АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА

На рис. 46, вряд ли нуждающемся в пояснениях, схематически показана Солнечная система, одной из сравнительно малых планет которой является наша Земля. Размер (диаметр) Солнечной системы составляет около 10 млрд. км, в то время как средний диаметр Земли равен приблизительно 12,7 тыс. км. Земля вращается вокруг Солнца по близкой к круговой орбите со скоростью, немного меньшей 30 км/с, на среднем расстоянии от Солнца около 150 млн. км. Лупа - спутник Земли, обращается вокруг Земли; расстояние между ними составляет приблизительно 384 тыс. км. Масса Земли (при средней плотности, равной 5518 кг/м³) составляет 5976-10²¹ кг.

Рис. 46. Солнечная система

Под Вселенной (или Метагалактикой) в астрономии обычно понимается та часть мира, которая доступна наблюдению и исследованию. Во Вселенной существуют большие скопления звезд - галактики, в каждую из которых входит порядка 100 - 200 млрд, звезд. Солнечная система также входит в одну из галактик. В астрономии нашу Галактику (от греч. galaktikos - млечный) принято писать с большой буквы, а все прочие галактики - с малой буквы. Так называемый Млечный Путь, который хорошо виден на небе ночью в ясную погоду, как раз и представляет собой пашу Галактику. Для описания галактик наши земные меры длины, километр или мили, являются неудобными (по своей малости) и никогда не применяются. Гораздо более удобной мерой длины является световой год, т. е. расстояние, которое проходит свет в течение года. Учитывая, что свет за 1с проходит 300 тыс. км, трудно даже представить себе, какое это огромное расстояние (приблизительно 10000 млрд. км).

Наша Галактика состоит примерно из 150 млрд. звезд (светящихся плазменных шаров), в число которых входит Солнце и в которых сосредоточена основная масса Галактики, галактических туманностей, которые составляют разреженные газы и частицы пыли, космических лучей (потока стабильных частиц высоких энергий), магнитных полей, излучения (фотонов). Форма нашей Галактики напоминает огромный диск (именно в этом диске сосредоточено большинство звезд), диаметр которого близок к 100 тыс. световых лет, а толщина - к 1500 световых лет. Надо заметить, что для земного наблюдателя Галактика выглядит не как огромный диск, а именно так, как смотрится Млечный Путь. Наиболее близкие к нашей Галактике другие звездные системы (галактики) - Магеллановы Облака и туманность в созвездии Андромеды - находятся на огромных расстояних - соответственно 200 тыс. и 1800 тыс. световых лет. Общее число галактик в Метагалактике оценивается миллиардами.

Солнечная система находится далеко от ядра Галактики, на ее периферии, на расстоянии около 30 световых лет от центра Галактики. Возраст Солнечной системы оценивается приблизительно в 5 млрд. лет.

В физике получил широкую известность эффект Доплера, заключающийся в том, что длины волн наблюдаемого источника при удалении источника от наблюдателя увеличиваются, а при приближении источника - уменьшаются. Причем по величине изменения длины волны оказалось возможным судить о скорости, с какой удаляется или приближается источник. Этот экспериментально установленный факт привел к исключительно важному фундаментальному открытию. Изучение спектров галактик показало, что все они (за небольшим числом объяснимых исключений) удаляются от земного наблюдателя, т. е. Вселенная расширяется. Этот на первый взгляд неожиданный и даже удивительный вывод является теперь общепризнанным. К этому вопросу мы еще вернемся. Заметим только сейчас, что скорость расширения Все-лгнной является очень высокой (десятки и сотни километров в секунду) и все время возрастает.

Заметим также, что еще в 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888 - 1925) нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой нестационарно расширяющейся Вселенной. Вот что пишет по поводу работ Фридмана известный американский ученый С. Вайнберг: «В 1922 г. советским математиком Александром Фридманом было найдено оощее однородное и изотропное решение первоначальных уравнений Эйнштейна. Именно эти фридмановские модели, основанные на исходных уравнениях поля Эйнштейна, а не модели Эйнштейна и де Сит-тера обеспечили математический фундамент большинству современных космологических теорий.

Существуют два разных типа моделей Фридмана.

Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.

В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя; Вселенная в этом случае конечна, хотя и неограниченна, вроде поверхности сферы. (Это означает, что, если мы отправимся в путешествие по прямой линии (Подразумевается движение по геодезической линии (длина которой между двумя точками равна кратчайшему расстоянию между ними) в искривленном пространстве. Это соответствует прямой линии тз евклидовом пространстве.- Примеч. редактора русского перевода Я. В. Зельдовича.) мы не сможем добраться до какого-то угла Вселенной, а просто вернемся туда, откуда начали свой путь.) Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов остановить расширение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности» (Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981, с. 38 - 40.).

Один из главных выводов, к которому пришли астрономия и астрофизика, состоит в том, что Вселенная находится в состоянии непрерывной эволюции. Остановимся в первую очередь на эволюции звезд. В настоящее время общепризнано, что звезды образуются из газопылевой межзвездной среды, главным образом из водорода и гелия, в результате действия сил гравитации (так называемой гравитационной конденсации. ).Проследить эволюцию звезд в очень большой мере помогло то обстоятельство, что можно наблюдать звезды практически в любой стадии их развития. Другими словами, во Вселенной существуют звезды всех «возрастов». Более того, образование новых звезд происходит и теперь.

Все более сжимаясь под действием гравитационных сил, звезда становится все более горячей, растет также давление внутри звезды. Когда температура достигает приблизительно 10 млн. К, внутри звезды начинается термоядерная реакция: ядра атомов водорода (Мы говорим о ядрах, а не об атомах водорода потому, что при такой высокой температуре атомы теряют электронную оболочку и газ превращается в плазму - смесь электронов и ядер атомов. ), имеющие высокую энергию, преодолевают электрические силы отталкивания (не будем забывать, что ядра заряжены положительно), сталкиваются между собой, в результате чего происходит образование ядер гелия и выделение огромного количества тепла. Таким образом, термоядерная реакция является реакцией синтеза ядер водорода с образованием ядер гелия и, как уже сказано, выделением огромного количества тепла. 1 г. водорода, рассматриваемого как ядерное горючее, энергетически эквивалентен 10 т условного топлива (сокращенно т у. т. (Условным топливом называется такое топливо, теплотворная способность 1 кг которого составляет 7 тыс. ккал.))

Теперь для звезды начинается новая стадия эволюции. Гравитационные силы будут по-прежнему стремиться сжать звезду, но вследствие протекания термоядерной реакции давление внутри звезды будет расти и оказывать сопротивление силам гравитации. Настанет момент, когда между этими силами будет достигнуто равновесие. В этом состоянии звезда может существовать долгое время, излучая в пространство огромную энергию. Солнце, например, в глубинных слоях которого протекает термоядерная реакция, будет существовать в этом состоянии, по расчетам астрономов, около 13 млрд. лет, из которых истекли приблизительно 5 млрд.

Однако рано или поздно наступает такой момент, когда водород, находящийся в центральной области звезды, там где протекает термоядерная реакция, будет израсходован. Температура внутри звезды начнет уменьшаться, а вместе с ней будет снижаться давление, и оно уже не сможет противостоять гравитационным силам. Наступает новый этап эволюции звезды. Ее ядро, состоящее теперь. в основном из гелия (продукта реакции), под действием сил гравитации начинает сжиматься, образуя плотную горячую область. Но термоядерная реакция будет продолжаться, только теперь уже, конечно, не в ядра звезды, а на ее периферии, где еще сохранился водород. В это время, как это следует из расчетов, размер звезды и ез светимость будут увеличиваться. Звезда превратится в так называемый красный гигант. Температура гелиевого ядра будет возрастать, и, когда она достигнет 100 - 150 млн. К, начнется новая ядгрная реакция превращения гелия в углерод.

Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то после того, как завершится термоядерная реакция в периферийных слоях звезды (весь водород «выгорит») и закончится ядерная реакция в ядре звезды (весь гелий превратится в углерод), внешние слои звезды отделятся и рассеются в пространстве, а оставшиеся внутренние слои, звезды, очень горячие и плотные, будут представлять собой так называемый белый карлик. Известный советский астроном и астрофизик И. С. Шкловский пишет следующее: «Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри звезд - красных гигантов и «появляются на свет» после отделения наружных слоев гигантских звззд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе, белые карлики, в которых весь водород «выгорел» и ядерные реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Логическим выводом отсюда является признание генетической связи между самыми поздними этапами эволюции звезд и белыми карликами. Постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые черные карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд» (Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. 4-е изд. М., 1976, с. 53 - 54.)

Если же масса звезды превышает 1,2 массы Солнца, то ее дальнейшая эволюция имеет другой характер. После прекращения термоядерной реакции в ядре звезды огромные гравитационные силы (тем большие, чем больше масса звезды) приводят к так называемому гравитационному коллапсу - катастрофически быстрому сжатию, в результате которого центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой (ее плотность может достигать 10¹⁵ г/см³, т. е. превышать плотность атомных ядзр), а периферические сферы звезды сбрасываются, и это явление может наблюдаться как огромная вспышка, именуемая вспышкой сверхновой звезды.

Если же под действием огромных гравитационных сил центральная область звезды будет сжата до величины гравитационного радиуса (для Солнца, например, гравитационный радиус равен всего лишь 3 км, а для Земли - только 0,9 см), то образуется так называемая черная дыра - сфера, в которой поле тяготения столь велико, что никакое излучение или частицы не могут выйти из этой сферы.

В 1967 г. были открыты пульсары - космические тела, являющиеся источниками радиоизлучения. Это излучение носит импульсный характер, причем импульсы повторяются через очень короткие промежутки времени: от долей секунды до нескольких секунд. Две причины обусловливают импульсный характер излучения пульсаров: во-первых, способностью излучать обладает не вся поверхность пульсара, а только ее активная область; во-вторых, быстрое вращение пульсара вокруг своей собственной оси. Пульсары относят к разряду нейтронных звезд.

В 1963 г. были открыты новые астрономические объекты, находящиеся вне пределов нашей Галактики и получившие название квазаров. По величине эффекта Доплера можно утверждать, что квазары удаляются от нашей Галактики с огромными скоростями, порядка 100 - 200 тыс. км/с. Из этого следует (напоминаем, что, чем больше скорость «удаления», тем больше расстояние), что квазары находятся от нас на огромном расстоянии - большем, чем другие наблюдаемые небесные объекты. Можно также сделать вывод, что квазары обладают чрезвычайно большой излучательной способностью, во много десятков раз большей по сравнению с целыми галактиками. Это следует из того, что, несмотря на огромное расстояние, оказывается возможным наблюдать квазары. По сумме всех характеристик квазаров предполагается, что они представляют собой ядра особо удаленных от нас галактик, в которых происходят поражающие своей мощностью процессы, происхождение которых еще недостаточно ясно.

В 1965 г. американские астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон сделали с помощью радиотелескопа - устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов и имеющего очень большое значение в астрономии,- открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное И. С. Шкловским реликтовым. Это - теперь общепринятое - название оказалось удачным (Реликт (от лат. I'elictum - остаток) - явление, организм, сохранившийся как пережиток минувших эпох.) : реликтовое радиоизлучение не возникает во Вселенной в настоящее время, оно образовалось на раннем этапе ее существования, когда Вселенной было всего лишь около 3 млн. лет и ее излучение отвечало нагретому приблизительно до 4000 К телу. Именно при 4000 К водород перестает быть ионизированным и заполняющее Вселенную излучение становится уже более не связанным с веществом. По расчетам, теперь реликтовое излучение, интенсивность которого все время снижалась и температура падала, должно было бы иметь около 3 - 3,5 К. Именно такому излучателю соответствует обнаруженное фоновое излучение. Важно также отметить, что это излучение идет как бы из любой точки Вселенной, а не от какой-либо звезды или галактики.

Два экспериментально установленных положения: расширение Вселенной и реликтовое излучение - являются убедительными доводами в пользу так называемой стандартной модели происхождения Вселенной (иногда вместо слов «стандартная модель происхождения Вселенной» говорят «теория «большого взрыва»»), ставшей теперь - вероятно, можно так сказать - общепризнанной.

До утверждения стандартной модели существовала так называемая теория стационарного состояния, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, какой мы видим ее сейчас. Но факты отвергают такую точку зрения. Вот что пишет по этому вопросу И. С. Шкловский: «Современная наука о Вселенной - астрономия - вся насквозь эволюционпа. Не всегда так было. Только развитие нашей науки, потребовавшее огромных усилий от ее творцов, привело к эволюционному взгляду на Вселенную, причем не в плане умозрительных заключений, а на основе строгого анализа фактов. В XVIII, XIX и даже в первой половине XX столетия астрономия была статичной, застывшей. Изучались с большой точностью движения планет и комет, модели звездных атмосфер, их химический состав. И это, конечно, было очень важно. Но истинная картина меняющейся, поражающей многообразием явлений, богатой «скачками» и взрывами Вселенной стала ясной астрономам только в последние четверть века. Этот период «бури и натиска» по справедливости может быть назван «революцией в астрономии». В первую треть нашего века аналогичную революцию пережила физика. Сейчас мы являемся свидетелями революционного взрыва в биологии. Вместе с последней астрономия сейчас находится в авангарде наук о природе» (Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум, с. 99.).

О стандартной модели происхождения Вселенной в этой книге по необходимости будет сказано очень кратко. Очень благоприятной оказалась возможность проследить развитие Вселенной, так сказать, в обратную сторону, т. е., имея представление о расширяющейся Вселенной, попробовать «вернуться» возможно дальше назад. Хотя такое предприятие было далеко не простым, но все же оно оказалось успешным.

По современным представлениям, дело обстояло так: «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного места и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. В этом контексте «все пространство» может означать либо все пространство бесконечной Вселенной, либо все пространство конечной Вселенной, которое замкнуто на себя, как поверхность сферы. Каждую из этих возможностей нелегко постичь, но это нам не помешает: оказывается, что на историю ранней Вселенной не влияет, является ли пространство конечным или бесконечным» (Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной, с. 12.)

Сразу же может возникнуть вопрос: не является ли этот взрыв началом всего, другой интерпретацией сотворения мира? Нет, конечно. Просто у науки нет пока никаких оснований, чтобы судить о том, как происходила эволюция Вселенной до взрыва. А она, конечно, происходила. Кроме того, не следует забывать, что под словом Вселенная понимается часть мира, доступная нашему наблюдению и изучению.

Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 000 миллионов К (1011 К). При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количество протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной, спустя 0,01 с после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной - в 4000 миллионов раз (4 х 10⁹ раз) больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд, градусов (10⁹ К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плостности воды. При этой, хотя еще очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино.

Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звезд.

Конечно, обрисованную очень краткими словами стандартную модель происхождения Вселенной нельзя еще считать имеющей достаточно прочное основание. «Мы предпочли бы,- пишет Вайнберг,- теорию, логическая неизбежность которой была бы более очевидной» (Там же, с. 15.)

Следует заметить, что американский физик-теоретик (родившийся в России) Георгий Антонович Гамов (1904 - 1968) разработал теорию, согласно которой Вселенная вначале была очень горячей.

Как следует из сказанного, за последние примерно 30 лет достигнуты весьма значительные результаты в отношении изучения звезд, галактик и даже Вселенной и их эволюции. Напротив, в изучении происхождения Солнечной системы результаты значительно скромнее. И это не должно вызывать удивления. Действительно, астрономы, обладающие очень хорошей техникой наблюдения (оптическими и радиотелескопами, а за последнее время средствами наблюдения космических аппаратов), имеют возможность исследовать многочисленные небесные тела, находящиеся на разных стадиях эволюции. Что касается планетных систем, то астрономы вынуждены ограничиться наблюдениями нашей собственной Солнечной системы, находящейся на определенной ступени своей эволюции. Более того, хотя астрономы полагают, по крайней мере большинство из них, что во Вселенной, кроме Солнечной системы, существуют другие планетные системы, но прямыми опытными доказательствами этого они не располагают.

Попытки определить происхождение Солнечной системы предпринимались очень давно. Не заглядывая очень далеко в глубь времен, скажем кратко о некоторых из них. Мы хотим вместе с читателем вспомнить уже называвшихся ранее выдающихся ученых-Канта и Лапласа. Согласно теории Канта, Солнце и планеты Солнечной системы образовались из холодной пылевой туманности, причем сначала возникло Солнце, а вслед за тем планеты. В отличие от теории Канта Лаплас считал (Лаплас создал свою теорию позднее Канта и независимо от него), что Солнечная система образовалась из горячей газовой, быстро вращающейся туманности, причем сначала появились планеты, а затем Солнце. Нет необходимости на страницах этой книги сколько-нибудь подробно останавливаться на этих теориях, объединенных позднее общим названием гипотезы Канта - Лапласа. Дело в том, что эта гипотеза не может объяснить установленного впоследствии факта - оказалось, что около 98% момента количества движения Солнечной системы сосредоточено в планетах, в то время как на долю Солнца приходится всего лишь 2%, хотя масса всех планет Солнечной системы, вместе взятых, составляет только 0,15% от массы собственно Солнца.

Определенным этапом в развитии взглядов на образование Солнечной системы была гипотеза английского астрофизика Джеймса Хопвуда Джинса (1877 - 1946). Он считал, что планеты образовались в результате катастрофы: какая-то относительно большая звезда прошла совсем близко от уже существовавшего Солнца, следствием чего явился выброс из поверхностных слоев Солнца струи газа, из которого впоследствии образовались планеты. Но гипотеза Джинса, так же как и гипотеза Канта-Лапласа, не может объяснить несоответствие в распределении момента количества движения между планетами и Солнцем. Кроме того, столкновение Солнца с какой-либо звездой является чрезвычайно маловероятным событием.

Из наблюдений астрономов следует, что звезды вращаются вокруг своей оси с весьма различной скоростью. Так, например, наше Солнце очень «тихоходное», оно вращается с экваториальной скоростью 2 км/с. Многие же другие звезды вращаются с экваториальной скоростью, в 200 раз большей. Быстрее других звезд вращаются массивные горячие звезды, а желтые и красные карлики, наоборот, вращаются очень медленно.

Известный шведский астрофизик, основоположш магнитной гидродинамики Ханнес Алъфвен (р. 1908) выдвинул идею о том, что в передаче количества движения от звезд к планетам важную роль играет магнитное поле. В 1958 г. английский астрофизик Фред Хойл (р. 1915) выдвинул планетную космогоническую гипотезу, в которой были использованы идеи Альфвена.

Хотя некоторые гипотезы о происхождении Солнечной планетной системы, по-видимому, разделяются большинством астрономов (например, гипотезы о резком снижении момента количества движения звезды на определенном этапе ее развития; о возможности взаимосвязанности этого явления с возникновением планет; об участии магнитного поля в передаче момента количества движения от звезды к планетам; о последующем после возникновения разогреве планет за счет радиоактивного распада некоторых веществ внутри планеты (Кстати говоря, этот процесс в настоящее время продолжается внутри Земли, вследствие чего Земля (хотя и очень слабо) разогревается.) и др.), тем не менее пока еще не существует достаточно убедительной гипотезы происхождения планетных систем. В существующих по этому вопросу гипотезах имеются противоречия и недостаточно ясные места.

Последним вопросом, который мы кратко рассмотрим в настоящем разделе книги будет: как возникла жизнь на Земле и на других планетах?

Читатель может возразить: как можно обсуждать вопрос о происхождении жизни на других планетах, когда отсутствуют вполне определенные данные о существовании других планетных систем, кроме нашей Солнечной системы, а Земля является, по всем данным, единственной планетой Солнечной системы, на которой существует жизнь?

Действительно, бесспорные данные о существовании других планетных систем пока отсутствуют. Тем не менее большинство астрономов считают, что, по всей вероятности, другие планетные системы существуют, что Солнечная система не является единственной не только во Вселенной, но и в нашей Галактике. Более того, можго думать, что в нашей Галактике, в которую входит приблизительно 150 млрд. звезд, имеется порядка 1 млрд. планетных систем. А раз имеются другие планетные системы, то возможно и существование жизни на них (или на некоторых из них).

Появление и развитие жизни на планете требует известных условий, среди которых наиболее важным, по всей вероятности, является приемлемая и стабильно существующая температура среды. Из этого следует, что орбита планеты не должна находиться ни слишком близко к центральной звезде системы, ни слишком далеко от нее. Наша Земля как раз движется на такого рода орбите, в то время как Меркурий, например, находящийся ближе всех других планет к Солнцу, имеет на поверхности слишком высокую температуру (свыше 300° С), а на Уране, Нептуне и Плутоне, движущихся по самым далеким от Солнца орбитам, наоборот, температура поверхности для возникновения жизни слишком низкая (приблизительно -200° С).

Конечно, кроме температуры поверхности планеты, существуют и другие условия, способствующие возникновению жизни, в частности наличие на планете сложных молекул, которые вступают в различные реакции. Впрочем, это тоже в большой мере зависит от температуры и ее стабильности.

Возникновение жизни на Земле произошло в тот период времени, когда физико-химические условия на поверхности нашей планеты благоприятствовали этому. Сначала появились простейшие организмы. В процессе их развития они становились все более сложными. Наконец, появилось мыслящее существо - человек. Процесс эволюции живого мира относится к биологии, и мы еще к нему вернемся.