Сокровенная Вселенная

Среди фотографий, представленных на недавнем конкурсе в Гринвичской обсерватории, одна особенно четко отпечаталась у меня в памяти. На ней две человеческие фигуры с фонариком стоят, окруженные кромешной темнотой, под россыпью звезд. Для меня эта картина — наглядная иллюстрация нашего положения среди необъятных просторов Вселенной: за прошедшие столетия мы осветили лишь небольшой участок вокруг себя, но за его пределами лежит бескрайняя темнота неизвестности, неизведанные чудеса и загадки природы, ожидающие своего первооткрывателя. Именно жажда новых открытий и более глубоких знаний об окружающем мире движут нами в научном поиске.

В какое же удивительное время мы живем! На снимках, сделанных в ходе наших недавних космических миссий, запечатлены невероятные картины, новые миры, впервые увиденные человечеством. Например, на узнаваемых фотографиях миссии Rosetta в мельчайших деталях видны особенности ландшафта кометы Чурюмова-Герасименко. Несомненно, типы кометного рельефа можно в прямом смысле слова назвать неземными — на нашей родной планете вы не встретите ничего подобного. Только задумайтесь, насколько невероятной кажется возможность увидеть все это — ведь никто и никогда до нас не заглядывал в этот уголок Вселенной…

Вспомните завораживающие фотографии Плутона, сделанные миссией New Horizons. Застывшие в вечном холоде, очертания его поверхности оказались намного более замысловатыми, чем в самых смелых предположениях планетологов. Ни один наземный телескоп не способен предоставить нам такие детальные изображения этого мира на самой окраине Солнечной системы. Только передовые технологии, совмещенные с глубокими знаниями, опытом и усердным трудом множества ученых, дали нам беспрецедентную возможность рассмотреть далекую и загадочную карликовую планету. Преодолев миллиарды километров космического пространства, аппарат достиг намеченной цели спустя 9 с лишним лет после запуска. Не только астрономы, но и инженеры, программисты, представители многих других специальностей в составе международной команды неустанно трудились в течение двух десятков лет, чтобы мы смогли увидеть неизведанный мир собственными глазами.

Еще одна невероятная миссия — посадка марсохода Curiosity в 2012 г. Весь мир, затаив дыхание, следил за спуском аппарата на поверхность Красной планеты. Один из моих знакомых членов группы сопровождения после успешной посадки сказал: «Да уж, наши шансы были гдето 50/50». Вскоре Curiosity сделал одну из самых важных «сэлфи» в истории: на фотографии он предстал в целости и сохранности на фоне бескрайних песчаных дюн соседней планеты. Благодаря этой миссии у каждого из нас есть возможность видеть Марс так, если бы он находился прямо под ногами. Опять-таки, через наземные телескопы его можно увидеть только как размытый красноватый диск — а перед камерами марсоходов открываются панорамы совершенно иного мира.

Время, в которое нам посчастливилось жить, не перестает удивлять меня: астронавты могут делать фото с орбиты и загружать их прямиком в социальные сети, а простые люди, оставаясь дома, с помощью Интернета в режиме реального времени наблюдают, как выполняются работы на околоземной орбите. Таким образом, каждый из нас является непосредственным участником всех этих событий благодаря современным технологиям.

Возвращаясь к вопросу о влиянии развития космической техники на повседневную жизнь землян, стоит вспомнить о спутниках, созданных для наблюдения за погодой. С высоты своих орбит они неустанно следят за перемещением воздушных масс, ураганов и тайфунов. Как образуется ветер? В регионах с более высокой температурой теплый воздух оказывает меньшее давление, и соответственно туда стремятся попасть массы воздуха из холодных регионов, где давление выше. Таким образом, возникает воздушный поток, называемый нами ветром. А как образуется дождь? Большинству из вас с детства известно, что вода испаряется из океанов, пар конденсируется в атмосфере и выпадает обратно на землю в виде дождя или снега.

Что же общего между этими двумя процессами? Оба они протекают благодаря тепловому излучению Солнца. Погода и климат на планете в основном определяются активностью нашего светила. Именно его излучение в инфракрасном диапазоне, воспринимаемое нами как тепло, перемещает воздушные массы и испаряет воду с поверхности земли. Без Солнца у нас не было бы никакой погоды.

Итак, тепло поступает к нам от звезды, преодолевая 150 млн км, отделяющие нас от нее. Как вы наверняка знаете, Солнце — самый большой и значимый объект в нашей планетной системе, несравнимо более массивный, чем Земля. Каждую секунду оно вырабатывает невообразимо огромные объемы энергии. Благодаря космическим аппаратам мы можем наблюдать за нашей звездой и рассматривать взрывы колоссального масштаба на ее поверхности во всем великолепии. Возможность увидеть выбросы раскаленной плазмы, многократно превышающие по размеру нашу родную планету, потрясает воображение. Однако источник излучения Солнца находится глубоко под его поверхностью.

На протяжении столетий человечество задавалось вопросом: что же заставляет звезды светиться? И лишь сравнительно недавно наука дала ответ на этот вопрос, будораживший умы поколений. Глубоко в звездных недрах давление триллионов тонн газа сдавливает ядра звезд и разогревает их настолько, что в них запускается процесс термоядерного синтеза — при огромных температурах и давлениях атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что электромагнитное отталкивание не может удержать дистанцию между их ядрами, как в окружающем нас воздухе. Ядра атомов водорода (протоны) сливаются, образуя атомы гелия, и в этом процессе, подчиняясь всем известному закону Эйнштейна E=mc², выделяется чистая энергия — источник излучения звезд.

Родившись в сердце звезды, фотоны — кванты излучения — начинают свой долгий путь к поверхности, сквозь бесчисленные хаотические столкновения с частицами плазмы, бешено бурлящими при невообразимых температурах. В среднем на то, чтобы пробиться и вырваться из ядра, фотонам требуется около 170 тыс. лет (а иногда на то, чтобы найти дорогу «вслепую», путем случайных столкновений, уходит еще больше времени). Еще около недели они блуждают в менее горячих слоях светила, пробиваясь к поверхности. После этого, двигаясь со скоростью света — почти 300 тыс. км/с — они проходят путь в 150 млн км до Земли всего за 500 секунд, или за 8 с небольшим минут. Солнечный свет, который мы видим — ни что иное, как проливающийся на нашу планету каскад этих самых древних фотонов. Частицам, попадающим на сетчатку ваших глаз или нагревающим вашу кожу в солнечных лучах, в среднем 170 тысяч лет, одна неделя и восемь минут. Возраст фотонов, благодаря которым у нас есть погода и загар, превышает время существования человека как вида. Конечно, той же энергией пользуются и все земные экосистемы — употребляя в пищу говядину, мы получаем энергию Солнца, захваченную фотосинтезом растений, позже съеденных этой коровой. Таким образом, нас питает энергия, рожденная в недрах нашей звезды в незапамятные времена.

Всем известно, что окружающий мир составляет материя, которая, в свою очередь, сложена из базовых частиц — атомов различных химических элементов. Например, планета Земля состоит, в числе прочего, из железного ядра и силикатно-карбонатных скальных пород. В нашей атмосфере содержится кислород, котором мы дышим; кроме того, вместе с водородом он входит в состав молекул воды, наполняющей моря и океаны. Землю населяют множественные формы жизни, сотканные в значительной степени из сложных органических молекул на основе углерода. Химия жизни очень непроста и вовлекает в себя огромное количество разнообразных химических элементов в различных пропорциях.

Очевидно, что все вокруг состоит из базовых «кирпичиков», и в течение многих десятилетий центральным вопросом астрофизики было их происхождение: откуда появились атомы, из которых построен мир? В поисках ответа мы обратились к космосу — и оказалось, что те же самые химические элементы обнаруживаются во Вселенной повсеместно. Помимо водорода и гелия (самых распространенных элементов), полученные данные свидетельствуют о присутствии других, более тяжелых атомов. На широко известных снимках туманностей, сделанных космическим телескопом Hubble, разные химические элементы представлены различными цветами.

Откуда же происходит все это разнообразие? Присущая людям жажда найти ответ на этот вопрос объяснима: без углерода, являющегося основой для химии жизни, без кислорода, которым мы дышим, входящего в состав воды, которую мы пьем, и без кремния, составляющего большую часть пород под нашими ногами, само существование человечества было бы принципиально невозможным. Ничуть не удивительно, что ученые испокон веков задавались вопросом и строили догадки о происхождении материи, из которой состоит удивительная планета, породившая бурное многообразие жизни.

Сегодня многие люди знают, что начало эволюции нашей Вселенной положил Большой Взрыв. Это верно, однако из того, что нам известно об этом самом первом событии, вытекает, что изначально в результате него могли появиться только самые легкие элементы — водород, гелий и совсем немного лития. На заре своего существования Вселенная была наполнена самыми простыми атомами. К сожалению, создать планету или тело живого организма исключительно из водорода не получится, а значит, материалов, возникших при рождении Вселенной, было недостаточно, чтобы образовался привычный человеческому взору пейзаж.

Ответ на вопрос, откуда взялись элементы тяжелее водорода и гелия, также сокрыт в недрах массивных звезд. Мы уже говорили о том, что в сердце Солнца температура и давление настолько высоки, что заставляют ядра водорода, сталкиваясь, сливаться в ядра гелия. Таким же образом в глубинах звезд путем хаотических столкновений атомов с колоссальной энергией образуются все более тяжелые элементы.

Задумайтесь о том, что это значит для нас. Звезды кажутся — и, по сути, являются — далекими и недостижимыми, но наша связь с ними глубинна и крепка: мы состоим из порожденного ими вещества. Практически каждый атом в вашем теле раньше был составной частью давно потухшей звезды предыдущих поколений. Звезды и люди созданы из одних и тех же материалов, и мы являемся их прямыми наследниками.

Однако масса таких звезд, как наше Солнце, недостаточна, чтобы произвести весь набор тяжелых элементов. В основном в процессе термоядерного синтеза они «переплавляют» водород в гелий, но на большой глубине высокие температуры и давления позволяют «запустить» дальнейший синтез, в результате которого образуются кислород и углерод. В недрах более массивных звезд, чья гравитация из-за огромной массы сдавливает газ еще сильнее, разогревая его еще больше, могут образовываться неон, магний, кремний и сера. А в самом ядре, где температура и давление максимальны, возможно появление даже таких тяжелых элементов, как никель и железо.

Несмотря на то, что звезды кажутся нам вечными и неизменными, это вовсе не так: каждая из них однажды израсходует свой запас топлива, и жизнь ее подойдет к концу. То, как завершится жизненный цикл звезды, зависит от ее массы — для нашего Солнца, например, исчерпание топлива на исходе существования будет сопровождаться раздуванием и расширением внешней оболочки, оно превратится в красного гиганта, увеличившись в диаметре в сотню раз. Границы Солнца к тому моменту будут находиться приблизительно там, где сейчас пролегает орбита Земли, и даже если оно не поглотит нашу планету, жара умирающего светила точно будет достаточно, чтобы задолго до этого выжечь дотла все на ее поверхности.

На этом история Солнца не закончится. Достигнув максимального размера, оно сбросит в открытый космос оболочку, в которой ранее образовывались гелий и более тяжелые элементы, и «оросит» остатки Солнечной системы плодами своей жизнедеятельности. Космический телескоп Hubble запечатлел множество звезд на финальной стадии эволюции — красивые газовые пузыри, называемые планетарными туманностями. На фотографиях они предстают в виде разноцветных колец, расходящихся концентрическими окружностями от яркой точки в центре — белого карлика, обнаженного остывающего ядра умершей звезды.

Тем не менее, вопрос о происхождении элементов нельзя назвать полностью решенным: даже самые массивные звезды способны производить атомы не тяжелее железа (самого стабильного атома). Откуда же берутся все остальные элементы периодической таблицы?

Разгадка кроется в голубых гигантах — горячих сверхмассивных звездах настолько огромных размеров, что, окажись одна из них на месте Солнца, она достигла бы орбиты Юпитера. Голубые гиганты в десятки раз тяжелее нашего родного светила, а температура и давление внутри них несравнимо выше. Смерть таких огромных звезд не бывает спокойной и тихой: вместо того, чтобы медленно расширяться и постепенно сбрасывать оболочку, они, исчерпав свое топливо, гибнут в колоссальной вспышке катастрофического масштаба, становясь сверхновыми. Взрывы сверхновых настолько сильны, что сопоставимы разве что с самим Большим Взрывом — количество излучения и энергии, выделяемых во время вспышки, может превосходить произведенное Солнцем за всю его прошлую и предстоящую жизнь. Именно в непродолжительных вспышках сверхновых, длящихся лишь миг в сравнении с жизненным циклом звезд, условия оказываются настолько экстремальными, что становится возможным синтез самых тяжелых элементов — таких, как медь, серебро, золото, платина, уран… Каждый атом в украшениях из драгоценных металлов, которые мы покупаем, дарим, носим, был «выкован» в катастрофической вспышке умопомрачительной мощности, ознаменовавшей смерть древней сверхмассивной звезды. Золотое кольцо на вашем пальце — это зола угасшего светила размером со всю внутреннюю часть Солнечной системы, взорвавшегося задолго до рождения Солнца и планет. Наши собственные тела и все, что нас окружает — пепел звезд, озарявших Вселенную в далеком прошлом.

Смешиваясь с окружающими газом и пылью, остатки предыдущих поколений звезд собираются в облака, которые сжимаются под собственным весом все сильнее, разогреваясь по мере сжатия — так зажигаются новые звезды следующих поколений. В регионах звездообразования, богатых газом и «строительными материалами», оставшимися после смерти предшественниц, образуются скопления молодых светил, как, например, в звездной колыбели на снимке телескопа Hubble с ее знаменитыми «Столпами Творения».

Однажды из такого же газово-пылевого облака, оставленного после себя погибшими древними звездами, родилось и наше Солнце. Сталкиваясь, частицы газа и пыли, не вошедшие в состав самой звезды, но захваченные ее гравитацией, образовывали все большие по размеру комки и камни; те притягивали соседние и росли, формируя огромные глыбы. Множество объектов разных размеров, обращаясь вокруг молодого светила, сталкивались, разрушались и формировались снова, пока самые крупные из них не собрали достаточно вещества, чтобы стать планетами, которые мы знаем. Так из материала, «выкованного» в недрах древних угасших звезд, образовалась и наша Земля.

Прикасаясь к себе, к окружающим предметам и всему, что вам дорого, вы на самом деле прикасаетесь к продуктам жизни и смерти звезд. Наш интерес к ним основан не только на праздном любопытстве — мы целиком и полностью сотканы из них. Известный астроном Карл Саган говорил, что все мы созданы из звездного вещества, и это чистейшая правда.

Если вы просто сидите, ничего не делая, вам кажется, что вы не двигаетесь. Но это не так: Земля неустанно вращается вокруг собственной оси и по орбите вокруг Солнца, которое, в свою очередь, обращается вокруг галактического центра. В сложном гравитационном танце галактики кружатся вокруг общего центра масс Местной группы. Все во Вселенной находится в постоянном, непрестанном движении.

Изучение галактик — одно из основных направлений современной астрономии. Дело в том, что многие данные легче собрать, наблюдая за другими, даже весьма удаленными галактиками, нежели за нашей собственной: поскольку мы находимся внутри нее, увидеть ее целиком не представляется возможным. Изнутри Млечный Путь предстает перед нами в виде широкой полосы из множества звезд и подсвеченных их рассеянным излучением газово-пылевых облаков, простирающейся через ночное небо. Используя данные наблюдений и имеющиеся сведения о строении галактик, ученые составили карту нашей звездной системы, отображающую основные элементы ее структуры.

В нашем «галактическом городе» мы живем в малонаселенном спальном районе вдали от бурлящего активностью делового центра. Но что же расположено в самом его сердце? Что находится в центре Галактики и заставляет даже звезды на окраинах, в десятках тысяч световых лет, обращаться вокруг него? К сожалению, рассмотреть центральную область в доступном глазу диапазоне спектра невозможно, поскольку облака пыли, клубящиеся вокруг нее, заслоняют ее от наших пытливых взоров. Тем не менее, мы живем в удивительное время — сегодня мы обладаем возможностью исследовать весь спектр электромагнитного излучения с помощью радиотелескопов и прочих современных наблюдательных инструментов.

Несмотря на то, что пыль — непреодолимое препятствие для электромагнитных волн видимого диапазона, инфракрасное, рентгеновское и радиоизлучение легко «пробивается» сквозь пылевые облака. На снимках, сделанных с помощью рентгеновских и инфракрасных обсерваторий, можно увидеть потоки газа, с бешеной скоростью обращающиеся вокруг галактического центра. Кроме того, там расположено невероятно плотное скопление очень быстро движущихся звезд — множество светил столпилось в области размером всего в несколько световых дней. Наверняка с поверхности планет этих звезд открывался бы неописуемый вид… но уверен, что побывать там вы бы точно не захотели (да и едва ли у них могут быть планеты).

Примерно 20 лет назад, когда «Астрофест» только начинал проводиться, был получен один из самых удивительных, по моему мнению, астрономических результатов. В течение нескольких лет ученые наблюдали в инфракрасном диапазоне за движением звезд в центре Галактики, расположенных всего в десяти световых днях от центра масс нашей звездной спирали. Сама точка, вокруг которой происходит вращение, выглядит пустой и абсолютно темной. Из последовательных снимков этого региона, полученных астрономами на протяжении полутора десятков лет, был собран видеоролик, на котором отчетливо видно, как светящиеся шары звезд обращаются вокруг абсолютно пустого места в центре. По крайней мере, такое впечатление складывается из-за отсутствия излучения от этого загадочного притягивающего объекта.

Законы гравитации, открытые сэром Исааком Ньютоном, применимы ко всему во Вселенной. Поэтому, используя данные о размерах орбит и скорости, с которой звезды движутся вокруг галактического центра, можно рассчитать массу невидимого объекта в самом его сердце — она превышает 4 млн масс Солнца. При такой массе и компактном размере объект в центре Млечного Пути не может быть ничем иным, кроме как сверхмассивной черной дырой — мощнейшим источником искажения пространственно-временного континуума.

Поскольку Солнце расположено «на окраине галактического города», ему требуется не год и не столетие, а целых 220 млн лет на каждый виток вокруг центра Галактики. В прошлый раз, когда оно проходило тот же участок орбиты, что и сейчас, динозавры только начинали доминировать в доисторической фауне. И в данный момент вы вместе с Землей и Солнцем неизбежно продолжаете путь по орбите радиусом 26 тыс. световых лет вокруг сверхмассивной черной дыры. В следующий раз, когда вдали от городских огней в безлунную ночь вы посмотрите на таинственное свечение Млечного Пути, задумайтесь о том, что где-то там, в его центре, сокрыта невидимая, но колоссальная сила, и прямо сейчас, глядя на обильную россыпь звезд, вы несетесь сквозь пространство, увлекаемые ею.

Яркий пример того, что астрономия неизбежно влияет на развитие технологий, наверняка лежит у вас в кармане — современные мобильные телефоны имеют как минимум три функции, изначально разработанные для постижения тайн космоса. Во-первых, это фотокамера. Системы, способные в течение длительного времени накапливать свет, уже многие годы используются астрономами для наблюдений за далекими и тусклыми объектами. Позже электронные детекторы, позволяющие делать длительную экспозицию, нашли применение в фотографии. Беспроводная связь Wi-Fi была изобретена австралийскими радиоастрономами для передачи данных между телескопами. И наконец, наверняка в вашем телефоне есть программа для высокоточного определения вашего местоположения, использующая слабые и часто едва различимые сигналы от спутников на околоземных орбитах. Программы для выделения таких слабых импульсов разработаны астрономами, «охотящимися» за излучением далеких черных дыр в потоке хаотического фонового шума.

Помимо использования в реальной жизни, астрономические открытия и достижения находят отражение в искусстве и культуре цивилизации: эфиры телеканалов и афиши кинотеатров пестрят фильмами в жанре научной фантастики, узоры и принты на космическую тему пользуются популярностью среди любителей моды, а многие ученые и исследователи становятся знаменитостями благодаря своей научно-популярной и просветительской деятельности.

Несомненно, астрономия — не единственная научная отрасль, ответственная за прогресс и технологические инновации. На благо человечества работает множество великолепных инженеров, программистов, врачей… Занятия наукой, знание фундаментальных законов природы способствуют развитию логического мышления, навыков по решению задач, умения взвешивать значимость фактов и проверять достоверность данных. Кроме того, для совершения открытий и научных прорывов важны умение работать в команде, самоорганизация и дисциплина, воображение и изобретательность. Специалисты, имеющие научную подготовку, востребованы на производствах, в бизнесе, финансовом и государственном секторах, в образовательной сфере, медицине, искусстве.

Надеюсь, мне удалось показать вам нашу Вселенную с немного иной, непривычной стороны и продемонстрировать, насколько наша связь с ней глубинна и фундаментальна. Каждый из вас может поделиться с близкими и друзьями идеями о нашей близости с космосом и пониманием того, насколько полезны плоды научного прогресса и как важна поддержка науки обществом для развития цивилизации.