небу летел ярчайший белый диск, быстрее, чем любой самолет. Может быть, это метеор?

Марк наблюдал за тем, как он медленно опустился за горизонт. Затем — не успел он и глазом моргнуть, в полной тишине — вспышка, залившая все вокруг таким ярким светом, что у него заслезились глаза. Он болезненно сощурился. Когда зрение вернулось, небольшой яркий диск исчез, но от него остался светящийся след гораздо больших размеров, веером расходящийся от горизонта. Жар от объекта был осязаем даже через стекло. Как будто стоишь у камина. Наблюдая за расплывающимся в небе пятном, Марк заметил кое-что еще более странное: что-то было не так с верхушками деревьев. Они дымятся, что ли?..

Жара стала нестерпимой. Марк начал понимать, что дела плохи. Пока он стоял и соображал, что делать, внезапный резкий толчок сотряс дом, сбив Марка с ног. Все быстро стихло, и, в ошеломлении поднимаясь на ноги, он ощутил, что жар усилился — это раскаленный воздух затекал в дом через разбившееся окно ванной. Он решил, что худшее уже позади, но даже не подозревал о том, что со скоростью свыше 1100 км/ч в его сторону несется, прорываясь сквозь атмосферу, неистовая волна чистого звука.

Слишком поздно он заметил фронт ударной волны, надвигающийся на него как цунами высотой в 16 км. На горящий дом обрушился мощный удар, обратив его вместе с Марком в пыль. Время принимать решения истекло.

Волна звука смела все на своем пути. Пламя от жара, порожденного взрывом, еще секунду назад полыхающее на деревьях, сначала было сдуто, а затем деревья разлетелись на миллионы щепок. Расширяющееся кольцо давления, уже десятки километров в диаметре, не останавливаясь, с ревом промчалось по тому месту, где раньше стоял дом Марка, жадно пожирая строения, деревья, автомобили, людей.

Прежде чем затухнуть, ударная волна дважды обошла вокруг Земли. Сейсмографы во всем мире зарегистрировали это событие как землетрясение максимальной магнитуды, но долгое время никому не было дела до научных данных. Все просто старались выжить.



Метеоры, метеороиды, и метеориты — ну надо же!

Земля — объект в космическом тире, и мы у Вселенной на прицеле.

Только подумайте — каждый божий день на Землю обрушивается от 20 до 40 тонн метеоров. За год легко набирается столько космического мусора, что им можно заполнить шестиэтажное офисное здание.

Кажется, что это ужасно много, но в общем-то, чепуха по сравнению с размерами Земли, которая в квинтиллион — миллион миллионов миллионов — раз больше. Но космос кишит обломками, и Земля постоянно прокладывает сквозь них путь.

Большая часть — это мусор, крошечные камешки, легко сгорающие в нашей атмосфере. Если выйти на улицу темной, ясной ночью, можно заметить «падающие звезды», которые астрономы называют метеорами. Возможно, вы удивитесь, но даже самые яркие из тех, что вам доведется увидеть, вызваны крупинками, называемыми метеороидами, которые не больше кристаллика соли. Объект размером с горошину стал бы потрясающе ярким метеором — однажды я видел такой. Он был таким ярким, что озарил все небо, а в моих глазах даже появилось остаточное изображение. Я замер на две-три секунды, не в силах пошевелиться, пока он мчался по небу, но был не менее поражен, когда позднее рассчитал, что тот камешек был, вероятно, размером не больше грейпфрута.

Как что-то настолько маленькое становится таким ярким? Здесь необходимо учесть два фактора. Первый вам может быть знаком: при сжатии воздух нагревается. Вспомните, каким горячим становится велосипедный насос после того, как вы накачали колеса, — сжимаемый внутри насоса воздух нагревается и передает тепло металлу. Вы можете даже обжечься, используя насос, если не будете осмотрительны. Чем сильнее сжимается газ, тем сильнее он разогревается. Второй фактор — это фантастическая скорость, с которой движутся метеороиды. Большинство прилетающих к нам имеют скорость от 15 км/с до 35 км/с, но некоторые мчатся на скорости до 95 км/с! Это гораздо, гораздо быстрее, чем выпущенная из винтовки пуля.

Когда объект, движущийся так быстро, входит в нашу атмосферу, его скорость преобразуется в энергию, которая, в свою очередь, передается окружающему объект воздуху. Проносясь сквозь верхние слои атмосферы, метеороид неистово врезается в воздух — камень, летящий со скоростью 50 Махов, будет очень сильно его сжимать. Воздух сдавливается так быстро и с таким высоким давлением, что температура его повышается до нескольких тысяч градусов, и он начинает светиться.

Легко представить, что весь этот горячий воздух похож на доменную печь. Метеороид, движущийся всего в нескольких сантиметрах за таким спрессованным воздухом, ощущает этот жар. Долго в таких условиях не продержаться, и, если камешек маленький, он обычно сгорает всего за несколько секунд. Яркая вспышка, светящийся след, остающийся пару мгновений на небе, и вот камешка уже нет, а его ничтожно малая масса прибавилась к массе Земли.

Пораженному наблюдателю кажется, что метеор промчался прямо у него над головой, но на самом деле все происходит на высоте не менее 80 км. Воздух на такой высоте очень разреженный, но тем не менее достаточно плотный, чтобы тормозить маленькие твердые частицы. Но что, если такая частица будет больше горошины, виноградины или арбуза? Что, если она будет размером, скажем, с диван, автомобиль или автобус?

С большими объектами дела обстоят совсем иначе. Если «камешек» насчитывает несколько метров в поперечнике, то вместо того, чтобы просто сгореть, такая глыба космического мусора сжимается давлением воздуха как в тисках — это давление может достигать 18 т/м2. От такого давления входящий в атмосферу объект может постепенно сплющиваться. Неслучайно этот процесс называется блинообразованием. Но камень способен выдержать только определенное давление, после чего он расколется на фрагменты. И через несколько секунд вместо одной большой глыбы на нас уже летят сотни или тысячи маленьких камней, по-прежнему на скорости нескольких километров в секунду, и все передают свою энергию окружающему воздуху. Они продолжают сжиматься, раскалываться, разогреваться и так далее… и через долю секунды мы имеем целую кучу каменных обломков, выделяющих массу тепла.

Согласно определению, это взрыв.

Итак, метеороиды средних размеров взрываются в атмосфере. Повторюсь, обычно это происходит на довольно большой высоте, которая зависит от того, насколько метеороид прочный. Те, что состоят из металлов, способны выдерживать более сильные воздействия и проникать глубже в атмосферу, но, возможно, все равно взорвутся далеко от поверхности Земли. Энергия, выделяющаяся в этих процессах, впечатляет: камень диаметром всего 1 м может взорваться с мощностью, эквивалентной сотням тонн тринитротолуола. Собственно, из отчетов военных следует, что подобные взрывы попадающих в атмосферу крупных каменных тел они регистрируют в среднем один раз в месяц!

Если метеороиды взрываются в атмосфере на столь большой высоте, вы, наверное, думаете, что объекты таких размеров не несут для нас угрозы?

Ну, не совсем так. При определенных условиях летящий к земле камень, возможно, расколется, но некоторые куски могут пережить полет. Если до взрыва основная масса достаточно замедлится, тогда меньшие фрагменты могут замедлиться еще больше, не рассыпавшись в прах. Эти фрагменты могут добраться до поверхности. Металлические метеороиды имеют еще более прочное строение и также могут уцелеть, долетев прямиком до земли. Если им это удается и они врезаются в землю, их называют метеоритами[1].

Скорость удара о землю небольших метеороидов, уцелевших в атмосфере, обычно не слишком велика. Фактически их скорость полностью гасится воздухом, и они падают с так называемой конечной скоростью. Это как если бы их сбросили с высокого здания или воздушного шара, так что скорость их удара составляет, может быть, 160 км/ч или 300 км/ч. Да, страшно, но не очень.

Тем не менее желания оказаться на пути летящего так быстро камня не возникает. Сравните: скорость таких камней при ударе о землю выше, чем даже скорость подачи профессионального бейсболиста. В ноябре 1954 г. женщина по имени Энн Ходжес из Силакоги в Алабаме пострадала от удара метеорита. Он был довольно маленьким, размером с кирпич, и массой чуть больше 3,5 кг. Пробив крышу дома, он отскочил от деревянного корпуса радиоприемника и врезался в прилегшую вздремнуть на диван женщину, довольно бесцеремонно нарушив ее сон. Удар пришелся на руку и бок женщины. Она не умерла, но ее синяки были одними из самых ужасных в истории медицины.

Вполне возможно, это был самый ранний задокументированный случай ущерба собственности человека от падения метеорита. Но не последний. С появлением видеокамеры все больше и больше потрясающих метеоров стали неизбежно попадать в объектив.

2 октября 1992 г. метеороид размером со школьный автобус вошел в атмосферу Земли. Летя на северо-восток над территорией США, он превратился в огромный огненный шар, и его наблюдали тысячи людей — по счастливому совпадению это случилось в пятницу вечером в футбольный сезон, поэтому у многих были включены видеокамеры, и мы имеем прекрасные записи метеора. В стремительном полете камень раскололся, и один из фрагментов размером примерно с футбольный мяч упал на багажник автомобиля одной девушки в Пикскилле, штат Нью-Йорк, оставив в нем дыру, которая, и это неудивительно, выглядела, как если бы на машину с большой высоты упал камень. Можете представить, как сложно было владелице получить страховку за повреждение.

Несмотря на эти и другие истории, в конечном счете поверхность Земли большая, а метеориты маленькие. Шансы на то, что один из них попадет в кого-то, очень невелики, а шансы, что он кого-то убьет, еще меньше.

Все-таки большинство метеоритов маленькие. Но не все.


Смерть с небес. Наука о конце света

Поверхностный удар

30 июня 1908 г. в одном и том же месте в одно и то же время оказались Земля и довольно небольшой и непрочный камень.

Вероятно, этот камень имел 50 м или около того в поперечнике. Его орбита пересекала орбиту Земли, и со временем они неизбежно должны были встретиться в точке пересечения.

Он появился над Сибирью, в удаленном регионе около реки Подкаменная Тунгуска. В тот день он вошел в атмосферу Земли над Россией, двигаясь на северо-запад. Метеороид погружался все глубже в воздух, испытывая огромные нагрузки от увеличивающегося давления. Он раскололся на части, и каждая часть раскололась на части, и этот каскад разрушений передал огромную энергию окружающему воздуху. Объект взорвался, выделив от 3 до 20 мегатонн энергии: это «от 3 до 20 мегатонн» в тротиловом эквиваленте в сотни раз больше, чем бомба, сброшенная на Хиросиму 37 лет спустя.

Вспышку увидели сотни свидетелей (в Советском Союзе даже выпустили марку с ее изображением), а взрыв зарегистрировали сейсмографы, отслеживающие землетрясения. Людей сбивало с ног на расстоянии сотен километров.

Несмотря на то что это было поразительное событие и ажиотаж, который оно вызвало, на подготовку научной экспедиции ушли годы. Это невероятно труднодоступные места: зимой там, прямо скажем, практически не выжить (это же Сибирь), а летом район Тунгуски превращается в болото с полчищами комаров. В конце концов экспедиция добралась до места, и утомленным путникам открылась невиданная картина.

Приближаясь к зоне взрыва, участники экспедиции были поражены, увидев на сотнях квадратных километров деревья, разбросанные как зубочистки. Более того, стволы лежали параллельно друг другу. Идя по следу, ученые пришли на место, где все деревья были повалены радиально, как спицы велосипедного колеса. Еще интересней был тот факт, что в эпицентре взрыва деревья по-прежнему стояли, хотя и лишились всех ветвей и листьев. Сложно представить, что почувствовали люди, увидев такое жуткое зрелище.

Ударный кратер так никогда и не обнаружили, не нашли (пока) и каких-либо фрагментов, однозначно указывающих на метеорит. Он взорвался в нескольких километрах над поверхностью Земли и полностью испарился. А деревья повалило взрывной волной. Деревья в центре по-прежнему стояли, потому что взрывная волна обрушилась на них вертикально; чтобы повалить дерево, сила должна быть приложена сбоку. Воздушные взрывы при испытаниях ядерного оружия в 1950-х гг. и 1960-х гг. давали такую же картину.

Хотя из-за удаленности взрыва его было сложно изучать, это также означало, что погибло всего несколько человек. Если бы взрыв произошел над Москвой или Лондоном, в течение нескольких минут погибли бы миллионы, так что, несомненно, это очень серьезная угроза. Тем не менее непосредственное воздействие взрыва ограничилось только той местностью. Вероятно, на расстоянии нескольких десятков километров от него никто не пострадал.

Но ведь не все падающие объекты имеют всего 50 м в поперечнике… и не все удары локальны.

Докучливый астероид

Тогда — 65 млн лет назад — день у динозавров совсем не задался.

Вообще-то недавние находки свидетельствуют о том, что у них не задалась пара миллионов лет. Имеются свидетельства о том, что климат Земли изменялся и многие виды уже находились в упадке. Существует множество доказательств того, что по геологическим меркам огромное число видов действительно вымерло практически в одночасье. Сейчас уже считается научно доказанным, что причиной этого стало столкновение с астероидом диаметром полтора километра, и при таких размерах термин «метеороид» будет совершенно неподходящим.

Несомненно, судя по результатам, он должен был быть большим. Разум отказывается представить опустошительные последствия, когда скала размером больше Эвереста промчалась сквозь атмосферу и ударилась о землю на скорости 15 км/с. Только представьте: когда астероид коснулся земли, его противоположная сторона еще не погрузилась в нижние слои атмосферы.

Точное значение энергии удара определить сложно, но она должна была составлять сотни миллионов мегатонн — это гораздо, гораздо больше, чем при взрыве самой большой атомной бомбы в истории. По сути, даже если взорвать все существующее на Земле ядерное оружие одновременно, детонация от удара убийцы динозавров была бы в миллион раз мощнее… и вся сконцентрирована в одной точке.

У динозавров выдался очень, очень плохой день.

Массивный удар запустил цепочку жутких событий, каждое из которых привело к разрушениям невообразимых масштабов.

Стремительно несущийся к земле астероид должен был породить массивную ударную волну, раскаляющую атмосферу на много километров вокруг. Яркий, как Солнце, он поджигал все, над чем пролетал, еще до удара о землю. А если чему-то и повезло пережить тот страшный жар, оно ощутило бы на себе силу гигантской ударной волны от астероида, прорывающегося со сверхзвуковой скоростью сквозь воздух.


Смерть с небес. Наука о конце света

Из-за больших размеров астероид едва ли замедлил свой полет или потерял какую-либо массу перед ударом о землю. Сейчас ученым известно, что место падения находится около полуострова Юкатан в Мексике. Он упал в океан, что неудивительно, так как вода покрывает 71 % поверхности Земли. Огромная часть Мексиканского залива, должно быть, мгновенно испарилась, когда при ударе гигантская энергия полета астероида преобразовалась в тепло. Залив относительно неглубокий, поэтому вода не сильно замедлила бы астероид перед ударом о континентальный шельф. Только скальные породы смогли прервать этот полет, и оставшаяся энергия мгновенно преобразовалась в тепло.

В этот момент то, что еще мгновение назад казалось жутким сценарием, превращается в совершеннейший апокалипсис, потому что одновременно происходит несколько событий. При ударе о земную кору все те миллионы мегатонн энергии высвободились в виде взрыва — расплавленные скальные породы и превратившаяся в пар морская вода разлетелись во все стороны. Шлейф пара и скальных частиц взмыл в небо на несколько километров, яркий и раскаленный, как Солнце. Само столкновение породило огромную подземную ударную волну, поражающую все вокруг на сотни километров от места падения, по сравнению с которой меркнут любые природные землетрясения.

За сотрясением земли последовала воздушная ударная волна, звуковой удар эпических масштабов. Все живое в радиусе 1000 км, не погибшее при первичном ударе, наверняка оглохло от этого раската.

Но те, кто находился рядом с Мексиканским заливом, в любом случае долго не протянули бы. Упав в воду, астероид вытеснил огромный объем океана как за счет ударной волны, так и за счет простого испарения от тепла. В результате возникло цунами, но цунами грандиозных масштабов.

В декабре 2004 г. землетрясение вызвало цунами высотой в несколько метров, двигавшееся не быстрей автомобиля, но приведшее к гибели четверти миллиона человек. Цунами от удара астероида было высотой в сотни метров и двигалось со скоростью почти 1000 км/ч.

Через несколько минут ревущая гора из миллиардов тонн морской воды обрушилась на побережье Техаса, оставляя за собой безжизненное пространство. Цунами прошло на несколько километров вглубь материка, убивая все живое на своем пути, с неистовством, с которым не сравнятся никакие опустошения от торнадо, урагана или землетрясения.

Но на этом апокалипсис не закончился. При ударе астероид пробил дыру в земной коре. От мощного столкновения расплавленные скальные породы взлетели на воздух со скоростью несколько километров в секунду. На таких скоростях каменные обломки взмывали в небо, выходя из атмосферы по баллистическим траекториям, как межконтинентальные ракеты. Возвращаясь на землю, эти выброшенные камни раскалялись и загорались, повторяя исходное событие в меньших масштабах, но миллионы раз. Пылающие скальные породы обрушивались ливнем с неба на тысячи километров вокруг места падения, вызывая во всем мире лесные пожары, которые разгорались все больше, окутывая Землю плотным облаком черного дыма.

По сути, огнем была охвачена вся планета.

Тем временем в эпицентре само место падения представляло невиданную на Земле картину. В земной коре образовался кратер диаметром 300 км и глубиной 30 км, а температура в нем достигала более 3000 °C. Устремляющаяся в него вода мгновенно испарялась, приводя к еще большим разрушениям, если таковые вообще были возможны.

На Земле не осталось непострадавших уголков. Повсюду полыхали пожары. Огнем был охвачен весь мир, сквозь темнеющую атмосферу проникало очень мало солнечного света. Со временем Земля остыла так сильно, что наступил ледниковый период, во время которого вымерли даже невероятно стойкие растения и животные, пережившие исходную атаку.

Совершенно случайно астероид попал на Земле в место, богатое известняком и другими минералами. Ударная волна от столкновения (а также от повторного входа в атмосферу выброшенных взрывом камней) привела к образованию из этих веществ нитратов, которые затем в воздухе преобразовались в азотную кислоту, дождем пролившуюся на планетe. Кроме того, при ударе из самого астероида высвободились хлор и другие химические вещества; катапультированные в верхние слои атмосферы, они смогли разрушить озоновый слой. Это уничтожило не только растительную жизнь, но и водные организмы. Пищевая цепочка на всей планете прервалась на самом фундаментальном уровне, и, когда пламя пожаров наконец утихло, до 75 % всей жизни на Земле было уничтожено.



Через некоторое время кратер остыл, пожары затухли, и земные природные циклы скрыли свидетельства катастрофы. Оставшиеся на Земле живые существа долгое время влачили суровое существование, но такое масштабное опустошение создало много свободных экологических ниш. Как всегда бывает, жизнь нашла свои пути, и Земля снова оказалась заселена.

Перенесемся вперед на 65 млн лет. Геологи, ведущие раскопки в слоях каменных пород, обнаружили значительную разницу в составе и цвете двух соседних пластов. Нижний пласт представлял собой скальные породы и окаменелости мелового периода, а верхний пласт — третичного. Это поразительное нарушение непрерывности, называемое границей К/Т — критский (меловой)/третичный, — оставалось загадкой в течение десятилетий, и не только среди ученых: поскольку оно обозначало конец эпохи динозавров, то привлекло внимание широкой публики.

После многолетних исследований появилось неоспоримое доказательство: в скальных породах на границе К/Т был обнаружен слой, содержащий иридий — это редко встречающийся на Земле элемент, но обычный для астероидов. Кроме того, во многих местах на Земле прямо над границей К/Т имеется слой сажи, вероятно свидетельствующий о пожарах в мировых масштабах. Оба факта прямо указывали на падение астероида. Чтобы закрепить успех, оставалось найти кратер.

В конечном счете он также был обнаружен, причем центр его находился прямо у оконечности полуострова Юкатан. Вы, возможно, думаете, что нет ничего проще, чем найти огромный кратер, но на деле это сложно. Многие приметы кратера были стерты миллионами лет эрозии. Плюс сам кратер, называемый Чиксулуб, настолько большой, что его можно увидеть только из космоса. Поразительно — вы можете стоять в самом центре и даже не подозревать об этом. Его так сложно измерить, что ученые до сих пор спорят о размерах и глубине.

Несмотря на разрушения мировых масштабов, вымирание бессчетного количества видов (включая, разумеется, динозавров, которые до той поры жили не тужили в течение поразительно долгого периода — 200 млн лет) и воздействие на окружающую среду, последствия которого ощущались столетиями, стоило бы отметить, что астрономы отнесли бы виновника — астероид около 10 км в поперечнике — к категории «маленьких».

Существуют астероиды гораздо, гораздо крупнее. Большинство из них никогда не приблизятся к Земле. Однако есть несколько астероидов примерно таких же размеров, которые не только приближаются к нам, но и имеют орбиты, пересекающие орбиту Земли. В их отношении столкновение с Землей — это не вопрос «а что, если». Это вопрос «когда».

У динозавров выдался очень плохой день, но, возможно, когда-то наступит и наш день.

Свалка космического оружия

Откуда же прилетают все эти камни?

Основная масса астероидов в Солнечной системе обращаются вокруг Солнца в так называемом поясе астероидов, или главном поясе, между орбитами Марса и Юпитера. На нескольких квинтиллионах квадратных километров пространства в виде сплющенного пончика, которое они занимают, их могут быть миллиарды. Большинство из них крошечные, размером с пылинку или горошину. Диаметр самого крупного и первого из открытых, Цереры, составляет почти 1000 км. 1 января 1801 г., в первый день нового столетия[2], итальянский астроном Джузеппе Пиацци обнаружил его, изучая небеса. Зная о предположении астрономов, что в промежутке между Марсом и Юпитером может скрываться маленькая планета, и, видя, что этот объект перемещается по небу от ночи к ночи, Пиацци решил, что наконец нашел ее. Однако через несколько лет в той же области были найдены еще несколько объектов. Всю группу назвали астероидами, что означало «подобные звездам»; они были слишком маленькими, находились слишком далеко и в телескопах того времени выглядели всего лишь светящимися точками.

В течение длительного времени происхождение астероидов оставалось загадкой. Сначала считали, что это обломки планеты, существовавшей между Марсом и Юпитером, которая по каким-то причинам была разрушена. Сегодня масса накопленных фактов свидетельствует о том, что астероиды — это осколки, сохранившиеся со времен формирования Солнечной системы. Из-за мощного гравитационного воздействия Юпитера эти фрагменты так и не смогли собраться в большую планету; силы тяготения крупнейшей планеты Солнечной системы разгоняли астероиды, увеличивая скорость их столкновений. Вместо того чтобы слипаться при столкновениях на низких скоростях с образованием более крупных объектов, они ударялись с высокими скоростями и рассеивались.

Ныне известны сотни тысяч астероидов. Многие были открыты благодаря твердой решимости: ночь за ночью астрономы припадали к окулярам телескопов, наблюдая за небом. Сегодня существуют автоматические телескопы — своего рода роботы, — которые сканируют небо по составленным программам. Затем значительные объемы накопленных данных анализирует компьютер в поисках движущихся объектов. В наши дни, вообще-то, человеку относительно редко выпадает шанс найти астероид.

Большинство известных астероидов вращаются вокруг Солнца в главном поясе, но не все. Со временем под воздействием разнообразных процессов, гравитационных и иных, форма орбиты некоторых астероидов из главного пояса может измениться. Орбиты некоторых могут становиться более вытянутыми, так что они будут сильнее приближаться и удаляться по сравнению с другими астероидами из главного пояса. Одни пересекают орбиту Марса, а другие — орбиту Земли.

Именно об этих других нам нужно беспокоиться.

Поиск объектов, пересекающих орбиту Земли (они называются околоземными объектами, а те, что представляют опасность, обозначаются как потенциально опасные объекты), ведется совместно во всем мире, однако по-прежнему в небольших масштабах — не более 20 астрономов заняты им постоянно, причем основные работы ведутся в США. Даже если бы работало больше наблюдателей, применяя более совершенное оборудование, астероиды малых размеров, диаметром около 1 м, все равно представляют опасность: их очень сложно заметить заблаговременно. На деле многие астероиды таких размеров обнаруживают лишь после того, как они пролетели мимо Земли. Вполне возможно, что первое предупреждение о небольшом столкновении масштабов Тунгусского метеорита мы можем получить в виде яркой вспышки в небе.

Поэтому астрономы продолжают поиски и надеются выявить следующего «нарушителя» задолго до встречи с ним, чтобы у нас было время что-то предпринять. Была поставлена цель — к концу 2008 г. найти 90 % всех астероидов диаметром свыше 1000 м, приближающихся к Земле. Таких объектов тысячи и тысячи, поэтому у астрономов полно работы. Несмотря на то что мы не уложились в официальные сроки, важно отметить, что с точки зрения статистики большое число астероидов с изначально неопределенной вероятностью столкновения было переведено в разряд «не представляющих опасности».

Двести лет мы знаем про астероиды и только сейчас осознали опасность, которую они представляют. У динозавров совсем не было шансов.

Армагеддон наших дней

Разумеется, большая разница между нами и динозаврами состоит в том, что у них не было космической программы.

Вы сто раз видели это в кино: обнаруживается астероид диаметром в несколько километров с орбитой, ведущей его прямиком к столкновению с Землей. Если ничего не предпринять, он сотрет нас с лица планеты. Берем команду бравых героев астронавтов, или нефтяников с нефтяной платформы, или военных. Они героически отправляются в космос, героически противостоят чудовищному астероиду и героически разносят его на клочки, которые без вреда проливаются звездным дождем на Землю на глазах зевак.

Ну да, выглядит героически. Есть только одна проблема: это не сработает.

Вообще-то, с этим сценарием много проблем. Например, нет никакой гарантии, что, взорвав астероид ядерным оружием, мы уничтожим его. Множество астероидов практически полностью состоят из твердого железа, поэтому ядерная бомба, возможно, лишь чуть-чуть нагреет такой астероид.

Даже если астероид состоит из скальных пород, нет никаких гарантий того, что ядерный взрыв рассеет его на мелкие кусочки. Во-первых, если он очень большой, ядерный заряд может не так уж сильно разрушить его. Но это также зависит от степени плотности астероида.

Было обнаружено, что некоторые астероиды имеют очень малую плотность, и сначала это ставило ученых в тупик. Плотность скальных пород составляет примерно 2–3 г/см3 (приблизительно в два-три раза больше плотности воды). Но некоторые астероиды имеют меньшую плотность. Например, астероид (253) Матильда, обращающийся вокруг Солнца между Марсом и Юпитером, имеет плотность примерно 1,3 г/см3. Он, должно быть, похож на пенопласт. Как такое возможно?

Когда у нас наконец появилась возможность наблюдать астероиды вблизи с помощью космических зондов, оказалось, что они сильно изрыты кратерами. Ясно, что астероиды атакуют своих собратьев: они ударяются друг о друга, оставляя гигантские рытвины на поверхности. Достаточно сильный удар может привести к тому, что астероид разлетится на куски. Но, если скорость удара будет чуть-чуть ниже критической, астероид не разорвет: он расколется от удара, однако фрагменты останутся на месте, как случается при ударе молотком по хрустальному яйцу. Собственные силы тяготения не дадут осколкам астероида разлететься, но он покроется трещинами и расселинами. По сути, это будет куча камней, подвешенная в пространстве.

Что получится, если попытаться взорвать что-то подобное ядерной бомбой?

Эксперт по астероидам, Дэн Дарда из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, Колорадо, захотел это выяснить. Он обнаружил, что научные публикации об астероидах содержат не так уж много информации об экспериментах с веществом настоящих астероидов, поэтому решил устранить этот пробел. Он раздобыл пару метеоритов, осколков астероидов. Один был из плотных, твердых скальных пород. Второй был более пористым, и больше похож на астероид (253) Матильда, чем на кусок, скажем, кварца.

Свои образцы он принес в Исследовательский центр NASA им. Эймса в Калифорнии, который гордится своей необычной пушкой: с помощью сжатого воздуха она выстреливает снаряды со скоростью несколько километров в секунду.

Дарда поместил твердый образец в перекрестье прицела пушки и выстрелил в него металлическим шариком со скоростью 5 км/с. Как и ожидалось, метеорит взорвался, разлетевшись на сотни фрагментов.

Затем он поместил в перекрестье пористый образец скальной породы. При попадании шарика метеорит поглотил его и не разлетелся на куски.

«Что, если бы подобный объект приближался к Земле и вы старались его остановить?.. Какой был бы результат, если бы мы выстрелили в него неким снарядом на очень большой скорости для того, чтобы попытаться разбить его? Что, если для того, чтобы разбить его, вы бы попытались поместить рядом с ним небольшой ядерный заряд? Произошло бы именно то, что вы обычно ожидаете в случае твердого скального объекта?» — спрашивает Дарда.

«Вы берете кирпич, берете молоток, ударяете по кирпичу, и он разлетается на куски… вот что вы представляете себе, рассуждая о разрушении астероида.

Но если вы берете мешок с песком и бьете по нему тем же молотком, ничего не происходит. Вы просто слышите глухой звук удара, вот и все…»

Плохие новости для нас. Куча обломков прекрасно поглощает разрушительные удары, поэтому ядерный снаряд не уничтожит астероид. Если мы заметим, что на нас движется такой объект, мы можем бомбить его сколько угодно, а он будет лишь смеяться над нами, пока не врежется в Землю.

На самом деле, многие ученые переосмысливают идею уничтожения астероида ядерным снарядом. Даже если это осуществимо, взрыв приближающейся угрозы имеет огромный недостаток — вместо одного большого опасного объекта в результате образуются тысячи небольших потенциально опасных фрагментов. Это может показаться лучше, чем альтернатива (столкновение с одним гигантским астероидом), но даже камень диаметром 100 м может легко уничтожить большой город. Десять таких одновременных столкновений приведут к катастрофе вне зависимости от точки падения. Да, взрывная сила столкновений будет меньше, но они будут распределены по большей площади, сея разрушения во всем мире, вместо того чтобы быть сосредоточенными в одном месте.

Дарда указывает на еще одну опасность взрыва небольших астероидов. «Если рассмотреть космический состав типового астероида такого размера… в нем достаточно хлора и брома, чтобы уничтожить озоновый слой. Поэтому не важно, упадет ли этот объект в одном месте единой массой, или миллион всех тех мелких фрагментов, образовавшихся после взрыва, все равно обрушится на землю, испаряясь в атмосфере. В любом случае все очень опасные вещества попадут в нашу уязвимую атмосферу».

Тогда, может быть, лучше просто позволить небольшому астероиду упасть на нас, если уж остановить его невозможно?

Разумеется, это не годится, особенно если вы находитесь прямо в центре мишени.

Но, возможно, есть другое решение.

Одно из предложений — не сбрасывать бомбу на астероид, а взорвать ее рядом с ним. Если взорвать бомбу около астероида, скажем, на расстоянии нескольких сотен метров, выделится огромное количество тепла, от которого часть поверхности астероида испарится. Твердые скальные породы или металл превратятся в газ, и это газовое облако мгновенно рассеется, действуя как ракетный двигатель. Оно слегка подтолкнет астероид, сдвигая его.

Ненамного, но в космосе много и не нужно: каждый небольшой толчок делает свое дело. Если взорвать несколько бомб, можно на самом деле сгенерировать достаточную силу, чтобы существенно сместить астероид. Если сдвиг будет достаточным, астероид пролетит на значительном расстоянии от Земли.

А большое преимущество этой технологии в том, что она сработает и для кучи обломков, однако как — мы точно не знаем.

У этого метода есть несколько недостатков. Во-первых, необходимо значительное упреждение. Чем дальше астероид от Земли, тем меньше придется изменять его орбиту, чтобы он не столкнулся с нами. Большинство экспертов считают, что десяти лет будет достаточно, однако им было бы спокойнее иметь 20. Сотня лет вообще было бы идеально. Этот метод лучше сработает на астероидах меньших размеров, потому что их легче сдвигать, но маленькие астероиды более тусклые, соответственно их сложнее обнаружить. Запас времени будет меньше, поэтому ошибки будут недопустимы. Доставить к астероиду одну бомбу сложно; доставить 20 или еще больше — гораздо сложнее.

Другая проблема заключается в том, что практически невозможно предугадать, как взрыв повлияет на орбиту астероида. Его может быть достаточно, чтобы этот камень не попал в нас, или он может перевести его на такую орбиту, что мы столкнемся с ним на следующем витке вокруг Солнца.

Возьмем, например, астероид (99942) Апофис. Это камень диаметром примерно 250 м, пересекающий орбиту Земли, — потенциально опасный объект. При таких размерах и массе его падение вызвало бы значительные разрушения, при этом мощность взрыва составила бы 900 мегатонн (как минимум в десять раз мощнее, чем самый разрушительный ядерный взрыв в истории человечества). Апофис пройдет мимо Земли 13 апреля 2029 г.; в этот раз риска столкновения нет, но он пролетит так близко, что будет ближе к поверхности Земли, чем многие метеоспутники и спутники связи.

Астероид приблизится к нам настолько, что его орбита подвергнется значительному гравитационному воздействию Земли, а насколько она изменится, зависит от того, как близко он пройдет от Земли в 2029 г. Собственно, в космосе есть область, называемая «замочной скважиной», и, если Апофис пройдет сквозь нее, орбита его изменится именно настолько, что при следующем возвращении в 2036 г. он столкнется с Землей.

Эта критическая область не такая уж большая, но, так как мы недостаточно точно знаем траекторию Апофиса, полностью устранить вероятность того, что он пройдет через нее, мы не можем. Эти шансы крайне малы, может быть меньше 1 к 45 000, но изучить этот вопрос стоит.

А что, если Апофис проскользнет прямо в замочную скважину? У нас будет всего семь лет, на то чтобы сдвинуть его для предотвращения столкновения с нами. Лучше с самого начала не допустить его прохождения сквозь замочную скважину. Если мы доберемся до Апофиса ранее 2029 г., нам практически не придется даже толкать его; расчеты показывают, что будет достаточно изменить его скорость всего на несколько тысячных сантиметра в час. Так что можно подумать, что ядерный снаряд в подходящем месте сработает.

К сожалению, нет. Та замочная скважина не единственная: их десятки, тысячи. Первая замочная скважина определяет лишь путь Апофиса при его возвращении через семь лет; другие замочные скважины определяют его положение через 10, 12, 20 лет… вместо спасения, взрыв лишь позволяет нам выиграть немного времени, причем нет никакой гарантии, что мы сможем увести его от какой-нибудь другой замочной скважины или не отколем от него кусок или десять кусков, которые пройдут сквозь другую замочную скважину.

Ключевой вопрос заключается в контроле последующей орбиты, а взрыв ядерного снаряда не настолько деликатный[3]. Нам нужно найти способ поточнее управлять движением астероида.

Толчковая скорость

Вероятно, вы уже сообразили, что, может быть, бомба нам и не нужна. От удара астероида о Землю выделяется энергия, как при взрыве бомбы, так почему бы не попробовать атаковать сам астероид? Если толкнуть его достаточно сильно каким-нибудь снарядом, нам не понадобится ядерная бомба.

У этого метода есть очень большое преимущество: мы уже так делали. 4 июля 2005 г. (в День независимости, что вполне уместно) зонд NASA под названием «Проникающий удар» (Deep Impact) врезался в комету Темпеля-1, и вспышку от столкновения зарегистрировали сотни научных приборов во всем мире. Роль тарана сыграл медный снаряд массой 360 кг, направленный к комете со скоростью более 9 км/с. Мощность взрыва при столкновении составила примерно 5 т в тротиловом эквиваленте. Размеры образовавшегося кратера неизвестны; яркая вспышка и обломки скрыли место удара от камеры космического аппарата.

То, что инженерам удалось направить зонд к объекту, движущемуся со скоростью несколько километров в секунду, — настоящий триумф. Второго шанса у них не было, а пока зонд не приблизился к комете, даже точная форма ее ядра была неизвестна.

С другой стороны, сама комета была достаточно крупной, размером 5×8 км. Если бы это был небольшой астероид, неизвестно, смогли бы инженеры NASA попасть по нему. Тем не менее это была первая попытка, и попытка успешная. Она позволила нам многое узнать, и этот подход можно использовать для удара по потенциально опасному астероиду.

Но необходимо отметить, что у сценария такого удара имеются те же проблемы, что и у взрыва астероида бомбой: астероид может раздробиться на множество более мелких опасных фрагментов, а если он пористый, то попросту поглотит таранящий снаряд. Опять же, мы не можем контролировать изменения орбиты, поэтому, возможно, просто создадим новую опасность столкновения в будущем. Орбита может измениться так, что астероид не попадет в Землю, но насколько именно она изменится, предсказать невозможно, а в этой игре важны даже сантиметры.

Виртуальный буксир

И все же, может быть, есть и другие способы избавиться от потенциального разрушителя планеты. Возможно, вместо того чтобы взрывать астероид, мы можем вежливо убедить его изменить свою траекторию.

Фонд В-612, названный по имени астероида, на котором жил герой Антуана де Сент-Экзюпери Маленький принц, это, за неимением лучшего определения, что-то вроде «мозгового центра Судного дня» с десятками ученых, инженеров и астронавтов, единственная цель которых — найти способ избавить человечество от угрозы катастрофических столкновений. Фонд проводит совещания, публикует исследования, а его члены (например, астронавт из команды «Аполлона-9» Расти Швайкарт) докладывают Конгрессу об астероидах Судного дня.

Их веб-сайт читается как фантастический роман с массой описаний способов не допустить столкновения с астероидом. Но акцент делается на науку. Несмотря на то что некоторые методы сложно реализовать и они определенно находятся на самых ранних стадиях разработки, в других используются уже освоенные технологии.

Например, в одном методе предлагается посадить ракету на астероид, закрепить ее там вверх ногами и запустить двигатели. Постепенно, благодаря тяге двигателей, астероид сместится на новую орбиту и пройдет мимо нас.

Возможно, это самый безопасный метод, и он, несомненно, вполне разумен, но реализовать его на деле было бы очень сложно. Прежде всего, не до конца понятно, как закрепить ракету на поверхности астероида. Что, если поверхность астероида покрыта слоем пыли, или он представляет собой кучу камней, или состоит из металла? Далее, все астероиды вращаются, и это означает, что запускать двигатели ракеты можно будет лишь на короткое время, когда она направлена в нужную сторону. Это означает, что нам потребуется большее упредительное время, а во многих случаях время играет критическую роль. Хуже того, некоторые астероиды крутятся хаотически, и в таких случаях ракета была бы практически бесполезна.

Члены Фонда В-612 постоянно размышляли над этими проблемами… и нашли довольно удивительное решение. Что, если вовсе не сажать ракету?

Да, астероиды маленькие по сравнению с планетами, но все равно имеют определенную массу. А согласно Исааку Ньютону, любой объект, имеющий массу, обладает силами тяготения. Ракета тоже имеет массу и, следовательно, оказывает гравитационное воздействие. Итак, представьте следующее: мы «паркуем» ракету на орбите рядом с астероидом, но без физического контакта между ними. Гравитация астероида будет притягивать ракету, заставляя ее падать в его направлении. Точно так же масса ракеты будет притягивать астероид. Далее, запускаем ракетные двигатели, но по чуть-чуть, чтобы лишь противодействовать ее падению на поверхность. И так будем буксировать астероид. Но, в отличие от баржи или катера-буксира на Земле, которые тянут другие суда за привязанный канат, ракета будет виртуально связана с астероидом гравитацией. Со временем, благодаря гравитационному воздействию, ракета отведет астероид на безопасную орбиту.


Смерть с небес. Наука о конце света

Но, разумеется, с этим методом также сопряжены технические трудности; они всегда существуют. Двигатели ракеты нельзя направлять строго вниз, на астероид, потому что они будут отталкивать его, аннулируя эффект тяги. Следовательно, ракету придется наклонить так, чтобы тяга двигателей была направлена под углом от поверхности астероида. Это означает, что нам потребуется пара ракет для того, чтобы они уравновешивали друг друга и не допускали неконтролируемых изменений направления тяги.

В этом методе удивительно то, что в некоторых случаях для тяги не требуется такой уж большой массы. Например, в случае астероида (99942) Апофис буксир с массой всего одна тонна сможет увести астероид от замочной скважины, даже если доберется до него лишь за два года до столкновения. Справедливости ради нужно сказать, что этот метод потребует больше времени на то, чтобы увести астероид с траектории столкновения. В случае Апофиса нам понадобится сдвинуть его лишь так, чтобы он не попал в небольшую область в пространстве, но в случае траектории прямого столкновения нужно, чтобы астероид прошел мимо целой планеты. Это означает, что его орбиту придется смещать на тысячи километров, что, в свою очередь, означает большее упредительное время (или более сильную тягу). Одна идея, выдвинутая Швайкартом, является гибридным решением: использовать «кинетический молоток» (буквально запустить в астероид другим камнем) или ядерный снаряд, чтобы выбить астероид из зоны прямой угрозы, после чего подкорректировать его орбиту гравитационной тягой так, чтобы не получить никаких сюрпризов через несколько витков.

Тем не менее, какими бы многообещающими ни казались эти технологии, нам нужно быть честными перед собой. Сегодня мы не можем реализовать любой из этих методов. Мы уже близко, может, всего в нескольких годах от разработки гравитационной тяги, но даже лоббировать ядерный удар по астероиду чрезвычайно сложно. В отчете NASA, представленном в Конгрессе в 2007 г., говорится, что в настоящее время нашим единственным рабочим вариантом является отправка к астероиду «кинетического молотка».

Но это объясняется существующим уровнем знаний и существующими технологиями. Фонд В-612 надеется со временем испытать технологию, которая предотвратит столкновение с астероидом. Более того, некоторые их идеи, такие как гравитационная тяга, позволяют нам управлять орбитой астероида так, как мы хотим. Возможно, у нас даже получится вывести один из них на безопасную орбиту вокруг Земли. Мы не ощутим его гравитационного воздействия, но он будет достаточно близко, и мы смогли бы наладить на нем добычу полезных ископаемых. Это может казаться притянутым за уши, но, по некоторым оценкам, даже маленький астероид может содержать металлы на триллионы долларов. Это была бы очень соблазнительная цель для промышленности.

Вместо угрозы со стороны астероида мы могли бы сами нацелиться на него.

Комета, была не была

Существует и другая, не столь очевидная проблема, которую мы должны осознавать. Астероиды, как правило, имеют четкие, предсказуемые орбиты. Это мертвые каменные и (или) металлические глыбы, поэтому, понаблюдав за ними в течение некоторого времени, мы можем спрогнозировать их орбиты на десятилетия вперед.

Но астероиды не единственная угроза. Кометы — прекрасные, дивные небесные видения. В отличие от астероидов, кометы похожи на грязные снежки: камни, гравий и пыль вперемешку со льдом, слепляющим их воедино. Когда кометы приближаются к Солнцу, лед тает[4]. Под поверхностью многих комет имеются заполненные льдом полости, и при сублимации льда образующийся газ вырывается из них реактивной струей. Это как если бы у кометы был ракетный двигатель, приводящий ее в движение. Если комета вращается, а большинство из них вращаются, это означает, что газовые струи толкают ее в произвольных направлениях. Поэтому точно спрогнозировать орбиты комет очень сложно, а посадить на них ракету или использовать гравитационную тягу еще сложнее.


Смерть с небес. Наука о конце света

Но все еще хуже. Солнечная система похожа на DVD-диск, если смотреть на него с торца: планеты вращаются вокруг Солнца в одной плоскости. Астероиды, как правило, придерживаются той же плоскости. Это означает, что искать их намного легче: нам нужно лишь следить за одними и теми же участками неба.

Но кометы — это темные лошадки. Они не привязаны к плоскости Солнечной системы и могут прилететь буквально отовсюду. Это может существенно ограничить упредительное время, в течение которого нам удалось бы что-то предпринять в отношении приближающейся к Земле кометы-убийцы. Если в случае неминуемого столкновения с астероидом у нас могут быть в запасе десятилетия, в случае кометы у нас может быть всего несколько лет. Даже комета Хейла — Боппа, ярчайшая из когда-либо наблюдаемых, появлением которой наслаждались сотни миллионов человек, была обнаружена всего за два года до прохождения мимо Земли. Если бы она направлялась прямиком к нам, мы совсем ничего не смогли бы предпринять. Ядро, твердая часть кометы Хейла — Боппа, составляло 40 км в поперечнике. Если бы оно врезалось в Землю, это было бы столкновение, по сравнению с которым астероид, убивший динозавров, выглядел бы отсыревшей петардой.

Но даже небольшая комета может оказать катастрофическое, так сказать, воздействие. Предположим, даже если бы ее не приняли за некое тайное нападение, прямым последствием небольшого удара или воздушного взрыва, подобного Тунгусскому, над городом могли бы стать гибель тысяч человек и ущерб на миллиарды долларов. Если бы это случилось над крупным городом или экономическим центром — над Нью-Йорком, Центральной долиной в Калифорнии (где сосредоточена бо́льшая часть производства фруктов и овощей в стране), Токио, — результаты могли бы быть гораздо плачевнее. Хорошая новость в том, что кометы с большим периодом обращения, такие как комета Хейла — Боппа, составляют всего несколько процентов от всех объектов, представляющих опасность, а почти все короткопериодические кометы легко обнаружить.

Разные мелочи

Итак, насколько велика угроза столкновения с астероидами и кометами?

Статистика вам не понравится: шансы на столкновение составляют 100 %. Да, именно так. Со временем, и если мы ничего не предпримем, столкновения неизбежны, и одно из них будет серьезным.

Но ключевые слова в этом предложении — «если мы ничего не предпримем». Суть в том, что мы можем кое-что предпринять. Несмотря на то что описанные здесь методы как будто взяты из фильма, все они возможны. Технически их будет сложно реализовать, да и обойдутся они недешево. Но ставки очень высоки: выживание в глобальном масштабе против полного уничтожения.

Учитывая это, я считаю, что идеи из научной фантастики пора превращать в научный факт.

Глава 2. Солнечный ожог

ЯНВАРЬ, ГЛУХАЯ ЗИМНЯЯ ПОРА В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ ЗЕМЛИ. Короткими днями Солнце неохотно и не всякий раз показывается невысоко над горизонтом, чтобы всего через несколько часов снова скрыться за ним. Кажется, оно едва согревает планету. На холоде люди совсем не беспокоятся о Солнце. Они бы даже и не подумали, что оно сильно влияет на их жизни.

Скоро они поймут, что были не правы.

У Солнца космическое похмелье. За несколько последних лет оно пережило ряд бурных припадков, множество раз извергая в космос грандиозные потоки материи и энергии. По чистой случайности практически все они прошли мимо Земли. Самое плохое, что случилось, — один выброс зацепил Землю, породив прекрасные полярные сияния на обоих полюсах и нарушив некоторые каналы радиосвязи: неприятно, но захватывающее зрелище того стоит.

Сейчас уже все идет на спад, Солнце, похоже, успокаивается. Ученые только начинают думать, что можно вздохнуть с облегчением.

Поэтому выглядывающая из-за края солнечного диска большая группа солнечных пятен застает их врасплох. Солнечные пятна — это темные участки более холодного вещества, вызванные скручиваниями и переплетениями в магнитном поле Солнца, предвестники солнечной активности. Ученые бросаются наблюдать группу солнечных пятен, нацелив на звезду целый парк наземных и орбитальных телескопов. Глазам их открывается неприглядное зрелище: поверхность Солнца искажена, исковеркана, затемнена, изуродована пятнами. Эта группа чудовищных размеров, такая же, как крупнейшие из групп, наблюдавшихся в 2003 г. и до сих пор обсуждаемых учеными, или даже крупнее.

Больше недели астрономы с волнением следят за активной областью, измеряя ее размеры, форму и магнитную активность. Магнитная активность, похоже, улеглась, и это может свидетельствовать о том, что магнитное поле либо слабеет, либо накапливает силы, подобно вулкану.

Вскоре все становится ясно. Обычно темные, через несколько секунд солнечные пятна вспыхивают необычайно ярко и остаются такими в течение нескольких минут. В это же время орбитальные солнечные телескопы отмечают бешеные магнитные флуктуации на Солнце, а несколько минут спустя спутники заливает высокоэнергетическое рентгеновское и гамма-излучение. Астрономы, наблюдающие с поверхности Земли за орбитальными обсерваториями, видят небывалые взрывные выбросы энергии, от которых зашкаливают приборы, после чего, внезапно, передача данных обрывается. Озадаченно они проверяют оборудование, но вскоре понимают, что проблема не на земле, а в небе: массивный поток энергии поджарил их орбитальные спутники.

Зная, что коммерческим спутникам также угрожает серьезная опасность, взволнованные ученые принимаются звонить в другие обсерватории, но телефоны тоже не работают. Бросившись к компьютерам, они пробуют электронную почту, мессенджеры, голосовые протоколы, все, что есть, но связь установить невозможно. Ничего не работает. Затем отключается электричество, и они понимают, что дальше будет еще хуже.

Вскоре после вспышки Солнце извергает еще один поток, на этот раз в виде бешеной волны субатомных частиц. Двигаясь с феноменальной скоростью, волна достигает Земли, врезаясь в защитное магнитное поле планеты и обходя его. В электромагнитном хаосе спутники гибнут один за другим от смертельного солнечного ожога.

Эффект ощущается и на поверхности. В линиях электропередачи внезапно резко подскакивает ток, они нагреваются, провисают и обрываются. Трансформаторы взрываются от перегрузок. Повсюду в США и Канаде рутинный распорядок персонала электростанций внезапно нарушен, и они самоотверженно и лихорадочно пытаются справиться с каскадом отключений, но ситуация безнадежна. Станция за станцией выходят из строя. Сначала электроэнергия пропадает на северо-востоке США, но уже через несколько секунд распространяющаяся волна отключений выводит из строя всю энергосистему. Квебек, Бостон, Нью-Йорк, Филадельфия… через несколько минут сотни людей остаются без электричества ночью, в самую суровую зимнюю пору. На следующее утро они просыпаются в промерзших домах, без света и возможности узнать, что случилось.

Через несколько часов более половины планеты остается без электроэнергии в одну из самых холодных зим на нашей памяти. В первую же ночь погибают тысячи, а в последующие несколько недель еще больше. Подключаются военные, делая все возможное, чтобы помочь тем, кто оказался в беде, но бедствием охвачена слишком большая территория. Количество смертей ужасает, это чудовищная катастрофа небывалых масштабов. Один лишь экономический ущерб оценивается триллионами долларов, и целые страны становятся банкротами.

В конце концов Солнце успокаивается. Группа активных пятен исчезает. Но магнитные процессы на Солнце невероятно сложны. Не проходит и нескольких недель, а в магнитном поле Солнца уже возникли новые петли и связи. Только ситуация на Земле нормализовалась, а люди похоронили умерших, как на поверхности звезды появляется новая группа уродливых пятен.

Мое Солнце — звезда

Издержки профессии астронома заключаются в том, что нам приходится получать по почте бесплатные учебники по астрономии. Как и спам в электронной почте (но массой в 5 кг), они приходят без уведомления и обычно отправляются прямиком в букинистический магазин собирать пыль (эквивалент спам-фильтра в реальной жизни).

Я не могу удержаться, чтобы не пролистать их. Я знаю, что для меня это будет пытка, потому что я обязательно найду странную компоновку глав, несколько научных ошибок, какие-то фразочки, которые выбьют меня из колеи. И всякий раз, без исключений, я нахожу все это в разделе, посвященном Солнцу. В нем неизменно будет тот или иной вариант следующего предложения: «Солнце — это обычная, среднестатистическая звезда».

Если вы решите прочитать только эту главу и навсегда закрыть мою книгу, пожалуйста, запомните лишь одно: Солнце — это звезда со всеми вытекающими последствиями. Солнце — мощный, огромный, бурно кипящий котел массы и энергии. В масштабах бушующего внутри него пламени все ядерное оружие, когда-либо созданное человечеством, кажется микроскопически ничтожным. Чтобы заполнить объем Солнца, понадобится миллион планет размером с нашу, а излучаемый им свет виден на триллионы и триллионы километров. Невидимые силы переплетаются и сражаются друг с другом за контроль на его поверхности, а когда оно выходит из себя, последствия могут быть печальными или даже трагическими.

Вот что означает «обычная» звезда.

Давайте проясним — существует множество звезд, подобных Солнцу, и, если тщательно подбирать слова, тогда да, Солнце — это среднестатистическая звезда. Самые маленькие звезды имеют массу примерно в одну десятую от массы Солнца, а самые большие в сотни раз массивней, поэтому Солнце находится где-то ближе к нижней границе диапазона. Но здесь не учитывается реальная численность звезд: звезды с малой массой гораздо, гораздо многочисленнее, чем их более тяжелые сестры. Более 80 % звезд в нашей Галактике имеют массу меньше Солнца, примерно у 10 % такая же масса, как у Солнца, а оставшиеся 10 % имеют бо́льшую массу. Поэтому да, за стандартный космический тест Солнце получает довольно хорошую оценку. Может быть, 4+.

Разумеется, астрономы — признаюсь, я тоже этим грешу — любят использовать уменьшительные прилагательные, описывая звезды с малой массой: миниатюрные, крошечные, слабые. Но это вряд ли справедливо: даже самая маленькая звезда гораздо, гораздо крупнее, чем Юпитер, а Юпитер огромный — в него поместилось бы 1400 планет Земля, поэтому даже маленькая звезда — это гигантский объект.

И тем не менее Солнце крупнее, чем большинство звезд в Галактике: их средний диаметр составляет лишь десятую часть диаметра Солнца. Поэтому даже в космических масштабах Солнце большое.

В человеческих масштабах, как вы можете вообразить, это страшное, страшное место.

Солнце находится от нас на расстоянии 150 млн км. Если бы мы могли проложить к нему шоссе, то понадобилось бы 170 лет, чтобы доехать до него. Даже на самолете пришлось бы лететь два десятилетия, если бы это было возможно.

Тем не менее… представьте, что сейчас лето и вы стоите на улице. Вы подставляете лицо Солнцу. Чувствуете тепло? Конечно! Солнце такое яркое, что на него даже невозможно смотреть. А если вы постоите на солнце дольше нескольких минут, то рискуете повредить свою кожу.

Внушительная энергия Солнца генерируется глубоко в его сердцевине, где идет ядерная реакция: внутри Солнца постоянно происходит слияние ядер водорода с образованием ядер гелия. При каждой такой реакции высвобождается немного энергии, а в недрах Солнца эти реакции происходят постоянно: каждую секунду каждого дня Солнце преобразует 700 млн т водорода в 695 млн т гелия.

Недостающие 5 млн т преобразуются в энергию согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc2, которое демонстрирует, что масса и энергия могут превращаться друг в друга и что крупица материи производит колоссальное количество энергии. Пять миллионов тонн — это огромное количество материи, эквивалентное массе семи доверху груженых нефтеналивных супертанкеров… а Солнце пережевывает столько водорода каждую секунду[5].

Энергия, ежесекундно генерирующаяся в ядре Солнца и равная энергии, излучаемой его поверхностью, эквивалентна детонации 100 млрд ядерных бомб мощностью 1 Мт. Это в 200 млн раз больше суммарной мощности всего ядерного оружия, когда-либо взорванного на поверхности Земли, под землей и в воздухе… а Солнце делает это каждую секунду каждого дня и не перестанет еще миллиарды лет.

Некоторые любят говорить, что Солнце, по сути, это гигантская ядерная бомба, но это ошибочное мнение: бомба взрывается[6]. Но Солнце не взрывается, потому что имеет большую массу. Это означает, что оно обладает значительными силами тяготения, уравновешивающими энергию, которую оно генерирует. За счет образующегося тепла Солнце стремится расшириться (как надувается воздушный шар), но собственные силы тяготения не дают ему это сделать. Это состояние равновесия; в принципе, газовый шар с ядерным синтезом в центре, удерживаемый собственными силами тяготения, — это хорошее определение звезды.

Однако тот факт, что Солнце не взрывается целиком как бомба, не означает, что взрывов не происходит. На деле, Солнце способно на эпические взрывы; но они не ядерные по своей природе, они магнитные.

Текущие события

Когда я был маленьким (да что уж, даже сейчас, надо признаться), меня зачаровывали магниты. У меня было несколько разных, и я постоянно с ними играл. Я много читал о магнетизме, и в одной из моих книг говорилось, что магнетизм можно уничтожить теплом. Я (осторожно!) подержал брусок магнита несколько минут в пламени свечи и точно, после этого он перестал притягивать гвозди и иголки.

Уже в то время я увлекался астрономией, и у меня была книга, рассказывающая о магнитном поле Солнца. Я помню, что меня смущал один факт: как у Солнца может быть магнитное поле, если оно такое горячее?

Тогда я не понимал, что магнитное поле может возникать разными путями. Проще говоря, магнитное поле могут генерировать движущиеся электрические заряды. Например, когда вы включаете свет, электроны (отрицательно заряженные субатомные частицы) движутся по проводам от розетки в стене к лампе. Этот поток создает вокруг провода локальное (временное) магнитное поле. Однако, когда вы выключаете свет, поток электронов прекращается, и магнитное поле пропадает[7].

Это очень интересный и полезный эффект. Если токопроводящий объект, например провод, движется в магнитном поле, по этому проводу будет протекать электрический ток. Этот ток, в свою очередь, генерирует собственное магнитное поле. Если ток будет течь в подходящем направлении, его магнитное поле будет усиливать внешнее магнитное поле, и вы получите самоподдерживающуюся систему.

Однако это срабатывает только в том случае, если имеется внешний источник энергии, приводящий объекты в движение. Например, вы могли бы использовать пусковую рукоятку и вращать катушку из медного провода внутри магнитного поля (создаваемого постоянным магнитом). В этом случае источником внешней энергии является ваша рука. А если вы сообразительны и хотите генерировать много электричества, вы помещаете эту конструкцию у источника проточной воды, например внутрь плотины, и делаете гигантские турбины из меди, которые вращает текущая вода… именно по такому принципу работает гидроэлектростанция. Система, таким образом преобразующая механическую энергию в электрическую, называется динамо.

Солнце — именно такое динамо. Внутри оно горячее: настолько горячее, что электроны срывает с орбит атомов и они могут двигаться более или менее свободно. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, называют ионизированным. Свободные электроны, двигаясь в ионизированном газе, генерируют магнитные поля.

Если бы Солнце просто висело в пространстве, как неподвижный и невращающийся раскаленный газовый шар, электроны внутри него двигались бы хаотично, поэтому все возникающие отдельные магнитные поля были бы ориентированы в произвольных направлениях и компенсировали друг друга. Но движение электронов внутри Солнца далеко не беспорядочное. Начнем с того, что Солнце совершает один оборот вокруг своей оси в месяц, и благодаря этому внутри него возникают потоки газа. Для электронов такое преобладающее направление движения означает, что их индивидуальные магнитные поля могут усиливать друг друга, создавая более сильное магнитное поле, как ручьи, все вместе впадающие в реку.

Если бы это было так просто, ученые понимали бы все о том, что происходит на Солнце. Но на самом деле Солнце устроено невероятно сложно, внутри у него находится обширная система движущегося газа. От тепла ядра газ поднимается[8], генерируя исполинские газовые конвейерные ленты высотой свыше 160 000 км, движущиеся вверх и вниз внутри Солнца. Другие реки газа похожи на высотное струйное течение на Земле, а третьи текут на север и также на юг. Солнце становится больше похоже на клубок извивающихся червей, чем на простой газовый шар. Похоже на карту Токио, но в трех измерениях и изменяющуюся с течением времени. В результате магнитное поле Солнца — просто кошмар, в нем жутко сложно разобраться. Плюс, однако, в том, что благодаря ему множество гелиофизиков не слоняются по улицам.

Все это, вместе взятое, и создает солнечное динамо. Внутри Солнца протекают токи из заряженных частиц. Так как эти токи движутся в магнитном поле, они и сами генерируют магнитное поле, в результате вся система усиливает саму себя. В данном случае пусковая рукоятка — само Солнце, собственным вращением прикладывающее механическую энергию, необходимую для того, чтобы генерировать динамо. Солнце огромное и массивное, поэтому в энергии вращения недостатка нет. Солнечное магнитное поле создается за счет вращения Солнца, но, чтобы хоть сколь-нибудь заметно его затормозить, энергия должна расходоваться миллиарды лет.

Солнечное магнитное поле устроено сложно и интересно, и под интересным я, конечно же, подразумеваю «опасное».

Или вы забыли, какой у этой книги заголовок?

Магнитный пузырь, катушка и неприятности

Ранее я упоминал, что звезде можно дать следующее определение: объект, в центре которого происходит ядерный синтез, а стремление к расширению, обусловленное генерируемой энергией, уравновешивается силами тяготения.

В этом отношении звезды — это упражнение на соблюдение баланса. Если бы их силы тяготения были слабее, они бы раздулись или взорвались. Если бы они генерировали чуть меньше энергии, они бы сжались или пережили гравитационный коллапс (оба этих явления будут описаны подробнее в следующих главах). В стабильной звезде существует деликатный баланс между вращением, химическим составом, силами тяготения, теплом, давлением и да, магнитным полем.

Но иногда система дает сбой.

На иллюстрации простого магнитного поля вы обычно видите группу линий, выходящих из полюсов магнита и соединяющих один магнитный полюс с другим. Силовые линии магнитного бруска, например, похожи на пончик. С помощью линий магнитного поля удобно показывать силу магнита: там, где линии сходятся (как у полюсов магнитного бруска), магнитное поле сильнее; там, где они проходят на расстоянии друг от друга, поле слабее. Если вы поместите небольшой магнитный брусок в магнитное поле более крупного магнита, магнит меньших размеров сориентируется по направлению линий поля более крупного. Именно поэтому стрелка компаса указывает на север; стрелка — это магнит, и она ориентируется вдоль линий магнитного поля Земли.

Если магнит имеет более сложную форму, ситуация усложняется. Если магнитный брусок изогнуть, силовые линии поля также изогнутся. Если взять дюжину, сотню магнитов и смешать их в кучу, силовые линии поля могут сильно искривиться, потому что каждый фрагмент магнитного поля привязан к создающему его объекту. Сдвиньте один, и вы повлияете на другой.

Магнитное поле Солнца создают движущиеся потоки газа — течения, которые перекручиваются, искривляются и извиваются, как реки на Земле. Силовые линии поля возникают под поверхностью Солнца, но там не остаются; их петли прорываются сквозь поверхность Солнца наружу и ныряют обратно невероятно хитросплетенным и взаимосвязанным образом. Эти магнитные силовые линии могут сильно переплетаться и спутываться. Когда такое случается, на поверхности Солнца происходят кардинальные изменения.

Прежде всего, так как линии поля и газ взаимосвязаны, когда линии спутываются и уплотняются, движение газа затрудняется. Это как если бы на него набросили гигантскую сеть, не дающую ему двигаться свободно. Более горячий газ, поднимающийся из глубин, не может достичь поверхности, и области, в которых линии особенно плотные, начинают остывать. Поскольку яркость Солнца зависит от его температуры, более холодный участок становится тусклее, образуя темную область на Солнце, которая называется солнечным пятном. Так как по своей сути солнечные пятна — явление магнитное (на самом деле это поперечное сечение линий магнитного поля в том месте, где они пересекают поверхность Солнца), они всегда появляются парами с разной полярностью: одно как северный полюс магнита, а второе — южный полюс.

Солнечные пятна могут быть маленькими, еле заметными в телескопы на Земле, а могут быть гигантскими, гораздо больше размеров Земли, при этом некоторые из них настолько большие, что их можно видеть невооруженным глазом, когда Солнце находится у горизонта[9].

Собственно, именно наблюдения за солнечными пятнами дали астрономам первый ключ к пониманию магнитного поля Солнца. Генрих Швабе наблюдал за Солнцем в начале XIX в., десятилетиями, день за днем подсчитывая количество солнечных пятен. Он обнаружил, что оно увеличивается и уменьшается с периодичностью примерно 11 лет — сегодня мы называем этот период циклом солнечной активности. На максимуме на Солнце может быть свыше сотни пятен, но на минимуме это число уменьшается практически до нуля.

В 1859 г. Швабе решил опубликовать свои результаты, и очень скоро выяснилось, что периоды пикового количества солнечных пятен совпадали с периодами пиковой геомагнитной активности на Земле, указывая на связь между солнечными пятнами и магнетизмом. В 1908 г. астроном Джордж Эллери Хейл выяснил, что магнитные поля на солнечных пятнах могут быть в тысячи раз сильнее земного, что свидетельствовало о значительных запасах энергии в тех областях.

И мы возвращаемся к равновесию. Когда магнитные силовые линии спутываются, между давлением, нарастающим за счет накопленной в них магнитной энергии, и напряжением, существующим в силовых линиях, устанавливается равновесие. Магнитные силовые линии можно представить в виде витых стальных пружин, сваленных в кучу и спутанных между собой. Пружины сжаты и стремятся распрямиться, но не могут этого сделать, потому что переплетены друг с другом. Теперь продолжим сжимать их и добавлять новые и новые пружины. При этом накапливается очень впечатляющая энергия.


Смерть с небес. Наука о конце света

Что произойдет, если взять болторез и перекусить одну из пружин?

Правильно. Лучше отойти в сторону.

То же самое происходит и в солнечном пятне — на самом деле физические процессы тут практически такие же, как и в клубке витых пружин, с аналогичными напряжением и давлением. По мере того как силовые линии все больше переплетаются и к ним добавляются новые, давление нарастает. Иногда давление сбрасывается в начале этого процесса, и тогда практически ничего не происходит. Но в других случаях оно накапливается и накапливается…

Сейчас что-то не выдержит.


Смерть с небес. Наука о конце света

В конце концов что-то действительно не выдерживает. Силовые линии вырываются из Солнца высокими, грациозными петлями, при этом один их конец является северным магнитным полюсом, а второй — южным. Если газовый поток внезапно меняет характер движения, концы линий могут сойтись или переплестись. Давление в витках нарастает, но напряжение не может компенсировать его. Линия обрывается.

В силовой линии накапливается очень большая энергия (как и в пружине). Когда она обрывается — гелиофизики называют это магнитным пересоединением, — энергия высвобождается. Огромная энергия. Титанический взрыв, но в целом он ограничен одной областью, генерируя то, что называется вспышкой.

Вспышка — знак опасности

По совпадению, первую вспышку на Солнце увидели в 1859 г. — в том же году Генрих Швабе опубликовал свое открытие цикла солнечной активности.

1 сентября 1859 г. астрономы Ричард Каррингтон и Ричард Ходжсон независимо друг от друга вели наблюдения за Солнцем. Прямо на их глазах небольшой, обычно спокойный участок солнечного диска внезапно вспыхнул, став гораздо ярче. Этот всплеск излучения длился 5 минут, и даже по сей день, возможно, является самой яркой вспышкой за всю историю наблюдений. Через несколько часов после наблюдавшейся вспышки, магнитометры (приборы, измеряющие силу и направление магнитного поля) на Земле сошли с ума, регистрируя масштабные флуктуации магнитного поля Земли.

Тогда они об этом и не подозревали, но в тот момент родилось научное направление, изучающее космическую погоду.

Они также не могли знать о том, что вспышка произошла, когда переплетенные магнитные силовые линии на поверхности Солнца внезапно выровнялись. Накопленная в них энергия выделилась, подобно взрыву бомбы — эквивалент 15 млрд единиц ядерного оружия мощностью 1 Мт, или 10 % суммарной энергии, излучаемой Солнцем каждую секунду, сконцентрированной в одной точке, — запустив высокоэнергетические фотоны (частицы света) и субатомные частицы вверх в космос и вниз на поверхность Солнца. При обычной вспышке Солнце извергает миллиарды тонн субатомных частиц со скоростями, достигающими 8 млн км/ч, — а в 2005 г. необычно мощная вспышка выбросила поток фотонов, который достиг Земли всего за 8 минут, это значит, что они двигались со скоростью, равной одной второй скорости света. Обычно субатомные частицы извергаются прямо из центра вспышки. Поэтому частицы, вылетающие вверх и наружу, как правило, не представляют проблемы для нас на Земле: их поток достаточно сильно сфокусирован, поэтому они обычно пролетают мимо и не опасны для нас.


Смерть с небес. Наука о конце света

Но, кроме частиц, извергаемых в космос, другой массивный поток частиц устремляется вниз, на поверхность Солнца. От этого газ внутри Солнца чрезвычайно раскаляется и возникает невероятно мощный световой импульс. Что ж, возможно, это не кажется серьезной проблемой; в конце концов, насколько опасным может быть свет?

Еще как может быть опасным. Но это зависит от того, какой это свет.

То, что мы называем «видимый свет», — это узкий срез гораздо более широкого спектра электромагнитного излучения. Инфракрасный свет, например, обладает меньшей энергией, чем видимый свет, а энергия радиоволн еще меньше. Ультрафиолетовый (УФ) свет обладает большей энергией, чем свет, который мы видим. Энергия рентгеновского излучения еще выше, и так далее до гамма-излучения. УФ, рентгеновское и гамма-излучение в больших количествах опасны. Каждый фотон переносит столько энергии, что может радикально изменить любой атом, с которым сталкивается, срывая с него электрон и ионизируя атом.

Вспышки излучают огромное количество такого света. И в отличие от частиц материи, извергнутых вспышкой, этот свет распространяется расходящимся пучком. Частицы, выброшенные вспышкой на кромке солнечного диска, практически наверняка не заденут нас, но любая вспышка в любом месте на видимой поверхности Солнца несет потенциальную угрозу из-за высокоэнергетического света, который она излучает.

Представьте себе вспышку на Солнце: переплетенные магнитные силовые линии над солнечным пятном внезапно разрываются, перегруппируясь и высвобождая энергию. Они локально разогревают газ до миллионов градусов, и наружу устремляется поток рентгеновского излучения.

Двигаясь со скоростью света, высокоэнергетическое излучение достигает Земли всего за восемь с небольшим минут, пройдя около 145 млн км. При этом оно обрушивается на все, что находится у него на пути: спутники, астронавтов и даже земную атмосферу.

Нас, находящихся на поверхности Земли, защищает толстый слой воздуха над головой. Но астронавты на орбите практически обнажены, ничто не закрывает их от волны фотонов. Астронавт, работающий снаружи станции и застигнутый одной единственной вспышкой рентгеновского излучения, получает дозу, эквивалентную сотне или даже тысяче рентгеновских снимков грудной клетки.

Рентгеновское излучение опасно потому, что при поглощении вся его энергия переходит в ткани тела. Это может приводить к повреждению клеток и ДНК. Повреждения ДНК могут вызывать мутации, а те, в свою очередь (но не всегда), могут вызывать рак.

Поглощение излучения измеряется в единицах, которые называются бэр[10]. Мы постоянно окружены фоновым излучением, исходящим из поверхности Земли; просто существуя на Земле, за год вы получаете дозу облучения в размере примерно 0,3 бэр. На большой высоте над уровнем моря, например в Денвере, эта доза может достигать 0,5 бэр за счет как земных, так и внеземных источников излучения. Сравните: когда вы делаете рентгеновский снимок зубов, вы получаете дозу примерно 0,04 бэр, это одна десятая обычной годовой дозы фонового облучения. У правительства США есть рекомендации для людей, работающих в зонах с повышенным излучением: максимальная безопасная доза облучения для всего тела, установленная в них, составляет 5 бэр в год.

Не очень мощная вспышка может подвергнуть астронавта облучению в несколько десятков бэр. Несмотря на то что это кажется опасным, на деле человеческое тело может прекрасно справиться с такой однократной дозой облучения. Клетки заживают, а с небольшими повреждениями ДНК могут справиться собственные защитные силы организма. Я не говорю, что это хорошо: проблемы, вызываемые подобной дозой облучения, — это раздражение кожи, а также более высокий риск развития рака кожи и других видов рака. Астронавты-мужчины могут также становиться на несколько месяцев бесплодными; кроме того, у астронавтов обоих полов могут выпадать волосы.

Но если поврежден значительный объем тканей, то организм не в состоянии вылечить себя. В случае мощной вспышки тело астронавта способно поглотить сотни бэр рентгеновского излучения. Эта доза может оказаться смертельной: организм не справится с повреждением клеток в таком объеме. В течение нескольких часов и дней астронавт будет медленно умирать по мере того, как умирают клетки его тела, отслаивается слизистая оболочка кишечника, жидкость просачивается из разорванных клеток в окружающие ткани… результаты ужасающие. NASA относится к этой угрозе очень серьезно. В случае вспышки на Солнце астронавты на космической станции укрываются в более защищенной секции, а излучение поглощается самой станцией и не вредит людям внутри.

Когда астронавты снова полетят на Луну, им также придется иметь с этим дело. Лунные породы прекрасно поглощают радиацию, поэтому вполне вероятно, что колонисты покроют свои жилые модули на Луне слоем скальных пород и камней толщиной в два или три метра. Это не так романтично, как стеклянные купола на поверхности, но возможность пережить вспышку может оказаться приоритетной по сравнению с нашими представлениями о том, как должна выглядеть колония из фантастических фильмов[11].

Мощная вспышка, однако, представляет опасность не только для людей: она может поджарить и наши спутники. Когда металл спутников подвергается рентгеновскому или гамма-излучению, он ионизируется. Очень мощное гамма-излучение может ионизировать множество атомов на спутнике, и от этих атомов каскадом полетит «шрапнель» электронов. Не забывайте, движущиеся электрические заряды создают магнитное поле. Этот внезапный сильный импульс магнитной энергии может повредить электронные компоненты спутника (как магнит может повредить жесткий диск вашего компьютера). Сами электроны также могут вызывать короткие замыкания в аппаратуре.

Многие гражданские спутники были утрачены из-за вспышек на Солнце. Военные спутники во многих случаях имеют защиту от повреждений такого рода, и более прочные спутники могут продолжать работать даже при мощной вспышке. Последствия близкого ядерного взрыва схожи с последствиями вспышки на Солнце, поэтому эти спутники могут пережить и ядерный взрыв в космосе (если не будут повреждены осколками и теплом от взрыва).

Далее, атмосфера Земли поглощает приходящее извне высокоэнергетическое излучение. Да, мы на поверхности защищены, но верхние слои атмосферы могут разогреваться и раздуваться от излучения, как воздушный шар. Если атмосфера разбухнет достаточно сильно, она может достичь высоты орбит некоторых спутников. Спутник, обычно летящий по орбите практически в вакууме, может внезапно почувствовать сопротивление, проходя через очень разреженную раздувшуюся атмосферу. В результате этого спутник переходит на более низкую орбиту, в еще более плотный воздух, отчего снижается еще больше, и так далее. Даже если он переживет исходную вспышку, он все равно может быть разрушен, сгорев в атмосфере Земли! В каждый цикл солнечной активности по этой причине теряются многие спутники, находящиеся на низких орбитах. Именно это произошло с американской космической станцией Skylab в 1979 г.

Поэтому космические агентства и владельцы коммерческих спутников очень пристально наблюдают за солнечными вспышками. Вспышки связаны с 11-летним циклом солнечной активности и, как правило, происходят в момент максимума пятен на солнце или примерно в это время, хотя по причинам, до сих пор не вполне понятным, самые интенсивные вспышки обычно случаются примерно через год после максимума. Между прочим, вспышка в 1859 г., возможно, ярчайшая за все время, произошла за год или около того до максимума солнечной активности.

Та вспышка вызвала большую геомагнитную активность. Хотя и сама она, вероятно, оказала определенное непосредственное воздействие на Землю, сейчас считается, что у нее были помощники.

Гало, как дела?

Обычно от Солнца исходит относительно постоянный поток вещества. Он называется солнечным ветром и представляет собой поток субатомных частиц, ускоряемых тем же самым «подозреваемым»: магнитным полем Солнца. Солнечный ветер дует от Солнца во всех направлениях и не ослабевает на протяжении миллиардов километров; это гораздо дальше орбиты Земли. У поверхности Солнца эти частицы можно видеть как слабое жемчужное свечение, называемое короной. Корона невероятно горяча, миллиарды градусов, но очень разрежена, почти как вакуум. Однако над триллионами кубических километров поверхности Солнца даже что-то настолько рассеянное в совокупности может составить большую массу. Астрономы считают корону солнечной атмосферой, поэтому, в буквальном смысле, мы живем в атмосфере звезды.

У этого имеются определенные недостатки. В атмосфере иногда бывает плохая погода.

Вполне понятно, что взрывная вспышка на поверхности Солнца, как правило, оказывает влияние на его окружающую среду. Во время вспышки поток энергии и частиц, разумеется, устремляется вверх, от Солнца, но он также направлен и вниз, создавая на поверхности Солнца сейсмическую волну с энергией, в десятки тысяч раз превышающей энергию самых сильных землетрясений на Земле. Поверхность Солнца покрывается рябью от обрушивающихся на нее волн энергии. Магнитные силовые линии, окружающие энергию, также получают невероятную встряску, от которой часто разрываются. Линии, входящие в поверхность Солнца и выходящие из нее в этой зоне, соединяются вновь, высвобождая энергию и разрывая другие линии вокруг. По мере распространения этого эффекта и повторного соединения все большего числа линий высвобождается все больше и больше энергии.

При этом материя, ранее удерживаемая этими магнитными полями, внезапно обнаруживает, что может увеличиться в объеме под действием интенсивного давления. Вместо одной петли, подброшенной кверху, как в случае вспышки, это выглядит так, будто всех их уже ничто не сдерживает. Материя внезапно выплескивается, и этот процесс называется корональным выбросом массы, или КВМ[12].

Энергия коронального выброса больше расходуется на ускорение частиц, чем на излучение света, поэтому в самом начале это событие очень сложно зарегистрировать. Действительно, несмотря на то что первую вспышку наблюдали почти 200 лет назад, корональные выбросы массы впервые обнаружили только в 1970-х гг.!

Они оказывают огромное влияние. В отличие от вспышек, которые, по сути, являются локальными возмущениями, корональные выбросы охватывают гигантские области на Солнце. Если вспышки можно сравнить с торнадо — они локальные, интенсивные, краткие и сконцентрированные, то корональные выбросы массы — это солнечные ураганы. Эффект не такой ударный, но имеет гораздо, гораздо большие масштабы: до 100 млрд т материи выбрасывается в пространство со скоростью 1,5 млн км/ч, и это может причинить гораздо больше ущерба.

Оторвавшись от поверхности Солнца, корональный выброс прорывается сквозь межпланетное пространство и расширяется до десятков миллионов километров. Он создает широкий фронт ударной волны, проходя сквозь разреженное вещество, ранее унесенное солнечным ветром. Это межпланетный звуковой удар, который может разгонять субатомные частицы до крайне высоких энергий и до скоростей, составляющих существенную долю от скорости света. Это как огромное цунами, запущенное Солнцем, и оно выдвигается вперед… иногда и в нашу сторону.

После извержения корональный выброс может пройти расстояние от Солнца до Земли за срок от одного до четырех дней. И для нас это единственное предостережение.

Само событие можно даже увидеть в тот момент, когда оно происходит. Что вы делаете, когда пытаетесь разглядеть самолет, пролетающий по небу на фоне Солнца? Вы прикрываете ладонью глаза, чтобы загородить Солнце и увидеть самолет. Астрономы делают то же самое. Оно оборудуют телескопы, направленные на Солнце, коронографами. Обычно это простые маски из металла, блокирующие пронзительный свет, исходящий от поверхности Солнца, и позволяющие увидеть находящиеся неподалеку менее яркие объекты. Телескопы регистрируют корональный выброс массы в виде расходящейся от Солнца световой волны. Если астрономы видят корональный выброс, отходящий от Солнца сбоку, они выдыхают с облегчением: он пройдет мимо Земли, потому что направлен в достаточно далекую от нас сторону. Но иногда Солнце бывает не столь покладистым, тогда оно швыряет в нашем направлении сотни миллиардов тонн плазмы, раскаленной до миллиона градусов. Это событие регистрируется как расходящееся гало, светящийся ореол, потому что мы смотрим в лицо надвигающегося на нас с бешеной скоростью фронта ускоренных субатомных частиц.

Когда он доберется до нас, разверзнется ад.


Смерть с небес. Наука о конце света

Звонок в дверь

Магнитное поле Земли отчасти похоже на магнитное поле Солнца. Вероятно, оно создается за счет движения горячих, расплавленных скальных пород и металла внутри Земли в процессе, подобном тому, что происходит на Солнце (однако в случае Солнца движущееся вещество — это раскаленный газ), и питается от динамо, как и поле Солнца. Это магнитное поле простирается далеко в космос от поверхности Земли, образуя область, называющуюся магнитосферой. Если бы Земля была одинока в пространстве, окружающее ее поле имело бы форму пончика — трехмерный вариант полукруглых линий, в которые выстраиваются железные опилки на бумаге, если снизу поднести магнит. Однако постоянный поток частиц солнечного ветра, огибающий Землю, придает магнитосфере Земли форму капли, как вода намывает песчаные отмели в форме капли на реке. Удлиненный конец всегда направлен от Солнца и называется геомагнитным хвостом.

Большинство людей знают, что магнитное поле Земли можно использовать, чтобы определить, в какой стороне находится север[13], но оно также действует как своего рода защитное силовое поле, отбрасывая любые заряженные субатомные частицы, пролетающие поблизости, и отправляя их восвояси. Это бережет нас от более серьезных последствий вспышек солнечного гнева. Оно даже защищает нашу атмосферу: без магнитосферы солнечный ветер уже давно бы сдул воздух, оставив на Земле голые скалы, как на Меркурии. Марс, вероятно, именно так потерял большую часть своей атмосферы.

Так что магнитное поле Земли — это хорошая штука. Обычно.

Когда корональный выброс массы от Солнца достигает Земли, он взаимодействует с магнитосферой нашей планеты. Мощная энергия этого потока способна разорвать магнитные силовые линии Земли со стороны Солнца и загнуть их на ночную сторону в геомагнитный хвост, где они могут вновь соединиться, — это немного похоже на то, как сильный встречный ветер сдувает ваши волосы от лица и они спутываются у вас на затылке.

Когда силовые линии магнитного поля земли вновь соединяются в геомагнитном хвосте, выделяется масса энергии. Заряженные субатомные частицы движутся вдоль линий вниз, к поверхности Земли. Ускоряясь в магнитном поле, они врываются в земную атмосферу, ионизируя молекулы воздуха, срывая с них электроны. Когда впоследствии электроны воссоединяются со своими атомами, излучается свет характерного цвета: молекулы кислорода испускают красный свет, а азота — зеленый[14]. Так как это происходит там, где магнитные силовые линии Земли входят в атмосферу в районе полюсов, обычно людей, живущих на высоких северных и южных широтах и не боящихся выйти из дома во время такого события, встречает потрясающее зрелище полярного сияния — северного полярного сияния на севере и южного полярного сияния на юге. Во время особенно мощного коронального выброса их можно наблюдать и на средних широтах; в 1859 г. солнечная вспышка породила массивный корональный выброс, в результате чего полярное сияние можно было видеть даже на широте Пуэрто-Рико.


Смерть с небес. Наука о конце света

Тысячи лет полярные сияния завораживают людей, и только недавно мы стали понимать, что это предвестники огромных невидимых сил, действующих высоко у нас над головами, сил, зародившихся в нашей ближайшей звезде, в невообразимых неистовых процессах, бушующих в ней.

Однако крупный корональный выброс имеет гораздо больше последствий, чем простое световое шоу. Прежде всего, они сдавливают магнитосферу Земли. Спутник, вращающийся на орбите внутри защитного магнитного поля Земли, может внезапно обнаружить, что его уже ничто не защищает от всей мощи коронального выброса. И тогда он может сгореть от воздействующего на него излучения.

Большие корональные выбросы имеют более серьезные последствия, даже на поверхности Земли, непосредственно затрагивая нас.

Помните, что переменное магнитное поле может возбуждать ток? Так вот, когда магнитное поле Земли быстро изменяется из-за воздействия КВМ, любой находящийся поблизости проводник может внезапно обнаружить, что по нему проходит мощный импульс тока.

На поверхности Земли таких проводников хватает… например, вся энергосистема Северной Америки. Только подумайте: миллионы километров проводов, специально предназначенных проводить ток из одного места в другое! В штатных рабочих условиях эти провода легко справляются с большим током, и электричество, генерируемое, скажем, на плотине Гувера, можно направить в Лос-Анджелес, чтобы кто-то приготовил коктейль «Маргарита» в блендере.

Но эти провода очень чувствительны к солнечным бурям. Во-первых, такие бури оказывают дополнительную гигантскую нагрузку на систему. Во-вторых, ток нагревает провода, и они начинают провисать. Инженеры хорошо знакомы с этим процессом, поэтому система рассчитана на то, чтобы в нормальных рабочих условиях противостоять ему. Тем не менее мощный скачок тока, вызванный бурей, может увеличить уже существующую нагрузку, отчего линии разогреются слишком сильно и оборвутся. В-третьих, за все эти годы количество генераторных установок в энергосистеме увеличилось, а количество проводов осталось тем же. Со временем потребность в электроэнергии в Америке выросла. Изначально провода были рассчитаны на определенный ток, но во многих случаях они работают в режиме все более и более близком к максимальной нагрузке. От сильного скачка могут сгореть гигантские трансформаторы, чья жизненно важная задача заключается в том, чтобы снижать ток высокого напряжения в проводах до гораздо меньших напряжений перед тем, как он попадет к вам в дом. Это дорогие трансформаторы (некоторые из них размерами с дом), и если они выйдут из строя, то целые города могут лишиться электроэнергии на длительное время.

Вот конкретный случай: 6 марта 1989 г. Солнце развернулось к нам, показав огромную группу безобразных пятен на поверхности. Растянувшись почти на 70 000 км, они уже породили множество вспышек, которые регистрировались, даже когда сами пятна находились еще на противоположной стороне Солнца. Астрономы ожидали худшего.

И они не ошиблись. В течение двух недель активная область 5395 извергла почти 200 солнечных вспышек, причем четверть из них относилась к категории самых мощных. В то же время были зарегистрированы 36 корональных выбросов, сорвавшихся с Солнца.

По сравнению с масштабами этого события некоторые последствия были просто неприятностями. Одному производителю микросхем пришлось временно приостановить производство, потому что во время магнитного хаоса некоторые чувствительные приборы стали шалить. Компасы сбивались на много градусов, усложняя морскую навигацию. Многие спутники потеряли высоту — на целых 800 м, — а один военный спутник не смог компенсировать воздействия и начал беспорядочно кувыркаться. На других спутниках перегорела аппаратура.

Но самое худшее произошло 13 марта, когда результатом бури стал сильный ток, наведенный геомагнитным полем. Колебания напряжения вызвали проблемы с электропитанием на всей планете. В Нью-Джерси от тока, наведенного действующими на большой высоте силами, на одной электростанции перегорел трансформатор на 500 000 В, замена которого обошлась в $10 млн. На ремонт ушло шесть недель, а упущенная выгода от непоставленной энергии, которую потеряла компания за это время, почти в два раза превысила эту сумму.

В Квебеке последствия были гораздо серьезнее. Скачок тока отключил энергоблок, и от резкой потери мощности вышла из строя вся энергосистема. На огромной территории повреждались линии электропередачи, некоторые из них загорались взрываясь. В холодную зимнюю ночь Солнце отключило электричество у 6 млн человек в Канаде. На полное восстановление энергосистемы ушло много дней. По оценкам инженеров, смоделировавших это событие, суммарный ущерб составил несколько миллиардов долларов.

Как и при падении астероида, существуют способы смягчить последствия вспышек и корональных выбросов массы. Спутники можно проектировать так, чтобы они выдерживали воздействие частиц и гамма-излучения, но производителю это обойдется недешево. То же относится к энергосистемам; на модернизацию электростанций и увеличение количества линий электропередачи, чтобы справиться с еще одним событием масштабов марта 1989 г., потребуются миллиарды[15].

Это редкие события, они случаются два или три раза в 100 лет. Однако с увеличением нагрузки на наши энергосистемы риск потенциального ущерба от Солнца только возрастает.

Но есть еще одно прямое последствие солнечной активности. Модели воздействия выброса масштабов 1859 г. на нашу атмосферу показывают, что каскад субатомных частиц, ускорившихся в магнитосфере Земли в результате этого события, проник бы в атмосферу, разбивая молекулы озона в ее верхних слоях (ученые называют этот процесс диссоциацией). Озон — это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (в молекуле кислорода, которым мы дышим, два связанных между собой атома). Она очень эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, защищая нас от него. Истощение озонового слоя от вспышки 1859 г. должно было быть относительно скромным, всего на несколько процентов. Однако этого вполне достаточно, чтобы до поверхности Земли доходило больше УФ-излучения. Каковы были последствия для людей неясно, так как до нас дошли лишь разрозненные истории болезни, составленные более 100 лет назад, но, вероятно, в годы, последовавшие за этим событием, наблюдался небольшой, но выраженный рост числа кожных заболеваний. Увеличение интенсивности УФ-излучения может также затронуть экосистему и пищевую цепочку (в главе 4 это описано даже подробнее, чем вам нужно знать), но опять же — исторические записи того времени неполные.

Тем не менее у события 1859 г. было по крайней мере одно измеримое последствие. Разбитые летящими частицами диссоциированные молекулы воздуха могут соединяться снова, образуя другие химические соединения, включая NO2, диоксид азота[16]. Образовавшись высоко в атмосфере, этот красновато-коричневый газ попадал на Землю вместе с дождем, и его молекулы оседали на поверхности. Изучение ледяных кернов из Гренландии показало рост отложений нитратов в слоях, соответствующих тому времени.

Проблема в том, что NO2 может окисляться в атмосфере с образованием азотной кислоты. Растворяясь в каплях воды, она может проливаться кислотным дождем и приводить к ужасным последствиям для экосистемы Земли. В 1859 г. это, похоже, не стало серьезной проблемой, но, если когда-нибудь в будущем более мощные всплески излучения проникнут в нашу атмосферу, нам, возможно, удастся оценить эффект и от этого. Просто Солнце может еще и таким увлекательным способом обрушиться на нас.

Климат перемен

Обсуждая все эти магнитные бури, вспышки и корональные выбросы массы, причиняющие ущерб на Земле, не упускаем ли мы из виду что-то более очевидное? Все-таки Солнце — это, несомненно, главнейший источник тепла в Солнечной системе. Несмотря на то что энергия, излучаемая Солнцем, кажется совершенно неизменной, мы уже установили, что это переменная звезда. Солнечные пятна появляются и исчезают с периодичностью в 11 лет; может ли это привести к изменениям в количестве энергии, поступающей от Солнца? И если на Землю попадает больше или меньше солнечного света, может ли это, в свою очередь, вызвать изменение климата на Земле и возможное массовое вымирание?

Следует сразу отметить, что люди постоянно пытаются увязать 11-летний цикл солнечной активности с событиями на Земле. Ситуация на фондовой бирже, бейсбольный счет, даже особенности характера (сомнительная, в лучшем случае, идея) увязываются с количеством пятен на Солнце. Проблема в том, что, если понаблюдать за достаточным количеством циклов, обязательно найдутся внешние совпадения. Вы должны уметь отделять зерна от плевел, а это может быть очень сложно.

Годами ученые спорят о том, есть ли какая-то корреляция между солнечной активностью и погодой на Земле. Кажется, что есть, но действующие факторы слабо выражены, и их сложно точно определить. Если бы они были явными, спорить было бы не о чем. Однако, похоже, существуют и некоторые четкие связи… и солнечные пятна на самом деле играют определенную роль. Но вы можете удивиться, узнав, к чему ведет эта роль.

Солнечные пятна — это темные, менее горячие участки на поверхности Солнца. А значит, вы можете подумать что, если солнечных пятен много, мы получаем меньше света и, следовательно, меньше тепла от Солнца. Соответственно, много солнечных пятен равно более холодному климату.

Но пятна выглядят темными только в видимом свете. Вокруг солнечных пятен имеются яркие области, которые называются факелами (буквально «фонарики» на латыни), образующиеся благодаря сложной взаимосвязи между магнитным полем поверхности Солнца и горячим газом, поднимающимся из глубин. Газ в факелах более горячий и, следовательно, более яркий. В среднем солнечные пятна на 1 % темнее, чем поверхность Солнца, но факелы ярче на 1,1 % — 1,5 %. Это означает, что, когда Солнце покрыто пятнами, на самом деле оно ярче в видимом свете, чем когда на нем меньше пятен!

Основной источник тепла для поверхности Земли — это видимый свет от Солнца. Исследования показали, что, когда Солнце находится на пике своего цикла активности, когда на нем больше солнечных пятен и факелов, общее облучение Земли солнечной радиацией увеличивается всего на 0,1 %. Это небольшое, но существенное увеличение, оно приводит к повышению температуры на всей Земле примерно на 0,1–0,2 °C. Также верно обратное: на минимуме солнечной активности средняя температура на Земле снижается на долю градуса.

Признаем, это довольно слабое воздействие. Само по себе оно вряд ли что-то меняет на Земле. Однако нагрев Солнцем поверхности Земли — это лишь один способ повлиять на климат. Существует множество других источников изменения климата, как мы сейчас уже очень хорошо знаем. Во многих случаях сами по себе эти источники мало что значат для климата.

Но что, если две или больше таких причин суммируются?

Дела могут пойти плохо. Нам нужно только заглянуть в недалекое прошлое, чтобы увидеть насколько.

О существовании солнечных пятен было известно столетиями, даже еще до изобретения телескопа. Но как только телескопы направили на Солнце, картина, естественно, стала четче. Люди следят за размерами и количеством солнечных пятен практически постоянно с начала 1600-х гг.

В 1887 г. астроном по имени Густав Шпёрер заметил, что, оказывается, данные наблюдений за солнечными пятнами свидетельствуют об отсутствии пятен в период с 1645 по 1715 г. Буквально 70 лет лик Солнца был практически пустым, чистым, без солнечных «прыщиков». В конце 1800-х гг. ученый Э. Маундер свел воедино полученные Шпёрером данные и опубликовал их. Сегодня мы называем этот период отсутствия солнечных пятен «минимум Маундера».

Все это имело бы исключительно академический интерес, если бы не один довольно критический момент: в период с 1645 по 1715 г. температура в Западной Европе и Северной Америке была гораздо ниже средней. Было настолько холодно, что река Темза покрылась льдом (чего обычно не происходит даже зимой), ледники в Альпах продвинулись, разрушая целые деревни, а Голландский флот намертво вмерз в лед в своей гавани. Это время назвали малым ледниковым периодом.

Весьма соблазнительно непосредственно увязать минимум Маундера с малым ледниковым периодом, но нам нужно быть очень осторожными. В природе отдельное последствие редко имеет отдельную причину, особенно когда последствие столь колоссальное, как длительное изменение климата. Обычно для таких серьезных изменений должны произойти несколько событий одновременно.

Оказывается, малый ледниковый период мог начаться задолго до минимума Маундера, еще в середине XIII в. Каспар Амманн, гелиофизик, пристально изучающий взаимосвязь между выделяемой Солнцем энергией и климатом Земли, отмечает, что малый ледниковый период не был одним непрерывным событием, а состоял из «нескольких наступавших и отступавших эпизодов похолодания… причем первый начался в 1250-х гг. и продолжался до 1300 г., после периода средневекового потепления». Ясно, что были и другие причины падения температуры.

Основной виновник, вероятно, вулканическая активность. Существуют достоверные свидетельства об извержениях во время малого ледникового периода, в основном наблюдаемые в ледяных кернах: атмосферные газы, захваченные полярными льдами, можно изучать, чтобы узнать, что происходило в воздухе Земли в определенные периоды в прошлом. Любопытно, что в 1690-х гг. малый ледниковый период стал очень суровым, особенно в Западной Европе — рассказывают о птицах, буквально замерзавших насмерть, сидя на ветвях. Именно в это время в ледяных кернах обнаруживается значительный скачок в содержании серы в атмосферы, что указывает на высокие уровни вулканической активности. Вулканы извергают в атмосферу пыль и газы, отражающие солнечный свет и уменьшающие количество видимого света, достигающего поверхности Земли. От этого планета остывает, так как уменьшается количество тепла, которое может поглощать поверхность.

Само по себе это не могло стать причиной самых суровых эпизодов малого ледникового периода. Но в совокупности с минимумом Маундера, когда температура во всем мире падала, это могло еще больше снизить среднюю температуру Земли.

И все же, если бы это был глобальный эффект, почему Западная Европа пострадала гораздо сильнее, чем другие места?

Оказывается, в этой игре есть и третий игрок. Сейчас будет немного посложнее, так что «пристегните ремни».

Во время минимума солнечных пятен солнечная активность в целом падает. Кроме спада интенсивности излучения в видимой части, Солнце излучает меньше во всем своем спектре, включая ультрафиолетовое излучение. Оказывается, это важно: ультрафиолетовый свет — это то, что помогает создавать озоновый слой на Земле, он превращает обычный атмосферный кислород (O2) в озон (O3). Когда УФ-излучения меньше — меньше озона. А озон очень важен для температурного баланса в верхней части атмосферы, называемой стратосферой. Когда озона много, стратосфера теплее (потому что поглощает УФ-излучение), а когда озона меньше, стратосфера становится холодней.

Большая часть озона, но не весь, образуется в тропиках, на низких широтах вблизи экватора. Это объясняется тем, что в этой части Земля получает больше всего солнечного света и, следовательно, больше всего УФ-излучения. Летом озоновый слой может создаваться как на экваторе, так и на полюсе, потому что все полушарие освещается Солнцем. В этом случае разница в температуре стратосферы на полюсе и экваторе минимальна.

Но зимой на полюсе темно. УФ-излучение совсем не попадает в стратосферу, поэтому озон там не создается. В свою очередь, это означает большую разницу в температуре озонового слоя между экватором и полюсом.

Проблема заключается в том, что к этим перепадам температуры чувствительно высотное струйное течение. Зимой температура между широтами сильно разнится. Это приводит к возникновению сильного высотного струйного течения, устойчиво циркулирующего вокруг земного шара. Но летом, когда разница меньше, высотное струйное течение ослабевает. Вместо того чтобы четко идти по кругу, оно извивается, спускаясь бессистемно в более низкие широты. При этом оно может приносить холодный воздух из Арктики дальше на юг, а теплый воздух с юга на более высокие широты[17].

Между прочим, в определенных местах на Земле высотное струйное течение, как правило, опускается ниже, чем в других. Одно из таких мест — Западная Европа.

Тогда это самый вероятный сценарий очень резкого похолодания в 1690-х гг. в Европе: вулканическая активность, а также минимум Маундера, привели к снижению температуры на всей планете. Вместе они вызвали похолодание, но не жестокое. Однако снижение солнечной активности означало снижение излучения в ультрафиолетовой области спектра, отчего на Земле стало образовываться меньше озона. Это изменило направление высотного струйного течения, которое принесло необычно холодный арктический воздух в Западную Европу.

И тогда люди смогли кататься по Темзе на коньках.

Следует отметить что, согласно Амманну, в Западной Европе «лето в те годы совсем не было необычным». Получается, что бы ни вызвало такое интенсивное наступление холодов, оно ограничивалось зимним периодом, и это согласуется с описанной выше последовательностью событий.

Как я и сказал, все сложно. Но в этом-то и смысл. Если бы все было просто, мы бы лучше это понимали, и никто бы не спорил о том, как Солнце влияет на климат. По сути, все эти процессы довольно хорошо исследованы в целом, но проблема заключается в масштабе каждого. Насколько меньше ультрафиолета излучало Солнце во время минимума Маундера? Насколько меньше озона образовывалось? Как далеко к югу отклонилось высотное струйное течение? Сколько серы выбросили в воздух вулканы? При изменении любого из этих факторов результат будет другим, поэтому очень сложно узнать, насколько каждый из них влияет на климат.

Важно помнить: несмотря на то что наш климат зависит от Солнца, изменения в суммарной мощности его излучения в 11-летнем цикле активности магнитного поля / солнечных пятен невелики. Они определенно влияют на Землю, но это скорей запальный заряд, а не сам взрыв. Нужны другие катастрофические события — извержения вулканов, столкновения с астероидами, эмиссии CO2 и метана, вызванные деятельностью человека, — чтобы воспользоваться чувствительностью климата Земли и вызвать бедствие[18]. И даже тогда, по крайней мере в данном конкретном случае, проблемы, как правило, ограничены отдельными регионами. Окружающая среда на всей планете так сильно не меняется.

Разумеется, это слабое утешение для людей, которых это затрагивает. И если какой-то конкретный регион очень уязвим или этот регион имеет глобальное значение, тогда последствия могут быть гораздо хуже. Десятилетия суровых зим в США, например, или Китае, могут привести к голоду и экономической депрессии. В результате начинаются войны, а современные войны могут причинить гораздо больше ущерба, чем простой минимум солнечной активности. Когда дело касается потенциальных внеземных источников разрушений, последнее, что нам нужно, это добавлять к ним свои собственные возможности.

Более уместна следующая мысль: может ли такой минимум случиться снова? Да, может. Хуже — не похоже, чтобы такие события были полностью предсказуемы. Ученые, изучающие возникновение длительных минимумов в количестве солнечных пятен, свидетельствуют, что появляются они с нерегулярной периодичностью, следовательно, в долгосрочной перспективе это, по своей сути, непрогнозируемое явление, хотя и существует минимальная возможность предсказать самую ближайшую последовательность в солнечном цикле. Итак, через несколько циклов нас, возможно, ждет следующий минимум или же этого не случится еще 1000 или 10 000 лет. Но, безусловно, очень вероятно, что это случится снова.

Горячие планеты и горячий воздух

Итак, если Солнце на самом деле может влиять на климат Земли, что можно сказать про глобальное потепление? Оно вызвано Солнцем, не людьми?

На эту тему уже было много шума, но ученые на самом деле согласны в следующем: Солнце не является причиной роста температуры, наблюдаемого со второй половины XX в. и до сегодняшнего дня.

На самом деле это несложно продемонстрировать. Количество излучения, поступающего от Солнца, измеримо, и с 1950-х гг. до настоящего момента увеличения интенсивности солнечного излучения не наблюдалось. Другими словами, Солнце не становится ярче в течение всего этого времени, когда на Земле становится теплее. С 1950 г. интенсивность солнечного излучения остается вполне стабильной и очевидно не является причиной глобального потепления. Подавляющему большинству ученых, независимо изучающих это явление, ясно, что за нынешним резким ростом температур во всем мире стоит именно деятельность человека, наша деятельность.

Этот самый существенный факт не останавливает некоторых, заявляющих, что многие другие планеты также переживают глобальное потепление и, следовательно, причиной потепления на Земле никак не может быть деятельность человека. «Единственное, что связывает все планеты, — это Солнце, — говорят они, — и, следовательно, Солнце вызывает это потепление».

Однако это вздор. Они заявляют о том, что Марс, Юпитер, Тритон (спутник Нептуна) и даже Плутон разогреваются[19]. Но у потепления на каждом из этих небесных тел имеются собственные причины, обусловленные их собственной атмосферой и орбитой, и любое упоминаемое в этом контексте потепление не связано с Солнцем.

И давайте проясним: эти объекты находятся на гораздо большем расстоянии от Солнца, чем Земля, и получают пропорционально меньше тепла. Чтобы нагреть Плутон даже на 1 °C, Солнце должно стать настолько ярче и горячей, что это не останется незамеченным — фактически Земля тогда просто зажарится. Так как потепление у нас меньше, чем на один градус, ясно, что потепление на других планетах должно быть вызвано какими-то другими причинами, а не Солнцем.

Светлые перспективы

Мы живем на маленькой планете, где должно сойтись значительное количество факторов, чтобы она стала благоприятной для жизни. Но мы живем около буйной звезды, которая неминуемо сделает все возможное, чтобы нарушить этот баланс. Как это ни парадоксально, слишком сильная солнечная активность способна вызвать мгновенные и глобальные разрушения, но слишком слабая может в долгосрочной перспективе быть не менее разрушительной. Как и в большинстве случаев во Вселенной, это хрупкое равновесие, и отклонение в ту или иную сторону привело бы к катастрофе.

Однако мы уже пережили многие такие колебания. Малый ледниковый период наступил и закончился, и люди спокойно пережили его — они катались на коньках по замерзшей Темзе. Огромные солнечные вспышки наносили серьезный ущерб нашим энергосистемам, но чуть больше внимания, прогнозирование и куча денег помогут избежать полной катастрофы.

Что касается больших колебаний… ну, посмотрим. Их может не быть столетия или даже тысячелетия, а к тому времени у нас, вероятно, уже будет возможность принять меры. Но начинать думать об этом мы должны сейчас, и мы думаем. Умные люди работают именно по этим направлениям, и, несмотря на то что на прояснение всех нюансов может уйти время и по дороге будет много споров, мне кажется, что в конце концов мы разберемся во многих из этих проблем.

Тем временем я по-прежнему наслаждаюсь солнечным деньком… Но я также буду помнить, что у меня за спиной, в нескольких астрономических шагах, находится огромная и мощная звезда. И у нее есть характер.

Глава 3. Звездная ярость сверхновых

ПЕРВЫМИ, КТО ЭТО ЗАМЕТИЛ, БЫЛИ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ АСТРОНОМЫ.

Исследователи в японской обсерватории наблюдений за нейтрино Super-Kamiokonde были потрясены, когда их детекторы вспыхнули как новогодние елки. Такие невиданные показания побудили искать неисправности в аппаратуре, потому что, несомненно, ни одно астрономическое событие не могло бы породить столько призрачных субатомных частиц — даже Солнце, самый яркий объект на небе, создает так мало нейтрино, что приборы в обсерватории практически не регистрируют их. Для такого мощного результата нейтрино должно было быть миллионы! Спустя почти два часа колдовства с приборами ученые убеждаются, что поток нейтрино был реальным, но уже слишком поздно… да и те два часа все равно не помогли бы.

Через несколько минут после события автоматические обсерватории на орбите Земли оживляются. Астрономические спутники, наблюдающие за высокоэнергетическим светом, таким как рентгеновское и гамма-излучение, отмечают рост числа регистраций. По мере того как они разворачиваются, чтобы сфокусироваться на источнике частиц, их детекторы один за другим пересыщаются фотонами, потому что безжалостное излучение только усиливается. Спустя несколько минут затопленные светом спутники слепнут и теряют след.

Внизу, на ночной стороне планеты, тысячи астрономов-любителей, водителей-дальнобойщиков, полицейских и обычных полуночников замечают зарево на небе. Оно разгорается с каждой минутой. Некоторые астрономы-любители сначала принимают его за след самолета или отблеск солнечного света, отраженного от спутника. Но многие сразу же понимают, что происходит, и бросаются регистрировать данные. Другие отправляют электронные письма, оповещая астрономов во всем мире: «Доставайте свои телескопы! Сверхновая!»

Но письма не нужны. В течение нескольких минут «новая» звезда разгорается настолько ярко, что затмевает другие звезды на небе. Как Солнце на восходе или полная Луна, сверхновая озаряет небеса вокруг себя.

Астрономы переполнены ликованием. В нашей Галактике сверхновые, видимые невооруженным глазом, не наблюдались уже 400 лет, а эта, вне всякого сомнения, станет рекордом.

Но ликование их длится недолго. Прямо во время наблюдений все их механизмы внезапно отключаются. Изображения и данные — все потеряно, когда умирает компьютер, управляющий телескопом. И прежде чем им удается разобраться в проблеме, отключается все электричество. Один астроном выходит наружу, чтобы узнать, в чем дело, и вдруг замечает, что пропало зарево от находящегося поблизости города. Обычно свет от тысяч уличных фонарей, зданий, прожекторов, вывесок автосалонов и жилых домов мешает разглядеть менее яркие звезды на небе. Невероятная ирония судьбы — электропитание везде отключено, и в первый раз за многие годы небо по-настоящему темное, но наблюдения невозможны, потому что питание пропало и у него. Его телескоп бесполезен.

Он смотрит на звезды и через несколько минут осознает, что небо уже не такое темное как раньше: с небес на него смотрит пронзительный глаз сверхновой в ореоле синего света. Ни одна другая близкая звезда не выдерживает с ним конкуренции.

Внимание астронома отвлекает другой яркий светящийся объект в вышине, медленно плывущий по все светлеющему небу. Он понимает, что это Международная космическая станция, и расплывается в улыбке от удовольствия увидеть хоть что-то привычное.

Но он не осознает, что астронавты на станции мертвы. Если бы он об этом знал, ему точно было бы не до смеха. Хотя ведь и все на Земле через несколько лет будут мертвы. Люди были обречены с того самого мгновения, когда первые лучи света сверхновой коснулись атмосферы.

Гамма-излучение от сверхновой разрушает озоновый слой, и очень быстро от него остается лишь половина. Когда утром взойдет Солнце, его ультрафиолетовые лучи будут проходить прямиком сквозь атмосферу, практически не ослабевая. Тяжелые солнечные ожоги будут наименьшей из проблем на Земле, потому что УФ-излучение убивает фитопланктон в океане, основу пищевой цепочки. Животные, питающиеся фитопланктоном, обнаруживают, что их источник пищи всего за несколько дней уменьшается в объемах и в конце концов исчезает, а еще несколько дней спустя с той же угрожающей проблемой сталкиваются животные, которые питаются теми животными. Вымирание видов распространяется по всей пищевой цепочке и остановится, только когда дойдет до самого верха: до нас.

Астрономических событий, вызывающих массовое вымирание, не было уже очень давно. Но сейчас происходит именно такое.

Рождение звезды

Если в ясную темную ночь выбраться под открытое небо где-нибудь подальше от городских огней, можно увидеть небеса, усеянные тысячами звезд. Звезды могут казаться неизменными, они всегда на одном и том же месте — некоторые даже называют ночное небо «звездный купол», подразумевая прочность и постоянство. Да, звезды восходят и заходят, но это движется Земля, а не они. Они также мерцают, но опять же проблема в нас, а не в звездах, — они мерцают, потому что воздушный океан у нас над головами колеблет их свет.

Даже если вы будете выходить на улицу ночь за ночью, вы вряд ли увидите какие-либо изменения в звездах. Наблюдатель с острым глазом может заметить, что яркость некоторых звезд слегка и периодически изменяется; на протяжении дней и недель эти так называемые переменные звезды то становятся ярче, то тускнеют. Но сами звезды ни появляются, ни исчезают и кажутся вполне постоянными, как и само ночное небо.

Однако Вселенная обманчива. Изменения происходят, и порой они могут быть очень эффектными. 4 июля 1054 г. в созвездии Тельца на небе появилась новая звезда. Китайские астрономы зарегистрировали эту «звездную гостью», отметив, что она казалась ярче, чем даже планета Венера, уступающая только Солнцу и Луне на нашем небе. Письменные свидетельства о появлении этого нового объекта можно найти во всем мире, и, несмотря на то что они разрозненные и порой противоречивые, в реальности события сомнений не возникает.

Сегодня, тысячу лет спустя, если вы возьмете бинокль, чтобы рассмотреть участок неба между рогами быка в созвездии Тельца, возможно, вы заметите бледное размытое пятно, определенно не являющееся звездой. Небольшой телескоп поможет вам убедиться в этом. Большой телескоп, особенно оборудованный камерой с режимом длительной выдержки, покажет, что этот объект — газовое, волокнистое облако, похожее на остатки взрыва. Действительно, снимки, сделанные с многолетними интервалами, свидетельствуют о том, что газовое облако (астрономы называют его туманностью, от слова, означающего «облако» на латыни) расширяется; за все время наблюдений волокна и узлы в облаке явно сместились от центра наружу. Если мысленно обратить это движение вспять, то будет понятно, что весь этот газ вышел из одной точки в небе, положение которой отмечено звездой, находящейся очень близко к центру облака, что говорит о единичном взрыве. Измерив скорость расширения, можно приблизительно определить дату события. Примечательно, что эта дата — середина XI в. — подозрительно близка к дате появления китайской звездной гостьи. Сегодня ни один астроном на планете не сомневается, что эти два события на самом деле связаны.


Смерть с небес. Наука о конце света

То, что увидели китайцы, было одним из крупнейших и зловещих астрономических событий: вспышка сверхновой. В то время оно, должно быть, не показалось таким уж страшным — в конце концов, это был всего лишь свет в небесах! Но при более пристальном рассмотрении открываются значимость и масштабы события.

Газовое облако, которое называется Крабовидная туманность, потому что, если смотреть в небольшой телескоп, оно как будто бы напоминает ракообразное, — это расходящийся след от того звездного взрыва. За следующую 1000 лет это облако увеличилось до триллионов километров в диаметре. Газ по-прежнему адски раскален; он разогрелся до нескольких тысяч градусов ударными волнами, образующимися при столкновении расширяющегося на сверхзвуковых скоростях облака с более холодным окружающим газом. Центральная звезда, тлеющий уголек, оставшийся после взрыва, также продолжает подпитывать это облако энергией.

По оценкам, расстояние до Крабовидной туманности составляет 6500 световых лет, или примерно 60 квадриллионов километров (60 000 000 000 000 000), и даже на таком расстоянии и десять веков спустя — это одна из ярчайших туманностей в небе. В то время сверхновая была настолько яркой, что ее можно было видеть среди бела дня, а значит, всего за несколько недель после взрыва в космос были извергнуты грандиозные количества энергии — столько, сколько Солнце выделит за всю свою жизнь продолжительностью 12 млрд лет. Действительно, обычная сверхновая может легко затмить свет от всех сотен миллиардов звезд в целой галактике и светить с такой интенсивностью неделями.

Наши глаза различают только видимый свет, если бы наши глаза видели в ультрафиолетовом свете, Крабовидная туманность была бы одним из ярчайших объектов на небе. То же относится к радиоволнам, и, если бы вы могли видеть гамма-излучение, Крабовидная туманность была бы единственным ярчайшим и неизменным объектом на небе.

Я осторожно напомню вам, что Крабовидная туманность находится в 400 млн раз дальше от нас, чем Солнце.

Вне всякого сомнения, вспышки сверхновых — это впечатляющие события, способные вызывать масштабнейшие разрушения. На таком большом расстоянии взрыв, породивший Крабовидную туманность, был просто красивым светом в небесах, но не все потенциальные сверхновые находятся так далеко. В прошлом Земля уже подвергалась опасности от взрывающихся звезд, и в будущем такое наверняка случится снова.

Но очень близко — это как? Чтобы понять, что вспышка сверхновой может сделать с нашей окружающей средой и какую опасность могут представлять эти вспышки для нас на Земле, нам понадобится разобраться, отчего вроде бы стабильная звезда взрывается.


Смерть с небес. Наука о конце света

Жизнь звезды

В то время как древних астрономов природа звезд на ночном небе ставила в тупик — это были отверстия в небесном своде, пропускающие свет Солнца, — сегодня мы имеем вполне четкое представление о них.

Звезды — это не просто светящиеся точки. Каждая звезда — это отдельное солнце; большинство из них меньше, но некоторые невероятно больше и ярче, чем наше Солнце. Для того, кто впервые осознал, что звезды — это солнца, но безмерно далекие, это должно было стать настоящим откровением!

По мере изучения звезд медленно и верно астрономы узнавали о них все больше. Одни звезды красные, а другие голубые (вы можете убедиться в этом своими собственными глазами, разглядывая пригоршню самых ярких звезд), это говорит о том, что у них разная температура: красные звезды холоднее, а голубые — горячее. Многие звезды существуют не сами по себе, а парами и называются двойными звездами. Они вращаются вокруг друг друга и только притворяются отдельными звездами на таком большом расстоянии. Используя законы физики, установленные астрономом и математиком Иоганном Кеплером в XVII в., астрономы смогли определить массы отдельных компонентов двойных звезд, открыв путь к пониманию физических процессов, протекающих в звездах.

На самом базовом уровне звезда — это большой газовый шар, поэтому во многих отношениях она ведет себя просто. Если газ сжимать, его температура будет расти. Газовый шар с массой Солнца будет сжиматься под действием собственных сил тяготения, нагреваться и ярко светиться, но у него окажется ограниченное время жизни — без внутреннего источника тепла он остынет примерно через миллион лет или около того.

К XIX в. накопилось множество доказательств того, что Земля существует уже по крайней мере миллион лет, а может быть, и больше. А уж Солнце наверняка старше Земли! Затем в 1930-х гг. ученые поняли, что звезда является ядерной топкой, как огромная водородная бомба, взорваться которой не дают собственные силы тяготения. За счет ядерного синтеза Солнце может продолжать вырабатывать энергию не просто миллионы, а миллиарды лет, и не беспокоиться о собственном возрастном кризисе. По иронии судьбы такие гигантские объекты, как звезды, существуют благодаря самым крошечным структурам — атомным ядрам.

Обычный атом состоит из плотного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Ядро содержит электрически нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет характерные свойства атома: например, водород имеет 1 протон в ядре, гелий — 2, кислород — 8, а железо — 26. При определенных обстоятельствах (например, при сильном нагреве или поглощении ультрафиолетового излучения) атом может лишиться своих электронов, но именно число протонов в ядре делает его определенным атомом.

Как вы, возможно, помните из школьного курса, одноименные заряды отталкиваются. Если попытаться сжать два атомных ядра, их взаимно положительные заряды будут этому сопротивляться. Но температуры в недрах звезд достигают миллионов градусов — а значит, атомные ядра летают стремительно, поэтому часто и сильно сталкиваются, — а давление настолько высокое, что ядра очень сильно прижимаются друг к другу. Если электростатическое отталкивание удается преодолеть, в игру вступают новые ядерные силы, которые спаивают атомные ядра воедино.

Такое слияние ядер имеет два аспекта. Во-первых, синтезируется атом нового типа, так как в новом ядре будет больше протонов, чем в каждом из двух ядер до слияния. В общем случае, четыре атома водорода сливаются с образованием гелия (два протона водорода становятся нейтронами в новом ядре гелия), три атома гелия сливаются с образованием углерода и так далее. Реальный процесс на самом деле гораздо сложнее, но основной принцип такой.

Во-вторых, при слиянии ядер выделяется энергия. Если рассматривать ядерный синтез в целом, можно ожидать, что суммарная масса атома, образовавшегося в результате слияния, будет равна сумме масс атомов, участвующих в процессе синтеза, — если слепить два меньших комка глины в один, его масса будет суммой масс двух комков, разумеется. Однако физика атомного ядра отличается от того, что мы наблюдаем в привычном макроскопическом мире: атомы подчиняются законам квантовой механики, в которой объекты обладают причудливыми свойствами и ведут себя отрицающим здравый смысл образом.

В процессе слияния ядер небольшое количество массы преобразуется в энергию. По сравнению с этой массой, образующаяся энергия колоссальна; это вытекает из знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc2, согласно которому образующаяся энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате, а скорость света — очень большое число. Несмотря на это, в пересчете на один атом преобразуемая масса настолько крошечная, что выделяемая энергия невероятно мала — чтобы получить энергию, выделяемую при прыжке блохи, потребуется синтезировать миллионы атомов водорода в гелий.

Но звезды — это огромные хранилища водорода. Как мы обсуждали в главе 2, в ядре Солнца 700 млн т водорода сливаются с образованием 695 млн т гелия каждую секунду! Недостающие 5 млн т преобразуются в энергию, и ее достаточно для того, чтобы питать звезду, позволяя ей излучать тепло и свет, которые нужны нам для жизни. Фактически именно излучаемое тепло противодействует собственным силам тяготения звезды: давление излучения от выделяющейся энергии, направленное наружу, уравновешивает силы тяготения, пытающиеся раздавить звезду. Это равновесие сохраняется, пока не изменяются силы тяготения и выделяемая энергия.

В звездных масштабах Солнце — довольно большое (большинство звезд гораздо менее массивные, обладают меньшими энергией и яркостью); однако существуют звезды гораздо больших размеров и массы. Процесс ядерного синтеза в ядре звезды очень сильно зависит от ее массы, причем с ростом массы скорость реакций быстро увеличивается. В ядре звезды с массой, в два раза превосходящей массу Солнца, синтез гелия из водорода происходит в десять раз быстрее, чем в ядре Солнца, и, следовательно, ее светимость в десять раз больше. Звезда с массой, в 20 раз превышающей массу Солнца, а таких звезд существует немало, «сжигает» свое ядерное топливо в 36 000 раз быстрее, чем Солнце. Несмотря на то что у таких звезд больше топлива, они расходуют его так быстро, что продолжительность жизни у них гораздо короче; Солнце будет стабильно сплавлять водород миллиарды лет, а звезда с массой в 20 солнечных масс может прожить всего несколько миллионов.

Говорят, что даже самая яркая звезда не будет светить вечно. Но в действительности у самых ярких звезд самая короткая жизнь. Даже не знаю, какой вы жизненный урок извлечете из этого.

Что происходит, когда в звезде заканчивается водород? Следует отметить, что на самом деле у звезды, подобной Солнцу, водород не заканчивается никогда, поскольку большая часть массы звезды — это водород! Но слияния происходят только в ядре, где самые высокие давление и температура. Наружные слои звезды гораздо холоднее (десятки тысяч градусов в отличие от миллионов), поэтому ядерный синтез там невозможен. В любом случае этот газ в ядро не попадет, поэтому израсходовать его невозможно. Это вроде как иметь канистру с бензином на заднем сиденье автомобиля. Бензин у вас есть, однако вы не сможете воспользоваться им, пока не остановитесь.

Но водород в ядре звезды в конце концов заканчивается. По мере преобразования водорода в гелий, в самом центре звезды накапливаются ядра гелия. Так как у гелия два протона, его ядра сопротивляются сближениям еще сильнее, чем ядра водорода, поэтому для слияния ядер гелия требуются более высокие температура и давление. В звездах с массой меньше половины массы Солнца или еще меньшей таких условий не возникает никогда. В итоге у звезды заканчивается доступное топливо, и энергия перестает генерироваться.

Но в более массивных звездах гелиевая «зола» может продолжать накапливаться. Ядро звезды становится более массивным, ее собственные силы тяготения сдавливают его все сильнее и сильнее, и наконец наступает момент, когда возникают нужные условия для слияния гелия. В мгновение ока ядра гелия слепляются друг с другом с образованием как ядер углерода, так и кислорода. В этом процессе выделяется еще больше энергии, чем при слиянии ядер водорода, поэтому светимость звезды увеличивается — она буквально становится ярче. Все дополнительное тепло из ее ядра сбрасывается в окружающую водородную оболочку. Это нарушает баланс давления, распирающего звезду изнутри, и сил тяготения, стремящихся сжать ее, поэтому звезда реагирует как любой газ при нагревании: она расширяется, разбухает в грандиозных пропорциях.

Как ни странно, но наружные слои звезды остывают! Несмотря на то что суммарная энергия, излучаемая поверхностью звезды, увеличивается, площадь поверхности увеличивается еще больше. Каждый квадратный сантиметр звезды выделяет меньше энергии; просто этих квадратных сантиметров стало гораздо больше, чем раньше. Хотя светимость звезды увеличивается, она остывает, становясь красной. Из-за цвета и размера такую звезду называют красным гигантом.

Такова грядущая судьба Солнца. Со временем в его ядре накопятся углерод и кислород, а как уже было сказано, для их слияния требуется больше тепла и давления, чем для слияния гелия. У Солнца нет ресурсов для слияния углерода или кислорода, поэтому процесс на этом закончится[20].

У звезд с массой, превышающей две массы Солнца, есть то, что требуется для этого третьего раунда ядерного синтеза. В их ядрах из атомов углерода может синтезироваться неон, при этом выделяется еще больше энергии. Но для слияния атомов неона в магний и кислород звезда должна быть еще больше, а слияние атомов кислорода в кремний происходит в еще более массивных звездах[21].

Кремний превратится в железо, но для этого нужны огромные давление и температура, а такие условия возможны только в звездах с массой в 20 раз превышающей массу Солнца. Все эти этапы происходят в такой звезде по порядку, один за другим. Однако каждый следующий этап этой цепочки занимает все меньше и меньше времени, так как с каждым процессом существенно увеличиваются температуры и, следовательно, скорость реакций синтеза. Звезда с массой 20 масс Солнца будет расходовать водород на реакции синтеза много миллионов лет, гелий — один миллион лет, углерод — тысячу лет, а неон израсходуется всего за год (в более массивных звездах эти этапы протекают даже еще быстрее).

В результате ядро массивной звезды становится похоже на луковицу: водород образует наружный слой, окружающий слой из гелия, окружающий слой из углерода, затем неона, затем кислорода, затем кремния. Наконец в самой сердцевине находится сфера из раскаленного добела железа. Безусловно, эти слои немного перемешиваются, но в целом они достаточно четко выражены. Но это только ядро: наружные слои звезды вплоть до поверхности по-прежнему практически полностью состоят из водорода, слияний ядер которого не происходит. Эти слои поглощают все тепло, генерируемое в ядре звезды, и, как и у ее менее массивных сестер, эта газовая оболочка разбухает и становится огромной. Однако звезды в этом диапазоне масс гораздо больше увеличиваются в размерах, чем красные гиганты. Они могут разбухнуть так, что их диаметр составит сотни миллионов километров, поэтому мы называем таких раздутых чудовищ красными сверхгигантами.


Смерть с небес. Наука о конце света

Спустя миллионы лет цикл синтеза в такой массивной звезде близок к завершению. Железо отличается от других элементов. В отличие от водорода, гелия и прочих, слияний ядер железа не происходит практически ни при каких обстоятельствах. Ни одна нормальная звезда во Вселенной не способна создать необходимые для этого температуру и давление. В самом сердце звезды, глубоко в ее ядре, тикает, как бомба с часовым механизмом, шар из инертного железа всего в несколько тысяч километров в поперечнике. Как только из кремния синтезируется достаточно железа, эта бомба взрывается.

Неистовство в ночи

А сейчас наконец-то мы подошли к моменту истины. В течение года в ядре массивной звезды накапливалось железо, и все это время оно готовило смертный приговор звезде.

До того момента в жизни звезды ее ядро генерировало энергию; сейчас этот процесс прекратился. Помните, тепло, выделяющееся при ядерном синтезе, — это один фактор, не дающий звезде быть раздавленной собственными силами тяготения.

Второй источник сопротивления силам тяготения — это огромное море электронов в ядре звезды. В нормальном атоме электроны не покидают ядро. Однако в ядре звезды условия настолько критические, что электроны срывает с орбит атомов. Каждый раз, когда электрон стремится привязаться к своему атомному ядру, от интенсивного жара и давления его вновь срывает с орбиты.

В сердцевине звезды электроны очень плотно спрессованы, и в игру вступают причудливые эффекты квантовой механики. Один из них называется вырождением, он похож на электромагнитное отталкивание: если вы возьмете много одинаковых частиц (вне зависимости от заряда) и попытаетесь их сжать, они будут этому сопротивляться. Такое сопротивление — это основной источник поддержки ядра звезды. Вместе с рядовым теплом ядерного синтеза вырождение не дает ядру звезды сколлапсировать под действием собственных сил тяготения.

Но проблема заключается в том, что давление от процесса вырождения может противостоять силам тяготения только до определенного предела. По мере накопления железа ядро звезды становится все более и более массивным и ее силы тяготения увеличиваются все больше и больше. Наступает момент, когда железное ядро достигает критической массы, примерно в 1,4 раза больше массы Солнца. В этот момент вырождение проигрывает. Оно просто не в состоянии удерживать всю эту массу. Ранее, когда в звезде синтезировались другие, более легкие элементы, такой момент никогда не наступал: начинали синтезироваться следующие элементы в последовательности, и ядро звезды было в безопасности.

Но из железа другие элементы не синтезируются, поэтому вырождения уже становится недостаточно. Ядро звезды не может противостоять собственным титаническим силам тяготения, и механизм, поддерживающий ее, отказывает. Катастрофически. Ядро коллапсирует… но это не плавное сдутие, как у воздушного шара, выпускающего воздух. Когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно действительно коллапсирует — в этот момент разверзается ад.

Коллапс происходит невероятно быстро: за тысячную долю секунды — буквально и глазом моргнуть не успеешь — гигантские силы тяготения в ядре звезды сжимают ее от тысяч километров в поперечнике до шара из сверхплотного вещества диаметром всего несколько километров. Стремительность коллапса поражает воображение: вещество сжимается со скоростями более 70 000 км/с. В это невозможно поверить, но ядро звезды раскаляется до миллиардов градусов. Образуется высокоэнергетическое гамма-излучение, а эти беспощадные фотоны обладают такой энергией, что могут запросто разрушать атомные ядра при столкновении с ними. Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, начинает быстро разрушать ядра железа в сердцевине звезды, разбивая их на мелкие ядра гелия и свободные нейтроны. Но от этого ситуация только усугубляется (если это можно себе представить), так как они могут поглощать еще больше энергии и, соответственно, ускоряют коллапс.

События, происходящие в ядре, отзываются во всей звезде. На ядре лежали наружные слои звезды, и коллапс ядра для них — это ситуация, в которой оказывается герой мультфильма, Хитрый Койот, только реальная: когда персонаж внезапно понимает, что у него буквально ушла почва из-под ног и он начинает падать, так же и газ в наружных слоях звезды внезапно обнаруживает, что парит над вакуумом, и обрушивается вниз. Невероятные силы тяготения ядра звезды очень сильно ускоряют газ, и он врезается в сжатое ядро на скорости, составляющей значительную долю от скорости света.

Это создает колоссальный эффект рикошета, направление движения газа меняется на противоположное, и взрывной волной он начинает распространяться от звезды. Удивительно, но этого рикошета, каким бы значительным он ни был, самого по себе недостаточно для того, чтобы звезда взорвалась; несостоявшийся взрыв глохнет и наружные слои начинают снова падать на ядро. Но у звезды есть еще один козырь в рукаве.

Даже после исходного коллапса в ядре все еще полно электронов. От потрясающего жара и давления коллапса электроны подвергаются действию огромных сил, которые сдавливают их в протоны в ядре звезды. Когда такое происходит, электроны плюс протоны создают больше нейтронов. Но они также создают призрачные субатомные частицы, называющиеся нейтрино, и именно они предвещают звезде беду[22].

Нейтрино — частицы крайне малых размеров, способные проникать сквозь большие объемы вещества, не поглощаясь им; даже самое плотное вещество для них практически прозрачно. Они извергаются из ядра звезды, унося с собой огромные количества энергии коллапса. Энергия, которую они переносят, поистине потрясающая: она может равняться суммарной энергии, излучаемой Солнцем в течение всей его жизни! По сути, бо́льшая часть энергии, выделяющейся при вспышке сверхновой, находится в форме нейтрино; весь видимый свет, доходящий до нас, каким бы ярким он ни был, составляет какой-то пустяковый 1 % от выделенной энергии.

Ядро звезды генерирует колоссальные количества нейтрино: примерно за 10 секунд из ядра вырывается около 1058 (это единица с 58 нулями, народ) частиц. Это происходит почти в то же время, когда наружные слои звезды, обрушившиеся на ядро, начинают отскакивать от него в тщетной попытке улететь. Только этот колоссальный рикошет замедлился и газовая оболочка вот-вот вновь упадет на ядро, как в нее врезаются все те бессчетные нейтрино.

Несмотря на то что нейтрино, как правило, проходят прямиком сквозь нормальную материю, звездный газ — невероятно плотный. Кроме того, нейтрино так много, что часть их поглощается — это все равно как ехать на машине сквозь рой мошкары; как бы они ни старались увернуться, некоторые все равно размажутся по вашему ветровому стеклу.

Газ поглощает лишь небольшую долю, может быть 1 %, нейтрино, но все равно это эпическое событие: суммарная энергия, сбрасываемая в газ, огромна.

Это, именно это уничтожает звезду.

Представьте взрыв бомбы на фабрике фейерверков. Энергия сотен миллиардов миллиардов Солнц врывается в наружные слои звезды, разворачивая их в обратном направлении, буквально выталкивая взрывом вовне. Октиллионы тонн вещества обреченной звезды срываются с нее со скоростями, равными многим тысячам километров в секунду. Событие настолько титаническое, что даже крошечную его долю, которая преобразуется в свет, можно наблюдать через всю Вселенную.

И это только видимый свет. Образовавшаяся сверхновая звезда также извергает другие виды излучения — рентгеновское, гамма-излучение и ультрафиолетовое излучение. Прорывающаяся сквозь наружные слои звезды взрывная волна вызывает такой рост давления и температуры, что способна запуститься ядерный синтез. Кстати, так могут наконец образоваться элементы, которые тяжелее железа, потому что условия во взрывной волне, и это невероятно, на самом деле более суровые, чем в ядре звезды. В разлетающихся остатках звезды создаются радиоактивные варианты таких элементов, как кобальт, алюминий и титан, и при распаде они испускают гамма-излучение. Газ, уже адски раскаленный, поглощает эту энергию и разогревается еще сильнее, до миллионов градусов. Он светится в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне спектра. Кроме того, эти взрывы редко бывают однородными. Одни вещества разгоняются сильнее, чем другие, и неизбежные столкновения между ними порождают еще более колоссальные ударные волны, подобные звуковым ударам в расширяющемся веществе. При этом может также генерироваться рентгеновское излучение.

В итоге сверхновая — бурлящий котел мощи и хаоса. Это одно из событий, наводящих страшный ужас в видимой Вселенной.

Неспокойная округа

Вне всякого сомнения, все, что находится близко к взрывающейся звезде, смотрит в лицо надвигающемуся пылающему урагану. Любая планета, вращающаяся вокруг сверхновой, обречена: если ваша главная звезда взрывается в пламени, раскаленном до миллиардов градусов, конец один, и он не из приятных. Планеты будут испепелены, превратятся в бесплодные пустыни, а имеющиеся воздух и воду сорвет и унесет прочь мощной энергией взрыва.

От резкой потери массы силы тяготения звезды значительно ослабевают и планеты выбрасывает из звездной системы. Возможно, по Млечному Пути бродят тысячи или даже миллионы опаленных планет-отщепенцев, надолго переживших смерть звезды, породившей их. Однако космос столь необъятен, что мы можем никогда не найти таких планет, даже если галактика полна ими.

Понятно, что сверхновые опасны. Лучше всего держаться от них как можно дальше. Но насколько дальше? Если звезда взрывается в нашей Галактике, какое расстояние будет слишком близким.

В приложении есть таблица со всеми известными звездами, находящимися от нас на расстоянии до 1000 световых лет, которые могут стать сверхновыми. Самая близкая, Спика, голубой гигант в созвездии Девы, находится от нас на расстоянии примерно 260 световых лет, а большинство других значительно дальше. Несмотря на то что мы не можем назвать точную дату, когда одна из этих звезд взорвется, неоспоримый факт заключается в том, что они все взорвутся, а некоторые — в течение следующих нескольких тысяч лет.

Насколько нам следует беспокоиться об этом?

Вообще-то это зависит от того, о чем нам следует беспокоиться. На первый взгляд, вы можете подумать, что единственное, что стоит учитывать, это масштабность самого события. Ведь только что взорвалась целая звезда! Но в арсенале сверхновой имеется много оружия. Одно не является поводом для беспокойства. Но другое…

Кинетическое воздействие

Если взрыв происходит вблизи от вас, самая очевидная угроза — это осколки. Даже, например, взрыв гранаты неподалеку не сулит ничего хорошего, но сверхновая выводит все на совершенно новый уровень: выброс нескольких октиллионов тонн газа в пространство на скорости, составляющей значительную долю от скорости света, не назовешь немного опасным. Это опасно! Но только если вы находитесь относительно близко. Планета, вращающаяся вокруг обреченной звезды, обречена и сама, но что, если вы наблюдаете это зрелище с «дешевых мест», в районе другой звезды?

Чтобы несколько упростить ситуацию, представим, что процесс извержения вещества сверхновой происходит за одно мгновение. Мы бы увидели тонкую газовую оболочку, расходящуюся от звезды облаком, диаметр которого со временем увеличивается. В той оболочке заключена почти вся масса исходной звезды (наружные слои, сброшенные взрывом, могут в несколько раз перевешивать массу ядра). По мере расширения оболочка увеличивается в объеме, поэтому количество газа в отдельно взятой области уменьшается — это очень похоже на свет, испускаемый электрической лампочкой; чем дальше вы от нее, тем более рассеянным и тусклым он становится.

Осколки от взрыва сверхновой также рассеиваются. Если вы находитесь на планете поблизости от взрыва, на вас обрушится больше вещества, чем когда вы находитесь дальше. В этом случае количество сталкивающегося с вами вещества уменьшается пропорционально квадрату расстояния: если расстояние удвоить, до вас долетит лишь четверть вещества. Но какое расстояние будет достаточным?

Чтобы рассмотреть самый плохой вариант, предположим, что сверхновая находится от нас на расстоянии в 10 световых лет, что маловероятно. Это означает, что от нее до Земли будет около 95 трлн км[23]. Давайте также предположим, что суммарная извергнутая масса в 20 раз больше массы Солнца, что довольно характерно для рядовой сверхновой. В этом случае по Земле попало бы примерно 40 млн т вещества.

Ух ты! Берегись!

Но сколько это на самом деле?

Кажется, что очень много, но в действительности нет; примерно такую массу имел бы небольшой холм высотой около 400 м. Если бы такая глыба свалилась на нас целиком, результат был бы плачевным — в главе 1 это четко объясняется, — но помните, что вся эта масса была бы рассеяна по всей поверхности Земли. Это гораздо меньше, чем 300 г/м2: такая рассеянная масса — как одна капля дождя у вас во дворе.

И мы знаем, что это событие не вызвало бы массового вымирания, так как мы уже переживали столкновения с астероидами таких размеров и даже больше. Мы, возможно, заметили бы, что солнечный свет стал немного тусклее, но обошлись бы без долгосрочных последствий.

У нас есть реальная ситуация — взрыв звезды в 1054 г., после которого образовалась Крабовидная туманность. Сколько осколков долетит до Земли с расстояния 6500 световых лет? Оказывается, примерно 100 т.[24] Повторюсь, несмотря на то что 100 т кажется огромной массой, каждый день на Землю падает 20–40 т метеоритного вещества. Осколки из Крабовидной туманности — это просто небольшая добавка к нашему ежедневному рациону. Но в любом случае вам не стоит беспокоиться: чтобы добраться до нас на обычных для таких обломков скоростях от 1/20 до 1/10 скорости света, им понадобится 100 000 лет, а взрыв произошел всего 1000 лет назад. Кроме того, все равно то вещество наверняка даже не долетит до нас: газ и пыль, находящиеся в космическом пространстве, замедлят скорость и остановят осколки Крабовидной туманности еще до того, как они приблизятся к нам.

Оптический свет

Другая очевидная особенность сверхновых — они яркие. Даже на расстоянии 6500 световых лет Крабовидная туманность была столь же яркой, как и планета Венера. На каком расстоянии должна находиться сверхновая, чтобы свет от нее был очень ярким?

Нам нужно на минутку задуматься о том, что означает «очень яркий». Некоторые животные, например, синхронизируют свои жизненные циклы с Луной. Размножение, питание, охота и так далее определяются фазами Луны или так или иначе зависят от лунного света. Сверхновая, днем и ночью озаряющая небо как Луна, теоретически могла бы повредить некоторым видам.

Чтобы оказаться яркой, сверхновая должна быть от нас на расстоянии примерно 500 световых лет. На самом деле на таком близком расстоянии есть одна-две звезды, которые могли бы взорваться, а именно, как мы уже знаем, это голубой гигант Спика в созвездии Девы. Если она взорвется, она будет прекрасно видна среди бела дня, а ночью будет затмевать Луну на небосклоне, настолько яркая, что при ее свете можно будет читать, а объекты будут отбрасывать четкие тени! Но этот дополнительный свет, скорее всего, раздражал бы. Яркая-то яркая, но сверхновая все равно была бы просто светящейся точкой в небе, при взгляде на которую глаза начинали бы слезиться. Однако никакого физиологического вреда от нее для глаз не было бы. Вы бы просто привыкли не смотреть на нее (или надевать солнечные очки ночью).

Этот новый источник света не давал бы никакого дополнительного тепла: сверхновая все равно была бы слишком далеко и не смогла бы нас нагревать. Представьте это следующим образом: Луна не вызывает какого-либо заметного нагрева Земли, поэтому сверхновая, такая же яркая как Луна, также не стала бы нас нагревать.

Одной возможной проблемой было бы нарушение жизненных циклов некоторых животных, но последствия этого сложно установить. Они вполне могут быть минимальными, так как даже неистовство сверхновой не длится вечно. Через несколько месяцев после взрыва свет потускнеет до приемлемых уровней. Циклы животных, связанные с фазами Луны, могут быть нарушены, но, вероятно, они восстановятся.

Стоит отметить, что чем ближе сверхновая, тем ярче она будет. Чтобы стать такой же яркой, как Солнце, она должна быть гораздо ближе к нам: примерно на расстоянии одного светового года. На таком расстоянии не только нет звезд, которые могут взорваться, на таком расстоянии от нас нет никаких звезд (за исключением, разумеется, Солнца).

Нейтрино

А что насчет всех тех нейтрино, возникших, когда электроны в ядре звезды соединились с протонами с образованием нейтронов? Суммарная излученная энергия огромна. Она нам угрожает?

Вообще-то это довольно сложно установить. В физическом смысле непосредственное поглощение энергии нейтрино клетками человеческого организма не вызывает особой тревоги. Нейтрино невероятно верткие; собственно, прямо сейчас, когда вы читаете это предложение, несколько триллионов нейтрино прошли прямиком сквозь ваше тело, причем наверняка оно не поглотило ни одного. Сверхновая должна быть невероятно близко к Земле, как Солнце, чтобы поток нейтрино от нее мог непосредственно убить человека.

Но, прежде чем вы вздохнете с облегчением, подумайте о следующем. Нейтрино могут отскакивать от атомных ядер и выделять свою энергию, буквально как при ударе языка по колоколу. Оказывается, что такой способ выделения энергии является более эффективным, то есть вероятность, что от него будет эффект, выше. Если бы такое произошло, ядро клетки (в частности, находящаяся в нем ДНК) могло бы повредиться и теоретически вызвать развитие рака.

Повторюсь, степень опасности от этого точно рассчитать сложно, но математические модели показывают, что сверхновая должна быть невероятно близко, чтобы навредить нам таким образом. Если сверхновая находится на расстоянии больше, чем примерно 30 световых лет, эффект будет минимальным, и опять же стоит отметить, что так близко к Земле потенциальных сверхновых нет. Ваша ДНК в безопасности.

Прямое облучение гамма- и рентгеновским излучением

Если принять во внимание другие виды излучения, ситуация становится опаснее. Вы несомненно знакомы с рентгеновским излучением по приемам у зубного врача или если у вас когда-либо были переломы. С медицинской точки зрения рентгеновское излучение — вещь замечательная, потому что эти лучи способны проникать сквозь мягкие ткани нашей кожи и мышц; для фотонов рентгеновского излучения эти клетки прозрачны. Но кости имеют более плотную структуру и лучше поглощают рентгеновское излучение. Если руку положить на пленку, рентгеновское излучение пройдет прямиком сквозь мягкие ткани и засветит ее, а кости поглотят излучение и на пленке от них останется только тень. Именно поэтому медицинские рентгеновские снимки выглядят как негативы.

Однако мягкие ткани все-таки немного поглощают рентгеновское излучение, и в этом таится опасность. Когда клетка поглощает высокоэнергетическое рентгеновское излучение, это как выстрел из ружья по яйцу. При поглощении тканями излучения, выделяющаяся энергия может разрушить клетку. Низкоэнергетическое рентгеновское излучение также может повреждать ДНК, и теоретически клетка может переродиться в раковую. Хотя это кажется тревожным, следует отметить, что обычный медицинский рентгеновский снимок вполне безопасен — астронавты на «Шаттле», например, проводившие в космосе по две недели, получали от Солнца дозу радиации, эквивалентную примерно 50 медицинским рентгеновским снимкам, и без неприятных последствий. Цифровые технологии позволили еще больше снизить эту дозу, так как цифровые детекторы гораздо более чувствительны к рентгеновскому излучению, чем пленка.

Сверхновые, однако, немного ярче, чем рентгеновский аппарат у стоматолога. Тем не менее рентгеновское излучение от взрыва звезды может повредить вам, только если оно дойдет до вас. Но, оказывается, у нас есть встроенный щит.

И вы находитесь за ним.

Атмосфера Земли очень хорошо поглощает излучение такого типа. Многие астрономические источники испускают рентгеновское излучение, но до 1960-х гг. астрономы даже не знали о нем, потому что оно поглощается атмосферой Земли. Рентгеновские лучи блокируются еще в верхних слоях атмосферы, поэтому никогда не достигают поверхности, и даже телескопы, стоящие на вершинах гор, не могут их зарегистрировать. Только с наступлением космической эры было обнаружено, что звезды, галактики и прочие объекты излучают в рентгеновском диапазоне.

Поэтому нам на Земле такое облучение в принципе не грозит. Рентгеновское излучение, даже от близкой сверхновой, поглощается нашей атмосферой и практически не представляет угрозы. Но что можно сказать про людей, находящихся над атмосферой? На самом деле астронавты на орбите, на Международной космической станции, рискуют. Учитывая характерную интенсивность рентгеновского излучения при вспышке сверхновой, астронавты получат смертельную дозу, если звезда будет находиться на расстоянии меньше, чем примерно 3000 световых лет или около того. Это очень далеко! На таком расстоянии от нас есть множество звезд, способных взорваться. Определенно, астронавты — наши самые серьезные жертвы мгновенного (то есть быстрого) излучения от сверхновой.

С гамма-излучением, обладающим большей энергией, чем рентгеновское излучение, примерно такая же история. Оно поглощается нашей атмосферой и представляет мало угрозы тканям организма «сухопутных крыс». Но для команды космического корабля ситуация ухудшается. В результате поглощения гамма-лучей металлическим объектом — скажем, корпусом космической станции — металл может начать испускать сильное рентгеновское излучение; это подобно электромагнитной шрапнели. Гамма-излучение от вспышки на Солнце (как объяснялось в главе 2) может причинить серьезный вред, а сверхновая, даже на расстоянии в несколько тысяч световых лет, все равно способна генерировать столько же или больше гамма-лучей, сколько производит большая солнечная вспышка. Прямое облучение таким гамма-излучением может оказаться смертельным. Само по себе «вторичное излучение» в результате поглощения металлом также может оказаться очень высоким, смертельным для незащищенных астронавтов.

Не забывайте о том, что наши спутники также чувствительны к такому событию (см. главу 2). Кроме этого, вспышка гамма- и рентгеновского излучения от близкой сверхновой ионизировала бы верхние слои атмосферы, создавая каскад субатомных частиц. От этого возник бы сильный импульс магнитной энергии, который может повредить нашу энергосистему так же, как и солнечный корональный выброс массы (подробно события такого рода описаны в главе 2). Такой импульс излучения от сверхновой мог бы серьезно нарушить системы связи, телевидения, глобального позиционирования, авиасообщение на больших высотах и даже передачу электричества по линиям электропередачи.

Напомню, на таком расстоянии от нас имеется несколько звезд, готовых вспыхнуть. Шансы на то, что одна из них взорвется в ближайшем будущем, невероятно низкие, но мы уже вышли в космос и сильно зависим от нашей орбитальной инфраструктуры. Хорошие новости заключаются в том, что, если правительства воспримут угрозу от солнечных выбросов всерьез и примут меры по защите от них нашей инфраструктуры, сверхновые нам также угрожать не будут.

По крайней мере, в этом конкретном аспекте. Но мы еще не закончили экскурсию по их арсеналу.

Гамма- и рентгеновское излучение: возвращение

Прежде чем вы начнете дышать свободно, сидя на дне этого воздушного океана, вам следует осознать, что мы кое-что забыли. Нам, находящимся на поверхности Земли, действительно не грозит прямое облучение высокоэнергетическим излучением, потому что атмосфера поглощает его. Но тогда будет разумным поинтересоваться, как это влияет на саму атмосферу?

Теоретически это самая большая угроза, которую представляет сверхновая.

Наша атмосфера состоит из многих слоев. Мы находимся на дне, где много кислорода, смешанного с азотом, а также присутствуют и другие газы, такие как двуокись углерода и аргон, в следовых количествах. Но там наверху все по-другому.

Как обсуждалось в главе 2, на высоте примерно 15–50 км над поверхностью Земли находится озоновый слой, поглощающий опасное УФ-излучение Солнца. Если бы его ничто не задерживало, оно достигло бы поверхности и причинило самый разнообразный вред, включая солнечные ожоги и рак кожи у людей. Более того, многие простейшие организмы и бактерии, основа пищевой цепочки на планете, очень чувствительны к ультрафиолету.

Несомненно, озоновый слой исключительно важен для жизни на Земле, и с точки зрения сверхновой на нем красуется большая жирная мишень.

Когда рентгеновское излучение и гамма-излучение от сверхновой попадают в атмосферу Земли, они могут разрушать молекулы озона, приводя к каскадному развитию событий, описанных в начале этой главы. Критическим фактором, как и всегда, является расстояние. С какого расстояния сверхновая сможет разрушить озоновый слой настолько, что от этого пострадает жизнь на поверхности?

Это важный вопрос, и многие ученые относятся к нему очень серьезно. Некоторые составили компьютерные модели, чтобы понять, насколько близкая сверхновая может повредить нашей атмосфере. Они использовали математическую модель атмосферы, куда включили такие факторы, как высота сверхновой над горизонтом, время года, расстояние и так далее.

Разные модели дают разные ответы, но конечный результат, судя по всему, для нас благоприятен: чтобы причинить достаточно вреда озоновому слою и полностью разрушить основание пищевой цепочки, сверхновая должна была бы находиться от нас на расстоянии как минимум 100 световых лет. Некоторые модели свидетельствуют о том, что она должна быть даже ближе, скажем, 25 световых лет.

Так близко к нам нет массивных звезд, готовых взорваться, поэтому и в этот раз нам, похоже, ничто не угрожает… или угрожает?

Сириусная опасность?

У меня есть и другие плохие новости: взрываться могут не только массивные звезды. Более легким звездам, таким как Солнце, не хватает массы, чтобы создать условия для коллапса ядра. Но оказывается коллапс ядра — не единственный способ взорвать звезду.

В ядре массивной звезды накапливается гелий, со временем превращающийся в углерод и кислород. Но в звезде с малой массой этого не происходит: ее внешние слои просто слишком легкие и не создают нужного давления для слияния ядер гелия. Вместо этого гелий просто накапливается в самом центре звезды в виде плотного шара из вырожденного гелия. Вырождение — это тот причудливый эффект квантовой механики, который мы обсуждали ранее, проявляющийся, когда слишком много частиц одного типа — в данном случае электронов — очень сильно спрессованы. По мере накопления гелия скорость вырождения увеличивается и температура стремительно растет (хотя в данном случае все равно недостаточно сильно, чтобы синтезировать углерод и кислород из гелия).

Ранее мы уже рассмотрели, что звезда с малой массой расширяется и остывает, превращаясь в красный гигант. Если она достаточно массивна, она все еще может продолжать синтезировать углерод из гелия, при этом углерод будет накапливаться и цикл повторяться. Если у звезды не хватает массы, чтобы синтезировать углерод, процесс на этом прекращается.

Но жизнь красного гиганта еще не окончена. В то время как глубоко в сердцевине проходят все эти процессы, на поверхности ситуация совсем иная. Значительно увеличившиеся размеры звезды означают, что на поверхности силы тяготения гораздо ниже; газ там уже не удерживается столь надежно, как раньше. Вспомните также, что существенно возросла яркость звезды. Свет, исходящий изнутри, бомбардирует все частицы газа на ее поверхности. Газ поглощает этот свет, выталкивающий его наружу. Этого толчка может быть достаточно, ослабшие силы тяготения будут преодолены, газ получит достаточный импульс, позволяющий ему сорваться с поверхности и устремиться в космос.

Звезда испускает плотный поток вещества. Астрономы называют его звездным ветром, это как солнечный ветер на стероидах. Ветер от красных гигантов может быть очень плотным, унося в тысячи раз больше газа, чем раньше, до того, как в ядре звезды произошло вырождение; плотность этого потока может быть настолько большой, что наружные слои звезды могут полностью исчезнуть всего за несколько тысяч лет. За этот короткий по сравнению с продолжительностью жизни звезды промежуток она теряет до половины своей массы.

Когда такое происходит, ее вырожденное ядро обнажается и она становится белым карликом. Несмотря на то что в нем может быть заключена масса целой звезды, белый карлик такой плотный, что размерами не превышает Земли. Силы тяготения на поверхности сложно представить, они в сотни, тысячи раз сильнее, чем земные. Примерно несколько кубических сантиметров вещества белого карлика имели бы массу в несколько тонн, это все равно что спрессовать десятки автомобилей до размеров кубика сахара. Кроме того, белый карлик очень горячий, он раскален до температуры свыше сотни тысяч градусов.

После того как звездный ветер унес внешние слои звезды, этот шар сверхспрессованного, сверхгорячего вещества остается в центре расходящегося газового облака. Белый карлик настолько горячий, что испускает поток ультрафиолетового излучения, возбуждающего газ в улетающем ветре, вызывая его свечение. С Земли эти газовые облака выглядят бледными, призрачными дисками, светящимися характерным зеленым цветом, потому что содержат кислород. Астрономы называют их планетарными туманностями, потому что в окуляре телескопа они похожи на далекие планеты, но такой термин неверен: это последние вздохи звезд со средней массой, и однажды наступит черед Солнца пройти через подобный этап (сделав жизнь здесь, на Земле, очень неприятной; к вашему сведению, дальше этому будет посвящена отдельная глава).

С этого момента, однако, жизнь звезды становится довольно скучной. В конце концов газовое облако улетает, полностью рассеиваясь и смешиваясь с холодным газом, существующим в межзвездном пространстве. В течение миллиардов лет белый карлик остывает, тускнеет и просто гаснет.

Но для некоторых белых карликов история на этом не заканчивается.

Примерно половина всех звезд на небе являются частью двойных или множественных звездных систем; это звезды, которые обращаются вокруг друг друга благодаря взаимным силам тяготения. Теперь представьте такую систему с двумя звездами на общей орбите. Обе имеют массу, приблизительно равную массе Солнца. Одна стареет немного быстрее, чем другая; возможно, она чуть более массивна, чем ее компаньонка, поэтому ядерный синтез в ней происходит чуть интенсивнее. Она превращается в красного гиганта, сбрасывает свои внешние оболочки и становится плотным белым карликом, состоящим из гелия.

Со временем и вторая звезда начинает проходить через те же этапы. Но, когда она раздувается, превращаясь в красного гиганта, ее компаньонка уже стала белым карликом с более сильной гравитацией. Если карлик находится достаточно близко к образовавшемуся красному гиганту, благодаря своей мощной гравитационной тяге он может фактически стаскивать вещество со второй звезды, буквально пожирая его. Этот газ, который практически весь является водородом, оседает на поверхности белого карлика и накапливается, как снег на земле.

С этого момента ситуация становится опасной. Силы тяготения белого карлика поразительно мощные, они неимоверно сдавливают массу, оседающую на его поверхности. Если вещество переносится на поверхность слишком быстро, оно скапливается в одном месте, и давление там возрастает до критической точки. Ядра водорода в этой куче мгновенно сливаются, детонируя как термоядерная бомба, только бомба мощностью в 100 000 раз больше, чем вся излучаемая энергия Солнца.

Колоссальная вспышка — и накопившееся вещество сдувает с поверхности звезды, несмотря на мощные силы тяготения. Это как будто отрыжка после того, как вы поглотили слишком быстро и слишком много пищи, — давление на белом карлике спадает, и после того, как все успокоилось, вещество начинает накапливаться вновь, и запускается новый цикл.

В человеческих масштабах высвобождаемая энергия колоссальна, но все равно она меньше, чем при вспышке сверхновой, и это событие называется просто новой. Взрыв практически никак не влияет на белого карлика — количество материи, сдуваемой во время этого события, всего в несколько сотен раз больше массы Земли[25], то есть гораздо, гораздо меньше, чем масса звезды, и, следовательно, цикл может повторяться до тех пор, пока красный гигант питает белого карлика.

Однако, если поток материи от красного гиганта перетекает медленней, это меняет дело. Газ не будет скапливаться так быстро в одном месте и взрываться. Вместо того он будет распределяться по всей поверхности белого карлика, образуя вокруг него оболочку из инертного водорода. Но в этом случае давление не сбрасывается, «отрыжки» не происходит. Так как материя распределена, давление ниже, чем в первом случае, и слой вещества продолжает нарастать, утолщаясь, повсюду на поверхности белого карлика. В конце концов, когда накопится достаточно материи, точка взрывного запуска синтеза будет все равно достигнута.


Смерть с небес. Наука о конце света

В этом случае взрывным термоядерным процессом сливаются не только ядра водорода на одном небольшом участке, но вся материя на всей поверхности звезды. Взрыв выделяет гораздо, гораздо больше энергии, и она прогрызает свой путь внутрь белого карлика, а также вырывается в космос. Выделяющаяся энергия настолько титаническая, что может разорвать саму звезду, приводя к катастрофе эпических масштабов. Звезда взрывается целиком, как одна огромная термоядерная бомба размером с планету Земля. Это катастрофа в прямом смысле слова: звезда превращается в сверхновую.

По космическому совпадению суммарная энергия, выделяемая при этом событии (называется сверхновая типа I), очень схожа с энергией, испускаемой массивной звездой, превращающейся в сверхновую (называется сверхновая типа II), несмотря на то что происходят совершенно другие физические процессы. На деле эти события выглядят настолько похоже, что астрономы не сразу смогли понять, что они никак не связаны. Но в обоих выделяются титанические количества энергии, и оба очень опасны, если произойдут слишком близко к нам.


Смерть с небес. Наука о конце света

Одна категория, в которой два события различаются, — это испускаемый ими высокоэнергетический свет: звезды типа I испускают гораздо больше рентгеновского и гамма-излучения, чем звезды типа II. Это означает, что даже на большом расстоянии они могут быть опасны для нас. Нам известно, что поблизости кандидатов на тип II нет. А что насчет типа I?

К счастью, и таких поблизости нет. Однако — и «однако» есть всегда — очень близко к Земле существует двойная звезда с белым карликом: Сириус, самая яркая звезда на ночном небе. Она находится на расстоянии всего девяти световых лет от Земли, что по космическим меркам практически у нас на коленях.

Сириус А, главная звезда, — это нормальная звезда (то есть синтезирующая гелий из водорода в своем ядре, как Солнце) с массой, примерно вдвое превышающей массу Солнца. Вокруг нее вращается Сириус В, белый карлик с примерно такой же массой, как и Солнце. В один прекрасный день Сириус А превратится в красного гиганта, и Сириус В начнет его поедать… но, насколько мы можем судить, Сириус В находится слишком далеко от А и не сможет питаться с нужной для взрыва скоростью. Белый карлик будет все равно накапливать материю и от этого становиться ярче, так как материя разогревается и врезается в поверхность выродившейся звезды, но этого, вероятно, будет недостаточно, чтобы представлять опасность для нас на Земле. Кроме того, Сириус А, скорее всего, станет красным гигантом только через десятки или сотни миллионов лет. Насколько нам известно, больше нигде поблизости от нас кандидатов на тип I нет.

Поэтому, повторюсь, вы можете вздохнуть с облегчением. Похоже, сверхновая такого типа нам также не грозит.

Космическая лучевая пушка

У сверхновых обоих типов есть еще одно, последнее, оружие, которое нам нужно учитывать, и, возможно, оно самое разрушительное.

Межзвездное пространство заполнено субатомными частицами — протонами, нейтронами, даже целыми ядрами гелия, — движущимися на высоких скоростях, иногда практически на скорости света. Эти потоки, которые называются космическими лучами, открыл ученый по имени Виктор Гесс в 1912 г. Он запустил воздушный шар с простым аппаратом, регистрирующим ионизирующее излучение, субатомные частицы, способные врезаться в нормальные атомы и срывать с них электроны. Считалось, что этого излучения будет больше у поверхности Земли (благодаря существующим в природе радиоактивным элементам), но по мере подъема воздушного шара уровень излучения возрастал. Это означает, что значительная часть того излучения должна поступать из космоса.

Что может разгонять частицы до таких высоких скоростей? Ну как что, для этого понадобилась бы энергия взрыва звезды… о, точно.

Как я уже упоминал, когда звезда взрывается, в выброшенном веществе распространяются массивные ударные волны. Ударная волна может передавать этим частицам огромную энергию, ускоряя их. Ударные волны в турбулентном хаосе расширяющегося газа могут множество раз швырять частицу, заставляя ее двигаться невероятно быстро. Когда она наконец вырывается, ее скорость может составлять 99,9999 % от скорости света.

По сути, это субатомная пуля, а сверхновые производят гигатонны таких. К тому же оказывается, что они, несомненно, очень опасны, потому что есть несколько способов, какими они могут причинить вред нам на Земле.

Когда космические лучи врезаются в нашу атмосферу, они могут ионизировать молекулы, находящиеся в ней, и даже разрывать их. Например, озон разрушается при попадании по нему космических лучей. Модели близких вспышек сверхновых демонстрируют, что последствия от повреждения озонового слоя космическими лучами похожи на последствия воздействия гамма-излучения. Помните, гамма-излучение от сверхновой, находящейся на расстоянии 25 световых лет или больше, ничему не угрожает, поэтому мы можем предположить, что наш озон выдержит налет космических лучей от события, произошедшего на большем расстоянии.

Тем не менее, когда космические лучи попадают по молекуле в нашей атмосфере, может создаваться множество вторичных частиц, движущихся на высокой скорости. Они разлетаются как шрапнель, сея разрушения на большем пространстве. Эти вторичные частицы, называемые мюонами, могут проливаться дождем прямиком на поверхность Земли. Они могут быть чрезвычайно опасны: мюоны будут врезаться в ткани, разрушая клетки и, хочешь не хочешь, ДНК. Достаточно большая волна космических лучей, попадающая в атмосферу Земли, может распространить мюоны по всей планете, убивая растения и животных в больших количествах.

Такой тип взаимодействий очень сложно моделировать. Например, на космические лучи воздействуют магнитные поля, отчего их траектория и скорость могут меняться. В галактике существуют очень замысловатые магнитные поля, и неизвестно, как конкретно это затронет нас. Магнитные поля Солнца и даже Земли также играют в этом роль, усложняя и без того невероятно запутанную игру. Тем не менее ученые попытались оценить ситуацию, но из-за всех неопределенностей разброс в цифрах получился очень большой: некоторые модели показывают, что сверхновая должна быть всего на расстоянии нескольких световых лет, чтобы ее космические лучи причинили нам вред, а по оценке других, это расстояние ближе к 1000 световых лет. Врать не буду, это не сильно успокаивает, потому что на таком расстоянии существует множество звезд, способных взорваться (как видно по таблице в приложении).

Однако мы можем найти некоторое утешение. Интенсивность облучения, предсказываемая самыми зловещими моделями, практически стерла бы всю жизнь с лица Земли: мюоны обладают потрясающей проникающей способностью, поэтому от них не зарыться в землю и не спрятаться глубоко под водой. Однако само наше существование является вполне убедительным доказательством того, что более умеренные модели — более точные.

Тем не менее у облучения космическими лучами есть и другие последствия, которые нам нужно учитывать. Как уже упоминалось в главе 2, когда озон разрушается от воздействия космических лучей, может образовываться диоксид азота, превращающийся в азотную кислоту. Даже относительно умеренное облучение космическими лучами от вспышки сверхновой может увеличить интенсивность кислотных дождей. Однако, если количество событий, во время которых образуются мюоны, мы можем прикинуть только приблизительно, модели кислотных дождей, вызванных вспышкой сверхновой, еще менее определенные. Скорее всего, вспышка сверхновой должна произойти достаточно близко, чтобы причинить нам такой вред, но насколько близко, мы все еще точно не знаем.

Привет из прошлого

Наконец давайте обсудим еще кое-что. Несмотря на то что прямо сейчас потенциальных сверхновых любого типа на расстоянии, достаточном для того, чтобы убить нас, нет, это не значит, что их не было в прошлом. Земля существует 4,6 млрд лет, а расстояния между звездами меняются, так как они движутся по орбитам внутри Галактики, как автомобили по шоссе. Могла ли когда-то в отдаленном прошлом неподалеку от нас вспыхнуть сверхновая и каким-то образом затронуть Землю?

С точки зрения статистики практически наверняка. В зависимости от расстояния (чем они ближе, тем реже), возможно, что Земля несколько раз наблюдала взрывы звезд из первого ряда. По данным одной модели Земля видела по крайней мере три с расстояния в 25 световых лет; это достаточно близко, чтобы серьезно повредить наш озоновый слой или облучить нас потоком мюонов.

Но у нас есть кое-что еще, кроме простой математики. У нас есть геология.

В 2004 г. научное сообщество было потрясено, когда группа ученых объявила, что нашла радиоактивный изотоп 60Fe (железо-60) в аномально высоких количествах в образце, взятом со дна Тихого океана. Это исключительно редкий на Земле изотоп, и на Земле нет процессов, при которых он мог бы создаваться в заметных количествах.

Однако этот изотоп образуется в сверхновой, когда в расширяющемся облаке осколков происходит взрывной процесс ядерного синтеза. Кажется вероятным, что 60Fe, обнаруженный в донной пробе из Тихого океана, был создан сверхновой и попал на Землю, когда Земля оказалась на пути облака проносящихся осколков.

Очень интересен тот факт, что у изотопа 60Fe относительно короткий период полураспада. Радиоактивные элементы распадаются с образованием «дочерних» элементов. Со временем все исходные элементы исчезают. Период полураспада — это статистический период, в течение которого половина пробы вещества распадается, и у разных изотопов он разный. Период полураспада изотопа 60Fe составляет всего около 1,5 млн лет. Измерив количество 60Fe по сравнению с другими элементами, обнаруженными в пробе, можно определить возраст пробы. В данном случае, 60Fe погрузился на дно Тихого океана всего лишь 2,8 млн лет назад.

Это означает, что с геологической точки зрения вспышка сверхновой наблюдалась относительно недавно. Учитывая количество 60Fe в пробе, сверхновая также должна была находиться не так далеко: возможно, на расстоянии всего 50 световых лет. Может быть, даже ближе.

Кстати, было обнаружено и возможное место рождения сверхновой: неплотный кластер массивных звезд — таких, которые образуют сверхновые типа II, — называющийся ассоциацией Скорпиона — Центавра. Эта группа звезд в настоящее время находится от нас на расстоянии примерно от 400 до 500 световых лет, но 3 млн лет назад она была ближе, на расстоянии всего 100 световых лет, подозрительно близко к подходящему расстоянию, с которого сверхновая могла запустить изотоп 60Fe на Землю.

Более того, известно, что Солнце расположено в области, называемой «Местный пузырь» — это полость в обычном тумане из газа и пыли, наполняющем галактику. Такие пузыри могут создаваться взрывающимися звездами; расширяющийся газ расчищает полость, как снегоуборочная машина. Удивительно, но Местный пузырь не старше 10 млн лет. Похоже, к его возникновению также приложила руку ассоциация Скорпиона — Центавра.

Ни о каких эпизодах массового вымирания в тот период, когда на Землю осаждался изотоп 60Fe, неизвестно, и это успокаивает: даже сверхновая на расстоянии от 50 до 100 световых лет, похоже, не представляет большой угрозы.

Но статистические данные все равно интересны. Жизнь на Земле существует более 3 млрд лет, а многоклеточные организмы — в течение последних 600 млн лет или около того. Происходило ли какое-либо космическое событие, потрясшее мир, в тот период?

Цикл жизни

Но, рассуждая о жизни на Земле и сверхновых, я считаю, мы не должны упускать из виду одно важное соображение.

В начале существования Вселенной происходило множество замысловатых событий[26]. Сначала было настолько жарко, что нормальная материя существовать не могла; это был суп из экзотических субатомных частиц. Но спустя очень короткое время — буквально через три минуты после Большого взрыва — он достаточно остыл и появилась нормальная материя. Начальные условия были такими, что в тот момент могли быть созданы только водород, гелий и чуточку лития.

И все. Никакого углерода. Ни железа, ни молибдена, ничего, только эти три самых легких элемента. Через несколько сотен миллионов лет сформировались звезды. Это были сверхмассивные звезды, как минимум в 100 раз массивнее Солнца, и состояли только из этих трех элементов; примерно на 75 % из водорода и на 25 % из гелия, а литий даже почти не определялся.

Они проходили через обычный (то есть на сегодняшний день) цикл синтеза более тяжелых элементов из более легких последовательно до железа. После чего они взрывались, разумеется, и взрывы рассеивали все те тяжелые элементы в пространстве. Осколки врезались в ближайшие газовые облака, сжимая их. Из облаков сформировалось следующее поколение звезд. Однако те звезды были другими: они с самого начала содержали определенное количество более тяжелых элементов. Некоторые из этих звезд также были массивными и взрывались, вновь засевая космос железом, углеродом, кальцием…

В конце концов родилось Солнце. В тот момент Вселенная существовала уже более 9 млрд лет. Несколько поколений звезд загрязнили межзвездное пространство тяжелыми элементами, поэтому, когда разрозненные сгустки материи склеились в Солнце, у него уже был «чулан с периодической таблицей». Действительно, в диске, из которого оно возникло, было полно таких элементов, как железо, кремний, кислород. Когда из этого диска сформировались планеты, они также получили свою долю. Поэтому Земля до отказа набита железом, никелем, цинком, кальцием и всем остальным.

Но в момент возникновения Вселенной эти вещества не существовали! Они были созданы именно в тех сверхмассивных звездах. Те звезды были алхимиками своего времени, превращающими простые химические элементы в более сложные: водород стал гелием, затем углеродом, затем кислородом. Последовательно до железа и дальше.

Когда вам случается порезать палец и из ранки появляется кровь, красный цвет, который вы видите, объясняется наличием гемоглобина, а ключевой фактор в его молекуле — это железо. То железо было выплавлено в сердце сверхновой. Железа, которое создается в сверхновой, хватит больше чем на 5000 планет Земля.

Кальций в ваших костях, вероятнее всего, появился в сверхновой типа I, которые, как правило, создают больше этого элемента, чем сверхновые типа II. Вообще-то обычная сверхновая типа I образует достаточно кальция, чтобы произвести примерно 23×1028 литров (это 230 октиллионов литров) молока.

Да, у нас есть молоко.

Золото в вашем обручальном кольце? Сверхновая. Свинец в грузиле на леске? Сверхновая. Алюминий в фольге? Ну он, вероятно, из красного гиганта (они создают алюминий в ядре, а их звездный ветер разносит его по всему космосу), но сверхновые также производят алюминий.

Вспышка сверхновой неподалеку может причинить разрушения невообразимых масштабов… но без сверхновых жизни во Вселенной не было бы вообще. Своим существованием мы обязаны цепочке безымянных и никем не наблюдаемых сверхновых, массивных звезд, умерших задолго до того, как Солнце было всего лишь сгустком тумана.

Нет ничего ненормального в том, чтобы опасаться сверхновых. Но также нормально понимать их ценность. Если бы сверхновых не существовало, не было бы никого, кто смог бы разобраться в их природе.

Глава 4. Космические горелки: всплески гамма-излучения

ПУЧОК ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИШЕЛ БЕЗ ВСЯКОГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ.

Предупреждения и не могло быть: фронт волны двигался со скоростью света, максимально возможной скоростью во Вселенной. Ничто не может двигаться быстрее, поэтому волна смерти объявила о своем прибытии сама.

Во всем южном полушарии Земли у людей был обычный день: магазины, работа, игры, прогулки, охота. Когда пучок достиг Земли, все мгновенно изменилось. Совершенно обычное небо буквально в одну секунду внезапно озарилось, как будто кто-то включил свет. В небе вспыхнула пронзительно яркая точка, настолько яркая, что те, кто смотрел на нее, инстинктивно отвели заслезившиеся от интенсивного света глаза.

Новая звезда на небе была столь невероятно яркой, что могла бы затмить полную Луну, однако быстро угасла. Она начала блекнуть спустя менее 30 секунд, а через несколько минут на нее уже можно было смотреть. Люди останавливались на улицах, в пустынях, на равнинах Антарктики, на морских судах в южной части Тихого и Индийского океанов и дивились невероятно яркой, но быстро угасающей звезде на небе.

Но удивление их длилось недолго, и они вернулись к своим повседневным делам.

Большинство уже позабыли об этом событии, когда несколько часов спустя в земную атмосферу ворвался поток субатомных частиц от гаснущей звезды. Невидимым дождем эти частицы пролились с неба и затопили всю поверхность планеты от Южного полюса до 30° северной широты. Смертельную дозу облучения получили Австралия, Новая Зеландия, Южная Америка, по сути, вся Африка и Индия, а также половина Китая. Не важно, находились ли люди в домах или на улице под открытым небом — все они подверглись действию излучения.

На двух третьих поверхности Земли люди начали умирать.

Северная Америка, Европа и большая часть Азии избежали немедленных последствий, но это вряд ли имело значение. Когда большая часть населения Земли умирает, это сокрушительный удар для всей планеты. А те, кто не погиб сразу от вспышки излучения, были все равно обречены: атака разрушила озоновый слой, и он наполовину утратил свои защитные свойства. УФ-лучи Солнца смогли проникать, практически ничем не задерживаемые, прямиком до поверхности Земли, уничтожая основание пищевой цепочки.

Но окончательный удар был еще впереди. В воздухе начал формироваться толстый слой смога, порожденный волной субатомных частиц, и через несколько дней небо над всей планетой приобрело темно-коричневый оттенок. Все продержавшиеся до сих пор стойкие растения внезапно обнаружили, что солнечного света становится все меньше, а температура падает… что само по себе было плохо, но тут пошел кислотный дождь.

И это все также было недолгим. В течение нескольких недель температура на Земле упала настолько, что начался новый ледниковый период. Вскоре с обоих полюсов пошли в наступление ледники.

Люди, выжившие в первые месяцы после события, узнали, что наблюдали смерть сверхмассивной звезды Эта в созвездии Киля, но это знание им не помогло. Запущенное той звездой массовое вымирание будет самым масштабным из всех когда-либо наблюдавшихся на Земле. А когда оно завершится, удивляться тому, как одна единственная звезда на расстоянии триллионов километров смогла меньше чем за минуту уничтожить всю историю, будет некому.

Холодная война, горячие новости

В 1960-е гг. отношения между США и Советским Союзом были напряженными. СССР разместил военную базу на Кубе, менее чем в 160 км от побережья Флориды. Неудавшееся вторжение Соединенных Штатов только подогрело ситуацию. Обе сверхдержавы проводили испытания ядерного оружия на поверхности, под землей и в воздухе. СССР взорвал крупнейшую термоядерную бомбу в истории мощностью, эквивалентной 50 млн т тротила[27].

Само собой разумеется, что обстановка по обе стороны была нервозная. Рукотворный конец света был вполне реальной возможностью.

Поэтому в августе 1963 г. США, Великобритания и СССР подписали исторический Договор о запрещении испытаний ядерного оружия, ограничивающий проведение таких испытаний. Самая первая статья договора гласит:

«Каждый из Участников настоящего Договора обязуется запретить, предотвращать и не производить любые испытательные взрывы ядерного оружия и любые другие ядерные взрывы в любом месте, находящемся под его юрисдикцией или контролем… в атмосфере; за ее пределами, включая космическое пространство; под водой, включая территориальные воды и открытое море…»

Это были серьезные ограничения. Даже более 10 лет спустя результаты ядерных испытаний зачастую оказывались неожиданными. Оружие испытывали не только для того, чтобы увеличить его взрывную мощность и улучшить технические характеристики, но и для того, чтобы выяснить последствия взрывов для окружающей среды. Всего за год до подписания договора, в 1962 г., в удаленном месте над Тихим океаном на высоте 400 км Соединенные Штаты взорвали устройство под названием Starfish Prime. Это практически уже космос; атмосфера Земли на такой высоте крайне разрежена. У Starfish Prime была относительно малая мощность, 1,4 МГт (эквивалент 1,4 млн т тротила), тем не менее результаты были впечатляющие. Взрыв породил массивный импульс гамма-излучения, фотонов света, обладающих очень высокой энергией. Эта волна гамма-излучения ворвалась в атмосферу Земли, срывая электроны с орбит атомов. От движения заряженных частиц возникали магнитные поля, а внезапный скачок быстро движущихся электронов породил огромный электромагнитный импульс энергии, или ЭМИ. Этот скачок отключил уличное освещение на Гавайях, оплавил линии электропередачи, вызвал перегрузки в телевизорах и радиоприемниках — и все это на расстоянии более 1500 км.

Испытания в космосе были опасными, а понимания их отдаленных последствий в то время еще не было. Становилось все яснее, что радиоактивные осадки и другие результаты взрывов делают ядерные испытания в атмосфере и околоземном пространстве крайне нежелательными. Договор о запрещении испытаний приветствовали как большой шаг к миру во всем мире.

Разумеется, США полностью доверяли Советскому Союзу, зная, что он не посмеет нарушить договор… ну да, как бы не так. Хотя тот договор был отличным началом, никто никому не доверял, и обе стороны относились друг к другу с большой подозрительностью. Более того, американские ученые указывали на то, что СССР мог бы взорвать бомбы на обратной стороне Луны, и эти взрывы было бы сложно обнаружить. Советы могли нарушить договор, и США никогда бы об этом не узнали. Что же делать?

Ничто так не подстегивает технический прогресс, как страх. Американцы быстро нашли способ контролировать коварные Советы.

Несмотря на то что сам взрыв бомбы с обратной стороны Луны, вероятно, сложно заметить, от разлетающегося облака осколков в космосе образовалось бы довольно много радиоактивного материала, который можно обнаружить. Одним из таких радиоактивных побочных продуктов было бы гамма-излучение. В 1960-х гг. технология регистрации гамма-излучения была относительно новой, однако достаточно проработанной, позволявшей «унюхать» любые признаки радиации от транслунных взрывов. Но была одна загвоздка: гамма-излучение из космоса не может проникать в атмосферу Земли, поэтому детекторы пришлось бы запускать на спутнике.

Кроме обычных проблем с отправкой детекторов в космос, стоял также вопрос учета гамма-излучения от астрономических объектов, а не от советских ядерных бомб. Солнце испускает гамма-излучение, и высокоэнергетические частицы от солнечных вспышек можно также принять за гамма-излучение. Спутник может заметить внезапный скачок гамма-излучения, но будет обманут извержением на Солнце или случайно залетевшей частицей.

Очевидным решением было запускать спутники, следящие за гамма-излучением, парами. Случайно залетевшая частица, попавшая в один спутник, не будет зарегистрирована вторым — и это будет проверкой на ложные срабатывания. Данные от каждого спутника можно было бы сравнивать, и, если бы излучение зарегистрировали оба, ученые могли бы предположить, что его источник, возможно, не космический. Другие существующие спутники отслеживали солнечные вспышки, поэтому можно было бы также сверяться с их показаниями.

Пары спутников очень быстро построили и запустили. Первый комплект по имени Vela — что по-испански означает «караульная служба» — был запущен всего через несколько дней после подписания Договора о запрещении испытаний. Первые спутниковые детекторы были грубыми, они могли с определенностью регистрировать гамма-излучение только после «облучения» в течение 32 секунд. Но разработки быстро продвигались, и к 1967 г. была запущена четвертая пара, при этом пятая пара, значительно усовершенствованная по сравнению с ранними миссиями, также была уже на подходе.

Двум ученым, Рою Ольсону и Рею Клебесаделю, была поручена сложная задача — сравнивать показания одного спутника с показаниями его партнера. Они проверяли и проверяли, и каждый раз результаты оказывались отрицательными. Но в 1969 г.[28] им впервые повезло. Вскоре после запуска в 1967 г., 2 июля оба спутника Vela-4 зарегистрировали эпизод гамма-излучения. Быстрая проверка данных по солнечным вспышкам показала, что никакой активности в тот день не было. Позднее они обнаружили, что пара спутников Vela-3 также зарегистрировала это событие.

Но была одна проблема — что бы ни вызвало гамма-излучение, это не было похоже на ядерный взрыв. У ядерного оружия очень своеобразные интенсивность и характер затухания гамма-излучения, а событие от 2 июля выглядело совсем другим. Это был мощный, узкий пик излучения, длящийся менее секунды, а за ним следовал более длительный и более слабый импульс, продолжавшийся еще несколько секунд.

Что это могло быть? К несчастью, спутники Vela-4 понятия не имели о том, откуда пришло излучение, поэтому определить его источник было невозможно. Оно могло прийти от Луны, от ядерного испытания, как опасались, или из совершенно другой точки на небе. Кроме того, это событие началось и закончилось так быстро, что нельзя было и надеяться использовать для поиска его источника оптический телескоп.

Тем не менее спутники Vela-5 и Vela-6 были более мощными — они были чувствительнее к гамма-излучению и имели лучшее временное разрешение. Если бы событие от 2 июля повторилось или случилось бы что-то аналогичное, эти спутники имели гораздо больше шансов на то, чтобы выяснить, что происходит. Решив, что «одно из украшений храбрости — скромность»[29], ученые не спешили обнародовать данные о событии от 2 июля.

И правильно сделали. В течение следующих нескольких лет были зарегистрированы еще несколько таких же загадочных всплесков. Плюс большое количество спутников на орбите давало дополнительное преимущество: так как они находились на расстоянии тысяч километров друг от друга, стало возможным приблизительно определять направление на каждую вспышку. Даже на скорости света импульсу излучения требуется определенное время, чтобы дойти от одного спутника до другого. Эту временную задержку в сочетании с известными положениями спутников и расстояниями между ними можно было использовать, чтобы взять азимут на событие.

Накапливающиеся данные поражали ученых: вспышки гамма-излучения появлялись в произвольных точках космоса! Все они, похоже, приходили не от Солнца или Луны. Стало ясно, что Ольсон и Клебесадель наблюдали совершенно неизвестное, но исключительно мощное астрономическое событие, о котором раньше никто не знал. Ситуация казалась нелепой — как могла Вселенная скрывать такое от пытливых глаз астрономов? — и тем не менее.

К 1973 г. Клебесадель и Ольсон собрали достаточно данных и обнародовали их. Вместе с еще одним ученым по имени Айан Строн они представили результаты на астрономическом заседании в Огайо и опубликовали научную работу под названием «Наблюдения всплесков гамма-излучения космического происхождения» (Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin) в престижном журнале Astrophysical Journal. В работе описывались 16 всплесков, зарегистрированных на тот момент (к 1979 г., когда миссии Vela окончательно завершились, спутники зарегистрировали свыше 70 всплесков гамма-излучения).

Следует отметить, что и некоторые другие астрономы обнаруживали странные гамма-частицы на своих детекторах, установленных на разных спутниках, но не были уверены в их природе. Именно накопленные спутниками Vela качественные данные позволили определить, что эти события происходили в дальнем космосе или, по крайней мере, за пределами лунной орбиты.

Не то, чтобы у ученых были идеи о том, что это были за события. Сегодня гамма-всплески так же приводят в замешательство, как и в те дни. Когда группа Клебесаделя опубликовала свои результаты, источник происхождения всплесков гамма-излучения был полной загадкой. Гамма-излучение может генерироваться только во время мощных событий, таких как взрывы звезд, солнечные вспышки или ядерные взрывы. Но исследователи установили, что ни Солнце, ни какие-либо сверхновые не были источниками тех всплесков. И это определенно не были ядерные испытания — хотя спутники Vela зарегистрировали несколько испытаний ядерного оружия в атмосфере (других стран), но сигналы от них было невозможно с чем-то перепутать[30].

Чем могли быть эти всплески? Что еще больше запутывало ситуацию — расстояния до источников всплесков гамма-излучения были совершенно неизвестны. Сложно было представить, чтобы они находились очень близко (скажем, в пределах Солнечной системы), потому что казалось невероятным, что какой-то объект или событие могли генерировать гамма-лучи, а мы бы о них еще не знали. Но повторюсь, данные не позволяли увязать всплески с какими-либо наблюдаемыми далекими астрономическими событиями.

Так как разумных объяснений не находилось, в ход пошли более странные идеи. Может быть, эти всплески возникают, когда кометы ударяются о поверхность сверхплотных нейтронных звезд, или, может быть, они появляются при каком-то ином, но настолько же экзотическом событии. Никто не знал. Однако большинство астрономов сходилось тогда во мнении, что всплески гамма-излучения возникали не очень далеко — то есть не за пределами Галактики. Чем дальше источник, тем ярче он должен быть, иначе мы его не обнаружим. Если бы всплески гамма-излучения возникали за пределами Галактики, генерируемая энергия должна была быть невероятной.

Но это не сильно помогло. Неизвестных было по-прежнему слишком много.

С определением источников гамма-всплесков имелись две фундаментальные проблемы: недостаток оперативной информации и недостаток информации о направлении.

Первая проблема была существенной. Для того чтобы передать информацию со спутников на Землю, зарегистрировать ее и затем истолковать, может понадобиться несколько дней или даже недель (или, как в случае первого всплеска, два года). Но всплески гамма-излучения затухали всего через несколько секунд! К тому моменту, когда всплеск получал подтверждение, от него уже и следа не оставалось.

Была надежда на то, что, возможно, при всплесках излучается свет и в других диапазонах — рентгеновское излучение или видимый свет — и что это свечение не угаснет достаточно долго и его удалось бы увидеть в других телескопах. Если исходить из допущения, что всплески гамма-излучения — результат каких-то взрывов, было бы логично предположить наличие какого-то послесвечения, на обнаружение которого у астрономов было бы время. Но это приводит нас ко второй проблеме: куда смотреть?

У детекторов гамма-излучения того времени было плохое зрение: первые миссии просто не могли разглядеть, откуда пришли лучи.

Оптический свет — тот, который мы видим, — обладает достаточно низкой энергией. Тщательно отъюстированные линзы и зеркала внутри телескопа преломляют и отражают свет, фокусируя его. Это можно использовать для того, чтобы очень точно оценить положение источника видимого света. Но гамма-излучение больше похоже на пролетающие пули. Измерять их путь гораздо сложнее, и даже сегодня у нас нет технологии для фокусирования гамма-излучения.

Это означает, что, даже если гамма-излучение можно обнаружить и измерить, определить направление, с которого оно пришло, очень сложно. Спутники Vela могли указать направление только очень приблизительно (не намного точнее, чем «вон там где-то»)[31]. Но для того, чтобы получить представление об объекте, направление очень важно. Если положение источника гамма-излучения известно, на тот участок неба можно направить другие телескопы и рассмотреть, что к чему. Затем любой источник видимого света, обнаруженный в том месте, можно сравнить с известными источниками, такими как галактики или звезды, включенными в существующие каталоги. Но здесь требуется определенная степень точности: если можно только ориентировочно прикинуть, что источник всплеска находится на участке неба размером с полную Луну, там окажутся тысячи или даже миллионы объектов, которые можно обнаружить с помощью большого оптического телескопа.

Со временем технологии начали приближаться к решению этой задачи. В 1991 г. NASA запустило гамма-обсерваторию им. Комптона (Compton Gamma-Ray Observatory) с детекторами гамма-всплесков на борту. Способность обсерватории Комптона находить положение источников гамма-всплесков по-прежнему была не слишком выдающейся — обсерватория могла лишь определить, что они находятся на участке неба размером с 25-центовую монету[32], если держать ее на вытянутой руке, — но определенно это был прогресс. За все время работы миссии было зарегистрировано свыше 2700 гамма-всплесков. И, даже если направления были неточными, количество наблюдений само по себе было огромным достижением; когда наблюдений накопилось достаточно, начали проявляться закономерности.

Прежде всего, эта большая коллекция всплесков позволила ученым определить, что, насколько можно было судить, существовало два вида всплесков: короткие, обычно длящиеся менее двух секунд; и длинные, которые продолжались более двух секунд. Были даже обнаружены всплески, длящиеся несколько минут. По мере того как число наблюдаемых гамма-всплесков росло, выяснилось, что более короткими, как правило, были всплески более мощного — «жесткого» — гамма-излучения, а более длительными — менее мощного — «мягкого» — гамма-излучения. Несмотря на то что причины явления не были ясны, это был важный ключ к его происхождению.

Однако, возможно, более значимым для решения этой загадки был важный научный результат наблюдений обсерватории Комптона: было обнаружено, что гамма-всплески распределены по всему небу равномерно. На первый взгляд может показаться, что от этого факта мало толку, однако на деле он исключает многие возможные источники их происхождения.

Представьте, что вы стоите в поле и вокруг вас жужжат насекомые. Если вы находитесь в центре поля, то, в какую бы сторону вы ни посмотрели, вы бы предполагали увидеть примерно одинаковое количество насекомых. Но если вы ближе к восточной кромке поля, то увидите гораздо больше насекомых к западу (если смотреть через все поле), чем к востоку (если смотреть в сторону ближайшей кромки поля). Количество насекомых, которых вы видите в определенном направлении, говорит кое-что о вашем положении в рое мошкары (сделаем допущение, что рой относительно хаотичный и равномерный).

Поэтому информация от Комптона о том, что гамма-всплески распределены беспорядочно по всему небу, сразу же говорит нам о важном факте: мы находимся в центре распределения гамма-всплесков в космосе.

Если бы гамма-всплески происходили в нашей Солнечной системе, мы бы ожидали увидеть их больше в одном направлении, чем в другом, потому что в центре Солнечной системы не мы, а Солнце. Мы смещены от центра на сотню миллионов километров, поэтому можно ожидать, что это отразится на распределении гамма-всплесков. Но смещения нет, значит, они приходят не от объектов в нашей Солнечной системе.

Но это также означает, что гамма-всплески приходят не от источников, разбросанных по нашей галактике Млечный Путь. Так как Земля находится на полпути между центром и краем Галактики, гамма-всплески в этом случае наблюдались бы преимущественно со стороны ее центра, если смотреть с Земли. Но это не так, значит, они также не галактического происхождения.

Остается не так уж много вариантов. Возможно, они приходят от звезд, находящихся очень близко к Солнцу, например на расстоянии всего несколько световых лет, но не от далеких звезд, находящихся на расстоянии, скажем, более нескольких сотен световых лет, потому что тогда мы бы видели больше гамма-всплесков по направлению к центру Галактики. Другой вариант — гамма-всплески возникают очень, очень далеко, совсем не в нашей Галактике, а на расстоянии миллионов световых лет от нас.


Смерть с небес. Наука о конце света

Все эти варианты также были не вполне удобоваримыми. Звезды не в состоянии производить такие мощные всплески, а если бы всплески возникали действительно очень далеко, испускаемая в виде всплеска энергия должна была быть непомерно высокой.

Тем не менее астрономы делали ставки на оба варианта решения этой проблемы, бешено публикуя свои работы и споря, иногда также бешено, о ней. Они даже организовали знаменитые дебаты на эту тему между двумя заслуженными учеными, занимавшими разные позиции: один защищал идею, что всплески приходят от ближних звезд, второй утверждал, что они приходят с дальних рубежей Вселенной. Но ко времени дебатов дело уже шло к тому, чтобы получить настоящие ответы.

Вид издалека

В 1996 г. был запущен совместный голландско-итальянский спутник Beppo-SAX. У него не было специальной цели отслеживать гамма-всплески, но он мог это делать. Что более важно — он был готов совершить революцию: на борту имелись детекторы, которые на самом деле могли довольно хорошо устанавливать направление приходящего к нам из космоса рентгеновского излучения (его, как и направление более мощных собратьев, гамма-лучей, сложно с точностью определить). Кроме того, у аппарата было широкое поле обзора, что повышало шансы на обнаружение всплеска, возникающего на произвольном участке неба, даже если сначала его положение не было хорошо известно.

В феврале 1997 г. прибор контроля Beppo-SAX зарегистрировал длинный гамма-всплеск. По счастливой случайности он также попал в поле обзора детекторов рентгеновского излучения. Выполнили наблюдения, а спустя несколько дней еще раз. Прорыв! Результаты были однозначными — за тот период яркий источник рентгеновского излучения существенно потускнел. Астрономы знали, что это должно было быть затухающее послесвечение от всплеска. И что еще лучше — детекторы рентгеновского излучения смогли достаточно точно определить положение всплеска, который сейчас называют GRB 970228 (гамма-всплеск, наблюдавшийся 28 февраля 1997 г.).

Не прошло и месяца, как космический телескоп «Хаббл» нацелился на точку, в которой наблюдался гамма-всплеск, и прорыв получил дополнительный импульс: было зарегистрировано затухающее свечение в видимом диапазоне спектра, и, похоже, оно находилось прямо у тусклой, далекой галактики. Для простого совпадения это было слишком близко.

Затем, наконец, решающий фактор. В мае того же года циклопический 10-метровый телескоп «Кек» на Гавайях получил спектры[33] послесвечения гамма-всплеска. Это позволило астрономам точно определить расстояние до гамма-всплеска GRB 970228, и они с изумлением узнали, что источник находился на поражающем воображение расстоянии в 9 млрд световых лет. Это дальше, чем половина Вселенной!

Наконец, 30 лет спустя, после тысячи наблюдаемых всплесков и бессчетного количества споров, ответ на главный вопрос был найден: источники всплесков находятся не просто далеко, а очень далеко. После этого никто уже не сомневался в колоссальных расстояниях до источников всплесков гамма-излучения. Они приходили из удаленных от нашего Млечного Пути мест, по сути, из мест, расположенных достаточно близко к границе видимой части Вселенной.

Но оставался один серьезный вопрос: какое событие могло в принципе генерировать такие титанические энергии?

БАБАХ!

С какой бы стороны на это ни посмотреть, но короткие гамма-всплески являются самыми яркими объектами во Вселенной, самыми шикарными взрывами после Большого взрыва.

Это немаленькая проблема. Представьте себе источник света в космосе: свет, который он излучает, будет расходиться в виде сферы. По мере увеличения сферы свет рассеивается и выглядит для наблюдателя более тусклым (тускнеет с расстоянием). Когда расстояние до объекта удваивается, площадь, по которой рассеивается свет, увеличивается в четыре раза[34], поэтому яркость уменьшается в четыре раза. Если расстояние увеличить в десять раз, яркость света составит всего одну сотую (1 %) и так далее. Следовательно, с увеличением расстояния яркость объекта падает очень быстро. Это представляло серьезную проблему для исследователей гамма-всплесков: взрыв, породивший гамма-всплеск, должен был быть грандиозным, иначе мы на Земле, на расстоянии миллиардов световых лет, совсем бы не зарегистрировали этого всплеска. После всех вычислений стало понятно, что ничего не понятно. Даже если бы вся звезда преобразовалась в энергию, согласно уравнению Эйнштейна E=mc2 (см. главу 2), этого было бы недостаточно, чтобы породить такой всплеск, а ведь это буквально вся энергия, которую вы можете получить от звезды (пренебрежем тем неудобным фактом, что известного способа конвертировать всю звезду в энергию не существует, и уж, разумеется, за несколько секунд).

Но выход все-таки нашелся. Что, если взрыв не был симметричным, равномерно расширяющимся во всех направлениях? Что, если он был направленным?

Если взять небольшую лампочку и включить ее, она будет испускать свет во всех направлениях, а ее кажущаяся яркость будет быстро уменьшаться с расстоянием. Но если вы вкрутите лампочку в фонарик, который собирает и фокусирует свет в пучок, то свет будет оставаться ярким на большем расстоянии.

Астрономам удалось прикоснуться к ответу на этот фрагмент головоломки гамма-всплесков. Вместо взрыва на колоссальном расстоянии с выделением практически невозможного количества энергии, расходящегося сферой и быстро затухающего, возможно, взрыв был менее мощным, но сфокусированным в пучки. Пучки означали бы, что по сравнению со сферическим взрывом потребовалась бы лишь крошечная доля той энергии.

Энергия взрыва все равно должна быть безумно большой, иначе мы не увидели бы его так четко сквозь просторы Вселенной, но не настолько невероятной. На деле, энергия этого события была бы сравнима с энергией вспышки сверхновой. Это дало астрономам надежду на то, что они смогут найти Святой Грааль науки о гамма-всплесках: движущую силу этого явления.

А из всех обитателей космического зверинца, о которых астрономам было известно, только один в принципе мог бы генерировать силы таких масштабов.

Тяжесть ситуации

Черные дыры имеют дурную славу — они засасывают материю и энергию и не возвращают их, поэтому может показаться парадоксом, что они могут стоять за всплесками гамма-излучения, самыми яркими явлениями во Вселенной.

Но ключом к этому является гравитация. А ключом к ней является процесс образования черных дыр. Поэтому давайте сделаем шаг назад (что в принципе неплохо, когда имеешь дело с черными дырами) и взглянем на это исключительное событие со стороны.

В главе 3 мы узнали, что, когда в ядре массивных звезд заканчивается топливо для синтеза, они взрываются. Невероятно мощные силы тяготения ядра приводят к его коллапсу, и это запускает последовательность событий, приводящих к взрыву звезды. В описании главным образом говорилось о том, что происходит с наружными слоями сверхновой, но не о том, что происходит в самом ядре. Но именно в нем кроется мощь гамма-всплесков.

Во время коллапса железного ядра зарождающейся сверхновой электроны врезаются в протоны с образованием нейтронов (а также излучаются нейтрино — главный детонатор при взрыве сверхновой). В мгновение ока все ядро звезды превращается в море нейтронов, а нормальной материи практически не остается. То, что когда-то было железным шаром диаметром в тысячи километров, стало сверхплотной нейтронной звездой, возможно, 15 км в поперечнике. Ее масса сравнима с массой Солнца, но плотность невероятно увеличилась: чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы миллиард тонн! Это чуть больше, чем суммарная масса всех легковых автомобилей в Соединенных Штатах — представьте себе 200 млн автомобилей, спрессованных до размеров кубика сахара, и вы начнете осознавать, насколько экстремальна материя нейтронной звезды.

Невероятная масса нейтронной звезды может существовать благодаря причудливому эффекту квантовой механики, который называется вырождением (см. главу 3). Он подобен электростатическому отталкиванию — в том смысле, что одноименные заряды отталкиваются, — но в данном случае это стремление определенных субатомных частиц сопротивляться слишком сильному сжатию. Вырождение будет наблюдаться, если вы попытаетесь утрамбовать слишком много электронов, но оно также влияет на нейтральные частицы, такие как нейтроны. Это поразительно мощная сила, способная удерживать массивное ядро от дальнейшего коллапса. Коллапс ядра резко обрывается, и рождается нейтронная звезда…

…почти всегда. Оказывается, что, если масса коллапсирующего звездного ядра превышает массу Солнца примерно в 2,8 раза, даже вырождение нейтронов не в состоянии остановить этот процесс. Силы тяготения ядра слишком велики, и коллапс продолжается. Но в этот раз во всей Вселенной не найдется достаточно мощных сил, способных его остановить.

Дальше происходят настолько экзотические события, что человеческому разуму очень сложно их постичь. По мере уменьшения размеров, но не массы, объекта его силы тяготения увеличиваются. Приведем простой пример: если бы каким-то образом вам удалось сжать Землю до половины ее настоящего диаметра, но сохранить ее массу, силы тяготения, которые вы бы ощущали (и, соответственно, ваш вес), увеличились бы. Чем меньше становится Земля, тем больше ее силы тяготения.

Если бы вы захотели запустить ракету на Луну с этого нового сжавшегося шарика, вам пришлось бы сделать ее гораздо более мощной, иначе она не смогла бы преодолеть притяжение Земли. Если бы вы сжали Землю еще больше, ракете понадобилась бы еще большая мощность и так далее. В конце концов Земля бы сжалась настолько, что ее силы тяготения было бы невозможно преодолеть.

Вероятно, вы думаете, что просто нужно увеличить тягу ракеты, но, когда материя становится настолько плотной, нужно дать слово Эйнштейну. Он сформулировал постулат, согласно которому силы тяготения — это всего лишь проявление искривленного пространства. То, что вами ощущается как сила, направленная вниз, к центру Земли, это на самом деле прогиб пространства аналогично тому, как прогнулся бы матрас, если бы вы плюхнули на него шар для боулинга. Запустите стеклянный шарик катиться по кровати, и кровать под ним будет прогибаться так же, как изгибается путь астероида из-за притяжения Земли, когда он пролетает мимо нее.

Это не просто модель, не просто предположение. Последствия этого вполне реальны: если слишком много массы набито в слишком малый объем, пространство может так сильно изогнуться, что превратится буквально в бездонную яму. Вы можете туда упасть, но никогда не сможете из нее выбраться.

Объект, подобный этому, — как дыра в пространстве. Ничто не может выбраться из нее, даже свет. Так как дыра не может излучать свет, она будет черной. Как бы вы назвали такой объект?

Именно это происходит в ядре взрывающейся звезды. Если ядро слишком массивное и стабильная нейтронная звезда образоваться не может, оно коллапсирует. Прямиком к центру. Ядро сжимается в математическую точку, пространство изгибается до точки разрыва непрерывности, и рождается черная дыра.

У дыры мощнейшее притяжение. Любая материя, находящаяся поблизости, будет безжалостно затягиваться в нее. Но есть одна загвоздка. Звезды вращаются, соответственно, вращаются и их ядра. При коллапсе ядра и формировании черной дыры это вращение ускоряется, так же как фигуристка может ускорить свое вращение, прижав руки к телу. Вновь образовавшаяся черная дыра будет вращаться очень быстро, и любая материя, падающая в нее, будет так же вращаться вокруг нее, как вода, утекающая в слив. Чем ближе материя подходит к черной дыре, тем быстрее будет кружиться вокруг нее.

Поэтому материя, падающая в черную дыру, не падает в нее прямиком — плюх! — и исчезает, а спускается по спирали. Материя, находящаяся непосредственно у черной дыры, начинает скапливаться и образует уплощенный диск, называемый аккреционным диском (аккреция — это процесс накопления материи). Такое будет происходить при коллапсе любой вращающейся звезды, но модели показали, что прародители гамма-всплесков могут вращаться даже быстрее, чем обычно. Такие быстро вращающиеся объекты образуют аккреционный диск гораздо легче, чем медленнее вращающаяся звезда. А как только диск сформировался, жуткие силы тяготения черной дыры разгонят внутреннюю часть диска практически до скорости света, и даже материя, находящаяся ближе к периферии диска, все равно будет двигаться невероятно быстро.

В процессе образования черной дыры увеличиваются не только скорость вращения и сила тяготения. Звезды также обладают магнитными полями, как огромные магнитные бруски (см. главу 2). При сжатии звезды растут как сила тяготения, так и сила магнитного поля. Магнитное поле обычной звезды может быть не сильнее магнитного поля Земли: оно сможет сдвинуть стрелку компаса, но и только. Но, если вы возьмете звезду с диаметром несколько миллионов километров и сожмете ее в шарик диаметром всего несколько километров, ее магнитное поле также невероятно увеличится, становясь в миллион и даже триллион раз сильнее.

Следовательно, на любую материю, стремящуюся упасть в черную дыру, действует колдовское варево из сил. Сила тяготения пытается притянуть материю, но этому противодействует вращательный момент последней, поэтому образуется диск. При движении материи в диске магнитные поля также перекручиваются, как торнадо. И вдобавок ко всему существует старое доброе тепло, создающееся, как ни странно, чем-то знакомым среди всех этих экзотических сил: силой трения. Частицы материи в диске, бешено крутящемся под действием силы тяготения черной дыры, сталкиваются на невероятно высоких скоростях, генерируя колоссальное трение. От этого диск разогревается до миллионов градусов.

Сильное тепло стремится отвести частицы от черной дыры. Если частица пытается сместиться к внешней кромке плоскости диска, она наталкивается на другие частицы и не может сбежать. Но, если она поднимается наверх, наружу, ее больше ничто не удерживает — в том направлении находится меньше вещества. Более того, чудовищно усиленные магнитные поля также могут разгонять частицы, выбрасывая их вверх и наружу. Вместе взятые тепло и магнитные поля фокусируют пару узких пучков, как два ультра-мега-суперфонаря, склеенные друг с другом в основаниях. Эти сдвоенные пучки выстреливают вверх и вниз от черной дыры, наружу, в направлениях перпендикулярных диску.

Дальше происходит сущий ад, картина без преувеличения апокалиптическая. Через некоторое время после рождения черной дыры, когда вокруг нее образуется диск, вся та энергия — в миллиард миллиардов раз больше энергии, излучаемой Солнцем, — фокусируется в два пучка ничем не сдерживаемой мощи. В этих узких пучках сконцентрирована такая колоссальная энергия, что они вырываются из звезды в противоположных направлениях, прогрызая ее на скорости света. Через несколько секунд пучки уже достигли поверхности и вырвались на свободу. Любую материю на их пути разрывает на части, она разогревается до миллиардов градусов, распадается на составляющие субатомные частицы и разгоняется практически до скорости света. Как ни странно, но, когда пучки пробивают поверхность звезды, в каждом, вероятно, содержится материи всего на несколько сотен масс Земли — в человеческих масштабах это огромное количество, а в космических крошечное. Но это также ключевой фактор их мощности: так как общее количество материи в пучках относительно мало, она может разгоняться до невероятных скоростей.

Обреченная звезда по-прежнему окружена облаками газа, эхом извержений, происходивших до финального взрыва. Пучки из энергии и материи врезаются в них, создавая гигантские ударные волны, звуковые удары в газе, но умопомрачительных масштабов.

Ударные волны создаются и в самой струе, так как одни ее части движутся быстрее других. Когда они сталкиваются, от колоссальной энергии струи материя в ней бешено перемешивается, и возникает невообразимая турбулентность, от которой, в свою очередь, существенно увеличивается излучаемая энергия. Материя, атакуемая магнитными полями и мощнейшей энергией пучков, воспламеняется, в результате чего возникают гамма-лучи, множество лучей.

Возникает гамма-всплеск.

Пучки мчатся прочь. Позади них завершается коллапс того, что осталось от звезды, и образуется то, что в ином случае стало бы обычной сверхновой. До обнаружения гамма-всплесков сверхновые считались самым бурным, самым мощным отдельным событием во Вселенной. Но приличный гамма-всплеск может затмить даже энергию сверхновой. Поэтому астрономы придумали новое слово для описания этого события: «гиперновая».


Смерть с небес. Наука о конце света

Пройдя сквозь газ, пучки уносятся дальше, оставляя за собой сверхразогретую материю, которая начинает остывать, но продолжает испускать свет в течение некоторого времени после того, как пучки улетели. Это источник послесвечения, которое так упорно искали ученые. Материя может становиться чрезвычайно яркой — один гамма-всплеск в 2008 г. произошел на расстоянии почти 8 млрд световых лет, но его можно было видеть невооруженным глазом! Однако послесвечение быстро затухает, всего через несколько минут его яркость падает в тысячи раз. Именно поэтому раньше послесвечение в оптическом диапазоне было очень сложно зарегистрировать. Гигантские расстояния ослабляют даже титаническую энергию гамма-всплеска.

Но теперь мы знаем, что гамма-всплески создаются в гиперновой, когда взрывается массивная звезда… и мы видим, что массивные звезды есть в нашей собственной Галактике. Конечно, источники всех гамма-всплесков, которые мы когда-либо наблюдали, находились на огромном расстоянии, в миллиардах световых лет от Земли.

Но что произойдет, если один из них окажется не так далеко. Что, если одна из ближних звезд произведет гамма-всплеск?

Телепортируй меня

С объектом, внезапно обнаружившим, что он находится на пути пучков от ближнего гамма-всплеска, ничего хорошего не произойдет.

Совсем ничего.

Но прежде чем я напугаю вас до смерти, помните, что, если вы достаточно далеко, они для вас совсем не представляют опасности. Единственная причина, по которой мы в принципе можем видеть гамма-всплески, это потому, что мы находимся на пути пучков: так как в этих пучках сфокусирован весь свет гамма-всплеска, если они в нас не попадают, мы совсем ничего не видим. Поэтому, если они достаточно далеко, вы просто видите моргнувший слабый огонек, и вот он уже погас. Но если вы находитесь слишком близко…

Последствия гамма-всплеска очень похожи на последствия от вспышки сверхновой, что неудивительно. Это связанные явления, так как гамма-всплески образуются в сверхновых, и в обоих случаях излучаются огромные количества энергии в гамма-диапазоне, рентгеновском диапазоне и видимом диапазоне.

В чем их отличие, так это в способности сеять разрушения на разных расстояниях. В случае сверхновой, которая испускает излучение и материю во все стороны, эффект быстро снижается с расстоянием. Как мы видели в главе 3, на расстоянии свыше 25–50 световых лет или около того они, судя по всему, безобидны.

Но гамма-всплески — это направленные пучки. С расстоянием их блеск снижается не так быстро, поэтому даже далекие всплески опасны. Очень далекие.

Все гамма-всплески разные, и это усложняет прогнозирование. Но наблюдений уже было сделано достаточно, поэтому мы в состоянии немного усреднить и оценить последствия типового гамма-всплеска, что бы «типовой» ни значило, когда вы имеете дело с Армагеддоном, сфокусированным в смертельный луч.

Давайте опишем место действия.

Зачем ходить вокруг да около? Предположим, что гамма-всплеск произошел очень близко: на расстоянии в 100 световых лет. Даже на таком близком расстоянии диаметр пучка гамма-всплеска был бы гигантским, 80 трлн км. Это означает, что вся Земля, вся Солнечная система оказались бы поглощены им, как песчаная блоха, захваченная цунами.

К счастью, гамма-всплески длятся относительно недолго, поэтому пучок будет воздействовать на нас в течение от менее секунды до нескольких минут. Средний всплеск длится примерно десять секунд.

Это недолго по сравнению с вращением Земли, поэтому пучок ударил бы только по одному полушарию. Второе полушарие было бы в относительной безопасности… по крайней мере, в течение некоторого времени. Самые печальные последствия были бы в местах, находящихся непосредственно под гамма-всплеском (где вспышка была бы видна прямо над головой, в зените), и минимальными там, где вспышка была бы видна на горизонте. Но все равно, как мы увидим, ни одно место на Земле не было бы в полной безопасности.

Необузданная энергия, которая была бы сброшена на Землю, ошеломляет. Это больше, чем самые жуткие кошмары холодной войны: это все равно что со стороны гамма-всплеска взорвать ядерную бомбу мощностью в одну мегатонну над каждыми 2,5 км2 планеты. Этого (вероятно) недостаточно, чтобы закипели океаны или чтобы с Земли сорвало атмосферу, но разрушения были бы за гранью понимания.

Имейте в виду, все это от объекта, находящегося на расстоянии 900 трлн км.

Любой, кто бы посмотрел в момент вспышки на небо, мог бы ослепнуть, хотя пик яркости в видимом диапазоне был бы достигнут, вероятно, только через несколько секунд — достаточно для того, чтобы вздрогнуть и отвернуться. Не то чтобы это сильно помогло.

У тех, кто в тот момент был бы застигнут на улице, были бы большие проблемы. Если бы даже они не обгорели от жара — а так и было бы, — они бы мгновенно получили смертельный ожог от огромного потока ультрафиолетового излучения. Озоновый слой был бы уничтожен буквально мгновенно, и УФ-излучение как от гамма-всплеска, так и от Солнца беспрепятственно достигало бы поверхности Земли, делая ее, а также океаны на глубину до нескольких метров бесплодными.

И это только от УФ-излучения и жары. Кажется жестоким даже упоминать гораздо, гораздо худшие последствия воздействия гамма- и рентгеновского излучения.

Вместо этого давайте немного отвлечемся. Гамма-всплески — невероятно редкое явление. Хотя они, скорее всего, происходят несколько раз в день где-нибудь во Вселенной, сама Вселенная очень большая. В настоящее время вероятность того, что один из них произойдет на расстоянии 100 световых лет от нас, равна нулю. Совершенному, абсолютному нулю. Рядом с нами совсем нет звезд, которые могли бы в принципе породить гамма-всплеск. Ближайший кандидат в сверхновые находится дальше, а гамма-всплески — гораздо более редкие явления, чем сверхновые.

Полегчало? Хорошо. Теперь попробуем более реалистичный подход. Что является ближайшим кандидатом в источники гамма-всплеска?

В небе южного полушария есть ничем не примечательная для невооруженного глаза звезда. Называется она Эта Киля, или попросту Эта, тусклая звездочка в толпе более ярких звезд. Однако ее тусклый свет обманчив, за ним скрывается ее неистовство. Вообще-то она находится на расстоянии примерно 7500 световых лет — фактически это самая удаленная звезда, которую можно видеть невооруженным глазом.

Сама звезда[35] — монстр: ее масса может составлять 100 масс Солнца или даже больше, и она излучает в 5 млн раз больше энергии, чем Солнце, — за одну секунду она испускает столько света, сколько Солнце испустит за два месяца. Периодически у Эты случаются спазмы, и она изрыгает огромные количества материи. В 1843 г. у нее случился такой бурный припадок, что она стала второй по яркости звездой в небе, даже на таком огромном расстоянии. Она выбросила гигантские количества материи, превышающие десять масс Солнца, на скорости свыше 1,5 млн км/ч. Сегодня мы видим последствия того взрыва в виде двух огромных облаков расходящейся материи, похожих на выстрел космической пушки. То событие было практически таким же мощным, как и сверхновая.


Смерть с небес. Наука о конце света

У Эты есть все признаки назревающего гамма-всплеска. Она наверняка взорвется как сверхновая, но неизвестно, будет это гамма-всплеск по типу гиперновой или нет. Также следует отметить, что, если она взорвется и испустит гамма-всплеск, ориентация этой системы такова, что пучок не попадет по Земле. Мы можем это определить по геометрии газовых облаков, выброшенных во время припадка 1843 г.: доли раздувающегося газа наклонены относительно нас под углом примерно 45°, и любые гамма-всплески были бы направлены вдоль той оси. Поясню конкретнее: в ближайшей или даже среднесрочной перспективе гамма-всплеск от Эты или еще откуда-либо нам не угрожает.

Но все равно интересно поразмышлять «а что, если». Что, если бы Эта была нацелена на нас и превратилась в гиперновую? Что бы тогда произошло?

Скажу опять, ничего хорошего. Несмотря на то что она бы даже не приблизилась по яркости к Солнцу, она была бы такой же яркой, как Луна, или даже в десять раз ярче. Вы не смогли бы смотреть на нее, не сощурившись, но такая яркость продлилась бы всего несколько секунд или минут, поэтому, вероятно, никакого долгосрочного ущерба для жизненных циклов флоры или фауны не было бы.

Поток ультрафиолетового излучения был бы интенсивным, но кратким. Люди, находящиеся на улице, получили бы солнечные ожоги умеренной степени, но, по всей вероятности, статистически значимого роста случаев рака кожи в будущем не наблюдалось бы.

Но с гамма- и рентгеновским излучением ситуация совершенно другая. Атмосфера Земли поглотила бы эти виды излучения, и последствия этого были бы гораздо хуже, чем в случае близкой вспышки сверхновой.

Самым прямым последствием был бы мощный электромагнитный импульс, гораздо мощнее, чем тот, что возник на Гавайях во время ядерных испытаний устройства Starfish Prime. В этом случае ЭМИ мгновенно разрушил бы любое неэкранированное электронное устройство в том полушарии Земли, которое было направлено в сторону всплеска. Компьютеры, телефоны, самолеты, автомобили, любой объект с электроникой перестали бы работать. Это также относится к энергосистемам: в линиях электропередачи был бы наведен огромный ток, приводящий к их перегрузке. Люди оказались бы без электричества и без каких бы то ни было средств дальней связи (оборудование всех спутников перегорело бы от гамма-излучения в любом случае). Это было бы не просто неудобством, потому что это означает, что больницы, пожарные части и другие службы экстренной помощи также остались бы без электричества.

Но, как мы увидим через мгновение, службы экстренной помощи могут нам и не понадобиться…

Последствия для атмосферы Земли были бы серьезными. Ученые пристально изучают такую ситуацию. Используя те же модели, что описаны в главе 3, и исходя из допущения, что гамма-всплеск возник на расстоянии Эты, они определили, какими будут последствия. И эти последствия совсем не радуют.

Озоновый слой подвергся бы серьезному удару. Гамма-излучение от всплеска полностью разрушило бы молекулы озона. Озоновый слой во всем мире сократился бы в среднем на 35 %, причем в некоторых отдельных регионах он уменьшился бы больше чем на 50 %. Это невероятно вредно само по себе — заметьте, наши сегодняшние проблемы с озоном вызваны относительно небольшим снижением, всего на 3 % или около того.

Последствия этого очень длительные и могут сохраняться годами — даже через пять лет озоновый слой может оставаться на 10 % тоньше. В течение этого времени на поверхности Земли УФ-излучение от Солнца было бы более интенсивным. Микроорганизмы, образующие основу пищевой цепочки, очень чувствительны к нему. Множество их погибло бы, приводя к возможному вымиранию других видов, располагающихся выше на пищевой цепи.

В довершение ко всему образовавшаяся при гамма-всплеске от Эта Киля красновато-коричневая двуокись азота (см. главы 2 и 3), существенно сократила бы количество солнечного света, достигающего Земли.

Точные последствия этого определить сложно, но кажется вероятным, что уменьшение количества солнечного света на всей Земле даже на несколько процентов (двуокись азота распространилась бы по всей атмосфере) привело бы к значительному остыванию Земли и могло бы, предположительно, стать инициирующим фактором для ледникового периода.

Помимо этого, в той химической смеси, которую представляли бы кислотные дожди, содержалось бы достаточно азотной кислоты, и это также, теоретически, имело бы опустошительные последствия для окружающей среды.

Далее, есть проблема с субатомными частицами (космическими лучами) от всплеска. Какой ущерб был бы от них, конкретно неизвестно. Но, как мы обсуждали в главах 2 и 3, высокоэнергетические частицы могут приводить к самым разнообразным последствиям на Земле. Гамма-всплеск на расстоянии 7500 световых лет запустил бы огромное количество субатомных частиц в нашу атмосферу, и они бы летели на скорости чуть менее скорости света. Всего через несколько часов после возникновения всплеска они уже ворвались бы в нашу атмосферу, пролившись ливнем из мюонов. Мы постоянно наблюдаем прилетающие из космоса мюоны, но в небольших количествах. Однако ближний гамма-всплеск сгенерировал бы массу мюонов. Одна группа астрономов рассчитала, что на поверхность Земли обрушилось бы до 46 млрд мюонов на см2 по всему полушарию, направленному на всплеск[36]. Кажется, что это очень много — ну да, так и есть. Эти частицы пролились бы каскадом с неба и были бы поглощены всем, что окажется у них на пути. Учитывая, насколько хорошо ткани тела могут поглощать мюоны, астрономы, выполнившие расчет, обнаружили, что ничем не защищенный человек получил бы дозу облучения, в десятки раз превосходящую смертельную. Прятаться не сильно поможет: мюоны могут проникать в воду на глубину почти 2 км и до 800 м в скальные породы! Поэтому пострадало бы практически все живое на Земле.

Так что разрушение озонового слоя не было бы такой уж большой бедой. К тому времени, как оно превратилось бы в проблему, большинство животных и растений на Земле уже давно были бы мертвы.

Это кошмарный сценарий, описанный в начале этой главы. Однако прежде, чем вы начнете паниковать, вспомните: возможный гамма-всплеск Эты Киля наверняка будет направлен не в нашу сторону. Но, пока мы не закруглились, скажу, что есть и другой возможный прародитель гамма-всплеска, о котором нам нужно помнить. Он называется WR 104 и по совпадению находится примерно на таком же расстоянии от нас, что и Эта. WR 104 — двойная система, одна из звезд которой — раздувшаяся массивная зверюга, приближающаяся к концу своей жизни. Она может взорваться, испустив гамма-всплеск, и может быть направлена более или менее на нас, но оба этих предположения неточные. По всей вероятности, этот монстр нам также не угрожает, но о нем стоит упомянуть.

Это было недавно, это было давно

Итак, похоже, сейчас нам ничто не угрожает, и это хорошо. Вероятность того, что поблизости произойдет гамма-всплеск, крайне мала… но Земле уже много лет. Возможно ли, что в прошлом нам доставалось от подобных явлений?

С точки зрения статистики довольно вероятно, что когда-то в прошлом по Земле попадал пучок гамма-излучения от относительно близкого всплеска. Хотя сверхновые — достаточно распространенное явление, они опасны для нас, только если находятся близко. Гамма-всплески случаются намного реже, но они опасны на гораздо больших расстояниях. Согласно некоторым исследованиям, какой-нибудь гамма-всплеск возникает на опасном для Земли расстоянии один раз за несколько сотен миллионов лет или около того.

Оказывается, что могут даже иметься свидетельства одного такого события в прошлом Земли. Конец эпохи динозавров, возможно, самый известный эпизод массового вымирания в истории, но оно не было крупнейшим. Примерно 440 млн лет назад завершился ордовикский период, когда с лица Земли было стерто до половины всех видов жизни. Все произошло быстро, и, судя по всему, это были два отдельных события, разделенные, возможно, миллионом лет. Причина этого долгое время оставалась загадкой для ученых.

Мог ли гамма-всплеск стать детонатором этого массового вымирания? Существует множество заманчивых подсказок. При гамма-всплеске есть все основания предполагать, что УФ-облучение более негативно скажется на животных и растениях, обитающих у поверхности океанов, чем на глубоководных существах. И свидетельства этому находятся в палеонтологии. У трилобитов, этих любопытных, похожих на крабов животных, доминировавших в океанах в то время, есть стадия личинки. По-видимому, во время события, вызвавшего массовое вымирание, личинки, жившие у поверхности воды, пострадали больше тех, которые жили в глубине. Следовательно, то, что вызвало внезапное вымирание, чем бы оно ни было, вероятно, пришло сверху, с неба. Более того, риск вымирания был также выше для животных с более длительными стадиями личинки в жизненном цикле, чем для тех, у которых стадия личинки была короче. Оба этих факта согласуются с внезапным ростом интенсивности УФ-излучения, которое могло причинять вред на мелководьях, но не в глубоких местах. Животные с более длительными стадиями личинки поглотили бы больше опасного УФ-излучения и погибли бы преимущественно от него.

Что интересно, такие закономерности не наблюдаются в других явлениях массового вымирания, а это говорит о том, что причина ордовикского вымирания была необычной. Гамма-всплескам можно дать много определений, но «необычные» было бы на одном из первых мест в списке.

Второе ордовикское массовое вымирание было связано с быстрым охлаждением Земли и последующим обледенением. Это также согласуется с последствиями ближнего гамма-всплеска: ливень космических лучей и последующий рост содержания двуокиси азота в атмосфере внесли бы свой вклад в возможное глобальное похолодание. Действительно, некоторые исследователи обнаружили, что в то время глобальное оледенение на Земле не могло произойти без какого-либо «инициирующего события», то есть некоего внешнего механизма, запустившего его. Вероятно, этим событием был гамма-всплеск.

Это интересное свидетельство, возможно даже убедительное, но не достаточное. Как обычно, требуются дополнительные исследования. Но оно дает повод призадуматься о том, что событие, произошедшее тысячи лет назад и на расстоянии триллионов километров, может иметь такие серьезные последствия для жизни на Земле.

Излучая уверенность

Стоит ли нам волноваться о гамма-всплесках?

Один из ответов — нет, поскольку в случае гамма-всплеска мы ничего не сможем сделать. А так как гамма-излучение движется со скоростью света — это на самом деле свет, — мы не получим буквально никаких предупреждений о том, что к нам направляется пучок. Так что, зачем волноваться?

С другой стороны, вполне возможно, что в принципе не о чем волноваться.

Почти каждый когда-либо наблюдавшийся гамма-всплеск приходил из невероятно далекой галактики. Но в астрономии расстояние — это то же, что время: чем дальше вы смотрите, тем более далекое прошлое вы видите. Когда мы наблюдаем гамма-всплеск в галактике, находящейся на расстоянии 9 млрд световых лет, мы видим ту галактику такой, какой она была 9 млрд лет назад. Гамма-всплески были частым явлением в прошлом, но по мере старения Вселенной они случаются все реже и реже.

Это важно, потому что галактики со временем меняются. На ранних этапах своей жизни галактики содержат меньше тяжелых элементов, таких как кальций, железо и кислород; эти элементы создаются в сверхновых и после их вспышек разносятся по галактикам, а на это требуется время. Оказывается, что умирающие звезды, содержащие меньше тяжелых элементов, легче генерируют гамма-всплески. А так как, благодаря прошлым поколениям сверхновых, большинство массивных звезд, образующихся в настоящее время, имеют в своем составе много тяжелых элементов, у них меньше шансов выдать гамма-всплески.

Более того, чтобы при взрыве испустить гамма-всплеск, звезда должна быстро вращаться перед коллапсом, иначе может не образоваться аккреционный диск, который питает пучки. Оказывается, звезды с более высоким содержанием тяжелых элементов, как правило, вращаются не настолько быстро. Но это не потому, что элементы более массивные! Более тяжелые элементы лучше поглощают свет, исходящий из внутренних областей звезды, чем более легкие. Поэтому звезда, в газе которой много тяжелых элементов, горячее и ярче, чем звезда с меньшим содержанием тяжелых элементов. Благодаря этому частицы на поверхности звезды легче уносятся звездным ветром — эквивалентом солнечного ветра, но исходящим не от Солнца, а от другой звезды.

Покидающие звезду частицы подхватывает вращающееся магнитное поле звезды. И это создает эффект парашюта, который, в свою очередь, замедляет вращение звезды: представьте, что вы кружитесь вокруг себя, держа в руке открытый полиэтиленовый пакет; пакет захватывает воздух и тормозит ваше вращение из-за возникающего сопротивления. То же происходит и со звездами: со временем их вращение замедляется, потому что магнитное поле оказывает сопротивление звездному ветру. Собственно, именно поэтому Солнце оборачивается вокруг себя всего один раз за месяц. Вероятно, когда оно было молодым, оно крутилось гораздо быстрее, но за миллиарды лет солнечный ветер, прорываясь сквозь магнитное поле, замедлил его вращение.

Поэтому звездный ветер сильнее у звезд, в которых много тяжелых элементов, и они, как правило, вращаются медленней. Обратное утверждение — звезды, в которых меньше тяжелых элементов, как правило, вращаются быстрее, — означает, что звезды, которые родились на более ранних этапах жизни Вселенной, дадут больше гамма-всплесков, чем звезды, родившиеся не так давно. Главная идея всего этого в том, что гамма-всплески от гиперновых — взрывающихся массивных звезд — будут сегодня более редкими явлениями, чем в далеком прошлом.

Другими словами, вам не нужно так уж сильно волноваться о них.

Коротко, но не ясно

Значит нам, уютно устроившимся в Галактике, которой 12 млрд лет, с ее тяжелыми элементами и медленно вращающимися звездами, такая форма гибели не грозит?

Может быть. А может, и грозит. Если помните, существует два разных вида гамма-всплесков: одни длятся больше двух секунд, а другие короче. Те, что возникают при коллапсе ядра массивной звезды, — это длинные гамма-всплески. А что насчет коротких?

В понимании коротких всплесков важную роль сыграли два спутника NASA. Миссии «Исследователь кратковременных высокоэнергетических событий — 2» (High Energy Transient Explorer 2, HETE-2) и Swift зарегистрировали десятки коротких гамма-всплесков. Эти обсерватории помогли астрономам сформулировать идею, что короткие гамма-всплески могут происходить при слиянии двух плотных нейтронных звезд. Нейтронная звезда образуется, когда ядро звезды, превращающейся в сверхновую, недостаточно массивно, и из него не может образоваться черная дыра. Во многих случаях массивные звезды образуются парами и обращаются вокруг друг друга. В нашей Галактике наблюдается много таких пар очень массивных звезд. Со временем более массивная звезда взорвется и превратится в нейтронную звезду. Позднее взрывается и вторая звезда, также превращаясь в нейтронную звезду.

Под воздействием разных сил миллиарды лет спустя орбиты двух звезд сожмутся. Два сверхплотных объекта будут все сильнее и сильнее сближаться по спирали… а затем наконец они подойдут друг к другу так близко, что буквально сольются воедино. Их суммарной массы может оказаться достаточно для того, чтобы возникла черная дыра, а если еще останется достаточно материи, она образует аккреционный диск. В этот момент события похожи на те, что происходят в ядре массивной звезды, когда она взрывается: аккреционный диск, невероятные магнитные поля, и мощные силы тяготения черной дыры фокусируют двойные пучки, вырывающиеся наружу.

Модели таких событий показывают, что эти всплески гамма-излучения были бы гораздо короче по длительности, чем гамма-всплески от массивной звезды, и это гамма-излучение было бы более мощным. Оба этих прогноза соответствуют наблюдениям. Существуют и другие модели, полученные в результате наблюдений (например, двойная система «черная дыра — нейтронная звезда» с похожими результатами), но это преобладающая теория.

Главное отличие между гамма-всплесками от слияния нейтронных звезд и от массивной звезды, превращающейся в гиперновую, — это время до возникновения всплеска: если сегодня мы почти не ожидаем увидеть гамма-всплески от гиперновых, то гамма-всплесков от слияния нейтронных звезд должно быть много. Сближение орбит двух нейтронных звезд, приводящее к их слиянию, продолжается миллиарды лет, поэтому такие явления должны происходить и в наши дни. Все это вполне может быть так, но в абсолютных цифрах двойные нейтронные звезды гораздо менее распространены, чем их более массивные коллеги. Это может объясняться их довольно редким происхождением — существует гораздо больше отдельных массивных звезд, которые могут взорваться, чем двойных массивных звезд, — поэтому сложно понять, сколько потенциальных источников коротких гамма-всплесков имеется в нашей Галактике. Мы знаем множество двойных нейтронных звезд, каждая из которых может стать источником коротких всплесков жесткого гамма-излучения… еще через несколько миллиардов лет. О таких, которые могли бы испустить гамма-всплески через сто, или тысячу лет, или даже в следующий миллион лет, нам неизвестно. Но, в отличие от массивных звезд, невероятно ярких и заметных, двойные нейтронные звезды испускают очень мало света, и их сложно обнаружить.

Крайне маловероятно, что на опасном расстоянии от нас есть такие. Но полностью исключить это также невозможно.


Смерть с небес. Наука о конце света

Яркое будущее

Как всегда, что нам нужно, так это больше наблюдений. Так как гамма-всплески — это самые мощные взрывы из тех, что мы знаем (и, вероятно, самые мощные, на которые способна Вселенная), они представляют большой научный интерес. Они очень много говорят нам о том, что происходит с материей и энергией на крайних пределах энергий, как рождаются и ведут себя черные дыры, а также об их окружении. Разумеется, нам еще многое неизвестно о гамма-всплесках. Со времени спутников Vela мы прошли большой путь; в 2004 г. NASA запустило спутник Swift, столь важный для понимания происхождения коротких всплесков жесткого излучения. И он зарегистрировал сотни гамма-всплесков, включая тот, что пришел с расстояния 12,8 млрд световых лет, самый дальний из всех когда-либо наблюдавшихся. Наблюдения спутника Swift дали глубокое понимание как длинных, так и коротких всплесков, добавив столь необходимые данные к теоретическим моделям.

Когда мы узнаем больше о гамма-всплесках, мы сможем точнее оценить опасность, которую они представляют, в том числе как они могли влиять на жизнь на Земле в прошлом. Несмотря на то что в случае гамма-всплеска, вероятно, мы ничего не сможем сделать — очень маловероятно, что он вообще случится, — всегда лучше иметь хорошее представление о ситуации.

Так что, нужно беспокоиться? Меня постоянно об этом спрашивают, и мой ответ простой: я знал людей, которые погибли при самых маловероятных обстоятельствах, включая автомобильные аварии, и одного, который погиб от удара молнии. А сколько людей, убитых гамма-всплеском, знаете вы?

Глава 5. Бездонные пропасти черных дыр

ИМЕННО АСТРОНОМ-ЛЮБИТЕЛЬ, КОТОРЫЙ ВСЕГДА НАЧЕКУ, ЧУЕТ ПЕРВЫЕ ПРИЗНАКИ БЕДЫ.

Он надеялся сделать несколько снимков Урана через свой автоматизированный телескоп, но компьютер упорно разворачивал его в другом направлении. Перейдя в ручной режим, астроном в конце концов находит планету в нескольких угловых минутах от расчетного положения. Озадаченный, он звонит другу, и быстро выясняется, что у того такая же проблема. Поиск по нескольким форумам в интернете свидетельствует о том, что многие астрономы во всем мире сталкиваются с тем же самым.

День за днем ситуация только ухудшается. Теперь уже, похоже, и с Юпитером происходит что-то странное. Однако Сатурн, который сейчас находится с другой стороны от Солнца, вроде бы в порядке. Ползут слухи.

Затем ситуация становится очень странной. Обсерватория для наблюдения за Солнцем и проведения гелиосферических исследований, находящаяся на орбите, где силы тяготения Земли и Солнца равны, начинает смещаться. Инженеры озадачены, но вскоре им приходится решать другие проблемы. Теперь Марс не на месте. На Красную планету летит зонд NASA: попадет ли он на нее? Но вскоре это уже под вопросом, так как космический аппарат также смещается. Через несколько дней становится ясно, что зонд потерян… и что зонд — это наименьшая из наших проблем.

Астрономы, наблюдающие за Солнцем, обнаруживают, что его положение также сместилось. Этого не может быть! Что может сдвинуть целую звезду?.. Но очень быстро они понимают, что проблема не с Солнцем, а с Землей. Как и другие планеты, Земля уже не вращается вокруг Солнца как обычно, а сходит со своей предначертанной орбиты.

Распространяется паника. Ученые приходят к очевидному выводу: к Земле приближается некий массивный объект, и его притяжение смещает нас с курса. По данным о движении других планет они определяют положение этого объекта, но на том участке неба ничего нет.

Как ни странно, именно тот факт, что они ничего не видят, подтверждает их самые мрачные прогнозы: это черная дыра. После анализа ее траектории становится ясно, что она движется практически прямо на нас с невероятной скоростью 800 км/с. По расчетам астрономов, ее чудовищная масса в десять раз больше массы Солнца — такой легко накликать конец света для нас на Земле. Сначала ее гравитационное воздействие еле ощущается, но быстро нарастает.

Всего через несколько недель после обнаружения первых признаков проблемы, когда черная дыра все еще находится в 480 млн км от нас, ее гравитационное воздействие на Землю сравнивается с гравитационным воздействием Солнца. Земля уже обращается не вокруг одной звезды: она захвачена двумя — одной живой, другой мертвой. Еще через несколько дней влияние черной дыры перевешивает влияние Солнца. Схватив Землю невидимыми пальцами, сколлапсировавшая звезда отрывает нас от Солнца и притягивает к себе.

По мере приближения гравитационные приливные силы черной дыры начинают растягивать Землю. Приливные силы от Луны вызывают приливы и отливы в океанах, но масса черной дыры в 200 млн раз превышает массу Луны. Даже с расстояния в миллионы километров приливная сила черной дыры вызывает обширные наводнения, мощные землетрясения, гигантские цунами.

Вскоре нанесен решающий удар. Когда черная дыра подходит на расстояние всего 11 млн км, ее силы тяготения, ощущаемые объектами на поверхности Земли, сравниваются с силами тяготения самой Земли. Горстка выживших людей после событий последних дней внезапно начинают чувствовать невесомость, так как их тянет вверх и вниз с одинаковой силой.

Через несколько минут, когда черная дыра подходит еще ближе, сила, направленная кверху, начинает преобладать. Вздымающийся ураганный поток воздуха уносит невесомых людей вместе с камнями, автомобилями, океанами…

Через час все кончено. Колоссальные силы тяготения мертвой звезды разрывают Землю в клочки, превращая ее в пар. Вещество, когда-то бывшее нашим родным миром, падает в ненасытную утробу дыры, все быстрее кружась вокруг нее, образуя диск из разогретой до миллиона градусов плазмы, прежде чем нырнуть с концами.

Все также плавно и спокойно черная дыра продолжает свой путь, прочь из Солнечной системы, оставляя за собой хаос, разбросанные планеты и смерть.

Черная правда

Что такое эти черные дыры? Не укладывающаяся в голове физика, абсолютная разрушительная мощь, каким сверхъестественным образом они искажают наши представления о реальности, пространстве и времени?

Может быть, они очаровывают нас просто потому, что они такие крутые.

Рождающиеся в адском сердце сверхновой, возвещающие о своем появлении двойными пучками ярости, не знающими преград, и поглощающие (почти) все, что попадается им на пути, черные дыры прочно сидят в общественном сознании. Им посвящают фильмы, телевизионные передачи, книги, бессчетные статьи и бесконечные дискуссии. И при всем этом восхищении и интересе большинство людей имеют лишь смутное представление о том, что такое черные дыры и какими они обладают способностями.

Но никогда не забывайте — они опасны. Черная дыра может убить вас разными способами. Некоторые из них простые, а некоторые очень замысловатые. Если вы не напрашиваетесь на неприятности, все эти способы крайне маловероятны, но если вам нужны массовые разрушения в крупных масштабах, тогда черная дыра — это подходящая идея.

Я упал и не могу подняться

Как говорилось в главе 4, согласно определению, черная дыра — это объект, скорость убегания (вторая космическая скорость) для которого равна скорости света или превышает ее. Это означает, что все, что попадает в дыру, выбраться из нее не может, потому что, насколько нам известно, ничто не может двигаться со скоростью больше скорости света.

Следовательно, первая и самая очевидная опасность от черной дыры — это, буквально, падение в нее. Если такое происходит, ну что ж, ничего не поделаешь. Это поездка в один конец. С вами покончено. Больше не о чем говорить.

Это не очень-то впечатляющий способ, которым черная дыра может расправиться с вами — никаких лучей смерти, никаких массовых и ужасных разрушений. Просто плюх! И вас уже нет.

Такое отсутствие драматизма как-то скучновато для рассказа. Но это также противоречит здравому смыслу[37]. Если вы находитесь на ракете, погружающейся в черную дыру, разве нельзя просто развернуть ракету, включить двигатели на самую полную мощность и улететь?

Нет, нельзя. Исключительно мощные силы тяготения вблизи черной дыры заставляют нас изменить свой взгляд на пространство, время и движение.

С математической точки зрения притяжение, которое вы ощущаете от объекта, уменьшается с квадратом расстояния до него; удвойте свое расстояние до объекта, и его притяжение, которое вы ощущаете, упадет в 2 × 2 = 4 раза. Отойдите в десять раз дальше, и притяжение упадет в 10 × 10 = 100 раз. Отдаляйтесь на сколь угодно большое расстояние — притяжение продолжает действовать, и эта сила никогда на самом деле не снижается до нуля[38].

Итак, представьте, что вы находитесь на поверхности Земли (это должно быть достаточно просто) и держите в руках мяч. Вы подбрасываете его в воздух. Летящий вверх мяч тянет вниз сила тяготения, замедляя его скорость. В конце концов мяч останавливается (скорость = 0), после чего начинает падать на Землю, постоянно ускоряясь, пока вы не поймаете его.

Теперь представьте, что вы подбросили мяч очень высоко, скажем, на несколько километров. Он летит вверх, а сила тяготения тянет его вниз, замедляя движение, но чем выше он поднимается, тем слабее становится сила тяготения, потому что он удаляется от Земли. Поэтому да, он замедляется, но чем выше он поднимается, тем медленнее он начинает замедляться, потому что с высотой притяжение ослабевает.

Это означает, что, если вы сможете подбросить мяч с подходящей скоростью, силы тяготения будут замедлять его с такой же интенсивностью, с какой сами будут ослабевать. Мяч будет постоянно замедляться, но так никогда и не достигнет нулевой скорости. Он будет постоянно удаляться от Земли, но все медленнее и медленнее.

Это определение второй космической скорости, или скорости убегания, — начальная скорость, которую вы должны придать подброшенному телу, такая, при которой оно будет постоянно удаляться от объекта (такого как Земля), постоянно замедляясь, но никогда не останавливаясь и не падая обратно на поверхность.

Если вы подбросите мяч со скоростью чуть меньше второй космической, он улетит далеко, но в конце концов вернется. Если вы подбросите его сильнее, он просто улетит. При второй космической скорости — 11,18 км/с на поверхности Земли — мяч как раз сможет преодолеть притяжение Земли.

Однако, так как притяжение ослабевает с расстоянием, вторая космическая скорость также уменьшается с расстоянием. Если бы вы стояли на вершине очень высокой горы, скорость, с которой вам нужно было бы подбросить мяч, была бы чуть меньше скорости, которую вам нужно придать ему на уровне моря. Кроме того, вторая космическая скорость — это импульс; то есть это скорость, которую вам нужно сразу придать объекту, чтобы он смог преодолеть притяжение. Если каким-то образом вам удастся продолжать увеличивать скорость летящего вверх тела, тогда концепция второй космической скорости становится немного сложней.

Например, вы действительно можете улететь от Земли на более низкой скорости, чем вторая космическая, — по крайней мере, вторая космическая скорость на поверхности. Предположим, у вас есть ракета с неистощимым запасом топлива. Вы запускаете ее со скоростью, скажем, 96 км/ч и регулируете тягу так, чтобы поддерживать именно такую скорость, не замедляясь и не ускоряясь. В конце концов ракета отойдет от Земли на такое расстояние, где притяжение планеты гораздо слабее и скорость убегания упала до 96 км/ч.[39] В этот момент вы преодолели притяжение, но вовсе не на скорости 11,18 км/с — второй космической скорости на поверхности Земли.

Значит, мы можем экстраполировать это на черные дыры, так? Если бы я провалился в черную дыру и имел достаточно большую ракету, то мог бы использовать ее тягу и улететь достаточно далеко от дыры, туда, где скорость убегания становится более приемлемой. И тогда я свободен!

Печально, но это не сработает. Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке, именно как в примере выше. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!

Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство — это объект. Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты. Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры — это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры — сферические[40], а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их — это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.

Так что все следующие описания водопадов, утесов и всего такого — это сравнения, двухмерные представления искривленной трехмерной реальности. Вам от этого, вероятно, легче не станет, но Вселенная умеет причинять нам неудобства. Если бы это было не так, эту книгу было бы не о чем писать.

А сейчас вернемся к регулярным плановым смертям и разрушениям от черных дыр.

Но черная дыра не просто создает прогиб пространства; она вырезает бездонную яму, бесконечно глубокую дыру с вертикальными стенками. Как только вы в нее попали, выбраться оттуда вы не сможете ни на какой скорости. Вы проваливаетесь в нее, и ничто вас не может удержать. Скорость убегания на поверхности черной дыры — называемой горизонтом событий — это скорость света[41].

Более точным было бы рассуждать об этом, пользуясь математическими формулами Эйнштейна и физическими принципами относительности. Эндрю Гамильтон, астрофизик с кафедры астрофизики и планетологии Университета штата Колорадо в Боулдере, довольно долго изучал черные дыры и у него есть интересное сравнение:

Понять, что происходит, будет легче, если представить, что черная дыра подобна водопаду. Только в черную дыру падает не вода, а само пространство. Снаружи горизонта событий скорость падения пространства меньше, чем скорость света. На горизонте пространство падает со скоростью света. А внутри горизонта пространство падает быстрее, чем свет, унося с собой все, даже свет. Такое представление черной дыры как области пространства-времени, где пространство падает быстрее света, это не просто хорошая концептуальная картинка… у нее есть прочное математическое обоснование [подчеркиваю].


Может показаться, что это нарушает еще один закон Эйнштейна — ничего не может двигаться быстрее, чем свет, — но это применимо только к физическим объектам, обладающим массой (и к самому свету). Пространство же отличается от материи и света (еще одна из великих идей Эйнштейна), поэтому оно может вести себя как захочет, в частности двигаться быстрее света.

Если вы находитесь внутри горизонта событий, пространство стекает в черную дыру быстрее скорости света… и, если вы проваливаетесь, оно уносит вас с собой. Если вы попытаетесь выгрести против водопада, у вас ничего не получится, потому что вы никогда не сможете заставить свою лодку двигаться вверх быстрее, чем текущая вниз вода. Так и внутри черной дыры: в пространстве, текущем с транссветовой скоростью к ее центру, вы не сможете выгребать в своей ракете достаточно быстро. Вы обречены.

Можно представить это и по-другому, но такое сравнение будет еще более фантастическим (если такое вообще возможно). Если вы взглянете на (чертовски сложные) уравнения, описывающие поведение пространства и времени вблизи черной дыры, вы обнаружите, что внутри горизонта событий переменные, представляющие пространство, ограничены. Вне черной дыры — например, там, где вы находитесь сейчас, — вы можете свободно двигаться в пространстве: вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо. Однако внутри черной дыры эта свобода исчезает. Движение возможно лишь в одном направлении — вниз[42].

Черные дыры забавны: даже такое элементарное действие, как движение, оказывается сложным. Но основной вывод таков: если вы проваливаетесь, что бы там ни было, вам конец.

Тайм-аут

Или не конец?

Другая великая идея Эйнштейна заключалась в том, что время и пространство тесно переплетены, настолько, что мы даже используем для них один термин — пространство-время. Когда Эйнштейн формулировал свою теорию относительности, он осознавал, что для кого-то, кто движется относительно кого-то еще, как пространство, так и время выглядят по-другому. Возможно, вы об этом уже слышали: представьте двух людей, каждый на своем космическом корабле и каждый держит часы. Если один космический корабль движется очень быстро относительно другого, оба астронавта будут видеть, что часы другого идут медленнее, а его собственные идут нормально.

Это не механическая проблема с часами; это физическое проявление, вплетенное в ткань самого пространства-времени. И это не просто догадка: бессчетные эксперименты доказали, что Эйнштейн был совершенно прав. Так как пространство и время — это две стороны одной медали, относительное движение сквозь пространство влияет на то, как мы воспринимаем время.

Более того, поток времени также искажают силы тяготения. Чем ближе вы к объекту, обладающему большими силами тяготения, тем медленнее будут идти ваши часы — будет создаваться впечатление, что время течет медленнее, — для того, кто находится дальше от массивного объекта. Вы же будете уверены в том, что ваши часы идут абсолютно точно. Повторю, это было также подтверждено экспериментами. Если хотите прожить дольше, найдите самое низко расположенное место! На вас будут действовать бо́льшие силы тяготения, а другим будет казаться, что ваши биологические часы идут медленнее. Разумеется, на Земле этот эффект незначителен, потому что ее силы тяготения очень слабые. Возможно, вы проживете на микросекунду дольше на уровне моря по сравнению с тем, если бы вы жили на вершине горы, но только и всего. А что еще хуже — сами вы не заметите разницы, так как для вас ваши часы будут идти точно вне зависимости от того, где вы находитесь[43].

Но сил тяготения (и времени, которое нужно убить) у черных дыр в изобилии. Время вблизи черной дыры очень сильно замедляется. Представьте, что вы астронавт и находитесь у черной дыры. Вы оставляете второго пилота и позволяете черной дыре затянуть вас. По мере того, как вы приближаетесь к ней, вашему другу, уютно устроившемуся в безопасности своей капсулы, будет казаться, что ваше время течет медленнее, чем его собственное. Чем ближе вы к горизонту событий черной дыры, тем медленнее течет ваше время. Вы пытаетесь переговариваться с ним, но ваши фразы начинают ра-а-ас-с-с-тя-я-я-ги-и-и-ва-а-ать-ся-я-я…

Когда вы проваливаетесь в черную дыру, по сути, вы летите вместе с проваливающимся пространством. Чем ближе вы, тем быстрее и быстрее оно начинает падать. На горизонте событий пространство проваливается в дыру со скоростью света. С точки зрения вашего напарника, наблюдающего за вами по свету, который вы испускаете, вы так никогда и не пересечете горизонт событий, потому что свет, который вы излучаете, поднимается с такой же скоростью, с какой пространство опускается. Это все равно что стоять на месте. Насколько он может сказать, вы будете оставаться в подвешенном состоянии на горизонте событий бесконечно и никогда не провалитесь.

Однако с точки зрения билета в бессмертие — это не очень приятная поездка. Потому что это только восприятие вашего друга. Для вас это просто падение. Плюх! Для вас горизонт событий — это не какое-то особое место или время, и ваши часы продолжают идти. Вы проваливаетесь прямиком в центр (в сингулярность, где вся материя сжата в точку) — и это конец.

Некоторые спорят, что из-за этого растяжения времени вы никогда не провалитесь в черную дыру, но это ошибочное представление. Наверняка провалитесь — и больше не вернетесь. Ваши друзья могут это воспринимать по-другому, но они-то сидят в безопасном месте, а вы падаете в черную дыру, поэтому какое вам дело до того, что они думают?

Спагет-ти

Кое в чем черная дыра не сильно отличается от любого другого объекта.

У всего, что имеет массу, имеются силы тяготения. У вас они есть и у меня. У бревна, у Земли, у Солнца, а также у черной дыры. Притяжение от объекта, которое вы ощущаете, определяется всего двумя факторами. Первый — масса этого объекта: удвойте массу объекта, и притяжение, которое вы ощущаете, также удвоится[44].

Второй фактор, от которого зависят силы тяготения, — на каком расстоянии вы находитесь от объекта, или, точнее, ваше расстояние от центра масс объекта. Помните, как описано выше, силы тяготения уменьшаются с квадратом расстояния, то есть эти силы увеличиваются с таким же темпом по мере того, как вы приближаетесь к объекту.

Возьмем Солнце. Оно очень массивное — 2 × 1027 т (это двойка с 27 нулями), что весьма впечатляет, — и оно довольно большое, примерно 1 391 000 км в поперечнике. Если бы вы могли стоять на поверхности Солнца, не испарившись, вы бы ощущали притяжение в 28 раз больше того, что вы чувствуете здесь, на Земле.

Но это, собственно, максимальное притяжение, которое вы могли бы ощутить от Солнца. Если вы отодвинетесь (хорошая идея), притяжение, которое вы ощущаете, уменьшится, потому что вы будете находиться дальше. А если вы стоите на его поверхности, вы не сможете приблизиться еще сильнее. В противном случае вы очутились бы внутри Солнца — ближе к его центру, но теперь между вами и его поверхностью находится определенная масса. Вы можете представить, что эта масса тянет вас кверху, немного компенсируя силу тяготения, тянущую вас вниз[45]. По мере приближения к центру Солнца притяжение, которое вы ощущаете, уменьшается. А в самом центре вы не ощущали бы притяжения совсем.

Но теперь давайте немного изменим ситуацию. Давайте сожмем Солнце так, чтобы его масса осталась без изменений, но диаметр стал, скажем, 5,8 км. Так как вся масса теперь утрамбована в сферу диаметром всего 1/240 000 от первоначального, сила тяготения на поверхности взмывает… Но притяжение, которое вы ощущали бы на расстоянии 695 500 км (начальный радиус Солнца), было бы абсолютно таким же!

Сами подумайте: масса такая же, и ваше расстояние (от центра масс сжатого Солнца) такое же. Так как силы тяготения зависят только от этих двух параметров, притяжение, которое вы ощущаете, точно такое же, какое было у Солнца нормальных размеров.

Разница в том, что, если вы приближаетесь, сила тяготения растет. Раньше она уменьшалась, потому что вы были внутри Солнца. Но теперь Солнце стало маленьким, поэтому вы можете приближаться и приближаться, и при этом сила тяготения увеличивается. Она будет постоянно расти, пока вы не приблизитесь на расстояние 2,9 км от центра (половина диаметра), и в этой точке у вас начнутся настоящие проблемы.

Почему? Потому что ту цифру — 5,8 км — я взял не из воздуха. При таком диаметре силы тяготения Солнца были бы настолько большими, что даже свет не мог бы убежать (держу пари, вы гадали, к чему я клоню). Правильно — если бы мы могли сжать Солнце до таких размеров, оно стало бы черной дырой.

Важный момент здесь заключается в том, что на большом расстоянии сила тяготения черной дыры действует точно так же, как и сила тяготения гораздо большего объекта, но такой же массы. На огромном расстоянии притяжение черной дыры с массой в десять раз больше массы Солнца ощущалось бы точно так же, как и притяжение нормальной звезды с массой в десять раз больше массы Солнца[46].

Черные дыры опасны, потому что есть риск приблизиться к ним. Именно в этом заключена реальная мощь черных дыр. Они необязательно массивнее других объектов — многие звезды гораздо более массивны, чем черные дыры. Их сила в размере. Или в его отсутствии: они маленькие. Они настолько малы, что вы можете оказаться очень близко, а по мере приближения к ним их притяжение возрастает колоссально.

Если бы вы были достаточно храбрым — или безрассудным, — чтобы приблизиться к черной дыре, вы бы наблюдали удивительные последствия. Более того, просто сногсшибательные.

Когда вы падаете в черную дыру вниз ногами, ваша голова будет находиться примерно на 180 см дальше от черной дыры, чем ноги (в зависимости от вашего роста, разумеется). Так как силы тяготения зависят от расстояния до центра, черная дыра будет притягивать ваши ноги сильнее, чем голову. На большом расстоянии эта разница в гравитационном воздействии на голову и на ноги невелика, но по мере приближения она будет увеличиваться.

Эта разница называется приливной силой[47]. На Землю действует приливная сила Луны: притяжение Луны тянет ту сторону Земли, которая находится ближе к ней, немного сильнее, чем обратную. От этого Земля под Луной выпячивается. Но, как это ни странно, поверхность Земли выпячивается с двух сторон: под Луной и с обратной, дальней стороны от Луны.

Это объясняется тем, что Луна притягивает сильнее центр Земли, чем ее противоположную сторону — центр Земли находится ближе к Луне. Поэтому, по сути, Луна оттягивает центр Земли от противоположной стороны; результат — «горб» на противоположной от Луны стороне Земли. Для объекта, на который действуют приливные силы, это подобно растяжению — как если бы вы взяли один конец резиновой ленты в одну руку, а второй конец в другую и развели руки в стороны.

Приливная сила подобна силе тяготения, но, если сила тяготения увеличивается обратно пропорционально квадрату расстояния, приливы становятся сильнее обратно пропорционально кубу. Уменьшите свое расстояние до объекта наполовину, и сила тяготения увеличится в четыре раза, а приливная сила увеличится в восемь раз. Приблизьтесь в десять раз, и сила тяготения увеличится в 100 раз, а приливы в 1000 раз.

Очевидно, это будет проблемой.

Скажем, вы астронавт, парите в скафандре над обычной черной дырой с массой, допустим, в пять раз больше массы Солнца, горизонт событий которой имел бы диаметр 29 км. Астрономы называют такие объекты черной дырой звездной массы, потому что ее масса примерно такая же, как у звезды[48]. Давайте также допустим, что вы находитесь очень далеко, на расстоянии примерно 16 000 км. Если вы начнете свое падение оттуда, даже если вы сначала стояли на месте, всего через пару секунд вы окажетесь на горизонте событий! На таком расстоянии невероятное притяжение дыры в 270 000 раз сильнее, чем притяжение Земли. Но что странно — вы бы этого не почувствовали. Так как вы находились бы в свободном падении и ничто не противодействовало бы гравитационному воздействию, вы бы ощущали невесомость, как парашютисты в падении несколько первых секунд затяжного прыжка или астронавты на орбите Земли.

На таком расстоянии приливная сила, обусловленная разницей в 180 см между вашей головой и ступнями, незаметна.

Через секунду или около того ваше падение ускорится. Последние 8000 км до горизонта событий вы промчитесь примерно за одну секунду. Если бы вы могли реагировать быстрее, соображать быстрее (поскольку жить вам осталось всего одну секунду, и мы хотим, чтобы вы понимали, какие ужасы происходят с вами), вы могли бы заметить странное ощущение, такое чувство, как будто бы вас растягивает в двух направлениях, одновременно к черной дыре и от нее, как если бы вы были канатом в игре на перетягивание каната. Общая сила, действующая на ваше тело, по-прежнему огромна, но приливы от черной дыры генерируют небольшое дополнительное усилие на ваши ступни, направленное к черной дыре, равное примерно четверти земного притяжения, и такое же усилие будет приложено к вашей голове, но в направлении от черной дыры. Если вы весите 72 кг, это ощущалось бы так, как будто к вашим ногам привязали 18-килограммовую гирю и такая же гиря тянула бы вашу голову вверх. Это неприятно, но не смертельно. Однако от этого у вас буквально волосы встанут дыбом. К несчастью, через долю секунды все изменится.

На расстоянии 2500 км ощущения гораздо сильнее. Как будто бы вас растягивает как конфету-тянучку — сила, действующая на ваши ступни и направленная вниз, теперь в десять раз больше силы тяготения Земли, 725 кг веса. И такая же сила тянет вашу голову вверх! Кровь приливает к вашей голове, и вы теряете сознание (то, что пилоты истребителей называют «красная пелена», в отличие от потемнения в глазах, когда кровь отливает от мозга). Это оказывается благом. На следующие несколько миллисекунд вам лучше бы отключиться.

Именно тогда начинаются настоящие неприятности. На расстоянии 800 км от черной дыры приливные силы, действующие в противоположных направлениях, разрывают вас с чудовищным усилием в 550 раз больше силы тяготения Земли, свыше 40 т веса. Человеческое тело не в состоянии выдерживать такие нагрузки. Мягкие ткани разрываются, а ваши голова и ступни лопаются от крови, заливающей их с силой в сотни ньютонов.

На расстоянии 80 км от черной дыры приливы превышают силу притяжения Земли больше чем в 700 000 раз. Это как будто бы вас подвесили над пропастью, привязав к ногам круизный лайнер. Ваши кости переламываются пополам, затем еще раз и еще раз, на крошечные кусочки.

Но погодите! Это еще не все: вас не просто растягивает в длину, вас еще сжимает. Ваш левый бок падает к центру черной дыры по слегка отличающейся траектории, чем та, к которой стремится правый бок. Оба пытаются упасть в центр дыры по прямой; поэтому на ваш правый бок действует сила, направленная влево, а на левый бок — направленная вправо. От этого вас сжимает, и эта сила тоже невероятно мощная, примерно такая же, как и сила растяжения. Вас растягивает и сжимает.

Вы — тюбик с зубной пастой в стальном кулаке черной дыры. Вы превращаетесь в тонкую «спагеттину» человеческой тянучки.

Когда ваши ступни — то, что когда-то было вашими ступнями, — находятся прямо над горизонтом событий черной дыры, в вас уже не узнать человека. Вас растянуло в невероятно тонкую линию, в километры длиной, как макаронную нить. Ученые называют этот процесс спагеттификацией[49].

И тут черная дыра, как будто бы оценив сравнение, засасывает вас, причмокивая.

Так что, видите, просто провалиться в черную дыру — это не единственный способ, которым она может убить вас. Само путешествие туда — это половина удовольствия.

Поджарен светом

Как мы обсуждали в главе 4, рождающаяся черная дыра может сеять разрушения невообразимых масштабов, выстреливая пучки излучения, прожигающие парные дыры в галактике. Пучки генерируются, когда материя коллапсирующей звезды образует аккреционный диск вокруг черной дыры и из него по спирали проваливается в дыру. Благодаря участвующим в этом процессе невероятным магнитным полям, вдоль оси вращения диска выстреливают пучки.

Оказывается, что такая ситуация возникает не только в момент рождения черной дыры. Всякий раз при падении материи в черную дыру может образоваться такой диск и также могут генерироваться пучки. Например, если черная дыра вращается вокруг нормальной звезды (они образуют двойную систему, в которой одна звезда изначально имела очень высокую массу, а затем взорвалась и образовала черную дыру), она может высасывать материю из второй звезды. Обычно такое происходит, когда нормальная звезда приближается к концу своей жизни и становится гигантом (см. главу 8); при этом черная дыра может затягивать ее наружные оболочки.

Поступающая материя образует аккреционный диск, такой же как и при рождении черной дыры, и этот диск невероятно разогревается. Удивительно, но в основном этот нагрев вызывает вполне обычная, хорошо известная сила — трение! При приближении к черной дыре материя начинает вращаться все быстрее и быстрее. Из-за чудовищных сил тяготения частицы, которые находятся чуть ближе к черной дыре, могут двигаться существенно быстрее, чем те, что немного дальше. Они трутся друг о друга и от трения нагреваются.


Смерть с небес. Наука о конце света

Как принято у черных дыр, они ничего не делают наполовину. От этого трения диск может разогреться буквально до миллионов градусов. Такая раскаленная материя излучает во всем электромагнитном спектре, от радиоволн до рентгеновских лучей[50]. Более того, генерируется столько света, что, как ни странно, черные дыры (точнее, их аккреционные диски) могут быть одними из самых ярких объектов во Вселенной.

Именно так была открыта первая черная дыра. Когда запустили первые спутники, регистрирующие рентгеновское излучение, они обнаружили множество таких источников высокоэнергетического излучения в небе. Одним из источников оказалась гигантская звезда в созвездии Лебедя. Несмотря на то что этот объект по имени HDE 226868 — настоящий громила (его масса в 30 раз больше массы Солнца), у звезды просто нет харизмы для такого мощного рентгеновского излучения, которое наблюдалось. И точно, полученные спектры звезды[51] свидетельствовали о том, что вокруг нее вращается другой объект с массой, примерно в семь раз превышающей массу Солнца, однако на изображениях ничего не было видно. Значит, это должна была быть черная дыра: звезду с массой в семь раз больше, чем масса Солнца, было бы легко обнаружить. Плюс это, естественно, объясняет рентгеновское излучение, вырывающееся из той системы: черная дыра (названная Лебедь X-1) перетягивала на себя материю гигантской звезды и выстреливала рентгеновские лучи, когда вещество, кружась, спускалось навстречу своей погибели.

И под «выстреливает» я именно это и имею в виду — выстреливает. Если взять всю энергию, излученную Солнцем, и сложить ее, то в одном лишь рентгеновском диапазоне черная дыра будет в 10 000 раз ярче. Это один из самых ярких источников рентгеновского излучения в небе, даже на расстоянии 6500 световых лет. Если бы она была на расстоянии всего нескольких световых лет, ее рентгеновское излучение могло бы представлять угрозу нашим спутникам и астронавтам, участвующим в космической программе (см. главу 2).

Так что черная дыра даже необязательно должна быть особенно близко к вам, чтобы представлять опасность.

Лебедь X-1 — это ближайшая к Земле черная дыра из известных, но, оценив, сколько рождается звезд, которые могут превратиться в черные дыры за все существование Млечного Пути, ученые прикинули, что в одной нашей Галактике, возможно, существуют миллионы других черных дыр.

Я знаю, что вы думаете: «Миллионы? Миллионы черных дыр таятся в Галактике? А-а-а!»

Ну а что, да. Это страшно, так что, может быть, нам следует выделить минутку и поговорить об этом тоже…

Просто пролетая

В Галактике полно черных дыр. Они повсюду! Но что, если одна окажется у нас на пороге? Повлияет ли это на планеты, и даже на Землю?

Давайте сразу скажем: это практически невозможное событие. Космос большой, и в нем есть где околачиваться.

Галактика Млечный Путь — это скопление газа, пыли и сотен миллиардов звезд, удерживаемых вместе благодаря гравитации. Наша Галактика спиральная, и ее главным признаком является плоский диск диаметром 100 000 световых лет с огромными красивыми спиральными рукавами, как у детской вертушки на палочке. Чтобы вы могли представить, насколько она велика: Солнце, находящееся примерно на полпути от центра до кромки диска, обращается вокруг центра Галактики со скоростью 225 км/с, и даже на такой скорости ему требуется гораздо больше 200 млн лет на один полный оборот.

Все звезды, которые вы видите в небе, находятся относительно близко, большинство на расстоянии менее 100 световых лет — это крошечная доля от размеров Галактики. Ближайшая известная звезда — это тройная система Альфа Центавра, расположенная на расстоянии чуть больше четырех световых лет. Это примерно 40 трлн км, так что у нас тут на галактических окраинах не так уж тесно.

В течение жизни Солнца некоторые звезды наверняка подходили к нам ближе, чем Альфа Центавра, но это зависит от того, что вы подразумеваете под словом «близко». Космос большой, а звезды маленькие. Одно исследование показало, что на расстоянии примерно в один парсек (3,26 светового года, или 32 трлн км) мимо Солнца проходит всего одна звезда в 100 000 лет, и это расстояние все равно слишком большое, чтобы мы почувствовали притяжение этой звезды. Более близкие контакты случаются еще реже, и крайне маловероятно, чтобы звезда прошла от нас настолько близко, чтобы ее гравитация существенно повлияла на Землю.

Это касается звезд в целом. На каждую черную дыру в Галактике приходятся тысячи звезд. Надеюсь, вы начинаете понимать, что шансы на близкий контакт с черной дырой довольно низки. Самая близкая известная нам черная дыра — как мы уже знаем — Лебедь X-1, расположенная довольно далеко, на расстоянии 1600 световых лет. Это в некотором роде не лучший пример для книги с нашим заголовком, но мы не должны закрывать глаза на реальное положение дел, даже если черные дыры не представляют для нас угрозы.

Тем не менее, как и с другими темами в главах книги, об этом интересно поразмышлять. Что бы произошло, если бы черная дыра нанесла нам визит?

Вероятнее всего, мы бы никогда ее не увидели. Если бы она путешествовала в космосе в одиночестве, она просто была бы именно черной дырой в пространстве, невидимой. Черная дыра звездной массы обычно имеет всего несколько километров в поперечнике, поэтому ее можно заметить, только когда уже будет слишком поздно[52].

Ближние звезды обращаются вокруг центра Млечного Пути примерно в том же направлении и примерно с той же скоростью, что и Солнце, но только примерно. Как и в случае автомобилей на гоночной трассе, небольшая разница в скорости означает, что некоторые автомобили обгоняют друг друга. Несмотря на то что автомобили могут ехать со скоростью 300 км/ч, они обгоняют друг друга относительно медленно, на скорости всего несколько километров в час. То же верно применительно к звездам. Солнце, а также другие ближние звезды, обращаются вокруг центра Галактики со скоростью 258 км/с. Обычная скорость, с которой они движутся относительно Солнца, гораздо меньше, всего несколько десятков километров в секунду. Чтобы на таких скоростях пройти от орбиты Плутона до орбиты Земли, звезде понадобятся годы.

Но, оказывается, есть исключения. Некоторые звезды — настоящие лихачи, и, что интересно, мы видим, как некоторые компактные объекты, такие как нейтронные звезды, мчатся по Галактике на удивительно больших скоростях, на сотни километров в секунду быстрее, чем можно было ожидать.

Сначала эти странствующие звезды были загадкой, но сейчас считается, что их высокие скорости обусловлены взрывом сверхновой, в котором эти звезды родились. Если сам взрыв сверхновой был слегка смещен, больше направлен в одну сторону, чем в другую, вещество и энергия, выбрасываемые из звезды, будут действовать как ракета, толкая звезду в противоположном направлении. Невероятно, но даже слегка смещенный взрыв может передавать огромную энергию остающейся после взрыва нейтронной звезде, разгоняя ее до высоких скоростей. Кроме того, если прародитель сверхновой находится в тесной двойной системе, обращаясь вокруг другой звезды, орбитальные скорости могут составлять несколько сотен километров в секунду. Когда прародитель взрывается, обе звезды разлетаются в противоположных направлениях на больших скоростях.

В любом случае физически это возможно, даже вероятно, что нейтронная звезда или черная дыра могут пробегать километры по Галактике в очень хорошем темпе.

Что, если она направляется в нашу сторону? Выживем ли мы, если мимо нас пройдет черная дыра с массой, в десять раз превышающей массу Солнца, и движущаяся на скорости, скажем, 800 км/с (высокая, но правдоподобная скорость)?[53]


Смерть с небес. Наука о конце света

Сценарий, описанный в начале этой главы, должен дать вам представление о том, что случится дальше. Но, разумеется, это зависит от того, насколько близко объект подойдет к Земле. Давайте пробежимся по событиям, происходящим при сближении, и посмотрим.

По мере того как мародерствующая черная дыра приближается к Солнечной системе, планета будет ощущать ее притяжение, а также притяжение Солнца. Когда черная дыра подходит ближе, планета чувствует, что ее притяжение усиливается. Как игрушка, которую двое жадных детишек рвут друг у друга из рук, орбита планеты начнет искажаться. Если черная дыра проходит достаточно далеко (скажем, с противоположной стороны от Солнца), планета может быть в относительной безопасности — ее орбита, возможно, станет чуть более вытянутой, только и всего. Но, если объект подходит достаточно близко, его притяжение будет преобладать над притяжением Солнца, особенно для более далеких планет, таких как Уран или Нептун, где силы тяготения Солнца относительно слабы. Если такое происходит, планета может начать обращаться вокруг черной дыры, или, что более вероятно, от гравитационного воздействия дыры планету просто выбросит из Солнечной системы, как камень из рогатки. В целом, при контакте, в котором участвуют два массивных тела (такие как звезда и черная дыра) и маленькое тело (планета), очень вероятно, что маленькое будет вытолкнуто из системы.

Таков масштаб катастрофы, о которой мы рассуждаем: целые планеты буквально смахивает щелчком пальцев.

По мере приближения черной дыры к Земле мы, ее обитатели, сначала не заметим особых изменений в притяжении, но Земля как объект заметит. Чем ближе черная дыра, тем сильнее возмущения орбиты Земли вокруг Солнца. Когда дыра будет находиться от Земли на расстоянии примерно в три раза большем, чем расстояние от Земли до Солнца, или приблизительно 480 млн км, ее притяжение сравнится с притяжением Солнца[54]. Когда такое происходит, Земля перестает быть «привязанной» к Солнцу. Она могла бы упасть на Солнце, или провалиться в черную дыру, или быть выброшенной из Солнечной системы.

Что вы предпочитаете? Ну-у… варианта «жили долго и счастливо» тут нет.

Не то чтобы у нас был большой выбор. А дальше все будет только ухудшаться.

Приливная сила от черной дыры, ответственная за спагеттификацию нашего незадачливого астронавта, о котором мы говорили ранее, начнет также воздействовать на Землю. На расстоянии 480 млн км, где притяжение дыры равно притяжению Солнца, приливная сила составляет примерно треть от приливной силы Солнца. Это не много (гораздо меньше, чем приливы, вызванные Луной) и вряд ли причинит какой-либо ущерб.

Но с каждой секундой черная дыра приближается еще на 800 км, проходя 69 млн км каждый день. На такой скорости она может проделать 480 млн км примерно за неделю, поэтому через день или около того вызванные ею приливы начинают преобладать. К тому времени, когда она подойдет к Земле на такое же расстояние, как и расстояние до Солнца, ее приливы будут в пять раз сильнее, чем приливы от Луны. Прибрежные города и поселения будут затоплены и могут ощущаться слабые землетрясения.

Через день она уже вполовину ближе к нам, чем Солнце. Теперь ее приливы в 40 раз сильнее приливов от Луны. На побережья обрушиваются приливные волны[55] многометровой высоты, убивая миллионы людей. И с каждой минутой сила становится все мощнее и мощнее.

Всего несколько часов спустя, когда черная дыра находится всего в 11 млн км (в 30 раз дальше, чем Луна), кто-то, находящийся на поверхности Земли, ощутит такое же притяжение от черной дыры, как и от самой Земли. В течение всего нескольких мгновений вы оказались бы невесомы и даже, лишь слегка подпрыгнув, взлетели бы.

Наслаждайтесь, пока можете. Поразительно, но на таком расстоянии приливы от черной дыры в 20 000 раз сильней приливов от Луны (которые когда-то были — мощное гравитационное воздействие черной дыры уже выбросило бы Луну с орбиты вокруг Земли). Земля испытывает колоссальные нагрузки, и землетрясения были бы сильней, чем любые когда-либо зарегистрированные. Целые континенты начало бы разрывать на части, а вулканы извергались бы не переставая.

Наконец приливы становятся такими сильными, что Земля не выдерживает. Ее разрывает на части, вытягивает как спагетти планетарного масштаба. То, что осталось от нашей когда-то цветущей планеты, разорвано в клочки, нагрето до миллионов градусов и спускается по спирали в чрево черной дыры.

И это, повторюсь, в принципе, все.

Удивительно, но все это время сама черная дыра настолько мала, чуть меньше 64 км диаметром, что, даже если бы она не была совершенно черной, она все равно была бы всего лишь точкой в небе. Только самые мощные телескопы смогли бы разглядеть что-то большее… но повторюсь, она черная. Там ничего не увидеть.

Что касается прогноза для остальных объектов Солнечной системы — он зависит от траектории черной дыры. Само Солнце может пережить этот визит относительно спокойно, если дыра не подойдет к нему слишком близко. В противном случае его разорвет. Если черная дыра пройдет мимо на достаточном расстоянии, возможно, траектория Солнца в Галактике лишь слегка изменится, а само Солнце может выжить.

Разве это не утешает?

Черненькие дырочки

Самая маленькая черная дыра, которая может образоваться из сверхновой, будет иметь диаметр примерно 20 км, и это очень страшно. Представьте: это примерно в два раза больше горы Эверест и в 3 квадрильона раз больше ее массы.

Ужас! Но если большая дыра страшная, то маленькая должна быть миленькой?

В отношении черных дыр — нет. Все они довольно страшные. Но могут ли в принципе существовать черные дыры меньших размеров?

Теоретически — да. Они называются первичными черными дырами (или черные мини-дыры, или иногда даже квантовые черные дыры). Такие дыры были бы очень маленькими, с массами гораздо меньше дыр звездной массы и, может быть, даже меньше массы Земли. Их никогда не наблюдали, но, возможно, бессчетные экземпляры таких черных дыр плавают в глубинах космоса. Они называются первичными, потому что их возраст равен возрасту самого космоса.

В самом начале Вселенной, всего через несколько мгновений после Большого взрыва, огромные энергии и сгустки материи разбрасывало вокруг, как снежинки в метели. Само пространство было сложено как фигурка оригами, и в течение кратчайшего из мгновений, практически сразу после начального Взрыва, условия были таковыми, что относительно небольшое количество материи могло быть сжато колоссальными силами. Если бы плотность материи увеличилась достаточно сильно и достаточно быстро, она сформировала бы настоящий горизонт событий и стала черной дырой. Эти черные мини-дыры могли бы иметь очень скромную массу, порядка массы горы, несколько миллиардов или триллионов тонн.

Такая крошечная черная дыра была бы диковинным объектом даже для черной дыры. Горизонт событий был бы крошечным: черная дыра с массой Земли была бы всего около сантиметра в поперечнике — это размер стеклянного шарика для игр. Дыра с массой астероида или горы была бы гораздо меньше атома!

Очевидно, такую черную дыру было бы еще сложней обнаружить, чем обычную. Поэтому, возможно, их никогда и не видели (хотя, честно говоря, их может и вовсе не существует; это по-прежнему только теория). Даже если бы они поглощали материю, поток, идущий к черной мини-дыре, был бы настолько мал, что они были бы невидимы даже с относительно небольших расстояний.

Но у черных мини-дыр есть секрет. Вам может показаться, что черные дыры постоянно растут, бесконечно пожирая материю и энергию, все больше увеличиваясь в размерах. Но оказывается, что черные дыры, возможно, не вечны. Они могут испаряться.

В 1970-х гг. ученый Стивен Хокинг выдвинул одну идею. Она выглядела довольно безумной, но, когда вы имеете дело с черными дырами, идеи очень быстро переходят в категорию «безумных». Применив законы квантовой механики и термодинамики к черным дырам, Хокинг пришел к мысли, что в некотором смысле у черных дыр есть температура. Они на самом деле могут излучать энергию, совершенно как нормальная материя. Та энергия должна откуда-то возникать, и он предположил, что она возникает из самой массы черной дыры.

Вот как это происходит. В квантовой механике правила, по которым играет Вселенная, становятся по-настоящему причудливыми. Энергия и масса взаимозаменяемы, причем энергия легко может конвертироваться в массу и наоборот[56]. Но другой странный факт заключается в том, что само пространство может изрыгать небольшие количества энергии ниоткуда, из ничего, если хотите. Более того, ткань пространства кишит энергией, которая может вырваться в реальный мир.

Может показаться, что это нарушает одно из самых базовых свойств Вселенной: вы не можете создать или уничтожить энергию или материю. Обычно это так и есть. Но эта энергия, возникшая из ничего, может существовать только очень короткое время, пока уходит обратно в ничто, откуда появилась, очень быстро.

Это как брать кредит в банке. В конце концов вам приходится его возвращать. И чем больше вы занимаете, тем лучше побыстрее вам его вернуть.

Если Вселенная решает извергнуть чуточку энергии, ничего страшного, при условии, что она быстро возвращается в ткань пространства. Если это происходит достаточно быстро, все законы природы сохраняются.

Но, если это происходит около горизонта событий черной дыры, ситуация становится щекотливой. Силы тяготения черной дыры могут фрагментировать этот пучок энергии, создавая материю. В большой Вселенной такое происходит постоянно: гамма-лучи — вид энергии (излучение) — могут преобразоваться в материю, если столкнутся друг с другом или будут взаимодействовать с материей. Так как во всем должен сохраняться баланс, создаются две частицы: одна — нормальной материи, например старый добрый электрон, а вторая — антиматерии. Антиматерия — это в точности как материя, но с противоположным зарядом, поэтому антиэлектрон (называемый позитроном) имеет положительный заряд. Это уравновешивает отрицательный заряд электрона, и в космических бухгалтерских книгах сохраняется баланс.

Но, если такое происходит на самой границе горизонта событий, может получиться так, что одна частица провалится, а вторая останется на свободе. Она может улететь, и далекому наблюдателю покажется, будто бы черная дыра испустила частицу. Этот баланс масс (или, что то же самое, энергии) нужно восстановить, и это происходит за счет массы черной дыры. По сути, черная дыра потеряла крошечное количество массы[57].

Можно представить это и по-другому, используя приливную силу. Около горизонта событий черной дыры появляются частицы — хоп! Приливная сила от черной дыры растаскивает две частицы в разные стороны. Одна проваливается, вторая вырывается. Для разделения частиц требуется энергия, которую нужно откуда-то взять. Она берется из самой черной дыры — помните, энергия и масса эквивалентны, поэтому, когда такое происходит, черная дыра теряет крошечный кусочек материи.

Это очень медленный процесс, и он зависит от массы черной дыры. Чем меньше масса черной дыры, тем меньше горизонт событий и тем легче такому процессу произойти (или точно так же, чем меньше масса, тем сильнее приливы вблизи горизонта событий). Так как черная дыра излучает массу и энергию, весь этот процесс выглядит так, как если бы у черной дыры была температура — она теплая и излучает энергию, чтобы остыть. Чем меньше черная дыра, тем выше температура, так как она быстрее теряет массу и энергию. Это, в свою очередь, означает, что массивные черные дыры проживут дольше, чем дыры меньших размеров, так как они излучают свою массу медленней. Черная дыра звездной массы будет иметь температуру всего примерно 60 миллиардных долей градуса!

Но черные дыры меньших размеров, быстрее испускающие частицы, будут «горячее». Температура теряющей массу дыры растет, и это означает, что она излучает материю еще быстрее… это неуправляемый, постоянно разгоняющийся процесс. Как только дыра приблизится к определенной массе, примерно 1000 т, она испускает всю остающуюся энергию менее чем за секунду. Бум! Получается взрыв. Мощный взрыв: энергия и материя вырвались бы из черной дыры эквивалентно 1 млн ядерных бомб мощностью в 1 Мт.

Черная мини-дыра, образовавшаяся при зарождении Вселенной, с массой примерно миллиард тонн, сейчас была бы как раз на этом этапе. Любая дыра с меньшей массой уже давным-давно бы испарилась, а более массивные были бы по-прежнему стабильны. Черная дыра звездной массы может жить-поживать в течение невероятно долгого времени, прежде чем начнет волноваться про испарение; прогнозируемая продолжительность жизни такой дыры более 1060 лет, что гораздо, гораздо больше, чем нынешний возраст Вселенной (но см. главу 9, где описано, что происходит, когда этот срок в конце концов наступает).

Никаких взрывов квантовых черных дыр никогда не наблюдалось (хотя в течение определенного времени выдвигались предположения, что это может объяснить всплески гамма-излучения), но даже то количество энергии было бы сложно зарегистрировать на расстоянии многих световых лет. Могут ли квантовые черные дыры бродить по Галактике? Что бы произошло, если бы одна из них подошла слишком близко? Была бы она так же опасна, как и черная дыра звездной массы?

Представьте, что к Земле направляется черная дыра массой 10 млрд т — это примерная масса небольшой горы. Она слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить по искажению звезд на заднем плане — она меньше одной триллионной сантиметра в поперечнике, меньше, чем атом. Ее сил тяготения было бы недостаточно, чтобы повлиять на планеты, Луну или Землю, которые гораздо, гораздо массивней. Однако мы бы заметили ее достаточно заблаговременно: благодаря излучению Хокинга она бы неистово горела с температурой в миллиарды градусов! Оттого что она такая маленькая, она была бы тусклее, чем самая тусклая звезда, видимая невооруженным глазом, но такие спутники, как обсерватория NASA Swift, могли бы зарегистрировать при ее приближении излучаемые ею гамма-лучи.

Наконец, она погружается в нашу атмосферу. При падении сквозь воздух она не затянула бы в себя много вещества; притяжение черной дыры массой 10 млрд т едва бы ощущалось, даже на расстоянии нескольких метров. Но ближе, на расстоянии меньше пары сантиметров, ее силы тяготения были бы в сотни раз больше земных. Она бы засосала весь воздух, находящийся от нее на таком расстоянии. Этот воздух мог бы образовать небольшой и временный аккреционный диск, но при обычных скоростях столкновения, составляющих несколько километров в секунду, для этого вряд ли было бы время до того, как она уйдет под поверхность Земли.

Для такой черной дыры твердая материя Земли — все равно что хороший вакуум. Так как она гораздо меньше атома, она прошла бы прямиком сквозь Землю, а на сверхзвуковых скоростях у нее было бы мало шансов поглотить много материи. Наверняка она двигалась бы быстрее, чем вторая космическая скорость для Земли, поэтому пронеслась бы прямо сквозь нас, став, возможно, лишь самую чуточку тяжелее, после чего полетела бы весело по своим делам.

Впрочем, это не очень опасно. И не очень интересно. Давайте-ка возьмем ту, что побольше.

Предположим, вместо этой у нас будет черная дыра с массой, равной массе самой Земли, и в результате серии незадачливых обстоятельств, она направляется прямиком к нам. Более того, чтобы уж точно получить интересные результаты, давайте также предположим, что она движется очень медленно относительно Земли, всего несколько километров в секунду. Это весьма маловероятно — можно сказать, что такого, возможно, не произошло бы ни разу, даже если бы Вселенная была в тысячу раз старше, — так что это просто предположение из серии «а что, если», и вам не стоит из-за этого всю ночь не смыкать глаз.

Создать условия для такого медленного сближения было бы сложно, но не невозможно. Например, если бы первичная черная дыра двигалась достаточно медленно для начала и по дороге завернула бы к одной-двум планетам и к Луне, ее орбита могла бы измениться настолько, что она смогла бы столкнуться с Землей, вместо того чтобы уйти в космос. Это был бы красивый гравитационный танец и менее вероятный, чем, скажем, забить все шары в лузы с начального удара десять раз подряд при игре в пул. Но мы хотим побольше действия, поэтому посмотрим, что это нам даст.

Ситуация была бы… интересной. Прежде всего, мы бы никогда не обнаружили ее приближение непосредственно. Излучение Хокинга от нее было бы очень слабым; ее температура была бы такой же, что и у окружающего космического пространства[58], значительно ниже нуля, поэтому она не излучала бы никакого заметного света. Однако мы бы заметили ее по косвенным признакам. По мере ее приближения мы бы ощущали огромные приливные силы. Черная дыра очень маленькая, примерно 1 см в поперечнике, размером со стеклянный шарик, но имеет массу, равную массе всей Земли. Помните, что на большом расстоянии ее силы тяготения такие же, как и у Земли. Луна пострадала бы очень серьезно; вероятнее всего, ее с силой выбросило бы с орбиты вокруг Земли. Если бы все сложилось определенным образом, возможно, скорость движения Луны относительно Земли замедлилась бы настолько, что она рухнула бы на нас как гигантский камень, которым она и является. В этом случае черная дыра была бы наименьшей из наших забот. От выделенной при ударе энергии поверхность Земли испарилась бы и все живые существа на ней, вплоть до основания земной коры, погибли бы.

Несмотря на то что это довольно апокалиптическая картина, мы хотим, чтобы в этом фантастическом сценарии поучаствовала черная дыра, поэтому давайте предположим, что Луну выбрасывает. Что произойдет при приближении черной дыры к Земле?

Когда она все еще на расстоянии 384 000 км, как от Земли до Луны, ее приливы были бы огромными, в 80 раз сильнее приливов Луны. По мере ее приближения приливная сила растет, вызывая землетрясения и наводнения.

В конце концов черная дыра падает в нашу атмосферу. В тот момент, когда она находится, скажем, на высоте 160 км от поверхности Земли, разрушения были бы невообразимые. Одно только притяжение было бы грандиозным: вы бы ощущали силу, тянущую вас кверху, к черной дыре, в 1600 раз сильнее, чем притяжение Земли! Любой, оказавшийся в пределах видимости приближающейся черной дыры, был бы поднят на воздух и унесен, как листок потоком торнадо.

Проходя сквозь нашу атмосферу, она засасывала бы довольно много газа, возможно создавая аккреционный диск и излучая высокоэнергетические лучи. Возникла бы мощная ударная волна, как при ядерном взрыве, которая вызвала бы разнообразные разрушения — если бы к тому моменту еще оставалось что разрушать.

Когда черной дыре остается меньше 2 км до земли, любой, кто мог бы еще стоять (на самом деле таких уже не осталось бы), почувствовал бы как приливная сила, в 40 000 раз превосходящая притяжение Земли, пытается разорвать его на части. Спагеттификация была бы неизбежна. Все на поверхности Земли было бы буквально разорвано на клочки.

Когда через мгновение черная дыра достигает твердой поверхности, скорость захвата вещества возросла бы, значительно нагревая его. Возможно, достаточно энергии выделилось бы очень быстро, и это было бы похоже на взрыв… но в тот момент такой вариант развития событий довольно спорный.

Для невероятно плотной черной дыры Земля, по сути, представляет собой вакуум. Она бы прошла более или менее свободно сквозь нашу планету. При этом ее яростные приливы разорвали бы поверхность Земли, разрушая все за собой.

В каком-то смысле, это очень плохо. Мы бы пропустили реально страшную часть.

Черная дыра настолько плотная, что она, по сути, обращалась бы вокруг центра Земли внутри самой Земли. Когда она проходила бы сквозь вещество Земли, даже микроскопический кусочек породы, если бы он находился слишком близко к черной дыре, ощущал бы невероятную разницу в притяжении, которая легко могла бы равняться миллионам раз. Такая приливная сила разрывала бы породу на куски, невероятно нагревая и испаряя ее. Поэтому черная дыра внутри Земли была бы окружена сферой колоссально горячего и невероятно сжатого газа, как тот, что находится в ядре Солнца. В центре этого облака черная дыра жадно пожирала бы материю. Она прожигала бы свой путь сквозь Землю, как паяльная лампа, нагревая вещество вокруг себя и пожирая его.

Несмотря на то что черная дыра маленькая, это гало из испарившегося вещества достаточно большое, и оно бы терлось о твердые или жидкие породы, окружающие его. Это трение тормозит черную дыру, и со временем она замедляет свое движение сквозь Землю. Она бы двигалась по спирали, спускаясь к центру Земли. Там благодаря давлению от окружающей ее материи, она имела бы постоянный источник пищи… и со временем сожрала бы Землю.

Целиком.

Ничего бы не осталось… кроме черной дыры.

К тому времени нас бы уже давно не было, разумеется. Но для стороннего наблюдателя, находящегося не на планете, эти последние несколько моментов — всего через несколько десятилетий после того, как черная дыра впервые приблизилась к Земле, — были бы невероятно зрелищными. Скукожившаяся и искореженная планета была бы всего несколько метров в поперечнике и раскалена добела. Наконец, за одну миллисекунду последний ее кусочек упал бы в аккреционный диск черной дыры. Разогретые до миллионов градусов остатки того, что когда-то было нашей планетой, поглотив колоссальную энергию, излучаемую в районе горизонта событий черной дыры, вероятно, взорвались бы. А после того, как обломки рассеялись, от нашей планеты ничего бы уже не осталось, лишь черная дыра, ставшая после еды чуть потолще, примерно 2,5 см в диаметре, спокойно вращающаяся вокруг Солнца.

Человеческая дыра

Несмотря на то что эти последние сценарии уж точно апокалиптические — они первые, рассмотренные нами, в которых Земля буквально разрушается, — они также наименее вероятные из всех. Мы даже не знаем, существуют ли первичные черные дыры, а если существуют, то сколько их. Даже если они существуют, и в огромных количествах, шансы на то, что одна из них подойдет достаточно близко к Земле, невероятно малы. Хотя мы вполне уверены в том, что в Галактике таятся черные дыры звездной массы, шансы на то, что одна из них подойдет слишком близко и испортит нам день, также микроскопические. Космос огромен, а Земля крошечная, поэтому мимо нас легко проскочить. Сам факт, что Земля просуществовала 4,6 млрд лет, служит тому надежным доказательством.

Но что, если одна из них возникнет не в глубинах космоса? Что если одна из них появится прямо здесь, на Земле?

Новое поколение коллайдеров — которые раньше называли ускорителями частиц — может вбивать субатомные частицы друг в друга так сильно, что теоретически они могут создать невероятно крошечные черные мини-дыры. Несколько лет назад эти новости попали в заголовки некоторых изданий, когда было объявлено, что релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Нью-Йорке способен именно на такое. Сожрет ли Землю искусственно созданная черная дыра?

Многие газетные статьи предсказывали, что это вполне вероятно, однако существуют две причины, согласно которым это невозможно и никогда не произойдет. Первая — это то, что, как мы уже убедились, крошечные черные дыры очень быстро испарятся за счет излучения Хокинга. Черная дыра, возникшая при таких столкновениях, которые выполняются в RHIC, просуществовала бы самую крошечную долю секунды. У таких дыр не было бы никакого шанса поглотить какую-либо массу до испарения (а их собственная масса была бы настолько мала, что взрыв был бы также совершенно крошечным).

Вторая причина — энергии, генерирующиеся в RHIC, в действительности гораздо меньше, чем те, что возникают в верхних слоях атмосферы Земли миллиарды раз в день! Космические лучи — субатомные частицы, разогнанные до дьявольских энергий во взрывах сверхновой, — постоянно врываются в воздух при гораздо больших энергиях, чем те, что мы можем рассчитывать создать на Земле. Этих энергий более чем достаточно для того, чтобы сформировать крошечные черные дыры, однако такого не происходит. За миллиарды лет, в течение которых эти частицы проливались на нас дождем, Землю ни разу не пожирала появившаяся при этом черная дыра.

Газеты, журналы и телевидение любят раздувать такие истории, потому что знают, что они продаются. Но, когда вы обратитесь к настоящей науке, вы увидите, что нам совершенно не грозит быть проглоченными черной дырой, созданной природой или нашими собственными руками.

И это вся правда[59].

Глава 6. Атака пришельцев!

БЕЗ ВСЯКИХ МЫСЛЕЙ (В НАШЕМ ПОНИМАНИИ), ОБЛАДАЯ ЧЕМ-ТО ОТЛИЧНЫМ ОТ ТОГО, ЧТО МЫ НАЗВАЛИ БЫ МЫШЛЕНИЕМ, — ОН ИЗУЧИЛ ЯРКИЙ СВЕТ ЗВЕЗДЫ ПРЯМО ПО КУРСУ. Используя очень сложные приборы наблюдения, терпеливо собрал данные, анализируя каждый фрагмент поступающей информации. Недели пристального наблюдения за целью принесли результаты.

Вокруг звезды обращалось несколько газовых гигантов. У каждого имелись ледяные спутники, под поверхностью которых, возможно, была вода. Еще у звезды имелась не одна, а целых три меньших планеты, на которых также могла находиться вода. А на второй от звезды планете были явные признаки биологической жизни — сильно колеблющиеся уровни свободного кислорода в атмосфере. Если бы у него были эмоции, он ликовал бы от радости. Вместо этого, молча и деловито, он начал готовиться к следующему этапу своей миссии.

Используя тщательно разработанные механизмы и технологии, зонд начал замедляться на подходе к Солнечной системе. Его фантастическая скорость, практически равная скорости света, плавно снижалась в течение почти года. Выполнены маневры для коррекции угла курса. Все это время зонд продолжал наблюдения в поисках подходящей цели. Наконец, цель была обнаружена: металлический астероид около двух километров в поперечнике. Проходя мимо астероида, тщательно прицелившись, зонд выпустил небольшой контейнер, шириной всего несколько метров.

Контейнер, который и сам был зондом, с помощью собственных двигателей еще больше сбросил скорость и опустился на поверхность астероида. Он немедленно сигнализировал «все в порядке» на материнский зонд, который не ответил, а быстро улетел прочь, направляясь к следующей звезде из списка — звезде, до которой он доберется только спустя десятилетия.

У зонда на поверхности астероида открылся люк, и из него выбрался паучок… затем еще один и еще один. В общей сложности дюжины таких роботов начали расползаться по поверхности. Паучки, выполненные из искусной комбинации металла, керамики и углеродного волокна, принялись за работу: копать, выплавлять, производить. Они трудились без устали, без эмоций, без остановки, сутки напролет (какими они были на медленно вращающемся астероиде). Через месяц все было готово.

Астероид заклубился тысячами крошечных взрывов как гриб, выстреливающий споры. Каждый взрыв придавал ускорение металлическому шару диаметром один метр, и каждый шар полетел к одной из планет и их спутников, которые выбрал большой межзвездный зонд. Внутри каждого шара находилось больше сотни пауков. Роботы-пауки обладали сложными программами, но в конечном итоге их цель была простой: превратить все доступные материалы в новых пауков. А когда их будет достаточно, строить новые материнские зонды. Запустить их и повторить цикл.

Им были нужны практически любые металлы, а то, что они не могли найти, они умели создавать. Их программы были очень сложными, отточенными за миллионы лет подобных миссий. И они не были разборчивы в материалах — сгодится практически все что угодно. Каждый паук мог создать компоненты, необходимые для воспроизведения самого себя, всего за несколько часов, после чего новые пауки также начали бы воспроизводить самих себя. Прилетев на планету, пауки могли бы заполонить ее всего за несколько дней, превращая все в новых пауков и новые зонды.

Так как Марс был меньше и ближе, его поверхность была разрушена в первую очередь. Скальные породы были богаты железом, что упрощало дело. В течение нескольких часов новые полчища пауков отправились в поисках сырья.

Пищи.

Всего через несколько дней пала Земля. Первые пауки приземлились в Австралии и потребили все, что попадалось им на глаза. Скалы, металл, газ… При необходимости все можно было конвертировать. Вода, растения, плоть — это тоже сгодилось бы. У людей не было никаких шансов. Хотя земные телескопы продолжали отслеживать пронзительный свет двигателя межзвездного зонда в течение месяцев, он не отвечал на запросы; только ни у одного правительства все равно не было достаточно времени, чтобы хоть что-то предпринять. Когда пауки приземлились, было уже слишком поздно. Они расползлись по планете, и меньше чем через две недели после их прибытия на Земле, по сути, не осталось живых существ. Вся поверхность планеты была превращена в роботизированные заводы. Не прошло и года, как над планетой расцвели яркие вспышки — это стартовали новые межзвездные зонды, каждый — точная копия первого, который и сам был одним из потомков самого первого зонда, запущенного миллиарды лет назад. Тот первый зонд уже давно умер, израсходовав все свои контейнеры. Он стал бесполезен. Но его потомство продолжало жить и прочесывать Галактику.

И теперь еще несколько тысяч направлялись в дальний космос. Когда была запущена самая первая миссия, рода людского не существовало, по африканским равнинам бродили только человекообразные. Их потомки правили Землей, но царствовали недолго. Сейчас все они исчезли, все миллиарды людей были переработаны в орды металлических паучков и новые межзвездные зонды.

Мечта человека дотянуться до звезд, наконец, сбылась, но не совсем так, как он планировал.

Это жизнь

В какое бы место на Земле вы ни отправились, вы повсюду найдете жизнь.

На равнинах, вершинах гор, высоко в небе, в самых глубоких впадинах океанов жизнь изобилует. Даже глубоко под землей микроскопические живые существа приспособились к условиям, которые мы посчитали бы смертельными. Жизнь — повсюду.

Кажется, что Земля чудесно приспособлена для существования жизни, но это иллюзия: на самом деле, это мы приспособлены эволюцией, как и все другие формы жизни на поверхности Земли, под ней и над ней. Вместе с Землей, меняющейся в течение миллиардов лет, менялась и жизнь. Кажется, что зародившаяся на Земле жизнь практически неминуемо будет процветать.

Мы знаем, что существуют и другие планеты в нашей Солнечной системе и даже вокруг других звезд. Если здесь такое изобилие жизни, будет логичным предположить, что она может существовать и на тех, других планетах. Они могут кишеть простыми микроорганизмами, а возможно, что в космосе существуют и более сложные формы жизни, такие, которые мы посчитали бы разумными.

Если бы это было так, что бы они о нас подумали? Представляли бы они для нас угрозу?

Чтобы понять это, начнем с короткого путешествия в прошлое — хотя мое определение «короткого» может немного отличаться от вашего.

Краткая история Солнечной системы

4,6 млрд лет назад вы были рассеяны по бессчетным километрам пространства.

Я тоже. И книга, которую вы сейчас держите в руках, и одежда, которая на вас надета, и все, кого вы когда-либо знали, и всё, что вы когда-либо знали, видели, касались, о чем мечтали. Все ваши атомы были частью огромного диска — десятки миллиардов километров в поперечнике и миллион километров толщиной. Диск почти целиком состоял из водорода и гелия, но также был усеян вкраплениями из цинка, железа, кальция, фосфора и дюжины других элементов. Он медленно вращался, не разлетаясь, благодаря собственной гравитации и гравитации комковатого утолщения в середине.

За миллионы лет в центре диска накопилась материя, причем увеличивающаяся гравитация притягивала все больше вещества. Уплотняясь, материя постепенно разогревалась, и в конце концов температура в центре достигла 15 млн °С. Запустился процесс слияния ядер водорода, и именно в тот момент наше Солнце стало настоящей звездой. Светом залило все вокруг, а за светом хлынула волна субатомных частиц — зародившийся солнечный ветер.

Наружные части диска также не теряли времени — они были заняты образованием скоплений материи. Сначала комки слеплялись благодаря лишь химическим процессам. Дальше от Солнца, где температуры были низкими, образовывались кристаллы льда. Куски силикатов врезались друг в друга и слипались. В дальнейшем, по мере увеличения этих скоплений в размерах увеличивалась и их масса, а также силы тяготения. Эти планетезимали начали активно притягивать все больше материи и все быстрее — больше масса, больше притяжение, больше материи, больше масса и так далее… — и остановились только тогда, когда весь материал был израсходован. Некоторые из этих новых планет были маленькими, а другие большими. Некоторые планеты приличных размеров полностью выбрасывало из системы, когда они проходили слишком близко от больших.

Те, что выжили, имели ядро из скальных пород и толстую атмосферу. У некоторых атмосфера была толщиной в тысячи километров и никакой настоящей поверхности. Другие были меньше, наверняка с плотной атмосферой. А поверхности у них были жидкими, расплавленными от тепла, оставшегося после процесса формирования.


Смерть с небес. Наука о конце света

Когда в центре диска зажглось Солнце, на планеты обрушились его яростный свет и неистовый солнечный ветер. Мощные потоки света и выбрасываемое вещество врезались в утончившийся диск, унося прочь остающиеся обломки и расчищая пространство. В конце концов осталась только горстка планет, миллиарды астероидов и триллионы ледяных комет, обращающихся вокруг молодой, горячей звезды[60].

Родилась наша Солнечная система.

Тогда она выглядела по-другому! Юпитер находился дальше от Солнца, чем сейчас, а Сатурн, Уран и Нептун были ближе. Долгий совместный гравитационный танец привел их в нынешние положения. Во внутренней Солнечной системе Меркурий, Венера, Земля и Марс имели толстую густую атмосферу, но по мере застывания все также изменится. У Меркурия, находящегося близко к Солнцу и имеющего слабое притяжение, сорвет атмосферу, а солнечный ветер завершит начатое, унося ее прочь атом за атомом, потому что крошечная планета, не имеющая магнитного поля, оказалась ничем не защищенной от его мощного натиска.

Венера со временем утратит водород и гелий, но за миллиарды лет, благодаря химическим процессам, а также ничем не сдерживаемому парниковому эффекту, она приобретет толстую атмосферу из двуокиси углерода. Задерживая в атмосфере тепло от Солнца, планета превратится в неприступную, раскаленную, как печка, пустыню. Скальные породы на ее поверхности постоянно находятся на грани плавления.

Земля также имела плотную атмосферу, совсем не такую, как сегодня, — тогда она была больше похожа на Юпитер или Сатурн и состояла главным образом из водорода и гелия, когда-то находившихся в диске, из которого она сформировалась. Под действием тепла, поступающего от Солнца (плюс тепла, исходящего от поверхности), плотный воздух увеличивался в объеме, но между теплом и силами тяготения существовал шаткий баланс. За миллионы лет более легкие элементы были утрачены, и на планете осталась атмосфера, состоящая из двуокиси углерода, водяных паров, угарного газа, аммиака, метана и иных ядовитых газов, бо́льшая часть которых просачивалась из-под поверхности Земли.

Постепенно поверхность остыла, и над расплавленной, полупластичной мантией из скальных пород образовалась толстая корка. Тяжелые элементы, такие как железо, иридий и уран, погрузились в центр. Радиоактивные элементы распадались, генерируя тепло, добавляющееся к теплу, скрывавшемуся в недрах со времени формирования планеты. Возникли конвекционные токи, запустилось магнитное динамо, и Земля получила защиту от разрушительного солнечного ветра.

Нельзя сказать, что юная Земля была полностью защищена от угроз из космоса. Планеты подобрали много вещества в солнечном диске, но не всё. По системе по-прежнему скиталось множество астероидов, и их пути иногда пересекались с путями планет. Вскоре после образования все планеты стали подвергаться безжалостным бомбардировкам. Практически все твердые поверхности в Солнечной системе несут следы того опустошения: мимолетный взгляд на серьезно побитую и испещренную кратерами поверхность Луны подтвердит это.

Земля также получила свою долю ударов. Она подвергалась бомбардировкам значительно чаще, чем Луна, потому что она больше и обладает более сильной гравитацией. Более того, самая широко признанная теория происхождения самой Луны заключается в том, что она сформировалась из материала, выброшенного при столкновении Земли с очень крупным объектом, возможно размером с Марс, — это апокалиптическое столкновение, которое страшно представить. Но за миллиарды лет тектоника плит и эрозия стерли все свидетельства этой первичной бомбардировки. Остались только самые недавние кратеры; даже те, что образовались более нескольких миллионов лет назад, уже практически неразличимы. Тем не менее из-за такого обстрела из космоса обстановка на том раннем этапе была крайне враждебной. Только ситуация начинала стабилизироваться, как с неба обрушивался какой-нибудь камень диаметром 80 км и перезапускал геологические часы.

Однако в конце концов железный и каменный дождь прекратился. По мере остывания Земли на ней могли образовываться более сложные молекулы. Метан в атмосфере планеты был источником водорода, а также им был аммиак, содержащий еще и азот. Двуокись углерода дала углерод, который, отделяясь от кислорода, мог связываться, образуя еще более сложные цепочки атомов. Аминокислоты, строительные кирпичики белков, вероятно, образовались довольно рано и начали объединяться в новые и интересные цепочки. Молнии в атмосфере и ультрафиолетовое излучение от Солнца могли обеспечить нужную энергию для распада и преобразования молекул. В определенный момент — никто не знает точно, когда и как, но это практически совпало с прекращением астероидной бомбардировки — молекулы объединились в последовательность, обладающую фантастическим свойством: она могла воспроизводить себя. По сегодняшним меркам, та молекула была, вероятно, предельно простой, и все-таки у нее была удивительная способность подбирать исходные материалы и выстраивать их таким образом, чтобы создавать свою копию. Созданные копии продолжали в том же духе и размножались.

Это была всего лишь простая химическая реакция, точнее, длинная последовательность реакций. Для таких реакций требовались материалы — элементы, находящиеся в воздухе и на поверхности, — а после них образовывались отходы. Одним из таких отходов был кислород. По мере того как в атмосфере становилось все больше и больше кислорода, химические процессы начали изменяться. Для многих из этих простейших микробов кислород был токсичным, как иногда отходы токсичны для выделяющих их организмов. Накапливающийся газ отравлял их. Некоторые виды микробов адаптировались к новой среде (и их потомки до сих пор существуют сегодня в виде сине-зеленых водорослей и иных форм жизни), но те, кто не смог, погибли; они процветали на Земле миллионы лет, но погибли от собственных отходов[61]. Однако в то же время существовала слегка отличающаяся сложная молекула. Она была способна использовать эти отходы. При объединении с другими химическими веществами кислород может выделять много энергии, которая, в свою очередь, может быть полезна для размножения и ускоренного метаболизма. Этот отличающийся микроб питался отходами других, а когда уровни кислорода выросли настолько, что те первые формы жизни начали вымирать, пользователи кислорода были готовы к перевороту. Они захватили власть. Некоторые организмы, производящие кислород, выжили, постоянно мутируя и адаптируясь, так как одни оказывались лучше приспособлены к среде, чем другие. Пользователи кислорода, которые более ловко применяли это топливо, процветали, другие вымерли[62].

За миллионы лет разыгрывавшегося сценария столкновения с астероидами, огромные солнечные вспышки и беспорядочные близкие взрывы сверхновых могли множество раз полностью прервать этот процесс или проредить ряды живых существ в масштабах практически полного уничтожения. Но в конце концов организмы смогли встать на ноги (или на псевдоподии) достаточно прочно, так, чтобы ничто уже не могло сбить их с ног.

Земля ожила.

Так вот, эта история — всего лишь одна из гипотез появления жизни на Земле. Как это произошло на самом деле, мы точно не знаем. Мы даже не уверены, где это произошло: на суше, в море, в воздухе, в глубинах океана… и на Земле ли вообще. Наша планета — лишь одна из нескольких, где на ранних этапах Солнечной системы существовали благоприятные условия для развития жизни.

Марсианские хроники

Марс, впрочем, был меньше Земли и дальше от Солнца. Он остывал быстрее, чем Земля, и, возможно, прошел через ту же последовательность событий, но за более короткое время. Точно нам это неизвестно, но, разумеется, существует вероятность того, что на Марсе имелась процветающая микробная экосистема задолго до того, как такая же появилась на Земле. К несчастью, она была обречена. Как только Марс достаточно остыл, его магнитное поле полностью исчезло, поэтому он пал жертвой солнечного ветра. Бо́льшая часть атмосферы утекла в космос, потому что более слабые силы тяготения планеты не смогли удержать ее, и сейчас давление на его поверхности составляет какой-то микроскопический 1 % от земного — это меньше, чем на вершине горы Эверест.


Смерть с небес. Наука о конце света

Однако автоматические исследовательские аппараты, отправленные на Марс, представили нам неоспоримые свидетельства того, что в прошлом на его поверхности имелась вода. Химические соединения в почве и следы, похожие на водную рябь, на поверхности говорят о том, что раньше на планете бывали сильные наводнения, возможно оттого, что замерзшая вода, находившаяся под землей, нагревалась от вулканической активности или при столкновениях с космическими объектами и выходила на поверхность. Кроме того, видны следы древних озер, сейчас пересохших, таких же больших, как и Великие озера в США. Даже сегодня имеются (по-прежнему спорные) признаки кратковременных, быстропроходящих событий, во время которых вода текла по поверхности… но быстро испарялась в разреженном воздухе.

Тем не менее 4 млрд лет назад обстановка была совсем другой. Кишели ли марсианские океаны простыми формами жизни, бактериями, простейшими? Мы не знаем и, возможно, никогда не узнаем. И все же, новые зонды вполне могут найти окаменелости в древних марсианских скалах.

Но предположим на минутку, что когда-то Марс был живым. Какое это имеет отношение к Земле?

В 1984 г. в Антарктиде, в районе группы холмов Аллан Хиллс, был найден необычный метеорит. Там достаточно просто найти метеорит: черный камень прекрасно выделяется на фоне льда. Сухой воздух также способствует сохранению метеоритов.

В этом конкретном метеорите, названном ALH84001, таился большой сюрприз. Химический состав самого камня был очень схож с известным составом скальных пород на поверхности Марса. В камне были пузырьки газа, захваченные при формировании скальной породы. Измеренные соотношения разных элементов в газе соответствовали соотношениям, характерным для марсианской атмосферы! Ученые также сверились с химическими соединениями на других планетах, но ни одно соотношение газов в Солнечной системе не совпадало так точно, как марсианское.

Определенно ALH84001 был межпланетным незваным гостем, камнем с Красной планеты. Он даже не был первым, и до него находили немало его менее известных родственников. Как эти камни попадают сюда — в некотором роде ирония судьбы.

На поверхности Марса видны следы его бурной истории. Как и любую другую планету в Солнечной системе, Марс постоянно бомбардируют астероиды и кометы. В отличие от Земли с ее толстой атмосферой и покрытой водой поверхностью, эрозия на Марсе происходит медленней, поэтому мы до сих пор видим кратеры, шрамы от древних столкновений.

Разумеется, когда происходит такое столкновение, скальные породы с поверхности взлетают в воздух. Часть тех пород может приобрести столько энергии, что сможет навсегда покинуть планету и улететь в космос. В результате изучения ALH84001 было обнаружено, что он сформировался очень рано в истории Солнечной системы, кусок вулканической лавы, остывшей примерно 4,5 млрд лет назад. С того момента практически все время он находился на поверхности Марса или под ней, а затем испытал страшный удар. При столкновении Марса с астероидом, камень был запущен в космос. Он обращался вокруг Солнца в течение не менее 16 млн лет, судя по интенсивности воздействия космических лучей на его поверхность. Каждый раз, когда мимо него проходила его родная планета, его орбита слегка смещалась туда и сюда, и со временем изменилась настолько, что он начал двигаться ближе к Солнцу. Примерно 13 000 лет назад наша планета оказалась у него на пути. Камень упал на Землю, застрял в антарктических льдах и терпеливо дожидался, когда его найдут.

Итак, камни с Марса, прилетевшие на Землю в виде метеоритов, были, в свою очередь, запущены в космос при столкновениях с камнями гораздо больших размеров[63]. Это очень энергичный способ запустить камень в космос, и вы, конечно, могли бы подумать, что от такого удара любой камень разрушился бы или сильно повредился.

Но недавние исследования показали, что, возможно, это не так. Удар под малым углом, например, может выбивать камни достаточно аккуратно (хотя все равно это не то путешествие, за билетами на которое вы выстроитесь в очередь). Кроме того, роль могут играть и другие факторы, в том числе волны давления сверху, из атмосферы и из-под скальных пород, возникшие при столкновении, совместно смягчающие удар.

Как бы то ни было, очень маленькие образования внутри ALH84001 пережили испытание. При обследовании камня, ученые обнаружили внутри множество сохранившихся в целости структур, свидетельствующих о том, что когда-то в прошлом камень находился в потоках воды. Однако, когда они сделали микрофотографии, они испытали сильнейшее потрясение.

Внутри марсианского камня находились крошечные, подобные червячкам образования. Они выглядели точь-в-точь как окаменелые бактерии! На пресс-конференции в 1996 г. ученые, исследовавшие камень, объявили о своей находке, указав, что это может быть первым в истории человечества свидетельством о существовании жизни за пределами Земли. Они признали, что это свидетельство было не стопроцентным, но очень убедительным. «Окаменелости» были самым слабым из их доказательств, и они подчеркнули, что не исключено, что это были вовсе не окаменелости. Это могли быть природные образования, и они могли появиться в результате самых разных процессов.


Смерть с небес. Наука о конце света

Разумеется, пресса подхватила версию окаменелостей: картинка, в конце концов, стоит тысячи слов и обеспечит продажу миллионов экземпляров издания. Это была настоящая газетная сенсация. Однако с годами, последовательно, версия наличия признаков живых организмов в том камне начала подвергаться жесткой критике. В настоящий момент мы можем только сказать, что это интересное свидетельство, возможно даже по-прежнему в чем-то убедительное, но все сходятся во мнении, что нам нужны гораздо более достоверные источники, прежде чем мы сможем однозначно говорить о древней жизни на Марсе.

Есть те, кто верит, что жизнь здесь началась там…

Предположение о жизни на Красной планете приводит нас к интересной возможности: если жизнь на самом деле сначала возникла на Марсе, она могла быть принесена сюда таким же путем, как и ALH84001. Возможно ли, что жизнь на Землю действительно пришла с Марса?

На первый взгляд кажется, что это глупая идея. Жизнь на Земле процветает — на планете очень сложно найти место, свободное от живых существ, — а Марс совершенно мертв. Тем не менее события, которые должны произойти для того, чтобы посеять жизнь на Земле, очень даже возможны: жизнь могла сначала возникнуть там; существует вполне реальный механизм, которым она могла быть принесена сюда; а со временем здесь сложились достаточно хорошие условия, и жизнь закрепилась.

Идея о том, что жизнь была принесена на Землю из космоса, называется панспермией. Это очень увлекательная тема, осложняемая лишь одной простой проблемой: как это доказать?

Честно говоря, я не уверен, что это возможно[64]. Но исключить ее полностью очень сложно. Какими экспериментами вы можете ее проверить? Воссоздать условия, которые уже не существуют миллиарды лет чрезвычайно сложно, и даже если это удастся так или иначе, то ничего не доказывает из-за неопределенностей, присущих этим экспериментам. Но благодаря подобным экспериментам наша мысль может пойти в других направлениях, где мы достигнем новых успехов: в науке хороший эксперимент стоит тысячи предположений.

Интересно было бы поискать на Марсе окаменевших микробов, которые имеют химическое сходство с ранними формами жизни на Земле. Не вызывающий сомнений образец окаменевшей бактерии с РНК или ДНК был бы невероятно убедительным свидетельством в пользу панспермии — либо жизнь началась на Марсе и пришла сюда, либо и Марс, и Земля были засеяны из какого-то третьего источника[65].

До тех пор, пока такое свидетельство не будет найдено, мы можем лишь предполагать.

Тем не менее можно в принципе рассмотреть, как происходит панспермия.

После того как груженный жизнью камень покинул Марс (или какое-либо иное небесное тело), ему нужно добраться до нас. ALH84001 провел в космосе не менее 16 млн лет, а возможно даже больше, где он подвергался действию очень глубокого вакуума, его бомбардировали высокоэнергетические субатомные частицы и заливало смертоносное ультрафиолетовое излучение от Солнца.

Чтобы пережить такое, нужно быть очень стойким.

Микробы могут быть такими крепкими орешками. Некоторые бактерии могут создавать вокруг себя защитную оболочку в виде спор, предохраняющую их от разрушительного действия тепла, холода, засухи и радиации. Один вид бактерий — Deinococcus radiodurans — способен выживать при интенсивном облучении, в сотни раз превышающем смертельную дозу для человека. Это как компьютер с многочисленными резервными файлами: у этого вида бактерий много копий своей ДНК, которые он может использовать, если какие-то разрушены радиацией, а инструменты, которые он использует для ремонта собственной ДНК (каждая клетка имеет ремонтный комплект в ядре), судя по всему, исключительно хорошо справляются с суровыми условиями.

Разумеется, также было бы неплохо, если бы микроскопические «зайцы» на борту метеороида были плотно завернуты в подарочную упаковку. На камень, выбитый при столкновении с астероидом и улетевший в космос, действовало бы разрушительное излучение от самых разнообразных источников. Но, если бы этот камень был достаточно большим, он мог бы защитить свой микроскопический груз. Космические лучи, например, возможно, проникали бы в него лишь на небольшую глубину. Другим опасным воздействиям, таким как УФ-излучение Солнца, частицы солнечного ветра и отдельные солнечные вспышки или корональные выбросы массы, также было бы сложно проникнуть глубоко в камень. Некоторые первые эксперименты, в которых образцы бактерий запускали в космос, где они подвергались опасному воздействию, показывают, что отдельные микробы способны выживать в космосе в течение определенного времени.

Если бы какой-то марсианский протовирус или бактерия пробрались вглубь камня, выброшенного с Марса, тогда существует вероятность — небольшая, но не нулевая, — что они смогли бы пережить путешествие.

Им также пришлось бы пережить полет сквозь нашу атмосферу. Но повторюсь, если бы камень был достаточно большим, при падении обгорели бы лишь его наружные слои. Если бы метеороид распался над землей на меньшие фрагменты, их столкновения с поверхностью также не были бы слишком сильным сотрясением для биологических «зайцев». Небольшой камень просто плюхнулся бы на землю, а если бы он упал в воду или болотистую жижу и она просочилась бы в трещины, микробы могли бы внезапно обнаружить, в буквальном смысле, что им доставили еду.

Важно отметить, что Марс не является единственным потенциальным источником жизни. Кометы — это гигантские комья из камней и льда, обращающиеся вокруг Солнца. Известно, что они содержат довольно сложные органические соединения, часть которых является исходными веществами (или, по крайней мере, базовыми химическими элементами), необходимыми для жизни. Не исключено, что бо́льшую часть воды на нашу планету, а также эти химические соединения, принесли кометы, сталкивающиеся с юной Землей. В метеорите, упавшем в Австралии в 1960-х гг., также нашли аминокислоты, в том числе глицин и аланин, характерные для животных белков. Оказывается, даже гигантские газопылевые облака в космосе — это богатые источники сложных органических соединений. Одно научное исследование даже показало, что, если бактерии хорошо защищены, их ДНК или РНК действительно могут пережить путешествие с солнечным ветром на другую звезду[66]. Это довольно гипотетическая работа, но она демонстрирует, что в принципе перенос на большие, даже огромные, расстояния теоретически возможен, хотя и очень маловероятен.

Между прочим, стоит отметить, что комета может делиться своим содержимым, даже не сталкиваясь с Землей непосредственно. Когда комета приближается к Солнцу, замерзшее вещество сублимирует (превращается сразу в газ) и испаряется с кометы, образуя длинный хвост. Если Земля проходит сквозь хвост кометы, кометные вещества могут попадать в атмосферу Земли. В любом случае это будет довольно бурный процесс, так как скорости очень высоки, но, в принципе, кометное вещество может попасть на Землю без особых повреждений.

Давайте также будем здесь скрупулезными и четко скажем, что все эти вещества — лишь кирпичики для строительства жизни, а не сама жизнь. Но факт остается фактом — компоненты, необходимые для жизни, какой мы ее знаем, не просто существуют в космосе, но существуют в достаточном изобилии, и эти источники жизни добирались до поверхности вполне целыми и невредимыми, что позволило ученым изучать их. Вполне возможно, что космос просто кишит жизнью, и также не исключено, что земная жизнь взяла свое начало именно там. Если это так, то реальное доказательство этого было бы одним из самых колоссальных и по сути великих открытий в истории человечества.

Но это также может предвещать беду. Если в космосе существует жизнь в виде микробов и какие-нибудь из них сейчас попали бы на Землю, возможен ли менее счастливый конец? Все это очень замечательно для выживающих бактерий, и если панспермия реальна, тогда своим существованием мы обязаны космическим микробам. Но это было более 3 млрд лет назад.

Что бы произошло, если бы такое событие повторилось сегодня? Мы все смотрели фильмы «Капля» и «Штамм „Андромеда“». Может ли межпланетная инфекция проникнуть к нам и стереть человечество с лица Земли (или вызвать мутации, которые превратят нас в ужасную, отвратительную желеобразную массу)?

Честно говоря, вероятно нет. Жизнь здесь достаточно стойкая, и, что бы ни попало к нам из космоса, ему предстоит тяжелый бой за превосходство над нами. Я думаю, они не смогут победить. Но сам бой зависит от того, какая желеобразная масса подкрадывается к нам.

Вирусная рассылка

Например, вирусы — популярная тема в фантастических сценариях. На Земле, возможно, существуют миллионы типов вирусов, мы пока еще не очень глубоко изучили их разнообразие. Большинство из них устроены очень просто: это фрагмент кода или код ДНК в белковой оболочке, которая называется капсидом. Они не способны воспроизводить себя самостоятельно, вместо этого они захватывают клетку, вводят свою ДНК в ядро клетки, после чего заставляют ее копировать вирусную ДНК. Вирусы — это скрытные ниндзя субмикроскопического мира, они тайно проникают на фабрику клетки и обращают ее против самой себя[67].

Когда создается достаточно вирусов, они вырываются из клетки, разрывая и уничтожая ее. После этого они разбегаются в поисках новых клеток, которые смогут захватить. Если организм не может сопротивляться инфекции, а вирус достаточно опасный, организм-хозяин может погибнуть. Ткани тела буквально превращаются в жидкость.

Отвратительная картина.

Существуют и другие типы вирусов. Одни используют РНК, а не ДНК. Другие нападают на бактерии, а не на клетки тканей. Не хотелось бы вызвать у вас дискомфорт или что-то такое, но ваше тело прямо сейчас набито этими вирусами под завязку. Большинство из них совершенно безобидны. Некоторые действительно становятся источником самых разных проблем — например, они могут нарушить способность организма контролировать собственные системы, вызывая как легкие, так и тяжелые заболевания, — но большинство не убивает. Для этого они должны атаковать в огромных количествах либо быть особо вирулентными, как Марбургский вирус (для которого смертность составляет 25 %) или более знаменитый вирус Эбола (с поистине ужасающей смертностью в 80–90 %).

С точки зрения вторжения из космоса простое устройство вирусов — это как благо, так и проклятие.

Благодаря своей простоте вирусы устойчивы ко многим проблемам, которые могут возникнуть у более сложно устроенного микроба в открытом космосе. Продолжительные периоды пребывания в вакууме при низких температурах и даже под воздействием радиации могут совершенно не представлять для них никакого препятствия. Залегая в глубине камня, они могут упасть на Землю в целости и сохранности и в итоге будут извлечены на свет божий, как проклятье гробницы фараона, каким-то незадачливым ученым.

Но если они попадут к нему под кожу, то могут умереть с голоду.

Все потому, что вирусы обычно приспособлены для нападения на один определенный вид организмов. Вирус, который может поражать растение, не причинит вреда бабочке, а тот, который приспособлен атаковать бактерии (они называются бактериофагами), не может причинить вреда человеку. Вирусы слишком просты, поэтому не способны кардинально изменяться, а фрагмент кода ДНК или РНК в вирусе — это как ключ к замку. Автомобильный ключ не откроет двери дома.

Поэтому, даже несмотря на то, что любой гипотетически попавший к нам из космоса вирус может, не погибнув, добраться до лаборатории ученого, крайне маловероятно, что он размножится в больших количествах и превратит всех нас в свирепых зомби[68].

Так что на деле вирусы не представляют большой угрозы. Они бы обнаружили, что мы совершенно не подходим для их целей, и быстро вымерли бы[69].

Один-ноль в пользу жизни на Земле.

Баг в системе

Межпланетные бактерии — это еще один любимый сюжет для фильмов ужасов, и несмотря на то, что, как захватчики, они имеют определенные преимущества перед вирусами, также маловероятно, что они причинят нам, земным обитателям, много проблем.

В отличие от вирусов, запрограммированных на определенные типы клеток или белков, бактерии менее разборчивы. Вирусы обращают против нас механизмы наших собственных клеток, а бактерии, скорее, считают нас ночлежкой. Как и непрошеные гости, они могут уничтожать ваши припасы, устраивать беспорядок и, разумеется, злоупотреблять вашим гостеприимством.

Главное отличие вируса от бактерии заключается в сложности. Бактерии — это отдельные клетки и считаются живыми существами. Они могут поглощать пищу, выделять отходы жизнедеятельности и размножаться. Поместите их в теплое, сырое местечко с нужными питательными веществами, и они будут с азартом выполнять все три функции.

Наш организм — превосходное место с точки зрения потребностей бактерий. Наши тела набиты бактериями, так же как и вирусами. Они живут у нас в кишечнике, на нашей коже и на ресницах. Они повсюду, и, более того, по оценкам, на каждую клетку нашего тела приходится 10 бактерий!

Мы в меньшинстве.

Основная масса бактерий в нашем теле неопасна. Они либо не делают ничего плохого, либо их настолько мало, что они не способны причинить никакого вреда. Многие полезны для нас, без них мы погибли бы. Они помогают нам переваривать пищу, например; они также создают витамины и повышают наш иммунитет к более опасным типам бактерий. Они даже помогают нам переваривать молоко.

Отличный пример такой бактерии — Escherichia coli, чаще называемая кишечной палочкой. Эта маленькая яйцевидная бактерия обитает в больших количествах у нас в кишечнике и оказывает нам недооцененную услугу, помогая перерабатывать отходы[70]. Обычно они живут счастливо у нас в животе, занимаясь своими делами. Но не всегда. Кишечная палочка ест и также какает, а некоторые штаммы бактерии выделяют смесь токсичных химических веществ. В малых дозах ваш организм с ними справляется. Но, если в него попадает слишком много, вы можете серьезно заболеть. Например, если вы съедите пищу, зараженную кишечной палочкой, у вас может быть пищевое отравление. Сильное отравление может оказаться смертельным. Кишечная палочка может также проникать из кишечника в брюшную полость (через отверстие или грыжу) и вызывать перитонит.

Список возможных проблем, к которым могут привести бактерии, большой (диарея, рвота, повреждение нервов, судороги, лихорадка… ну вы понимаете), но обычно у нас с нашими бактериями сохраняется шаткое перемирие.

Бактерии внутри нас, разумеется, эволюционировали вместе с нами, поэтому они могут поддерживать такие симбиотические отношения. Гипотетическая бактерия, эволюционировавшая, скажем, на Марсе или на любой другой планете, была бы лишена такой роскоши. Тем не менее влияние инопланетной бактерии на нас сильно зависит от ее потребностей и от того, что она выделяет.

Если все, что ей нужно, это тепленькое местечко, где есть вода и определенные питательные вещества, тогда, как говорится, в шторм любая гавань — спасение. Ваш кишечник ничем не хуже любого другого места. А вот если бактерия размножается и колония выделяет токсин, это может быть проблемой.

Но вероятно ли это?

Практически нет. Именно сложное устройство, которое делает бактерии более изменчивыми и, следовательно, более приспособляемыми, чем вирусы, также является их ахиллесовой пятой: оно делает их более уязвимыми. Маловероятно, что их внутренние механизмы переживут путешествие сквозь космос и вход в нашу атмосферу.

Более того, с точки зрения условий, требуемых инопланетным бактериям для выживания, Земля была бы довольно неприветливым местом. Например, химически поверхность Марса очень отличается от поверхности Земли. Его тонкая атмосфера означает, что поверхность подвергается действию сильного УФ-излучения от Солнца. На большей части поверхности если и есть вода, то ее очень мало, а некоторые данные свидетельствуют о довольно высоких концентрациях перекиси водорода — химического вещества, которое, как правило, уничтожает земные бактерии (поэтому ее используют для промывки ран, хотя следует отметить, что ее производят и некоторые формы жизни на Земле, а именно жук-бомбардир, отпугивающий ею хищников). Вероятнее всего, любая бактерия, эволюционировавшая, чтобы не погибнуть на Марсе, посчитала бы Землю очень неблагоприятной средой — слишком сырая, слишком жаркая, слишком чужая.

Разумеется, не всей жизни на Земле нравится то же, что и нам. Некоторые бактерии любят экстремальные холода, некоторым нравится погорячее, одни питаются серой, а другим по душе крайне высокие давления глубоко под водой или под землей. Таких экстремофилов на Земле изобилие, и не исключено, что они существуют и на Марсе. Но, даже если они там есть, глубоко под марсианской поверхностью, их вряд ли захватит и унесет с планеты при ударе астероида.

Рассматривать другие миры в Солнечной системе в поисках потенциально благоприятных условий для размножения бактерий еще менее целесообразно. Под поверхностью Европы, ледяного спутника Юпитера, может скрываться огромный океан. Она идеальный кандидат для поисков внеземной жизни, но это маловероятное место для каких-либо организмов, которые посчитали бы наши условия уютными. Ледяной покров на Европе, вероятно, 18 км толщиной или больше, и любое столкновение, при котором обитающие подо льдом микробы могли бы быть выброшены из океана в космос, было бы настолько мощным, что эти микробы испарились бы.

Другое потенциальное место обитания жизни — это Титан, один из спутников Сатурна. Титан назван так не зря: его диаметр свыше 5000 км (примерно размер Меркурия), и у него имеется толстая атмосфера из азота, аргона и метана. Там идут дожди, но из жидкого метана! На Титане холодно, примерно –150 °C. Любая вода на поверхности — это лед, более твердый, чем земные скальные породы. Несмотря на то что биохимики предположили возможность зарождения жизни в таких необычных условиях, она была бы совершенно чужеродна для нас. Любой микроб, способный там жить, оказавшись на Земле, посчитал бы, что попал в доменную печь.

Похоже, в отношении инкубаторов мы вычеркнули потенциальные баги в Солнечной системе. Любые инопланетные микробы, эволюционировавшие для жизни в условиях, подобных земным, практически наверняка не пережили бы путешествие.

Разумеется, предполагается, что любая инопланетная форма жизни просто спокойно сидит и ждет, пока кто-нибудь ее подвезет. Однако более развитые типы, возможно, предпочли бы доехать самостоятельно.

Где они?

Этот столь краткий вопрос задал физик Энрико Ферми в начале 1950-х гг., на обеде с несколькими учеными. Они обсуждали недавний всплеск числа случаев наблюдения летающих тарелок и возможность межзвездных путешествий человечества или других существ. Когда разговор перешел на пришельцев, Ферми спросил: «Где они?»[71]

Несмотря на простоту, у этого вопроса богатая предыстория. Основная идея заключается в том, что к настоящему времени либо мы должны уже были обнаружить разумную жизнь в Галактике, либо она должна была навестить нас. Так как не произошло ни того, ни другого[72], спрашивать о том, где же инопланетяне, — разумно.

Предположим что для того, чтобы пришельцы постучались в нашу дверь, их обстоятельства должны быть похожими на наши: звезда, подобная Солнцу, планета, подобная Земле, миллиарды лет развития и эволюции жизни, прогресс технологий, затем способность путешествовать от звезды до звезды. Насколько все это вероятно?

Для этого мы можем обратиться к уравнению Дрейка, названному по имени астронома Фрэнка Дрейка. В него включены все необходимые условия развитой жизни и назначена степень их вероятности. Если правильно ввести все условия, результатом будет число развитых цивилизаций в Галактике (где «развитая» означает «способная отправлять сигналы в космос» — именно так мы бы узнали об их существовании).

Например, в Млечном Пути примерно 200 млрд звезд. Примерно 10 % из них подобны Солнцу: похожая масса, размер и так далее. Это дает нам 20 млрд звезд для расчета. Мы только сейчас узнаем, как образуются планеты вокруг других звезд, — первая планета, обращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, была обнаружена в 1995 г., — но мы считаем очень вероятным, что звезды, подобные Солнцу, имеют планеты. Даже если мы примем безумно низкую вероятность того, что вокруг других звезд есть планеты (скажем, 1 %), все равно это будут сотни миллионов звезд с планетами. Если мы примем безумно низкую вероятность того, что эти планеты будут похожи на Землю (снова, скажем, 1 %), все равно это будут миллионы планет, подобных Земле. Вы можете продолжать эту игру, оценивая, сколько планет могут иметь условия для жизни, на скольких существует жизнь, на скольких имеются живые существа, способные развивать технологии… Каждый следующий шаг в этой цепочке чуть менее вероятен, чем предыдущий, но даже самое пессимистическое представление этой серии свидетельствует о том, что мы не должны быть одиноки в Галактике. Оценки количества инопланетных цивилизаций очень сильно разнятся, буквально от нуля до миллионов.

Мы одни?

Разумеется, это не очень-то радует. Нижняя оценка отрезвляет. Может быть, только может быть, мы на самом деле одни. Во всей Галактике, во всех обширных триллионах кубических световых лет пустоты, наша планета самая первая стала гаванью для созданий, способных задумываться над собственным существованием[73]. Это ставящая нас на место и определенным образом пугающая возможность. И вероятно, это правда.

Другая возможность заключается в том, что жизнь, может быть, и не уникальна, но «развитые» формы жизни редки. На эту тему было написано немало книг, и это интересная тема для дискуссии. Вероятно, на определенном этапе жизнь становится склонной к самосозерцанию и совсем не разрабатывает технологии или даже не заботится о них (в психологию инопланетных существ очень сложно проникнуть). И я надеюсь, что к тому времени, как вы добрались до этого места в книге, я уже четко объяснил, что события, уничтожающие цивилизации, происходят неприятно часто в геологических временных рамках. Может быть, рано или поздно каждую цивилизацию сметает какое-то природное событие еще до того, как она смогла разработать достаточно совершенный способ космических путешествий, чтобы не допустить этого.

Вообще-то, этот ответ мне не нравится. Через несколько лет мы сможем предотвращать столкновения Земли с астероидами, приводящие к опустошительным последствиям. Мы уверены, что можем надежно оградить себя от событий на Солнце. Наши астрономические знания позволяют определить, какие ближние звезды могут взорваться, поэтому, если мы увидим, что какая-то из них близка к этому, мы можем направить все усилия на то, чтобы убраться от нее подальше. Все это достаточно недавние достижения, произошедшие в один миг по сравнению с тем, как давно существует жизнь на Земле. Я не могу вообразить цивилизацию, которая достаточно сообразительна, чтобы исследовать небеса, но недостаточно развита, чтобы обеспечить собственное выживание.

За спрос денег не берут

Я также с подозрением отношусь к верхнему пределу по уравнению Дрейка, будто в Галактике существуют миллионы инопланетных цивилизаций, настолько же развитых, как и мы, или даже более продвинутых. Если бы это было правдой, мне кажется, мы бы уже имели явные доказательства их существования.

Помните, Галактика не только обширна, ей еще и много лет. Млечному Пути не меньше 12 млрд лет, а Солнцу лишь 4,6 млрд. Если представить звезду, подобную Солнцу, образовавшуюся всего на 100 млн лет раньше — капля в море по сравнению с возрастом Галактики, — тогда легко представить инопланетную цивилизацию, появившуюся за много миллионов лет до человечества. Мы знаем, что на Земле жизнь возникла достаточно легко; она зародилась, как только закончился период бомбардировки и поверхность Земли успокоилась достаточно для того, чтобы жизнь смогла развиться. А значит, практически наверняка, жизнь укореняется при малейшей благоприятной возможности, что, в свою очередь, означает, что наша Галактика должна изобиловать жизнью. Несмотря на ряд эпических и опустошительных катастроф, жизнь на Земле до сих пор продолжается. Мы — разумные, технологически продвинутые существа, и мы вышли в космос. Где мы будем через 100 млн лет?

Принимая во внимание тот отрезок времени и пространства, инопланетные виды уже должны стучаться в нашу дверь.

Они должны были хотя бы «позвонить». Установить связь в необъятном пространстве космоса легче, чем приехать. Мы посылаем сигналы в космос с 1930-х гг. Они относительно слабые, и инопланетному существу было бы сложно услышать их с расстояния больше нескольких световых лет, но со временем наши сигналы стали мощнее. Если бы мы захотели нацелиться в определенное место, сфокусировать легко обнаруживаемый радиосигнал на любую звезду в Галактике несложно.

Верно также и обратное: любая инопланетная раса, имеющая сильное желание поболтать с нами, могла бы это сделать без особых усилий. Именно на это делает ставку проект «Поиск внеземных цивилизаций» (Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI). Эта группа инженеров и астрономов прочесывает небо в поисках радиочастотных сигналов. Они буквально прислушаются, не заговорят ли пришельцы. Технология развивается так успешно, что астроном Сет Шостак считает, что в течение следующих двух или трех десятилетий мы сможем исследовать один или два миллиона интересных звездных систем на расстоянии до 1000 световых лет от Земли. Это позволит нам приблизиться к решению вопроса о том, одиноки мы или нет.

Единственная проблема с SETI заключается в том, что разговоры будут довольно затянутыми. Если мы обнаружим сигнал от звезды, которая находится очень близко по галактическим меркам, скажем в 1000 световых лет от нас, диалог, по сути, будет монологом. Мы получили бы сигнал, ответили, после чего дожидались бы их ответа в течение 2000 лет (это время, за которое наш сигнал дойдет до них, а потом их сигнал до нас). В то время как SETI — это прекрасное и стоящее того предприятие (а если они обнаружат сигнал, это будет одним из самых важных событий в истории науки), нам по-прежнему привычней представлять, что инопланетяне прилетят к нам. Встреча лицом к лицу, так сказать, если предположить, что у них есть лицо.

Но 1000 световых лет — это очень далеко (9 461 000 000 000 000 км). Довольно долгая поездка, и тем не менее, по сравнению с размером Млечного Пути, это практически у нас под носом.

Может быть, поэтому к нам пока никто не приехал? По-видимому, расстояния просто слишком велики!

На самом деле, не очень. Если не терять ощущения масштаба, путешествие к звездам совсем не заняло бы так много времени.

Смелее вперед!

Предположим, что мы, люди, вдруг решили финансировать космическую программу. И финансировать ее по-крупному: мы хотим отправить космические аппараты к другим звездам. Это непростая задача! Ближайшая звездная система, Альфа Центавра (в которой есть звезда, подобная Солнцу, и на которую стоит взглянуть), находится в 41 трлн км от нас. Самый быстрый из когда-либо созданных космических зондов добирался бы туда тысячи лет, поэтому нам в ближайшее время не стоит ожидать результатов в виде красивых фотографий.

Однако это самый быстрый космический зонд на сегодня. В настоящее время прорабатываются идеи, которые позволили бы строить гораздо более быстрые беспилотные космические зонды, даже такие, которые могут двигаться со скоростью, приближающейся к световой. Некоторые из этих идей включают термоядерную энергию, ионные двигатели (которые запускаются медленно, но непрерывно ускоряются и за годы развивают огромные скорости) и даже корабль, взрывающий позади себя ядерные бомбы, сообщающие ему мощный импульс, увеличивающий скорость[74]. Эти методы могут сократить продолжительность путешествия с тысячелетий до всего лишь десятилетий.

Возможно, этим стоит заняться. Разумеется, это дорого. Но у этой идеи нет технологических преград, только социальные (финансирование, политика и т. д.). Выскажусь яснее: при твердом намерении мы могли бы строить такие космические корабли уже сейчас. Менее чем через 100 лет мы могли бы запустить десятки межзвездных посланников к другим звездам, изучая нашу собственную округу в Галактике.

Разумеется, из-за продолжительности полетов и самого строительства флота мы не сможем осмотреть много «объектов недвижимости». В Галактике миллиарды и миллиарды звезд, и построить столько космических кораблей невозможно. Отправлять один зонд к одной звезде экономически невыгодно. Даже если наш зонд просто пройдет сквозь звездную систему, облетая планеты, и отправится к следующей звезде, на изучение Галактики уйдет вечность. Космос большой.

Но есть решение: самовоспроизводящиеся зонды.

Представьте себе: беспилотный космический аппарат с Земли прибывает к звезде Тау Кита, проведя в дороге 50 лет. Он находит группу малых планет и начинает научные наблюдения. Сюда входит что-то вроде переписи — обмер всех небесных тел в системе, включая планеты, кометы, спутники и астероиды. Через несколько месяцев изысканий зонд отправится к следующей звезде в своем реестре, но прежде, чем отбыть, он посылает на самый подходящий железоникелевый астероид контейнер. Этот контейнер, по сути, самозапускающаяся фабрика. Сразу после приземления, он начинает бурить астероид, плавить металл, выделять необходимые материалы, а затем автоматически строить новые зонды. Предположим, он строит всего один зонд, и после нескольких лет строительства и испытаний тот отправляется к другой звездной системе. Теперь у нас два зонда. Через несколько десятилетий они прибывают к своим целям, находят подходящее место и снова размножаются. Теперь у нас четыре зонда, и процесс повторяется.

Количество роботов-посланников очень быстро увеличивается, поскольку это экспоненциальный рост. Если на один зонд требуется ровно 100 лет, тогда к концу тысячелетия у нас 210 = 1024 зонда. Через два тысячелетия зондов уже миллион. Через 3000 лет их будет больше миллиарда. Так вот, это не так просто, разумеется. Даже пессимистический подход показывает, что нам потребуется где-то 50 млн лет, может чуть меньше, чтобы исследовать все до единой звезды в Галактике.

Ну, это слишком долго! И мы по-прежнему еще очень далеки от возможности это сделать. Это сложнейшая технология.

Но погодите — помните ту цивилизацию, о которой мы говорили и которая на 100 млн лет впереди нас? Имея столько времени, в поисках жизни они легко могли бы обследовать все без исключения звезды в галактике Млечный Путь. Если бы они увидели наш теплый, голубой мир, надо полагать, они бы сделали для себя отметку. Не исключено, что они побывали здесь 50 млн лет назад и не встретились с нами, людьми (бурить Луну для монолита в духе «2001: Космическая одиссея», может быть, и не так уж глупо, как кажется), или, может быть, они еще сюда не добрались.

Но с учетом временных масштабов это кажется маловероятным. Чтобы составить карту всей Галактики и побывать на подходящих планетах, не требуется так много времени. Именно поэтому я думаю, что ответ «миллионы цивилизаций» в уравнении Дрейка неправильный. Мы бы их уже увидели или, по крайней мере, услышали[75].

В космосе никто не услышит твой крик

Но иногда я задумываюсь. С учетом всей этой информации — вероятность существования жизни, относительная простота галактических исследований, время, необходимое для этого… и тот факт, что мы не обнаружили следов других форм жизни в нашей Галактике, — есть и другая возможность, о которой стоит поразмышлять.

Подумайте: что больше всего подхлестывает развитие технологий?

Война.

Вероятнее всего, первый кроманьонец, ударивший противника по голове дубиной, был также тем, кто прожил чуть дольше и оставил потомство. Армия, вооруженная ружьями, победит (в общем случае) армию, вооруженную пиками. Страна, вооруженная ракетами, победит (в общем случае) страну, вооруженную пушками. Те, у кого есть электронные, дистанционно управляемые дроны, спутники-шпионы и мгновенная связь, добьются преимущества над противником, не имеющим всего этого.

Ничто так не совершенствует технологии, как старая добрая агрессия. Даже одно из самых благородных событий в человеческой истории — высадка человека на Луну — было затеяно из-за холодной войны, космической гонки с большим и мощным противником. Американцы представляли себе советские ракетные базы на орбите и на Луне и отчаянно желали победить.

В моем детстве в умных фантастических рассказах было популярно предполагать, что любые инопланетные существа, с которыми мы сталкиваемся, обязательно будут дружелюбными, потому что ни одна воинствующая раса не смогла бы сосредоточивать свои усилия в течение достаточно долгого времени, чтобы достичь звезд.

Человечество уже практически опровергло это предположение.

Связав все воедино, мы видим, что более вероятно, что путешествовать в космосе будут воинствующие расы. Те, у кого за плечами немало побед, будут иметь лучшие технологии и будут наиболее мотивированы как минимум остерегаться пришельцев или быть открыто враждебными к ним. Эти доводы, разумеется, можно приложить к нашему собственному провинциальному примеру.

Эта гипотетическая развитая цивилизация будет ксенофобской, опасающейся пришельцев. Мы уже видели, что технологии позволяют строить межзвездные космические корабли. Кроме того, их можно спроектировать так, чтобы они создавали собственные копии, и это позволит быстрее прочесать всю Галактику.

Что происходит, когда вы берете параноидальный вид и наделяете его способностью строить такие космические корабли?

Ой-ой-ой!

Такой сценарий разыгрывается во вступлении к этой главе. Мне от этого становится страшновато: любые настолько агрессивные инопланетные цивилизации захотели бы полностью уничтожить потенциальных врагов еще до того, как те разовьются настолько, чтобы представлять для них угрозу. Проще всего это сделать, создав космические зонды, вроде описанных, и с их помощью безжалостно уничтожать всю жизнь, какая найдется.

Смерть с небес, вот именно.

Я бился над этой идеей, пытаясь понять, возможно ли такое. Единственный положительный момент в этом тот же, что и раньше: таким образом можно исследовать всю Галактику за относительно короткое время по сравнению с ее возрастом. Следовательно, исходя из той же логики, что и раньше, если бы такая ксенофобская цивилизация существовала, они, вероятно, уже были бы здесь.

Тем не менее мы никуда не делись. Мы знаем, что жизнь существует миллиарды лет. Были один-два перерыва, но планета никогда не превращалась в бесплодную пустыню, населенную лишь микроорганизмами. Как и со многими природными катастрофами, которые мы пережили, это прекрасно снижает наши шансы быть уничтоженными гадкими пришельцами. Проще говоря, если бы они там были, нас бы тут не было[76].

Я, честно говоря, не знаю, одни мы во Вселенной или нет. Этого никто не знает. Однако, учитывая необъятность космоса и огромные глубины времени, это точно кажется маловероятным. И, если мы выберемся на просторы, также кажется маловероятным, что мы столкнемся с какими-то опасными расами, такими как клингоны, ромулане, риверы, далеки или кзинти. Природные катастрофы, вероятно, по-прежнему будут нашей самой большой заботой.

Но Галактика большая, в ней есть место для самого разного. Я, может, и не знаю, одни ли мы, но хотел бы иметь шанс это выяснить.

Глава 7. Смерть Солнца

ПЛАНЕТА ПРИЛИЧНОГО РАЗМЕРА, ЯВНО ДОСТАТОЧНО БОЛЬШАЯ, ЧТОБЫ ИМЕТЬ НОРМАЛЬНУЮ АТМОСФЕРУ, НО СЕЙЧАС АТМОСФЕРЫ НЕТ. Учитывая расстояние до материнской звезды, когда-то, в далеком прошлом, на ней также вполне могла быть вода. На поверхности видны очертания континентов, однако они видны нечетко. Те глубокие, широкие котловины когда-то были дном океанов?

Сейчас сложно сказать. Возможно, раньше планета была зеленой или даже голубой, но сейчас это лишь коричневые, серые и черные пятна. Если когда-то здесь и существовала вода в жидком состоянии (или хотя бы водяные пары), то она давно исчезла, испарившись миллиарды лет назад. Для жидкой воды нужна атмосфера.

Из-за горизонта планеты начинает выглядывать краешек ее звезды. Распухшая, не имеющая четких очертаний, туманная и зловеще красная, звезда грузно восходит. Она такая большая, что кажется практически плоской. Но через несколько минут, плавный изгиб диска делается более явным, и становится понятно, насколько она огромна. Через час она все еще не полностью взошла, над горизонтом видно меньше половины. Она нависает угрожающе, напоминая пылающий взгляд прищуренного кровавого глаза.

Когда диск отрывается от горизонта, причина полной неподвижности на бесплодной планете становится очевидной. Звезда висит над поверхностью, занимая третью часть неба, это как столовая тарелка, если держать ее на расстоянии вытянутой руки. Пылающий глаз звезды уставился на поверхность планеты, начинающую разогреваться с наступлением дня. К полудню температура достигает точки плавления скальных пород, поверхность мертвой планеты начинает светиться мягким красным светом и вновь становится жидкой. Горы продолжают оплывать, а континентальные шельфы медленно текут, сливаясь с пересохшими котловинами океанов.

Наконец, после долгих часов тяжелого жара, звезда заходит, но красное зарево не гаснет на небе еще несколько часов. Скалы начинают потихоньку остывать, и к полуночи снова отвердевают. Когда небо темнеет, у поверхности земли становятся заметными струйки паров расплавленных скальных пород, подсвеченные еще не застывшей лавой, поблескивающей в трещинах неровной поверхности.

Через несколько часов цикл начнется заново. С каждым днем звезда становится чуть больше, чуть ярче, изливает чуть больше тепла на страдающую планету. Еще через несколько тысячелетий, в течение дня скалы на поверхности будут нагреваться так сильно, что во время постоянно укорачивающихся ночных передышек не будут успевать затвердеть. Вся планета расплавится, убивая всякую надежду узнать о ее далекой истории.

Жалко. Прошлое планеты, несомненно, было богатым, у нее была наполненная и живая роль третьей планеты от Солнца. Но Солнце уже давно встало на свой долгий смертный путь, а прошлое планеты Земля будет утрачено навеки.

Восход, закат

Вы смотрите на Солнце, и оно кажется постоянным, стабильным, не изменяющимся. Но это иллюзия. Глубоко в его сердце миллиарды лет идет и еще миллиарды лет будет идти эпическая битва: борьба между силами тяготения и давлением. Эта война ведется оружием сжатия и расширения, больше всего жизнь Солнца определяется балансом между этими двумя древними врагами.

В настоящий момент они примерно уравновешивают друг друга. Силы тяготения Солнца способны удерживать его вещество, противодействуя внутреннему давлению, которое пытается взорвать его, как бомбу. Это шаткое равновесие существует миллиарды лет и будет сохраняться еще долго.

Но не вечно.

Есть старая фраза, очень старая: «И это пройдет». С помощью Солнца мы отмеряем свои дни и годы. Эти временные промежутки естественны для нас. Но в гораздо более длительных масштабах времени само Солнце окажется часами, замедляющими свой ход.

Постоянство Солнца — это иллюзия. Как и любая другая звезда, Солнце родилось и проживет свою собственную жизнь.

А в один прекрасный день оно умрет.

Пролетают дни тысячелетия мириады лет

О неизбежной смерти Солнца думать не очень-то приятно. Но в конце концов это произойдет. Столкновение с астероидом, близкая вспышка сверхновой, всплеск гамма-излучения — все это может случиться. А может быть, и нет. Но смерть Солнца — это неотвратимая неизбежность, и с каждой секундой каждого дня мы чуточку приближаемся к ней. Так или иначе, конец Солнца означает конец Земли, такой, какой мы ее знаем. Возможно, что он может буквально означать конец Земли. Не исключено, что сама планета не переживет кончины материнской звезды. Она точно не останется живой и невредимой.

Как говорилось в главе 3, Солнце не может превратиться в сверхновую. Несмотря на то что у него достаточно массы, чтобы синтезировать в ядре гелий из водорода, как это происходит сейчас, и продолжить синтезировать углерод и кислород из гелия, у него просто нет того, что требуется для продолжения последовательности синтеза. В его ядре никогда не будет создано железо, поэтому коллапса ядра, создающего энергию для взрыва сверхновой, не будет.

Так что Солнце умрет не с громом, а со всхлипами. Но всхлипы в масштабах звезды все равно колоссальное событие в человеческих масштабах.

В главе 3 также дается краткое описание того, что произойдет со звездой, когда в ее ядре закончится водород и начнется слияние ядер гелия. Некоторые подробности, не столь важные для обсуждения процесса превращения звезды в сверхновую, были опущены, но, когда мы говорим о стареющем Солнце, эти подробности становятся очень важными. Возможно, вы слышали, что в один прекрасный день Солнце превратится в красного гиганта и поглотит внутренние планеты… но это все равно что сказать, что «Звездные войны — это фильм про мальчишку, который обнаружил, что он круче, чем думал, и в конце концов спасает всех». Интересное кроется в подробностях!

Этапы эволюции Солнца определяются законами физики, а эти законы нерушимы. Они действуют в течение гораздо более длительных промежутков времени, чем те, которые мы уже обсудили, миллиарды лет. Время продолжает идти, хотим мы этого или нет, и мы увидим эти этапы в жизни Солнца… и мы увидим его неизбежную смерть.

Солнце — нормальная звезда

Возраст Солнца: 4,6 млрд лет (сейчас + 0 лет)

Прямо сейчас мы можем считать, что Солнце приблизительно средних лет: его возраст где-то 4,6 млрд лет, и оно проживет как нормальная звезда еще 5 или 6 млрд лет[77]. Сейчас оно стабильно синтезирует гелий из водорода в своем ядре. Этот гелий постепенно опускается в центр Солнца. Условия там такие, что ад покажется Антарктикой: температура более 15 млн °С, а давление примерно в 250 млрд раз выше атмосферного давления на поверхности Земли.

Но даже в таких экстремальных условиях углерод и кислород из гелия синтезироваться не будут. Инертный гелий накапливается в самом центре ядра. Может показаться странным, но вещество в ядре по-прежнему ведет себя как газ и подчиняется тем же законам физики, что и обычный газ. По мере накопления гелия плотность ядра возрастает, а это означает, что также увеличивается температура — сжатый газ нагревается. Это тепло должно куда-то деваться, поэтому оно излучается в верхние слои и дальше наружу из Солнца в виде света.

Этот процесс идет постоянно с того момента, как 4,6 млрд лет назад в ядре Солнца впервые запустился ядерный синтез. Это означает, что все это время, очень медленно, ядро Солнца нагревается по мере того, как в нем накапливается и спрессовывается гелий. Эта энергия поднимается из недр Солнца и излучается с его поверхности, поэтому при разогревании ядра светимость Солнца увеличивается. Сейчас оно примерно на 40 % ярче, чем было в момент запуска реакций ядерного синтеза все те миллиарды лет назад… и будет становиться все ярче и ярче по мере того, как все больше и больше гелия будет сбрасываться в его сердцевину.

Солнце становится ярче

Возраст Солнца: 5,7–8,1 млрд лет (сегодня + 1,1–3,5 млрд лет)

Увеличивающая яркость Солнца приводит к проблемам. На Земле сегодня такая температура, какая есть, именно потому, что планета отсекает небольшое количество излучаемой Солнцем энергии. Но дополнительная энергия от Солнца означает дополнительное тепло, которое будет нагревать Землю. Отслеживая процесс глобального потепления, ученые тщательно изучают последствия роста температуры на окружающую среду Земли. Если бы общая температура Земли увеличилась всего на 5 °C, полярные шапки растаяли бы, вызвав чудовищную экологическую катастрофу.

Нюансы зависимости температуры на Земле от излучаемой Солнцем энергии сложны, но общий эффект заключается в том, что, когда Солнце становится ярче, Земля нагревается[78]. В целом, такой рост яркости происходит достаточно медленно, и жизнь на Земле может адаптироваться к изменениям. Но, когда Солнце станет на 10 % ярче, чем сегодня, температура на Земле увеличится больше, чем на те критические 5 °C. Последствия для окружающей среды будут очень серьезными. Когда ледяные шапки растают, прибрежные регионы на всех континентах затопит. Экваториальные области станут слишком жаркими, и жить там будет сложно, впрочем, такие места, как Гренландия и даже Антарктика, станут теплее[79].

Но потепление на полюсах, вероятно, не компенсирует потерю среды обитания на низких широтах, потому что воздух на Земле станет слишком сухим. Когда молекулы воздуха нагреваются, они начинают двигаться быстрее. Более легкие молекулы проворнее, чем более тяжелые, и в нагревающемся воздухе они двигаются настолько быстро, что смогут совсем улететь с Земли! Именно поэтому в атмосфере Земли практически нет водорода и гелия: они такие легкие, что улетели в космос миллиарды лет назад. Более тяжелые молекулы, такие как вода, N2 и O2, обычно остаются.

Но по мере нагрева воздуха более ярким Солнцем, даже тяжелые молекулы смогут улететь в космос. Со временем атмосфера станет слишком теплой и не сможет задерживать даже водяные пары. Они унесутся в космос, воздух высохнет, и континенты на планете превратятся в опаленные пустыни. Это будет иметь очевидные последствия для земной жизни.

Если допустить, что светимость Солнца будет стабильно расти, такое произойдет примерно через 1,1 млрд лет.

Это очень долго, и странным образом немного успокаивает! Это не избавляет нас от неприятностей, связанных с любыми другими существующими сейчас экологическими факторами, вносящими вклад в изменение температуры Земли, но об отдаленной перспективе можно пока не волноваться.

Однако то время неизбежно наступит. А после этого дела пойдут еще хуже.

Солнце продолжит разгораться. Спустя еще 2,4 млрд лет (3,5 млрд лет от настоящего времени) яркость Солнца увеличится на 40 % по сравнению с сегодняшней. Температура Земли поднимется настолько, что океаны полностью испарятся. Атмосфера Земли будет по-прежнему слишком горячей и не удержит водяные пары, поэтому они улетят в космос. Вся поверхность Земли станет сухой, как кость[80]. Осадок на дне океанов обнажится, и Солнце начнет его нагревать. По мере высыхания океанского дна осадок будет выделять накопившуюся в нем двуокись углерода. Двуокись углерода в атмосфере — это парниковый газ; он впускает тепло от Солнца, но не выпускает его наружу. Земля нагреется еще сильнее, и от выделенных объемов CO2 атмосфера станет густой и туманной. Вполне вероятно, что через несколько миллиардов лет Земля будет очень похожа на сегодняшнюю Венеру: ужасно жаркая и окутанная плотной атмосферой, состоящей практически полностью из двуокиси углерода.

Однако за миллионы и миллиарды лет даже настолько густой воздух улетит в космос. К тому времени как Солнце откроет новую главу жизни в своей эволюции, переключившись на повышенную передачу, на Земле останутся голые скалы и никаких следов атмосферы. Она будет совершенно безжизненной[81].

Для тех, кто не может оставить надежды[82], — есть одна форма жизни, которая, возможно, переживет этот этап отдаленного будущего Земли. В глубине золотой шахты в Южной Африке ученые обнаружили колонию микробов, живущих за счет имеющихся там химических соединений. Эти химические соединения создаются благодаря естественной радиоактивности скальных пород, поэтому этим бактериям не нужен солнечный свет для жизни, что, в свою очередь, означает, что они могут жить очень глубоко под землей. Поэтому, в то время как вся жизнь на поверхности Земли вымрет за следующие 3,5 млрд лет, сама жизнь продолжится где-нибудь в глубинах Земли. Это слабое утешение, возможно… но нужно заметить: и это пройдет. Еще через 2 млрд лет Солнце начнет причинять Земле настоящие неприятности.

Солнце — субгигант

Возраст Солнца: 10,9–11,6 млрд лет (сегодня + 6,3–7,0 млрд лет)

Итак, в этом далеком будущем Земля мертва, бесплодна, поджарена Солнцем, которое становится все ярче. Однако если история Земли в этот момент более или менее закончена, то биография Солнца только раскочегаривается.

Потому что оно обязательно станет еще горячей. В конце концов, спустя примерно 11 млрд лет после рождения Солнца и 6,3 млрд лет от сегодняшнего дня, в его ядре больше не останется водорода для слияния. Ядро будет полностью состоять из гелия, но все равно останется недостаточно горячим, чтобы гелий синтезировался в углерод и кислород. На ядре из гелия покоится примерно половина массы Солнца, она давит на него, сжимая, но ядро не коллапсирует исключительно благодаря собственному внутреннему давлению. Масса Солнца продолжит давить, и гелиевое ядро будет сжиматься все больше[83]. Как и прежде, на давление оно реагирует, нагреваясь. Все сильнее и сильнее. Хотя водорода в ядре не осталось, в окружающих ядро слоях его полно — просто до настоящего времени давление и температура снаружи ядра были недостаточно высокими, и слияния атомов водорода там не происходило.

Но в определенный момент температура сжимающегося ядра вырастает настолько, что начнется слияние ядер водорода в окружающей ядро оболочке. Этот процесс внесет свой вклад в генерируемое внутри Солнца тепло, поэтому внешние слои в ответ начнут расширяться. Когда такое случится, через 6,3 млрд лет от сегодняшнего дня, диаметр Солнца увеличится примерно на 50 %, а его яркость — более чем в два раза. Астрономы называют такие звезды субгигантами. Они больше и светят ярче, чем прежде, но процесс еще не завершен.

Солнце останется субгигантом в течение приблизительно 700 млн лет. За этот период его яркость останется примерно постоянной, но размер увеличится с 1,5 от сегодняшнего размера до диаметра ориентировочно в 2,3 раза больше, чем сейчас.

Цвет Солнца также изменится. Как говорилось в главе 3, излучаемая энергия увеличилась, но площадь, с которой она излучается, стала гораздо больше. Каждый квадратный сантиметр Солнца теперь излучает меньше энергии, чем раньше, просто квадратных сантиметров стало больше. Поверхность Солнца немного остывает, на несколько сотен градусов, и цвет становится более оранжевым, чем сегодня.

В это время суммарное воздействие на Землю незначительное. Небольшое снижение температуры Солнца вряд ли как-то сказывается на Земле, уже зажаренной за миллиарды лет увеличившейся излучаемой энергией. Жизни (за исключением, может быть, тех подземных микроорганизмов) уже давно нет.

Тем не менее время продолжает идти.

Солнце — красный гигант

Возраст Солнца: 11,6–12,233 млрд лет (сегодня + 7,0–7,633 млрд лет)

Пока Солнце находится в стадии субгиганта, его ядро продолжает сжиматься и нагреваться. Тем временем новый гелий, образующийся при слиянии ядер водорода в тонкой оболочке, окружающей ядро, добавляется к тому, что уже имеется в ядре. Спустя примерно 700 млн лет существования в виде субгиганта, когда Солнцу будет около 11,6 млрд лет, масса гелия в ядре достигнет критической: начинается процесс вырождения. Это экзотическое состояние подчиняется законам квантовой механики и наблюдается, когда материя сжата до невероятно плотного состояния. Вырожденная масса уже ведет себя не как обычный газ. Прежде всего, если к ней что-то добавить, в ответ она сжимается — противоположное тому, что вы бы ожидали[84]. Кроме того, добавленная масса не увеличивает давление внутри вырожденного газа (этот момент будет очень важен позднее), как можно было бы предположить. Вместо этого просто увеличивается температура.

Ядро продолжит сжиматься по мере того, как в него сваливается все больше вещества, образующегося при слиянии ядер водорода. Температура продолжает расти, но не давление. Как и прежде, это дополнительное тепло сбрасывается во внешние слои, но теперь разница заключается в том, что ядро вырожденное и нагревается очень сильно и относительно быстро.

Когда ядро становится вырожденным, Солнце будет примерно в 2,3 раза шире, чем сейчас. Но по мере нагрева вырожденного ядра внешние слои снова отреагируют на это добавленное тепло расширением. Когда это произойдет, Солнце раздуется до невероятных размеров, в 100–150 раз больше, чем сейчас — до 160 млн км в диаметре. Температура упадет в два раза, а его светимость — энергия, которую оно излучает в секунду, — жутко увеличится, в 2400 раз по сравнению с нынешней. В течение следующих 600 млн лет Солнце будет пылать как ярко-красный, огненный маяк. Это — красный гигант.

Вид с Земли будет шикарный. Прямо сейчас вы можете легко заслонить Солнце большим пальцем вытянутой руки. Когда Солнце дойдет в своей эволюции до стадии красного гиганта, оно будет занимать третью часть неба. Сложно представить, какие это размеры. Так что берите большую линейку. Возьмите один конец в левую руку, а правую поместите на отметку 60 см. Теперь вытяните руки вперед. Когда Солнце будет максимальных размеров в стадии красного гиганта, оно как раз поместится между вашими руками. От года к году его рост будет не сильно заметен, но со временем оно увеличится до таких колоссальных размеров, что будет казаться, что оно нависает над вами в небе.

Разумеется, к тому моменту вы уже давно будете зажарены.

По мере того как Солнце раздувается, превращаясь в красный гигант, происходит несколько интересных вещей. Прежде всего его вращение замедлится практически до полной остановки. Когда оно расширяется, скорость вращения замедляется, точно так же, как фигуристка может замедлить вращение, разведя руки в стороны. Скорость вращения уменьшается более или менее пропорционально увеличению размера, поэтому, если Солнце расширилось в 100 раз, его вращение замедлится в 100 раз. Сейчас оно совершает один оборот примерно за месяц, а когда станет красным гигантом, то на один оборот будет уходить 3000 дней: больше восьми лет.

Кроме того, увеличится светимость Солнца, как мы уже обсуждали, но еще одно критическое изменение, происходящее при увеличении размера, — это уменьшение его сил тяготения. Притяжение, ощущаемое на поверхности объекта, зависит от его массы и радиуса. Когда Солнце превратится в красный гигант, его масса останется прежней, но радиус увеличится в 100 раз. Это означает, что притяжение на поверхности уменьшится в 10 000 раз. В настоящее время притяжение на поверхности Солнца примерно в 28 раз больше земного (поэтому я, например, весил бы там больше двух тонн[85]).

Но, когда Солнце раздуется до красного гиганта, притяжение на поверхности упадет до менее 1 % от притяжения на Земле. Любая частица на поверхности распухшего Солнца будет очень слабо удерживаться его силами тяготения.

В то же время светимость Солнца увеличивается в 2400 раз. Каждый квадратный сантиметр Солнца будет излучать в 2400 раз сильнее, чем до того, как оно раздулось. Этот свет обладает импульсом, который он может сообщать частице на поверхности, подбрасывая ее вверх. Для произвольного атома водорода на поверхности Солнца в стадии красного гиганта это как если бы кто-то отключил притяжение и одновременно включил огромный вентилятор снизу: частицы будут буквально сорваны с поверхности и унесены прочь.

Этот поток частиц, что называется звездным ветром, подобен солнечному ветру, только он гораздо плотнее. По сути, каждый год Солнце — красный гигант будет сбрасывать что-то типа одной десятимиллионной доли своей массы — это гораздо, гораздо больше, чем сейчас уносится солнечным ветром[86].

Эта потеря массы настолько велика, что, пока Солнце раздувается до красного гиганта, оно потеряет значительную долю своей массы. Так как притяжение Солнца зависит от его массы, оно также уменьшится. Планеты, ощущая меньшее притяжение, будут смещаться к периферии Солнечной системы: при ослаблении хватки Солнца диаметр их орбит увеличится.

Это гонка! Сможет ли Солнце раздуться достаточно быстро и поглотить внутренние планеты, или они вовремя мигрируют от него и не попадут в огненную пасть?

Для Меркурия итог очевиден: погибель. Сейчас он находится на расстоянии 58 млн км от Солнца, он слишком отстает от других планет даже на момент сигнала к началу гонки. Через несколько миллионов лет Солнце его догонит и расширится прямо за орбиту планеты. Меркурий в буквальном смысле окажется внутри Солнца.

Что с ним произойдет? Интересно, что наружная оболочка красного гиганта — это практически вакуум. Масса Солнца по-прежнему примерно такая же, но объем увеличился необычайно: когда Солнце станет красным гигантом, оно будет занимать в миллион раз больше объема, чем сейчас, поэтому его средняя плотность упадет во столько же раз. Плотность внешних слоев будет даже еще меньше, потому что бо́льшая часть массы звезды находится в ее ядре. В конечном итоге плотность будет меньше одной тысячной от плотности атмосферы Земли — практически лабораторный вакуум.

Но, несмотря на такую разреженность, материя там все-таки присутствует. Меркурий обращается вокруг Солнца за 88 дней, поэтому для него это будет все равно что двигаться через неподвижное вещество. Когда он будет прокладывать сквозь него путь, то нечто подобное сопротивлению воздуха будет замедлять его движение по орбите точно так же, как парашют замедляет падение парашютиста. Всего через несколько лет Меркурий замедлится настолько, что начнет опускаться по спирали в центр Солнца, где увеличивающаяся плотность материи ускорит постепенное снижение орбиты крошечной планеты. Если Меркурий не испарится раньше, он упадет в центр Солнца, где практически наверняка встретит свою погибель.

Пш-ш-ш!

Разумеется, если сопротивление солнечной материи замедляет Меркурий, верно и обратное: Меркурий будет разгонять частицы во внешних слоях Солнца. Медленно опускаясь по спирали внутрь Солнца, он будет ускорять его вращение. Не намного, всего на 1 % или 2 %. Когда его погружение в сердце звезды завершится, единственным свидетельством того, что когда-то в Солнечной системе была планета под названием Меркурий, будет лишь небольшое увеличение скорости вращения Солнца.

А что с Венерой? Дело в том, что наши знания о том, как Солнце будет раздуваться до красного гиганта, по-прежнему не очень определенные, поэтому мы не можем сказать, будет ли Венера поглощена или нет. Согласно некоторым моделям, она избежит такой участи, но другие модели показывают, что с ней произойдет то же самое, что и с ее младшим братом. Даже если ей удастся остаться снаружи жадно расширяющейся поверхности Солнца, она обречена. Находящееся на расстоянии всего несколько миллионов километров, Солнце заполнит небо Венеры. Поверхность Венеры уже сейчас горячая — 460 °C, из-за неконтролируемого парникового эффекта, — но когда Солнце начнет так безжалостно нависать над планетой, температура подскочит почти до солнечной. Кора Венеры расплавится, а ее атмосферу унесет.

Земля, возможно, будет в немного лучшей ситуации. Некоторые исследования показывают, что диаметр ее орбиты будет увеличиваться быстрее, чем размеры Солнца, а другие прогнозируют, что она будет поглощена постоянно растущей звездой. Астрономы по-прежнему спорят о деталях, которые важны в этой игре «поймай меня, если сможешь»[87]. В зависимости от того, как Солнце будет расширяться и сколько массы оно потеряет, Земля сместится и будет находиться примерно в 1,4 раз дальше от Солнца, чем сейчас. Сейчас расстояние от Земли до Солнца равно 149,6 млн км, поэтому к тому моменту, когда Солнце прекратит расширяться, это расстояние увеличится до 209 млн км.[88]

Даже если мы избежим участи быть поглощенными, погодите вздыхать с облегчением: помните о том, как огромно Солнце — красный гигант. Оно будет занимать большую долю земного неба, излучая с температурой свыше 2800 °C. В тот момент температура поверхности Земли будет примерно 1400 °C — достаточно, чтобы расплавить любой металл и скальную породу на поверхности планеты. Земля была уже совершенно мертва до того, как Солнце раздулось, ее океаны закипели и испарились, а атмосферу сорвало. Но, когда Солнце будет красным гигантом, кора Земли еще и расплавится, и это, в принципе, будет конец. Несмотря на то что в буквальном смысле это не конец света, это конец того света, который мы знаем.

Но мы можем порассуждать и о других телах Солнечной системы. Хотя Земля будет полностью спечена, она — не единственная подходящая для жизни планета в Солнечной системе. Марс также отодвинется от Солнца, но, к несчастью, и там будет слишком жарко для жизни. Даже спутники Юпитера нагреются очень сильно, и мы не сможем на них обитать (средняя температура будет свыше 260 °C, жарче, чем в духовке, когда вы печете печенье). Спутник Юпитера Европа — это ледяное небесное тело, под поверхностью которого может быть вода. Когда Солнце станет красным гигантом, Европа может полностью испариться.

Возможно, ни одно место в Солнечной системе не будет достаточно прохладным для существования жизни, какой мы ее знаем. Даже на далеких спутниках Урана и Нептуна будет слишком жарко. Такие температуры, какие мы имеем сегодня на Земле, были бы только на расстоянии примерно 7 млрд км. Из всех мест в Солнечной системе, через 6 млрд лет только ледяные (сейчас) небесные тела, медленно обращающиеся вокруг Солнца далеко за орбитой Плутона, могут быть достаточно прохладными для нас. Они полностью растают, превратятся, по сути, в гигантские капли воды диаметром в пару сотен километров или около того, а распухшее красное Солнце будет смотреть на них пылающим взглядом. Известно, что в настоящее время на этих объектах имеется много органических соединений. Когда ледяные тела нагреются, с соединениями могут произойти самые разные любопытные вещи. Небесные тела будут находиться в жидком состоянии сотни миллионов лет, пока Солнце будет оставаться красным гигантом, поэтому напрашивается вопрос:

Какая жизнь могла бы развиться при таких обстоятельствах?

Отступление: Давид и Голиаф

На этом этапе жизни Солнечной системы дела у команды хозяев идут не очень хорошо. Солнце — распухший, надутый пузырь. Оно поглотило одну планету, зажарило три других, испарило свиту спутников и в целом создало неприятную атмосферу почти для всех.

Но что же вы будете делать?

Это отличный вопрос. Пока что история развивалась таким образом, потому что мы так решили. То есть, если мы будем сидеть и смотреть, именно так все и произойдет.

Но все может случиться и по-другому.

Например, Солнце превратится из субгиганта в гигант за несколько миллиардов лет. В это время температура на Земле будет невыносимой. А когда Солнце станет гигантом, даже Марс будет выглядеть непривлекательно. Но миллиард лет — это очень, очень долгое время, и на это время Марс может оказаться подходящим местом.

Он меньше Земли, и у него очень мало атмосферы. С его размером мы ничего не можем поделать, но можем привезти туда воздух… сбрасывая на него бомбы. Бомбы в виде комет.

Кометы — это большие комки из камней и льда, а некоторые, обитающие на окраинах Солнечной системы, довольно большие, сотни километров в поперечнике. В тех дальних краях они двигаются так медленно, что не потребуется больших усилий, чтобы столкнуть несколько комет во внутреннюю Солнечную систему. А сделать это можно было бы, закрепив на комете небольшую ракету. Если сталкивать с Марсом небольшие фрагменты по одному, можно легко получить достаточно воды, чтобы заполнить пруды, озера, а со временем и океаны. Аккуратные манипуляции с его атмосферой с помощью генетически модифицированных растений и химической обработки, могут способствовать появлению воздуха, которым можно дышать. По некоторым оценкам, на это может уйти всего одно или два столетия.

Такой подход — делать планету больше похожей на Землю — называется терраформированием. Это один из основных сюжетов научной фантастики, но он основан на фактах: физика, химия, биология и иные задействованные в этом направления науки в целом хорошо известны. Разумеется, дьявол кроется в деталях, но у нас масса времени, чтобы их проработать. По моим догадкам, в том далеком будущем, через миллиарды лет, столетие или два туда-сюда вряд ли будут иметь значение.

Вероятно, у нас будет технология, чтобы начать такие работы на Марсе гораздо раньше, чем через 6 млрд лет; они вполне могут быть начаты в следующем веке. Поэтому напрашивается следующий вопрос: через 6 млрд лет разве мы уже не терраформируем все планеты? Возможно. При постоянно растущей численности населения люди будущего будут смотреть на всю ту недвижимость на других берегах пространства завистливыми глазами и медленно, но верно, как когда-то написал Герберт Уэллс, вынашивать свои коварные планы насчет нее.

Тем не менее — и прервите меня, если вы это уже слышали, — нет ничего лучше дома. Земля — очень хорошее место, и мы провели здесь долгое время, эволюционируя, чтобы приспособиться к среде. Разве для нашей родной планеты нет никакой надежды?

Да, есть, и решение простое: нам просто нужно отодвинуть ее подальше от Солнца.

Насколько это сложно?

Ну, на деле очень сложно. Основная проблема в том, что Земля — большой, массивный объект, поэтому потребуется очень много энергии, чтобы ее сдвинуть[89]. Чтобы сдвинуть Землю туда, где температура будет более комфортной (за пределы нынешней орбиты Сатурна), потребуется примерно столько же энергии, сколько Солнце сегодня излучает за целый год. Это эквивалент взрыва 200 квадрильонов ядерных бомб мощностью одна мегатонна каждая.

Это может привести к определенным последствиям для окружающей среды.

Но есть альтернативы. Мы могли бы привязать к Земле несколько миллионов ракет вверх ногами и запустить их, но непонятно, где взять достаточно топлива для них. Плюс задача усложняется вращением Земли и ее обращением вокруг Солнца (однако мы можем предположить, что, когда нам понадобится это сделать, у нас будет нужная технология).

Но есть способ получше, последствия которого для окружающей среды (если мы будем осторожны) практически равны нулю.

Когда мы отправляем зонды к внешним планетам, мы можем придавать им дополнительную скорость, «занимая» (вообще-то, крадя) энергию у орбитального движения других планет, мимо которых они пролетают. Это так называемый эффект гравитационной пращи. Если нам нужно ускорить зонд, мы направляем его по такой траектории, что он приближается к планете, движущейся по орбите вокруг Солнца, сзади, догоняя ее. Когда зонд пролетает мимо планеты, ему передается часть энергии орбитального движения планеты и скорость зонда увеличивается. Планета теряет то же количество энергии и чуточку замедляет свое движение по орбите. Так как планета, как правило, гораздо массивнее космического зонда, она замедляется очень незначительно, на самом деле это замедление даже не измерить, а зонд может набрать очень хорошую скорость. Это означает, что мы можем отправлять зонды на внешние планеты без необходимости везти с собой огромные количества топлива.

Если у планеты забрать энергию, она чуть-чуть сместится ближе к Солнцу. Но если мы делаем противоположное — запускаем зонд навстречу планете, — тогда зонд теряет энергию, отдав ее планете. Зонд замедляется и смещается ближе к Солнцу (это полезно, когда нужно направлять зонды к внутренним планетам, например к Меркурию), а планета приобретает энергию, отдаляясь от Солнца.

Если мы хотим сдвинуть Землю подальше от постоянно увеличивающегося, испепеляющего Солнца, это прекрасный способ. Вместо космических зондов мы можем использовать астероиды, которые гораздо массивнее. Это означает больший обмен энергией и меньшее количество маневров. Сдвинуть астероиды не так уж сложно, в этом случае прекрасно сработает закрепленная на астероиде ракета. Нацелив астероид нужным образом, мы могли бы забрать часть его орбитальной энергии, сдвинув Землю на самую чуточку от Солнца. «Намылить, смыть, повторить…»[90] и так миллион раз.

Такой сценарий изучали астрономы Дональд Корикански, Грег Лафлин и Фред Адамс. Они выяснили, что с помощью большого, но заурядного астероида таким маневром вполне можно постепенно сдвинуть Землю на безопасное расстояние от Солнца.

Вот как это делается. Начинаем с большого камня примерно 90 км в поперечнике, который находится на самых окраинах Солнечной системы. Изменяем его орбиту, используя ракету или какой-либо другой метод, так, чтобы камень вошел во внутреннюю Солнечную систему. Нацеливаем его (здесь для точного маневрирования пригодится ракета) так, чтобы он прошел перед Землей на расстоянии примерно 10 000 км.[91]

Точное количество перенесенной энергии зависит от множества факторов, таких как угол траектории камня, насколько близко он проходит от нас и так далее, но в целом за один проход камень такого размера добавил бы примерно 16 км к радиусу земной орбиты.

Это не много, разумеется, но сначала много и не нужно. Достаточно небольших шагов, у нас много времени!

Дальше у нас имеется два варианта. Например, мы могли бы подождать несколько тысяч лет, найти второй астероид и использовать его точно так же. Но это пустая трата времени и сил, потому что в Солнечной системе нет достаточного количества астероидов таких размеров, которые дали бы нужный результат. Они все закончатся, а Земля по-прежнему будет слишком близко к Солнцу.

Второй вариант лучше: вместо того чтобы попросту выбросить первый астероид, мы используем его повторно. Немного предварительного планирования и внимательный подход могут спасти положение. Не давая астероиду улететь, мы рассчитываем время прохода так, что, улетая от нас в дальний космос, он пройдет мимо либо Юпитера, либо Сатурна. В этот раз, однако, он догоняет планету, приобретая энергию. Затем его орбиту можно еще раз подправить (используя установленную на нем ракету; а если она питается от солнечной энергии, мы даже не заплатим за топливо), чтобы он снова прошел мимо Земли. Если мы так сделаем, астероид станет чем-то вроде межпланетного курьера, переносящего орбитальную энергию, забирая ее у Юпитера или Сатурна и доставляя на Землю.

При смещении Земли к периферии Солнечной системы Юпитер будет сдвигаться к центру — помните, мы крадем у него энергию, — но Юпитер настолько более массивен, чем Земля (в 300 раз, кстати), что он смещается на гораздо меньшее расстояние. Для того чтобы отодвинуть Землю на достаточное расстояние и поддерживать ее температуру, пока Солнце находится на стадии субгиганта (примерно на 80 млн км или около того), Юпитеру придется сдвинуться всего на несколько миллионов километров к центру Солнечной системы (сейчас он находится на расстоянии примерно 778 млн км от Солнца).

Однако, когда Солнце станет красным гигантом, это создаст проблему. Земле придется сдвинуться за нынешнюю орбиту Юпитера. Для этого мы могли бы по-прежнему красть его орбитальную энергию, но, как только две планеты сблизятся, притяжение Юпитера начнет непосредственно воздействовать на Землю[92]. Любое подобное сближение Земли с крупнейшей планетой в Солнечной системе неизбежно будет иметь плачевный результат для нас: наиболее вероятный сценарий — Земля будет вообще выброшена из Солнечной системы (см. главу 5).

Мы могли бы использовать второй комплект астероидов, чтобы сдвинуть и Юпитер дальше от Солнца, воруя энергию у Сатурна, Урана и Нептуна. Здесь, однако, математика очень усложняется, и результаты сложно точно рассчитать.

Тем не менее у нас есть несколько миллиардов лет, чтобы определить, как именно мы будем играть в музыкальные стулья с планетами. На данный момент мы, вероятно, уже достаточно хорошо это выяснили. Это практически осуществимый подход, и нашим потомкам, вполне возможно, придется использовать его.

Гелиевая вспышка и слияние ядер гелия в ядре

Возраст Солнца: 12,233–12,345 млрд лет (сегодня + 7,633–7,745 млрд лет)

Итак, сегодня на календаре 7 633 000 000 г. н. э. (плюс-минус тысяча лет), Солнце — красный гигант, уже приближающийся к максимальному диаметру, 240 млн км, Меркурия нет, Венера, может быть, еще существует, но бедствует, Земля по-прежнему здесь, но возможно, ее орбита находится гораздо дальше от Солнца, чем когда оно было средних лет, а Плутон сейчас занимает лучшую квартиру (с бассейном во всю планету). Путешественник во времени из XXI в. практически не узнал бы свою округу.

Но с нами еще не покончено, совсем нет. Солнце будет красным гигантом не вечность. И, как обычно, ключ к тому, что происходит, лежит глубоко в сердцевине светила.

Теперь ядро Солнца состоит из чистого гелия и сжимается. Оно вырожденное и продолжает нагреваться. В тонкой оболочке вокруг него водород синтезируется в гелий, добавляя нового пепла в ядро. Помните также: так как ядро вырожденное, при добавлении массы давление в нем не изменяется. Температура, однако, продолжает расти.

В определенный момент, где-то через 600 млн лет с начала трансформации в красный гигант, ядро достигает температуры 38 млн °С. Тут весь ад срывается с цепи. Ну, точнее говоря, весь ад освобождается.

При текущей температуре гелий может синтезироваться в углерод. Так вот, если бы ядро было просто обычным газовым шаром, нагретым до этой температуры, ядра гелия сливались бы, тепло выделялось и газ расширялся, регулируя внутреннее давление в зависимости от дополнительного тепла, — то есть, по сути, то, чем ядро и внешние слои Солнца занимались в течение миллиардов лет, находя баланс между температурой, гравитацией и давлением.

Но ядро не нормальное. Оно вырожденное. Оно не может изменять свое давление. Поэтому оно не может увеличиваться в размерах для компенсации роста температуры. Где-то в глубине ядра температура достигает той критической точки, и начинается синтез углерода из гелия. При этом выделяется энергия, повышающая температуру ядра.

Это плохо. Скорость слияния ядер гелия удивительно чувствительна к температуре. Небольшой рост температуры — и скорость слияния взлетает, еще больше повышая температуру, которая еще больше увеличивает скорость слияния. Буквально через несколько секунд этот замкнутый круг выходит из-под контроля, и гелий в солнечном ядре взрывается, как бомба.

Выделяется столько энергии, что бледнеют любые преувеличения: она колоссальная, эпическая, титаническая. В тот единственный момент, который называется гелиевой вспышкой, ядро Солнца выделяет столько энергии, сколько все остальные звезды в Галактике, вместе взятые. Фактически оно может выделить в 100 млрд раз больше обычно излучаемой Солнцем энергии, и все это за несколько секунд.

Вы могли бы подумать, что от этого звезду разорвет как сверхновую, но этого не происходит. Происходит удивительное: так как все это совершается глубоко в ядре, сама материя поглощает всю выделенную энергию. Такого притока энергии достаточно, чтобы преодолеть вырождение ядра, и внезапно оно снова становится нормальной материей. Да, оно подвергается колоссальному давлению, но его состояние уже не определяется той странной квантовой механикой. Как только состояние вырождения исчезает, неконтролируемый ядерный синтез прерывается, и все возвращается в прекрасное стабильное состояние.

После того как такой мощный взрыв был благополучно поглощен и ядро снова стало старым добрым газом, слияние ядер гелия может продолжиться в более спокойном темпе. Итак, теперь мы имеем ядро из гелия, синтезирующегося в углерод с выделением тепла (также присутствуют некоторые меньшие по объемам реакции синтеза с образованием кислорода и неона). Снаружи по-прежнему находится тонкая оболочка, в которой происходит слияние ядер водорода, а над ней на сотни миллионов километров простираются внешние слои звезды.

Удивительно, но количество энергии, генерируемой в ядре благодаря слиянию ядер гелия, теперь меньше, чем та, что излучалась, когда ядро было вырожденным и сжималось. Это означает, что в те толстые внешние слои переносится меньше тепла, которое раньше поддерживало их в раздутом состоянии. Как только ядро остывает, внешние слои сжимаются. В течение относительно короткого времени (примерно миллион лет) красный гигант приблизился к своему максимально возможному размеру и тут у него выбивают почву из-под ног. Солнце сжимается.

Когда все успокаивается, Солнце становится значительно менее ярким, излучая теперь энергию, которая всего примерно в 20–50 раз больше той, которую оно излучало в молодости, всего несколько процентов от пиковой энергии на этапе красного гиганта. Его размеры все равно больше, чем когда оно было нормальной звездой, но гораздо меньше, чем у красного гиганта: сейчас оно примерно в десять раз больше исходного размера, 13–16 млн км в поперечнике. Теперь оно немного горячей, излучает при температуре около 4400 °C, это все равно холодней, чем его температура сегодня. Оно чудесного оранжевого цвета.

Так как Солнце стало меньше, притяжение на его поверхности увеличивается (несмотря на то что оно потеряло часть массы, когда было красным гигантом). Частицы на поверхности удерживаются сильнее. Более того, его светимость упала, поэтому частицы подвергаются меньшему давлению потока света, и их не так сильно уносит с поверхности. Звездный ветер значительно стихает.

Так что теперь Солнце снова стабильно. Оно останется в таком состоянии — гигант, в котором идет слияние ядер гелия, — в течение более сотни миллионов лет.

Однако Земле опять грозят неприятности. Потратив столько усилий на то, чтобы отодвинуть ее на миллиарды километров, мы внезапно обнаруживаем, что Солнце теперь гораздо меньше и излучает меньше энергии. Температуры падают. Нашим далеким потомкам придется двигать Землю обратно к Солнцу. Никаких проблем — они могут сделать обратное тому, что делали, когда отодвигали ее. Однако теперь у них гораздо меньше времени на это: у них были миллиарды лет на то, чтобы сдвинуть ее к периферии, но теперь им придется двигать ее к центру всего за миллион лет или около того. Они могут использовать более крупные объекты (например, у Юпитера полно спутников, которые ему не нужны), чтобы быстрей переносить энергию.

Или кто знает? Это больше чем через 7 млрд лет. Может быть, они просто щелкнут пальцами, и Земля пройдет сквозь пространство-время и окажется там, где им нужно.

Давайте надеяться, что это будет настолько просто. Давайте также надеяться, что они будут терпеливыми и их будет сложно вывести из себя, потому что через несколько десятков миллионов лет им придется начинать все заново.

В солнечном ядре накапливаются углерод и кислород. Их ядра сливаться не могут, потому что температура в ядре слишком низкая. Поэтому они инертны, как до них был инертным гелий, и скапливаются там, как зола в камине. Так что сценарий знаком: ядро начинает сжиматься, и Солнце потихоньку снова начинает разгораться. В течение следующих 20 млн лет оно постепенно разбухает, а его яркость увеличивается. Сдвинув Землю туда и снова сюда, нам опять придется отодвигать нашу планету от Солнца. До того, как произойдет следующая катастрофа, внешние слои Солнца увеличатся до 32 млн км или около того.

Истощение запасов гелия

Возраст Солнца: 12,345–12,365 млрд лет (сегодня + 7,745–7,765 млрд лет)

Такое происходит, когда в ядре заканчивается гелий. Ядро из углерода и кислорода начинает сжиматься, как и раньше, когда оно состояло из гелия, и с аналогичными результатами: Солнце снова становится красным гигантом. Однако в этот раз все происходит гораздо быстрее. Физические свойства углерода и кислорода отличаются от свойств гелия, и ядро сжимается быстрее. Вместо 600 млн лет расширение происходит всего за 20 млн.

Солнце снова колоссально раздувается, его диаметр теперь гораздо больше 250 млн км. От такого резкого расширения занимающиеся небесной механикой будут рвать на себе волосы[93]. Вероятно, в этот момент хорошо бы покинуть Солнечную систему и поискать жилье где-нибудь еще.

Возможно, все это к лучшему. Вид издалека будет потрясающий, как мы увидим через мгновение.

Во втором заходе в режиме красного гиганта светимость Солнца будет выше, чем была в первый раз. Оно будет излучать энергию в 3000 раз сильнее, чем сейчас, а звездный ветер возобновится с удвоенной силой. За первый заход Солнце потеряло примерно 28 % своей начальной массы; в этот раз оно теряет более 60 % от того, что осталось. С нашей помощью или без, но планеты снова начнут мигрировать прочь от Солнца, интенсивно теряющего свое вещество, при этом Венера и Земля, возможно, отодвинутся достаточно быстро, чтобы снова не оказаться у него в пасти. Но, даже если они минуют этой участи, распухшее, яркое Солнце все равно поджарит их еще раз.

Это изматывающая череда событий для Солнечной системы. И все же, как ни удивительно, скоро все станет еще хуже.

В глубине Солнца ядро из углерода и кислорода становится настолько плотным, что вырождается. Над ним, в тонкой, слегка вырожденной оболочке, начинается слияние ядер гелия, а в оболочке, находящейся над ней, продолжается слияние ядер водорода. Проблема в том, что слияние гелия в тонкой оболочке очень сильно зависит от температуры, еще сильнее чем раньше. От любого небольшого роста температуры скорость реакций синтеза бешено возрастает[94]. Чем больше тепла генерируется, тем сильнее растет скорость, отчего генерируется еще больше тепла — ну, мы такое уже видели. Гелий в тонкой оболочке снова может вспыхнуть, выделяя колоссальные количества энергии. Однако в этот раз у внешних слоев Солнца не будет времени на медленное расширение и поглощение дополнительной энергии. Энергия сбрасывается в них настолько быстро, что они будут просто ошарашены. Солнце корежит буквально, и всего за несколько лет — обратите внимание, не миллионов лет, просто наших обычных лет — оно сбрасывает огромные количества вещества.

После выделения энергии в виде вспышки оболочка из гелия остывает, возможно, в течение 100 000 лет, но затем ситуация снова накаляется. Происходит вторая вспышка и второй сброс оболочки. Затем, еще через 100 000 лет, третья, затем четвертая, вероятнее всего последняя, вспышка и сброс оболочки. Во время этих эпизодических конвульсий Солнце разбухает в третий раз, до 320 млн км в поперечнике, это расстояние до исходной орбиты Земли.

Несмотря на то что сейчас Земля находится дальше, во время этих извержений ей не поздоровится. Ее поверхность будет нагреваться до 1000 °C и выше распухающим Солнцем, а с окончанием каждого импульса температура будет снова падать. Кроме того, во время этих импульсов на Землю будут обрушиваться квадрильоны тонн вещества, летящего со скоростью несколько километров в секунду. Масса Земли от этого сильно не увеличится (Земля в тысячи раз массивнее, чем падающее на планету вещество), но после столкновений с таким количеством вещества, даже разбросанного по сотням тысячелетий, уже истерзанная этой войной Земля будет серьезно побита. Суммарная энергия воздействия этого вещества равна взрыву нескольких триллионов ядерных зарядов, или как если бы в течение миллиона лет каждую секунду взрывалась бомба мощностью в одну мегатонну.

Даже умирая, Солнце причиняет разрушения в потрясающих масштабах.

С каждым извержением оно теряет массу. Когда Солнце раздувается в четвертый раз, оно сбрасывает последние остатки внешней оболочки. Большая часть исходной массы Солнца улетит в космос, оставив лишь вырожденное ядро из углерода и кислорода, окруженное тонкой оболочкой из очень горячего гелия. Ядро сжалось всего до нескольких тысяч километров в поперечнике — это примерно размер Земли (если предположить, что наша планета по-прежнему существует). Его масса будет равна примерно половине массы исходного Солнца, поэтому оно феноменально плотное. Также оно по-прежнему очень горячее. Оно будет излучать при температуре до 110 000 °C, а его светимость будет в тысячи раз больше светимости сегодняшнего Солнца.

Оно превратилось в белого карлика. Если бы кто-то стоял на поверхности разрушенной и совершенно мертвой Земли, Солнце ему показалось бы лишь светящейся точкой, пронзительно яркой, ярче, чем полная Луна сейчас. Но это будет лишь бледная, тусклая тень его прежней славы.

Тут мы уже практически добрались до конца. Реакции ядерного синтеза уже не происходят, так что источника энергии больше нет. Спустя свыше 12 млрд лет жизни и драматической саги о расширении, сжатии и извержении, Солнце, по сути, мертво.

Солнце — белый карлик

Возраст Солнца: 12,365 млрд лет (сегодня + 7,765 млрд лет)

Тем не менее смерть может быть по-своему красива.

Газ, выброшенный Солнцем в эти последние дни, будет быстро расширяться. Распределение и общие очертания газового облака будут зависеть от множества факторов. В целом, Солнце будет сбрасывать газ большими сферическими оболочками, похожими на космические мыльные пузыри с плотными границами и более разреженные внутри. Однако при определенных обстоятельствах газовое облако может приобретать иную форму. По мере расширения оно может налететь на газ, плавающий между звезд (то, что астрономы называют межзвездной средой). Если Солнце достаточно быстро вращалось, когда сбрасывало газовые оболочки (поглощение Меркурия и Венеры вполне могло бы разогнать Солнце, так как планеты передали бы ему свой вращательный момент), центробежная сила могла расплющить их, превратить в подобие сырного круга или баскетбольного мяча, когда на нем кто-то сидит. В других физических условиях в газовом облаке могут образовываться комки, или яркие области, или кольца.

Солнце — белый карлик, сидя по центру этого расширяющегося газового облака, может быть достаточно горячим и заливать окружающее пространство ультрафиолетовым светом. Это вызывает ионизацию газа, и он начинает светиться.


Смерть с небес. Наука о конце света

Если наши потомки улетели к другой звезде, какое зрелище предстанет их глазам! Оглядываясь на Солнце, они могут увидеть идеально круглое, тонкое кольцо светящегося газа. Это свечение будет преимущественно зеленым, потому что в облаке находятся атомы кислорода; другие элементы будут добавлять свои цвета, но зеленое свечение в целом будет преобладать, это объясняется тем, как атомы кислорода излучают свет. В небольшой телескоп зеленоватый диск будет напоминать им о планете, на которой они некогда жили. Сегодняшние астрономы называют такие объекты планетарными туманностями.

Планетарные туманности — одни из самых прекрасных небесных объектов. Что будут чувствовать те далекие люди, глядя на оставленную ими Солнечную систему? Будет ли им легче, если они будут знать, что цивилизации во всей Галактике смогут наблюдать наше Солнце и видеть его последнюю попытку прославиться? Или глупо даже гадать, что будут чувствовать люди, если они еще будут существовать, больше чем через 7 млрд лет?[95]

Наконец, через несколько тысяч лет газовое облако разойдется и истончится, а белый карлик остынет. Ультрафиолетового света будет слишком мало для освещения и ионизации газа, да и газа, который мог бы его поглощать, будет слишком мало. Разлетающееся вещество, которое когда-то нагревало и радовало нашу планету, сольется с газом межзвездного пространства и станет неотличимо от него. Белый карлик продолжит излучать остатки тепла, неизбежно остывая, меняясь в цвете с белого на голубой, желтый, оранжевый, красный, после чего перейдет в инфракрасную область спектра, а еще через несколько миллионов лет станет совсем невидимым.


Смерть с небес. Наука о конце света

То, что осталось от Солнечной системы, продолжит обращаться вокруг теперь уже черного карлика. Планеты будут остывать вслед за своей звездой, в конце концов окоченевая, и еще через несколько миллиардов лет станут такими же темными, холодными и пустыми, как само пространство.

Долгая дорога в ночь

Могут ли планеты пережить такую опустошающую последовательность событий? Вообще-то да. В зависимости от того, что вы подразумеваете под словом «пережить».

Во-первых, уже обнаружено свыше двух сотен планет, обращающихся вокруг других звезд, и примерно дюжина из них обращается вокруг красных гигантов. Вероятно, эти планеты подобны нашей: они образовались одновременно со своей звездой миллиарды лет назад и смогли пройти как минимум через один эпизод расширения звезды до красного гиганта. Мы не знаем, поглотили ли те звезды какие-либо внутренние планеты или нет; но по крайней мере некоторые планеты не попали внутрь оболочек звезды. Впрочем, возможно, сначала планеты были довольно близко к своим звездам, а потом отошли от них; одна, например, находится не дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца. Температура поверхности той планеты, вероятно, равна 480 °C[96].

Удивительно, но недавно были получены свидетельства наличия планет, обращающихся вокруг белых карликов. В спектре одного белого карлика имелся четкий пик, соответствующий химическому элементу магнию, гораздо более сильный, чем могла бы дать сама звезда. Количество магния говорит о том, что не очень давно довольно близко к звезде, должно быть, подходил астероид. Сильная приливная сила карлика разрушила его, и вокруг звезды образовался диск из вещества. Форма самого диска говорит о том, что астероид, возможно, имел гораздо большую орбиту, с которой его столкнула планета или иное массивное тело. Все это означает, что планеты и астероиды могут пережить не только превращение звезды в красный гигант, но также и все последующие катастрофические этапы. Сам белый карлик достаточно массивен, примерно в 0,8 раза больше массы Солнца. Когда Солнце превратится в белый карлик, у него останется менее половины исходной массы, а значит, та звезда сначала была гораздо более массивной, чем Солнце, это, в свою очередь, означает, что более поздние этапы ее жизни должны были быть даже еще более экстремальными, чем рассмотренный выше сценарий.

Тем не менее, похоже, планеты смогли продержаться в течение сотен миллионов лет звездной пытки. Разумеется, к концу этого периода повторяющихся циклов обжаривания и замораживания от планет остались бы опаленные, бесплодные остовы. Там, вероятно, не было никаких цивилизаций, способных манипулировать орбитами планет или достаточно хорошо прогнозировать будущее, чтобы иметь план на такой случай[97].

Но мы — разумные существа. У меня есть надежда, что, когда наступит время — а оно наступит, — мы сможем что-нибудь предпринять. И я очень надеюсь, что в тот момент мы еще будем существовать, ну, или кто-то похожий на нас. За смертью Солнца будет очень грустно наблюдать… но зрелище будет завораживающим.

Глава 8. Яркие огни, большая галактика

ЗИМНИМ ВЕЧЕРОМ ВЫ ИДЕТЕ ПО УЛИЦЕ И ПОДНИМАЕТЕ ВЗГЛЯД К НЕБУ. Созвездия на севере и востоке рассказывают историю о героическом Персее, которого царь Кефей и царица Кассиопея послали спасти деву Андромеду от морского чудовища Кита. Вы, возможно, усмехнетесь, думая, что две изгибающиеся цепочки звезд не очень-то похожи на юную деву, прикованную к скале и ожидающую смерти в пасти монстра, но, если вы приглядитесь, ваш взгляд различит что-то размытое сбоку от Андромеды. Его сложно разглядеть, но оно определенно там: слегка вытянутое пятно света.

Кажется, что оно висит в пространстве, маленькое и скромное, целую вечность в небесах. Но, как и многое другое на ночном небе, это иллюзия. Вы смотрите на большую галактику Андромеды — массивную спиральную галактику, похожую на наш Млечный Путь. И она направляется к нам.

Если бы вы могли ускорить время в несколько триллионов раз, так, чтобы миллионы лет прошли всего за несколько секунд, вы бы увидели, как галактика Андромеда раздувается и увеличивается у вас на глазах. С каждым мгновением она становилась бы все больше и больше, и через несколько минут вам показалось бы, что сейчас все небо рухнет на вас. Вы видите, как звезды вокруг внезапно рванули вверх, прочь, образуя длинную тонкую линию, уходящую в космос, как щупальце, протянувшееся ко второй галактике: странно, но на небе не видно других звезд, Солнце также влилось в этот звездный поток, растянувшийся на бессчетные световые годы, уходящий в пространство между галактиками, где звезды редки.

Внезапно галактика Андромеды проплыла мимо, несколько уменьшаясь на расстоянии, пройдя сквозь нашу Галактику, буквально как привидение сквозь стену. Однако в течение следующих ускоренных минут — на самом деле миллионов и миллионов лет — вы увидите, как она замедляет движение, останавливается, а потом возвращается к вам. Яркая вспышка! Она заполняет собой небо, еще раз проходя сквозь нас, и снова улетает. Но в этот раз, не так далеко. Андромеда вырастает еще один последний раз. Над головой вы видите, как яркое ядро этой галактики сливается с ядром нашей собственной. Над вами висит огромный облачный шар, остатки двух когда-то мощных галактик, слившихся в единую, более крупную галактику.

Через несколько минут небеса успокаиваются. Теперь все кажется безмятежным. Вы вздыхаете с облегчением, довольные, что пережили эту космическую встречу. Но вы и не подозреваете, что из сердца новой галактики к вам направляется пучок материи и энергии, и, когда он достигнет Земли, хаос слияния покажется мирной пасторальной картиной, как весенний лужок.

Нет ничего лучше дома

Вы когда-нибудь слышали, что галактика похожа на большой город? В городе есть центр и пригороды вокруг, плотно населенные районы, места, где нет ничего интересного, и, разумеется, какая-нибудь неспокойная округа. Галактики тоже такие. В них есть более и менее оживленные районы, интересные места, более скучные места. Мы даже рассуждаем об их населении — но вместо людей, галактики населены звездами, газом и пылью.

И, как и в городе, разумеется, есть места, куда вам лучше не соваться.

Да, вы можете догадаться, к чему я клоню.

Если вы живете вдали от цивилизации, там, где небеса по-настоящему темные, тогда вы наверняка выходили на улицу ясной, безлунной ночью. Сначала, пока ваши глаза медленно адаптируются к темноте, вы различаете на небе всего несколько звездочек. Но через некоторое время, когда ваши зрачки расширятся, а в глазах начнет автоматически вырабатываться специальный белок, повышающий их чувствительность, вы постепенно начнете различать более тусклые звезды. Небо окажется усыпано ими, в вышине над вами будут мягко мерцать тысячи звезд.

Кроме звезд, вы можете увидеть слабо светящуюся ленту, раскинувшуюся в небе. Она может показаться дымом или инверсионным следом самолета. Эта туманная полоса называется Млечный Путь, потому что похожа на разлитую в небе молочную реку. Люди знают Млечный Путь тысячи лет, с тех пор как впервые взглянули на ночное небо. В начале 1600-х гг. Галилео Галилей направил на Млечный Путь свое новое устройство, телескоп, и был поражен, когда увидел, что это не облако, а тысячи звезд, очень тусклых и по отдельности неразличимых.

Это был первый ключ к пониманию того, что мы живем в галактике[98]. О ее форме можно догадаться, разглядывая минутку самые яркие звезды на небе и поняв, что они, похоже, держатся поблизости от этой молочной ленты. Вне ленты звезд меньше, и они более тусклые.

В XVIII в. великие астрономы Уильям и Каролина Гершель развили эту идею: используя телескоп, они подсчитали количество звезд в разных направлениях, чтобы попытаться определить форму Галактики.

Идея заключается примерно в следующем: представьте, что вы стоите в поле. С наступлением ночи вокруг вас появляются светлячки. Если вы стоите посередине поля, вы увидите одинаковое количество светлячков во всех направлениях, куда ни посмотрите. Но, если вы находитесь ближе к кромке поля, со стороны кромки вы увидите меньше светлячков, чем по направлению к противоположной стороне поля[99]. Чем дальше вы можете видеть, тем больше светлячков вы видите.

Также и со звездами. Гершели полагали что, если они видели больше звезд в одном направлении, чем в другом, это означает, что Галактика должна быть длиннее в том направлении. Они обнаружили, что Галактика имеет форму сплющенной сигары, а Солнце находится очень близко к центру.

В 1906 г. еще один великий астрономом, Якобус Каптейн, также воспользовался этим методом, но с помощью фотографии, а не визуальных наблюдений. Он начал подсчитывать звезды и в конце концов определил, что по форме Галактика похожа на сигару, примерно 45 000 световых лет в поперечнике, а Солнце находится очень близко к центру.

Идея Каптейна была блестящей, но, к сожалению, не подтверждается. Оба раза полученные данные по количеству звезд и положению Солнца были совершенно неверными. Почему?


Смерть с небес. Наука о конце света

Они не знали про пыль. В воздухе городов есть загрязнения, а в галактиках есть пыль.

Это не та пыль, которая скапливается комками у вас под диваном или делает экран телевизора мутным. Галактическая пыль состоит из сложных молекул, содержащих углерод. Эта пыль создается звездами и уносится с них в космос звездным ветром[100]. Когда пыли достаточно много, она становится непрозрачной и задерживает свет звезд.

Это внесло путаницу в метод подсчета количества звезд. Теперь представьте, что вы находитесь не в поле, полном светлячков, а в большой задымленной комнате. Дым настолько густой, что вы можете видеть лишь на метр вокруг себя (представьте себе бар). Так как видимость столь ограничена, вы понятия не имеете ни о форме, ни о размерах помещения. Возможно, вы в квадратной комнате, а ее стены находятся сразу за стеной дыма, или, может быть, вы на футбольном стадионе. Так как ваше поле зрения ограничено, это невозможно определить.

Спустя много лет после работы Каптейна было обнаружено, что Галактика гораздо больше, чем он думал. Это удалось определить, используя наблюдения в инфракрасном диапазоне и радиодиапазоне, поскольку эти виды излучения способны проникать сквозь пыль, задерживающую видимый свет. Работы по определению точного положения газовых облаков, звезд и пыли дали истинную картину Галактики Млечный Путь, и это, безусловно, великолепное место.


Смерть с небес. Наука о конце света

Знакомство с новым городом неплохо начать с обзорной экскурсии. Так что давайте пройдемся по Галактике, начиная с нынешнего положения Солнца и двигаясь дальше, осматривая достопримечательности. Помните, иногда даже в хорошо освещенной округе могут обитать опасные типы, поэтому не обманывайтесь красотой и кажущейся безмятежностью окрестностей.

Пригороды

Самый очевидный признак Млечного Пути — его сплющенный диск, состоящий из звезд, газа и пыли, обращающихся вокруг центра самой Галактики (как планеты обращаются вокруг Солнца). Диаметр диска — 100 000 световых лет, а толщина примерно 1000 световых лет[101]. Он не разлетается благодаря собственным силам тяготения. У диска Галактики есть грандиозные, округлые спиральные ветви, как у детской вертушки на палочке. Спиральные галактики достаточно распространены во Вселенной. Некоторые — маленькие и довольно тусклые, другие — величественные и огромные, с четко оформленными ветвями. Млечный Путь относится ко вторым. В действительности, Млечный Путь — одна из самых больших известных галактик.

Спиральные ветви представляют интерес. Так как чем ближе звезды к центру Галактики, тем быстрее они движутся (так же, как планеты в Солнечной системе), вы, возможно, предположите, что со временем спиральные ветви смотаются, как пряжа наматывается на веретено. Но нет. Они не постоянные, неизменные элементы, как, например, ветки дерева. Напротив, астрономы считают, что они больше похожи на небесные дорожные пробки. На городской магистрали дорожная пробка — также не статичная структура: автомобили въезжают и выезжают из пробки, но пробка остается на месте. Также и звезды, обращаясь вокруг центра Галактики, заходят в спиральные ветви и выходят из них, но сами ветви остаются на месте благодаря причудливым гравитационным особенностям диска.

Газовые облака обращаются вокруг центра Галактики так же, как и звезды. Когда газовое облако заходит в спиральную ветвь, оно попадает в ту гравитационную дорожную пробку и замедляет движение. Если вслед за ним в ветвь зайдет еще одно облако, оно столкнется с первым. При таком незначительном ДТП оба облака сжимаются, а когда облака сжимаются, в них образуются звезды. Звезды, родившиеся таким образом, имеют самые разные массы, от очень малых до очень больших. Звезды с самой большой массой яркие и освещают ветви Галактики. Однако эти звезды имеют наименьшую продолжительность жизни (см. главу 3 «Сверхновые») и умирают, не успевая выйти из спиральных ветвей. Так как яркие звезды остаются в ветвях, ветви кажутся яркими. Более того, по сравнению с количеством тусклых звезд с низкой массой, массивных, ярких звезд очень мало, поэтому общее количество звезд внутри спиральных ветвей не сильно отличается от количества звезд между ветвями. Просто между ветвями очень мало ярких звезд или их нет совсем. Именно поэтому ветви более заметны.

Итак, они хорошо освещены, красивы, полны жизни и движения. И, как и в оживленном районе города, там также есть свои опасности.

Прежде всего основную опасность представляет сама толпа. Но не из-за столкновений: вероятность столкновения двух звезд в Галактике невероятно мала. Если предположить, что звезды распределены по диску равномерно (справедливое предположение), шансы на то, что Солнце подойдет достаточно близко к другой звезде, так, чтобы почувствовать взаимное притяжение, по сути, равны нулю! Среднее расстояние между звездами в диске Млечного Пути огромно: несколько триллионов километров, а сами звезды меньше 2 млн км в поперечнике. Представьте двух мух в пустой кубической коробке со стороной в 8 км — каковы шансы на то, что они подлетят друг к другу хотя бы на несколько метров, уж не говоря о том, чтобы сблизиться настолько, чтобы столкнуться? Для звезд справедливы такие же соотношения. В человеческих масштабах Млечный Путь — невероятно пустое место.

Поэтому звездные столкновения в диске будут крайне редкими. Тем не менее, как мы уже видели, звезда может воздействовать на нас и с очень большого расстояния. Кто угодно скажет, что сверхновая на расстоянии несколько световых лет — это плохо. Всплеск гамма-излучения причинит нам вред, даже если он в тысячах световых лет от нас[102].

Звезды — маленькие по сравнению с огромными расстояниями между ними в Галактике. Но некоторые объекты больше, гораздо больше. Это существенно повышает шансы на встречу с ними. Такие космические наезды омрачили бы наши дни на Земле… в буквальном смысле.

Облачное будущее

Когда Каптейн подсчитывал звезды, пытаясь определить форму Галактики, он и не подозревал, что в его статистические данные вмешается пыль.

Он определенно не подозревал, что она может всех нас убить.

Звезды составляют примерно 90 % нормальной массы Млечного Пути[103]. Остающаяся масса приходится на газ и пыль, рассеянные между звездами. Может показаться, что это немного, но в сумме это в 20 млрд раз больше массы Солнца! Это масса мусора, плавающего во мраке пространства.

Она называется межзвездной средой, и большей частью это вещество на самом деле темное. Оно холодное — сотни градусов Цельсия ниже нуля — и состоит главным образом из водорода вперемешку с более тяжелыми элементами, такими как гелий, углерод и кислород. Частично это пыль, смешанная с газом, выбрасываемая гигантскими звездами и сверхновыми.

Множество этого вещества размазано по Галактике, как слой грязи на ветровом стекле автомобиля. Оно разреженное, как эфир, на 16 см3 околачивается всего несколько атомов — это эквивалентно чистейшему лабораторному вакууму. Но космос большой, и даже такое малое количество вещества в сумме дает значительную массу. Выйдя на улицу в безлунную летнюю ночь в северном полушарии, вы можете увидеть над головой ленту Млечного Пути. Если присмотреться повнимательнее, вы увидите, что вдоль созвездия Лебедя рассеянное свечение Галактики разорвано по длине темной полосой, которая называется Большой провал. Это пыль в Млечном Пути: она заслоняет звезды, не пропуская к нам свет. Галактический смог, если хотите.

Однако не вся межзвездная среда рассеянная, встречаются и комки. Полюбовавшись на Большой провал в созвездии Лебедя, подождите шесть месяцев и выйдите на улицу зимней ночью. Обратите свой взгляд на Ориона, охотника. Под всем известными тремя звездами, образующими его пояс, вы увидите три тусклые, тесно расположенные звезды — кинжал, свисающий у него с пояса. Средняя звезда кинжала — вовсе и не звезда, даже в бинокль она выглядит размыто. В телескоп средних размеров вы можете увидеть, что это газовое облако, а на подробных изображениях, полученных с помощью больших телескопов, проявляется ее истинная природа: Большая туманность Ориона — одно из крупнейших скоплений газа и пыли в Галактике; по оценкам, ее общая масса в тысячи раз превышает массу Солнца.

Она находится на расстоянии 1500 световых лет от нас, и все же ее видно невооруженным глазом — она яркая[104]. А все потому, что это — «звездные ясли», место рождения тысяч звезд. Многие из этих звезд массивные, горячие и яркие. Более того, целая дюжина звезд в этой туманности в один прекрасный день взорвется сверхновыми (и тогда туманность станет очень яркой). Звезды, обитающие в туманности, освещают ее, делая сверкающей и ослепительной, как огни Бродвея освещают облака над Нью-Йорком.

Такие звездные фабрики разбросаны по всей Галактике, но так уж получилось, что туманность Ориона, одна из крупнейших, находится довольно близко к нам по галактическим меркам. Если бы Млечный Путь был футбольным полем, туманность Ориона была бы всего на расстоянии одного метра от нас.

Итак, насколько близко к нам могут подойти туманности? Все в Галактике обращается вокруг ее центра, с немного отличающимися скоростями и траекториями. Солнце может пройти очень близко от подобного облака, и это еще более вероятно, когда Солнце входит в одну из спиральный ветвей; как уже упоминалось, там скапливаются газовые облака. Когда Солнце заходит в ветвь, это, как если бы вы ехали по шоссе и внезапно попали в густой туман.


Смерть с небес. Наука о конце света

Что бы с нами произошло, если бы мы врезались в такое облако?

Последствия столкновения довольно неоднозначные и зависят от многих факторов: например, сколько звезд находятся в процессе образования, на какое расстояние Солнце приблизится к ним, сколько времени Солнце проведет в туманности, — и от нюансов структуры туманности в более мелких масштабах.

Однако мы можем немного обобщить. Ядро туманности Ориона — это место, где происходят основные события: несколько очень массивных новорожденных звезд интенсивно изливают свет во всем электромагнитном спектре и в огромных количествах. Одно скопление массивных звезд в самом сердце туманности выдает на-гора столько энергии в одном лишь рентгеновском диапазоне, сколько Солнце во всех диапазонах! Тем не менее эти звезды должны были бы пройти очень близко от нас, чтобы мы на Земле ощутили последствия; даже на расстоянии один световой год или два их рентгеновское излучение повлияло бы на нас гораздо меньше, чем средняя вспышка на Солнце.

Ультрафиолетовое излучение также не слишком большая проблема. Самая яркая молодая звезда в сердце туманности Ориона называется θ1c Ориона[105], и ее масса равна 40 массам Солнца, а температура на поверхности в семь раз выше. Такая звезда заливает все вокруг ультрафиолетовым светом; мощность ультрафиолетового излучения от θ1c в миллионы раз превосходит ультрафиолетовое излучение от Солнца. Но на расстоянии в один световой год это излучение сильно рассеивается, и до нас дошло бы лишь чуть больше ультрафиолета, чем мы получаем от Солнца.

От θ1c также дует звездный ветер, и ветер мощнейший: звезда испускает в 100 000 раз больше вещества, чем уносится солнечным ветром, и в два раза быстрее. Однако повторюсь, на расстоянии в один световой год этот ветер стихнет настолько, что магнитное поле Солнца защитит нас от его порывов.

Но самый потрясающий эффект был бы визуальным: ярчайшие звезды в туманности Ориона выглядели бы невероятно красивыми на расстоянии в один световой год — θ1c излучает энергию в 200 000 раз быстрее, чем Солнце! На расстоянии в один световой год она сверкала бы столь же ярко, как полная Луна. Другие звезды в туманности, разбросанные по небу, также были бы невероятно яркими; ночи уже никогда не были бы по-настоящему темными. Это, возможно, затронуло бы некоторые виды ночных животных (см. главу 3), но в целом большой проблемой не стало бы.

Но это совсем не значит, что туманность — уютное место. Вероятно, самый опасный фактор прохождения близко к центру туманности Ориона заключается в том, что на это уйдет много времени. Такие звезды, как θ1c, имеют неприятную склонность взрываться, со всеми вытекающими из этого неприятными последствиями (опять см. главу 3). Сверхновые опасны на расстоянии 25 световых лет или около того — если взрыв происходит ближе, озоновый слой Земли будет серьезно поврежден, что чревато возможным массовым вымиранием. Прохождение сквозь сердце туманности означает, что Солнце будет находиться в опасной зоне практически 100 000 лет[106]. У массивных звезд более короткая жизнь, всего несколько миллионов лет, после чего они взрываются, поэтому вероятность того, что, пробираясь через такую туманность, как Орион, мы попадем в опасную близость к какой-нибудь взрывающейся звезде, очень велика. Это просто еще одна интересная информация к размышлению.

У такого тесного сближения есть и два других опасных момента, и оба невидимые. Или не столь невидимые, сколь темные.


Смерть с небес. Наука о конце света

До сих пор я рассказывал только о прекрасных туманностях, освещаемых новорожденными звездами. Но не все туманности таковы, в некоторых звезды еще не образовались. Это темные, холодные облака, которые могут называться по-разному, например молекулярные облака, глобулы Бока или попросту темные туманности.

Некоторые из них — довольно плотные космические объекты, до 6 млн частиц пыли на см3. Конечно, это все равно не столь ужасная плотность: атмосфера Земли на уровне моря в сто миллиардов раз плотнее! Но эти облака могут быть очень большими, несколько световых лет в поперечнике, и в сумме получается много. Как и густой туман, они способны настолько поглощать звездный свет, попадающий в них, что многие выглядят совершенно как дыры в пространстве.

Интересно, но точные последствия для Земли в ситуации, если бы Солнечная система погрузилась в такое облако, сложно спрогнозировать[107]. Разумеется, количество солнечного света, достигающего Земли, существенно сократилось бы; а при уменьшении солнечного света даже на несколько процентов может начаться ледниковый период. В Галактике, несомненно, есть темные туманности достаточно плотные, чтобы задерживать столько солнечного света[108].

А что насчет пыли, которая физически смешивается с атмосферой Земли, когда мы погружаемся в плотную туманность? Группа ученых исследовала, что произошло бы с Землей в таком случае, и они обнаружили, что в атмосфере Земли может накопиться столько пыли, что небо станет темнее, и температура на Земле значительно снизится. Это может даже привести к очередному ледниковому периоду. Они также определили, что менее плотные облака, с которыми мы сталкиваемся немного чаще, могут приводить к умеренным ледниковым периодам. По их оценкам, каждые 100 млн ‒ 1 млрд лет или около того мы сталкиваемся с таким облаком, а это означает, что в истории Земли подобное явление наверняка случалось не один раз. Вероятно, это происходило несколько раз уже и после того, как на Земле появились сложные формы жизни, хотя со стопроцентной вероятностью сказать, что столкновение с темным облаком послужило толчком какому-то конкретному ледниковому периоду на Земле, нельзя.

Тем не менее есть и другая опасность от слишком сильного сближения с туманностью, и в этот раз характеристики облака не так важны. Все вещество — это, вот именно, вещество.

Некоторые межзвездные облака невероятно массивны, в сотни тысяч или даже миллионов раз больше массы Солнца. Приближение к ним означает, что на нас будет действовать притяжение всей той массы. Для Земли, вообще-то, прямые последствия минимальны, потому что мы находимся так близко к Солнцу, что его силы тяготения будут преобладать.

Но не все объекты Солнечной системы надежно покоятся во внутренней области. Вокруг Солнца, далеко за орбитой Плутона, находится так называемое облако Оорта (названное по имени голландского астронома, который высказал идею о его существовании), обширное скопление гигантских глыб из льда и камней, часть из них — сотни километров в поперечнике. У некоторых из тех айсбергов такие орбиты, что каждые несколько десятков тысячелетий они заходят во внутреннюю Солнечную систему, и, когда один из них прилетает к нам, мы наблюдаем его как прекрасную комету.

Объекты в облаке Оорта обычно держатся на приличном расстоянии от Солнца — сотни миллиардов километров. Чтобы завести их во внутреннюю Солнечную систему, требуется некоторое возмущающее воздействие, своего рода толчок, который изменит их орбиту. Такое воздействие может оказать, например, проходящая на расстоянии нескольких световых лет звезда; обычный объект облака Оорта находится так далеко от Солнца, что при легчайшем дуновении он полетит внутрь системы.

Если Солнце забредет туда, где окажется слишком близко к гигантской туманности, такое дуновение может превратиться в ураган. По некоторым оценкам, на орбитах в облаке Оорта живут триллионы айсбергов. Откройте снова главу 1 и прочитайте о разрушениях, которыми грозит столкновение с кометой или астероидом. Теперь умножьте их на десять, или на 100, потому что, когда мы пройдем вблизи массивной туманности, кометы просто посыплются с неба.

Ох. Сложно представить, к какому опустошению приведет подобное событие. Биосфера Земли, возможно, только-только начнет восстанавливаться через несколько столетий после одного столкновения, а тут новая комета врезается в нас. Сколько эпизодов массового вымирания в смутной истории нашей планеты было спровоцировано тем, что Солнце прошло вдоль кромки гигантского газового облака?

Ирония судьбы — практически наверняка Солнце родилось в таком газовом облаке 4,6 млрд лет назад. Когда-то оно, возможно, было окружено массивными звездами, разбросанными по небу, а их звездные ветра создавали огромные ударные волны в газовом облаке, сжимающие его в листы и нити, светившиеся как перекрещивающиеся в небе неоновые вывески.

Зайти в такое газовое облако, возможно, даже и стоило того. Какое зрелище!

Но повторюсь, наблюдать красивое темное небо, усеянное всеми теми туманностями с безопасного расстояния в несколько тысяч световых лет не менее интересно.

Полет на плоскости

Как уже упоминалось, звезды в диске Млечного Пути обращаются вокруг центра точно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Однако есть несколько важных отличий. В масштабах Солнечной системы (с диаметром в миллиарды километров) Солнце — маленькое (меньше 1,6 млн км диаметром). Для планет вся гравитация в Солнечной системе сконцентрирована в одной точке[109]. Так как источник сил тяготения находится в центре, орбита планеты может иметь лишь определенную форму, которая называется коническим сечением. Сюда входят круги, эллипсы, параболы и гиперболы. Все это плоские фигуры. Если сильно ударить по планете, ее орбита изменит форму или наклон, но все равно останется коническим сечением и по-прежнему будет плоской.

Но звезды, обращающиеся вокруг центра галактики Млечный Путь, находятся в другой ситуации, потому что масса размазана, распределена по всему диску. Звезда, движущаяся в нем по орбите, ощущает притяжение от окружающих ее масс, а не только из одной точки в центре Галактики. Следовательно, орбиты звезд могут иметь самые разные причудливые формы. Скажем, у вас есть звезда с идеально круглой орбитой точно в средней плоскости диска галактики. Если бы вы придали звезде немного вертикальной скорости — перпендикулярно диску — звезда начала бы подниматься и опускаться относительно диска, как пробка на воде (продолжая по-прежнему обращаться вокруг центра).

Это немного похоже на то, что происходит, когда вы подбрасываете камень: силы тяготения замедляют его полет, и он падает на землю. Благодаря вертикальной скорости звезда поднимается над плоскостью, но силы тяготения диска тянут ее назад. Однако диск не однородный, он состоит из звезд, разделенных большими расстояниями. Остановить нашу звезду нечему, поэтому она проходит прямиком сквозь плоскость и погружается под нее. И снова силы тяготения замедляют ее до полной остановки, и звезда поворачивает обратно. При подходящих обстоятельствах этот цикл будет повторяться бесконечно. В комбинации с круглой орбитой звезды получаем форму, похожую на синусоиду, бегущую по кругу.

Существует масса причин, по которым звезда может начать колебаться таким образом. Она может пройти мимо другой звезды, и гравитационное взаимодействие может подтолкнуть ее кверху или книзу — но, как мы обсуждали раньше, звездные встречи крайне редки, поэтому это маловероятно. В свою очередь, звезды образуют скопления (см. ниже), где они гораздо ближе друг к другу, и гравитационные взаимодействия более распространены. Массивная звезда в скоплении, проходя рядом с менее массивной, может легко подбросить звезду меньших размеров так, что она совсем вылетит из скопления, или может заставить ее двигаться как поплавок.

Еще одна причина — звезда может пройти мимо гигантского газопылевого облака. Ранее мы видели, что прямое столкновение с туманностью имеет ряд отрицательных последствий, но еще одно заключается в том, что из-за притяжения массы этого облака звезда может приобрести вертикальную составляющую скорости, и ее орбита деформируется так, что она начнет совершать колебательные движения.

Оказывается, что очень близкая и дорогая нам звезда демонстрирует именно такое движение: Солнце! Тщательные измерения скорости Солнца относительно окружающих его звезд показывают, что оно на самом деле поднимается над плоскостью Галактики и опускается под нее. Это смещение не очень большое: может быть, максимум 200 световых лет или около того, по сравнению с диаметром диска, который составляет 100 000 световых лет. Кроме того, толщина диска примерно 1000 световых лет, поэтому Солнце также не выходит за пределы вещества диска.


Смерть с небес. Наука о конце света

Период колебания орбиты Солнца — от максимальной высоты над диском до максимальной глубины под плоскостью, а затем снова до максимальной высоты — составляет примерно 64 млн лет.

Ну что ж, кажется, все круто: за несколько миллионов лет нас бесплатно довезут туда, где у нас будет (немного) лучший вид на Галактику, и ничего страшного, так?

Так?

Может быть, и не так. Но чтобы понять почему, вместо того чтобы смотреть вверх, нам придется посмотреть вниз, в слои отложений на Земле.

В течение многих лет существует предположение, что палеонтологическая летопись жизни на Земле свидетельствует о периодических эпизодах массового вымирания, как если бы жизнь на Земле следовала какому-то графику повальных вымираний, после которых разнообразие видов снова восстанавливалось. Не все такие события попадают в этот график, и для многих из них был найден настоящий виновник; самое известное — это исчезновение динозавров, и у нас есть вполне надежное доказательство того, что оно было вызвано столкновением с астероидом. Но причины других (за исключением, возможно, ордовикского массового вымирания, см. главу 4) не так ясны.

Периодичность массовых вымираний, конечно, подразумевает некую циклическую причину. Несмотря на то что такие события, как эпизодические извержения вулканов или какие-либо иные внутренние причины, исключить невозможно, цикличность в очень продолжительных временных масштабах подразумевает действие внеземных сил.

До недавнего времени у нас были лишь подозрения по поводу такой циклической смертельной жатвы, поскольку ископаемые свидетельства были не очень внятные. Но новые исследования существенно укрепили догадку. Математически анализируя ископаемые свидетельства, исследователи обнаружили четко выраженную периодичность в истории массовых вымираний. Они изучили разнообразие видов — буквально сколько разных видов находится в разных геологических слоях, соответствующих разным моментам времени, — и обнаружили, что количество видов, похоже, увеличивается и уменьшается с четко просматриваемым периодом.

Продолжительность этого периода, по их оценкам, составляет около 62 млн лет.

Ой-ой.

Такое тесное соответствие между циклами вымираний и периодом колебаний Солнца в диске Млечного Пути — всего лишь совпадение? Есть способы проверить, статистические методы, которые можно применить, чтобы попробовать сопоставить два разных цикла и посмотреть, есть ли между ними связь. Еще одна группа исследователей, Михаил Медведев и Адриан Мелотт из Канзасского университета, тщательно провели такой анализ, и их ответ — «возможно».

Ну, это не очень-то успокаивает. Однако перед нами новая область исследований, и мы лишь начинаем заниматься ею. Данных не так много, а результаты так новы, что сложно сказать, насколько прочные основания у сделанных выводов.

Но они определенно провокационные[110].

В этом случае виновником может быть наш старый знакомый — космическое излучение. Насколько вы помните по предыдущим главам, это маленькие субатомные частицы, разогнавшиеся до невероятных скоростей в космическом пространстве. Когда они врываются в атмосферу Земли, это приводит к ряду последствий. Прежде всего, когда космические лучи ударяют по молекуле в воздухе на скорости, близкой к скорости света, молекула разбивается на множество субатомных частиц меньших размеров, называемых мюонами. Они обрушиваются дождем с неба и, если попадают по молекуле ДНК в клетке, могут изменить или разрушить ее. На самом деле такое происходит постоянно, но в целом ткани организма способны устранять или отторгать повреждения. Но если с неба проливается достаточное количество мюонов, последствия для жизни могут быть не мгновенными, но отдаленными — например, массовое вымирание. Как уже отмечалось ранее, мюоны могут проникать в воду на глубину почти 2 км и до 800 м в скальные породы! Поэтому пострадала бы практически вся жизнь на Земле.

У космического излучения есть и другие последствия. Оно может разрушать молекулы озонового слоя в верхних слоях атмосферы, подвергая жизнь на поверхности опасным уровням УФ-излучения от Солнца. Кроме того, оно может приводить к образованию двуокиси азота в воздухе, которая затем прольется кислотным дождем. С годами такое может разрушить растительную жизнь, и этот эффект распространится по всей пищевой цепочке.

И последнее — возможно, менее четко установленный фактор — частицы, из которых состоит космическое излучение, могут становиться зародышевыми центрами конденсации при образовании облаков, поэтому рост интенсивности космического излучения может привести к увеличению облачности на Земле, отчего изменится климат, так как больше солнечного света будет отражаться в космос. Хотя это может и не повлечь за собой полномасштабный ледниковый период, но падение температуры даже на несколько градусов может быть разрушительно для биосферы.

Но откуда к нам приходят все эти космические лучи? И как это связано с поплавковым движением Солнца на орбите в Галактике? Если такая связь на самом деле существует, Медведев и Мелотт, возможно, обнаружили ее.

Источник большинства космических лучей — взрывы сверхновых или ветер от пульсаров. Вещество, испускаемое этими источниками, может врезаться в медленнее движущееся вещество и генерировать массивные ударные волны, разгоняющие субатомные частицы, такие как протоны и электроны, практически до скорости света. Так как источником этих космических лучей являются события, происходящие внутри Млечного Пути, такие лучи называются галактическими космическими лучами.

Но есть и космические лучи, которые приходят извне Галактики. Млечный Путь входит в небольшое скопление галактик, называющееся Местная группа, включающее нашу Галактику, галактику Андромеды (массивная спираль, схожая с нашей по размерам) и горстку меньших галактик. Местная группа находится на окраинах гораздо более крупного и массивного скопления Девы, состоящего из тысяч галактик, — мы как будто пригород крупной метрополии. С притяжением скопления Девы не забалуешься: оно крепко держит нас (и другие галактики Местной группы) в кулаке и притягивает с умопомрачительной скоростью 257 км/с.

А ведь мы движемся не в вакууме. Помните о межгалактической среде? Млечный Путь врезается в это разреженное вещество на высокой скорости, создавая ударную волну, которую практически невозможно представить: она сотни тысяч световых лет в ширину и генерирует огромные количества энергии. Они настолько велики, что создают космические лучи, но в этом случае лучи возникают вне Галактики, поэтому это межгалактические космические лучи. Космические лучи уносятся от фронта ударной волны, и многие из них направляются в нашу сторону, обратно в Галактику.

Галактика, как и Солнце, имеет магнитное поле. Кроме того, как и у Солнца, галактическое магнитное поле — это мешанина переплетенных, скрученных петель. Они сильнее всего посередине, в средней плоскости диска, где магнитное поле прекрасно отражает прилетающие галактические космические лучи. Однако при удалении от средней плоскости их сила быстро снижается. Если звезда придерживается плоскости Галактики, она защищена от этих высокоэнергетических частиц. Но если она забредает слишком далеко, то подвергается их действию.

И вот тут приобретает значение колебательное движение Солнца. Поднимаясь и опускаясь относительно плоскости при движении вокруг центра Млечного Пути, каждые 64 млн лет Солнце оказывается высоко над ней и выходит из-под защиты магнитных полей. Именно со стороны приходящей космической ударной волны Солнце оказывается относительно незащищенным от облучения космическими лучами. Это все равно что смотреть в лицо торнадо, швыряющему в вас камни. Медведев и Мелотт обнаружили, что количество межгалактических космических лучей, которые могут достигать Солнца в те периоды, может увеличиваться в пять раз по сравнению с более спокойными периодами, когда Солнце уходит глубоко в плоскость Галактики (которая также действует как щит, потому что между нами и прилетающими космическими лучами находится основная масса Галактики).

Количество межгалактических космических лучей, которые могут достичь Солнца, таким образом, существенно увеличивается и уменьшается с цикличностью 64 млн лет. Далее ученые использовали расчеты движения Солнца, чтобы смоделировать количество космических лучей, добирающихся до нас здесь, на Земле, и наложили эту зависимость на график разнообразия ископаемых остатков за исторические периоды. Они обнаружили, что каждый раз максимумы первого графика совпадали с минимумами второго!

Другими словами, всякий раз, когда Солнце находилось высоко над плоскостью и количество поступающих космических лучей было на пике, количество биологических видов на Земле сокращалось. Каждый раз без исключения, в течение последних девяти циклов за 0,5 млрд лет.

Скажем прямо: это не является точным свидетельством того, что движение Солнца вызывает массовое исчезновение живых организмов. Но это очень веское свидетельство. Когда исследователи учли столкновения с астероидами и иные события, не связанные с космическими лучами, которые вызывают массовое вымирание, корреляция между движением Солнца и теми эпизодами массовой гибели стала еще нагляднее. Между прочим, в исследовании не говорится прямо, что именно космические лучи наносят удар. Имеется ряд доказательств того, что с теми периодами также коррелируют ледниковые периоды, поэтому, возможно, в этом виноваты повышенная облачность и изменение климата. Также имеются интересные исследования, увязывающие космические лучи и вспышки молний на Земле. Неясно, какой из механизмов, описанных выше (мюоны, разрушение озона, образование смога или центров конденсации облаков), виновен в грязных делах, или же это комбинация разных или всех факторов, или может быть что-то, о чем мы пока даже и не догадываемся. Но появляется все больше доказательств того, что космические лучи на самом деле оказывают влияние на живые организмы на Земле.

Отсюда вытекает очевидный вопрос: на каком этапе цикла мы сейчас находимся? В настоящий момент Солнце направляется вверх, поднимаясь над диском. Мы всего на расстоянии 25 световых лет или около того над средней плоскостью, хорошо защищены галактическими магнитными полями, поэтому до опасной зоны нам еще идти и идти. Однако через 20 или 30 млн лет наши потомки могут иметь повод для беспокойства: они будут наблюдать ухудшения в своей округе. Если они смогут избежать постоянно разогревающегося Солнца, сверхновых и пары случайных всплесков гамма-излучения, им, возможно, все равно придется разбираться с межгалактическими космическими лучами. Чтобы избежать их, потомкам нужно найти звезду, похожую на Солнце, с планетами, на которых можно обитать в средней плоскости Галактики (или под ней), и переехать туда. Вероятно, существует множество потенциальных мест для колонии… если звезды подходящие.

Монстр посередине

Кроме межгалактических космических лучей, у наших пра-пра-пра…внуков, возможно, появится и другая проблема. Она будет немного ближе к дому — собственно говоря, прямо в центре города, если продолжить нашу аналогию. Чтобы разобраться в этой проблеме, нам придется сделать небольшой шаг назад во времени и большой скачок в пространстве.

В 1963 г. ученые столкнулись с загадкой. Радиоастрономы обнаружили объект, который был довольно ярким в радиодиапазоне спектра, что всегда приятно. Проблема была в том, что тогдашняя технология не позволяла определить положение этого объекта с высокой точностью, — как и проблема с всплеском гамма-излучения, которую астрономам придется решать через несколько лет.

Помогло космическое совпадение: объект, названный 3C273, находится на участке неба, который перекрывает Луна, обращаясь вокруг Земли. Это означает, что периодически Луна проходит будто бы прямо перед 3C273. Дождавшись того момента, когда четкая кромка Луны преградит путь радиоволнам от объекта, и зная точное положение Луны, они смогли определить местоположение объекта с высокой точностью… но, когда они направили в ту точку оптические телескопы, они увидели всего лишь тусклую голубую звездочку. Это оказалось большим потрясением — как мог объект, излучающий так мало видимого света, иметь такую светимость в радиодиапазоне?

Когда обнаружилось, что объект находится на поражающем воображение расстоянии в 1 млрд световых лет, все стало еще запутанней. Тусклая голубая звездочка 3C273 — совсем не безобидная, а должно быть, самый яркий из известных объектов Вселенной.

Вскоре было найдено еще больше таких объектов, и они получили название квазары, то есть «квазизвездные радиоисточники». Также были обнаружены и другие объекты, получившие названия блазары и сейфертовские галактики. Все они излучают во всем электромагнитном диапазоне, а некоторые — настоящие монстры, излучающие во много триллионов раз больше энергии, чем Солнце, в сотни раз больше, чем суммарная излучаемая энергия всей нашей Галактики!

Со временем стало понятно, что эти объекты были галактиками[111], подобными нашей, за исключением той энергии, вырывающейся у них из ядра и придающей им невероятную светимость. Что могло излучать такую энергию? Каким бы ни был источник, он должен был быть маленьким[112] и генерировать радио-, оптическое и рентгеновское излучения в колоссальных масштабах.


Смерть с небес. Наука о конце света

Астрономы знали только один объект, который удовлетворял бы всем этим характеристикам: черная дыра.

Но даже черные дыры звездной массы не могли бы генерировать такую мощность. Астрономам пришлось признать тот факт, что это должен быть другой тип черной дыры, гораздо более страшный: сверхмассивная черная дыра.

Со временем было обнаружено, что в ядре каждой крупной галактики во Вселенной имеется сверхмассивная черная дыра. Даже в нашем Млечном Пути — она называется Стрелец A* (астрономы говорят «Стрелец А со звездочкой») и на космических весах показывает массу, в четыре раза превосходящую массу Солнца.

И это еще считается легкой весовой категорией. Центральная черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87, которая находится гораздо ближе к нам, чем 3C273, на расстоянии всего 60 млн световых лет (хотя это все равно очень дальний путь), — одна из самых крупных известных сверхмассивных черных дыр, с массой в 1 млрд масс Солнца[113]. Такая светимость этих сверхъярких объектов — в совокупности теперь именуемых активными галактиками — объясняется тем, что черные дыры в их ядре активно «питаются». Вещество, газ, пыль и даже звезды проваливаются в разверзнутую пасть этих монстров. Падая в направлении черной дыры, вещество образует сплющенный аккреционный диск (аналогичный тому, какой образует черная дыра при всплеске гамма-излучения). От трения и сил магнитного поля диск разогревается до миллионов градусов и раскаленное вещество становится очень, очень ярким (см. главу 5). Оно будет излучать невероятное количество света, затмевая весь другой свет, исходящий от галактики. Оно также будет излучать рентгеновские лучи и даже гамма-лучи, самую высокоэнергетическую форму излучения.

Как мы видели в главе 4, кроме этого, черная дыра с диском может создавать струи вещества и энергии, и сверхмассивные дыры тоже способны на такое. Не все сверхмассивные черные дыры в активных галактиках образуют такие струи, но многие. Это похоже на всплеск гамма-излучения в галактических масштабах, но вместо потока энергии, длящегося несколько секунд, эти струи — стабильные, постоянные источники энергии, не затухающие миллионы лет или даже больше. Активные галактики являются крупнейшими источниками энергии во Вселенной.

Внутри такой галактики должно быть очень интересно, если под «интересно» вы подразумеваете «ужасно страшно, до невероятности». Даже без струи их ядро излучало бы энергию во всем электромагнитном спектре. Любая звезда, находящаяся близко к центру, подвергалась бы бомбардировке радиоволнами, оптическим светом, рентгеновским излучением и, может быть, гамма-лучами. Сложно представить, что на планете, обращающейся вокруг звезды неподалеку от центра активной галактики, могла бы возникнуть жизнь.

Другим галактикам тоже может грозить опасность от такого недружелюбного соседа: 3C321 — это пара галактик, одна из которых активная. Активная выстреливает струю прямо в своего напарника, находящегося на расстоянии 20 000 световых лет. Луч приводит к самым разным губительным последствиям в бедной галактике, врезаясь в газовые облака, облучая звезды и в целом разрушая то, что, вероятно, было вполне приятной округой, пока не начался весь этот кошмар.

А это подводит нас к интересному моменту. Может ли Млечный Путь стать активной галактикой? Может ли сама Галактика стать опасной для нас?

Да, может. И, вероятно, она была активной в прошлом.

В настоящее время черная дыра в Млечном Пути дремлет — только очень чувствительные детекторы гамма- и рентгеновских лучей могут зарегистрировать излучение от нее. Чтобы сверхмассивная черная дыра стала активной, в нее должно падать много вещества. Очевидно, либо поглощает очень мало, либо вовсе не поглощает. Мы все равно видим, что из нее исходит какая-то энергия, но эта энергия очень рассеянная и очень слабая. Астрономы не знают наверняка, что вызывает это излучение, и именно неопределенность источника свидетельствует о том, что Млечный Путь не является процветающей активной галактикой (в противном случае источник был бы очевиден). Так что, похоже, нам ничто не грозит.

Но внешность бывает обманчивой. Исследования показали, что рядом с черной дырой имеются довольно большие запасы газа. Ближайшие звезды испускают частицы в виде ветра, подобного солнечному, и это вещество может накапливаться около черной дыры, подпитывая ее. Те же исследования показывают, что поток частиц может стать неравномерным, и, когда в черную дыру проваливается большой комок материи, дыра может внезапно испустить вспышку, превращаясь в активную на непродолжительные периоды. В течение нескольких лет она излучает огромную энергию, после чего вновь успокаивается. Вероятнее всего, эти вспышки не очень опасны для нас; не исключено, что последняя была всего 350 лет назад — ее последствия запечатлелись в газе, который окружает центр Галактики и лучше виден. Наблюдения этих газовых облаков в рентгеновском диапазоне свидетельствуют о том, что энергия, излученная с последней вспышкой, была в 100 000 раз выше, чем когда черная дыра находится в спокойном состоянии. Звучит страшно, но помните, это произошло относительно недавно в астрономических масштабах, но человечество даже не заметило.

Также помните о том, что мы находимся на расстоянии 25 000 световых лет от центра Галактики, то есть между ним и нами полно разного «хозяйства». Так что, похоже, такие вспышки нам совсем не угрожают.

Однако около Стрельца А* есть и другие запасы газа. Рядом таятся обширные темные газовые облака с массой, больше чем в миллион раз превышающей массу Солнца. В настоящее время они стабильно обращаются вокруг центра Галактики… в настоящее время.

Если вы взглянете на изображения активных галактик, возможно, заметите закономерность: многие из них имеют, как бы это сказать, причудливую форму. Это не обычная спираль или эллипс. Астрономы считают, что это может объясняться недавними встречами с другими галактиками, «дорожными авариями» поистине галактических масштабов. При столкновении двух галактик от гравитационного взаимодействия газ и пыль могут устремиться в их центры, где любая сверхмассивная черная дыра будет с удовольствием пожирать эту добычу, что, в свою очередь, «включит» черную дыру, превращая только что бывшую спокойной галактику в активную.

Млечный Путь от такого не застрахован. В прошлом он поглотил много меньших галактик; более того, вероятно, что большинство крупных галактик, или даже все, увеличились в размерах, пожирая своих соседей. Раньше, когда Вселенная была меньше и галактики находились ближе друг к другу, встречи такого рода должны были быть более частыми. На деле, такие объекты, как квазары, находятся очень далеко, то есть мы видим их молодые годы в далеком прошлом[114]. В те времена галактики пожирали галактики, и вероятно — даже возможно, — что все крупные галактики, включая нашу, в молодости были активными.


Смерть с небес. Наука о конце света

В последнее время столкновения галактик происходят гораздо реже, но все-таки происходят. Прямо сейчас Млечный Путь поглощает как минимум две малые галактики, но эти события не настолько значительны, чтобы пробудить нашу сверхмассивную черную дыру. В настоящее время около нас нет достаточно больших галактик на близком расстоянии (по крайней мере, в настоящее время; см. ниже), которые были бы способны на такое, поэтому, вероятней всего, угрозы того, что наша собственная Галактика станет активной, сейчас нет.

Разумеется, существует вероятность, что два облака, обращающихся вокруг черной дыры по разным орбитам, могли бы столкнуться, взаимно погасив скорость движения друг друга, и устремиться в пасть монстра. Если такое произойдет, черная дыра может «включиться» и оставаться активной тысячи лет, заливая Галактику колоссальными потоками рентгеновского излучения и субатомных частиц, как из пожарного шланга, но в космических масштабах.

Хорошие новости в том, что такое излучение будет направленным, как всплеск гамма-излучения. Вероятнее всего, эти лучи пойдут вверх и вниз относительно плоскости Млечного Пути, а значит, прочь от нас. В таком случае нам практически ничего не грозит.

Конечно, в некоторых галактиках ось черной дыры наклонена относительно плоскости, поэтому их лучи могут проходить сквозь звезды в диске галактики. Но это редкость, и, даже если бы сверхмассивная черная дыра в Млечном Пути была такой, шансы на то, что лучи попадут по нам, вероятно, составляют 1 к 30 или около того.

Лично я предпочел бы меньшие шансы, но, опять же, последовательность событий, в результате которых поток гамма-лучей от сверхмассивной черной дыры в сердце Млечного Пути направился бы прямиком на нас, сама по себе уже довольно сомнительна. Я думаю, мы в совершенной безопасности.

И прежде, чем у вас появится слишком сильное предубеждение относительно сверхмассивных черных дыр и их разрушительной мощи, подумайте вот о чем: без них жизнь могла бы не зародиться.

Так как в центре каждой галактики находится большая черная дыра, вполне можно предположить, что черные дыры играют роль в образовании галактик. Более того, некоторые характеристики галактик — например, то, как звезды обращаются вокруг центра галактики, — похоже, зависят от массы центральной черной дыры. Вы, возможно, подумаете, что это естественно, учитывая, насколько велика черная дыра в центре, но помните: даже черная дыра с массой в миллиарды масс Солнца — это всего лишь крошечная доля от всей массы галактики! Масса Млечного Пути — не меньше 200 млрд солнечных масс, поэтому в нашей собственной сверхмассивной черной дыре заключается всего 0,002 % от общей массы.

Теорий множество, но, вероятно, сверхмассивная черная дыра в каждой галактике возникла одновременно с образованием галактики. Когда появились звезды и материя, составляющая галактику, устремилась к центру, черная дыра начала поглощать массу, становясь активной и выдувая колоссальные ветра из частиц и энергии. Эти ветра, должно быть, оказывали мощное воздействие на галактику вокруг дыры, возможно даже сокращая размеры самой галактики в процессе ее образования. Они также повлияли на процесс образования звезд и их химический состав.

Несомненно, черные дыры могут нас убить, причем самыми интересными и изощренными способами. Но в целом, возможно, мы обязаны им своим существованием.

Помните: когда вы долго смотрите в бездну, иногда она начинает смотреть на вас.

Штамм «Андромеда»

В нашем галактическом турне есть еще одна опасная остановка, и, строго говоря, опасность эта исходит не от нашей Галактики. Но с участием Млечного Пути, и, честно говоря, это слишком круто, чтобы просто пройти мимо.

Как мы обсуждали ранее, наша Галактика не одинока. Как большой город окружен малыми, так и в нашей Местной группе обретаются несколько меньших галактик. Но в Местной группе также есть еще одна крупная галактика — галактика Андромеды. Она чуть массивнее по сравнению с Млечным Путем — как Миннеаполис по сравнению с нашим Сент-Полом. Из нас двоих, мы полностью доминируем в Местной группе[115].

Оценки разнятся, но, вероятнее всего, Андромеда находится на расстоянии примерно 2,5 млн световых лет от нашей собственной Галактики. Так как каждая из двух галактик примерно 100 000 световых лет в диаметре, с точки зрения масштабов они уникальны: расстояние между ними не намного больше, чем их размеры. Звезды находятся невероятно далеко друг от друга по сравнению с их размерами, и то же можно сказать о планетах. Но галактики большие и могут находиться близко друг к другу… а это означает, что они могут взаимодействовать.

Астрономы измерили относительные скорости движения двух галактик, и похоже, что эту пару связывает взаимное притяжение. Более того, существует четкий признак того, что две галактики исполняют парный танец.

Насколько можно сказать, почти все большие галактики во Вселенной мчатся прочь от нас. Подробности здесь не важны — в следующей главе их в изобилии, — но это означает, что со временем все большие галактики во Вселенной удалятся от нас… кроме одной. Вы догадались: это Андромеда. Ближайшая к нам большая спираль уникальна, потому что она направляется к нам[116].


Смерть с небес. Наука о конце света

По сути, она мчится к нам на всех парах: скорость ее движения по направлению к Млечному Пути составляет примерно 190 км/с, а это довольно быстро (если придерживаться нашей аналогии с городами, пока вы читали это предложение, галактика Андромеды прошла бы расстояние от Нью-Йорка до Бостона[117]). Проблема заключается в том, что ее поперечная скорость, ее боковое смещение относительно нас точно неизвестны. Представьте это так: если вы стоите на улице и на вас мчится машина, дела плохи. Но, если машину достаточно быстро заносит в сторону, она вас не заденет. На том расстоянии от нас, на котором она находится сейчас, поперечная скорость даже в сотни километров в секунду в телескопе выглядит как совершенно крошечное смещение. Однако с большой долей уверенности можно предположить, что ее поперечная скорость примерно такая же, как и скорость движения на нас, и ряд теоретических моделей подтверждает это. Этого недостаточно, чтобы полностью исключить столкновение с нами.

Поэтому со временем Андромеда и Млечный Путь обязательно налетят друг на друга. Что тогда произойдет?

Два астронома решили это выяснить. Томас Кокс и Абрахам Лёб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики смоделировали взаимодействие между двумя гигантами за несколько миллиардов лет. Результаты не сулят нам ничего хорошего.

При сближении две галактики устремляются друг к другу с ускорением. Они начинают сближаться все быстрее и быстрее, пока наконец не столкнутся примерно через 2 млрд лет. Столкновение будет практически призрачным — звезды настолько далеки друг от друга что, по сути, две галактики пройдут прямиком одна сквозь другую. Шансы на то, что какие-то две звезды окажутся достаточно близко и физически столкнутся, практически равны нулю.

При большинстве столкновений галактик, которые мы наблюдаем сегодня, у участников происходит резкий рост числа образующихся звезд[118]. Это объясняется тем, что газовые облака, в отличие от звезд, очень большие, поэтому при обычном столкновении галактик шанс на столкновение облаков — многочисленные столкновения — это фактически реальность. Когда сталкиваются облака, происходит их коллапс и образуются звезды. Многие из этих звезд — массивные и горячие, поэтому они освещают окружающий их газ. Сегодня галактические столкновения во Вселенной объявляют о себе, вспыхивая как неоновые вывески.

Однако из модели Кокса и Лёба следует, что, когда Млечный Путь и Андромеда сольются через несколько миллиардов лет, большая часть газа, существующего сейчас в двух галактиках, уже будет израсходована, из него образуются новые звезды. В отличие от других галактических столкновений, во время нашего никакой вспышки звездообразования не будет. Поэтому для нас это столкновение не будет слишком опасным: отсутствие вспышек звездообразования означает отсутствие гигантских скоплений массивных звезд, облучающих свою округу, и никаких волн от взрывов сверхновых, разрушающих все вокруг.

Тем не менее это не означает отсутствие драматических эффектов. При столкновении искажается форма галактик. В настоящее время как Млечный Путь, так и Андромеда представляют собой огромные спирали с великолепными ветвями. Но представьте, что вы звезда на окраине галактики со стороны Андромеды. По мере приближения другой галактики вы начинаете ощущать действие ее сил тяготения, и в один прекрасный момент ее притяжение сравнивается с притяжением вашей родной галактики. Однако звезда, находящаяся с другой стороны Млечного Пути, будет ощущать гораздо меньшее притяжение, так как она находится гораздо дальше от Андромеды. От этого галактики будут удлиняться, растягиваться как тянучка, образуя длинные щупальца, называемые приливными течениями.

За миллионы лет две галактики пройдут одна сквозь другую, скользя по изогнутой траектории (в зависимости от того, насколько велика поперечная скорость). За ними будут тянуться два длинных хвоста из звезд, газа и пыли, образуя светящиеся щупальца длиной в сотни тысяч световых лет. Из какой-нибудь далекой галактики наши две выглядели бы как странная парочка морских чудищ, сражающихся не на жизнь, а на смерть (или, может быть, спаривающихся).

Галактики будут проходить одна сквозь другую на слишком низкой скорости, поэтому не смогут увернуться от крепкой хватки партнера. Спустя примерно еще 1 млрд лет они вернутся друг к другу, повторив последовательность, и снова, менее чем еще через миллиард лет. Наконец, спустя примерно 5 млрд лет от сегодняшнего дня две галактики окончательно сольются. Их ядра объединятся, а вещество, выброшенное в длинные хвосты, перейдет на устойчивую орбиту. Вместо двух спиралей после слияния образуется единая гигантская галактика эллиптической формы — Кокс и Лёб назвали ее Млекомеда (полагаю, что название Андромепуть было слишком похоже на название какого-то лекарства). Вероятно, многие из гигантских эллиптических галактик, которые мы видим на небе, образовались после таких массивных слияний; это «груды металлолома», оставшегося после космических столкновений.

Но вернемся к Солнцу. Что будет происходить с нами все это время?

Примечательно, что все это событие происходит в течение жизни Солнца. Несмотря на то что к тому времени, когда все закончится, Солнце, возможно, будет красным гигантом (см. главу 8), оно все еще будет существовать. Может быть.

С помощью модели Кокса и Лёба можно сделать некоторые прогнозы о судьбе Солнца. Они обнаружили, что после первого прохода двух галактик у Солнца есть большой шанс остаться в диске Млечного Пути. Однако существует небольшая вероятность (примерно 12 %) того, что его выбросит в один из длинных приливных хвостов. Это не страшно, и более того (как мы скоро увидим), для нас это может оказаться самым безопасным местом. А какой вид! Из того выгодного положения мы будем смотреть на столкновение, происходящее под нами, и практически никакая пыль не будет заслонять нам это зрелище. У нас будут места в ложе на одном из колоссальнейших событий во Вселенной.

С каждым следующим проходом двух галактик шанс на то, что Солнце будет выброшено из Млечного Пути, становится выше. К тому моменту, когда ядра галактик сольются, вероятность того, что Солнце будет находиться на расстоянии больше 100 000 световых лет от центра объединившихся галактик, составляет 50 % (а шансы на то, что мы будем на расстоянии не менее 65 000 световых лет от центра, выше, чем три к двум). В настоящее время от нас до центра Млечного Пути 25 000 световых лет, так что это существенное изменение.

Более того, во время слияния существует небольшая вероятность (менее 3 %) того, что мы окажемся с другой стороны и привяжемся к галактике Андромеды! Хотя вероятность такого очень мала, это поразительная идея. При столкновениях звезды обычно бывают преданными и остаются с теми, с кем пришли, но некоторые при случае оказываются перебежчиками.

Есть и другая возможность: существует небольшой, но реальный шанс (менее 1 %), что Солнце сместится к центру системы. Если бы такое произошло, Солнце могло бы оказаться всего в нескольких световых годах от объединившихся ядер двух галактик, и это было бы очень, очень плохо.

Помните, все крупные галактики имеют черные дыры в центре. Андромеда — не исключение: в ее сердце таится черная дыра гораздо больших размеров, чем наша, в 30 млн раз больше массы Солнца (наша всего в 4 млн больше). При объединении ядер две чудовищные черные дыры сольются и возникнет одна черная дыра с массой в 34 млн масс Солнца[119]. Даже 1 % вероятности того, что мы окажемся поблизости от такого монстра, — это чуть больше того, что мне бы хотелось. Даже если нам посчастливится и черная дыра не проглотит нас, есть и другая проблема: газ.

Хотя во время и после слияния галактик для образования новых звезд будет слишком мало газа, для «включения» сверхмассивной черной дыры и превращения галактики в активную его требуется гораздо меньше. Несмотря на то что Кокс и Лёб конкретно это не рассчитывали, из их моделей следует, что при слиянии часть массы направится к центру, где может образовать аккреционный диск, который будет поглощаться черной дырой. Как вы, возможно, помните, многие активные галактики, испускающие мощные потоки излучения и материи, имеют необычную форму, что свидетельствует о том, что не так давно они пережили столкновение.

Если бы это было так, тогда наша Галактика — только теперь это будет Млекомеда — вновь станет активной. Сверхмассивная черная дыра в ядре будет испускать потоки материи и энергии, и, если Солнце окажется не в том месте не в то время… ну, вы знаете, что произойдет с нами: в главе 5 мы обсуждали такие лучи, испускаемые черной дырой. Теперь вообразите, что они в тысячи раз мощнее, а мы находимся у них на пути. Если Солнце сместится к ядру новой галактики, а у сверхмассивной черной дыры, находящейся там, вдруг случится припадок, тогда нам предстоит очень неприятная поездка. Тем не менее, если Солнце будет выброшено на расстояние 100 000 световых лет от ядра к периферии, тогда шансы пересечься с одним из тех лучей довольно малы… и работа Кокса и Лёба свидетельствует о том, что вероятность того, что мы направимся прочь, а не к центру, гораздо выше.

Разумеется, мы говорим о том, что произойдет где-то через 5 млрд лет. Говорят, что вся политика — дело локальное, и, если мы все еще будем существовать, вероятно, мы будем заниматься звездой, собирающейся превратиться в красный гигант и белого карлика. Когда в местных делах такой хаос, у кого есть время волноваться о жуликах из большого города и о том, чем они где-то там занимаются?

Глава 9. Конец всего

ТЬМА. НЕБЫТИЕ. ПУСТОТА.

Все во мраке. Чернильное небо не усыпано звездами, не видно галактик.

Все они уже давно мертвы, исчезли, распались, когда составляющие их элементы разложились, превратившись в ничто.

Бессчетное количество лет во Вселенной ничего не происходит. Это холодная, практически совершенная пустота.

Так продолжается триллионы триллионов лет. Но затем, внезапно, в одном крошечном уголке Вселенной, ничем не отличающемся от других, происходит скачкообразный фазовый переход. Эта переориентация самой структуры пространства и времени разрастается, как кристаллы, образующиеся в насыщенном растворе. Она распространяется практически со скоростью света, охватывая все больше и больше пространства.

А за ней… не остается ничего. Или во всяком случае ничего, что мы в состоянии понять. Материя, энергия, даже пространство и время в кильватере этого квантового пузыря разрушены, трансформированы.

Когда все закончилось, пузырь поглотил всю Вселенную целиком. А о том, что осталось после этого, мы, пожалуй, никогда не узнаем.

Примечание об экспоненциальной форме представления чисел

Вы, возможно, знакомы с понятием экспоненциального представления: использование степеней для записи очень больших или очень маленьких чисел. Вместо 10 000 000 000 легче написать 1010: единица с десятью нулями. Точно так же очень маленькие числа записываются с помощью отрицательной степени: 10–7 = 0,0000001 (единица на седьмом месте справа от десятичного разделителя). В этой главе много экспоненциальных записей, потому что числа, которые в ней упоминаются, очень быстро станут сногсшибательно большими. Однако такой подход вносит небольшую ошибку в суждения наших не так давно эволюционировавших мозгов, которая может обмануть даже тех из нас, кто знаком с такой формой представления.

Похоже, что число 1012 лишь немного больше, чем 1011, но на самом деле оно в 10 раз больше (1 триллион по сравнению со 100 миллиардами). Хуже того, кажется, что 1020 всего в два раза больше 1010, но на самом деле оно в 10 млрд раз больше! Даже тем, кто знаком с таким представлением, бывает сложно оценить порядок числа с первого взгляда. Прямо сейчас Вселенной всего чуть больше 10 млрд лет: 1010. Но в далеком, далеком будущем, когда ей наступит 1020 лет, период времени в 10 млрд лет будет крохотной, крохотной долей от общего возраста Вселенной. Не забывайте об этом, потому что, когда мы закончим, даже 1020 покажется бесконечно малым отрезком времени по сравнению с продолжительностью нашего путешествия.

Глубокое время

До сих пор мы рассматривали серию отдельных событий, сеющих разрушения на нашей маленькой планете: взрывающиеся звезды на любой вкус, катастрофические столкновения, смерть Солнца.

Разумеется, это увлекательные события, и, конечно же, именно мощные огненные взрывы попадают в заголовки газет. Дерево, пораженное молнией и сгоревшее дотла, может оказаться в местных новостях, а то, которое просто разрушается изнутри и через 50 лет падает, прогнив насквозь, никто даже не заметит.

Но, даже если мы никогда не столкнемся с астероидом и нас не изжарит гамма-всплеск, Земля стареет. Всё стареет. Даже если нам удастся пережить смерть Солнца, как мы переживем старение самой Вселенной?

Ответ, безусловно, покажется мрачным: никак. Пока вы читали эту книгу, Вселенная состарилась. Может, на неделю, может, на несколько дней, если вы читаете быстро, и в течение этого времени Солнце израсходовало несколько триллионов тонн водорода, звезды взрывались, а объем Вселенной увеличился. Мы все стали немного старше, и космос тоже. Когда вы закончите эту книгу и поставите ее на полку, она будет стареть. Она будет постоянно стареть. Это неизбежно: она будет на год старше, на десять лет, на тысячу. К тому времени она превратится в пыль, без сомнения, но и атомы в той пыли также будут стареть. В один прекрасный день они будут на миллионы лет старше, на миллиарды. На триллионы.

Но даже этот срок — микроскопическая капля в океане времени. Время вполне может длиться вечно, и триллион лет будет подобен мгновению ока. Вселенная продолжит стариться и, старея, будет меняться. Изменения будут кардинальными: это не просто смерть массивных звезд и столкновения галактик, сама природа Вселенной и объектов в ней изменится фундаментально за промежутки времени настолько длительные, что у нас нет для них даже слов.

Как будет выглядеть Вселенная через триллион триллионов триллионов лет? А если умножить этот возраст на триллион?

По-другому. Она будет выглядеть по-другому. Но мы никогда не узнаем: нас к тому времени уже не будет, и мы этого не увидим. И здесь я имею в виду не просто человечество, не просто жизнь, какой мы ее знаем. Даже материя, какой мы ее знаем, не доживет и не увидит космос на том этапе.

Время никого не ждет. Но глубокое время не ждет ничего. Даже материю.

Единственный способ понять картину будущего — сначала обернуться и посмотреть назад, в самое начало, в начало Вселенной. Может показаться, что это было так давно, но обещаю, вскоре это будет казаться вчерашним днем.

Очень краткая история Вселенной

В начале не было ничего.

Потом появилось все.

Подробнее, подробнее

Может быть, это как-то слишком кратко. Да, оказывается, подробности важны.

Наше понимание начала Вселенной — и ее дальнейшей судьбы — зависит от того, какие представления о ней мы имеем сейчас. Внимательно изучая подсказки, приходящие из космоса через наши телескопы, мы знаем удивительно много о том, чем занималась Вселенная в течение последних нескольких миллиардов лет. А еще удивительней, возможно, то, что, опираясь на существующие знания, мы много можем сказать о том, чем Вселенная будет заниматься в будущем… и в таком далеком будущем, что миллиарды лет покажутся всего лишь шелестом, одной секундой на космических часах.

Полагаю, что описанные ниже события выглядят научной фантастикой, так как спустя буквально мгновения после образования Вселенной и в умопомрачительно далеком будущем происходят очень странные дела. Однако, насколько мы можем сказать, это научный факт, основанный на надежных данных. Как и при любых других предположениях, не исключено, что нам неизвестны какие-то нюансы, важные для понимания того, что на самом деле происходило или что произойдет. Это суть науки: новые наблюдения и новые данные всегда ведут к уточнению результатов. Наука приближается к реальности, как функция к асимптоте, и сложно сказать, насколько далеко по кривой мы уже продвинулись.

Но, даже несмотря на это предостережение, будущее космоса увлекательно, хотя и сурово. Впрочем, как принято в науке и в рассказах, нам нужно начать с самого начала.

Да, и мне надо бы предупредить вас: самый рассвет и самый закат Вселенной — это время, когда все совершенно не похоже на то, что мы видим вокруг себя сейчас. Будьте готовы немного поработать мозгами.

Вселенная — это много, много всего — это буквально все, — но это также чертовски странное место.

В начале

Примерно 13,7 млрд лет назад (± 200 млн лет), произошел взрыв, породивший Вселенную.

Само это заявление создает довольно большую путаницу. Астрономы называют событие «Большой взрыв» или, точнее, мы используем термин «Большой взрыв» в качестве модели того, что, по нашему мнению, произошло. В чем разница? Ну, прежде всего, это событие не было ни большим, ни взрывом. Когда Вселенная внезапно возникла из небытия, ее размеры были меньше размеров протона, так что она не казалась ужасно большой[120]. Да и взрыва никакого не было: скорее, это был хлопок или щелчок.

Наблюдая за современной Вселенной, мы можем перевести часы назад и выяснить, какой она была в прошлом. Мы обнаружили, что в прошлом Вселенная была более горячей и плотной. Чем дальше в прошлое мы уходим, тем она горячее и плотнее (верно и обратное: чем старше становится Вселенная, тем менее плотной и более холодной она становится). Она также уменьшается в размерах: сейчас Вселенная расширяется (подробнее об этом через минутку), поэтому в прошлом она была меньше. В конце концов, вы уходите достаточно далеко в прошлое, когда Вселенная была, по сути, всего лишь сингулярной точкой: бесконечно малым, бесконечно горячим, бесконечно плотным объектом.

Ну, это очень странно. И, вероятно, даже, строго говоря, неверно. Мы переводим стрелки часов назад, и Вселенная сжимается. В определенный момент мы видим ее размером с теперешнюю галактику, затем со звезду, затем с планету, затем с грейпфрут, затем с атом. Когда она становится меньше атома, причудливый мир квантовой механики снова поднимает голову. Один из самых фундаментальных законов квантовой механики заключается в том, что многие характеристики объектов связаны, и чем больше вы знаете об одном, тем меньше вы знаете о другом. Чем тщательней вы измеряете положение электрона, например, тем меньше вы знаете о его скорости. Чем больше вы узнаете об одном аспекте объекта, подчиняющегося законам квантовой механики, тем более ускользающим становится другое его свойство. Это очень похоже на космическую цензуру в крошечных масштабах. Чем сильнее мы вглядываемся, тем подозрительнее все становится.

В житейском смысле — и я даже не уверен, что слово «житейский» означает в таких масштабах! — это подразумевает, что мы мало что можем узнать о том, какой была Вселенная на самом деле, когда она была очень, очень маленькой. Наши уравнения и понимание законов физики много говорят о состоянии Вселенной, когда ей был всего один день от роду, один час, одна секунда… даже крошечная доля наносекунды. Но, если углубиться достаточно в прошлое, к тому моменту, когда Вселенной было буквально 10–43 секунды[121], наша физика сдается. Истинные начала Вселенной скрывает покров, который нам никогда не удастся приподнять.

Это еще одна причина, по которой ученые предпочитают не называть это событие Большим взрывом. Нам мало что известно о самом событии, был ли это взрыв или нет. Мы можем только выяснить, что произошло сразу после него.

Тем не менее вам должно быть любопытно узнать, что происходило до Большого взрыва. Это естественный вопрос, и к нему можно подходить двояко. Например, считать его лишенным смысла. Возможно, звучит как отговорка, но позвольте мне задать вам следующий вопрос: что к северу от Северного полюса?

Этот вопрос лишен смысла, правда? Если вы отправитесь на север, вы попадете на Северный полюс, вот и все. Дальше пути на север нет[122].

Так вот, помните, что само время было создано при Большом взрыве. До взрыва время не существовало, поэтому нет никакого «до него». Вопрос не имеет смысла.

Это как-то странно, даже для космологии и квантовой механики. Кроме того, этот ответ не удовлетворяет. Мы привыкли к тому, что все существует в течение имеющего пределы отрезка времени, являющегося частью более продолжительного отрезка времени. Симфонический концерт может начинаться в 19:00 и заканчиваться в 20:24. Но что-то происходило до того, как началась симфония (музыканты оркестра приехали в концертный зал, разогрелись, поднялись на сцену), и что-то будет происходить после (группа медных духовых инструментов продувает клапаны, музыканты покидают сцену, возвращаются домой и смотрят старый фильм «Остров Гиллигана» по телевизору). Итак, каким же образом может существовать начало времени, точка на оси времени, перед которой ничего нет?

Эта головоломка может иметь решение. Существуют теории, согласно которым Вселенная — это не единственное, что существует. Не исключено, что имеется что-то вроде Метавселенной, некая структура, в которую нам никогда не попасть, а наша Вселенная всего лишь часть ее. Эта вселенная возникла еще до того, как появилась наша, она выглядит практически как наша, в ней действуют такие же или похожие законы физики, определяющие ее поведение, включая квантовую механику. В главе, посвященной черным дырам, мы видели спонтанное зарождение частиц. Существует вероятность того, что в ткани пространства-времени этой другой вселенной может внезапно возникнуть крошечный всплеск, что-то наподобие зарождения частиц из ничего. При определенных условиях такая выпяченная область пространства и времени быстро стянется, но в царстве квантовой механики также вероятно то, что эта область увеличится. Что-то наподобие черной дыры; эта область отделена от большой вселенной, окружающей ее, и становится отдельной сущностью, своей собственной вселенной. Пространство и время, энергия и материя просто спонтанно возникают внутри. Через несколько миллиардов лет расширения наступает момент, когда начинают образовываться звезды, оформляются галактики, и на планете, затерянной где-то в том большом объеме пространства, человек, читающий книгу, почесывает в затылке и думает, что автор утратил разум[123].

В настоящее время мы не знаем наверняка, было ли что-то до того, как возникла наша Вселенная, и имеет ли смысл эта идея в принципе. Но когда теория Большого взрыва была впервые сформулирована, мы довольно много узнали о том, что происходило после первой 10–43 секунды.

Практически сразу после начала: T + 10–43 секунды до настоящего времени

Нам известно, что в своей жизни Вселенная уже прошла через несколько разных этапов. На самом раннем этапе, когда Вселенная все еще была невообразимо горячей и плотной, она представляла собой варево из причудливых субатомных частиц, перемешиваемое неведомыми силами. По мере расширения и охлаждения Вселенной в ней смогли образоваться и стать стабильными разные типы частиц (раньше они не могли существовать, потому что для них было слишком жарко, так кубик льда не продержится долго на горячей сковородке). Чтобы облегчить себе жизнь, физики разбили время существования Вселенной на разные отрезки, разные эпохи, в зависимости от того, какие частицы существовали и какие силы преобладали в то время.

Спустя всего одну миллисекунду (10–6 секунды) все достаточно успокоилось, и из густого супа субатомных частиц, называемых кварками, смогли образоваться протоны и нейтроны. Через одну секунду, всего один тик тикающих часов, наступил период нуклеосинтеза[124], когда условия были похожи на условия в ядре звезды. Благодаря теплу и плотности некоторые протоны и нейтроны смогли сблизиться и образовать устойчивые ядра. В течение примерно трех минут после начала периода нуклеосинтеза субатомные частицы сталкивались друг с другом и создали совершенно новый вид материи: гелий (два протона плюс два нейтрона). Образовалось даже чуть-чуть лития (три протона и три или четыре нейтрона), но никаких более тяжелых элементов — для образования углерода нужны более комплексные реакции, а у неона вообще не было шанса появиться.

Соответственно, вся материя во всей Вселенной состояла примерно на 75 % из водорода и на 25 % из гелия, плюс чуточку лития.

Не было ни кальция, ни железа, ни кислорода. Во всей той сущности не было ни звезд, ни планет, ни галактик. В тот момент все было довольно простым, всего лишь масса невероятно горячего газа, сплетенного в длинные нити и ленты и подернутого рябью: флуктуации в распределении космической материи, вызванные флуктуациями, возникшими при самом Большом взрыве.

Эти ленты вскоре начнут сжиматься под действием собственных сил тяготения. В момент времени около T + 400 млн лет, при условиях, которые до сих пор не вполне установлены, из материи образуются первые звезды. Примерно в это же время образуются и сами галактики, собирая разбросанные нити материи и создавая огромные, похожие на губки сплетения фантастических галактических скоплений, потоками заполняющие Вселенную.

И вот, через 13,7 млрд лет появляемся мы.

Откуда мы знаем, что это так

Вероятно, все это немного ошарашивает. Может даже показаться вздором! Это настолько за пределами нашей зоны комфорта, наших обычных мыслительных процессов, что может показаться, будто ученые просто все это выдумывают.

Уверяю вас, что нет. Существует логическая последовательность шагов, приводящая нас к пониманию ранней Вселенной.

Одним из первых представлять Вселенную единым целым начал немецкий астроном Генрих Ольберс. В начале 1800-х гг., когда Ольберс изучал небеса, считалось, что Вселенная была бесконечно старой и бесконечной по протяженности. Не было никакой причины думать иначе. Однако Ольберс осознал, что отсюда вытекает проблема. Если Вселенная бесконечна и населена звездами по всему объему, тогда вне зависимости от того, в каком направлении вы смотрите, рано или поздно вы увидите звезду. Неважно, насколько крошечный участок неба вы выберете для наблюдений, линия, протянутая от вас в космос в том направлении, должна когда-то упереться в звезду. Она может находиться в мириадах световых лет от нас, но, если Вселенная на самом деле бесконечна, это всего лишь легкая прогулка по сравнению с той бесконечностью.

И в этом-то заключается проблема. Чем дальше звезда, тем меньше ее кажущийся размер, разумеется, поэтому она также кажется более тусклой. Но уменьшение в размере и яркости компенсируется тем, что Вселенная бесконечна. Чем дальше, тем больше звезд, и более того, количество звезд увеличивается в тех же пропорциях, в каких уменьшается яркость. Эти два момента компенсируют друг друга[125]. Поэтому, если считается, что небо полно звезд, буквально так, что между ними совсем не наблюдается пространства, тогда все небо должно светиться с такой же яркостью, как и сама звезда. Любому наблюдателю внутри такой Вселенной казалось бы, что небо такое же яркое, как и Солнце, куда ни посмотри.

Ясно, что такая Вселенная была бы непригодной для жизни. И так же ясно, что наша Вселенная ведет себя совсем по-другому.

Именно на это указал Ольберс, и сегодня эта головоломка называется парадоксом Ольберса. Какое-то время эта проблема озадачивала людей, а разгадка парадокса пришла из довольно удивительного источника: Эдгар Аллан По.

Да, именно тот По. Он не только писал страшные рассказы и депрессивные стихи, такие как «Ворон», но также был довольно глубоким мыслителем. Ему в голову пришла идея, что возможно, проблема лежит не во Вселенной, а в нашем представлении о ней: что, если Вселенная не была бесконечной в пространстве и (или) во времени? Если бы Вселенная была конечной в пространстве, тогда на определенном расстоянии от Земли звезды закончились бы. А если бы она была конечной во времени — то есть имела начало, — тогда свет от очень далеких звезд попросту еще не успел бы дойти до нас. Парадокс разрешен.

По сути, По был прав. В 1848 г. в своей книге «Эврика» он писал:

«Если бы непрерывность звезд была бесконечна, тогда бы заднее поле неба являло нам единообразную светящесть, подобную исходящей от Млечного Пути, — ибо, безусловно, не было бы точки на всем этом заднем поле, где не существовало бы звезды. Единственный способ поэтому, при таком положении вещей, понять пустоты, что открывают наши телескопы в бесчисленных направлениях, предположить, что рассеяние от незримого заднего поля так несметно, что ни один его луч доселе совершенно не мог нас достигнуть. Что это может быть так, кто решится отрицать? Я утверждаю, просто, что у нас нет даже тени причины веровать, что это так»[126].


Для того времени это было революционным мышлением. Несмотря на то что с середины до конца XIX в. в обществе было принято считать, что Вселенная имеет начало, потому что именно это утверждается в Библии, ученых это как-то не очень удовлетворяло. По все изменил.

Менее чем 100 лет спустя астроном Эдвин Хаббл вместе с другими астрономами, такими как Весто Слайфер и Эллери Хейл, сделали одно из самых потрясающих открытий в истории науки: практически все галактики, которые они могли наблюдать, похоже, мчались прочь от нас. В это было столь сложно поверить, что потребовались годы наблюдений, чтобы убедить всех, но доказательства были неоспоримыми: сама Вселенная расширяется.

Это имело глубокие последствия. Если галактики разлетаются от нас, тогда со временем они становятся все более далекими. В свою очередь, это означает, что в прошлом они были ближе друг к другу. Если перевести космические часы достаточно далеко назад в прошлое, тогда в определенный момент времени каждая галактика, каждый фрагмент материи и энергии во Вселенной, должны были находиться в одной точке.

А значит, у Вселенной было начало, момент времени, когда все началось. Материя и энергия вырвались из той временной точки, постоянно расширяясь. Альберт Эйнштейн уже работал над общими уравнениями, определяющими поведение времени и пространства, когда группа Хаббла обнаружила космическое расширение, и новости об открытии привели его в восторг. Вскоре ученые признали, что работа Эйнштейна была верной и что саму Вселенную можно описать, используя математику.

Так сформировалась модель Большого взрыва.

С годами модель переделывали, уточняли, что-то добавляли, а что-то убирали. Когда астроном использует термин «Большой взрыв», он не просто имеет в виду ту точку сингулярности 13,7 млрд лет назад; он также подразумевает огромную работу, проделанную для того, чтобы модель соответствовала всему, что мы наблюдаем во Вселенной. И на деле, это одна из самых успешных научных теорий в истории[127].

Одним критическим фактором для подтверждения модели Большого взрыва является имеющая предел скорость света. Может показаться странным, но именно эта конечная скорость позволяет нам увидеть, чем Вселенная занималась в прошлом. Представьте, что скорость света была бы бесконечно большой. Если бы мы смотрели на галактику, находящуюся на расстоянии 10 млрд световых лет, мы бы видели ее такой, какая она прямо сейчас, именно в этот момент. Вероятно, она была бы очень похожа на нашу и мы мало что могли бы узнать от нее о Вселенной.

Но вместо этого у нас есть удивительная характеристика Вселенной: свет — не безгранично быстрый. Он очень быстрый, проходит 300 000 км за каждую секунду (это примерно 30 см в наносекунду, если вам так проще представить), но Вселенная столь велика, что луч света от какой-нибудь далекой галактики идет до нас очень долго.

Это означает, что мы видим галактики не такими, какие они прямо сейчас; мы видим их такими, какими они были в молодости. В этом отношении телескопы очень похожи на машины времени — чем дальше мы смотрим в пространство, тем дальше мы смотрим в прошлое. Как мы определили, какой была Вселенная 5 млрд лет назад? Легко: найдите галактики, которые находятся на расстоянии 5 млрд световых лет, и посмотрите на них.

А зачем на этом останавливаться? Наши телескопы огромны, а детекторы чувствительны. Мы видели галактики на расстоянии более 12 млрд световых лет, поэтому мы видим их такими, какими они были, когда самой Вселенной был примерно 1 млрд лет от роду. Благодаря этому мы на самом деле видим, как выглядели галактики, когда они были молодыми, и обнаруживаем, что происходит, когда они стареют.

Мы также можем находить и анализировать газ в пространстве между галактиками в удаленных областях Вселенной, который, в свою очередь, говорит нам еще больше о тех ранних условиях. Более того, радиотелескопы, настроенные на микроволновый диапазон спектра, обнаружили равномерное шипение, поступающее со всех сторон неба. Это шипение — не шум: в реальном смысле это остывающий свет от огненного шара рождения Вселенной. Спустя примерно 100 000 лет[128] Вселенная расширилась и остыла достаточно, так что материя стала прозрачной для света, а значит, свет мог легко проходить сквозь нее. Раньше какой-нибудь фрагмент материи поглотил бы фотон, и тот не смог бы улететь очень далеко. Этот свет, получивший возможность свободно распространяться в пространстве, с тех пор «остыл» по мере расширения Вселенной и смог дойти до наших поджидающих приборов.

Эти характеристики — и многие, многие другие — дали нам изумительный ряд подсказок о поведении Вселенной. Поэтому у нас есть довольно хорошее понимание того, какой была Вселенная в прошлом, практически вплоть до самого ее рождения, почти 14 млрд лет назад.

А что насчет ее будущего? Можно ли использовать наши знания о физике и астрономии и экстраполировать их, чтобы определить потенциальную судьбу космоса?

Да, можно. Мы можем получить довольно правдоподобное представление о том, какой будет Вселенная еще через несколько миллиардов лет (например, наша округа очень скоро удивительно изменится). Впрочем, чем дальше мы заглядываем в будущее, тем больше затуманивается наш хрустальный шар, но с учетом всего, что мы наблюдаем и знаем, мы можем в общих чертах догадаться, что произойдет.

Я прямо вам скажу: для нас ничего хорошего. Если мы хотим выжить в далеком будущем — в прямом смысле далеком — нам придется настолько фундаментально измениться, что я бы даже уже не стал считать результат человеком. И даже в этом случае избежать будущей кончины Вселенной, возможно, не удастся.

Тем не менее еще есть надежда. Может быть, не для нас конкретно, но для тех, кто придет за нами. Может быть, никого за нами и не будет, но не исключено, что у Вселенной появится еще одна попытка.

Эпохи Вселенной

По мере старения Вселенная кардинально изменяется. Меняются и временные рамки этих общих изменений, увеличиваясь по мере старения. Когда Вселенная была молодой, она изменялась быстро. Например, одно из первых серьезных изменений во Вселенной произошло всего через 10–35 секунды после того, как она была создана. Прежде все силы во Вселенной — гравитация, электромагнетизм и ядерные силы — были объединены в одну-единственную силу, и этот период так и называется — Эпоха великого объединения. Сегодня это совершенно разные силы, но, когда Вселенная была невероятно горячей и плотной, они были неразличимы. Однако сразу после того тонкого среза времени, последовавшего за рождением космоса, температура и плотность достаточно снизились и силы начали проявляться по-разному.

10–35 секунды — это невероятно короткий отрезок времени. Но этого было достаточно для того, чтобы Вселенная кардинально изменилась. Она прошла через множество таких изменений: снижение температуры и плотности до такой степени, что смогли образоваться протоны и электроны, после чего новое снижение, и эти частицы смогли объединиться и образовать более сложные элементы, затем появились звезды, галактики и, наконец, мы.

Космические эпохи можно определять по-разному. Хороший способ — посмотреть, что в тот момент генерирует больше всего энергии. Прямо сейчас это были бы звезды. Но со временем все звезды умрут и текущая эпоха завершится. Что потом?

Астрономы Фред Адамс и Грег Лафлин подробно рассмотрели эту идею в своей книге «Пять возрастов Вселенной»[129] (The Five Ages of the Universe). Как следует из названия, они нашли пять способов разграничить время во Вселенной. До момента образования звезд продолжалась Первичная эпоха, с которой мы только что ознакомились. Сегодняшнюю эру звезд они назвали Эпоха звезд. После нее идут Эпоха распада, затем Эпоха черных дыр и, наконец, — угрожающе — Эпоха вечной тьмы. Временные рамки всех этих эпох поражают воображение и их сложно осознать. Читая ту книгу, я постоянно останавливался, чтобы посмеяться над числами. Возможно, это была защитная реакция с моей стороны — некоторые, например, свистят, проходя мимо могилы.

На самом деле эта аналогия чуточку точнее, чем мне хотелось бы.

Это всего лишь дружеское предостережение. Сейчас мы отправимся в самое длительное путешествие в вашей жизни. Оно будет таким долгим, что даже экспоненциальная форма представления чисел начнет ошеломлять. Устраивайтесь поудобнее и расслабьтесь. Вам предстоит читать эту главу долго, очень долго.

Эпоха звезд: T + 108–1015 лет

Эпоха звезд началась с рождения первых звезд. Когда именно это случилось — неизвестно, но, по самым точным оценкам, примерно через 400 млн лет после рождения Вселенной. Теоретические модели показывают, что в то время температура и плотность газа, равномерно распределенного по Вселенной, снизились настолько, что он смог сжиматься под действием собственных сил тяготения.

Эту дату также подтверждают накопившиеся данные наблюдений. Хотя нам никогда не удавалось обнаружить именно те самые первые звезды — сейчас они были бы настолько далеко, что непосредственно увидеть их было бы практически невозможно, — они воздействовали на свое окружение, и вот это можно обнаружить. Те звезды должны были состоять только из водорода и гелия (и, повторюсь, чуточки лития) — это относительно простой состав по сравнению с современными звездами. Такой химический состав позволял ранним звездам быть гораздо массивнее в среднем, чем теперешние (благодаря более тяжелым элементам современные звезды горячее, поэтому они «включаются» при гораздо меньшей массе). Согласно некоторым моделям, масса тех звезд была гораздо выше, чем 100 масс Солнца. Они заливали пространство ультрафиолетовым светом, который ионизировал находящиеся вокруг них атомы водорода, срывая электроны.

Эти электроны поляризовали свет звезд: по сути, это означает, что все волны света, исходящего от звезд, были одинаково ориентированы, как люди в помещении, которые смотрят в одном направлении[130]. Такой эффект поляризации можно обнаружить и сегодня, и в том, что касается времени появления первых звезд, наблюдения согласуются с теоретическими моделями.

Кроме того, в конце своей короткой жизни эти звезды должны были взорваться в виде сверхновых, разбрасывая вокруг первые тяжелые элементы Вселенной, из которых образуется следующее поколение звезд. Вероятно, при взрыве первых звезд возникали гамма-всплески, возможно, мы их еще обнаружим.

Мы по-прежнему живем в Эпоху звезд. Звезды — преобладающий элемент Вселенной; они генерируют большую часть энергии, которую мы регистрируем. Как мы видели в прошлой главе, через несколько сотен миллиардов лет в Млечном Пути закончатся запасы газа, из которого могли бы образовываться звезды, хотя некоторые галактики могут использовать свой газ более медленными темпами. Так или иначе, со временем газ закончится и во всей Вселенной практически никаких новых звезд рождаться не будет[131].

Мы знаем, что Солнце останется нормальной звездой еще несколько миллиардов лет, прежде чем превратится в красный гигант, зажарит Землю, потеряет свою внешнюю оболочку, а затем успокоится, превратившись в белый карлик (глава 7). Но продолжительность жизни звезды практически полностью зависит от ее массы. Звезда с массой гораздо больше массы Солнца съедает свои запасы топлива гораздо быстрее и может прожить всего от нескольких миллионов до миллиарда лет. Однако звезды с гораздо меньшей массой проживут дольше.

В настоящее время наименьшая возможная масса звезды составляет примерно 0,08 массы Солнца. При более низкой массе температура или давление в ядре будут недостаточно высокими и гелий не будет синтезироваться из водорода. Звезда такого типа — маленькая (1/10 диаметра Солнца), тусклая (1/1000 светимости Солнца), холодная (температура примерно 2760 °C) и красная. Неудивительно, что такие звезды называют красными карликами.

Представьте, что вы берете большую каменную глыбу и ударяете по ней кувалдой, разнося на куски. Среди этих кусков вы, возможно, увидите несколько крупных фрагментов, еще несколько меньшего размера и целую кучу мелких камешков и осколков. Похоже на естественное распределение звезд по размерам: когда газовое облако сжимается и из него образуются звезды, лишь несколько из них будут очень большими, некоторые будут меньшего размера, а многие еще меньше. Подавляющее большинство будет самых маленьких размеров; по оценкам, 75 % всех звезд во Вселенной являются красными карликами.

Хотя их масса составляет лишь небольшую долю массы Солнца, красные карлики невероятно скупо расходуют свое топливо и могут жить гораздо, гораздо дольше. Карлики с очень малой массой вполне могут сиять еще в течение нескольких триллионов лет.

Это дольше, чем любой другой тип звезд во Вселенной. Если мы переведем стрелки космических часов вперед, то увидим рождение последних звезд через несколько миллиардов лет. Очень скоро после этого все массивные звезды исчезнут, так как они живут недолго. Коллапс ядра последней сверхновой во Вселенной может произойти всего через 100 млн лет после рождения последней массивной звезды. Это одна секунда по сравнению с тем, сколько времени уже прошло во Вселенной.

Вскоре после того, в определенный момент, где-то во Вселенной звезда с массой чуть меньше, чем требуется для взрыва, состарится и умрет, раздувшись до красного гиганта, сбросив внешние оболочки и угаснув в виде белого карлика. Это лишь одно из длинной-длинной череды подобных событий: в нашей Вселенной 100 млрд галактик, и в каждой в среднем примерно 100 млрд звезд.

С течением времени триллионы звезд все меньшей и меньшей массы потухнут и умрут. Звезды с самой низкой массой продержатся дольше всего, но в определенный момент все они пересекут финишную черту.

Если подождать достаточно долго — ну, скажем, триллион лет, — всех звезд, подобных Солнцу, уже давно не будет, останутся только карлики с самой малой массой. Вы можете подумать, что тогда галактики будут тусклыми и красными, освещаемые лишь крошечными звездами. Что интересно, но в тот момент отдаленного будущего галактики, вполне возможно, будут такими же яркими, как сегодня. В главе 7 мы видели, что чем старше, тем ярче становится Солнце. Это происходит со всеми звездами, даже с красными карликами. Расчеты, выполненные авторами «Пяти возрастов Вселенной», Адамсом и Лафлином совместно с коллегой Женевьевой Грейвс, показывают, что звезда с 1/10 массы Солнца проживет примерно 10 трлн лет. По мере старения она становится все ярче и горячее. Сложив весь свет от всех звезд в галактике и смоделировав ее старение, они обнаружили, что общее количество света, излучаемое карликами, увеличивается ориентировочно с такими же темпами, с какими тускнеет свет от умирающих массивных звезд. Другими словами, суммарное количество света, излучаемое галактикой, останется примерно постоянным в течение нескольких сотен миллиардов лет, потому что постоянно увеличивающаяся яркость карликов компенсирует потери излучения от постепенно умирающих массивных звезд.

Когда красные карлики разогреваются, они также меняют свой цвет. Более горячая звезда приобретает более голубой оттенок, это произойдет и с красными карликами. Возможно, в течение нескольких десятков миллиардов лет галактика будет сиять демоническим красным светом, после чего постепенно изменит оттенок на более насыщенный голубой.

Но, как говорится, хорошенького понемножку. Со временем умрут даже карликовые звезды. В отличие от Солнца, ядерный синтез в котором может происходить только в ядре, в самых маленьких красных карликах топливо циркулирует. Подобно тому, как горячий воздух поднимается, а холодный опускается[132], гелий, созданный в ядре, поднимается вверх и смешивается с веществом звезды. Ядра водорода, опускающиеся в ядро звезды, могут сливаться с образованием нового гелия, который снова смешивается с веществом звезды.

Со временем в звезде заканчивается водород — и в отличие от Солнца, в котором заканчивается доступный водород в ядре, водород в карлике заканчивается совсем. Его больше нет. Пропал. С концами. Все, что осталось в звезде, — это гелий, но его массы не хватает для того, чтобы запустился синтез углерода. Звезда остывает, гелий сжимается — и звезда превращается в вырожденный белый карлик из чистого гелия (подробней об этом причудливом квантовом состоянии см. в главе 7).

Через семь или восемь триллионов лет в Млечном Пути (ну, в Млекомеде, после того как мы столкнемся с галактикой Андромеды и, вероятно, также поглотим все мелкие галактики в Местной группе) последняя карликовая звезда превратится в белого карлика. В течение триллионов лет Галактика продолжит светиться красивым синим светом, но и это пройдет.

Интересно, но на этом последнем этапе Эпохи звезд некоторые звезды с еще более низкой массой будут по-прежнему сиять. Так как в звездах с большой массой создаются более тяжелые элементы, такие как железо и магний, звезды, образующиеся позднее, будут насыщены этими веществами. Более тяжелые элементы делают звезду горячее (они поглощают свет звезды, задерживая тепло внутри), поэтому звезды с более низкой массой — возможно, даже в таком легком весе, как 0,04 массы Солнца, — смогут запустить реакции синтеза в своем ядре. Но повторюсь, нам нужно учитывать продолжительность времени: даже если превращение таких звезд в белые карлики будет отсрочено на 15 трлн лет, этот момент все равно наступит. В определенное время все звезды во Вселенной исчезнут, превратятся в белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.

Крошечные белые карлики со временем тускнеют (нейтронные звезды остывают даже еще быстрее), и в конце концов в Галактике совсем не остается звезд с активным синтезом элементов в ядре. В течение следующих нескольких триллионов лет эти звезды также гаснут. К тому времени, когда Вселенной будет 100 трлн лет от роду, галактики — и, следовательно, сама Вселенная — будут темными.

Потерянный горизонт

В далеком будущем Вселенная не только будет темнее, но будет казаться гораздо более пустой.

Стоя на морском берегу и глядя вдаль, вы можете видеть только на определенное расстояние. Поверхность Земли изгибается, скрывая более далекие объекты из виду. Горизонт — всего в нескольких километрах, и то, что находится на большем расстоянии, увидеть невозможно.

У Вселенной тоже есть горизонт. Так как ей 13,7 млрд лет, мы не можем видеть объекты, находящиеся от нас дальше, чем 13,7 млрд световых лет[133]. Вселенная может быть больше, но свет, испускаемый любыми более удаленными объектами, не успел еще дойти до нас, поэтому мы их не видим.

В действительности все еще сложнее. Вселенная расширяется — ткань пространства буквально растягивается. Находящиеся дальше объекты, похоже, удаляются от нас на больших скоростях. Если посмотреть достаточно далеко вдаль, кажется, что галактики улетают от нас со скоростью света. Мы не можем обнаружить такие галактики: их свет приближается к нам с такой же скоростью, с какой расширяется пространство. Это как бег на беговой дорожке — тот свет не может никуда попасть, поэтому он никогда не дойдет до нас[134].

Но все еще хуже. В 1998 г. было обнаружено, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Вселенная не просто увеличивается, с каждым днем увеличивается объем, на который она увеличивается.

Для далекого будущего это очень мрачное развитие событий. Так как Вселенная ускоряется, галактики, которые сейчас находятся в пределах нашего горизонта (потому что они удаляются от нас со скоростью меньше скорости света), со временем уйдут за горизонт (потому что они будут ускоряться относительно нас до скорости, превышающей скорость света)[135]. Это означает, что со временем далекие галактики погаснут для нас, потому что расширяющаяся Вселенная сотрет их из нашего поля зрения. Постепенно, со временем, галактики, которые сейчас ближе к нам, ускользнут и космический горизонт сожмется вокруг нас как петля.

Однако слишком сильно она не затянется. Пространство расширяется, но этому расширению может противодействовать гравитация. Возможно, вы ожидаете, что, скажем, две звезды, обращающиеся одна вокруг другой, при расширении пространства отодвинутся друг от друга. Однако дело обстоит по-другому. Так как два объекта обладают силами тяготения и связаны друг с другом — то есть силы тяготения удерживают их вместе, — пространство между ними не расширяется. Это просто еще один причудливый результат относительности и поведения пространства-времени.

Это означает, что, несмотря на расширение Вселенной, и даже с ускорением, космический горизонт не будет сжиматься вечно. Галактики Местной группы — Млечный Путь, Андромеда и дюжина или две меньших галактик — связаны друг с другом гравитацией. Мы знаем, что через 10 млрд лет мы сольемся с Андромедой, а со временем также поглотим и все остающиеся малые галактики. Ряд расчетов показывает, что примерно через 100 млрд лет, все еще в Эпоху звезд, космический горизонт сожмется настолько, что останется только объем пространства, занимаемый Местной группой. К тому времени Местная группа будет единой гигантской эллиптической галактикой[136]. С нашей точки обзора мы увидим, как более близкие группы галактик, такие как скопление Девы, уйдут за горизонт, но наша собственная всегда будет видна.

Со временем наше поле зрения станет крайне ограниченным: для нас вся Вселенная будет состоять только из нашей единственной массивной Галактики, а больше буквально ничего не будет. Любые новые биологические виды, появившиеся за это время, даже не будут догадываться, что когда-то, давным-давно, Вселенная, гораздо больших размеров, чем их собственная, кишела галактиками и звездами.

Какой будет их космология?

Горизонт сожмется гораздо раньше, чем погаснут все звезды в Галактике, сотни миллиардов лет по сравнению с десятками триллионов. Все равно это будет преддверием новых событий во Вселенной, в которой становится все темнее и темней.

Следует отметить, что ускорение космического расширения наверняка означает одно: Вселенная снова не сожмется. Прежде чем обнаружилось, что Вселенная расширяется с ускорением, постоянно шли споры о том, будет ли она расширяться вечно, или суммарные силы тяготения всей материи замедлят процесс, остановят его и со временем повернут вспять. Но открытие ускоренного расширения практически положило конец этим спорам. Вселенная будет расширяться вечно, все быстрее и быстрее, а наше поле зрения (несколько парадоксально) будет становиться все меньше и меньше, пока у нас не останется нашей собственной частной Вселенной всего несколько миллионов световых лет в поперечнике[137].

Виноваты звезды

Что это означает для нас, для человечества? В хорошем приближении, это означает, что у нас примерно 100 трлн лет на то, чтобы навести порядок в делах. После этого света будет слишком мало и мы не сможем читать. Станет скучно.

Если исходить из того, что человечество в каком-то виде все еще будет существовать, когда Вселенная будет в тысячи раз старше, чем сейчас, имеются способы продлить период царствования звезд. Помогут физические столкновения — буквально шмякнуть звезды друг о друга, чтобы образовались новые. Но сколько этим можно заниматься? Если вы решили, что вам нужна звезда, похожая на Солнце, вы можете столкнуть несколько карликов и получить звезду, которая будет сиять еще несколько миллиардов лет. Но помните, что к тому моменту Вселенной уже будет несколько триллионов лет. По сравнению с этим, миллиард лет — чепуха. Когда Вселенной будет 100 трлн лет, у наших потомков не останется ни топлива, ни звезд, ни удачи.

Временные масштабы здесь ужасающие. Когда мы дойдем до этого возраста Вселенной, галактики уже проживут большую часть своей жизни, населенные только карликами. Представьте это так: в настоящее время наша Галактика прожила лишь крошечную долю от своей потенциальной продолжительности жизни. Прямо сейчас, пока вы читаете эту книгу, несмотря на то что Вселенной больше 13 млрд лет, у галактик впереди еще 99,9 % жизни.

Мы считаем, что Вселенная относительно неизменна, но на деле, по сравнению с мрачным будущим, мы живем в очень необычную эпоху. К тому моменту, когда погаснет последний карлик, Галактика будет оглядываться на время, когда существовали звезды, подобные нашим, как вы оглядываетесь на время, когда вам был один месяц отроду.

И после всего этого мы еще только начинаем. Сейчас мы вступаем в царство, где даже 100 трлн лет — как один вздох времени.

Эпоха распада: T + 1015–1040 лет

Когда умирают последние нормальные звезды с ядерным синтезом внутри, единственными объектами во Вселенной, все еще способными генерировать энергию, будут белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры и выродившиеся объекты с малой массой, в принципе не способные синтезировать гелий из водорода, — коричневые карлики[138]. Так как во Вселенной господствуют такие объекты, этот временной период называется Эпохой распада.

В видимом диапазоне спектра Вселенная в этот момент будет довольно темной, но не совершенно темной, потому что останется несколько скудных источников света.

Белые карлики потускнеют: при температуре примерно 5500 °C они начинают сиять таким же цветом, как и Солнце, с возрастом приобретая более красный оттенок. Когда они достигают температуры примерно 400 °C, они излучают главным образом в инфракрасном свете и становятся невидимыми.

Время от времени достаточно близко от белого карлика может проходить черная дыра, или нейтронная звезда, или коричневый карлик, разрывая его на части и поглощая остатки. Образуется аккреционный диск, который станет ярко светиться, но только пока черная дыра питается. По окончании трапезы источник света отключается (в будущем для любых существ, пытающихся остаться в живых, он может оказаться временным источником энергии, но это временное решение).

У коричневых карликов будет и свой звездный час. Благодаря внутреннему теплу, в течение непродолжительного времени после образования эти неудавшиеся звезды излучают видимый свет, но из-за отсутствия термоядерных реакций в ядре у них нет постоянного источника энергии. Со временем они остывают и тускло светятся в инфракрасном диапазоне.

Но все-таки они получают второй шанс. В современной Вселенной столкновения между звездами невероятно редки, потому что звезды ужасно малы по сравнению с расстояниями между ними. Однако с растяжением времени слово «редки» теряет свой смысл. То, что имело микроскопические шансы случиться за 13,7 млрд лет, практически наверняка произойдет в течение 100 трлн лет.

На самом деле, Эпоха распада продлится гораздо дольше, поэтому, с учетом тех временных масштабов, столкновения между звездами будут происходить часто. При слиянии двух коричневых карликов результирующая масса будет чуть выше предельной, необходимой для термоядерной реакции, поэтому может образоваться вполне нормальная звезда. Более того, если столкновение будет чуть-чуть смещенным, с двух объектов может быть сорвана материя, из которой вокруг них образуется диск. Совершенно не исключено, что из этого вещества могут сформироваться планеты. Насколько сложно было бы представить, что при таких обстоятельствах возникнет жизнь? Их представления о Вселенной были бы очень, очень далеки от наших. Их небеса были бы совершенно темны, за исключением единственного солнца, сияющего днем. Никаких звезд, нет галактик, нет молочной ленты газа, протянувшейся по небу. Какие мифы и легенды возникли бы на такой планете?[139]

В любой отдельно взятый момент времени в Галактике, возможно, будет сиять около сотни таких странных звезд. Но, повторюсь, эти новые звезды будут сиять недолго, после чего их постигнет та же участь, что и Солнце все те жуткие триллионы лет назад.

Будут и другие кратковременные вспышки света. При столкновении между двумя белыми карликами может образоваться объект с такой большой массой, что он коллапсирует в нейтронную звезду или даже черную дыру. Может возникнуть сверхновая типа I, яркость которой для любых обитателей той далекой эпохи будет даже еще ослепительней, чем для нас: ее будет буквально не с чем сравнить.

Также возможно, что два белых карлика с малой массой могли бы столкнуться с образованием нетипичной «нормальной» звезды, очень похожей на такую, какая образуется при столкновении коричневых карликов; но, повторюсь, это объекты с коротким сроком жизни (какие-то несколько миллиардов лет!), и со временем они угаснут.

Если столкнутся две нейтронные звезды, они образуют черную дыру, и об этом слиянии возвестит всплеск гамма-излучения (см. главу 4). Но этот всплеск затухнет через несколько дней, а сама черная дыра будет темной, одной из миллионов других, обращающихся в темной Галактике.

И все станет еще темней. Время идет. Через триллионы, квадрильоны, квинтиллионы лет даже коричневые карлики исчезнут. Они сольются с образованием нормальных звезд, которые в конце концов умрут или будут выброшены из Галактики. Более того, спустя такое длительное время ей будет сложно сохранить целостность. В очень отдаленном будущем сама Галактика испарится.

Галактическое испарение

Столкновения звезд[140] — движущая сила следующего этапа эволюции Галактики. Движущийся объект обладает энергией, и эта энергия может передаваться другому объекту (что позволяет нам, например, играть в бильярд, бросать мяч, держать книгу и т. д.). Когда две звезды проходят близко друг к другу, они могут обмениваться энергией через гравитационное взаимодействие. В общем случае происходящее с двумя звездами, проходящими мимо друг друга, зависит от их массы (а также от размеров, формы и направления движения по орбите, но сейчас мы обобщаем). Объект с большей массой отдает часть своей орбитальной энергии объекту с меньшей массой. Орбиты с более низкой энергией меньше, поэтому звезда с большей массой сместится к центру Галактики, а звезда с меньшей массой — к периферии. После многих таких встреч звезды с меньшей массой «испарятся»; их выбросит из Галактики, и они отправятся бродить в глубинах межгалактического пространства.

Звезды с большей массой смещаются к центру Галактики, где их ожидает неприятный хозяин: сверхмассивная черная дыра (см. главу 8). Со временем черная дыра поглотит все массивные звезды в Галактике[141].

Этот процесс наблюдался в гораздо меньших масштабах: в шаровых звездных скоплениях — связанных гравитацией групп примерно из миллиона звезд — звезды находятся так близко друг к другу, что такие столкновения там происходят чаще. Во всех шаровых звездных скоплениях, даже всего через несколько миллиардов лет, более массивные звезды, как правило, будут находиться ближе к центру, а более легкие звезды — снаружи.

Временные рамки испарения галактик — примерно от 1019 до 1020 лет (от 10 квинтиллионов до 100 квинтиллионов лет), соответственно в настоящее время мы не можем наблюдать этот процесс в них.

Но Вселенная еще молода. Терпение.

Между прочим, за это время шансы на то, что к Солнцу крайне близко подойдет какая-нибудь звезда, увеличиваются и приближаются к 100 %. Существует вероятность того, что уже к началу Эпохи распада (T + 1015 лет) какая-нибудь другая звезда пройдет достаточно близко от Солнца, отчего Землю выбьет с орбиты и выбросит из Солнечной системы (разумеется, любая звезда, проходящая настолько близко, вероятно, выбьет и внешние планеты, — а к тому времени Солнце — красный гигант уже поглотит Меркурий и Венеру, поэтому Земля будет самой ближней планетой). При наличии достаточного времени улетят даже планеты, находящиеся еще ближе к своим звездам; уже к середине той эпохи практически наверняка все планеты, обращающиеся вокруг любой звезды, повсюду, будут выброшены из своей системы. К тому времени, когда сама Галактика испарится за счет звездных столкновений, в межгалактическом пространстве, пожалуй, будет скитаться в десять раз больше планет, чем звезд, планет, промерзших насквозь и совершенно необитаемых.

Да и они все равно исчезнут.

Распад протонов

Через 1020 лет после образования Вселенной галактики будут темными и в основном рассеются. Черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики и коричневые карлики будут бродить по Вселенной (в той ее части, которую мы все еще сможем видеть из-за уменьшившегося космического горизонта), а освещенность упадет до крошечной толики той, что была когда-то.

Но даже это бесславие — еще не совсем конец.

Оказывается, материя, возможно, не вечна. Нам уже известно, что многие типы атомных ядер и субатомные частицы распадаются. Уран радиоактивен: со временем ядро урана самопроизвольно распадается на более легкие элементы (этот процесс называется делением атомного ядра) и излучает чуточку энергии. Отдельно взятое ядро делится через случайные промежутки времени, но, если взять целую кучу ядер и регистрировать их распады, начинают проявляться статистические закономерности. Например, можно измерить время, за которое распадется половина взятого образца, и эта цифра будет относительно постоянной. В случае одной разновидности урана, для распада половины ядер с образованием свинца требуется 4,5 млрд лет. Эта продолжительность времени, соответственно, называется периодом полураспада урана. Если начать с килограмма урана, через 4,5 млрд лет у вас будет полкило урана и полкило свинца. Подождите еще 4,5 млрд лет, и половина оставшегося урана превратится в свинец (и у вас останется четверть килограмма урана). Еще через 4,5 млрд лет у вас будет 1/8 килограмма. И так далее. Со временем он весь превратится в свинец, но вам придется запастись терпением.

Отдельные частицы, такие как нейтроны, также распадаются, в этом случае с периодом полураспада, равным примерно 11 минутам, однако такое происходит, только если они в одиночестве скитаются в пространстве; в ядре нейтроны стабильны (видимо, они любят компанию). Но при распаде они создают ливень из малых частиц и энергии.

До недавнего времени считалось, что протоны будут стабильными вечно. Тем не менее во временных масштабах смерти Вселенной «вечно» принимает другое значение.

Теоретически считается, что протоны крайне редко распадаются на частицы меньшей массы, в среднем через 1033–1045 лет (точное число неизвестно, поэтому для рассуждений возьмем средний период в 1037 лет). В настоящее время ни одного достоверного распада протона не наблюдалось[142], но ученые вполне уверены, что это произойдет. Со временем.

Время — это все, что у нас есть. В отдельно взятом образце протонов — скажем, в белом карлике — половина протонов распадется через 1037 лет. Еще через 1037 лет распадется еще половина и так далее. Через несколько раз по 1037 лет, или около того, все они исчезнут.

Как и при любой другой реакции распада субатомных частиц, при распаде протона создаются частицы меньшего размера и энергия. К тому времени практически все протоны будут существовать в составе других объектов — белых карликов, коричневых карликов, нейтронных звезд. Конечный результат их распада — выделение энергии, немного нагревающей объект.

Спустя продолжительное время после того, как погас последний свет термоядерных реакций, после того, как все материальные объекты в космосе остыли практически до абсолютного нуля, мы обнаруживаем еще один источник энергии: нагрев, вызванный распадом протонов.

Конечно, он слабый. Очень, очень слабый: в отдельно взятом белом карлике энергия, выделяемая при распаде протонов, составляет всего около 400 Вт. Моей микроволновке нужно больше мощности! Более того, вся Галактика, даже если она будет заполнена такими объектами, обладающими энергией распада, будет светиться с мощностью меньшей, чем одна триллионная мощности, с которой Солнце светит сегодня. Хуже того, свет, который она излучает, будет невероятно низкоэнергетичным, глубоко в радиодиапазоне электромагнитного спектра.

Если бы нам пришлось совершить прыжок в неизвестность (и это не прыжок, это трансгалактический гиперпространственный скачок) и предположить, что в разгар Эпохи распада еще существует какая-то форма жизни, тогда им лучше было бы выяснить, как экономить энергию, потому что энергию им будет брать практически неоткуда. Они даже не смогут приготовить тарелку попкорна[143].

И время у них закончится. Каждый раз, когда внутри белого карлика или коричневого карлика распадается протон, звезда теряет это количество массы. Теряет немного — протоны очень маленькие, — но со временем, в будущем, через 1037 лет, эта масса суммируется. Белые карлики будут терять массу[144] и со временем полностью испарятся. Теряя массу, они будут проходить через несколько очень необычных стадий. Когда их масса будет примерно равна массе Юпитера, например, их плотность будет равна плотности воды (когда белые карлики образуются, они в миллион раз плотнее), и они будут практически полностью состоять из водорода; к тому моменту все более сложные элементы уже распадутся по мере распада протонов. Температура объекта будет настолько низкой, что он будет замороженным, шар из водородного льда 160 000 км в диаметре.

Со временем и это пройдет по мере того, как внут