Знание-сила, 2009 № 02 (980)

Метеориты под небом голубым

Руслан Григорьев

На Гавайских островах ныне разворачивается научный проект под длинным названием «Система панорамного телескопического обзора и незамедлительного оповещения». Она хоть и оснащена всего лишь скромным телескопом (с зеркалом 1,8 метра в диаметре), зато имеет в придачу к нему гигантскую, самую большую в мире дигитальную фотокамеру с разрешением в 14 миллионов (!) пикселей. И это должно позволить системе в целом в ближайшие 5-10 лет (по плану) выявить траектории миллионов метеоритов и астероидов, блуждающих в наших земных окрестностях. Уже на данный момент этих каменных обломков выявлено 600 тысяч, а дело только разворачивается.

При этом главное внимание система уделяет «астероидам-убийцам», то есть как раз тем, которые угрожают врезаться в Землю. Нынешние астрономические оценки говорят, что их число невелико: столкновение с метеоритом 50-метрового размера (прямое попадание которого в крупный город типа Лондона или Москвы означало бы полное его уничтожение) угрожает Земле раз в 1000 лет. А столкновение с астероидом километрового размера (хотя и такая громадина все еще раз в десять меньше Великого Убийцы Динозавров) — раз в пару сотен тысяч лет. Но это — всего лишь вероятности, и мы вправе спросить: а вдруг астрономы кого-то недосчитались, пропустили одного, а он как жахнет?!..

Вот во избежание таких страхов ученые как раз и развернули вышеописанный проект и намереваются, к тому ж, лет через пять ввести (в Чили) второй, аналогичный проект, еще большей мощности. Разумеется, оба эти проекта направлены также на изучение обычных звезд, сверхновых звезд и прочих обитателей космического зверинца, но одновременно они будут непрерывно следить за нашим небом голубым, чтобы вовремя предостеречь нас о возможной опасности и дать время для ее отражения. Тут, кстати, уже полным ходом идут и разработки различных проектов такого отражения — например, с помощью гигантских лазеров. Не то, чтобы эти лазеры могли испарить метеорит за то короткое время, которое он летит к Земле, но, создав в одном его месте фонтан раскаленного вещества, они могут придать ему дополнительную реактивную тягу в нужную (противоположную) сторону — разумеется, прочь от нашей родимой планеты.

Но, допустим, враг все-таки подкрался, прорвался и взорвался. Что же, так мы и погибнем ни за что ни про что? Спешим успокоить. Оказывается, метеорит метеориту рознь. Все взрываются, но не все так разрушительно, как Великий Убийца сами знаете кого. И это, согласитесь, не только утешительно, но и загадочно. В самом деле, почему удар метеорита (или астероида), оставившего по себе кратер Чикскулуб на мексиканском полуострове Юкатан, уничтожил всех динозавров и попутно еще тысячи живых видов, а удар метеорита (или астероида), оставившего по себе кратер Маникуган в канадской повинции Квебек, никого не уничтожил? Судя по размерам этих кратеров (150 и 100 километров соответственно), размеры их виновников-астероидов тоже были близки — 10 и 5 километров в диаметре. Но Маникуганский астероид никого почему-то не убил. Правда, одно время ученые думали, что именно он был причиной так называемой Триасовой катастрофы, массового исчезновения живых видов 200 миллионов лет назад, но потом тщательное исследование показало, что астероид ударил на добрых 6 миллионов лет позже, так что к Триасовой катастрофе отношения иметь не мог. А ника кой другой катастрофы поблизости от времени его падения не было. Видимо, он как-то так «аккуратно» взорвался, что никому не навредил. Почему?

А почему никому не навредил тот астероид, который оставил по себе кратер Попигай в Сибири? Этот кратер находится в самом сердце ГУЛАГа, вблизи Норильска, полон алмазов (образовавшихся из графита, переплавленного ударом гигантского астероида) и потому многие десятилетия был закрытой зоной, о которой знали одни только зэки. Но сейчас уже известно, что этот четвертый по размерам метеоритный кратер на Земле (или пятый, если считать 250-километровый Вредефорд в Южной Африке, Сэдбури в канадском Онтарио и уже названные выше Чикскулуб и почти равный Попигаю Маникуган) был образован астероидом то ли 5-, то ли 8километрового диаметра, ударившим Землю в этом месте (35 миллионов лет назад). Камень в восемь километров, да к тому же летящий с космической скоростью! А тоже никакого длительного вреда тогдашней земной фауне не причинил.

Кратер Попигай

Но и эта загадка бледнеет в сравнении с другими, некосмического характера, катастрофами, которые в далеком прошлом обрушивались на планету. Так, 250 миллионов лет назад в той же (нынешней) Сибири произошла длительная серия вулканических извержений, которая покрыла поверхность Земли в этих местах слоем лавы (базальта) толщиной в 6 километров! Эта катастрофа вызвала вымирание почти 80 % тогдашней земной (преимущественно морской) живности, и поскольку произошла в конце Пермской геологической эпохи, так и называется «Пермской катастрофой». Но еще большее и более длительное извержение произошло 130 миллионов лет спустя (то есть 120 миллионов лет назад) в Тихом океане — тогда океанское дно было покрыто слоем базальта толщиной 30 километров (!), и в атмосферу было выброшено огромное количество углекислого (парникового) газа. Однако это извержение никаких особых биологических катастроф почему-то не вызвало. Опять загадка.

Недавно всем этим загадкам было предложено одно общее, хотя пока еще гипотетическое, объяснение. Грубо говоря, оно сводится к тому, что все зависит от того, где именно, в каком месте планеты ударит метеорит или произойдет извержение. Это объяснение предложил норвежский геолог Хенрик Свенсен. Он обратил внимание на тот факт, что в некоторых случаях подводных извержений температура воздуха (судя по косвенным палеонтологическим данным) резко повышается (иногда на 6–8 градусов за несколько тысяч лет), а в других случаях хоть и повышается, но не очень.

Объяснить это можно было тем, что извержения, сопровождавшиеся существенным повышением температуры, привели к быстрому выбросу в атмосферу особенно большого количества каких-то парниковых газов — например, углекислого газ, образовавшегося из метана, или самого метана.

На океанском дне, это уже известно, покоится огромное число ледяных глыб, так называемых метановых гидратов. Эти соединения весьма чувствительны к температуре: стоит температуре придонной воды повыситься на 1–2 градуса, и они тут же тают, выделяя углекислый газ, который затем, просочившись сквозь воду, выйдет в атмосферу. Но, по Хансену, для резкого повышения температуры этого газа недостаточно. Объяснить этот нагрев может только быстрое и огромное выделение самого метана — его парниковые свойства больше. Но откуда может взяться такое количество метана?

Догадка пришла к Свенсену, когда он, в качестве геолога, изучал дно Северного моря, где Норвегия добывает свою нефть. Свенсен заметил, что базальты на этом дне (образовавшиеся от извержения, произошедшего в океане 55 миллионов лет назад) расположены в районах, очень богатых поддонными «грязевыми скалами», уплотнившимися до твердости слоистыми скоплениями мельчайших грязевых зерен. Эти скалы очень богаты углеродом, и лава, поднимавшаяся здесь из земных недр 55 миллионов лет назад, наверняка должна была проникнуть между скальными слоями, превращая их углерод в метан, а затем, нагревая еще больше, привести к прорыву этого метана из-под дна океана на его поверхность. Следуя за метаном по образованным им жерлам, горячая лава должна была нагреть воду и вызвать также массовое таяние метановых гидратов, добавивших свой «углекислый» вклад в общий парниковый эффект со всеми описанными выше катастрофическими последствиями.

У Свенсена возникло подозрение, что влияние извержений на биологию планеты всегда зависит от того, найдет ли горячая лава (причем поблизости) достаточные залежи богатых углеродом пород, чтобы, пропитывая их в течение десятков, а порой сотен тысяч лет перед извержением, насытить метаном, а потом взорвать и разом выбросить этот метан в атмосферу. Он занялся детальным изучением известных науке на данный момент извержений и биологических катастроф и показал, что все они подтверждают его предположение. Судите сами. Пермское извержение (6-километровый слой базальтов) привело к Пермской биологической катастрофе, а таких же масштабов Кару-Феррарское не вызвало никаких неприятностей. И самое большое из известных, Онтонгское океаническое извержение, (100-километровой толщины слой базальта!) — тоже почти никаких. Равно как и удары Попигайского и Маникуганского астероидов. А вот удар Чикскулубского астероида (при почти тех же размерах, что предыдущие два) уничтожил почти 50 % всех тогдашних живых видов (включая динозавров).

И так повсюду — во всех местах извержений или ударов, где катастрофы случались, Свенсен обнаружил «подходящую углеродную среду», а в тех местах, где катастрофы не происходили, такой «питательной среды» не было. Напрашивается вывод, что дело не столько в масштабе извержений или размерах небесного камня. Малый удар или малое извержение могут вызвать больше бед, чем большие, если произойдут в том месте, где есть породы, богатые углеродом, будь то на дне океана или на поверхности Земли. В любом таком случае конечным результатом удара или извержения будет огромное выделение парниковых газов (метана или углекислого газа), а конечным результатом такой «отрыжки» — быстрое глобальное потепление. Так что, по Свенсену, истинным убийцей жизни является именно оно.

Конечно, этот вывод несколько успокаивает нас в отношении последствий удара какого-нибудь нежеланного небесного гостя (теперь благодаря Свенсену мы можем надеяться, что не всякий такой гость, даже взорвавшись, вызовет глобальную катастрофу), но, с другой стороны, он угнетает своим явным намеком на возможные последствия того глобального потепления, которое, как утверждают ученые, идет у нас сейчас без всякой космической причины. Но тут, однако, есть другое утешение — ведь это потепление мы еще можем приостановить…

Смятение в Солнечной системе

Вот уже четыре с половиной миллиарда лет планеты обращаются вокруг Солнца. Мы привыкли к их размеренному ходу; они движутся, как заведенные часы — из века в век, из тысячелетия в тысячелетие. Кажется, что небесная машинерия — самый надежный механизм мироздания. Мы знаем, где окажутся стрелки часов через сорок минут, через десять дней… Да и движение планет вроде бы предсказуемо на миллионы лет вперед: пророчества Кеплера отлились в монументальную форму законов. Так ли это? Ведь не раз в этой отлаженной системе грозил воцариться хаос.

Восемь больших планет и огромная свита, собранная из астероидов, карликовых планет и прочих плутиносов, церемонно кружат по небу, сохраняя заведенный порядок, но стоит кому-то выбиться из строя, как «карточный домик» валится. Изменившуюся силу притяжения ощущают на себе соседние планеты. Все это напоминает — другое сравнение — игру в бильярд, затеянную на космических просторах. Свернувший в сторону шар планеты заставляет катиться иначе и другие, соседние с ним шары.

«Стабильность Солнечной системы не вытекает ни из каких математических расчетов. Это одна из эмпирически обоснованных научных догм. Так как на протяжении последних трехчетырех веков люди не наблюдали никакого серьезного отклонения траекторий планет от их наблюдавшихся ранее орбит, в науке утвердилось представление о стабильности движения планет вокруг Солнца, — пишет в своей работе «История под знаком вопроса» математик Е.Я. Габович, эмигрировавший из СССР в 1980 году. Стабильность Солнечной системы — это лишь некий постулат веры, восходящий ко времени Ньютона, когда загипнотизированные возможностью теоретического описания поведения динамических систем в небесной механике великие ученые узрели в математике новое божество».

Видимый покой обманчив. Еще в 1889 году французский математик Анри Пуанкаре показал, что невозможно раз и навсегда рассчитать, как поведут себя хотя бы три тела, связанные друг с другом силами взаимного притяжения. Конечно, можно составить уравнения, которые описывают их перемещения, но решить оные не представляется возможным. Ответы получатся приблизительными. У всех этих тел (в нашем случае — планет) останется толика свободы.

Итак, эта система уравнений имеет лишь приближенное решение. Впрочем, данное слово не должно обманывать. Это решение позволяет с точностью до секунды предсказать солнечное или лунное затмение, а также безошибочно вывести автоматический аппарат на орбиту Юпитера или Сатурна. Однако оценить далекое будущее планет можно лишь с долей вероятности. На них, как и на мир электронов, распространяется свой «принцип неопределенности».

Планируя, повторюсь, космические экспедиции, которые продлятся несколько лет (и даже десятилетий, столетий), мы получим результат поразительной точности. Если мы захотим узнать, что произойдет с планетами через пару миллионов лет, то и здесь мало в чем ошибемся. На оси Времени наша пара миллионов — лишь неприметная точка. Таким образом, если в микромире «точность, с которой известно положение частицы, зависит от ее состояния движения» («Берклеевский курс физики»), то в космосе она зависит от времени. В момент t = 0 место планеты на карте небес достоверно ведомо, когда же космическое время будет немного отлично от нуля (на Земле пройдут десятки миллионов лет!), тогда и судьба планеты, — прежде всего земного типа, — станет неопределенной. Мы лишь будем строить догадки, говоря, что случится с ней (так физики микромира предсказывают поведение электрона: «С вероятностью 50 процентов он пересек барьер, с вероятностью 50 процентов остался по эту сторону барьера»).

Вот и теперь астрономы, решив заглянуть в будущее, подсчитывают шансы планеты занять то или иное место на своде небес. Ее траектория через длительный промежуток времени уже не укладывается в рамки науки Кеплера и Ньютона, ее нельзя вычислить, а можно только предугадать. Что ожидается? Что состоится?

Итак, крупным планом — Солнечная система. Время громадным кораблем мчится по своей реке. Планеты пловцами подрагивают в набежавших волнах, хаотично уплывая во все стороны. Кто с кем столкнется, кто куда денется, когда — миллиарды лет спустя — этих «купальщиков» перемешают нахлынувшие на них волны? Ответа не даст никакая точная наука. «Вероятно, они останутся.», «возможно, они сместятся.», «наверное, столкнутся» — этот набор формулировок разделяет силу и слабость современной астрономии. Здесь оканчивается мир, поддающийся счету с использованием классических приемов механики XVIII века, и мир постклассический, где вероятность возводит случай в квадрат, а к полученному результату прибавляет недопустимую погрешность. Имя этому произволу — хаос, высший порядок мироздания.

Используя все более мощные вычислительные машины, астрономы вот уже четверть века пытаются угадать облик Солнечной системы в далеком будущем. Еще в 1980-е годы Джек Уисдом и Джеральд Зуссман из Массачусетсского технологического института решили проверить, так ли прочны скрепы планетного царства? Они стали изучать орбиты планет, пользуясь специально созданным компьютером.

В ту пору машине понадобилось пять месяцев, чтобы проследить траектории четырех гигантских планет и Плутона на протяжении 845 миллионов лет. Что же открылось на небесах? Планеты-гиганты, как и подобает сильным мира сего, невозмутимо кружили по раз и навсегда заведенным орбитам. Ничто не могло выбить их из колеи. А вот Плутон вел себя иначе; поведение его было хаотическим. Что в данном случае подразумевают под этим словом?

Попробуем поместить планету в какой-либо точке А ее траектории; она начнет двигаться по орбите, совершая оборот за оборотом. К концу нашего расчета она окажется в точке В. Повторим опыт, но теперь планета начнет движение из точки А, отстоящей от точки А на бесконечно малую величину. Планета окажется почти в той же самой точке В, в которой финишировала в прошлый раз. Таким образом, ее поведение является величиной предсказуемой. Дело обстоит по-другому, когда планета ведет себя «хаотически».

В этом случае окружающие ее небесные тела оказывают на планету столь сильное воздействие, что стоит только чуть-чуть — на бесконечно малую величину — изменить условия проведения расчета, как результат получится самым неожиданным, и планета окажется вовсе не там, где вы надеялись ее застать. В одних случаях разница составит небольшую величину, в других будет весьма значительной.

Теперь признаем, что астрономы пока не могут определить координаты любой из планет Солнечной системы с точностью до метра. В таком случае — делаем неутешительный вывод, — начиная с какого-то момента предсказать положение планеты, движущейся хаотически, нельзя. Куда занесет ее судьба, нам остается только гадать. Наука смиренно молчит.

Зуссман и Уисдом констатировали, что по прошествии 20 миллионов лет движение Плутона станет непредсказуемым. Вскоре выяснилось, что и ближайшие к Солнцу планеты тоже движутся хаотически. Уже через пять миллионов лет судьбы их покрываются мраком, и сказать что-либо об их будущем невозможно.

Земля, Венера, Марс, Меркурий, Плутон

В начале 2008 года французский астроном Жак Ласкар опубликовал результаты исследования, которое с некоторой долей вероятности обещает нашей планетной системе немалые трудности — возвращение хаоса древних времен. Когда-то в окрестности Солнца было, как в Москве в гололед. Планеты сталкивались друг с другом, с астероидами, с кометами.

После подобной катастрофы, пережитой Землей, у нее появился спутник — Луна, буквально сотворенный «из ее ребра» (см. «З-С», 8/05). Меркурий, испытав удар, лишился «скальпа» — покрывавшей его коры (см. «З-С», 6/07). Венера, быть может, свернула с привычной орбиты и стала вращаться в обратную сторону (см. «З-С», 9/08). Нептун разогнал мельтешившую вокруг толпу астероидов: удалившиеся от Солнца, они образовали так называемый пояс Койпера (см. «З-С», 3/07). Далекое прошлое было временем непредсказуемых коллизий. В этой реке времени, как в зеркале вод, грозит отразиться далекое будущее.

Конечно, вероятность такого развития событий невелика. И все же этот кошмар случается в научных расчетах, когда астрономы пытаются моделировать, что произойдет с Землей, например, через 40 миллионов лет. В одном-двух случаях из ста Земля оказывается на пути Меркурия или Марса. Следует удар, выжигающий все, что останется живого на нашей планете.

В начале девяностых годов Ласкар уже привлек внимание, опубликовав сенсационную работу под названием «Хаотические процессы в Солнечной системе». Ему удалось рассчитать, как будут меняться орбиты планет (за исключением Плутона) на протяжении 25 миллиардов лет. Период этот в пять раз длиннее того промежутка времени, в течение которого существует наша Солнечная система. Уже через пять миллионов лет поведение ряда планет становилось непредсказуемым. Поэтому Ласкар не стал скрупулезно, шаг за шагом, высчитывать координаты небесных тел. Он изменил метод вычислений. Его интересовало другое: каким образом в далеком будущем станут меняться формы орбит, по которым движутся планеты.

И на этот раз оказалось, что орбиты планет-гигантов (Юпитер, Нептун и иже с ними) являются чрезвычайно стабильными. Поведение этих небесных тел и через миллиарды лет будет напоминать надежную работу курантов. Как заведенные, они продолжат кружить близ Солнца. А вот другие планеты то и дело сбивались с верного пути. Плоскость орбиты Марса наклонялась на 10 градусов по отношению к эклиптике. Сегодня этот показатель составляет всего два градуса. У Меркурия же он и вовсе достигал 20 градусов.

Новая работа Ласкара подводила итог многолетним расчетам. Она содержала 1001 модель, описывавшую перспективы Солнечной системы. Кажется, все случаи жизни были явлены в этом калейдоскопе предначертанного бытия. Так вот, примерно в 20 случаях орбита Меркурия со временем все менее напоминала круговую. Эту планету притягивал к себе Юпитер — она спешила к нему, бросаясь наперерез другим небесным телам. Так иной пешеход, не замечая опасного движения машин, спешит на другую сторону улицы. В этих моделях «под колеса» Земле и Марсу бросался Меркурий. Эксцентриситет его орбиты превышал 0,6 (при эксцентриситете, равном нулю, планета движется по круговой орбите, а равном единице — по параболе).

20 случаев — 2 процента. Много это или мало? В мире астрономических событий, где все подолгу идет своим чередом, эта пара процентов настораживает. От них веет более ощутимой угрозой, нежели от «одного шанса из ста тысяч», которые обещают столкновение астероида Х с Землей в каком-нибудь 2666 году.

Меркурий вообще оказался горазд на «подвиги» — лишь бы пожертвовать чьим-то покоем. В одном сценарии он через 1,3 миллиарда лет отчаянно бросался на Солнце и сгорал в нем, как щепка, брошенная в огонь. В другом, опрокидывая давнюю систему сдержек и противовесов, силился смешать все в доме планет, «перессорить» Землю и Марс, столкнуть их. В третьем — через 820 миллионов лет — Марс покидал Солнечную систему, выброшенный из нее, как из окна. Без него другие планеты земной группы теряли былую солидность. Так обрушился бы дом, сумей мы выдернуть из-под него фундамент. После этого не прошло бы и сорока миллионов лет, как Венера столкнулась бы с Меркурием. «Головоломная жизнь» последнего завершалась стычкой, дробившей обе планеты, как орехи. Еще выше у него вероятность ничего не менять в налаженном ходе планет, но в эту счастливую возможность остается только верить.

В обнародованных в 2008 году работах Ласкара и его коллег из Калифорнийского университета Грегори Лофлина и Константина Батыгина было порой достаточно небольшого изменения орбиты Меркурия, чтобы тот сблизился с Венерой. Ведь есть так называемые «зоны хаоса»: стоит планете туда попасть, как любые внешние воздействия будут усиливаться, пока не наступит резонанс. Тогда форма орбиты заметно меняется. Начинают действовать совсем иные силы притяжения, передаваясь ближайшим небесным телам. Что творится с небесной механикой! Словно в отлаженную машину, все поршни, кривошипы и штоки которой совершали свои поступательные и вращательные движения, попадает контргайка, ломая врезавшиеся в нее детали. Слабым звеном оказываются Меркурий и Марс. Их легче всего вывести из равновесия.

Итак, лишь поведение планет-гигантов расписано на века… точнее, на миллионы веков вперед. Все другие ведут себя хаотически. Хаос в хороводе планет! Кажется, что может быть страшнее?

Один из многочисленных вулканов на поверхности Венеры

Ранее Ласкара не раз критиковали за его расчеты. Ведь даже с использованием лучших компьютеров мира трудно моделировать судьбу Солнечной системы на миллиарды лет вперед, а потому он несколько упростил уравнения движения планет, что совершенно никак не сказывается, пока их эксцентриситеты орбит малы, зато ощущается по мере того, как траектория все больше напоминает овал. Поэтому оппоненты не берутся судить, насколько точны расчеты Ласкара.

Кроме того, он «делал поправку» на погрешность в координатах планеты, то есть в результатах наших измерений. Для этого он вычислял траекторию не только «настоящего» Меркурия, но и четырех его «клонов», каждый из которых находился в 150 метрах от того положения планеты, которое мы считаем истинным. Затем он определял, что произойдет с планетой и ее «клонами», допустим, через миллион лет. Из полученных результатов выбирал тот, где эксцентриситет был особенно велик. Теперь он считал «Меркурием» данный объект. Снова создавал четыре «клона» и вычислял, что произойдет с новым семейством планет еще через миллион лет. Опять сортировал ответы. Выбирал наиболее тревожный результат — там, где орбита планеты особенно сильно искажалась. Называл этот объект «Меркурием»…

В итоге Ласкар подсчитывал, каким будет максимально возможное отклонение траектории планеты от нынешней. Он устремлялся туда, где рождается хаос, игнорируя заурядный ход событий, их скучное повторение. В своей новой работе он придерживался прежнего алгоритма и все так же прибегал к упрощенным расчетам.

Его коллеги из Японии, Ито и Таникава, попробовали не поступаться трудностями, и их расчеты оказались более оптимистичны. Орбита Меркурия, и верно, изменится, но не так сильно. Ее эксцентриситет останется меньше 0,35, а в таком случае опасности столкновения с Венерой нет.

Казалось бы, мир в нашей части космоса спасен, и на небесах во веки вечные воцарился покой. Но у специалистов есть претензии и к этому расчету. В нем не учтены эффекты общей теории относительности, а также гравитационное воздействие Луны (справедливости ради, обе величины очень-очень малы, и обычно их не принимают в расчет). Ласкар же настаивает на том, что при таких больших промежутках времени, как пять миллиардов лет, надо учитывать и эту «мельчайшую погрешность». Его ответ японским коллегам был достоин математика. Он повторил их расчет, приняв во внимание и факторы, которыми те пренебрегли. В этой модели эксцентриситет Меркурия возрастал до 0,8.

Вернувшись же к своей излюбленной — упрощенной — схеме, он показал, насколько важно учитывать релятивистские эффекты, планируя судьбы планет на несколько геологических эпох вперед. Без их учета Меркурий вел себя, хаотичнее.

Последний пример довершал печальную картину. Хаос и смятение царили не только в семействе планет, но и в умах астрономов, их изучавших. Если в модели Ито и Таникавы теория относительности подстегивала беднягу Меркурия как бичом, заставляя его метаться с одной орбиты на другую, то в модели Ласкара — неожиданно усмиряла его. Где же правда грядущей жизни? Где польза, а где вред от теории относительности? Что она губит, что спасает?

Впрочем, кто бы ни брался обсуждать судьбу Солнечной системы со страниц научно-популярных изданий, книги этих пророков должны смущать публику куда меньше, чем когда-то стенания Иеремии или Иезекииля. Расчеты показывают, что мрачные примеры редки. В остальном хаос не подрывает порядок в нашей планетной системе. В подавляющем большинстве вариантов обитатели нашей планеты останутся счастливыми зрителями бурь, разыгравшихся в небесном театре. В 98 процентах случаев Земля, кто бы ее ни населял к тому времени, и через пять миллиардов лет избежит жестоких ударов. Да и потом, что значат эти миллиарды лет для миллиардов людей? Это какое-то «дважды два — стеариновая свечка» (И.С. Тургенев). И пусть неудачник (sic: Меркурий) трепещет. Да еще астрономы жалуются, что никак не исчислить будущего. Судьбы планет оказываются неисповедимы, как и судьбы людей.

(Использованы материалы www.astronews.com, «Р. М.», Spiegel и Bild der Wissenschaft.)

Под знаком Эта Карины

Александр Грудинкин

По оценкам астрономов, сверхновые звезды вспыхивают в нашей Галактике в среднем раз в тридцать лет. Впрочем, большинство из них располагается так далеко от Солнечной системы, что мы даже не замечаем их вспышек. В последние несколько тысяч лет что-то не помнится, чтобы эти космические фейерверки принесли хоть какую-то беду. Разве что их иногда упоминали в хрониках, как было, например, со звездой, воссиявшей в 1054 году. Как-никак, почти три недели ее можно было видеть даже в дневные часы (позднее на ее месте образовалась Крабовидная туманность).

Ученые долгое время почти не задумывались о том, как повлияли на эволюцию жизни на нашей планете вспышки сверхновых звезд. Лишь в 1974 году американский физик Мелвин Рудерман из Колумбийского университета предположил, что через каждую пару сотен миллионов лет в радиусе 30 световых лет от Земли взрывается какая-нибудь гигантская Эта Карины звезда. И тогда в течение нескольких столетий озоновый слой, защищающий нас от смертоносного космического излучения, напоминает, скорее, решето.

В 1995 году физик Джон Эллис из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) и его американские коллеги Брайан Филдс и Дэвид Шрамм уточнили расчеты Рудермана. Из опубликованной ими статьи явствовало, что в среднем раз в 250 миллионов лет в области, очерченной их коллегой-предшественником, непременно взрывается сверхновая звезда. На нашу планету обрушивается весьма интенсивное излучение. В течение пары месяцев его энергия достигает 10³⁹ джоулей.

Они также предположили, что сверхновые звезды оставляют в отложениях породы или слоях льда почти такой же след, как астероиды. Дело в том, что в раскаленной газовой оболочке, которую сбрасывает с себя звезда, начинает работать настоящая химическая фабрика. В течение считанных секунд здесь возникает практически весь ассортимент Таблицы Менделеева вплоть до такого элемента, как калифорний (порядковый номер — 98), который на Земле можно получить лишь искусственным путем.

Если это «химическое» облако, выброшенное сверхновой звездой, достигнет Земли, то в ее атмосферу проникнут некоторые экзотические элементы. Осев на поверхность суши или дно моря, они образуют отложения, — такие же необычные, как и те, что остаются после падения громадного астероида. Разумеется, в случае со сверхновыми звездами не стоит преувеличивать объемы вещества, просыпавшегося на Землю. Так, если звезда взорвется в тридцати световых годах от нас, то общая масса этого вещества составит около десяти миллионов тонн.

Поиск вещества сверхновой звезды в чем-то сродни поиску иголки, провалившейся в стог сена. Его масса в тысячи раз меньше массы астероида, рухнувшего на Землю около 65 миллионов лет назад и, согласно гипоте зам, погубившего динозавров. Если же учесть, что это вещество рассеялось по планете, то отыскать его очень трудно. Его могут выдать только некоторые изотопы, которые не встретишь на Земле, например, железо-60.

В 1999 году в пробах марганца, взятых со дна в южной части Тихого океана, близ острова Питкэрн, обнаружились именно изотопы железа-60. Период полураспада этого радиоактивного изотопа составляет полтора миллиона лет. Он образуется лишь при взрывах сверхновых звезд, причем в количестве, превосходящем массу нашей планеты.

Осенью 2004 года был проведен повторный, уточненный анализ. В образцах железомарганцевых конкреций, взятых со дна океана в трех тысячах километрах от прежнего места, вновь было найдено большое количество железа-60, что позволило уточнить дату чрезвычайного события, случившегося в космической окрестности Земли.

Расчеты показывают, что вещество сверхновой звезды может достичь Земли только в том случае, если взрыв произошел не далее чем в нескольких сотнях световых лет от нашей планеты. Иначе поток звездного вещества настолько замедлит свое движение, что, столкнувшись с солнечным ветром, будет отнесен в сторону от нее.

Судя по количеству изотопов, обнаруженных в пробах, взрыв произошел примерно в ста световых годах от Земли, и случился он около 2,8 миллионов лет назад. В ту пору эта сверхновая сияла в сотни раз ярче полной Луны. Впрочем, выяснить, где она находилась, не удастся. За минувшие миллионы лет нейтронная звезда, оставшаяся на месте взрыва, очевидно, удалилась на тысячу с лишним световых лет от Солнца, а сброшенная ею газовая оболочка разредилась до такой степени, что заметить ее уже нельзя.

Данное открытие стало одним из важных достижений «астрономической археологии», в задачу которой входит, как можно догадаться, изучение океанических осадков в поисках следов давних взрывов сверхновых. «Телескопами» археологов могут служить не только изотопы железа-60, но и гафний-182 и плутоний-244.

В 2002 году звезда V838 Monocerotis стала светиться в 600 тысяч раз ярче нашего Солнца

Кстати, взрывы сверхновых помогут объяснить некоторые загадочные изменения климата Земли в далеком прошлом. Ведь проникая в атмосферу нашей планеты, космическое излучение способствует образованию многочисленных центров конденсации. Планету затягивают облака; солнечные лучи все реже достигают Земли; наступает похолодание. Географы давно определили, что около трех миллионов лет назад климат Земли заметно изменился; наступило длительное похолодание, однако причина его была не ясна. Взрыв сверхновой многое объясняет. Частицы вещества, выброшенного звездой, достигали атмосферы Земли и становились центрами конденсации капелек воды. Поверхность планеты скрылась под пологом облаков. На полюсах скопилось значительно больше льда; в Африке же стало выпадать меньше осадков.

Это событие повлияло и на становление человека. По словам ученых, оно стало «движущей силой человеческой эволюции». Именно около 2,8 миллионов лет назад из рода австралопитеков выделяется ранний вид человека — Homo habilis, «человек умелый». Очевидно, становление этого вида было связано с изменившимися условиями существования. Климат стал более суровым, и лучше всего приспособилась к этим изменениям популяция гоминидов, научившаяся изготавливать орудия. Область ее обитания заметно расширилась. Так что сверхновая звезда благословила род человеческий.

Впрочем, пока влияние взрывов сверхновых на биосферу нашей планеты и эволюцию всего живого на ней детально не анализировалось. Мы можем лишь обрисовать общую схему. Сперва на Землю обрушивается мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, затем — поток быстрых частиц, в основном ядер водорода (протонов).

Такой ультрафиолетовый шок пагубно скажется на планктоне, населяющем моря нашей планеты. Начнется массовое вымирание питавшихся им животных. Затем погибнут хищники, оставшиеся без добычи. Животные вымирают ведь прежде всего потому, что не могут найти достаточного количества пищи, чтобы прокормить себя.

Не случайно в эпоху глобальных катастроф мелким животным легче сыскать нишу для выживания — им требуется меньше пищи, к тому же многие из них питаются насекомыми, которые, как правило, не так сильно страдают в пору бедствий. Кроме того, мелкие животные обычно встречаются чаще крупных и быстрее их размножаются, приносят более многочисленное потомство, меньше времени вынашивают его. Поэтому они лучше приспособлены к катастрофам. Им, как биологическим видам, легче сохраниться. Естественно, мы затронули лишь один из аспектов проблемы.

Стоит отметить и следующее: поскольку количество планктона заметно уменьшится, он будет поглощать все меньше углекислого газа, а это приведет к нарастанию парникового эффекта. Опять же не все животные оказываются готовы к климатическим изменениям. Такова еще одна цепочка последствий взрыва одной из соседних с нами звезд.

Астрономы уже догадываются, где произойдет новый взрыв (об этом смотрите также «З-С», 11/2000). В созвездии Киля (лат. Сarim) — его хорошо видно в Южном полушарии — есть звезда Эта Карины (Eta Carinae). Судьба ее, можно сказать, начертана на небесах. Астрономы по праву называют ее «таинственной звездой». Ее масса в 100–150 раз больше, чем Солнце, и притом она так нестабильна, что может взорваться в любой момент. В последний раз взрыв на ее поверхности наблюдался в 1840 году, после чего от Эта Карины «оторвался кусок», который был массивнее раз в десять, чем наше Солнце. В то время лишь Сириус пылал на небосводе ярче, чем эта пережившая взрыв звезда. Теперь облака газа и пыли заслоняют ее. Туманность Карины протянулась на две с лишним сотни световых лет через весь Млечный Путь. Однако превращения звезды на этом не кончились. Когда-нибудь она еще засияет так же ярко, как Луна.

Причина ее нестабильности кроется в ее массе. Громадная сила притяжения скрепляет остов этого гиганта, но в его недрах вовсю идут термоядерные реакции. Звезду буквально распирает изнутри. Пока две эти силы находятся в равновесии. Однако их паритет обманчив. Достаточно какого-то внешнего фактора, и произойдет такой же мощный взрыв, как и полтора века назад. При таких катастрофах звезду обычно разрывает на части. Эта же звезда, удивляются астрономы, «как-то уцелела». Вот и теперь она может, как тогда, уцелеть после катастрофы, а может и окончательно погибнуть, превратившись в сверхновую.

Земле ее гибель вроде бы ничем не грозит — разве что порадует всех любителей звездного неба. По словам американского астрофизика Марио Ливио (см. «З-С», 1/03), «это будет самое эффектное звездное шоу за всю историю человечества».

Чего доброго, после взрыва Эта Карины в Южном полушарии станет так ярко по ночам, что можно будет сутки напролет читать, например, справочник о поведении сверхновых, даже не включая электрический свет, иронизирует астроном Дэвид Пули из Берклийского университета. Когда-нибудь это произойдет. Когда-нибудь, в ближайшие 50 тысяч лет.

Первобытную живопись можно рассматривать и как «справочник по редким астрономическим событиям», полагает американский астроном Джон Барентайн. Возможно, на одном из таких рисунков, оставленных индейцами, населявшими в древности южную окраину штата Аризона, запечатлен взрыв сверхновой звезды. Речь идет о камне, достигающем метра в поперечнике. На нем можно увидеть несколько символов, в том числе фигуру, напоминающую скорпиона, и звезду. Эти рисунки процарапаны в слое окислов железа и марганца, которые покрывают камень, найденный неподалеку от города Финикс. Возраст изображения — около тысячи лет.

Именно тогда, первого мая 1006 года, вспыхнула сверхновая звезда, о чем и сообщали европейские и азиатские хронисты. «Пожалуй, это самый яркий взрыв сверхновой звезды, который наблюдался на нашей планете за последние пять тысяч лет. Эта звезда светила лишь в четыре раза слабее полной Луны», — отмечает Барентайн.

Она была гораздо ярче Венеры. Ее наблюдали в Европе и Восточной Азии. Впрочем, в средневековой Европе о ней сохранились упоминания лишь в паре монастырских хроник. Например, монах из Санкт-Галленского монастыря записал: «Появилась новая звезда необычайного вида».

По расчетам астрономов, взрыв этой сверхновой был хорошо виден и в Аризоне, где проживали тогда индейцы племени хохокам. Они населяли эту местность в 500 — 1100 годах нашей эры. Известно, что они вели наблюдение за Солнцем.

«Меня особенно заинтересовало, что на камне не только изображена необычайно яркая звезда, но и нарисован рядом скорпион», — заявил в 2006 году Барентайн на ежегодном заседании Американского астрономического общества. Ведь сверхновая 1006 года первоначально появилась в созвездии Волка, но впоследствии наблюдалась уже в хорошо известном созвездии Скорпиона. Индейцы племени хохокам были земледельцами, а потому не могли не всматриваться в звездное небо, чтобы определять смену сезонов.

«И вот они увидели нечто, что достойно внимания, и это побудило их зарисовать данное событие, — отмечает Барентайн. — Еще в донаучную эпоху они были учеными».

Впрочем, точная датировка этих петроглифов невозможна. Их возраст удается определить с погрешностью до столетий. Само же событие — взрыв сверхновой — наблюдалось всего несколько недель или месяцев.

Историки настороженно относятся к гипотезе астронома. Так, Тодд Боствик, археолог из Финикса и специалист по культуре хохокам, отмечает: «Есть сразу несколько рисунков, которые можно принять за изображение планет или взрыва сверхновой звезды. Так что, нужно быть осторожнее».

Остается добавить, что сейчас остатки этой сверхновой располагаются на расстоянии 7100 световых лет от Земли.

Здесь изображен взрыв сверхновой звезды?

Редко кто из нас не обращал внимания на эту приметную звезду — Бетельгейзе, самую яркую звезду в созвездии Ориона. Особенно хорошо наблюдать за ней ясными зимними вечерами. Слева, над плечом легендарного охотника, пылает эта красная точечка — зримый образ громадного светила, что в двадцать раз массивнее Солнца. Светила, которое давно пребывает на смертном одре. Светила, которое расположено на расстоянии всего 400 световых лет от нас. Это — самый близкий к нам красный сверхгигант. Он так велик, что в 1996 году даже удалось сделать фотографию его поверхности — это был единственный пока в истории фоторепортаж с далекой звезды.

Однако покой Бетельгейзе обманчив. Этот гигант изъеден изнутри старостью; он превратился в пылающую оболочку, под которой простираются обширные пустоты. Сейчас Бетельгейзе на три четверти состоит из водородного марева, которое в сотни тысяч раз разреженнее, чем воздух в наших легких и разогрето едва ли сильнее, чем галогеновая лампа. Оставшаяся четверть — очень плотный и раскаленный шар — своего рода бомба, которая непременно взорвется и разметает оболочку. Время взрыва неизвестно, может быть, до него сто тысяч лет, может, гораздо меньше. И тогда над «левым плечом» Ориона вспыхнет факел, который будет светить ярче целой галактики. На протяжении нескольких месяцев взорвавшуюся звезду удастся увидеть на небосводе даже в дневные часы. По ночам же она будет светить так же ярко, как Луна, — вторая Луна некоторых древних мифов и сказок. В любом случае в списке сверхновых звезд, что вспыхнут в нашей Галактике в будущем, одно из первых мест занимает Бетельгейзе — гигант, которому грозит взрыв.

Туманность Бабочки образовалась при коллапсе звезды

Как сообщили американские астрономы, к нашей галактике приближается гигантское облако газа.

Оно имеет массу около миллиона солнечных и движется со скоростью 200 километров в секунду. Облако было обнаружено еще в 1963 году, и считалось, что оно удаляется от Млечного Пути, но последние расчеты показали, что оно движется в его сторону и в ближайшие 40 миллионов лет неизбежно столкнется с ним. Согласно тем же расчетам, это столкновение должно вызвать усиленное звездообразование. Однако соударение произойдет не на том участке, где находится наше Солнце, так что Солнечной системе и в далеком будущем ничего не угрожает.

Галактика ESO137-001 притягивается близким в ней гигантским скоплением галактик Абель3627 и потому мчится в его направлении со все возрастающей скоростью. Встречный «ветер» межгалактического вещества выдувает из нее длиннейший газовый хвост, который, как сейчас определили астрономы, имеет в длину 200 тысяч световых лет — больше, чем наш огромный, даже по галактическим масштабам, Млечный Путь. Но, кроме того, эта галактика впервые показала астрономам, что даже в таком разреженном «хвосте» могут рождаться новые звезды. Это будут очень одинокие звезды, сочувственно говорят астрономы, настоящие сироты, и рождаться они будут лишь до тех пор, пока «ветер» не выдует из «хвоста» все «строительные материалы».

Бомбы темного неба

Александр Волков

Гармония небесных сфер, мир неподвижных звезд — все это астрономическая наука древности. Она вполне заслуживает титула «большое математическое построение» («Мегале синтаксис» — так назывался свод астрономии Клавдия Птолемея), ибо была сродни, скорее, стереометрии. В ее трактовке небо над нашей головой превращалось в однотонный фон, на котором громоздились прихотливые конструкции из больших и малых эпициклов — «каскад» окружностей, увенчанный фигуркой планеты, что перекатывалась по нему. Наблюдение за темным ночным небом незаметно подменялось яркими математическими озарениями, которые следовало поверять сложнейшими вычислениями. Наука астрономия превратилась в головоломную игру, где перечень фигур был известен от века, как вдруг, почти через пятнадцать веков после того, как один из величайших гениев античности Птолемей создал теорию неба, случилось нечто, нарушавшее все устои «игры в звезды».

Представьте себе оторопь шахматистов, которые, расположившись за столиками перед очередным туром крупного международного турнира, разом заметили, что на каждой из расставленных здесь досок клетку d3 занимает невесть откуда взявшаяся фигура — какой-нибудь космонавтик в скафандре. Как прикажете это понимать? Шахматистам оставалось бы лишь придумывать правила передвижения — «законы бытия» — для этой фигуры.

Та же оторопь охватила редкое племя астрономов в ноябре 1572 года. В созвездии Кассиопеи вдруг загорелась звезда, которой там никогда не было, и сияла она так ярко, словно тщилась затмить весь небесный свод. На протяжении двух недель она была различима даже в дневное время. Это неожиданное явление побудило молодого датского дворянина и алхимика-дилетанта Тихо Браге написать свое первое астрономическое сочинение — «О новой звезде».

Теперь мы знаем, что вспышка сверхновой звезды знаменует не рождение, а смерть светила. В момент взрыва звезды происходит синтез тяжелых элементов. Так возникают, в частности, атомы железа — те самые атомы, что входят, например, в состав наших красных кровяных телец. Все эти факты давно уже стали прописными истинами.

Однако сами события, предваряющие смерть звезды, становятся очевидны только теперь. В новейших компьютерных моделях отжившие свое звезды взрываются по всем правилам науки, помогая ученым осознать, что за проклятия навлекают на звезду ее роковой жребий.

«Причины нашего непонимания процессов, протекающих в недрах сверхновых звезд, очень разнообразны, — отмечают астрономы. — Заметно разнятся масса и количество тяжелых элементов, содержащихся в недрах звезды, которой суждено взорваться. А добавьте к этому различные побочные обстоятельства, как то: скорость движения звезды, характеристики магнитного поля, близость других звезд, убыль массы, вызванная звездным ветром. Вот почему взрывы сверхновых так разнообразны».

Лишь с помощью современных компьютеров можно моделировать эти катастрофы — одни из самых жутких событий в истории мироздания после Большого взрыва. Они исстари привлекали внимание летописцев, оставивших нам известия то о сверхновой 1054 года, вспыхнувшей в Крабовидной туманности, то о звезде, просиявшей незадолго до Рождества Христова, как подтверждает сообщение китайского хрониста. Впрочем, в большинстве случаев мы не замечаем этих событий, потому что взорвавшиеся звезды находятся очень далеко от Земли, и облака газа и пыли заслоняют их от наших взглядов. В последний раз люди непосредственно наблюдали за взрывами сверхновых еще до изобретения телескопа, в 1572 и 1604 годах.

Когда же астрономы, вооружаясь все более мощными телескопами, по вели наблюдение за звездным небом, светила ночного свода словно бы перестали взрываться. Конечно, затишье в хаосе звезд обманчиво. В большинстве своем звезды, а значит, и сверхновые звезды, располагаются в спиральных рукавах Галактики. Громадные облака газа и пыли мешают нам вести наблюдение за происходящим в этих «звездных закоулках». Однако у астрономов все же есть достаточно фактов, чтобы выстраивать на них строгие научные теории. Как-никак, в нашем распоряжении имеются сведения о примерно двух сотнях остатков взорвавшихся звезд, обнаруженных в нашей Галактике. Кроме того, телескопы давно уже позволяют изучать жизнь других галактик. В общей сложности астрономы наблюдали уже около двух тысяч взрывов сверхновых, в том числе в 1987 году почти по соседству с Млечным Путем — в Большом Магеллановом облаке. Это позволило достаточно полно описать подобные события.

Сверхновые нельзя «мерить одним аршином». Ученые различают сейчас несколько их типов, основывая свою классификацию на особенностях их спектра. За этой несхожестью спектров кроются фундаментальные различия. Все дело в том, что существуют два разных физических процесса, которые могут привести к взрыву звезды. Чаще всего сверхновые образуются при коллапсе гигантских звезд.

В то же время многие из самых ярких сверхновых порождены термоядерными взрывами белых карликов — реликтов отгоревших звезд размером с наше Солнце. Речь идет о карликах в системе двойных звезд. Они постоянно пожирают находящуюся рядом звезду, пока их масса не достигает магического предела — 1,4 солнечной массы. Тогда карликовая звезда «обрушивается как карточный домик», вспыхивая сверхновой.

В компьютерной модели, созданной учеными Чикагского университета, показаны первые две секунды это го процесса. Разогретый до десяти миллиардов градусов пепел, образовавшийся в недрах звезды в результате термоядерной реакции, поднимается к ее поверхности и обволакивает звезду — раздается взрыв. Остатки звезды уносятся в космическую даль со скоростью свыше 10 тысяч километров в секунду.

Свидетелем подобного события — взрыва состарившейся звезды — стал и Тихо Браге. Фигура, явленная ему в «театре небес», была белым карликом. Рядом с ней располагалась вполне обычная звезда, которую постепенно поглощал карлик, пока, «пресытившись», — достигнув предельной массы, — не взорвался. Кстати, в 2004 году астрономы Барселонского университета обнаружили ту самую жертву — соседку сверхновой.

Остатки взорвавшейся звезды уносятся в космическую даль

Итак, взрыву сверхновой часто предшествует коллапс выгоревшего ядра какой-либо массивной звезды. Все звезды вырабатывают свою энергию за счет термоядерного синтеза — слияния легких элементов и образования более тяжелых. Вначале протекает процесс слияния атомов водорода — недра звезды наполняются гелием. Со временем температура и давление в центре звезды заметно возрастают. Когда, наконец, «загорается» углерод, температура в недрах звезды достигает уже миллиарда градусов.

Компьютерная модель взрыва сверхновой звезды.

_{Верхний ряд (слева направо): через 4,05 секунды; через 51,39 секунды; через 299,1 секунды.}

_{Нижний ряд (слева направо): через 25,2 минуты; через 2,97 часа; через 5,6 часов}

Тем временем, по мере того, как продолжаются термоядерные процессы, возникает все больше нейтрино. Эти «призрачные частицы», беспрепятственно проникающие, к примеру, сквозь толщу Земли, отводят от звезды избыточную энергию. Они практически не взаимодействуют с веществом. Словно призраки или тени, они мчатся почти со скоростью света сквозь космическую даль, не встречая нигде преграды, в то время как кванты излучения с трудом, после многочисленных столкновений с частицами вещества, в течение многих тысяч лет пробиваются на поверхность звезды.

Потоки нейтрино, покидающие недра сверхновой звезды, впервые удалось наблюдать при взрыве сверхновой в Большом Магеллановом облаке в 1987 году. За считанные часы до вспышки сверхновой сразу несколько детекторов зарегистрировали повышенный фон этих неуловимых частиц.

Итак, нейтрино, невидимками пролетая мимо всех звезд и планет, уносят с собой часть энергии породившей их звезды. Та компенсирует потерю энергии, еще быстрее — «еще энергичнее» — сжигая топливо. Звезда выгорает изнутри, словно дом, отданный на растерзание пожару.

Если масса звезды в восемь и более раз превышает массу Солнца, то за несколько десятков миллионов лет она израсходует весь имеющийся в ее недрах водород. Пройдет еще несколько миллионов лет, и будет сожжен весь гелий; через несколько тысяч лет допылают запасы углерода. Последнее, что попадет в ее топку, — кремний. Это отсрочит крах примерно на три недели. Звезда исчерпает свои ресурсы.

На память о былом богатстве останется «слиток металла» — железоникелевое ядро размером с нашу планету и массой, которая превосходит солнечную массу примерно в полтора раза. Атомные ядра железа и других элементов так называемого «железного пика» (кобальта, никеля) имеют максимальную энергию связи в расчете на одну частицу. Присоединение новых частиц к этим атомным ядрам требует огромных затрат энергии, а потому реакция термоядерного синтеза прекращается. Железо — самый стабильный из химических элементов. Его появление — мрачное предвестие. Теперь звезда обречена на гибель.

Можно сказать, все свои средства звезда вложила в этот ценный металл и тем самым вывела их из оборота. «Легкие деньги» водорода и гелия превратились в недвижимость, в «клад», который не сбыть никуда, пока накопленное сокровище не расточит жестокая «революция» — звездный взрыв.

Железное ядро стремительно — со скоростью, лишь в четыре раза ниже световой, — сжимается, образуя необычайно плотную и горячую протонейтронную звезду, диаметр которой составляет порядка тридцати километров. На все про все уходит полсекунды. Звезда мгновенно «падает внутрь себя», словно луч света — в глубокую шахту. «Падают» все ее части. К примеру, электроны «падают», если хотите, втискиваются, внутрь протонов, превращая те в нейтроны (этот процесс протекает с выделением большого количества нейтрино).

23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом облаке вспыхнула сверхновая звезда

Механизм «угасания» звезды не вызывает разнотолков среди ученых. Они подчеркивают, что катастрофический коллапс ядра описан теоретиками достаточно подробно. Гораздо труднее объяснить, почему за этим следует взрыв. Что приводит в работу «спусковой механизм? Что заставляет звезду разлететься на части?

Возможно, дело в «отдаче». «Проваливаясь» внутрь себя, ядро звезды до предела сжимается, пока не «отскакивает» само от себя — как мяч, брошенный в стену, отлетает от нее. Если вы стоите на пути мчащегося назад мяча, он больно ударит вас. Вслед за ядром к центру звезды «проваливается» окружавшая его газовая оболочка. «Отскакивая» само от себя, то бишь разжимаясь, ядро со всего маху, — как мяч по выставленной к нему руке, как камень по стеклу, — бьет по этой оболочке. Такой удар трудно выдержать даже небесному гиганту.

«Поначалу мы думали, что эта коллизия порождает ударную волну, которая и инициирует рождение сверхновой звезды, — отмечает Адам Барроуз, астрофизик из Аризонского университета. — В этом была своя логика, но данный механизм не работал». Расчеты показывают, что при распространении ударной волны наблюдается массовое расщепление атомных ядер железа на свободные протоны и нейтроны. Этот процесс отнимает слишком много энергии. Волна ослабевает, гаснет. Теперь ее энергии хватит лишь на то, чтобы разогреть потоки летящего навстречу газа, но никак не отразить их. Если не будет каких-то других привходящих обстоятельств, то на месте погибшей звезды образуется черная дыра. Место сверхновой звезды окажется вакантно. Но она все же пылает на небосводе. Как же так?

Более сорока лет назад, в 1966 году, Стирлинг Колгейт и Ричард Уайт из Ливерморской лаборатории предположили, что важную роль в возникновении сверхновой звезды играют нейтрино. Образуясь в центре протонейтронной звезды, они мгновенно уносятся вдаль, отводя огромное количество энергии. Ее достаточно, чтобы «поджечь» газовую оболочку умирающей звезды. «Ее достаточно» в гипотезе, однако компьютерные модели, созданные в 1970—1990-е годы, показали, что нейтрино не могут разогреть газ настолько, чтобы коллапс завершился взрывом. Потоки нейтрино чиркают по газовому облаку, словно спичка — по отсыревшему коробку, и не поджигают его. В одной модели, другой, третьей… А звезды тем не менее, взрываются, пусть и не часто.

Может, дело не в звездах, а в моделях? Расчеты, проделанные десятилетия назад, были довольно упрощенными. Они предполагали, что коллапсирующие звезды представляют собой идеальные шары. Чтобы произвести расчет, астрофизикам приходилось игнорировать такие феномены, как вращение звезды или турбулентные (вихревые) потоки, возникающие в газовой среде. Однако и последующие, более сложные трехмерные модели ни к чему хорошему, то бишь плохому, правдоподобному не приводили. Звезды не взрывались. Из искр, сколько их ни высекали, не возгоралось звездное пламя.

По-видимому, проблема в том, что и лучшие модели образования сверхновых звезд значительно упрощают этот механизм. Для детального расчета понадобилось бы около 10²⁰ операций и объем памяти порядка 10¹² бит. Но даже самые быстродействующие современные компьютеры способны производить лишь примерно 10¹² операций в секунду. Потребовалось бы несколько лет непрерывной работы, чтобы создать на таком компьютере одну-единственную модель взрыва сверхновой.

Расчеты сложны по нескольким причинам. Громадные размеры звезды, чрезвычайно высокие температура и плотность. А сколько хлопот доставляют нейтрино, летящие во все стороны! Их энергию, их направление движения тоже надо учитывать. К тому же этих «призрачных» нейтрино — три сорта, и они поочередно превращаются одно в другое. Более сорока лет назад нейтрино на миг сбросили свои маски, продемонстрировав, что не остаются в стороне от взрыва сверхновой звезды, но тут же облачились в новые маски, стали меняться ими.

Наиболее сложные модели показывают, что в газовой оболочке, разогретой потоками нейтрино, возникают мощные конвективные потоки. Как пишет российский астроном Константин Постнов, «складывается ситуация, похожая на ту, которая возникает при попытке налить более плотную жидкость, например воду, поверх менее плотной, скажем керосина или масла. Из опыта хорошо известно, что легкая жидкость стремится «всплыть» из-под тяжелой». Состояние становится очень неустойчивым.

Можно прибегнуть и к другому сравнению — сказать, что газовая оболочка напоминает кипящую воду в котле. Вся ее толща пронизана пузырьками, спешащими подняться наверх. Вот такие же грибовидные пузырьки из раскаленной плазмы в огромном количестве образуются в толще звезды, устремляясь к ее поверхности. Звезда «кипит». Этот водяной котел перегрелся; вот-вот его разорвет — и, да, при определенных условиях он взрывается. Происходит асимметричный взрыв сверхновой звезды. Именно в соответствии с этой моделью распределяются, например, остатки сверхновой, взорвавшейся в созвездии Кассиопеи (на рентгеновских фотографиях, сделанных обсерваторией «Чандра», видно, что газовая оболочка, сброшенная звездой, отлетела почти на 10 тысяч световых лет).

Но бывает ли так со всеми звездами? Ученые по-прежнему не уверены, что именно гигантскими конвективными потоками в толще звезды, поднятыми проносящейся здесь «стаей» нейтрино, можно объяснить все взрывы сверхновых. Адам Барроуз предложил другое объяснение: звуковые волны.

При стремительном сжатии звезды, как показал проделанный им обширный расчет, звезда начинает вибрировать. «В компьютере ее частота поначалу равнялась тремстам герцам». По идее, порожденные этим звуковые волны заметно усиливают ослабевшую, было, ударную волну. Свою лепту вносят и нейтрино, по-прежнему разогревающие газовую оболочку звезды. Взаимное наложение этих процессов и приводит к тому, что звезда вдруг взрывается. Эти звуковые волны становятся той соломинкой, что «опрокидывают» звезду, увлекают ее в пропасть.

Проверить эту гипотезу, впрочем, можно будет, лишь обнаружив наконец гравитационные волны — предсказанные Эйнштейном колебания пространства-времени. Ведь вибрирующая звезда должна порождать эти волны. Когда с помощью специальных детекторов удастся зафиксировать их, это послужит также подтверждением правоты астрофизиков, еще более усложнивших модель образования сверхновых звезд.

В другой модели, тоже имеющей право на существование, энергия вращения звезды преобразуется в магнитную. В некоторых случаях этого оказывается достаточно, чтобы вызвать чрезвычайно асимметричный взрыв звезды, причем ее остатки выбрасываются в космос строго вдоль оси ее вращения. Подобные звезды называют также «гиперновыми»; именно они являются источниками мощных вспышек гамма-излучения.

Туманность Кассиопеи

На месте взорвавшейся гиперновой, по-видимому, остается черная дыра.

Еще одна модель. Звезда взрывается так, что от нее не остается ничего — ни нейтронной звезды, ни черной дыры. Этот механизм срабатывает, впрочем, если масса звезды очень велика — от 140 до 260 солнечных масс — и звезда почти не содержит тяжелых химических элементов. Сейчас подобные звезды крайне редки. Однако в далеком прошлом, предполагают ученые, большинство звезд были очень массивны и бедны химическими элементами.

У подобных сверхтяжелых звезд к моменту коллапса не образовалось железное ядро; их центральная часть содержит лишь такие легкие элементы, как углерод и кислород, которые способны еще поддерживать термоядерную реакцию. При коллапсе температура звезды возрастает, и тогда происходит термоядерный взрыв; звезда разлетается во все стороны, при этом атомные ядра легких элементов сливаются друг с другом, и образуется огромное количество тяжелых элементов, например, изотопа никеля-56. Расчеты показывают, что после одного такого взрыва может образоваться до сорока солнечных масс никеля-56. Взрывы первых сверхновых звезд буквально наводняли молодую Вселенную тяжелыми элементами.

Остатки взорвавшейся звезды — сброшенная ею оболочка — могут неделями и даже месяцами пылать на небесах. Дольше всего светятся самые массивные звезды. Так, сверхновая SN 2006gy, открытая астрономами 18 сентября 2006 года в галактике NGC 1260, за 240 миллионов световых лет от нас, разгоралась в течение 70 дней, а потом еще более ста дней пылала ярче любой другой сверхновой (обычно яркость сверхновой нарастает в течение трех недель, а потом взорвавшаяся звезда начинает меркнуть). По оценке астрофизиков, этот «небесный огонь», вспыхнувший в районе созвездия Персея, пылал в 50 миллиардов раз ярче, чем наше Солнце, и в десятки раз ярче своей родной галактики. Это — самая яркая из всех известных нам прежде сверхновых звезд.

В 2007 году американские исследователи предложили модель, объясняющую природу необычной сверхновой. Согласно ей, звезда взрывалась несколько раз. «Когда заходит речь о сверхновой, мы подразумеваем обычно гибель звезды, — поясняет один из руководителей исследования, Стэнфорд Уосли из Калифорнийского университета, — но в этом случае звезда взрывалась, наверное, полдюжины раз».

Звезда словно скатывалась по ступеням лестницы, постепенно погружаясь в смерть. Она сжималась, сбрасывала часть своей оболочки в окружающее пространство, снова сжималась, снова сбрасывала часть оболочки. Когда две отлетевшие оболочки сталкивались друг с другом, почти вся их кинетическая энергия превращалась в световую. Вот почему эта сверхновая так ослепительно сверкала.

В небесном театре «на бис» загораются лишь самые крупные звезды, чья масса в 90 — 130 раз превосходит массу нашего Солнца. Так, если масса звезды в 130 раз превышает солнечную, то она лишь сбрасывает наружную оболочку и снова приходит в равновесное состояние. В зависимости от температуры в центре звезды это равновесие может продлиться несколько десятилетий, а, может, — несколько часов. И вновь наблюдается нестабильность.

В случае, если начальная масса звезды равняется, например, 110 массам Солнца, то второй раз она взрывается через семь лет после первой катастрофы. Расчеты показывают, что должно пройти еще девять лет, прежде чем звезда в третий и последний раз взорвется, а ее ядро превратится в нейтронную звезду.

Впрочем, в том же номере Nature, где высказал свои соображения Уосли, его нидерландские коллеги дали другое объяснение феномену SN 2006gy. Возможно, необычная яркость этой звезды объясняется тем, что взрыву предшествовало столкновение двух громадных звезд.

Подобные события лишний раз напоминают, что сверхновые звезды взрываются по разным причинам. Только так можно объяснить, почему эти эффектные астрономические события столь многолики.

Унесенные вдаль остатки взорвавшейся звезды, насыщенные тяжелыми элементами, синтезированными в ее недрах, со временем послужат строительным материалом для новых звезд и планет. На некоторых планетах появятся живые существа, в организме которых будут содержаться химические элементы, образовавшиеся в недрах почившей во взрыве звезды, например, железо — в крови. Так что, все мы немного — «звездные мальчики» и «звездные девочки».

• Самая большая звезда — VY Canis Majoris, расположенная в 5000 световых годах от Земли, в созвездии Большого Пса. Диаметр этого сверхгиганта составляет порядка 1,2–1,5 миллиарда километров, что в 900 — 1050 раз больше диаметра Солнца (точно измерить размеры этой громадной звезды пока не удается). Если это далекое светило мысленно поместить в нашу Солнечную систему, оно не оставит места кружащим здесь планетам земной группы: его край, по-видимому, поглотит и орбиту Юпитера. На звание «рекордсмена» претендует и еще одна звезда — красный гигант VV Cephei из созвездия Цефея (ее предполагаемый размер — 800–950 диаметров Солнца).

• Самая яркая звезда — LBV 1806-20, расположенная примерно в 40 тысячах световых лет от Земли в созвездии Стрельца. Этот сверхгигант пылает в 38 миллионов раз ярче нашего Солнца. Предположительно, это — самая яркая звезда, известная пока астрономам. Однако она расположена так далеко от нашей планеты, что мы не можем даже увидеть ее невооруженным глазом. Боль шую часть света, излучаемого ею, поглощают межзвездная пыль и газ.

• Самая массивная звезда — Eta Carinae в созвездии Киля (около восьми тысяч световых лет от Земли). Ее масса составляет примерно 100–150 солнечных масс. Со временем она станет сверхновой звездой. Еще один кандидат на звание рекордсмена в этой категории располагается в созвездии Стрельца. Вероятно, в далеком прошлом во Вселенной пылали звезды, что были раз в триста массивнее, чем Солнце, но все они давно взорвались.

• Самая легкая звезда — Wolf 424B — расположена там же, где и самая тяжелая, в созвездии Киля. Ее масса составляет всего 5 процентов от массы Солнца, или примерно в 52 раза больше массы Юпитера.

• Самая старая звезда — HE 1523–0901 — расположена в созвездии Весов, в 7500 световых лет от Солнца. Возраст этого красного гиганта составляет 13,2 миллиарда лет. Это — самая старая, насколько нам известно, звезда нашей Галактики. Она образовалась всего через 500 миллионов лет после Большого Взрыва, породившего Вселенную. Возраст этой звезды определен по содержанию в ней радиоактивных элементов — урана и тория.

• Самая быстрая звезда — PSR j1748 — 2446ad, что в созвездии Стрельца, за 28 тысяч световых лет от Солнца.

В состав этого двойного радиопульсара входит нейтронная звезда, которая вращается с невероятной скоростью. Всего за секунду она успевает совершить 716,36 оборотов (!) вокруг своей оси.

• Самая компактная звездная система — 4U 1820-30. В шаровом скоплении NGC 6624, на расстоянии 25 тысяч световых лет от Земли, находится двойная звездная система. Она состоит из нейтронной звезды, обращающейся вокруг звезды, в недрах которой еще догорают остатки гелия. Два небесных тела разделяют всего 130 тысяч километров, что почти в три раза меньше расстояния от Земли до Луны.