Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации

Саган Карл

Это все знакомые нам химические элементы. Мы узнаём их названия. В этих звездных ядерных реакциях не возникают эрбий, гафний, диспрозий, празеодим или иттрий, а только элементы, хорошо известные нам из повседневной жизни, элементы, возвращаемые в состав межзвездного газа, где они вовлекаются в новые стадии коллапса облаков, формирования, звезд и планет. Все элементы на Земле, за исключением водорода и части гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звезд, часть которых является ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества.

Некоторые из более редких элементов вырабатываются непосредственно во время взрывов сверхновых. Золото и уран относительно широко распространены на Земле только потому, что перед самым образованием Солнечной системы произошло множество взрывов сверхновых. В других планетных системах распространенность редкоземельных элементов может быть иной. Нет ли таких планет, где с гордостью выставляют напоказ подвески из ниобия или браслеты из протактиния, а золото — лабораторная редкость? Не изменилась бы к лучшему наша жизнь, будь золото или уран столь же малоизвестны и незначительны на Земле, как празеодим? Происхождение и эволюция жизни глубочайшим образом связаны с происхождением и эволюцией звезд. Во-первых, само вещество, из которого мы состоим, атомы, делающие жизнь возможной, образовались очень давно и очень далеко в гигантских красных звездах. Относительная распространенность химических элементов, обнаруженных в космосе, слишком хорошо соответствует относительной распространенности атомов, возникающих в звездах, чтобы оставалось хотя бы малейшее сомнение в том, что красные гиганты и сверхновые — этот как раз те печи, те тигли, где было выплавлено наше вещество. Солнце — звезда второго или третьего поколения. Все его вещество, все вещество вокруг нас прошло уже через один или два цикла звездной алхимии. Во-вторых, существование на Земле некоторых

разновидностей тяжелых атомов предполагает, что незадолго до образования Солнечной системы неподалеку вспыхнула сверхновая. Но вряд ли это было случайным совпадением; гораздо вероятнее, что ударная волна, порожденная взрывом сверхновой, сжала межзвездные газ и пыль и дала толчок конденсации Солнечной системы. В-третьих, когда Солнце зажглось, его ультрафиолетовое излучение стало интенсивно проникать в атмосферу Земли; его тепло привело к появлению молний; и эти источники энергии вызвали образование сложных органических молекул, положив начало зарождению жизни. В-четвертых, жизнь на Земле существует почти исключительно благодаря солнечному свету. Растения собирают фотоны и трансформируют солнечную энергию в химическую. Животные паразитируют на растениях. Сельское хозяйство — это просто методичный сбор урожая солнечного света при вынужденном посредничестве растений. Энергия Солнца питает нас, почти всех. Наконец, наследственные изменения, называемые мутациями, поставляют сырье для эволюции. Мутации, из которых природа выбирает вновь изобретаемые формы жизни, отчасти обусловлены космическими лучами — высокоэнергетическими частицами, выбрасываемыми с околосветовой скоростью во время взрывов сверхновых. Эволюция жизни на Земле в известной мере приводится в движение эффектной смертью далеких массивных солнц.

Представьте, что счетчик Гейгера и кусок урановой руды помещены глубоко под землю, например в золоторудную шахту или лавовую трубу — пещеру, оставленную в земных толщах потоком расплавленной магмы. Чувствительный датчик издает щелчок, когда в него попадают гамма-кванты, протоны или ядра гелия высоких энергий. Если поднести его вплотную к урановой руде, испускающей ядра гелия в результате спонтанного радиоактивного распада, скорость счета (число щелчков в минуту) резко возрастет. Если мы заключим урановую руду в тяжелую свинцовую канистру, счет значительно замедлится, поскольку свинец поглощает урановую радиацию. Но отдельные щелчки все же будут по-прежнему слышны. Эти отсчеты частично вызваны естественной радиоактивностью стен пещеры. Однако щелчков все же больше, чем можно объяснить радиоактивностью. Некоторые из них спровоцированы высокоэнергетическими заряженными частицами, проникающими сквозь своды. Мы слышим космические лучи, порожденные в далекие времена в глубинах космоса. Космические лучи, состоящие в основном из электронов и протонов, бомбардируют Землю на протяжении всей истории нашей планеты. Звезда, разрушаясь в тысячах световых лет от нас, испускает космические лучи, которые миллионы лет путешествуют по спирали через Млечный Путь, совершенно случайно попадают на Землю и воздействуют на наше наследственное вещество. Возможно, некоторые ключевые шаги в развитии генетического кода, кембрийский взрыв или прямохождение наших предков были вызваны как раз космическими лучами. 4 июля 1054 года китайские астрономы зарегистрировали в созвездии Тельца появление «звезды-гостьи». Никогда прежде не наблюдавшаяся звезда стала ярче всех других звезд на небе. На другой стороне земного шара, на юго-западе Америки, в то время существовала высокоразвитая культура с богатой астрономической традицией, также отметившая вспышку сверкающей новой звезды [170] . Благодаря радиоуглеродной датировке остатков древесного угля в кострищах нам известно, что в середине XI столетия некоторые индейцы племени анасази, предки сегодняшних хопи, жили в районе современного Нью-Мехико. Кто-то из них, прятавшийся от непогоды под навесом скального карниза, запечатлел на камне изображение вновь появившейся звезды. Ее положение относительно ущербной Луны было именно таким, как на рисунке. Рядом виден отпечаток руки; вероятно автограф художника.

170

Мусульманские наблюдатели тоже обратили внимание на нее. Но ни слова о ней нет ни в одной европейской хронике. — Авт.

Эта замечательная звезда, находящаяся на расстоянии 5000 световых лет, сейчас носит название сверхновой Крабовидной туманности, поскольку спустя несколько столетий астрономы, изучавшие в телескоп остатки взрыва, усмотрели в них сходство с крабом. Крабовидная туманность — останки взорвавшейся звезды. В течение трех месяцев взрыв наблюдался с Земли невооруженным глазом. Он был заметен даже днем, а ночью при его свете можно было читать. В среднем в одной галактике сверхновые вспыхивают примерно раз в столетие. За время жизни типичной галактики, составляющее около десяти миллиардов лет [171] , в ней взрывается примерно сто миллионов звезд — огромное количество, хотя это всего лишь одна звезда из тысячи. В нашей Галактике после 1054 года вспышки сверхновых наблюдались в 1572 году (описана Тихо Браге) и в 1604-м (описана Иоганном Кеплером) [172] . К сожалению, с момента изобретения телескопа в нашей Галактике не наблюдалось ни одного взрыва сверхновой, и астрономы с нетерпением ждут его вот уже несколько столетий [173] .

171

Речь идет скорее о типичном возрасте, чем о времени жизни галактики. С момента своего образования подавляющее большинство из них не успели еще достигнуть конечных стадий эволюции. — Пер.

172

В 1606 г. Кеплер опубликовал книгу под названием «De Stella Nova» («О новой звезде»), в которой задается вопросом, не есть ли сверхновая результат случайного объединения атомов в небесах. Он преподносит сказанное им не как «мое собственное мнение, а мнение моей жены. Вчера, когда, уставший от писаний, я был приглашен к ужину и передо мной поставили салат, о котором я просил, с языка моего слетело: „Сдается мне, что, случись оловянному блюду, листьям салата, крупинкам соли, каплям воды, уксуса и масла и кусочкам яйца целую вечность плавать где-то по воздуху, они могли бы по чистой случайности собраться в салат". — „Да, — ответствовала моя красавица, — но он получился бы не таким удачным, как этот"».

173

В 1987 г. сверхновая вспыхнула в Малом Магеллановом облаке. Это самая близкая к нам сверхновая, появившаяся после изобретения телескопа.. — Пер.

В наше время сверхновые регулярно наблюдаются в других галактиках. Среди отбираемых мною фраз, которые могли бы более всего поразить астронома начала ХХ века, есть следующая, взятая из статьи Дэвида Хелфанда и Нокса Лонга в британском журнале «Нейчур» от 6 декабря 1979 года: «5 марта 1979 года девятью межпланетными космическими аппаратами, входящими в сеть регистрации вспышек, был отмечен чрезвычайно мощный всплеск жесткого рентгеновского и гамма-излучения, который, будучи локализован по задержкам распространения сигнала, совпал по положению с остатком сверхновой N49 в Большом Магеллановом облаке». (Большое Магелланово облако, названное так в честь Магеллана, который первым среди обитателей Северного полушария обратил на него внимание, представляет собой небольшую галактику-спутник Млечного Пути, удаленную от нас на 180 000 световых лет. Как вы могли догадаться, существует также Малое Магелланово облако.) Однако в том же самом выпуске «Нейчур» Е. П. Мазец с коллегами из института им. Иоффе в Ленинграде доказывают, что это была вспышка нуль* сара, находящегося на расстоянии всего нескольких сотен световых лет. Они наблюдали источник, о котором идет речь, при помощи детекторов гамма-всплесков на борту космических станций «Венера-11 и -12», находившихся на пути к Венере. Но Хелфанд и Нокс, несмотря на близкое расположение, не настаивают на том, что всплеск гамма-излучения связан с остатком сверхновой. Они тщательнейшим образом рассмотрели множество возможностей, включая даже тот маловероятный вариант, что источник находится в пределах Солнечной системы. Например, это мог быть выхлоп чужого звездолета, отправляющегося в далекий путь домой. Однако вспышка звездного пламени в N49 остается самой простой гипотезой: мы все же твердо знаем, что сверхновые существуют.

Когда Солнце станет красным гигантом, внутреннюю часть Солнечной системы ждет печальная участь. Но, по крайней мере, планеты никогда не будут расплавлены и сожжены взрывом сверхновой. Эта судьба предначертана планетам вблизи звезд, массой превосходящих Солнце. Поскольку такие звезды с высокой температурой и давлением быстро исчерпывают свои запасы ядерного топлива, их жизнь оказывается гораздо короче, чем у Солнца. Звезда, которая в десять раз массивнее Солнца, может стабильно перерабатывать водород в гелий всего несколько миллионов лет, а затем быстро переходит на более экзотические ядерные реакции. Этого времени почти наверняка недостаточно для эволюции развитых форм жизни на любой из сопутствующих светилу планет, и маловероятно, чтобы где-то были существа, знающие, что их звезда станет сверхновой: если они живут достаточно долго, чтобы понять, что такое сверхновая, значит, их звезда вряд ли ею станет. Важной предпосылкой взрыва сверхновой является образование массивного железного ядра в результате ядерных реакций с участием кремния. Под воздействием огромного давления в звездных недрах свободные электроны сливаются с протонами в ядрах железа, их равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды взаимно уничтожаются, недра звезды превращаются в одно гигантское атомное ядро, занимающее гораздо меньший объем, чем предшествовавшие ему электроны и ядра железа.

Ядро звезды испытывает своего рода катастрофический взрыв внутрь, внешние слои резко сбрасываются наружу, и происходит взрыв сверхновой. По светимости сверхновая может превзойти совокупное излучение всех звезд галактики, где она вспыхнула. Все те недавно образовавшиеся массивные бело-голубые сверхгиганты в Орионе обречены в следующие несколько миллионов лет стать сверхновыми, продолжая космический фейерверк в созвездии охотника. Грандиозные взрывы сверхновых выбрасывают в космическое пространство большую часть вещества звезды — немного оставшегося водорода и гелия и значительное количество других атомов углерода и кремния, железа и урана. На месте звезды остается горячий шар из нейтронов, скрепленных друг с другом ядерными силами [174] ; одно массивное атомное ядро с атомным весом около 10⁵⁶; солнце поперечником около тридцати километров; крошечный, плотный, усохший и съежившийся звездный осколок; быстро вращающаяся нейтронная звезда. При схлопывании ядра массивного красного гиганта в нейтронную звезду его вращение ускоряется. Нейтронная звезда в центре Крабовидной туманности — это колоссальное атомное ядро размером с Манхэттен, совершающее тридцать оборотов в секунду. Его мощное магнитное поле, усиленное коллапсом, захватывает заряженные частицы, подобно гораздо более слабому магнитному полю Юпитера. Электроны во вращающемся магнитном поле испускают направленное излучение не только на радиочастотах, но также и в оптическом диапазоне. Всякий раз как Земля попадается на пути луча этого космического маяка, мы видим его вспышку, одну за каждый оборот. По этой причине он получил название пульсара. Мерцающий и тикающий, будто космический метроном, пульсар отсчитывает время намного точнее любых обычных часов. Продолжительный хронометраж интервалов между радиоимпульсами некоторых пульсаров, например PSR 0329+54, говорит о том, что они могут иметь один или несколько небольших планетообразных спутников. Весьма вероятно, что планеты смогли пережить превращение звезды в пульсар, или, возможно, они были захвачены позднее. Любопытно, как выглядит небо с поверхности такой планеты? Плотность вещества нейтронной звезды такова, что чайная ложка его имеет вес небольшой горы. Она настолько велика, что, если вы возьмете кусочек подобного вещества и уроните его (вряд ли вы сможете этого избежать), он пройдет сквозь Землю с той же легкостью, с какой падающий камень пропарывает воздух, и, насквозь пронизав планету, выйдет с противоположной стороны, где-нибудь в Китае. Тамошние жители будут спокойно идти по своим делам, когда крошечный кусочек нейтронной звезды выскочит из-под земли, на мгновение остановится и вновь вернется под землю, нарушив ход повседневной жизни. Если бы кусок вещества нейтронной звезды сбросили из космоса на вращающуюся под ним Землю, он раз за разом вонзался бы в совершающую обороты планету, проделав в ней тысячи отверстий, пока трение в ее недрах не остановило бы его движение. Прежде чем упокоиться в центре нашей планеты, он на короткое время уподобил бы ее недра внутренности швейцарского сыра. Правда, подземные потоки расплавленной магмы и металла быстро залечат эти раны. Хорошо, что крупные куски вещества нейтронных звезд не встречаются на Земле [175] . Но маленькие есть повсюду. Невероятная мощь нейтронной звезды таится в ядре каждого атома, скрывается в каждой чашке чая и каждом зверьке, в каждом глотке воздуха и каждом яблочном пироге.

174

Конечно, в первую очередь стабильным это ядро делает мощнейшая самогравитация. Не будь ее, гигантское нейтронное ядро немедленно распалось бы. — Пер.

175

Интересно, что идея подобного ядерного материала, «нейтрида», положена в основу повести «Черные звезды», написанной советским фантастом В. Савченко еще в 1958 г. — Пер.

Звезды, похожие на Солнце, как мы уже говорили, заканчивают свои дни становясь красными гигантами, а затем белыми карликами. Коллапсирующая звезда, масса которой вдвое больше солнечной, станет сверхновой, а затем нейтронной звездой. Однако еще более массивную звезду, которая после взрыва сверхновой осталась, скажем, в пять раз массивнее Солнца, ждет совершенно невероятная судьба: собственная гравитация превратит ее в черную дыру. Допустим, что у нас есть фантастическая гравитационная машина — устройство, позволяющее управлять земной гравитацией простым поворотом рукоятки. Для начала установим рукоятку на ускорение свободного падения lg [176] , при котором все вещи ведут себя привычным образом. Земные растения и животные в ходе эволюции адаптировались к ускорению lg, все конструкции наших зданий рассчитаны на это ускорение. Будь гравитация намного слабее, значительно более высокие и тонкие конструкции могли бы существовать без риска упасть или разрушиться под тяжестью собственного веса. При значительно более сильной гравитации растения, животные и постройки во избежание угрозы разрушения оказались бы низкими, крепкими и приземистыми. Но даже в весьма сильном гравитационном поле свет распространялся бы по прямой, как это происходит в нашей повседневной жизни.

176

lg — это ускорение, с которым движется падающий на землю предмет, чуть меньше 10 метров в секунду за секунду. За одну секунду падающий камень достигнет скорости 10 метров в секунду, за две секунды — 20 метров в секунду и так далее, пока он не упадет на землю или не начнет тормозиться из-за сопротивления воздуха. В мире, где тяготение значительно выше, падающее тело будет набирать скорость быстрее. На планете с ускорением свободного падения 10g камень за первую секунду наберет скорость 1010 м/с, то есть почти 100 м/с; спустя еще секунду он достигнет скорости 200 м/с и т. д. Малейшее спотыкание может оказаться смертельным. Для записи ускорения свободного падения следует всегда использовать строчную букву g, чтобы отличать его от ньютоновской гравитационной постоянной G, которая характеризует силу гравитационного взаимодействия для всей Вселенной, а не только для какой-то отдельно взятой планеты или звезды. (Ньютоновская формула, связывающая эти две величины, выглядит как F=mg = GMm/r ²; g — GM/r ², где F — сила тяготения, M — масса планеты или звезды, m — масса падающего предмета, r — расстояние от предмета до центра планеты или звезды.) — Авт.

Рассмотрим довольно типичную группу земных существ — Алису из Страны Чудес и ее сотрапезников по чаепитию у Безумного Шляпника. Когда мы уменьшаем тяготение, вещи теряют свой вес. Около 0g малейшее движение отрывает наших друзей от земли, заставляя их плавать и кувыркаться по воздуху. Пролитый чай — или любая другая жидкость — образует в воздухе дрожащие сферические капли, поскольку поверхностное натяжение жидкости доминирует над тяготением. Повсюду в воздухе плавают чайные шарики. Если сейчас вернуть рукоятку в положение lg, прольется чайный дождь. Когда мы немного усилим тяготение — с lg до, скажем, 3g или 4g, — все присутствующие потеряют способность перемещаться: каждое движение руки будет требовать непомерных усилий. В виде одолжения выведем наших друзей из-под действия гравитационной машины, прежде чем переводить рукоятку на более высокие отметки. При нескольких g, как и при 0g, луч фонаря распространяется строго по прямой линии (в пределах доступной нам точности). При 1000g луч остается прямым, но деревья расплющиваются и растекаются по земле тонким слоем; при 100 000g камни крошатся под действием собственного веса. Разрушается всё, за исключением Чеширского Кота, которому на то выдано специальное разрешение. Когда гравитация приближается к миллиарду g, происходит нечто еще более странное. Луч света, который до сих пор уходил прямо в небо, начинает изгибаться. Чрезвычайно сильное гравитационное ускорение воздействует даже на свет. Если мы еще увеличим тяготение, свет будет притянут вниз, к земле у наших ног. Теперь исчез из виду и космический Чеширский Кот, осталась только его гравитационная улыбка.

Когда гравитация становится достаточно сильной, ничто, даже свет, не в силах вырваться наружу. Такое место называется черной дырой. Загадочно безразличная к тому, что ее окружает, она и есть своего рода Чеширский Кот космоса. Когда плотность и гравитация достигают достаточно высоких значений, черная дыра меркнет и исчезает из нашей Вселенной. Потому она и называется черной, что даже свет не способен выйти из нее. Зато внутри, благодаря захваченному в ловушку свету, предметы могут быть довольно неплохо освещены. Хотя черная дыра не видна снаружи, ее гравитационное присутствие вполне ощутимо. Если вы, странствуя меж звезд, были беспечны, то вполне можете обнаружить, что безвозвратно затянуты ею, а ваше тело пренеприятнейшим образом вытягивается в длинную тонкую нить. Однако случись вам пережить это путешествие, вид собранного в диск вещества вокруг черной дыры стал бы для вас незабываемым зрелищем.

Термоядерные реакции в солнечных недрах поддерживают внешние слои Солнца и на протяжении миллиардов лет оттягивают катастрофический гравитационный коллапс. Устойчивость белых карликов обеспечивается давлением электронов, оторванных от своих ядер. В нейтронных звездах гравитации противодействует давление нейтронов. Но, насколько нам известно, нет силы, способной противостоять коллапсу старой звезды, которая после взрыва сверхновой осталась более чем в несколько раз массивнее Солнца. Такая звезда невероятно сильно сжимается, раскручивается, краснеет и исчезает из виду. Двадцать масс Солнца сжимаются до размеров Большого Лос-Анджелеса; сокрушительная гравитация достигает 10¹⁰g, и звезда, расколов пространственно-временной континуум, проваливается в ею самой созданную трещину и пропадает из нашей Вселенной.