100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд

Киппенхан Рудольф

Рис. 0.1. На расстоянии примерно два миллиона световых лет от нашего Млечного Пути, к которому относятся все видимые на снимке отдельные звезды, находится галактика Андромеды. Она выглядит как эллиптическое туманное пятно. Лишь с помощью мощнейших телескопов можно различить в этом «тумане» отдельные звезды. Многие галактики обладают спиральной структурой, подобной той, которая видна на снимке. Со стороны галактики Андромеды наш Млечный Путь имел бы аналогичный вид. (Калифорнийский технологический институт и Институт им. Карнеги, Вашингтон.)

На рис. 0.4 показана другая звездная система, на которую мы смотрим перпендикулярно ее плоскости. То, что наша система Млечного Пути и другие, часто спиральные туманности, видимые на небе, имеют одну и ту же природу, было с уверенностью доказано только в 1924 г. Небольшие, слабо светящиеся, часто эллиптические туманные диски наблюдали на небе уже давно.

Их называют спиральными туманностями. Уже в 1755 г. Иммануил Кант, которому в ту пору был 31 год, сравнивал их с нашей собственной звездной системой в своей книге «Всеобщая естественная история и теория неба»: «Если посмотреть на такое собрание неподвижных звезд (Кант имел в виду наш Млечный Путь) глазами стороннего наблюдателя, находящегося неизмеримо далеко от него, то это собрание, видимое под очень малым углом, будет выглядеть как небольшой светящийся кружок, если его плоскость перпендикулярна направлению взгляда, или как эллипс, если смотреть на него под некоторым углом». Отсюда Кант сделал вывод, что эллиптические туманности представляют собой звездные системы, подобные нашему Млечному Пути, удаленные от нас на огромные расстояния. Он писал далее: «Вполне можно предположить, что эти эллиптические образования представляют собой такие же совокупности миров, как наш Млечный Путь, с такой же сложной структурой». Потребовалось почти двести лет, чтобы это предположение подтвердилось.

Рис. 0.4. Спиральное облако М51 в созвездии Гончих Псов. Мы смотрим перпендикулярно плоскости Млечного Пути. Светлые спирали — места, где яркие голубые звезды возбуждают свечение межзвездного газа. Свет от этих звездных систем дошел до нас примерно за 12 миллионов лет. (Снимок Военно-морской обсерватории США, Вашингтон.)

Солнце и мы вместе с ним — расположено вблизи экваториальной плоскости нашего Млечного Пути. Если посмотреть в окружающее пространство в направлении, перпендикулярном плоскости Галактики, то мы увидим относительно мало звезд. Если же мы посмотрим вдоль плоскости Галактики, то в наше поле зрения попадет множество звезд (как показано на рис. 0.2). Поэтому плоский диск нашей звездной системы образует светящуюся полосу, которая тянется через всю небесную сферу: это хорошо видно на снимке, сделанном с помощью широкоугольной камеры (рис. 0.3).

Рис. 0.2. На примере галактики Андромеды хорошо видно, почему наша Галактика выглядит на ночном небе как полоса Млечного Пути. Если наблюдатель смотрит перпендикулярно плоскости галактического диска, в котором расположена его планета, то перед ним открывается картина, похожая на изображенную слева вверху: в поле зрения попадает относительно мало звезд. Если же он посмотрит вдоль направления, лежащего в плоскости галактического диска, то он увидит светлую полосу, состоящую из множества звезд (как показано на фотографии справа вверху).

Рис. 0.3. Млечный Путь, сфотографированный с помощью широкоугольной камеры. Темные полосы на изображении обусловлены конструктивными особенностями камеры. (Снимок В. Шлоссера, Астрономический институт Рурского университета в Бохуме.)

Однако диск нашей Галактики образован не только звездами. Светящиеся межзвездные облака свидетельствуют о том, что пространство между отдельными звездами нельзя считать пустым. Примерно одна сотая часть массы всей нашей Галактики не сосредоточена в звездах, а заполняет межзвездное пространство. Химический состав этого вещества совпадает с составом Солнца, однако его плотность составляет всего одну миллионную часть одной миллиардной части плотности Солнца. В этом межзвездном газе существуют крошечные пылевые частицы. Межзвездные пылевые облака ослабляют свет звезд, которые находятся за ними, и эти звезды кажутся нам более красными, чем на самом деле. Точно так же Солнце на закате кажется нам красным, поскольку его свет проходит через запыленную земную атмосферу. Частицы межзвездной пыли очень малы, их средний диаметр составляет всего около одной десятитысячной миллиметра.

Звезды, газовые и пылевые облака Млечного Пути медленно обращаются вокруг центра Галактики и совершают один полный оборот за 100 миллионов лет. Но жизнь звезд нельзя назвать спокойной. Многие из них объединены друг с другом в двойные системы и обращаются вокруг общего центра масс за годы, дни или даже часы. Другие регулярно разгораются и меркнут, увеличиваясь и уменьшаясь в диаметре, словно дышат. Время от времени некоторые звезды взрываются и затем светят настолько ярко, что их свет сравним с сотнями миллиардов других звезд Галактики. Другие звезды светят не равномерно, а вспышками, которые следуют друг за другом с интервалами порядка нескольких сотых секунды.

Этой грандиозной мистерии природы противостоит горстка астрономов на Земле, крохотной планете, обращающейся вокруг ничем не примечательной звезды. Эти люди пытаются понять процессы, происходящие в космосе. С помощью приборов, изготовленных из вещества своей планеты, они наблюдают на своих обсерваториях за процессами во Вселенной и даже поднимают свои телескопы с помощью ракет высоко за пределы земной атмосферы, затрудняющей их

наблюдения. Некоторые люди путают их с астрологами, которые не имеют ничего общего с истинной астрономией. Другие восхищаются этими учеными, поскольку они имеют дело с понятиями и масштабами, к которым не применимы наши обыденные взгляды и представления. В своей работе они становятся на один шаг ближе к разгадке тайны бытия. Однако из познания не вытекают нравственные нормы и законы. Близость к огромному и вечному сама по себе не делает астрономов и астрофизиков лучше. Ими движет, как правило, не только стремление к знанию. Соображения карьеры и конкуренция играют в их жизни не меньшую роль, чем у других людей. Более того, честолюбие является побудительной причиной многих научных открытий. Однако среди астрономов мы найдем и бескорыстное стремление к познанию, и многостороннюю взаимопомощь, и дружеское сотрудничество. Такие факты неоднократно упоминаются и на страницах этой книги. Научные сведения добывают такие же люди, как и все мы, и поэтому наши знания о мире почти всегда неполны, а зачастую и ошибочны. Однако дорога, по которой идет астрономическая наука, начиная от Вавилонского царства до появления современной астрофизики, ведет нас вперед, несмотря на многочисленные ухабы и повороты.

Итак, место действия определено, действующие лица представлены, можно начинать нашу пьесу.

Глава 1

Долгая жизнь звезд

Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Ее орбита представляет собой почти правильную окружность с диаметром около 300 миллионов километров. Во время своего движения по орбите земной шар освещается лучами Солнца. Энергия, которую поглощает освещенная Солнцем дневная сторона Земли, затем снова почти целиком излучается в космическое пространство. Это происходит, когда нагретая часть земной поверхности оказывается из-за вращения Земли на теневой стороне, не освещенной Солнцем. Благодаря равновесию между поглощаемым и испускаемым излучением температура поверхности Земли такова, что на планете может существовать жизнь. Строго говоря, не вся поглощенная энергия солнечных лучей снова излучается в космическое пространство: часть запасается в растениях в виде энергии химических связей. За счет солнечной энергии, запасенной в растениях, существуют люди и животные. Сжигая уголь и нефть, мы используем солнечную энергию, запасенную растениями на ранних этапах истории Земли. Турбины наших гидроэлектростанций тоже используют солнечную энергию, поскольку солнечные лучи испаряют воду в океанах, которая затем возвращается на Землю в виде дождя и питает реки. Мощность солнечного излучения, падающего на каждый квадратный метр поверхности Земли, составляет около 1,36 киловатт. Общая мощность солнечного излучения, падающего на всю поверхность Земли, близка к 200000 миллиардам киловатт. Хотя эта величина может показаться нам очень большой, она чрезвычайно мала по сравнению с энергией, которую Солнце излучает за секунду во всех остальных направлениях. Если мы захотим выразить мощность солнечного излучения в киловаттах, то нам потребуется 24-значное число. Лишь исчезающе малая доля этого излучения достается Земле.

Что служит источником энергии Солнца?

Из года в год Солнце с огромной интенсивностью излучает свет и тепло, а значит и энергию в космическое пространство. Как давно это происходит и как долго будет продолжаться? Будет ли мощность солнечного излучения уменьшаться со временем и все живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипят океаны? С тех пор как люди стали изучать Солнце, они вплоть до сегодняшних дней с помощью самых совершенных приборов не смогли заметить сколько-нибудь существенных изменений интенсивности солнечного излучения со временем. О том, что Солнце уже давно светит примерно с одинаковой силой, говорят и следы органической жизни, которые ученые находят в очень древних геологических слоях. Эти остатки органической жизни показывают, что Солнце уже давно светит так ярко, что на Земле смогли возникнуть и развиваться живые существа. В горных породах геологического яруса Онфервахт (Трансвааль, ЮАР) были найдены остатки относительно высокоразвитых одноклеточных живых существ. Эти живые существа устроены уже почти так же сложно, как и существующие сегодня сине-зеленые водоросли. Таким образом, наиболее ранние признаки жизни на Земле возникли еще 3,5 миллиарда лет назад. Это означает, что уже тогда мощность солнечного освещения должна была быть примерно такой же, как и сегодня.

Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу (см. приложение В ). Масса Солнца, выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число. В этой солнечной массе запасена энергия, от которой зависит наша жизнь. Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз большую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счет питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого себя.