Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса: читать начало книги онлайн

В компании приятелей-астрономов я устроился на ковре в маленькой комнате без окон — и там своими глазами увидел первые снимки Нептуна, переданные с Нептуна. Пока они медленно, строка за строкой, выстраивались на телевизионном мониторе, черно-белые изображения показывали серую планету с отчетливым темным пятном и яркими полосами (рис. 4.6). Становилось очевидно, что Нептун напоминал Юпитер с его Большим красным пятном, только полос на нем было поменьше. Я не спал до рассвета, пока шесть часов спустя на мониторе не начали прокручиваться изображения Тритона, крупнейшего спутника Нептуна. Ого! Я даже и не мыслил увидеть нечто подобное. Сморщенную, словно дыня, поверхность Тритона испещряли мириады темных прожилок, протянувшихся там, где когда-то давно извергались ледяные гейзеры. Это было невероятно.

Рис. 4.6. Снимок Нептуна с «Вояджера-2». Видны атмосферные полосы и Большое темное пятно. Рядом, для сравнения, помещена Земля. (Материалы любезно предоставлены NASA / Лабораторией реактивного движения Калифорнийского технологического института [NASA/JPL–Caltech].)

Многоволновые изображения, спектроскопия и зондирование системы Нептуна in situ по-прежнему дают нам «львиную долю» всех наших сведений об этом далеком мире. Так мы узнали, что планета обладает сильным магнитным полем, а ее магнитная ось, как и у Урана, значительно наклонена и смещена от центра (рис. 4.5). Кроме того, Нептун напоминает Уран по размеру и массе, и поэтому, по всей видимости, сходен с ним как по внутреннему строению — камень, слякотная вода, жидкий водород, — так и по составу атмосферы, в которой присутствуют газообразный водород, гелий и метан. По виду Нептун определенно более голубоватый, чем Уран, — возможно, из-за того, что на нем выше концентрация атмосферного метана, или по причине иного, неизвестного атмосферного эффекта. Также Нептун излучает значительно больше тепла, чем получает от Солнца, и этот тепловой избыток объясняет наличие сильных ветров и циклонической активности, которое обнаружил «Вояджер-2». После того как мы получили с зонда первые снимки Нептуна, наблюдения за планетой велись с помощью космического телескопа «Хаббл», и мы увидели, что темные пятна, яркие облака и различные полосы появляются и исчезают. И более того, к середине 1990-х годов, когда «Хаббл» начал получать снимки Нептуна, Большое темное пятно, запечатленное «Вояджером-2», уже исчезло.

Сейчас известно, что вокруг Нептуна обращаются четырнадцать спутников, названные в честь второстепенных водных божеств из греческой мифологии. Шесть из них обнаружил «Вояджер-2», а о самом недавнем открытии объявили в 2013 году, спустя двадцать четыре года после той эпохальной встречи. Безусловно, самый крупный из спутников — Тритон. Приборы на борту «Вояджера-2» показали, что его поверхность покрывают различные виды снега, в том числе замороженный азот, вода и углекислый газ. Если бы Титан, спутник Сатурна (имеющий схожий размер), можно было перенести на орбиту Нептуна, его плотная атмосфера (имеющая схожий состав), вероятно, кристаллизовалась бы и выпала на поверхность в виде снега. А поэтому Тритон, скорее всего, лишен атмосферы: на нем просто слишком холодно, чтобы ее поддерживать.

Плутон

До самого недавнего времени считалось, что Тритон, спутник Нептуна, — это приемлемый аналог Плутона с точки зрения размера, массы и состава. Однако все изменилось в 2015 году, когда миссия «Новые горизонты», пролетев мимо ледяной карликовой планеты, сделала яркие снимки ее неоднородной поверхности. Оказалось, что у Плутона, проецируемая площадь поверхности которого ненамного выше, чем у Бразилии, много интересных особенностей, указывающих как на древнюю, так и на более близкую к нашему времени криогенную активность, совершенно непохожую на ту, что наблюдается на Тритоне.

Космический мусор

В Солнечной системе много небесных объектов, которые гораздо меньше восьми главных планет. Они занимают три отчетливых кольца, окружающих Солнце. Большинство каменистых тел располагаются между орбитами Марса и Юпитера, в так называемом поясе астероидов. Их сотни тысяч, но их общая масса не превышает 4 % массы Луны. Около половины этой массы содержится в четырех крупнейших объектах — это Церера, Веста, Паллада и Гигея. В начале XIX века, когда их впервые удалось обнаружить, им присвоили статус планет, что увеличило общее число последних в Солнечной системе. Но позже, когда таких небесных тел стало еще больше, знаменитые астрономы решили понизить их статус до малых планет или просто астероидов — и сделали это в 1850-х годах.

Аналогичное понижение статуса Плутона произошло в 2006 году по той же причине. Подобно многим малым планетам, составляющим пояс астероидов, Плутон и его многочисленные карликовые родственники, расположенные за орбитой Нептуна, занимают общее кольцо — пояс Койпера. Считается, что в этой ледяной бездне рождаются все кометы. Однако основное «хранилище» комет сегодня находится гораздо дальше — это облако Оорта. Мы знаем это, поскольку скорость многих комет, проходящих на наших глазах через внутренние области Солнечной системы, позволила бы им в самой дальней точке пути отдалиться от Солнца на 5000–50 000 а. е. и оказаться далеко за пределами пояса Койпера.

Как астероиды, так и кометы порой обретают такую орбиту, что проходят тревожно близко к Земле. Их мощные удары оставили на нашей планете не только множество кратеров, но и железные и каменные метеориты, которые можно найти в музеях естественной истории.

Завершающий пассаж

Уже на протяжении 60 лет мы отправляем к планетам космические аппараты, и за это время мы своими глазами увидели невероятные миры, каждый из которых поразительно отличается от других и рассказывает свою волнительную историю. Однако описания, приведенные выше, следует воспринимать как наилучшие современные оценки, которые могут радикально обновиться в любой момент. Карл Саган, планетолог и популяризатор науки, когда-то выразился так: «Где-то далеко своего открытия ждет нечто невероятное». И действительно, изучать Солнечную систему в XXI веке — значит возвести эти слова в рабочий принцип.

За пределами Солнечной системы нас ждет головокружительное разнообразие звезд. Но прежде чем отправиться к ним, нам следует получше познакомиться с нашей родной звездой — Солнцем.

5. Звезда по имени Солнце

Галилео Галилей. Диалог о двух главнейших системах мира

Наша звезда властвует над остальными планетами и осколками, как Бог над смертными людьми. Неудивительно, что во многих пантеистических древних культурах Солнце почиталось как главное божество. Сегодня астрономы знают, что оно в 109 раз больше, в 1,3 миллиона раз объемнее и в 333 000 раз массивнее Земли. Озаряя космическое пространство, Солнце излучает в верхние слои земной атмосферы 1350 Вт/м2 энергии, причем около двух третей от этого излучения доходит до поверхности нашей планеты. Проследив за этим излучением на протяжении 150 млн км, разделивших Землю и Солнце, астрономы подсчитали, что абсолютная светимость нашей звезды составляет около 4 ∙ 1026 Вт — это 400 триллионов триллионов ватт. За одну секунду Солнце вырабатывает достаточно энергии, чтобы удовлетворить все текущие потребности человечества на следующие 845 000 лет.

Строение Солнца

Согласно лучшей модели, которую нам удалось создать, Солнце представляет собой шар из перегретых газов, который сам поддерживает свою деятельность. В каждом слое внутренней части Солнца вес вышележащего вещества в точности уравновешивается внешним давлением, которое в этом слое оказывают горячие газы (рис. 5.1). Этот идеальный баланс между гравитацией, направленной внутрь, и давлением, направленным наружу, известен как гидростатическое равновесие. Чем глубже слой, тем больше вес вышележащего вещества — и тем выше давление, необходимое для противодействия этому весу, а возрастает оно благодаря сочетанию большей плотности газа и более высоких температур. Объединив основные законы термодинамики с гравитационной физикой, астрофизики смогли вычислить радиальные профили плотности и температуры, которые, по всей видимости, характерны для Солнца (рис. 5.2).

Рис. 5.1. Благодаря гидростатическому равновесию Солнце не сжимается само по себе и не расширяется бесконтрольно. В каждом слое весу вещества, давящего сверху, противостоит равное давление, оказываемое на этот слой нагретыми газами. В самых глубоких слоях сила гравитационного притяжения и сила давления достигают огромных значений. (По источнику: Horizons: Exploring the Universe, Michael Seeds, Cengage Learning [2002].)

Рис. 5.2. Радиальные профили плотности и температуры газа внутри Солнца, рассчитанные исходя из основных законов ньютоновского тяготения и классической термодинамики. Первичный источник энергии находится в ядре Солнца, высокая температура и плотность которого позволяют совершаться термоядерным реакциям. Энергия, выделяемая в ходе этих реакций, восполняет энергию, излучаемую в космическое пространство с поверхности Солнца.

Плотность в ядре Солнца превышает плотность любого земного вещества. Преодолев половину пути от ядра до видимой поверхности Солнца, газы разрежаются на два порядка, достигая значений плотности, близких к таковым у воды (около 1 г/см³). Примерно на 90 % пути к поверхности плотность эквивалентна плотности земной атмосферы на уровне моря, а затем она «входит в крутое пике» и в конечном счете стремительно падает, понижаясь более чем на десять порядков (в 10 миллиардов раз) по мере того, как мы удаляемся от видимой поверхности в разреженную атмосферу Солнца — корону.

Энергия Солнца

Температура в ядре Солнца оценивается примерно в 15 млн кельвинов. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля (–273 °C). Температура наших тел примерно равна 37 °C, что эквивалентно 310 К. Солнечное ядро намного-намного горячее. Наряду с несколькими квантовыми эффектами этого хватает, чтобы четыре атомных ядра водорода (4 протона) слились в одно атомное ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона), а возникающий при этом избыточный заряд выделился в форме двух позитронов. Масса четырех сочетающихся протонов превышает массу одиночного атомного ядра гелия, причем излишек составляет 0,007 от изначальной массы протонов (просто подумайте о Джеймсе Бонде). Он преобразуется в энергию в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc2, где E — излишек энергии в расчете на реакцию, m — излишек массы (0,007 от реакционной), а с — скорость света (с = 3 ∙ 108 м/с). Поскольку скорость света — невероятно большая величина, даже небольшой излишек массы может привести к огромному излишку энергии. По ходу термоядерной реакции избыточная энергия высвобождается в виде гамма-квантов и нейтрино (рис. 5.3). Солнечное ядро, в котором протекают термоядерные реакции, обладает достаточной массой, чтобы подпитывать себя энергией в течение 10 млрд лет. Поскольку Солнечной системе не более 5 млрд лет, Солнце, по всей видимости, будет ярко светить еще в течение такого же срока.

Рис. 5.3. Цепочка протон-протонных термоядерных реакций, которая, как полагают, питает Солнце. Четыре протона (атомные ядра водорода) в конечном счете сливаются в одно атомное ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. Избыточная энергия высвобождается в виде гамма-квантов и нейтрино. (Материалы любезно предоставлены Wikimedia Commons.)

Этот чудесный источник энергии, питающий Солнце, не появился бы, если бы на субатомном уровне не произошли некоторые поистине таинственные явления. Вы можете подумать, что температура в ядре Солнца, доходящая до 15 млн °C, крайне высока — но даже этого пекла недостаточно, чтобы протоны соединились и преодолели взаимное отталкивание, которое их электрические поля оказывают друг на друга. Впрочем, еще не все потеряно, поскольку протоны иногда могут обойти электростатическое отталкивание при помощи процесса, называемого квантовым туннелированием. Проще говоря, если протон сталкивается с другим протоном достаточное количество раз (скажем, 10¹⁰ раз), вероятность того, что один из них преодолеет электростатический барьер другого, становится значительной. Вероятности квантового туннелирования как раз хватает для того, чтобы в плотном ядре Солнца, с его «мизерной» температурой в 15 млн °C, протекал термоядерный синтез.

Перенос энергии