Глава 2. Астрофизика и Солнечная система
страница №2
...идет об очень маловероятном событии, хотя и возможном. Действительно, для синтеза железа и обеспечения больших гравитационных сил, необходимых для коллапса, требуется звезда большой массы. Если бы близко расположенная звезда, например Сириус, взорвалась как сверхновая, мы наверняка почувствовали бы какие-то последствия, скорее всего отрицательные. Взрыв привел бы к тому, что в окружающее пространство было выброшено большое количество космических лучей; при этом наблюдались бы интенсивные радиопомехи. Кроме того, сверхновая сделала бы наши ночи светлыми, как день, что вызвало бы на Земле экологические нарушения.Спектакль получился бы увлекательным, но не лишенным опасностей. В пределах Галактики в среднем одна сверхновая взрывается раз в триста лет. Астрономы всегда начеку в надежде увидеть объекты такого типа в начальной, самой интересной, стадии. Но можно без особого труда обнаружить сверхновые в соседних галактиках; речь идет о событии не столь уж редком. В этом случае сверхновые можно использовать также и для грубой оценки расстояния до галактики, в которой они находятся.
Наконец, существуют указания на то, что часть вещества, из которого состоит Солнечная система, осталась от взрыва сверхновой в далеком прошлом. Уже говорилось, что внешняя оболочка звезды, будучи отброшена прочь с очень высокой скоростью, ведет себя как "космическая метла", сметая все остатки вещества (межзвездные пыль и газ), встречающиеся на ее пути. Временами это вещество сжимается настолько, что наступает гравитационная неустойчивость, и оно конденсируется в новые звезды. Похоже, что наше Солнце родилось именно таким образом. Итак, мы участвуем в непрерывном циклическом процессе взаимного превращения звезд и межзвездного вещества, постоянно обогащающегося и меняющегося под влиянием взрывов сверхновых.
Только тому, кто наблюдает небо поверхностно, с помощью несовершенных приборов, Вселенная может показаться местом тихим и спокойным. На самом деле мы должны быть благодарны судьбе за то, что живем рядом со скромной третьестепенной звездой, спокойным солнышком без претензий, находящимся на периферии, но зато надежным на ближайшие пять миллиардов лет. А там посмотрим.
4. Юпитер и Сатурн
"Вояджер" выполнил задание и теперь удаляется от системы Сатурна; примерно через десять лет он, возможно, пошлет нам первые снимки Урана, снятые с близкого расстояния. Астрономам есть чем заняться во время долгого ожидания этих изображений. Космический зонд уже сделал тысячи превосходных фотографий Сатурна в добавление к изображениям Юпитера.
Что же узнали мы о Солнечной системе с помощью этой и многих других автоматических станций? Практически вся планетология была перестроена на основе огромного количества нового материала, по сравнению с которым информация, полученная раньше с помощью телескопов, имеет в основном историческую ценность.
Состав Юпитера
Начнем с Юпитера, колосса Солнечной системы. Галилей первым увидел диск и четыре главных спутника, проведя знаменитую серию наблюдений, открывающих эпоху современной астрономии. Спустя три столетия "Вояджер" подвел нас к самой планете и дал возможность разглядеть детали ее поверхности. Диаметр Юпитера составляет около 144000 км, что примерно в 12 раз больше диаметра Земли, а его масса всего лишь в 300 раз превышает земную; если бы Юпитер имел такую же плотность, как и Земля, то, учитывая их размеры, его масса должна была бы превышать земную больше чем в 1500 раз. В действительности Юпитер состоит из более легкого вещества: из смеси водорода, гелия и некоторых примесей, включающих метан, аммиак, сернистые и другие химические соединения. Сила тяготения на поверхности Юпитера примерно в два с половиной раза больше, чем на Земле: мальчик, весящий 40 кг, на Юпитере весил бы целый центнер. По этой причине вес верхних слоев сжимает оболочку Юпитера, постепенно доводя вещество до очень большой плотности по мере перехода в глубь планеты. Юпитер почти весь состоит из вещества с газо-жидкой структурой, и только в самом центре, возможно, имеется небольшое каменистое ядро, скрытое под громадной оболочкой. Само это ядро окутано водородом, который, будучи сжат до невообразимой плотности, превращается в твердое металлическое вещество, проводящее электричество и тепло.
Несостоявшаяся звезда
Юпитер образовался при сжатии той же газовой туманности, из которой образовалось Солнце, и по своему химическому составу он тоже схож с Солнцем. При этом масса Юпитера едва достигает одной тысячной массы Солнца, что очень много по земным масштабам, но недостаточно, чтобы зажечь термоядерные реакции, которые вырабатывают тепло в недрах Солнца. Так что здесь мы имеем дело с "несостоявшейся звездой". В этом смысле Солнечная система включает в себя двойную звезду (или даже тройную, если считать Сатурн). Процесс сжатия Юпитера еще не закончен, и тепло, вырабатываемое этим непрерывным гравитационным сжатием вещества Юпитера, излучается атмосферой планеты в инфракрасной области спектра, невидимое для человеческого глаза, но вполне заметное для астрономических приборов.
Воспринимаемый в инфракрасном свете, Юпитер светится сам и излучает в три раза больше энергии, чем получает от Солнца.
Конвективные движения
Температура планеты увеличивается по мере продвижения внутрь, достигая нескольких десятков тысяч градусов в самом центре. Такие высокие температуры вызывают конвективные движения в оболочке планеты, движения, напоминающие то, что мы видим в кастрюле, поставленной на огонь: глубинные массы жидкости горячее и легче и поэтому перемещаются к поверхности. Достигнув ее, они излучают тепло во внешнее пространство, охлаждаются и опускаются вниз; цикл начинается снова.
В телескоп видно, что поверхность Юпитера разделена на горизонтальные полосы (параллельные экватору). Темные полосы чередуются со светлыми. Считается, что в пределах светлых полос горячее вещество выходит на поверхность, в то время как на темных полосах охлажденное вещество начинает свой спуск вниз. Данные, полученные "Вояджером", показали, что эта теория при всех ее достоинствах должна быть усовершенствована с учетом поразительных структур, усложняющих и украшающих атмосферу Юпитера гирляндами, вихрями и громадными омутами всевозможных расцветок. Еще Кассини видел на поверхности планеты знаменитое Красное Пятно, названное так, как говорит Азимов, из-за яркого красновато-оранжевого цвета. С близкого расстояния видно, что это красное пятно не единственное и что имеется еще одно, намного меньшее. Разумеется, большое пятно остается самым знаменитым: все-таки оно было обнаружено лет триста назад. Рядом с этими пятнами расположено множество других разноцветных пятен, имеющих, по-видимому, разные физические и химические составы.
"Вояджер" сфотографировал атмосферу Юпитера через множество цветных светофильтров; затем были восстановлены трехцветные изображения, но в "смещенном цвете", так, чтобы инфракрасный "цвет" был представлен как красный; другие цвета были изменены тоже. На этих фотографиях различные по химическому составу компоненты атмосферы окрашены в разные цвета, что дает возможность ученым разобраться в сложных метеорологических условиях Юпитера.
Красное Пятно
Исследования показали, что Красное Пятно - это большой вихрь, занимающий площадь, в три-четыре раза превышающую всю площадь поверхности Земли. На некоторых "ускоренных" кинокадрах прекрасно видно вихревое движение пятна, проглатывающего более мелкие пятна и возвращающего их назад невредимыми, как после круга на карусели. Похоже, что Красное Пятно возвышается как гигантский сплющенный купол над средним уровнем окружающей его поверхности Юпитера. Полосатая структура этой поверхности объясняется быстрым вращением планеты, совершающей один оборот немногим меньше чем за десять часов; в полярных зонах влияние вращения уменьшается, и вместо полос видно множество мелких пятен, где горячее вещество появляется из глубин.
Сильнейшее магнитное поле Юпитера захватывает излучение Солнца, создавая смертельный поток заряженных частиц, подобный радиационным поясам Земли и опасный даже для электронного оборудования; такой поток почти мгновенно привел бы к смерти любой формы земной жизни.
Автоматический зонд зафиксировал полярные сияния и ослепительные молнии, которые постоянно меняли очертания в неистовом бурлении атмосферы Юпитера, где бушевали беспрерывно сменявшие друг друга ураганные ветры со скоростями до, 400 км/ч.
Спутники Юпитера
"Вояджер" передал на Землю не только снимки самой планеты, но и превосходные фотографии ее спутников. Из основных спутников (галилеевы спутники) ближайшим к планете является Ио, на котором обнаружено целых восемь действующих вулканов; кора Ио, таким образом, находится в состоянии высокой активности. По этой причине на нем нет следов бомбардировок метеоритами, какие видны на Луне, Марсе и почти на всех небесных телах Солнечной системы, обладающих твердой корой. Напомним, что, согласно общепринятой теории, лунные кратеры представляют собой результат таких интенсивных бомбардировок, происходивших около трех миллиардов лет назад при зарождении Солнечной системы и с меньшей интенсивностью продолжающихся вплоть до наших дней. На Ио непрерывные потоки извергавшейся лавы стерли все следы прошлого, оставив покрывало красного цвета, состоящее, по всей вероятности, из серы и различных сернистых соединений; местность неуютная еще из-за высокого уровня опасного излучения поясов, подобных радиационным поясам Земли. Открытие действующих вулканов явилось полным сюрпризом для планетологов и одним из наиболее значительных результатов, полученных "Вояджером".
Что касается состава остальных спутников Юпитера, то, по всей видимости, они содержат больше льда и меньше тяжелых каменистых материалов, причем это обогащение льдом и уменьшение доли тяжелых веществ тем заметнее, чем дальше от планеты находится спутник. Число достоверно известных спутников Юпитера превышает дюжину; в большинстве своем это ледяные шары около сотни километров в диаметре, едва видимые с Земли. Подсчет их числа, проведенный аккуратно, без спешки с помощью стационарного искусственного спутника Юпитера, наверняка выявил бы сотни более мелких спутников. Таким образом, система Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре.
Столь же плодотворным оказался визит космического зонда к Сатурну. Как и ожидалось, поверхности Сатурна и Юпитера схожи по характеристикам; судя по всему, наличие желтоватых лент, расположенных вдоль экваторов, связано с присутствием метана.
В астрологических руководствах можно прочесть, что Сатурн приносит несчастье, его влияние всегда связано с большим горем. В книгах по астрономии написано в более прозаическом стиле, что среднее расстояние от Солнца до этой планеты составляет 1427 млн. км (почти в десять раз больше, чем расстояние до Земли) и что один оборот вокруг Солнца она совершает примерно за 30 лет.
Открытие колец Сатурна
В 1610г. Галилей, разглядывая Сатурн с помощью телескопа, заметил, что планета выглядит довольно странно, и решил, что он видит два тела, сопровождающие основную планету и расположенные по обеим сторонам от нее. О своем открытии он сообщил анаграммой "Smaisnermiclmbpobtalevmibvneuvgttaviras", над которой долго ломал голову Кеплер, тщетно пытаясь найти для нее решение. Наконец, Галилей разъяснил смысл написанного: "Altissimum planetam tergeminum observavi" ("Я обнаружил, что самая дальняя планета тройная"). Несколько лет спустя из-за относительного движения Сатурна и Земли кольца оказались повернутыми в профиль и поэтому стали практически невидимыми. Галилей решил, что он ошибся и прекратил заниматься Сатурном. Он умер, так и не узнав о существовании колец.
Кольца были открыты Гюйгенсом в 1659г., о чем он объявил следующим образом: "aaaaaa, cccc, d, eeeee, g, h, iiiiiii, llll, mm, nnnnnnnnnn, oooo, pp, q, rr, s, ttttt, uuuu", что означало: "Anulo cingitur tenui, nusquam coherente, ad eclipticam inclinato" ("Она окружена легким кольцом, нигде не касающимся светила и наклоненным относительно эклиптики").
Мы избавим читателя от других анаграмм и подробного рассказа об истории этих исследований. Сатурн представляет собой громадную планету, имеющую в диаметре 119300 км, чуть меньше Юпитера. Система колец имеет внешний диаметр свыше 240000 км и с течением времени изменялась.
Состав и структура колец Сатурна
Шотландец Дж.К.Максвелл был первым, кто в 1850г. в работе, ознаменовавшей собой начало его блестящей научной карьеры, серьезным образом поставил вопрос о природе колец Сатурна. С помощью неопровержимых доводов, основанных на законах небесной механики, он показал, что кольца не могут быть ни твердыми, ни жидкими. Оставалась гипотеза пыли, т.е. множества вращающихся по орбите вокруг планеты астероидов, столь мелких и многочисленных, что они воспринимаются как непрерывное кольцо. Спустя столетие модель пыли все еще считается справедливой, и оценки среднего диаметра "пылинок" дают значение порядка одного метра. Кроме того, похоже, что они состоят из льда. Из-за возмущений, вызываемых спутниками Мимасом и Энцеладом, некоторые орбиты нестабильны и остаются поэтому незаполненными. По этой причине пыль собирается в сложную систему концентрических колец, щели между которыми, вероятно, не превышают одного километра; для сравнения можно сказать, что толщина листа бумаги окажется равной 25 м, если пропорционально увеличить все размеры на Земле до размеров на Сатурне.
Теория Голдрайха и Тремайна, которая должна была объяснить детали структуры колец, оказалась (после получения данных от зонда) слишком упрощенной и должна быть теперь пересмотрена, хотя она в принципе остается справедливой, и на ее основе уже получены некоторые важные результаты. Недавние снимки, переданные зондом, свидетельствуют, что структура системы колец очень сложна; возможно, некоторые эффекты объяснимы только на основании предположения о существовании других спутников Сатурна, помимо дюжины уже обнаруженных.
Эта теория, как и всякая другая, основана на законе всемирного тяготения Ньютона и, по сути, представляет собой сложный пример приложения этого закона.
Существует ли жизнь на газовых гигантах Солнечной системы?
В интересной статье Солпитера и Сагана, опубликованной в серьезнейшем периодическом издании "The Astrophysical Journal", обсуждается одна такая возможность. Эти два автора считают, что Юпитер мог бы быть местом обитания гигантских упорядоченных организмов, вроде огромных шаров, наполненных водородом и плавающих в атмосфере планеты. Эти организмы могли бы питаться веществами, которые выносятся из недр планеты мощными восходящими потоками, упомянутыми нами выше. Не исключены случаи каннибализма. Красное Пятно могло бы оказаться идеальным местом для обитания этих организмов, что в свою очередь могло бы объяснить его окраску. Здесь мы имеем захватывающую рабочую гипотезу, для подтверждения или - будем реалистически смотреть на вещи - полного провала которой потребуются многие годы. Аналогичные соображения могут быть предложены и для Сатурна. Высказывалась мысль, что и в нагретой вулканами атмосфере Титана, самого большого спутника Сатурна, могла бы существовать жизнь, однако "Вояджер" обнаружил, что атмосфера Титана холодна и вряд ли может этому способствовать. Будущее, однако, всегда может приготовить нам какой-нибудь сюрприз.
5. Человек на Луне
Высадка первого человека на Луне 21 июля 1969г. осуществила мечту нескольких поколений читателей Жюля Верна. Это памятное событие привлекло внимание всей мировой общественности и приковало к экранам телевизоров миллионы людей. Жюль Верн предугадал общий ход событий, но он не мог предвидеть ни грандиозный размах и огромную стоимость дела, предпринятого НАСА, ни фантастическую сложность всей аппаратуры, управляющей запуском и полетом. Если бы он поглубже изучил физику, то, возможно, избежал бы некоторых занимательных ошибок, из-за которых ряд его идей следует, скорее, отнести к археологии научной фантастики.
Итак, что же обнаружили астронавты на Луне и каков итог всего предприятия? Многие вещи уже заранее были известны специалистам; но, поскольку спектакль был хорошо разыгран, широкую публику они смогли удивить. Было известно, что Луна почти лишена атмосферы; количество газа, оставленного на Луне двигателями спускаемого модуля, сравнимо с тем его количеством, которое там уже было.
Отсутствие атмосферы на Луне объясняется слабостью ее гравитационного поля, которое в шесть раз меньше земного; вторая космическая скорость на Луне равна примерно 1 км/с - пуля, пущенная из ружья, наверняка сумела бы преодолеть лунное притяжение. Молекулы любого газа находятся в непрерывном тепловом движении; скорость лунной молекулы неизбежно, а вовсе не случайно оказалась бы больше космической, так что молекула исчезла бы в пространстве. Возможно, Луна все же имела атмосферу в эпоху зарождения Солнечной системы, но к настоящему времени на ней остались лишь ничтожные следы тяжелых газов.
На Земле любой камень содержит какие-то следы воды; эту воду всегда можно извлечь, нагревая камень. Огромные лунные просторы, покрытые пылью с редкими вкраплениями камней, лишились всяких следов воды за миллиарды лет пребывания в пустом пространстве. Эта пыль выглядит очень темной; будучи исследована уже на Земле, она оказалась совершенно бесплодной, похожей по составу на земные базальты. Лунная поверхность примечательна разве что присутствием некоторого количества титана - металла будущего. Имеющиеся данные, таким образом, не могут вызвать энтузиазма у людей, мечтавших об использовании богатых залежей лунных минералов.
Будем все же осторожны. На Земле полезные ископаемые сконцентрированы в зонах с ограниченной площадью, и, чтобы их извлечь, необходима большая исследовательская работа на местности. Если бы мы вдруг спустились на Землю и стали изучать минералы, подобранные в дюжине разных мест, то перспектива их использования тоже не показалась бы нам заманчивой.
Разглядываемая с Луны Земля кажется неподвижно подвешенной в небе и имеет фазу, дополнительную по отношению к фазе Луны, разглядываемой в то же время с Земли. Солнце освещает Луну непрерывно две недели подряд, затем следуют две недели темноты; сложенные вместе, они как раз и составляют лунный месячный цикл. Лунная почва, исключительно горячая днем, становится ледяной ночью. Так что Луна представляет собой чрезвычайно неприветливое место, и только ценой огромных и непрерывных материальных затрат можно было бы создать на ней базу, где астронавты имели бы минимум комфорта. Картины, предложенные зрителям авторами фильма "Космическая Одиссея", очень далеки от реальности, и, возможно, мы никогда и не увидим такого, если не сможем найти выхода из наступившего энергетического кризиса.
Какую пользу принесли человечеству экспедиции на Луну? Всего несколько лет прошло после их осуществления, но чувство разочарования и потеря интереса у большинства людей очевидны. Наверно, все ожидали чего-то похожего на открытие Америки: исследована новая территория, и, однажды преодоленные, ее границы должны стать открытыми для всех желающих. Но Луна, увы, не Клондайк, и массовая доставка людей на нее еще весьма далека от реализации, даже несмотря на то, что введение в строй космического корабля многократного использования должно значительно снизить стоимость таких полетов.
Научных данных о нашем спутнике накоплено огромное количество, и только часть их обработана. Можно надеяться, что на основе этих данных будет получен более точный ответ на вопрос о происхождении Солнечной системы. Действительно, на Луне, поверхности которой не коснулись ни разрушительное действие атмосферы, ни катаклизмы, как, например, те, которые происходят в земной коре, сохранились древнейшие камни (их возраст 4 млрд. лет), своим происхождением восходящие ко времени рождения самой Солнечной системы.
По-видимому, еще десяток лет потребуется, чтобы на основе данных о Луне и непрерывно поступающих данных о других планетах сделать какие-то определенные заключения о происхождении Солнечной системы. Тогда мы сможем точнее узнать, было ли образование нашей системы событием из ряда вон выходящим или, как мы предполагаем, речь идет об образовании рядовой планетной системы, каких много во Вселенной.
В последнем случае увеличилась бы вероятность найти где-то во Вселенной жизнь, возможно, и разумную. Ответы на фундаментальные вопросы о нашем далеком прошлом не имеют денежного эквивалента, их нельзя оценивать только с точки зрения экономической.
Лунные приключения нельзя считать растратой общественных средств (хотя бы и "дяди Сэма"). Они способствовали развитию космической технологии, а множество совершенных ошибок позволило осознать опасности, поджидающие нас в космосе; наступило время, когда спутник, метеорологический или связи, щедро вознаграждает нас за средства, затраченные на его создание.
Заглядывая в ближайшее будущее, нужно иметь в виду, что запасы полезных ископаемых на Земле подходят к концу; если бы весь мир потреблял свинец с такой же интенсивностью, как Соединенные Штаты, его хватило бы всего на три года; такие же цифры характерны для положения почти со всеми минералами, а о нефти лучше и не вспоминать.
Увеличение численности населения земного шара так же, как и развитие мировой экономики современными темпами в течение ближайших нескольких десятков лет, просто немыслимо; более того, кризис природных ресурсов уже стучится в нашу дверь, хотя - вот парадокс! - в Солнечной системе почти наверняка полным-полно полезных ископаемых, пусть и не на Луне. Маленькие внешние спутники Юпитера представляют собой не что иное, как большие шары, состоящие из смерзшихся камней, льда и углеводородов. Кроме того, возможно, что многие из астероидов, расположенных между Юпитером и Марсом, состоят из сплава железа и никеля, подобного центральному ядру Земли. Одного такого осколка диаметром в километр хватило бы для удовлетворения наших нужд на столетия вперед. По этой причине исследование остальных небесных тел Солнечной системы и изучение механизма ее образования приобретает не только академический интерес, но может дать вполне определенную практическую выгоду в будущем.
Подобные рассуждения справедливы и для Солнца, по разным причинам еще недостаточно изученного. Например, минимальное изменение его светимости может привести к различным изменениям земного климата и к потрясениям, катастрофические последствия которых можно было бы ограничить, зная о них заранее. И в этой области ожидаются в высшей степени интересные результаты, связанные с использованием космического "челнока" для вывода телескопа на орбиту.
Итак, наши приключения только начинаются, и, даже если мы еще далеки от создания космических колоний типа описанных американским драматургом О'Нилом, виды Юпитера, посланные на Землю космическими зондами и поразившие наше воображение, заставляют задуматься над исключительностью нашего времени и над значением всех уже имеющихся данных для будущего человечества.