1. От истоков

Прежде чем начать рассказ об истории и предыстории Солнечной системы, полезно сказать несколько слов о развитии человеческих представлений о ней. Едва ли не для каждого народа древности понятие «Солнечная система» вообще отсутствовало как таковое за полной его ненадобностью. Существовала Земля – плоский или чуть выпуклый диск, окруженный прозрачной (чаще всего хрустальной) полусферой с нанесенными на ее поверхность небесными светилами, или системой из нескольких полусфер, вложенных друг в друга. Омывался ли диск Океаном, стоял ли на спинах слонов или иных животных – тут разные народы допускали всевозможные фантазии[2]. Для древних – скажем, времен Гомера – греков такая конструкция Вселенной, напоминающая тарелку, накрытую миской, казалась вполне достаточной. Земной диск считался большей и главнейшей частью Вселенной, остальное шло к нему приложением. Но каковы размеры диска и где его центр?

Западный край диска был известен: Геркулесовы Столпы, то есть Гибралтар. До финикийцев, совершивших по приказу фараона Нехо плавание вокруг Африки, до фокейских мореплавателей, достигших западного побережья Пиренейского полуострова, и уж тем более до знаменитого мореплавателя Пифея, добравшегося как минимум до Балтики и Скандинавии, еще оставалось несколько веков. Противоположным краем Земли считался Кавказ. Не зря Зевс приказал приковать строптивого титана Прометея именно к кавказской скале – подальше с глаз долой. О том, что Кавказ достаточно протяжен, греки, видимо, не очень задумывались.

Царь олимпийских богов Зевс не обладал всеведением и подчас был вынужден добывать сведения через эксперимент. Известен миф: однажды Зевс, томимый желанием узнать, где находится центр земного диска, приказал двум орлам лететь с противоположных его краев навстречу друг другу. С таким начальством, как Зевс, особо не поспоришь – орлам можно посочувствовать. Естественно, они должны были стартовать одновременно и выдерживать одинаковую скорость, но не это было главной проблемой. Откуда стартовать? Принять спущенные сверху «вводные» насчет Геркулесовых Столпов и Кавказа (вероятно, какой-либо его точки на побережье Каспия) – или попытаться открыть глаза на истинное положение вещей недалекому, но вспыльчивому громовержцу? В конце концов орлы поступили так, как часто и ныне поступают подчиненные, выполняя приказ могущественного, но некомпетентного босса, – сделали работу скрупулезно, а там хоть трава не расти. Встреча произошла над дельфийским святилищем Аполлона, и Зевс торжественно объявил, что центр Земли найден. Хихикали ли втихомолку орлы, о том миф умалчивает.

Уже во времена греко-персидских войн, а тем паче походов Александра Македонского эллинам пришлось свыкнуться с мыслью о том, что даже Ойкумена (под которой подразумевалась обитаемая часть мира) гораздо более обширна, чем представлялось прадедам. Вселенная, естественно, получалась еще больше. Общение некоторых греческих философов с египетскими жрецами привело к распространению идеи о шарообразности Земли. Существенно более древняя, нежели греческая, древнеегипетская цивилизация прилежно собирала и хранила знания, в том числе географические и астрономические, чему способствовали как многочисленность и ученость жреческой касты, так и многие столетия относительно спокойного развития страны. Наблюдения затмений Луны, а также принципиальная схожесть затмений солнечных и лунных неминуемо должны были подвигнуть внимательного наблюдателя (имеющего перед собой к тому же описания многих предшествующих аналогичных явлений) именно к представлению о том, что Земля – шар.

Великому географу Эратосфену Киренскому на рубеже III–II веков до н. э. удалось даже измерить его размеры. Как он это сделал? Слово автору интересной книги «Занимательная Греция» М.Л. Гаспарову:

«На юге Египта был город Сиена – ныне Асуан, где стоит большая нильская плотина. Сиена лежала как раз на северном тропике: раз в году, 22 июня, солнце в полдень стояло там в зените, и предметы не отбрасывали тени. (Путешественники нарочно приезжали в Сиену посмотреть на такую диковину.) Этим и воспользовался Эратосфен. Александрия была севернее, там от предметов и в этот день падали тени. Эратосфен измерил, под каким углом они падают, – получилось семь с лишним градусов, одна пятидесятая часть окружности. Следовательно, заключил Эратосфен, расстояние по суше между Сиеной и Александрией равняется одной пятидесятой части всей окружности земного шара. Расстояние это у египтян считалось равным 5 тысячам стадиев, то есть около 800 км (египетский стадий был немного короче обычного). Следовательно, окружность Земли была в 50 раз больше – около 40 тыс. км.

Точно это или неточно? Две тысячи лет спустя, накануне французской революции, французские астрономы сделали такое же измерение у себя во Франции и получили окружность Земли ровно в 40 тыс. км. (говорю «ровно», потому что именно от этого измерения пошла наша нынешняя единица «метр»: она равна «одной сорокамиллионной парижского меридиана».) Точность Эратосфенова измерения изумительна. Это одна из самых славных побед античной науки».

Трудно, впрочем, быть уверенным в том, что измерение земного шара, выполненное Эратосфеном, было хронологически первым. Скорее нет, чем да. Во всяком случае, великий астроном античности Евдокс Книдский в начале IV века до н. э. уже не сомневался в шарообразности Земли, а раз не сомневался, то, вероятно, пытался вычислить ее размеры тем или иным путем[3].

В сцене из «Тайс Афинской» И.А. Ефремова, где Лисипп рассказывает Тайс о Евдоксе и его вычислениях, куда больше реализма, чем фантастики. Также кажется правдоподобной сцена из романа «Фараон» Б. Пруса, где выдуманный автором жрец сообщает о шарообразности Земли выдуманному фараону. Персонажи-то вымышленные, зато в высоком (по тем временам) уровне их знаний нет ничего удивительного.

Тем не менее вплоть до Коперника во взглядах астрономов торжествовал наивный геоцентризм. Плоская или шарообразная, Земля все равно помещалась в центре Вселенной и была окружена некоторым количеством концентрических прозрачных сфер. Неизвестно, был ли Евдокс Книдский первым, кто предложил систему эпициклов для объяснения движения Солнца, Луны и планет, но идея прижилась. Суть ее проста. Какие бы зигзаги и петли ни выписывало какое-либо светило на небе, основное его (светила) движение все-таки круговое, а зигзаги и петли можно представить опять-таки как круговые движения, накладывающиеся на основное. Представим себе колесо, на ободе которого расположена ось другого, меньшего колеса, а на ободе этого меньшего колеса – светило. Колес может быть больше, к тому же в реальности это не колеса, а сферы – сути простейшей модели это не меняет. Для объяснения всех видимых движений Евдоксу понадобилось 27 сфер: одна для «неподвижных» звезд, по три для Солнца и Луны и по четыре для каждой из планет.

В целом получилось удовлетворительно – для первого раза. Калиппу, ученику Евдокса, для объяснения тех же самых движений понадобились уже 33 сферы, а Аристотелю – аж 56. Причем Аристотель считал сферы не фиктивными, как Евдокс и Калипп, а вполне реальными, сделанными из идеально прозрачного хрусталя. Так умозрительная модель, придуманная для удобства интерпретации, может обрести «вещественность», а позднее на многие столетия стать аксиомой, спорить с которой опасно.

К счастью для античной науки, служители разнообразных культов в то время не стремились к столь тотальному контролю над мировоззрением людей, каковой был характерен для Средневековья. Так, например, замечательный римский писатель Лукиан Самосатский (II век н. э.) отправлял своих героев на Луну и Венеру – такие же шарообразные тела, какова и наша Земля. Персонажам Лукиана не приходилось дырявить хрустальные сферы во время космических путешествий. Как видим, воззрения Аристотеля в дохристианском мире еще не считались обязательными для всех.

Большего античные мыслители, предпочитавшие изучать мир лишь с той «аппаратурой», которой человека снабдила природа, предложить, пожалуй, и не могли. А когда в какой бы то ни было области знания не наблюдается «вертикального прогресса», остается и даже интенсифицируется «горизонтальный прогресс», то есть античные ученые, не в силах совершить прорыв, принялись дотошно описывать то, что можно было исследовать доступными средствами – глазами и простейшими угломерными инструментами.

Фалес Милетский, переняв опыт египтян, в 585 году до н. э. предсказал солнечное затмение. Гиппарх составил первый звездный каталог, включив в него около 3000 звезд. Он же разделил звезды по блеску на 6 звездных величин, присвоив ярчайшим звездам первую величину, а еле-еле видимым невооруженным глазом – шестую. Евдокс определил угол наклона земной оси к эклиптике и (довольно неточно) максимальное угловое удаление Венеры от Солнца. Грекам, всегда тесно связанным с морем, требовались определенные астрономические знания хотя бы для морской навигации – и античные кормчие вполне сносно вычисляли географическую широту места (с долготой дело обстояло много хуже). Что до прочего, то домыслы в астрономии не просто допускались – они властвовали. Достаточно сказать, что великий Аристотель считал кометы не астрономическими объектами, а земными испарениями. Анаксагор же полагал Солнце сгустком огня, оторвавшимся от Земли вследствие ее вращения. Таковыми же он считал и звезды, а Луну полагал населенной живыми существами, за что был изгнан из Афин как безбожник и подрыватель основ.

В IV веке до н. э. Гераклид Понтийский заявил, что Земля вращается вокруг своей оси, а столетием позже Аристарх Самосский доказывал, что Солнце гораздо дальше от нас, чем Луна, и что оно больше Земли в 300 раз. А раз так, то вовсе не Земля, а Солнце является центром Вселенной, Земля же занимает подчиненное положение. Доказать это так, чтобы ни у кого не осталось сомнений, он не смог, но примечательно, что эти мысли высказывались за 1800 лет до Коперника. Большего античная наука предложить, видимо, и не могла, но отдельные взлеты мысли греческих ученых, право же, впечатляют.

Отдельная песня – «практическое применение» астрономии к бытовым нуждам людей, издревле известное под именем астрологии. Как только люди начали улавливать закономерности в движении небесных тел (29,5-суточный период обращения Луны, 2,1-летний цикл противостояний Марса, 12-летний цикл движения Юпитера по эклиптике и т. д.), у них возникло подозрение: за этими цифрами скрывается нечто большее и, вероятно, насущно важное. «Это «ж-ж-ж» неспроста», – примерно с таким же основанием утверждал Винни-Пух.

Уже упомянутый Лукиан Самосатский, писатель, весьма острый на язык, никогда не стеснявшийся морально уничтожать тех, кто, по его мнению, того заслуживал, в сочинении «Об астрологии» неожиданно отозвался о ней похвально и даже почти восторженно. Одно только «но»: он не разделял астрологию и астрономию. Предсказания, сделанные на основе анализа движения небесных тел, казались ему важными, но и «просто открытия» заслуживали, по Лукиану, всяческого внимания, а труд наблюдателей – уважения. Даже в том случае, если нет и в ближайшем будущем не предвидится практического применения этим открытиям. Почему? Да просто потому, что Лукиан понимал: лишнего знания не бывает.

Этого понимания был лишен император Тиберий, который изгнал из Рима астрологов, но простил тех из них, кто раскаивался и обещал оставить свое ремесло. Изгоняли астрологов и другие римские императоры: Клавдий, Вителлий и т. д. Конечно, изгнать жуликов, наживающихся на доверии простодушных обывателей, дело благое, но этак можно выплеснуть с водой и ребенка. В известном смысле астрономия выросла из астрологии, как прорастает крепенький шампиньон на навозном субстрате. Странно, что сам Тиберий верил пророчествам, гаданиям и гороскопам, но пусть мотивы поступков этого мрачного упыря исследуют историки – у нас другая тема[4].

И все же даже невеликий (по меркам нашей современности) уровень астрономических знаний античности был бы потерян в раннем Средневековье, если бы не Альмагест – под этим арабским именем известен 13-томный текст II века н. э., суммировавший астрономические знания прошлых веков и переведенный на арабский язык в IX веке. Слишком уж в те времена люди были заняты в Европе: варвары – грабежом и созданием раннефеодальных королевств, греки и римляне – попытками выжить, византийцы же тщились отвоевать утраченные империей территории, пока не истощились в этих попытках настолько, что в серьезный упадок пришла даже традиционно любимая учеными греко-римской цивилизации история, не то что астрономия.

Многие считают, что астрономия как наука до XIV–XV веков развивалась (если не считать Китая) практически только в мусульманском мире. Это не совсем так, хотя надо признать, что подавляющее большинство названий звезд – арабские, не говоря уже о звездных каталогах ас-Суфи, Абу Рейхана ал-Бируни и других ученых. Астрономия развивалась и в Индии, и в Армении, и даже в доколумбовой Америке. Хотя, говоря о Старом Свете, пожалуй, правильнее будет сказать, что она не столько развивалась, сколько поддерживалась на неком уровне, достигнутом еще в античности. Если прогресс и наблюдался, то был преимущественно «горизонтальным» – вширь, а не ввысь.

Но характерно, что в средневековую Европу, ученые которой были заняты чрезвычайно интересными и, главное, полезными спорами о том, например, сколько ангелов может поместиться на острие иглы, новые веяния пришли с Востока. На поверку они были довольно старыми – просто основательно забытыми в Европе. Скажем, Роджер Бэкон почерпнул идею о вечности и несотворимости материи у арабского философа Аверроэса, а никак не у античных авторов. По-настоящему же астрономические знания, сбереженные на Востоке, стали востребованными в Европе несколько позже – с началом Ренессанса и (особенно) Реформации. Отсюда лежит прямая дорога к осторожному Копернику, неистовому Джордано Бруно, любознательному Галилею, кропотливому Тихо Браге, гениальному Кеплеру, великому Ньютону и т. д. Рационализм европейцев оказался той благодатной почвой, на которой наконец-то взошли семена, посеянные еще в античности. Во многом умозрительные построения древних уступили место знаниям, полученным на основе точных наблюдений и измерений.

Так и хочется автоматически дописать «а также экспериментов». Увы, увы – с экспериментами в астрономии всегда было туго. Пожалуй, лишь метеориты можно было изучать экспериментально, но они были признаны гостями из космоса лишь в конце XVIII века. Только с наступлением космической эры астрономия понемногу начала превращаться в науку экспериментальную. Стукнуть ядро кометы специальным снарядом и посмотреть, что из этого получится, – типичный эксперимент. Предложить гипотетическим марсианским бактериям питательную среду для их бурного размножения – тоже эксперимент. Пока, правда, такие эксперименты немногочисленны и ограничены рамками Солнечной системы.

Еще хуже с космологией – эта структурная часть астрономии в принципе ограничена в области методологии, так как имеет дело с одним объектом – Вселенной, в которой мы живем и часть которой наблюдаем. Да и нет пока у человечества возможностей экспериментировать даже с одним объектом этаких масштабов…

Как изменялись со временем взгляды европейских ученых на Вселенную – тема интереснейшая, но не для этой книги. Здесь мы ограничимся современным состоянием научных знаний, причем не обо всей Вселенной, а лишь о невообразимо крошечной ее части – Солнечной системе.

Начать, правда, придется с макроскопических явлений и протянуть нить от грандиозных процессов рождения Вселенной к нашей современности.

По современным представлениям наша Вселенная образовалась в результате Большого взрыва примерно 13–14 млрд лет назад. Мы ничего не знаем о причинах взрыва и о физике этого процесса в диапазоне времени от нуля до 10^-43 с. Эта величина – так называемое планковское время – маркирует собой временного границу, после которой к расширяющейся Вселенной можно применять известные нам законы физики, но до этой границы лежит область действия квантовой гравитации – науки, пока еще не созданной. В крайне молодой и очень горячей расширяющейся Вселенной шли процессы, сколько-нибудь подробное описание которых увело бы нас слишком далеко от темы этой книги. Нас интересует только эра вещества.

До 10^-36 с материи еще нет – есть лишь так называемое скалярное поле, и Вселенная расширяется экспоненциально. Температура ее в момент рождения вещества чудовищна – порядка 10²⁹ К. На 10³⁵ с происходит рождение барионной асимметрии Вселенной, то есть барионов (представленных в то время кварками) родилось чуть больше, чем антибарионов. «Чуть» означает примерно одну миллиардную долю, но этого оказалось достаточно, чтобы впоследствии, после аннигиляции частиц и античастиц, Вселенная оказалась состоящей из вещества, а не из антивещества.

Существуют, правда, теории «холодного бариогенезиса», в которых рождение привычной нам материи с возникновением барионной асимметрии произошло гораздо позже – вблизи 10^-10 с. Легко понять, что для нас сейчас эти тонкости не имеют значения.

К 10^-10 с температура Вселенной за счет расширения упала до 10¹⁶ К. Вещество Вселенной – плазма. Она расширялась уже гораздо медленнее – по степенному закону. На 10^-10 с произошел «электрослабый фазовый переход», когда силы единого электрослабого взаимодействия разделились на силы слабого взаимодействия и силы электромагнитные. Приобрели массу все известные нам элементарные частицы, безмассовым остался только фотон. Однако при столь больших температурах и плотностях о «нормальном» веществе говорить еще не приходится – во Вселенной могли существовать лишь кварки, нейтрино и частицы-переносчики слабого взаимодействия. Вселенная представляла собой своеобразный «кварковый суп». Лишь к моменту времени 10^-4 с от Большого взрыва при температуре 10¹² К из «слипшихся» кварков смогли наконец образоваться протоны и нейтроны. Аннигиляция вещества и антивещества привела к появлению громадного количества фотонов. На каждую частицу материи ныне приходится около миллиарда фотонов.

К исходу первой секунды жизни Вселенной ее температура упала «всего» до 10 млрд К. Это как раз характерная температура звездных недр. Что происходит в звездных недрах? Правильно, там идут ядерные реакции. Шли они и в очень молодой (но уже состоявшей из вещества) Вселенной. Но реакции реакциям рознь. Что же могло образоваться из первичного горячего и плотного скопища протонов и нейтронов за весьма ограниченное время?

Во-первых, дейтерий. Во-вторых, гелий-3 и гелий-4. И, наконец, литий. Последнего образовалось немного – не более 1 % от общей массы вещества во Вселенной. Дейтерия и двух изотопов гелия – несколько больше. Но все же основная часть протонов и нейтронов не успела прореагировать в отпущенный ей малый отрезок времени. Что до более тяжелых, чем литий, элементов, вроде бериллия или бора, то до образования сколько-нибудь заметного их количества дело просто не дошло – уже к двухсотой секунде от момента Большого взрыва расширяющаяся Вселенная успела остыть настолько, что ядерные реакции в ней прекратились.

Первые 50 тыс. лет во Вселенной доминировало излучение: плотность его энергии превышала плотность энергии вещества. Но так как первая зависит от размеров Вселенной в четвертой степени, а вторая – лишь в кубе, то рано или поздно должен был наступить момент доминирования вещества. Он и наступил – пока, впрочем, лишь для темной материи[5], не взаимодействующей с излучением. Казалось бы, что нам за дело до нее? Но именно темная материя, стекая в первичные, случайно возникшие и пока еще незначительные, гравитационные «ямы», начала «углублять» последние, подготавливая их для барионной материи.

Лишь спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва излучение «отклеилось» от барионного вещества и получило возможность распространяться свободно. Температура Вселенной упала до 3000 К, и ядра получили возможность захватывать электроны. Барионная материя начала «сползать» в подготовленные темной материей гравитационные «ямы», подготавливая рождение крупномасштабной структуры Вселенной. Надо сказать, что каждая такая «яма» дала начало скоплению, а то и сверхскоплению галактик.

Отчего в молодой расширяющейся Вселенной возникли неоднородности, превратившиеся в гравитационные «ямы»? Вопрос, думается, лишен смысла. Гораздо труднее представить себе полностью однородную расширяющуюся Вселенную, лишенную каких бы то ни было, даже самых малых, флюктуаций плотности и температуры и сохраняющую однородность по мере расширения в бесконечность. Таких чудес в природе не бывает. А коль скоро флюктуации существуют, то в дальнейшем они будут только усугубляться. Температура же вещества будет все время падать и не станет препятствием к появлению в гравитационных «ямах» огромных облаков материи.

Так оно и происходило в действительности. Каждое такое облако имело определенную массу, температуру и некий интегральный момент вращения. В нем также возникали гравитационные «ямы» меньших размеров, куда стекало вещество. Со временем каждое облако делилось на меньшие облака, связанные друг с другом гравитационным взаимодействием, а те, в свою очередь, на еще меньшие. Так образовались скопления и меньшие, чем скопления, группы галактик вроде нашей Местной системы[6] и отдельные галактики.

Есть похожие галактики, но нет двух одинаковых. В 20-х годах XX века Эдвин Хаббл разделил галактики на три основных типа: спиральные (S), эллиптические (Е) и неправильные (Irr). В неправильные попали все галактики, которые не удалось причислить ни к спиральным, ни к эллиптическим.

Рассмотрим – в самом общем приближении – механизм формирования галактики. Мы увидим, что наша Галактика (часто называемая Млечным Путем) не зря относится к S-галактикам. Будь она Е-галактикой, в ней вряд ли могли бы образоваться в достаточном количестве планеты земной группы, а следовательно, вероятность возникновения жизни, тем более разумной, была бы малой, чтобы не сказать ничтожной.

Эллиптические галактики (рис. 1 на цветной вклейке) представляют собой более или менее сплюснутые сфероиды, состоящие из большого количества звезд – от десятков миллионов для карликовых Е-галактик до триллиона для сверхгигантских Е-галактик. Степень сжатия Е-галактик характеризуется цифровым индексом за буквой Е – от Е₀ для сферических галактик до Е₇ для сильно сжатых. Эллиптических галактик, более сжатых, чем Е₇, не существует. Если галактика сжата сильнее, в ней уже образуются спиральные рукава, что выводит галактику из типа Е. Само собой, речь идет о реальном сжатии, а не о кажущемся, вызванном положением наблюдателя относительно галактики. В целом Е-галактики довольно невыразительны и в большинстве своем похожи друг на друга.

Спиральные галактики (рис. 2, 3 на цветной вклейке), напротив, демонстрируют разнообразие форм. Галактики подтипа Sa мало сплюснуты, их спиральные рукава не отходят далеко от обширного центрального балджа (окружающего галактическое ядро «вздутия», несколько напоминающего Е-галактику), не фрагментированы и не имеют ответвлений, а темная полоса пыли вдоль галактического экватора (характернейшая деталь S-галактик) довольно узка. Галактики подтипа Sc иные – у них маленькое ядро и совсем маленький балдж, если он вообще есть, рукава отходят от ядра резко, они фрагментированы и изобилуют ответвлениями, а пылевая полоса по экватору таких галактик мощная и широкая. Промежуточное положение между Sa и Sc занимают галактики подтипа Sb. Например, широко известная Туманность Андромеды (М₃₁) относится к подтипу Sb, а Туманность Треугольника (М₃₃) – к Sc. Хороший пример галактики Sa – М₁₀₄ («Сомбреро»), см. рис. 4 на цветной вклейке.

Спиральные галактики могут отличаться друг от друга также по количеству спиральных рукавов. Часто их два, но не обязательно. Один из рукавов может быть «редуцирован» и превратиться в этакий едва заметный рудимент, и тогда у галактики по сути остается всего один рукав. Бывает, что у галактики развиваются три, четыре и более рукавов. У М₃₃ три основных рукава и с десяток мелких, обрывочных. У галактики М₆₃, известной под кличкой «Подсолнух», десятка два рукавов. У галактики М₁₀₉ (рис. 5 на цветной вклейке), внешне похожей на нашу, четыре рукава, причем отходят они не от ядра, а от концов бара – перемычки, проходящей через ядро. Такие галактики с перемычками обозначаются как SBa, SBb и SBc.

Легко классифицировать галактики, глядя на них со стороны. Установить спиральную структуру нашего собственного Млечного Пути нам, находящимся внутри него, оказалось в высшей степени трудно. Теперь известно, что наша Галактика относится к подтипу SBb и имеет четыре основных спиральных рукава. Существуют и местные рукава – ответвления от основных. В одном из таких местных рукавов-ответвлений находится наша Солнечная система.

Казалось бы, к чему весь этот разговор об эволюции Вселенной и о галактиках, коль скоро тема книги – Солнечная система? Подождите немного, читатель, а пока поверьте на слово: это сделано не зря.

Во времена Хаббла считалось, что галактики в своем развитии проходят стадии от неупорядоченных Irr-галактик (рис. 6 на цветной вклейке) к Sc, Sb, Sa и далее к аккуратным (пусть и скучным) Е-галактикам. Этакое превращение дремучего леса во французский регулярный парк. Существовала и диаметрально противоположная точка зрения: галактики-де рождаются эллиптическими, затем в них развивается вращательная неустойчивость, что приводит к образованию спиральных рукавов, после чего галактика мало-помалу теряет структуру и становится неправильной. Словом, обратная эволюция: от регулярного парка – к дремучему лесу с буреломами.

Прошло изрядное время, прежде чем была понята наивность подобных воззрений. Галактики рождаются либо как спиральные, либо как эллиптические, либо как неправильные и остаются таковыми на протяжении миллиардов лет, а если не произойдет тесного сближения (или столкновения) с другой галактикой, то и на протяжении всего существования галактики. Исключение здесь может быть только одно: некоторые карликовые неправильные галактики могут со временем превратиться в спиральные. Пример: Большое Магелланово Облако (БМО). В оптических лучах эта неправильная галактика демонстрирует нам некую барообразную структуру, но и только. Зато снимок в лучах нейтрального водорода выявляет заведомую спираль. Таким галактикам просто не хватило времени, прошедшего от рождения Вселенной, чтобы стать спиральными галактиками. У них еще все впереди.

Каким же образом некоторая масса материи, скопившаяся вокруг гравитационной «ямы», может «знать», в какого типа галактику ей превратиться?

Ответ: все дело в массе вещества и его моменте вращения.

Представим себе сферическое газовое облако определенной (галактической) массы, начисто лишенное момента вращения. Под действием собственного тяготения оно будет сжиматься. При идеальной сферичности и идеальной однородности облака (такого в природе не бывает, но вообразить-то мы можем) облако останется идеально сферическим во время всего сжатия и не будет фрагментировать на меньшие облака. Кончится это скверно. Пусть при достижении сжимающимся газом температуры в несколько миллионов кельвинов внутри облака начнутся ядерные реакции – при массе облака порядка миллиардов солнечных масс они не смогут остановить сжатие. Получится не галактика и не звезда чудовищной светимости, а сверхмассивная черная дыра.

Реализовывался ли подобный сценарий на практике, никому не известно. Но в меньших масштабах – реализовывался многократно. В центре практически каждой упорядоченной галактики находится «центральный монстр» – сверхмассивная черная дыра. Если в центре нашей Галактики она сравнительно мала – около 3 млн солнечных масс, – то масса «центрального монстра» Туманности Треугольника оценивается (впрочем, неуверенно) в 100 млн солнечных масс. Очень возможно, что в центрах крупных эллиптических галактик находятся еще более массивные черные дыры. Похоже на то, что самые центральные и плотные области протогалактического облака все-таки сжимаются по описанной схеме, а стекающий в образовавшуюся черную дыру газ дополнительно увеличивает массу «центрального монстра».

Другой сценарий – достаточная масса протогалактического облака и малый момент вращения. При этих «вводных» облако начнет сжиматься, причем на полюсах оно будет сжиматься сильнее, чем на экваторе, в результате чего примет форму сплюснутого сфероида[7]. Умозрительно понятно, что вращающееся тело приобретает некоторую сплюснутость, как, например, слегка сплюснут земной шар, но механизм сплющивания у газового облака иной. Представим себе две частицы, обращающиеся вокруг центра облака где-нибудь на его периферии, и примем из соображений простоты, что экваториальные составляющие их орбитальных скоростей равны, – меридиональные же составляющие также равны, но противоположны по направлению (рис. 7 на цветной вклейке). Что произойдет с частицами при соударении?

Если мы перейдем в систему координат, связанную с частицами, то поймем, что экваториальная составляющая их скорости не изменится. С меридиональной составляющей все будет иначе: ведь лишь при абсолютно упругом соударении частицы стукнутся друг о друга и разлетятся прочь, как резиновые мячики. Но атомы (а протогалактическое облако состоит из ионизованных или неионизованных атомов) ведут себя не как резиновые мячики. При ударе атомы могут перейти в возбужденное состояние, на что будет затрачена часть кинетической энергии частиц. Как следствие, разлет частиц прочь друг от друга будет происходить с меньшей скоростью, чем скорость их сближения до удара, а возбужденные атомы со временем избавятся от избытка энергии, спонтанно испустив кванты, и эти кванты скорее всего беспрепятственно покинут протогалактическое облако. Меридиональная составляющая скорости частиц уменьшится, а экваториальная не изменится.

На практике, конечно, столкновения между частицами во вращающемся облаке носят самый замысловатый характер, но наша простейшая модель помогает понять главное: облако будет сплющиваться, причем пресловутая центробежная сила тут решительно ни при чем. Дальнейшее зависит от плотности облака: если основная часть газа успеет превратиться в звезды до достижения облаком сплюснутости, характерной для галактик Е₇, то родится эллиптическая галактика. Ведь механизм сплющивания перестанет действовать, поскольку газ будет собран в звездах, а столкновение звезд в галактике – явление настолько редкое, что его не стоит принимать во внимание.

Если же начальный момент вращения облака велик, то облако успеет сжаться до кондиций спиральной галактики еще до фазы активного звездообразования. Разовьется неустойчивость, в результате чего появятся спиральные рукава и, возможно, бар. Самая заметная часть излучающего вещества будет собрана в галактическом диске, а наиболее яркой его частью станет спиральный узор.

А почему, собственно говоря, он наиболее яркий? А потому, что в спиральных рукавах собраны молодые горячие звезды высокой светимости. Скажем, типичная звезда спектрального класса О₅[8] имеет массу порядка 30 масс Солнца и светимость порядка 200 тыс. солнечных. Старыми такие звезды не бывают, вернее, их старость и смерть наступают еще в детском возрасте. (Астрономы пользуются термином «инфантильные объекты».) Логично предположить, что коль скоро горячие звезды высокой светимости сконцентрированы преимущественно в спиральных рукавах, то они там и родились. Хуже того: там им суждено провести всю свою недолгую (зато какую яркую!) жизнь.

Доказано, что скорость движения звезд вокруг центра какой бы то ни было спиральной галактики и скорость вращения ее спирального узора – совсем не одно и то же. В самом деле, за время существования Вселенной галактики должны были совершить не один десяток оборотов, а спиральные рукава редко закручиваются более чем на один-два оборота. В чем дело? А в том, что рукава – это не какие-то материальные образования, а волны плотности, обращающиеся вокруг галактического центра практически как твердое тело. По силовым линиям галактического магнитного поля в рукава натекает ионизованный газ, сталкивается здесь с уже имеющимся газом, и образующаяся ударная волна запускает процесс звездообразования. Именно в спиральных рукавах и барах звездообразование идет интенсивнее всего. Именно поэтому там много горячих молодых ярких звезд. (Разумеется, там хватает и менее ярких звезд, но не они главным образом «ответственны» за спиральный узор.)

Центральный балдж, шаровые скопления и звезды галактического гало – иное дело. В отличие от плоской подсистемы звездного населения спиральной галактики, представленной галактическим диском с рукавами, они образуют сферическую подсистему. Ее вращение вокруг галактического центра происходит совершенно иначе (гораздо медленнее), а сплюснутость если и наблюдается, то невелика. Совершенно очевидно, что шаровые скопления и звезды балджа образовались из локальных уплотнений на самых ранних стадиях формирования галактики, когда она еще была более или менее сфероидальным облаком.

Итак, в каждой спиральной галактике (и в нашей тоже) существуют две подсистемы: сферическая и плоская. Раньше их называли звездным населением I и II типа соответственно, но эта терминология была не вполне точна: ведь в подсистемы входят не только звезды, но и газово-пылевая материя. В нашу эпоху крупные газово-пылевые облака не обнаруживают сколько-нибудь заметной концентрации к галактическому центру, зато уверенно концентрируются к галактическому экватору. Не зря по экватору всех спиральных галактик проходит полоса пыли.

Между прочим, Солнце обращается вокруг центра Галактики почти в плоскости галактического экватора, расстояние до которого от нас в нашу эпоху составляет всего-навсего 30 световых лет – и это при том, что толщина галактической «линзы» на данном удалении от центра Галактики никак не менее 1000 световых лет. Слой галактической пыли, внутри которого находится Солнце, сильно мешает астрономам наблюдать объекты, расположенные под малым углом зрения к галактическому диску, поскольку активно поглощает лучи видимого частотного диапазона. Например, слой пыли между Солнцем и центром Галактики ослабляет видимый свет на 27 звездных величин! Поскольку разница в одну звездную величину соответствует «в разах» 2,512, то нетрудно подсчитать, что ослабление на 27 звездных величин эквивалентно ослаблению примерно в 6 млн. раз. В оптическом диапазоне наблюдения центра Галактики, а тем более внегалактических объектов в направлении на него практически невозможны – приходится обходиться средствами инфракрасной и радиоастрономии.

Печально? Для астрономов – да. Но галактическая пыль – это чрезвычайно важно. И не только потому, что без нее не было бы планет земной группы, а следовательно, и нас с вами, – пыль, как мы увидим далее, играет заметную роль в процессе звездообразования. Нельзя рассказывать о рождении Солнца, не разобравшись с ролью межзвездной пыли.

Прежде всего: откуда она берется?

Мы помним, что после краткого периода ядерных реакций в очень молодой расширяющейся Вселенной вещество было представлено крайне убогим набором химических элементов: водород, гелий, немного лития – и только. Эти три элемента вместе с их изотопами совершенно не склонны слипаться в некие агрегаты, образуя пылинки. Молекулы водорода Н₂, способные образовываться при небольших температурах и разрушающиеся при нагревании, – вот по сути и все, на что способна столь бедная смесь элементов. Можно считать, что химическая история Вселенной (и нашей Галактики, конечно) началась лишь в звездную эпоху.

Наша Галактика с ее четырьмястами миллиардами звезд считается как минимум гигантской; некоторые классификации относят ее даже к сверхгигантским. Таких галактик, как наша, одна на тысячу. Хвастаться тут, конечно, нечем (и не перед кем) – важно понять, что благодаря значительной массе газового облака, давшего начало Галактике, процесс ее формирования был довольно быстрым. Разумеется, сверхгигантские Е-галактики вроде NGC6166, чья масса оценивается в 14 трлн солнечных масс, сформировались еще быстрее, но не в этом дело. Важно понять, что по сравнению с Солнечной системой Галактика довольно стара: ей никак не менее 12 млрд лет. За время, прошедшее от рождения первых звезд Млечного Пути до возникновения Солнечной системы, химическая история Галактики успела продвинуться далеко вперед.

Широко известен источник горения звезд: ядерные реакции превращения водорода в гелий. Они вроде бы ничего не добавляют к убогому первоначальному набору химических элементов, составляющих материю Вселенной. Правда, в боковой ветви протон-протонной реакции образуются бериллий и бор, но они же большей частью и тратятся в недрах звезды на образование того же гелия. Откуда берутся более тяжелые элементы?

В межзвездном пространстве ядерные реакции не идут – следовательно, тяжелые элементы рождаются опять-таки в звездах. Но не во всех. Водородное «горючее» звезды – ресурс принципиально исчерпаемый. Предположим, что в плотном и горячем ядре некой звезды, где как раз и шли ядерные реакции, водорода больше не осталось. Что произойдет? Звезда начнет понемногу остывать и со временем погаснет?

Да, если ее масса менее 0,35 массы Солнца. Нет – если масса звезды превышает указанный порог. В этом случае после исчерпания водородного «горючего» центральные области звезды сожмутся и разогреются, температура в центре звезды превысит 100 млн К (вместо 10–20 млн К для «нормальной» звезды), и «включится» другая ядерная реакция – тройной гелиевый процесс. Суть этой реакции в том, что при столь значительной температуре две альфа-частицы (ядра гелия) могут, преодолев кулоновский барьер отталкивания, слиться в ядро неустойчивого изотопа бериллия-8. Последнее скорее всего распадется обратно, но может так случиться, что в него врежется еще одна альфа-частица, обладающая высокой энергией. В этом случае образуется устойчивый изотоп углерода-12 и выделяется энергия. Светимость звезды увеличивается по сравнению с «нормальной» в десятки, если не сотни раз, ее внешние области сильно разбухают и охлаждаются до 2500–3500 К, и звезда становится красным гигантом. Подобные звезды широко известны, скажем, красный Альдебаран в созвездии Тельца – типичный красный гигант.

Если масса звезды достаточна, то ядерные реакции не прекращаются и после «выгорания» гелия в центральных областях. Температура звездных недр вновь повышается, и тогда становятся возможны (и действительно идут) реакции между углеродом и гелием с образованием кислорода и других элементов. Внутри звезды возникает слоистый источник энерговыделения: ближе к поверхности идут реакции на еще уцелевшем водороде, глубже – тройная гелиевая реакция, а еще глубже – самые разнообразные реакции между углеродом и гелием, а также между гелием и кислородом, азотом и т. д. Суть этих реакций – в последовательном присоединении альфа-частиц. Таким путем образуются все более тяжелые элементы – вплоть до «железного пика». Элементы тяжелее железа, никеля, кобальта в недрах «обычных» (пусть сверхгигантских по светимости) звезд не образуются. Нет, ядерные реакции, в результате которых могли бы образоваться и более тяжелые элементы, в принципе существуют, но они идут с поглощением энергии, а значит, как только они начинаются, температура недр звезды падает, и эти реакции прекращаются сами собой – типичный пример отрицательной обратной связи, стабилизирующей текущую ситуацию.

Но откуда во Вселенной взялись элементы тяжелее железа? Ведь на Земле существуют месторождения меди, свинца, ртути, золота, урана. И каким образом тяжелые элементы попадают из звездных недр в межзвездную среду? Неужели звезда выбрасывает их, подобно тому как Солнце выбрасывает поток частиц, известный под именем «солнечного ветра»?

Ни в коем случае. Солнце выбрасывает лишь электроны, протоны, ядра гелия, а доля более тяжелых элементов в «солнечном ветре» невелика. Правда, изредка встречаются «коптящие» звезды – массивные красные сверхгиганты высокой светимости с раздутыми холодными атмосферами, охваченными бурной конвекцией. Эти звезды действительно выбрасывают углерод, причем в виде пыли – отсюда и название. Но не так уж много того углерода. И как быть с остальными элементами?

Типичный красный гигант оканчивает свое существование превращением в белый карлик – крошечную звездочку низкой светимости. Внешние же области красного гиганта отделяются от него с небольшими (порядка десятков километров в секунду) скоростями и образуют так называемую планетарную туманность (рис. 8-10 на цветной вклейке), постепенно рассеивающуюся в пространстве[9]. Однако и планетарные туманности не могут обеспечить наблюдаемое во Вселенной (и особенно на Земле) обилие элементов.

Взрывы сверхновых звезд – вот тот «плавильный тигель», где образуются элементы тяжелее железа, и одновременно способ их доставки в межзвездную среду. Нет необходимости в рамках этой книги описывать быстротекущие (порядка одной-двух секунд) процессы, происходящие во время взрыва звезды. Описание этих процессов, к тому же далеко еще не изученных, увело бы нас слишком далеко от темы. Важно запомнить: во время этих катастрофических процессов вблизи ядра звезды при колоссальных давлениях, создаваемых ударной волной, и температурах порядка триллиона кельвинов в быстротекущих ядерных реакциях создается все разнообразие тяжелых элементов. Взрыв приводит к выбросу газовой оболочки, обогащенной этими элементами, в межзвездное пространство со скоростями от 1000 до 10 000 км/с. На месте бывшего сверхгиганта остается весьма компактный объект – нейтронная звезда, а расширяющаяся газовая оболочка постепенно тормозится о межзвездную среду (обжимая ее локальные уплотнения и стимулируя тем самым звездообразование) и мало-помалу рассеивается.

Так межзвездная среда обогащается химическими элементами. Обилие тех или иных элементов определяется прежде всего вероятностью соответствующих ядерных реакций и наличием «сырья» для их протекания. В общем и целом наблюдается понятная закономерность: чем элемент тяжелее, тем меньше его во Вселенной, хотя и тут есть свои «пики» и «провалы». Например, в земной коре не так уж мало (относительно, конечно) урана-238, несмотря на то что этот изотоп нестабилен, с периодом полураспада 4,5 млрд лет, зато ничтожно мало (десятки миллиграммов) астата. Основную причину такой «несправедливости» следует искать в конкретных ядерных реакциях, идущих при взрывах сверхновых звезд.

Но общее количество тяжелых элементов, выбрасываемых при взрывах звезд, довольно велико, и эти элементы присутствуют в космосе преимущественно в виде пылинок, формирующихся по мере остывания расширяющегося облака продуктов взрыва. Так, например, известный радиоисточник Кассиопея А – самый мощный объект своего класса, являющийся остатком взрыва сверхновой, вспыхнувшей около 1680 года, содержит достаточно пыли для образования десяти тысяч таких планет, как Земля. И это еще самая скромная оценка. Выходит, что при взрыве звезды в космос было выброшено весьма значительное количество тяжелого вещества – не менее 3 % массы Солнца.

По современным представлениям, многократно подтвержденным наблюдениями, звезды рождаются из холодной газовопылевой материи. В очень молодой Галактике, лишенной тяжелых элементов, но с уже достаточно остывшей газовой средой, рождалось очень много массивных горячих звезд с ничтожным (по астрономическим меркам) сроком жизни. Взрываясь как сверхновые, эти звезды быстро обогатили межзвездную среду газом и пылью. Астрономам пока еще не удалось найти в Галактике звезду, полностью лишенную тяжелых элементов (а наличие их в звездных фотосферах запросто «ловится» спектроскопией). Пока что рекордсменом по химической бедности является одна слабая звездочка в галактическом гало – она в 100 тысяч раз беднее тяжелыми элементами, чем Солнце. Ясно, что говорить о наличии у этой звезды планет земного типа не приходится – им просто неоткуда взяться.

Отсюда понятно, что Солнце, коль скоро мы живем на поверхности его твердого спутника, никак не могло быть звездой «первого поколения» – оно образовалось значительно позже, когда обилие тяжелых элементов в газово-пылевой материи Галактики было уже близким к современному. Вообще считается, что любой атом Земли (и вашего тела, читатель) в прошлом трижды побывал в недрах звезды – в среднем, конечно. Иначе откуда бы взялось то обилие элементов, которое обеспечивает столь сложные химические процессы, какие протекают в живых организмах?

2. Рождение Солнца

Возраст Земли оценивается в 4,6 млрд лет. Поскольку считается (и не без оснований), что звезды и их планетные системы рождаются в рамках единого процесса, вряд ли Солнце намного старше Земли. Итак, к моменту рождения Солнца возраст Галактики уже превышал 7 млрд лет и диффузная материя в ней уже была обогащена тяжелыми элементами – почти до современного их количества. Среди тяжелых (я имею в виду: более тяжелых, чем водород и гелий) элементов важнейшее значение для звездообразования имеет углерод.

Именно его атомы имеют склонность слипаться в пылинки и, в частности, образовывать сложные структуры типа фуллеренов (последние найдены в космической пыли). Агрегат из сотни атомов – уже пылинка. Но для процесса звездообразования важно не то, что углерод в межзвездном облаке присутствует частично в виде пыли, а то, что он вообще там присутствует. Прочие атомы и молекулы (а в межзвездной материи спектроскопическими методами выявлено более 50 молекул, среди которых есть даже 13-атомная молекула цианодекапентина HC₁₁N) не играют столь серьезной роли.

Дело вот в чем. Углерод легко поглощает ультрафиолетовые кванты, излучая взамен инфракрасные. Для инфракрасных квантов не очень плотное газово-пылевое облако прозрачно, так что они беспрепятственно покидают его, унося энергию. За счет этого температура многих облаков межзвездной материи невелика. Углерод, как говорят, играет роль «холодильника», и это обстоятельство имеет важнейшее значение.

Всем известно, что звезды рождаются из газово-пылевой материи вследствие ее конденсации под действием собственной силы тяжести. О том же говорит и вся совокупность наблюдательных данных. Альтернативные гипотезы вроде рождения звездных скоплений по причине распада каких-то неведомых сверхплотных тел не нашли подтверждения. Известно также, что средняя плотность межзвездного газа в Галактике составляет в настоящее время примерно 1 атом на кубический сантиметр. Но гораздо раньше, чем была оценена средняя плотность межзвездного газа, стало ясно, что газ и пыль распределены по Галактике отнюдь не равномерно, а образуют облака, или туманности. Если между облаками плотность газа менее 0,1 атома на кубический сантиметр, то в облаках она обычно превышает 10 атомов на кубический сантиметр. Можно показать, что межзвездная среда, первоначально сравнительно однородная, обязательно будет делиться на облака диффузной материи и сравнительно пустое пространство между ними.

Некоторые из облаков малы, другие громадны. Есть темные и светлые туманности, холодные и нагретые излучением молодых горячих звезд, атомарные ионизованные, атомарные неионизованные и, наконец, молекулярные. Но какое облако будет сжиматься под действием собственной гравитации, а какое нет?

Прежде всего, сильно нагретые облака ионизованного газа сжиматься не будут. Бешеное излучение горячих ОВ-звезд, находящихся в этих облаках или вблизи них, нагревает облака настолько, что сила собственной гравитации облака полностью уравновешивается кинетической энергией атомов. Газ в таких облаках, известных как эмиссионные туманности, полностью ионизован и имеет температуру порядка нескольких тысяч кельвинов. Пылинки – и те разрушаются под действием мощного ультрафиолетового излучения горячих звезд. Хороший пример такой туманности – Большая туманность Ориона (рис. и на цветной вклейке).

Не будут сжиматься и неионизованные атомарные облака с температурой в несколько сотен кельвинов. Конденсация под действием собственной гравитации возможна лишь для холодных молекулярных облаков (они потому и молекулярные, что холодные) с температурой в несколько десятков кельвинов.

Но станет ли сжиматься, например, облако с массой газа, равной массе Солнца, температурой 20 К и поперечником в 1 парсек[10]? Нет, не будет по причинам, которые установил замечательный английский физик Джеймс Джинс еще в 1902 году. При определенной температуре и определенной плотности сферического (для простоты) облака существует критическое (джинсовское) значение его радиуса, при превышении которого облако начнет сжиматься. Из полученных Джинсом формул следует, что взятое мною для примера маломассивное облако сжиматься не будет, а вот облако той же плотности и температуры, но с поперечником в десятки парсеков – будет.

Дело в том, что тепловая энергия облака зависит от его радиуса в кубе, тогда как гравитационная энергия – от радиуса в пятой степени. Следовательно, при определенной плотности облака и определенной его температуре существует такой радиус облака, при превышении которого облако обязательно начнет сжиматься, и тем «охотнее», чем больше его размеры (при заданных значениях температуры и плотности).

Отсюда ясно, что прежде всего начнут конденсироваться громадные холодные облака молекулярного водорода, известные как газово-пылевые комплексы. Каждый такой комплекс может породить тысячи звезд.

Почему тысячи, а не одну суперсверхгигантскую – достаточно понятно. Во-первых, внутри газово-пылевого комплекса поперечником в десятки парсеков неизбежно содержится несколько тысяч звезд, разогревающих среду вокруг себя, несмотря ни на какие «старания» межзвездного углерода. Таким образом, газово-пылевая среда комплекса неоднородна изначально. Во-вторых, формы газово-пылевых комплексов далеки от сферических, и разные их части имеют свои хаотические скорости. При сжатии комплекс неизбежно будет фрагментирован на отдельные, уже более плотные, облака со скоростями относительно друг друга порядка десятков км/с. В свою очередь, эти облака, сжимаясь, разделятся на более мелкие облака. Из каждого такого облака в дальнейшем сформируется рассеянное звездное скопление. Наконец, достаточно маленькое и плотное облако, имеющее, однако, заметный момент вращения, также разделится надвое, а затем, глядишь, и начетверо. Получится четверная звездная система.

Если посмотреть в бинокль на звезду Эпсилон Лиры, то отчетливо видно, что эта звезда, кажущаяся одиночной невооруженному глазу, распадается на две звезды примерно равной яркости. Однако взгляд в телескоп с диаметром объектива от 100 мм при увеличении не менее 100–150 крат при ясном небе и отсутствии значительной турбуленции в атмосфере раскрывает истинную картину: каждая из двух звездочек также является двойной! То есть звезда Эпсилон Лиры – четверная, состоящая из двух пар, причем все четыре звезды имеют примерно одинаковый блеск. Расстояние между парами – значительное (почти 3,5 угловой минуты), тогда как расстояние между компонентами в парах значительно меньше – около 2 секунд дуги. Это означает, что сжимающееся облако, породившее четверную систему, имея некоторый начальный момент вращения, вращалось все быстрее (по закону сохранения момента количества движения), пока не разделилось на два почти равных по массе облака. Впоследствии каждое из этих облаков после еще более сильного сжатия, сопровождавшегося ускорением вращения, также разделилось примерно пополам.

Другой вариант – тройная система Альфа Центавра. Компонент А этой системы весьма похож на Солнце и принадлежит к тому же спектральному классу, компонент В – оранжевая звездочка класса Ki, а слабый компонент С – знаменитая Проксима Центавра – красный карлик 11-й звездной величины класса М5. Из-за близости к нам Проксима Центавра заметно удалена на звездном небе от компонент А и В, которые, «как порядочные», обращаются вокруг общего центра масс сравнительно недалеко друг от друга. У астрономов возникал даже вопрос: а принадлежит ли вообще Проксима Центавра системе Альфа Центавра? Ответ: скорее да, чем нет. Ведь в пространстве все три звезды движутся в одном направлении с примерно равными скоростями. По всей видимости, период обращения Проксимы Центавра вокруг общего центра масс тройной системы превышает миллион лет.

Как можно интерпретировать рождение подобной системы? Вероятно, на периферии протозвездного облака с самого начала существовало локальное уплотнение, которое в конце концов обособилось и породило компоненту С, чье расстояние от А и В составляет примерно 0,2 светового года. Основное же прото-звездное облако (точнее, его плотная центральная часть) разделилось уже гораздо позднее.

Еще более удивительная система – Кастор (Альфа Близнецов). В телескоп она разрешается на две компоненты с небольшой разницей в блеске. Вокруг этих двух звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести, движется по удаленной орбите спутник – слабая красная звездочка. И каждая из этих трех звезд является спектрально-двойной, то есть настолько тесной звездной парой, что ее двойственность выявляется лишь спектроскопическими методами. Здесь примерно та же ситуация, что и с системой Альфа Центавра, только каждое из трех протозвездных облаков успело до рождения звезды разделиться надвое, чему, несомненно, «помог» избыток момента вращения.

У любознательного читателя может возникнуть вопрос: а что будет, если сжимающееся протозвездное облако, имеющее массу, скажем, 10 тыс. масс Солнца, окажется сферическим и практически не вращающимся? «Этого не может быть», – ответит астроном. «Ну а все-таки если?..»

Неужели родится звезда чудовищной массы и совершенно невообразимой светимости?

Нет, не родится. Теоретические расчеты показывают, что предел массы для звезды – около 100 солнечных масс. Светимость ее при этом составит порядка миллиона солнечных. Характерный пример: переменная-сверхгигант Р Лебедя. Звезда большей массы и, естественно, еще большей светимости будет просто-напросто разрушена собственным излучением. Теоретические выкладки подтверждаются наблюдениями: звезды с массами более 100 солнечных во Вселенной не обнаружены. Астрономов долго интриговал объект R136a в Большом Магеллановом Облаке. Выглядя звездой, он имеет массу порядка 2000 солнечных, что резко противоречит теории. Так что же, теория неверна? Отнюдь. Просто данный объект оказался не звездой, а тесным скоплением из минимум 70 молодых горячих звезд. Выяснилось это лишь с помощью космического телескопа им. Хаббла…

«Большие неприятности» гарантированы звезде и в том случае, если ее масса превышает 70 солнечных масс. К примеру, звезда Эта Киля находится на грани устойчивости и погружена в туманность, состоящую из вещества, выброшенного звездой при вспышке. Как видим, чрезмерно массивная звезда пытается как-то подстроить свою структуру под «общий стандарт», избавляясь от излишков вещества. Кстати, Эта Киля – вероятный кандидат в сверхновые. Не исключено, что она взорвется в течение ближайших одной-двух тысяч лет.

Стоит подчеркнуть, что нарисованная выше картина рождения кратных звезд является предельно упрощенной, не учитывающей ни влияния магнитных полей, ни вихревых движений в сжимающемся облаке. Впрочем, главное для нашей задачи – понять в общих чертах, как возникла Солнечная система, поэтому такое упрощение, пожалуй, не является чрезмерным.

Важно следующее: звезды, как правило, рождаются не поодиночке, а кратными системами, чаще всего в составе молодого рассеянного скопления, которое, в свою очередь, входит в состав звездной ассоциации, содержащей сотни тысяч, если не миллионы звезд, а та, в свою очередь, нередко является частью звездного комплекса с характерным поперечником 600 пк. Почему мы говорим о рассеянных скоплениях вроде показанного на рис. 12 (см. цветную вклейку)? Потому что в наше время в Галактике уже давно не образуются шаровые скопления, содержащие сотни тысяч звезд. Все шаровые скопления Галактики (рис. 13), а их известно более 130, – старые объекты, содержащие старые звезды. Шаровые скопления рождались на самых ранних этапах жизни Галактики, когда диффузная материя для их создания имелась в избытке. Теперь же в Галактике содержится слишком мало газа (не более 10 % от массы Галактики[11]). Сравнительно молодые шаровые скопления попадаются лишь в небольших неправильных галактиках, где скорость звездообразования вообще замедлена, но не у нас. В нашей Галактике в современную эпоху рождаются лишь рассеянные скопления, содержащие обычно несколько десятков или сотен звезд.

Рис. 13. Шаровое скопление М3

Сказанное не означает, что в Галактике невозможно рождение одиночных звезд. Астрономам давно известны глобулы – маленькие темные туманности с массами, не сильно отличающимися от массы Солнца, и значительными (для туманностей) плотностями. Согласно расчетам, некоторые из глобул в перспективе должны начать сжиматься (если уже не сжимаются). На практике же глобулы с «пограничным» значением радиуса, массы и температуры могут весьма долго пребывать в «подвешенном» состоянии, не сжимаясь и не рассеиваясь. Облаку могут помочь начать сжатие следующие факторы.

1. Втекание газово-пылевой материи в спиральный рукав. При этом втекающие облака газа сталкиваются с «застрявшим» в рукаве газом, благодаря чему происходит уплотнение среды.

2. Взрыв сверхновой звезды. Выброшенная взрывом газовая оболочка сверхновой расширяется в пространстве со скоростью от 1000 до 10 000 км/с (в зависимости от типа сверхновой). Ударная волна стимулирует звездообразование.

3. Излучение молодых, очень горячих О-звезд высокой светимости. Давление света «обжимает» уже имеющиеся конденсации газа в окрестностях звезды, повышая их плотность и запуская процесс звездообразования. Если учесть огромную светимость 0-звезд, то понятие «окрестности» надо распространить на целые парсеки.

Эти факторы универсальны – они действуют не только на глобулы, но и на огромные молекулярные облака. В таких облаках часто наблюдается волна звездообразования, а нередко и несколько волн, инспирированных, например, несколькими вспыхнувшими сверхновыми. За прошедшей волной наблюдается градиент возрастов молодых звезд.

Подавляющее большинство звезд рождается группами, а не порознь. Не менее 50 % звезд нашей Галактики входит в состав кратных систем; если же взять только горячие звезды, то этот процент доходит до 70. Кроме того, обычно рождается целое рассеянное скопление, а не одиночная звезда.

Таким образом, наше Солнце хоть в чем-то звезда не совсем типичная, поскольку одиночная и не входящая в скопление. Хотя и таких звезд в Галактике хватает. Впрочем, рассеянные скопления – образования относительно (по космологическим меркам) недолговечные. Слабость взаимного притяжения звезд в рассеянном скоплении мало-помалу приводит к разрушению скопления за счет гравитационного влияния окружающих звезд. Является ли рассеянное скопление богатым, содержащим более тысячи звезд, или представляет собой убогую систему всего-навсего из полудюжины звезд, финал один – разрушение. Просто-напросто на гравитационное «растаскивание» богатого и компактного рассеянного скопления уйдет больше времени.

Хорошие примеры для сравнения – всем известные Плеяды (рис. 14 на цветной вклейке) и несколько менее известные Гиады. Семь звезд Плеяд хорошо видны невооруженным глазом, образуя фигуру в виде маленького ковшика. На самом деле там не менее 300 звезд, погруженных в отражательную туманность, не имеющую генетической связи со скоплением. Плеяды, имея возраст около 100 млн. лет, еще остаются довольно компактными. Иное дело – Гиады, окружающие красный Альдебаран в созвездии Тельца (Альдебаран не входит в Гиады, он расположен вдвое ближе к нам и просто случайно проецируется на скопление). Возраст Гиад – 1 млрд лет, и они широко разбросаны по небу. По сути это уже не рассеянное скопление, а просто группа звезд, движущихся по Галактике более-менее в одном направлении. Еще более разительный пример старого скопления – звезды созвездия Волосы Вероники, когда-то располагавшиеся гораздо теснее друг к другу. Их уже никто не называет скоплением, слишком уж далеко они разошлись в пространстве.

Вряд ли можно сейчас установить, родилось ли Солнце в составе рассеянного скопления или возникло в результате сжатия одиночной глобулы, – слишком уж много прошло времени. Без малого 5 млрд лет – срок совершенно запредельный для рассеянного скопления, столько времени они не живут. Зато одиночность Солнца оказалась благоприятным фактором для возникновения и развития жизни на Земле. В двойных звездных системах устойчивые планетные орбиты возможны либо вокруг одной из звезд (если пара широкая), либо (при тесной паре) вокруг центра масс всей системы. При этом вероятность попадания землеподобной планеты в область температур, благоприятных для развития жизни, гораздо ниже, чем в случае одиночной звезды. В нашей же системе орбиты планет оставались стабильными на протяжении миллиардов лет. Одной из планет повезло оказаться как раз на нужном удалении от Солнца, чтобы на ее поверхности развилась жизнь…

Как же из сжимающегося газово-пылевого облака рождаются звезды? К настоящему времени астрофизиками разработано довольно много моделей конденсации газово-пылевой туманности в звезду. Старая джинсовская модель, не учитывавшая ни движения межзвездной среды, ни магнитных полей, ни ударных волн, ни многого другого, подверглась многочисленным модификациям, но в целом устояла. Однако эта модель, доказывающая неизбежность сжатия некоторых облаков межзвездной среды, ничего не говорит о конкретных процессах, сопровождающих сжатие.

Динамику сжатия протозвезды с массой, равной массе Солнца, впервые исследовали Ч. Хаяши и Т. Накано в 1965 году. Эта модель, ставшая классической, предполагает важные упрощения: предполагается, что протозвездное облако сферично и однородно по плотности и температуре. Таких чудес в природе не бывает, однако модель Хаяши – Накано вполне пригодна для описания общих закономерностей сжатия облака.

Этап первый: подготовительный процесс. Протозвездное облако с параметрами, допускающими сжатие, долго «раздумывает», сжиматься ему или нет. В ряде наблюдаемых объектов сжатие, возможно, уже идет, но настолько вяло, что обнаружить его не удается. И если не последует «толчка» со стороны вроде ударной волны, процесс «раздумья» может затянуться на многие миллионы лет.

Этап второй, напротив, скоротечен: быстрое (за время порядка 10 лет) сжатие облака. Причем чем дальше, тем выше скорость сжатия. Вопрос для школьников: что происходит при сжатии газа? Ответ: газ нагревается. Так вот: на данном этапе никакого нагрева облака не происходит. Выходит, школьные учебники врут? Нисколько: классические газовые законы имеют дело с идеальным газом, в котором происходят абсолютно упругие столкновения молекул без каких-либо иных взаимодействий между ними. В протозвездном облаке это не так. Вспомним о роли углерода. Поглощая высокоэнергичные фотоны, он затем испускает кванты излучения с энергиями, соответствующими инфракрасному диапазону, для которого облако пока еще прозрачно. Так что избыток энергии благополучно канализируется в окружающее пространство. Сжатие облака на данном этапе является изотермическим. Этот этап также называют этапом свободного падения.

Этап третий. Он наступает, когда вещество протозвездного облака, норовящее упасть на центр его массы и «схлопнуться» в точку, достигает такой плотности, что становится непрозрачным к собственному инфракрасному излучению. Для этого оно должно сжаться раз в сто по сравнению с первоначальным состоянием. С этого момента времени процесс сжатия облака хоть и продолжится, но будет сопровождаться нагревом. При этом недра облака станут горячее его поверхности, и разовьется конвекция. Горячие «пузыри» газа будут всплывать из глубин к поверхности, отдавать избыток тепла межзвездной среде и снова «нырять» обратно. Всплывая и попадая в область пониженного давления, газ расширяется адиабатически. Адиабатическим же становится распределение температуры, плотности и давления в облаке. Облако теряет однородность, его центральные области становятся плотнее и горячее периферии.

По так называемой теореме о вириале половина тепловой энергии облака уйдет в пространство, а вторая половина пойдет на нагрев газа, прежде всего в центральных областях. Нагреваясь, облако все-таки будет продолжать сжиматься, но уже гораздо медленнее, чем на этапе свободного падения. Надо заметить, что вещество периферии будет продолжать свободно падать на формирующееся ядро. Последнее будет иметь массу порядка 0,01 солнечной, радиус 6000 солнечных и температуру около 2100 К. Падая на ядро со скоростью около 1 км/с, газ резко тормозится, его кинетическая энергия переходит в тепло и разогревает ядро еще и снаружи. Масса ядра растет, что приводит к его сжатию и выделению тепла по всему объему. После достижения температуры 10 ООО К вещество начинает ионизовываться (диссоциация молекул и разрушение пылинок происходят гораздо раньше), и центральная часть ядра вновь резко сжимается. Образуется более плотное и горячее внутреннее ядро. После полной ионизации температура и давление во внутреннем ядре стабилизируются. Сжатие внутреннего ядра на время останавливается при массе опять-таки около 0,01 солнечной и радиусе порядка 1000 солнечных.

Как будет выглядеть такая звезда со стороны? Если в ядре пылинки давно разрушены, то на периферии – нет. Температура ядра протозвезды (теперь ее уже можно так назвать) превысит температуру фотосферы звезды спектрального класса А, однако никакого оптического источника мы не увидим – помешает пыль окружающего протозвезду газово-пылевого «кокона». Но мы увидим инфракрасный источник излучения и – возможно – космический мазер.

Что такое лазер, знают все; мазеры несколько менее известны. Мазер – это источник когерентного излучения с длиной волны, определяемой разницей соответствующих энергетических уровней молекул рабочего вещества. Поглощая жесткие кванты «накачки», рабочее вещество затем спонтанно излучает кванты совершенно определенной длины волны. В Галактике известно немало «точечных» мазерных источников излучения. «Рабочим веществом» некоторых из них является молекулярный водород Н₂, других – гидроксил ОН (в условиях межзвездной газово-пылевой среды могут подолгу существовать молекулы, нестабильные на Земле, и не только гидроксил), а «накачку» осуществляет излучение ядра протозвезды.

Может случиться так (особенно с маломассивными протозвездами), что окружающий протозвезду «кокон» довольно быстро станет прозрачным. В модели Хаяши-Накано газ, падающий на внутреннее ядро протозвезды, порождает ударную волну, распространяющуюся из глубины к периферии. Ударная волна разогревает наружные слои протозвезды, разрушая пылинки, и инфракрасный источник превращается в оптический. Таких волн может быть довольно много. Наблюдатель увидит периодические яркие вспышки молодой звезды.

И действительно, подобные объекты наблюдаются. Они известны как фуоры, получившие название от их характерного представителя в созвездии Ориона: FU Ori. В 1936–1937 годах эта звезда за 120 суток увеличила свой блеск на 6 звездных величин (в 250 раз!) и до сих пор не вернулась в исходное состояние, потускнев лишь на 4 звездные величины. Для возврата к первоначальной, «естественной» светимости должно пройти не менее 100 лет от времени вспышки. Время между вспышками неизвестно, но уж точно более 100 лет. Вообще внезапное увеличение блеска на 3–6 звездных величин и удержание нового значения блеска в течение длительного времени – характернейшая черта фуоров. Не менее характерно и то, что фуоры часто погружены в плотные пылевые облака, где как раз есть все основания подозревать процесс рождения звезд. Фуоры имеют спектр F и G сверхгигантов с признаками быстрого вращения и теряют вещество в виде звездного ветра, а некоторые выбрасывают тонкие длинные джеты (струи вещества) или объекты Хербига – Аро (небольшие эмиссионные туманности неправильной формы).

Астрономам известны также звезды типа Т Тельца, почти всегда встречающиеся группами и обычно погруженные в туманности. Эти звезды похожи на красные и оранжевые гиганты, то есть звезды на заключительной стадии эволюции, когда водород в их центральных областях уже выгорел. Но почему в таком случае они образуют группы? Ведь срок водородных реакций в звезде резко различен у звезд разной массы. Это что же, в каком-то рассеянном скоплении имелись лишь звезды одинаковой массы, эволюционировавшие синхронно, причем успевшие проэволюционировать за время существования рассеянного скопления?

Если бы на небе существовала лишь одна Т-ассоциация, еще ладно – каких только «уродцев» не бывает! В каждом «порядочном» правиле есть исключения. Но как быть, если Т-ассоциаций известно множество?

Вывод был однозначен: звезды типа Т Тельца – очень молодые объекты. Об этом помимо прочего свидетельствуют их переменность и погруженность в газово-пылевые облака. Теоретические модели говорят о том же самом. По сути звезды типа Т Тельца – еще не звезды, а протозвезды, светящие за счет чего угодно, но только не ядерных реакций на водороде. Для этого их недра еще недостаточно разогреты. Существует хорошо обоснованное предположение, что фуоры – это те же звезды типа Т Тельца, только находящиеся в активной фазе.

Итак, наступает момент, когда протозвезда превращается сначала в инфракрасный, а затем и в оптический источник. Правда, по какой-то причине протозвезды сильно напоминают красные гиганты – или даже желтые сверхгиганты, каковы фуоры. А почему, собственно, если светимость звезды и ее спектральный класс вроде бы однозначно определяются ее массой?

Так-то оно так, но лишь для тех звезд, в недрах которых идут ядерные реакции на водороде. И здесь придется сделать отступление.

С давних времен астрономами предпринималось попытки не только классифицировать звезды (скажем, по спектральному классу), но и выявить какие-либо связи между параметрами звезд. Например, зависимость «масса – светимость» оказалась практически линейной (в логарифмическом масштабе) – разумеется, с разбросом, вызванным отчасти «странностями» некоторых звезд, которые ведь не сходят с одного конвейера, а отчасти и неуверенным определением абсолютной звездной величины звезды[12], так как расстояние до звезд определяется, понятное дело, с некоторой погрешностью. В 1911–1914 годах датский астроном Э. Герцшпрунг составил диаграмму «цвет – звездная величина» для скоплений Плеяды и Гиады. Примерно тем же независимо занимался американский астроном Г. Рессел. В дальнейшем после кропотливейшей работы была составлена знаменитая диаграмма «спектр-светимость» (называемая также диаграммой Герцшпрунга – Рессела), без которой теперь обходится редкая книга по астрономии (рис. 15). Каждая точка на диаграмме – звезда.

Рис. 15. Диаграмма Герцшпрунга – Рессела

Пусть читателя не вводит в заблуждение разница между понятиями «цвет» и «спектр». Никакой принципиальной разницы нет. И цвет, и спектр звезды определяется температурой ее излучающей поверхности, а указанная температура – прежде всего массой звезды. Кстати, показатель цвета звезды – вполне законная и легко измеряемая физическая величина. Так что если вам встретится диаграмма «цвет – светимость» или, что то же самое, «цвет – звездная величина», не смущайтесь – речь идет о той же самой диаграмме Герцшпрунга – Рессела, просто ось абсцисс проградуирована иначе.

При беглом взгляде на диаграмму бросается в глаза главная последовательность звезд на ней – изогнутая вроде человеческого позвоночника полоса из великого множества звезд. Оставляя в стороне подробности, скажу прямо: главная последовательность – обиталище звезд «второго поколения» (то есть обогащенных тяжелыми элементами), в которых идут ядерные реакции на водороде. Выше и правее положения Солнца на главной последовательности лежит область красных гигантов, в ядрах которых идут реакции на углероде. И сюда же, как ни странно, попадают звезды типа Т Тельца, то есть протозвезды. Впрочем, это происходит в полном соответствии с теоретическими моделями.

За счет чего светят протозвезды? Ведь их светимость порой в сотни раз выше, чем полагается при их массах?

Главным образом, за счет продолжающегося медленного сжатия. Потенциальная энергия слоев, лежащих выше, при их опускании просто-напросто переходит в тепловую энергию частиц. Но температура в ядре звезды типа Т Тельца еще недостаточна для «возгорания» водорода. Для протон-протонной реакции требуется температура хотя бы 4–5 млн К, а такой температуры в ядре еще нет. Правда, при меньших (порядка 1 млн К) температурах идут реакции на дейтерии и литии, но они не способны остановить сжатие. Дейтерия и лития просто мало. Типичный состав межзвездной среды, идущей на образование звезд, в нашу эпоху примерно таков: на 1000 атомов приходятся 900 атомов водорода, 90 атомов гелия и лишь 10 атомов других элементов. Где уж малочисленным атомам дейтерия и лития обеспечить энерговыделение, способное остановить сжатие протозвезды! Заметим в скобках, что лития в межзвездной среде в нашу эпоху гораздо меньше, чем было в догалактическую (но уже «вещественную») эру существования Вселенной. Мы помним, что вещество, из которого возникло Солнце (и, конечно, все звезды, формирующееся в наше время), имеет «вторичное происхождение», то есть в прошлом побывало (и не раз) в недрах звезд более ранних поколений. По этой причине лития в межзвездной среде в нашу эпоху очень мало. Дейтерия несколько больше, и именно он горит в ядре протозвезды, все равно, впрочем, не конкурируя по энерговыделению с процессом сжатия!

Между прочим, в середине XIX века великий Гельмгольц, не имевший, понятное дело, никакого представления о ядерных реакциях, предложил медленное сжатие как причину светимости Солнца. Гипотеза не прошла, так как предполагала чрезмерно большой (просто-напросто превышающий радиус орбиты Земли) радиус Солнца во вполне уже исследованные геологами эпохи, конкретно – в миоцене 18 млн лет назад. Понятно, что это не лезло ни в какие ворота. Однако для протозвезд теория Гельмгольца оказалась верной.

На рис. 16 показаны теоретические эволюционные треки для протозвезд разной массы. Звезды солнечной массы дрейфуют влево-вниз, пока не «наткнутся» на главную последовательность; массивные протозвезды дрейфуют влево, практически не меняя своей высокой светимости, а маломассивные протозвезды резко «ныряют» вниз, пока опять-таки не упрутся в главную последовательность и не займут на ней свое, определяемое прежде всего массой место.

Слово «резко» в отношении маломассивных протозвезд употреблено в том смысле, что их трек крутой, а не в том, что процесс превращения маломассивной протозвезды в красный карлик главной последовательности проходит быстро. Как раз наоборот: чем массивнее протозвезда, тем скорее она «садится» на главную последовательность, причем зависимость здесь резко нелинейная. Например, для протозвезды солнечной массы это время составляет около 50 млн лет, для протозвезды вдвое меньшей массы – уже 155 млн лет, а протозвезда с массой в 15 солнечных масс станет нормальной звездой всего-навсего за 60 тысяч лет.

Рис. 16. Эволюционные треки протозвезд разной массы

Маломассивные протозвезды остаются полностью конвективными вплоть до главной последовательности; у звезд солнечной массы еще до достижения главной последовательности развивается лучистое ядро, причем это происходит тем раньше, чем протозвезда массивнее. Газ в лучистом ядре очень горяч, полностью ионизован и практически беспрепятственно пропускает излучение. Ядро Солнца остается лучистым и поныне.

Расчеты показывают, что протозвезда солнечной массы, недавно «севшая» на главную последовательность, будет несколько отличаться от привычного нам Солнца. Ее эффективная температура составит 5800 К (что близко к современному значению эффективной температуры Солнца), но светимость очень молодой звезды будет ниже: около 0,7 нынешней светимости Солнца. В дальнейшем по мере «выгорания» водорода звезда эволюционирует поперек главной последовательности (а не вдоль, как поначалу предполагали астрономы), очень медленно пробираясь от нижнего края полосы главной последовательности к верхнему, – пока наконец не покинет главную последовательность, устремившись в область красных гигантов, как раз туда, где прошло ее «детство». Радует то, что с Солнцем это произойдет еще очень не скоро…

3. Рождение планет. Немного о Земле

Звезда без «свиты» – просто звезда, и о какой бы то ни было системе здесь говорить не приходится. Систему для одиночной звезды образуют она сама и обращающиеся вокруг нее тела. Естественно, людей издревле интересовала прежде всего Земля: как и почему она появилась, как устроена и чего от нее ждать в будущем. В высшей степени примечательно то, что в большинстве религий Земля не существовала вечно (на худой конец, была «пуста и безвидна»), – вечным был лишь Хаос (по мнению древних греков – не беспорядочная путаница, а безграничная унылая пустота), из которого сознательным усилием того или иного бога и было построено все мироздание. Как ни хочется обрисовать здесь верования древних, вышутив их и проиллюстрировав, например, рисунками Жана Эффеля, я этого делать не стану, и вовсе не из какого-то повышенного уважения к адептам той или иной религии. Наоборот, уважения прежде всего достойна работа человеческой мысли, направленная на объекты, лежащие вне сферы материального благополучия, и создавшая первые, пусть наивные картины мира.

Никакая научно-популярная книга о космогонии (рождении Солнечной системы) не обходится без упоминания о космогонической гипотезе Канта – Лапласа. Строго говоря, немецкий философ Кант и французский астроном Лаплас независимо друг от друга выдвинули гипотезу о конденсации Солнца из межзвездной среды. Правда, предположения Канта и Лапласа расходились в некоторых «мелочах»: Кант считал исходную туманность пылевой и холодной, тогда как Лаплас – газовой и горячей, притом быстро вращающейся. (Как мы теперь знаем, неправы были оба.) По Лапласу, туманность, сжимаясь под действием собственной гравитации, вращалась все быстрее и быстрее, и в конце концов под действием центробежной силы от ее экватора начали отделяться кольца, каковые в конце концов сконденсировались в планеты. Таким образом, планеты образовались раньше Солнца (в гипотезе Канта – наоборот).

Несмотря на все различия, в обеих гипотезах есть фундаментальное сходство: Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности – потому эта концепция и называется гипотезой Канта – Лапласа.

Шаг вперед по сравнению с наивными представлениями древности? Конечно. Громадный шаг. Но уже через несколько десятилетий стало ясно, что эта гипотеза скорее всего «не проходит» и если верна, то лишь в самой основе. Дело в том, что основной момент количества движения в Солнечной системе сосредоточен в движении планет, чего никак не может быть при отделении колец от вращающегося облака. Солнце, надо сказать, вращается довольно медленно (особенно по сравнению с горячими звездами главной последовательности), имея экваториальную скорость вращения около 2 км/с, и его момент количества движения невелик. Если взять суммарный момент количества движения планет (включая Плутон, который уже не считается планетой, но об этом ниже), то выйдет, что 98 % момента количества движения сосредоточено в орбитальном движении планет, в первую очередь Юпитера и Сатурна, и лишь жалкие 2 % приходятся на долю Солнца. И это при том, что масса Солнца составляет аж 99,87 % массы Солнечной системы! Если оставаться на позициях Лапласа, то такого распределения момента «не может быть, потому что этого не может быть никогда». Однако наблюдаемые факты и строгие расчеты – вещь упрямая, и с ними волей-неволей приходится считаться.

Разумеется, астрономами и физиками предпринимались всевозможные ухищрения, чтобы спасти гипотезу Канта – Лапласа, прежде всего – измышлялись новые сценарии рождения Солнечной системы и новые начальные условия. Так, например, космогоническая гипотеза О.Ю. Шмидта, предложенная им в 1944 году, постулировала следующее: уже сформировавшееся (может быть, давно) Солнце, проходя в своем движении по Галактике сквозь плотное газово-пылевое облако, захватило в «гравитационный плен» часть его материи, из которой впоследствии образовались планеты. Трудностей с моментом количества движения здесь не возникает, ведь первоначальный момент облака мог быть сколь угодно большим. Эта гипотеза продержалась свыше 20 лет и была доработана и улучшена английским космогонистом Литтлтоном.

Но есть в гипотезе Шмидта одно нехорошее качество: предполагается, что планетная система у звезды – скорее исключение, чем правило. Не каждой ведь звезде «повезло» в течение своей жизни пролететь сквозь подходящее облако. В этом смысле гипотеза Шмидта не так уж привлекательнее космогонической гипотезы Джинса.

Джеймс Джинс, замечательный английский физик, создавший, например, теорию газовых конденсаций (см. выше), предложил свою знаменитую космогоническую гипотезу, сильно будоражившую астрономов и физиков в первой трети XX века. В том, что само Солнце образовалось путем конденсации межзвездной материи, Джинс не сомневался, но планеты, согласно его гипотезе, образовались иначе – в результате тесного сближения (почти столкновения) Солнца с другой звездой. При этом на поверхности Солнца образовалась громадная приливная волна, которая под действием притяжения другой звезды превратилась в струю вещества, оторвавшуюся от Солнца, но не последовавшую за «чужой» звездой, а сконденсировавшуюся в планеты Солнечной системы. Гипотеза Джинса была «экзотической» с самого начала: ведь получалось, что планетные системы в Галактике можно буквально пересчитать по пальцам одной руки, так как случайные тесные сближения звезд вне галактического ядра – явление исключительно редкое. С другой стороны, гипотеза Джинса довольно непринужденно объясняла, почему наиболее массивные планеты – Юпитер и Сатурн – находятся не близко к Солнцу и не далеко, а где-то посередине. Струя вырванного из Солнца вещества, по мысли Джинса, имела веретенообразную форму, то есть была наиболее толстой посередине, утончаясь к краям. Следовательно, если где-то и могли возникнуть планеты-гиганты, то прежде всего посередине струи на средних расстояниях от Солнца. Просто и элегантно!

Увы. Сначала расчеты показали, что планеты, образовавшиеся таким образом, будут иметь очень эксцентричные (резко эллиптические) и притом близкие к Солнцу орбиты, чего не наблюдается. В дальнейшем было вычислено, что никаких планет из вырванной струи вообще не получится – они просто не смогут сконденсироваться. Кстати, гипотеза Джинса также оказалась не в состоянии объяснить, почему основная часть момента количества движения в Солнечной системе сосредоточена в планетах, а не в центральном светиле.

Предпринимались попытки модифицировать гипотезу Джинса, избавив ее от присущих ей недостатков. Например, предлагался сценарий тесного сближения Солнца не со звездой, а с протозвездой – рыхлым объектом небольшой (но звездной) массы. В этом случае струя вещества отрывалась уже от протозвезды и могла иметь весьма большой момент количества движения. По сути эта модификация – «мостик» между гипотезами Джинса и Шмидта.

Все равно, однако, оставалась одна, но существенная «неприятность»: выходило, что планетных систем в Галактике очень мало (одна на 100 тыс. звезд), в то время как данные наблюдений говорили скорее об обратном. Еще полвека назад американские астрономы Абт и Леви выполнили тщательное исследование 123 ближайших к нам звезд солнечного типа. Обнаружилось следующее: из 123 звезд 57 оказались двойными, и – тройными и 3 – четверными. С имеющейся на тот момент аппаратурой Абт и Леви не смогли выявить маломассивные компоненты кратных систем, каковыми компонентами могут быть тусклые красные карлики, коричневые карлики и… планеты. Кривые экстраполяции построенных графиков не говорили прямо, но намекали: практически все звезды солнечного типа должны либо входить в состав кратных систем, либо иметь планеты, либо и то и другое.

Уже эти – по сути чисто предварительные – исследования заколотили очередной гвоздь в крышку гроба гипотезы Джинса.

А как вообще можно установить наличие невидимого спутника у какой-либо звезды?

Тремя методами. Первый, блистательно сработавший, например, при открытии спутника Сириуса, основан на точных измерениях движения звезды. Если окажется, что траектория звезды хотя бы слегка волнообразна, это означает, что вокруг звезды обращается спутник (или спутники). И хотя траектория движения Сириуса очень заметно волнообразна, поскольку его спутник – белый карлик нормальной звездной массы, а от притяжения планет следует ждать в сотни раз меньшего возмущения, метод остается актуальным и поныне.

Второй метод основан на периодическом доплеровском смещении спектральных линий звезды, возникающих из-за движения звезды вокруг общего с невидимым спутником центра масс. Радиальная составляющая скорости звезды при этом периодически меняется на весьма незначительную величину, которую в ряде случаев все-таки можно измерить. Именно так было открыто некоторое количество экзопланет (планет, обращающихся вокруг других звезд).

Суть третьего метода – наблюдать периодические, крайне незначительные уменьшения блеска звезды при прохождении планеты на его фоне. К сожалению, этот метод работает лишь в том случае, если плоскость орбиты планеты ориентирована так, мы можем наблюдать периодические «затмения» части звездного диска планетой. Однако и этот метод подходит для открытия экзопланет, что и подтверждает практика.

К настоящему времени открыты уже многие сотни экзопланет. Их открытие превратилось в своего рода спорт – кто больше? Как бы ни были интересны результаты «спортивных состязаний», оставим их в покое и вообще отложим пока разговор об экзопланетах. Сейчас для нас важно лишь одно: Солнечная система далеко (и очень далеко) не уникальна, планетные системы у звезд широко распространены, если не повсеместны.

В последнее время теоретиками разработано немало моделей формирования звезд с планетными системами; нет смысла подробно освещать их. Ясно лишь, что классическая модель Хаяши – Накано при всех ее достоинствах все же очень приблизительна: в ней не учитываются вращение звезды, вихревые движения, магнитные поля, изначальная неоднородность вещества протозвездного облака по плотности и температуре и т. д. Этого недостатка лишены более поздние теоретические конструкции. Например, в модели Ларсона (1969 год), построенной для изначально неоднородного протозвездного облака солнечной массы, очень быстро образуется непрозрачное для инфракрасного излучения ядро, а скорость падения на него вещества получается порядка 15 км/с, что гораздо выше, чем в модели Хаяши – Накано. Созданы модели гравитационного сжатия несферического облака (например, цилиндрического), в некоторых моделях учтено влияние магнитного поля и т. п.

Любопытно, что результат моделирования оказался сильно зависящим от принятого численного метода расчетов, так что теоретикам пришлось потратить немало времени на их сверку. Менее удивительно то, что результат оказался весьма сильно зависящим от принятых начальных условий. Скажем, при одних начальных условиях вокруг протозвезды образовывался газовопылевой диск, а при других – тор («бублик»). Это говорит о том, что и в реальности скорее всего реализуются самые разные сценарии.

Протопланетные диски (или нечто трактуемое как диски) действительно обнаружены у ряда молодых звезд. (Первый диск был обнаружен методами инфракрасной астрономии около Веги. В дальнейшем пылевой диск радиусом около 200 а.е. был обнаружен у Фомальгаута; нечто похожее также найдено у других звезд.) Вращающееся вокруг протозвезды вещество приобретает сплюснутую форму под действием тех же неупругих столкновений между частицами, о которых (столкновениях) говорилось в первой главе. Разница между сплющиванием вращающейся «заготовки» галактики и вращающегося протопланетного облака заключена лишь в масштабах. Первые же попытки трехмерного моделирования показали, что протопланетный диск (или тор, все равно) неизбежно будет фрагментировать. Между прочим, в пылевом диске Веги найден сгусток – возможно, формирующаяся планета-гигант.

Совсем не исключено и даже вероятно, что во вращающемся и постепенно сплющивающемся диске (ладно, пусть будет диск) возникнет нечто напоминающее спиральные рукава. Вряд ли их возникновению может помешать мощное излучение центрального светила – протозвезды. Скорее это излучение будет «обжимать» имеющиеся в диске неоднородности и ускорит фрагментирование. (В очень молодых галактиках по сути та же картина: мощнейшее излучение «центрального монстра», куда падает имеющееся в избытке диффузное вещество, подпитывая источник излучения, несомненно, вмешивается в процесс образования спиральных рукавов и их фрагментации.) И пусть нам пока не известны многие детали процессов, приводящих к образованию планет, зато понятно главное: процесс распада протопланетного диска на фрагменты есть процесс естественный и закономерный. Главное, чтобы протопланетный диск вообще имелся в наличии.

Похоже, что он есть в наличии всегда, несмотря на мощное излучение протозвезды и «звездный ветер», состоящий преимущественно из электронов и протонов. Какая-то часть около-звездного вещества непременно будет рассеяна действием этих факторов – но не вся. Но может ли случиться так, что все вещество протозвездной туманности сконцентрируется в протозвезде и на протопланетный диск просто не останется газа и пыли?

Теоретические модели, особенно учитывающие первичную неоднородность облака, однозначно говорят: не может. Протозвезда всегда загорается раньше, чем на нее упадет вещество с периферии. С особенной силой это касается массивных и сверх-массивных протозвезд. Как мы уже знаем, такие протозвезды всегда окружены плотными «коконами» газово-пылевой материи и потому не наблюдаемы как оптические источники. Чем массивнее звезда, тем раньше у нее образуется лучистое ядро, тем мощнее оно излучает и тем раньше излучение останавливает аккрецию (оседание) вещества на ядро. Расчеты показывают, что из протозвездного облака с массой 150 солнечных масс получится в лучшем случае звезда с массой в 65 солнечных, а остальное вещество останется в «коконе», который со временем будет рассеян в пространстве совместным действием излучения и «звездного ветра».

Но не весь! Возле протозвезды, массивная она или нет, останется протопланетный диск, и в нем одновременно с образованием «зародышей» планет (планетезималей) пойдут процессы дифференциации вещества. Легкие элементы будут вытолкнуты подальше от протозвезды, тяжелые останутся. Во всяком случае, необычно большая средняя плотность Меркурия и отсутствие на Венере воды могут быть объяснены именно действием излучения Протосолнца, минимум в сто раз более мощным, чем современное. Так же непринужденно объясняется тот факт, что тела дальней периферии Солнечной системы состоят преимущественно из льдов (вымороженных газов).

Так или иначе, еще до момента «посадки» Солнца на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга – Рессела вокруг него уже обращалось некоторое (причем, по-видимому, довольно значительное) количество планетезималей. Их орбиты были расположены хаотично, что, естественно, приводило к столкновениям. При этом планетезимали росли по массе, уменьшаясь в числе. Материал, выброшенный при столкновениях, впоследствии захватывался той же или иной планетезималью. Прошло относительно немного (естественно, по космогоническим меркам) времени – и «остались сильнейшие»: образовалась семья планет с орбитами, исключающими возможность их столкновения друг с другом. (Кроме пояса астероидов, о нем речь пойдет ниже.)

Что такое «солнечный ветер», знают более или менее все. Полезно сказать еще раз: под его действием (совместно с давлением света) еще на допланетной стадии происходила дифференциация вещества в протопланетном диске. Надо учесть, что «протосолнечный ветер», а также излучение Протосолнца были гораздо сильнее, чем в наше время. Не следует удивляться тому, что средняя плотность планет в целом падает по мере удаления от Солнца. Наибольшая она у Меркурия: 5,43 г/см³; наименьшая – у Сатурна: 0,70 г/см³. Впрочем, газовые планеты – это отдельная песня. Лучше сравнивать твердые тела с твердыми телами. Так вот, средняя плотность Плутона составляет 1,1 г/см³. Примерно такова же плотность трансплутоновых тел. Это означает, что они состоят из смеси каменных пород и льдов с преобладанием последних. Заметную долю составляет наш обычный водяной лед.

На Меркурии и Венере практически нет воды. На Земле ее много, на Марсе – заметно меньше, зато три из четырех галилеевых спутников Юпитера покрыты толстой ледяной корой, состоящей преимущественно из водяного льда; то же можно сказать и о спутниках Сатурна, Урана, Нептуна. Вообще чем дальше от Солнца, тем больше водяного льда. Может быть, в протосолнечную эпоху граница удержания воды проходила где-то между орбитами Земли и Венеры?

Так или иначе, начальное распределение плотности вещества в протопланетном диске и излучение (волновое и корпускулярное) Протосолнца привели к образованию двух классов планет: внутренних и внешних. Первые – твердые тела, окруженные сравнительно тонкими атмосферами. Вторые – пухлые газовые гиганты, имеющие, согласно расчетам, твердые ядра, но состоящие преимущественно из газа практически первичного состава. Орбиты планетезималей, по-видимому, с самого начала не были очень уж эксцентрическими – за исключением тех «невезучих» тел, чье существование давно оборвалось при столкновениях. В этой связи интересно поговорить о происхождении Луны.

Считается, что Луна младше Земли. Разница в их возрасте оценивается (довольно неуверенно) в 60 тысяч лет. Строго говоря, Протолуна, имея массу в десятки раз меньше массы Протоземли, а значит, будучи значительно менее глубокой гравитационной «ямой», и должна была эволюционировать медленнее, а потому гипотеза о раздельном возникновении Земли и ее естественного спутника не опровергнута. Однако в последнее время в научно-популярных книгах и фильмах пропагандируется другая гипотеза: Луна есть не что иное, как тело, сконденсировавшееся из вещества, выбитого из Земли ударом. В рамках этой гипотезы предполагается, что очень молодая Земля испытала столкновение с космическим телом размером примерно с Марс.

Строго говоря, ничего удивительного в таком столкновении быть не может. Скорее всего где-то около современной орбиты Земли первоначально возникло несколько планетезималей. Эти тела, состоящие из пыли, «сползшей» в гравитационные «ямы» первичных неоднородностей в протопланетном диске, должны были сталкиваться. При этом скорость соударения вряд ли была очень высокой, поскольку планетезимали двигались по близким орбитам. Во всяком случае, значительная часть вещества после соударения не выбрасывалась в пространство, а шла на наращивание массы протопланеты. Иное дело, когда вместо соударения тел с характерным поперечником 1000 км в молодую Землю, уже имевшую почти современную массу, врезается тело размером с Марс! При этом должно выброситься довольно много вещества, которое, однако, не приобретет параболической («второй космической») скорости и не покинет Землю навсегда. Расплавленное при ударе вещество останется на околоземной орбите и со временем соберется в единое тело – молодую Луну.

Первоначально ее орбита будет сравнительно низкой – что-нибудь около 20–30 тыс. км от Земли. Однако со временем под действием приливных сил Луна будет мало-помалу выходить на все более высокую орбиту (при этом вращение Земли будет замедляться), пока наконец не отдалится аж на современные 384 тыс. км.

Реалистичен ли такой сценарий? Вполне. Однако надо подчеркнуть: речь идет о гипотезе, не проверенной (да и проверяемой ли в принципе?) и пока не ставшей общепризнанной теорией. Как бы ни любили СМИ разнообразные сенсации, в том числе научные, разумному читателю/зрителю следует соблюдать осторожность. Мы еще поговорим о научных сенсациях, уже ставших в массовом сознании чем-то вроде непреложной истины, несмотря на скепсис ученых.

Читатель хочет знать – и это его право. Наука же, к сожалению, не может снабдить его исчерпывающими ответами на все вопросы, которых становится тем больше, чем активнее наука продвигается вперед. Это нормально. Таково уж свойство человеческого интеллекта, остающееся таким даже в нашу эпоху прогрессирующей деинтеллектуализации обывателя. Не винить же ту любопытную обезьяну, от которой произошел человек, в том, что свою любознательность она передала потомкам!

Приходится признать, что многого мы еще не знаем и, возможно, узнаем не скоро. Кому невтерпеж, тот может самостоятельно измыслить те или иные теоретические концепции (несть числа самодеятельным космогонистам и опровергателям теории относительности) или, допустим, поискать рациональное зерно в астрологии – пожалуйста! Но эта книга о другом.

Вернемся, однако, к Земле. Мы знаем ее достаточно хорошо, чтобы на ее основе понять закономерности процесса формирования и эволюции планет земной группы, – отличия же других планет от Земли будут носить характер поправок. Прежде всего: была ли Земля изначально холодной – или расплавленной?

Эта дилемма волновала ученых долгое время. Согласно теории Лапласа планеты формировались из холодного пылевого облака и были изначально холодными, согласно теории Джинса – наоборот. Температура земных недр составляет в настоящее время примерно 1200 °C; вулканическая лава и газы фумарол практически никогда не нагреты свыше 1100 °C. Из этого следует, что недра Земли находятся преимущественно в твердом состоянии. Но было ли так всегда?

Расчеты показывают: да, было. Разумеется, конденсация пыли в планетезималь неизбежно сопровождалась нагревом, да и столкновения между планетезималями неминуемо высвобождали массу тепловой энергии, однако в настоящее время считается, что Земля никогда не была полностью расплавленной. Не была она, впрочем, и «космически холодной» – просто по закону сохранения энергии. Земля никак не могла излучить в пространство всю тепловую энергию, выделявшуюся сначала при осаждении на нее космической пыли, а затем при начавшемся процессе гравитационной дифференциации вещества.

Гравитационная дифференциация – что это за зверь? По сути это вульгарное «тяжелое – тонет, легкое – всплывает», известное каждому на примере хотя бы воды и льда. Средняя плотность Земли составляет 5,515 г/см³, тогда как средняя плотность земной коры – всего лишь около 2,5 г/см³. Плотность вещества мантии несколько выше, порядка 3,5 г/см³, но все равно далеко не достигает средней плотности Земли. Отсюда сразу следует высокая плотность земного ядра – не менее 8 г/см³. Невозможно предположить, чтобы такая разница в плотностях внутренних и наружных слоев планеты существовала изначально. Следовательно, тяжелые породы опускались на глубину, а легкие – всплывали. Процесс этот продолжается и поныне.

Здесь придется сделать отступление. Как известно, во время Первой мировой войны немцы бомбили Лондон с цепеллинов. Последние, будучи наполнены водородом, сравнительно легко уничтожались даже такими примитивными средствами ПВО, какие существовали в то время. Но однажды случился удивительный казус: цепеллин, пробитый во многих местах и теряющий высоту, упорно не желал гореть, как его предшественники. Впоследствии выяснилось: его баллоны были наполнены гелием.

По нынешним временам, гелий – банальность, но тогда это было не так. Впервые гелий был открыт на Солнце спектроскопическими методами. Считалось, что на Земле его столь мало, что не стоит и возиться с его добычей. Немцы, однако, показали, что это не так.

Откуда же берется земной гелий? В составе «солнечного ветра» содержатся – в виде ионов – гелий-3 и гелий-4. От того-то в лунном реголите немало гелия, нанесенного туда за миллиарды лет. На Земле, однако, этот механизм не работает, поскольку Земля имеет достаточно мощную магнитосферу, защищающую поверхность планеты от солнечных заряженных частиц. Лишь иногда при особо мощных солнечных выбросах некоторой части заряженных частиц, отклоненных магнитным полем Земли к полюсам, удается проникать в атмосферу и вызывать свечение атомов, известное как полярные сияния. В норме, однако, этого нет, и так невозможно объяснить существование земного гелия. Не может он иметь и первичное происхождение, так как весь первичный гелий давно диссипировал (улетучился) в космическое пространство. Следовательно, земной гелий образовался на месте.

Каким образом? В 1896 году А. Беккерель открыл радиоактивность. Смысл этого типа ядерных реакций состоит в перекомбинациях протонов и нейтронов в атомном ядре, в результате чего образуются новые элементы и выделяется большое количество тепла. В появлении земного гелия «повинен» главным образом торий. Его альфа-распад приводит к постепенному накоплению гелия. Выделяющееся при подобных реакциях тепло какое-то время считалось главной причиной высокой температуры земных недр. Немцы добыли гелий для своего несгораемого цепеллина, прокаливая монацитовый песок, который привозили из колоний на судах под видом балласта. Монацит – минерал класса фосфатов, содержащий торий. Под действием нагрева из микротрещин в песчинках выделялось какое-то количество гелия.

Но оставим в покое немцев и их цепеллины. Существуют ли на земле другие реакции с выделением тепла? Конечно. Например, оба изотопа урана, распространенные на Земле, нестабильны. Однако наибольшее тепловыделение происходит при бета-распаде калия-40 – просто потому, что на Земле гораздо больше калия, чем тория, урана и некоторых других нестабильных изотопов. Калий-40 спонтанно превращается в аргон-40, который остается в породе (на этом основан калий-аргоновый метод определения возраста породы). Но можно ли считать радиоактивный распад калия-40 главной причиной высокой температуры земных недр? Какое-то время считалось, что да, можно. Теперь ясно, что эта причина – второстепенная. Распад радиоактивных элементов в настоящее время обеспечивает лишь 15 % нагрева, а 85 % приходится на нагрев вследствие гравитационной дифференциации недр планеты. Лишь в архее и раннем протерозое распад калия-40 мог конкурировать по энерговыделению с гравитационной дифференциацией. Теперь же калия-40 в земных недрах осталось гораздо меньше, чем в те времена.

Не забудем о «железном пике». В состав вещества, формировавшего планеты Солнечной системы, входило немало железа. При плотности 7,8 г/см³ железо, даже будучи окисленным, все равно имеет плотность, превосходящую среднюю плотность пород земной коры. Но первичная атмосфера Земли была восстановительной, а не окислительной, как сейчас. Следовательно, железо на очень молодой Земле присутствовало в металлическом виде и медленно «тонуло» в мантии, устремляясь к центру планеты и формируя земное ядро. Причина энерговыделения при этом процессе следует из школьной физики: потенциальная энергия превращается в тепловую.

Выше было сказано, что вещество значительной части Земли пребывает в твердом состоянии. Это так, однако при огромных давлениях земных недр оно ведет себя как чрезвычайно вязкая жидкость, что в полной мере проявляется лишь на больших промежутках времени. Можно привести аналогию (честное слово, не знаю, вполне ли корректную) с выплавкой меди в примитивных сыродутных печах. Процесс этот, освоенный на Ближнем Востоке на рубеже VII–VI тысячелетий до н. э., заключается в том, что великолепную местную руду, являвшуюся по сути почти чистым окислом меди, перекладывали слоями с дробленым углем в чреве простейшей печи, собранной из камней, скрепленных глиной. При небольших размерах поддувала и полном отсутствии дымовой трубы уголь окислялся не до углекислого, а лишь до угарного газа, являющегося мощным восстановителем. Но нас должен интересовать не примитивный (школьный) химизм реакции, а температура внутри печи.

Так вот: она находилась в пределах 800–900 °C, что и подтвердили современные опыты с реконструированными сыродутными печами. Но как же так? Ведь температура плавления меди равна 1083 °С! Выходит, медь в печи не доводилась до расплавленного состояния?

Так и выходит. Плавка и выплавка – это разные слова. Под действием восстановителя медь «отпотевала» из окисла, после чего, находясь в пастообразном состоянии, медленно, каплями, просачивалась на дно печи, где и накапливалась в глиняном поддоне.

Примерно так железо вместе растворенными в нем другими металлами опускалось в ядро планеты. Характерная скорость такого рода движения – несколько сантиметров в год – видна из движения материков.

Позвольте, но при чем тут материки? Опять-таки мне придется сделать некоторое отступление.

В 1912 году А. Вегенер, обратив внимание на сходство береговой линии Африки и Южной Америки, предложил теорию дрейфа континентов. Согласно ей, существовавший некогда единый гигантский материк Пангея раскололся на блоки – сначала на Гондвану и Лавразию, разделенные морем Тетис, а затем и на более мелкие блоки – современные материки. В те времена было, разумеется, невозможно измерить скорость движения материков непосредственно, и геофизики, привыкшие иметь дело с синклиналями, антиклиналями и медленными вертикальными движениями земной коры, приняли идею Вегенера в штыки.

Материки движутся, ползут? А почему, собственно? Как могут одни горные породы скользить по другим? Вы пробовали волочить бетонную плиту по асфальту? Получается примерно то же самое. Не видно вещества, готового сыграть роль «смазки», и не видно сил, способных обеспечить движение.

Позднее, однако, накопилось немало фактов, говорящих о единстве материков в прошлом (следы гондванского оледенения на юге Африки и в Индии, идентичность ископаемой флоры и фауны на материках, разделенных ныне океанами). Введением гипотетических сухопутных «мостов» (впоследствии затонувших) между материками задача не решалась. Пришлось все-таки измышлять способы скольжения материков по твердой подстилке, и задача, как легко понять, была далека от решения, поскольку невозможно решить задачу, которая решения не имеет. Позиции «фиксистов», отрицавших возможность дрейфа материков, оставались как бы не более прочными, чем позиции «мобилистов», постулировавших такой дрейф.

Спор в основном решился в 60-е годы XX века, когда было понято: материки не скользят по твердой поверхности, а движутся вместе с земной корой, нарастающей в области срединноокеанических хребтов и «ныряющей» в мантию в глубоководных желобах. Главное доказательство добыли морские геологи, открывшие на дне океанов полосовые магнитные аномалии. Что это такое?

Земля, как известно, намагничена. При этом магнитные полюса планеты через неравные промежутки времени меняются местами. Магнитное поле ослабевает, затем ненадолго исчезает совсем, после чего вновь усиливается, только северный магнитный полюс теперь становится южным, и наоборот. Горячая лава не имеет магнитных свойств, но, как только остывает ниже точки Кюри, сразу намагничивается геомагнитным полем. Исследуя намагниченность океанского дна (кстати, это можно делать с поверхности океана), ученые сразу же натолкнулись на чередующиеся полосы «правильной» (то есть соответствующей современной полярности геомагнитного поля) и обратной намагниченности горных пород океанского дна. А возраст донных пород, определенный калий-аргоновым методом, оказался наименьшим близ срединно-океанических хребтов и монотонно возрастающим по мере удаления от них. На дне океанов вообще нет коры более древней, чем юрская (порядка 180 млн лет).

Объяснить это можно только одним способом: материки действительно дрейфуют за счет разрастания морского дна в зонах срединно-океанических хребтов. В глубоководных желобах океаническая кора, напротив, «ныряет» в мантию, где производит глубокофокусные (с гипоцентром на глубинах до 600–700 км) землетрясения, весьма ощутимые на больших площадях (чего не скажешь о мелкофокусных землетрясениях, подчас разрушительных, но затрагивающих лишь небольшие участки земной коры). Причина глубокофокусных землетрясений – внезапный и резкий отлом части плиты, изогнутой при погружении.

Далее куски плиты, увлекаемые мантийной конвекцией к земному ядру, погружаются все глубже, мало-помалу размягчаясь, и в конце концов отдают ядру если не все содержащееся в них железо, то по меньшей мере его часть. Лишь материки относительно стабильны и сохраняют в себе железо, которого в них, впрочем, немного по сравнению с ядром – именно поэтому материки «легкие» и «плавают», а океаническая кора в зонах субдукции (погружения) «ныряет» под них, а не наоборот, что было бы весьма печально.

Окончательно убедить наиболее упорных «фиксистов» удалось лишь прямыми измерениями скорости дрейфа материков. В наше время это совсем не проблема. Оказалось, что обе Америки удаляются от Старого Света со скоростью в среднем 4 сантиметра в год (измерения в разных точках дают величины от 3 до 7 сантиметров в год). Активнее всего – порядка 12 см в год – нарастает морское дно вокруг подводного рифта, расположенного в Тихом океане несколько южнее экватора. Есть и «ленивые» рифты, разрастающиеся со скоростью не более 1 см в год.

Итак, основная причина высокой температуры земных недр и мантийной конвекции – гравитационная дифференциация вещества. Считается, что на Земле этот процесс в основном закончится примерно через 1,5 млрд лет, после чего наша планета успокоится – не будет ни мантийной конвекции вещества, ни землетрясений, ни вулканизма. Но можно ли утверждать, что гравитационная дифференциация вещества идет только на Земле?

Ни в коем случае. Вне всякого сомнения, то же самое происходит (либо происходило в прошлом) на всех планетах земной группы, а также на крупных спутниках планет. К сожалению, это пока нельзя измерить непосредственно. Однако шарообразность практически всех космических тел, чей поперечник превышает 250–300 км, есть факт, а как под действием сил собственного тяготения может возникнуть шарообразность тела, если не через нагрев и размягчение его недр?

Тех, кого не убедил этот аргумент, я приглашаю взглянуть на метеориты. В Минералогическом музее РАН в Москве есть очень неплохая их коллекция. Известно, что примерно три четверти всех найденных метеоритов имеют железный или железо-каменный состав. Среди железо-каменных метеоритов выделяются хондриты – железные «капли» в силикатной основе. Особенно красивыми бывают палласиты, названные так в честь характерного их представителя – метеорита «Палласово железо». В палласитах «капли» железа заключены в желтоватозеленый оливин. Как могли произойти такие метеориты?

Точно так же, как все метеориты вообще, – путем дробления крупного космического тела, в котором уже вовсю шли (но были еще далеко не закончены) процессы гравитационной дифференциации вещества. Если заглянуть в мантию Земли непросто, то исследовать мантийные фрагменты давно погибшего планетоида, выпавшие на Землю в виде метеоритов, можно очень легко. И вид их убеждает лучше любых слов: все планеты земной группы и крупные спутники достаточно горячи внутри и имеют железные ядра.

Чисто железные метеориты – как раз фрагменты этих ядер. На рис. 17 представлена фотография крупного железного метеорита Богуславка, расколовшегося при падении. Обращает на себя внимание то, что метеорит раскололся по спайности, то есть он представляет собой огромный – более метра в поперечнике – шестигранный кристалл железа. Таких чудес наша технологическая цивилизация породить не способна. Кристаллики железа в тех железных и стальных вещах, которыми мы пользуемся в быту и промышленности, крохотные, микронных и субмикронных размеров. В обыкновенном куске железа эти кристаллики соседствуют друг с другом, а пространство между ними заполнено аморфным железом. Для того чтобы вырос метровый железный монокристалл, требуется, чтобы температура расплава уменьшалась примерно на 1° за миллион лет. Где, спрашивается, могло быть обеспечено такое температурное постоянство, как не в недрах планетоида?

Рис. 17. Железный метеорит Богуславка – кристалл железа, расколовшийся по спайности

Словом, Земля не уникальна ни по своему генезису, ни по геологическому строению. Она лишь наиболее крупное тело из планет земной группы. Уникальной ее делают наличие гидросферы и атмосферный состав.

В настоящее время считается общепризнанным, что весь кислород земной атмосферы имеет биогенное происхождение. Подсчитано, что если на нашей планете вдруг исчезнет вся растительность, то нынешние 21 % кислорода сократятся до следовых количеств всего-навсего за 10 тыс. лет! И это неудивительно, если вспомнить, каким активным окислителем является кислород. «Переплюнуть» его в этом могут только галогены. Это же астрономический нонсенс: пятая часть атмосферы состоит из немыслимо химически активного газа!

Легко понять, что в период «слипания» пылинок в протопланетный шар атмосфера Протоземли имела состав, типичный для космического облака: преимущественно водород и гелий. Оба эти газа, однако, слишком легкие, чтобы Земля могла удержать их, поэтому они быстро диссипировали в космическое пространство. Когда говорят о первичной атмосфере Земли, то о водороде и гелии, как правило, не вспоминают, а имеют в виду газы, выделившиеся из магмы при весьма активном первобытном вулканизме, и продукты химических реакций между ними.

В современную эпоху вулканические газы на три четверти состоят из паров воды, на 15 % – из углекислого газа, а 10 % приходятся на метан, аммиак, сернистые соединения, инертные газы (преимущественно аргон) и «кислые дымы» – галогеноводороды. Нет оснований считать, что газообразные продукты первичного вулканизма сколько-нибудь существенно отличались от продуктов дегазации современных лав. Водяной пар, конденсируясь, формировал гидросферу, в ней растворялись галогеновые кислоты и реагировали с минералами. Ни кислорода, ни, что интересно, азота в первичной атмосфере Земли практически не было.

Жизнь на Земле зародилась как минимум 3,8 млрд лет назад, а может быть, и раньше. Во всяком случае, в древнейших осадочных породах Земли изотопное соотношение углерода уже смещено, что говорит о существовании фотосинтеза (углерод-14 не принимает участия в процессе фотосинтеза, в отличие от углерода-12). Магматические породы, естественно, не содержат никаких следов жизни, и вот какая странная возникает картина: как только мы принципиально можем обнаружить на Земле следы древней жизни, так они и обнаруживаются на самом деле. Важно, что все древнейшие микроорганизмы были анаэробными, то есть прекрасно обходились без кислорода, которого в те времена на Земле практически не было и который является губительным ядом для анаэробов. Правда, очень небольшое количество кислорода в атмосфере присутствует всегда за счет фотолиза водяных паров, но со столь незначительным кислородным «загрязнением» анаэробы легко мирились. При этом одноклеточные фотосинтетики (типа сине-зеленых водорослей) непрерывно продуцировали кислород. Поначалу он в основном уходил на окисление всего, что может окислиться: закисного железа, сероводорода, аммиака и т. д. При окислении аммиака как раз и возник азот в атмосфере и благодаря своей химической инертности накапливался в ней.

Около 2 млрд лет назад количество свободного кислорода в атмосфере превысило 1 % от современного значения (точка Пастера) и грянул первый на Земле глобальный экологический кризис. С тех пор анаэробным микроорганизмам приходится существовать глубоко в почве, в болотах, в донных осадках – словом, там, где кислорода мало или вовсе нет. На передний план эволюции вышли аэробные, то есть дышащие кислородом, организмы, а содержание кислорода в атмосфере продолжало повышаться, достигая в некоторые периоды истории Земли 35 %!

В.И. Вернадский был совершенно прав, утверждая, что 99 % горных пород верхних слоев земной коры так или иначе сформировались при участии живых организмов. Например, громадные залежи железных руд вроде Курской магнитной аномалии сформированы древними железобактериями. Однако более наглядное представление о вопросе можно получить в том же Минералогическом музее. Сравните потрясающее богатство и красоту выставленных там минералов с метеоритной коллекцией. Контраст разителен. Да, среди метеоритов тоже встречаются симпатичные экземпляры, но чаще всего это скучные черные или серые камни, не идущие ни в какое сравнение с минеральной феерией Земли! А причина проста: на Земле уже миллиарды лет существует жизнь, прямо или косвенно меняющая ее облик (в том числе минеральный), тогда как несчастные планетоиды, чьими обломками являются метеориты, были безжизненными.

В сказанном нет никакого преувеличения. Несведущему человеку может показаться странным, что красивый агат, например, обязан своему происхождению живым существам. Ну где в нем органика? Ведь агат – всего лишь полосатая разновидность халцедона, а халцедон – это скрытокристаллический кварц с примесями. Но халцедоны образуются в известняках, а все земные известняки имеют биогенное происхождение. Желтый кристалл серы? Почти наверняка он найден в вулканическом кратере и образовался вследствие окисления сероводорода, а откуда взялся потребный на окисление кислород, как не в результате фотосинтеза? В иных случаях сера – продукт жизнедеятельности серобактерий. Тяжелый кубик пирита? Пирит может образоваться даже в навозной куче. Графит? Это метаморфизированный уголь чисто биогенного происхождения.

И так далее.

4. Наша система и окрестности

Взглянем теперь на Солнечную систему, так сказать, со стороны. Поднявшись над северным полюсом Земли, мы обнаружим, что планета вращается против часовой стрелки. В том же направлении движется Луна. Опять-таки против часовой стрелки вращается Солнце и движутся по орбитам планеты. Видимый с Земли путь Солнца по небу называется эклиптикой, и, соответственно, плоскость земной орбиты часто называют плоскостью эклиптики. То, что орбиты планет суть кривые, лежащие примерно в одной плоскости, понял еще Николай Коперник; впоследствии Иоганн Кеплер заменил коперниковы орбиты-окружности орбитами-эллипсами, приведя расчетные положения планет на небе в значительно лучшее соответствие с наблюдаемыми положениями, чем прежде. Он же открыл три закона, которые и теперь называют кеплеровскими. Вот они.

1. Планеты движутся в плоскости, проходящей через Солнце, по эллипсам, причем Солнце находится в одном из двух фокусов эллипса.

2. При движении планеты вокруг Солнца прямая, соединяющая ее с Солнцем (радиус-вектор), описывает равные площади в равные промежутки времени (закон площадей).

3. Квадраты времен обращения двух планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.

Все три закона Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения (причем для третьего закона получается более строгое уравнение), но последний был открыт Ньютоном значительно позднее, так что на приоритет Кеплера никто не покушается. Закон всемирного тяготения назвал причину движения планет. Для Кеплера она так и осталась загадкой, и он постулировал существование у каждой планеты специального ангела, обеспечивающего ее движение. Тягловый ангел – это, конечно, курьез, поэтому вряд ли Кеплер относился всерьез к своей выдумке. История науки знает случаи, когда учеными в рамках мысленного эксперимента вводились мифологические персонажи с теми или иными свойствами (например, демоны Максвелла и Лапласа), и, видимо, кеплеровских ангелов надо ставить в тот же ряд.

Как известно, планеты в своем движении по небу описывают вытянутые петли и зигзаги. Уже из этого наблюдательного факта ясно, что плоскости планетных орбит наклонены к плоскости эклиптики на некоторый угол. Угол этот, как правило, очень небольшой. Максимальное наклонение имеет орбита Меркурия: чуть более 7°; минимальное – Уран (несколько менее 0,8°). Плутон с наклоном своей орбиты, превышающим 17°, теперь не считается планетой.

А что же эксцентриситеты орбит? Эксцентриситетом е называется степень вытянутости эллипса: для окружности е = о, а для параболы (частный случай эллипса с одним из фокусов, вынесенным в бесконечность) е = 1. Из закона всемирного тяготения также следует, что, вообще говоря, различные тела не обязательно должны обращаться вокруг Солнца по эллипсам. Теоретически возможны окружности, параболы и гиперболы (у гиперболы е > l). Ясно, однако, что тела с гиперболическими орбитами, проходящие вблизи Солнца только для того, чтобы затем навсегда уйти от него в глубины космоса, не являются планетами по определению, а окружность и парабола требуют столь точно «выверенного» эксцентриситета, что подобная математическая точность в природе просто не встречается. Итак, планетные орбиты – эллипсы.

Почти у всех планет эксцентриситеты орбит малы, так что их орбиты не очень отличаются от круговых. Наибольшей эксцентричностью отличается орбита Меркурия (е = 0,206), на втором месте по вытянутости орбиты стоит Марс (е = 0,093). У Венеры и Нептуна орбита почти точно круговая, у Земли – чуточку более вытянутая. Многим известно среднее расстояние от Солнца до Земли, равное примерно 149,6 млн км. Однако в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) Земля подходит к Солнцу на 147,117 млн км, тогда как в афелии (наиболее удаленной точке орбиты) расстояние между Солнцем и Землей составляет 152,083 млн. км. Казалось бы, разница невелика, однако в настоящую эпоху Земля проходит через перигелий в начале января, а через афелий – в начале июля. Как следствие, в северном полушарии Земли лето несколько прохладнее, а зима несколько теплее, чем они были бы при круговой орбите. Южному полушарию повезло меньше: там и лето теплее, и зима холоднее, что и подтверждают метеорологи.

Впрочем, так будет не всегда. Линия, соединяющая перигелий земной орбиты с афелием и называемая линией апсид, медленно вращается в ту же сторону, куда движется Земля, смещаясь примерно на одну угловую минуту в год и делая полный оборот за 20 934 года. Следовательно, примерно, через 5 тыс. лет оба полушария Земли окажутся в равных условиях, а спустя еще 5 тыс. лет более мягкий климат установится уже не в северном, а в южном полушарии. Нет, увы, во Вселенной ничего вечного…

Точно таким же прецессионным движениям подвержены линии апсид орбит всех планет. Особенно активно поворачивается орбита Меркурия. Существуют математические выкладки, согласно которым орбита ближайшей к Солнцу планеты является в лучшем случае квазиустойчивой. В связи с этим уже давно возник вопрос: не является ли Меркурий «сбежавшим» спутником Венеры?

Ответа пока нет. Аргументом против такого предположения служит высокая средняя плотность Меркурия (5,43 г/см³), превышающая среднюю плотность Венеры (5,24 г/см³). Для сравнения: у Земли – 5,515, у Луны – всего-навсего 3,34. Быть может, Меркурий все-таки образовался ближе к Солнцу, чем Венера?

За Марсом кончается область планет земного типа. Между Марсом и Юпитером располагается Главный пояс астероидов, или малых планет. Далее следуют гигантский Юпитер, гигант поменьше – Сатурн, а еще далее Уран и Нептун, не известные древним. Уран был открыт великим английским астрономом Уильямом Гершелем в 1781 году, Нептун же был найден в 1846 году, причем вначале он был открыт «на кончике пера» независимо Джоном Адамсом и Урбеном Леверье и лишь потом обнаружен на небе. Наконец, Плутон был открыт в 1930 году молодым астрономом Клайдом Томбо.

Плутон оказался телом со странной орбитой. Мало того что ее наклон рекордный для планет (17,156°), так еще и перигелий оказался внутри орбиты Нептуна! Эксцентриситет орбиты Плутона (0,244) превышает эксцентриситет орбиты Меркурия, и при среднем расстоянии от Солнца 39 а.е. (у Нептуна 30 а.е.). Плутон в перигелии подходит ближе Нептуна к Солнцу. Впрочем, столкновения Плутона с Нептуном ожидать не следует: их орбитальные периоды синхронизированы так, что эти два тела никогда не подходят близко друг к другу.

Поначалу предполагалось, что размеры Плутона сопоставимы с размерами Земли. Такое умозаключение делалось на основе блеска планеты. Если считать, что альбедо (отражательная способность) Плутона примерно равно альбедо Земли, то Плутон оказывался вполне солидным небесным телом – если и меньше Земли, то не намного. Со временем, однако, выяснилось, что поверхность Плутона состоит преимущественно из разных льдов, имеющих, естественно, значительно более высокое альбедо. Следовательно, диаметр Плутона мал, мала и масса. В настоящее время диаметр Плутона оценивается в 2390 км, а масса – в 0,0025 массы Земли. Это и неудивительно, учитывая низкую среднюю плотность Плутона, равную всего 1,1 г/см³. Да и можно ли ожидать высокой плотности от тела, состоящего не столько из минералов, сколько из льдов?

Закономерно возник вопрос: можно ли считать Плутон полноценной планетой? Можно ли его считать вообще планетой, пусть необычно маленькой и вдобавок с «неправильной» орбитой?

В 1978 году у Плутона был открыт крупный спутник Харон диаметром 1200 км. Харон находится на стационарной орбите, то есть период его обращения равен периоду вращения планеты вокруг оси. Поэтому Харон всегда висит над одной точкой поверхности Плутона, и оба тела движутся, как бы соединенные жестким стержнем. Отсюда делался логичный вывод о древности пары Плутон – Харон, ибо приливные силы, которые одни только и могут обеспечить подобную синхронность движений, работают крайне медленно. Позднее у Плутона были обнаружены еще два маленьких спутника – Никта и Гидра. Казалось бы, Плутон, несмотря на свою жалкую массу, все же планета – ну, пусть маленькая. Тогда еще не были известны ни спутники астероидов, ни другие, подобные Плутону тела. А их искали долго и тщательно. Увы – кропотливые поиски долгое время приносили лишь улов, состоящий из сотен ранее не известных астероидов Главного пояса, единичных комет и многих тысяч слабых, ранее не наблюдавшихся галактик. Астрономам не хватало наблюдательных мощностей, и не применялись еще методы, позволившие намного увеличить проницающую способность телескопов.

И все же выяснилось, что Плутон далеко не одинок. Еще при жизни Клайда Томбо за орбитой Нептуна были открыты другие, меньшие, чем Плутон, тела сходного состава. Первое из них, открытое в 1992 году, оказалось маленьким планетоидом с диаметром всего-навсего 280 км. Затем количество подобных открытий нарастало лавинообразно, и теперь известно более тысячи транснептуновых тел. Пояс транснептуновых тел был назван поясом Эджворса – Койпера (чаще встречается наименование просто «пояс Койпера»). Вот некоторые из этих тел.

Эрида. Открыта в 2003 году. Первоначально считалось, что размер этого тела составляет 2400 км, то есть Эрида чуточку крупнее (и, вероятно, массивнее) Плутона, так что были все основания считать ее десятой планетой Солнечной системы. Однако впоследствии астрономам пришлось принять несколько меньшее значение диаметра Эриды. 6 ноября 2010 года наблюдалось покрытие Эридой одной из звезд в созвездии Кита, и тень Эриды пробежала по Земле. Это позволило определить диаметр данного тела с точностью до 10 км. Теперь считается, что Эрида имеет в поперечнике не более 2340 км, то есть несколько уступает Плутону. Хотя – как сказать? Измерение, проведенное в 2007 году, дало меньший, чем ранее, диаметр Плутона: 2322 км. Несомненно, еще будут проведены уточняющие измерения; пока же Эрида не теряет шансов остаться (пока!) самым крупным транснептуновым телом. Притом Эрида, как и Плутон, имеет спутник. Он назван Дисномией. По орбите Дисномии (третий закон Кеплера) была вычислена масса Эриды. Она превышает массу Плутона на 27 %. Орбита Эриды лежит преимущественно за орбитой Плутона. Она сильно вытянута: перигелийное расстояние 37,8 а.е., афелийное – 97,6 а.е. Орбита имеет значительный наклон к эклиптике: 44°. Период обращения Эриды вокруг Солнца составляет 557 лет (у Плутона – почти 246 лет). Поверхность Эриды имеет высокое альбедо и, вероятно, покрыта метановым снегом.

Седна. Открыта все в том же 2003 году. В настоящее время диаметр оценивается в 1200–1600 км. Седна – тело с удивительной орбитой. Ее эксцентриситет составляет ни много ни мало 0,8606! Это значит, что при перигелийном расстоянии 76,1 а.е. в афелии Седна удаляется от Солнца аж на 942 а.е. и совершает полный оборот за 11487 лет – пока рекорд! Сейчас Седна приближается к нам и пройдет перигелий в 2076 году. Спутники не обнаружены. Седна имеет отчетливо красный цвет, она более красна, чем Плутон (также имеющий красноватый оттенок поверхности), и почти так же красна, как Марс. На сегодняшний день Седна – самый далекое обнаруженное тело в Солнечной системе.

Квавар. Открыт в 2002 году Это сравнительно (с Плутоном и Эридой) небольшое тело, его диаметр оценивается в 850-1100 км, а масса, как считается, составляет всего 19 % от массы Плутона. При этом плотность Квавара необычайно высока для транснептуновых тел: от 2,5 до 3,5 г/см³. На поверхности Квавара много камня; обнаружены и следы аморфного льда. Последнее удивительно: ведь аморфный лед образуется при температуре не ниже минус 160 °C, а поверхность Квавара гораздо холоднее. Что нагрело в прошлом Квавар – неясно. Возможно, «традиционная» гравитационная дифференциация вещества. Возможно также, что Квавар некогда имел гораздо более близкую к Солнцу орбиту и был выброшен на периферию гравитационным воздействием планет-гигантов. Но в таком случае почему Квавар имеет ныне почти круговую орбиту с удалением от Солнца в 42 а.е.? Вопросы остаются. В 2007 году был открыт Вейвот – спутник Квавара.

Орк. Открыт в 2004 году. Орбита этого тела поперечником 900-1000 км близка к орбите Плутона, но Орк всегда остается на противоположной по отношению к Плутону стороне орбиты, являясь неким Антиплутоном. Поверхность Орка – яркая. Возможно, это объясняется специфическим явлением криовулканизма. Об этом интересном явлении мы еще поговорим, а пока об Орке остается сказать лишь то, что в 2007 году у этой планетки был обнаружен спутник. Орк относится к плутино – классу тел с примерно такой же орбитой, как Плутон.

Макемаке. Как вы, вероятно, уже заметили, имена транснептуновым телам даются подчас странные и непривычные европейскому уху. Дело в том, что практически все мифологические персонажи древних греков и римлян давно уже были «истрачены» на планеты, их спутники и астероиды Главного пояса. Дефицит греко-римских мифологических персонажей (ну и толерантность, само собой) вынуждают присваивать транснептуновым телам имена богов самых разных народов – индейских, полинезийских и т. д. По счастью, народов на Земле предостаточно, и они напридумывали столько богов и мифологических героев, что хватит, пожалуй, правнукам сегодняшних астрономов.

Макемаке – тело поперечником 1360–1480 км, открытое в 2005 году. Спутники не обнаружены. Орбита достаточно традиционна: перигелий лежит в 38,6 а.е. от Солнца, афелий же удален на 53,1 а.е. Период обращения – 310 лет. Макемаке – типичный представитель кьюбивано — так называется класс транснептуновых тел, чьи орбиты достаточно удалены от Нептуна, чтобы оставаться устойчивыми на протяжении всего существования Солнечной системы. По яркости Макемаке находится на втором месте среди транснептуновых тел, уступая лишь Плутону. Естественно, ее поверхность очень светлая. Спектроскопия показала наличие метана в виде зерен диаметром не менее 1 см. Температура поверхности оценивается в 30 К. С Плутоном Макемаке роднит то, что в перигелии вокруг обоих тел образуется временная атмосфера, вновь вымерзающая в афелии.

Хаумеа. О, это удивительное тело! Открытое в 2005 году, оно довольно скоро удивило астрономов довольно быстрыми регулярными колебаниями блеска. Строго говоря, в этом явлении еще не было ничего удивительного – ведь и у Плутона наблюдаются подобные колебания, вызванные разницей альбедо различных участков поверхности. Но у Хаумеа причина колебаний блеска кроется в ином: это тело не сферическое. По-видимому, оно представляет собой трехосный эллипсоид размером 2000 × 1600 × 1000 км (рис. 18).

Рис. 18. Хаумеа со спутниками

Вокруг этого неестественно вытянутого тела обращаются два маленьких спутника – Хииака и Намака. По их орбитам удалось определить массу Хаумеа: 28 % массы системы Плутон – Харон.

Казалось бы, при таких размерах и такой массе космическое тело должно быть хотя бы приблизительно сферическим – но чего нет, того нет. Возможно, странная форма и спутники Хаумеа возникли в результате испытанного некогда (не очень давно по астрономическим меркам) соударения с другим, причем достаточно крупным, транснептуновым телом. В этом случае у Хаумеа еще достаточно времени впереди, чтобы мало-помалу вновь стать шаром. Поверхность Хаумеа покрыта водяным льдом, однако выделяется большое пятно красноватого цвета. Возможно, это след, оставленный ударом, а возможно, просто скопление минералов, не имеющее никакого отношения к соударению. Несколько странно, что орбита Хаумеа ничем не выделяется среди многих других тел: перигелий находится в 35,2 а.е. от Солнца, афелий – в 43,3 а.е., а орбитальный период составляет 285 лет.

Объект 20070R₁₀. Примерно такие предварительные наименования носят космические тела, не являющиеся кометами, до того как получат имя из богатейшего арсенала мифологических имен народов мира. Как следует из предварительного наименования, объект был открыт в 2007 году. Это тело размером, весьма приблизительно оцененным в 875-1400 км, и вытянутой орбитой с е = 0,50. Перигелийное расстояние равно 33,6 а.е., в афелии же объект уходит на расстояние в 101 а.е. от Солнца. Период обращения равен 552 годам. Подобно тому как орбита Плутона такова, что находится в орбитальном резонансе с Нептуном в соотношении 3:2, орбита объекта 20070R₁₀ также синхронизирована с Нептуном, но уже в соотношении 10:3.

Разумеется, для беглого обзора я выбрал наиболее примечательные транснептуновые тела. Почти нет сомнений в том, что среди их огромного количества впоследствии могут обнаружиться не менее удивительные и притом более крупные тела, чем Плутон, Эрида и Хаумеа.

Естественным образом у астрономов возникло сомнение: а стоит ли оставлять Плутон в статусе планеты? Если да, то «по справедливости» следовало бы присвоить ранг планеты Эриде, Седне, Макемаке и т. д. Понятно, что различие между планетой и крупным астероидом скорее терминологическое, и самому небесному телу ни горячо, ни холодно от того, на какой классификационной «полочке» мы его разместим. И все же ощущалась потребность навести порядок – с одной стороны. С другой – никому не хотелось обижать Клайда Томбо, который до самой своей смерти в 1997 году весьма болезненно относился к идее «разжаловать» Плутон из планет в астероиды. Высказывались (и теперь еще высказываются) соображения, что Плутон следовало бы оставить планетой просто в силу традиции, а прочие транснептуновые тела, даже чуточку больших, чем Плутон, размеров, записывать в специфические астероиды.

В 2006 году Международный астрономический союз (MAC) наконец-то дал определение планеты. Нельзя сказать, что до того времени и так было понятно, что является планетой, а что нет. Как раз наоборот: сохранялась и усугублялась полная неясность в этом вопросе. Итак, по версии MAC, планета Солнечной системы должна удовлетворять трем условиям.

Во-первых, она должна обращаться вокруг Солнца. Таким образом, столь крупные спутники, как Титан или Ганимед, не являются планетами, хотя по размерам превосходят Меркурий. В данном MAC определении ничего не сказано о том, что обращающееся вокруг Солнца тело не должно являться звездой, – просто потому, что Солнце считается одиночной звездой, не имеющей звезды-спутника.

Во-вторых, объект должен быть достаточно массивным (рис. 19), чтобы под действием собственного тяготения принять форму гидростатического равновесия (более или менее сферическую). «Более или менее» – потому что строго сферических планет вообще говоря нет. Например, Земля не только сплюснута с полюсов, имея разницу между экваториальным и полярным радиусами в 21 км, но и сильнее вытянута в направлении северного полюса, тогда как южный полюс несколько вдавлен. Поэтому Земля, строго говоря, не шар и даже не сплюснутый сфероид, а совершенно специфическая фигура – геоид. Вообще же второе условие довольно легкое. Выше уже говорилось о том, что практически все тела Солнечной системы, чей поперечник превышает 250–300 км, более или менее сферичны, тогда как меньшие тела угловаты или, чаще, картофелеобразны.

Рис. 19. Сравнительные размеры Земли и крупнейших транснептуновых тел

Наконец, в-третьих, объект должен расчистить окрестности своей орбиты, то есть он должен быть гравитационной доминантой, не допускающей существования рядом с собой других тел сравнимого размера, кроме его собственных спутников и тел, находящихся под его гравитационным воздействием.

Легко видеть, что Плутон удовлетворяет первому и второму условиям. Менее очевидно то, что он не удовлетворяет третьему, однако это факт. Если масса Земли в 1,7 млн раз превышает суммарную массу всех других тел на ее орбите, то масса Плутона составляет лишь 7 % от массы всех других тел на его орбите. Так что, увы, Плутон не проходит в планеты.

Решением MAC Плутон был причислен к плутоидам – семейству транснептуновых астероидов. Термин «плутоиды» был введен в 2008 году. В качестве астероида Плутон получил номер 134 340, что выглядит вопиющей несправедливостью по отношению к столь крупному космическому телу – на сегодняшний день второму, а может быть, и первому по величине в Солнечной системе, если не считать планеты и их спутники. Однако астероиды нумеруются по мере их отождествления, и коль скоро Плутон был отождествлен как астероид лишь в 2006 году, то…

А впрочем, не надо обижаться за бывшую планету. Плутону в высшей степени безразлично, к какой категории космических тел причислят его мыслящие существа, обитающие очень далеко от него на близкой к Солнцу и, с его «точки зрения», нестерпимо горячей планете…

Но что же находится далеко за Плутоном? И где вообще пролегают границы Солнечной системы? Долгое время в умах большинства людей, далеких от астрономии, откладывалась одна из многих фальшивых истин, столь характерных для мировосприятия обывателя: граница проходит примерно по орбите Плутона. Но уже орбита Седны говорит нам о том, что границы эти лежат гораздо дальше. Где же?

Там, где гравитационное притяжение Солнца уравновешивается гравитационным притяжением ближайших звезд, не ближе. От орбиты Плутона до дальней периферии Солнечной системы, до расстояния не менее 100–200 тыс. а.е.[13], где уже начинает сказываться притяжение соседних звезд, простирается облако Оорта, названного так в честь замечательного голландского астронома. Облако это состоит из миллиардов (вероятно, до 100 млрд) преимущественно ледяных тел, но общая его масса оценивается всего-навсего в 10 % массы Земли.

Пояс Койпера представляет собой просто внутреннюю часть облака Оорта.

Облако Оорта отнюдь не дискообразное, о чем говорят хотя бы орбиты плутоидов и приходящих с дальней периферии комет с почти параболическими орбитами и большими наклонами к эклиптике – а ведь ядра комет суть не что иное, как случайно залетевшие во внутренние области Солнечной системы тела облака Оорта. По-видимому, облако Оорта представляет собой несильно сплюснутый сфероид. Отсюда возникают интересные вопросы, касающиеся формирования этой прорвы ледяных тел. Существуют как гипотезы о том, что тела пояса Оорта сформировались из самых внешних частей газово-пылевой оболочки, в центре которой сформировалось Протосолнце и протопланетный диск, так и гипотезы, согласно которым эти тела формировались гораздо ближе к Солнцу, в самом протопланетном диске, и были выброшены из него гравитационным воздействием планет-гигантов. Однозначного ответа пока нет.

Расширим поле зрения до ближайших звезд. Ближайшая к нам звезда – упомянутая выше Проксима Центавра – слабый, невидимый невооруженным глазом красный карлик, входящий в тройную систему Альфа Центавра. До нее от нас 1,295 пк, или несколько более 4,2 светового года, или примерно 268 тысяч а.е. Второй по удаленности звездой является одиночный красный карлик, известный как Летящая звезда Барнарда. До нее 1,82 пк, или 5,9 светового года. Летящей эта звезда называется из-за рекордно быстрого собственного движения среди звезд – более 10 угловых секунд в год. Отнюдь не мала и радиальная составляющая скорости; достаточно сказать, что через 8000 лет ближайшей к Солнцу звездой станет именно звезда Барнарда, а не Проксима Центавра.

Вообще собственные движения звезд хоть и малы, но для ближайших звезд весьма заметны на больших промежутках времени. Например, нынешнее угловое склонение той же Альфы Центавра равно примерно минус 60°, то есть увидеть ее невозможно не только из средних, но и из субтропических северных широт. Однако древним египтянам эта звезда была хорошо знакома: в IV тысячелетии до н. э. она располагалась на небе всего в 30° южнее небесного экватора. Небесные объекты с таким склонением можно прекрасно наблюдать даже Крыму, не то что в Египте.

Чуть далее звезды Барнарда располагаются чрезвычайно слабый красный карлик Вольф 359 и еще один красный карлик, о котором практически нечего сказать, но следующая за ним по удаленности от Солнца звезда заслуживает всяческого внимания. Это Сириус, ярчайшая звезда нашего неба. Находясь в южном полушарии, он лишь в зимние месяцы невысоко поднимается над горизонтом в средних широтах; в северных же районах России и вовсе не виден. Но как бы низко над горизонтом Сириус ни висел, он сразу обращает на себя внимание. Глаз неастронома порой готов спутать Сириус с планетой – столь велик его блеск. Мы помним, что Гиппарх условно разделил звезды по блеску на 6 классов, отнеся к первому классу самые яркие звезды небосвода. Но Сириус настолько ярок, что не относится к первой звездной величине, не относится он и к нулевой. Его блеск -1,46^m, и он значительно опережает по блеску второй яркий «фонарь» звездного неба – Канопус (-0,72^m). Но что такое Сириус, сточки зрения астронома?

Ничего особенного: рядовая звезда главной последовательности, спектрального класса Ai, не очень массивная и не очень горячая. Менее яркая Вега куда массивнее и горячее. Просто-напросто Сириус находится куда ближе к нам, чем Вега, до него всего 8,6 светового года (до Веги – более 27). Ясно, что слабосильный фонарик на близком расстоянии даст более мощный световой поток, чем далекий прожектор. Хотя среди звезд, находящихся в радиусе 5 пк от Солнца, Сириус – первый по блеску. Второе место занимает желтоватый Процион (спектральный класс F5,11 световых лет), третье – компонент А системы Альфа Центавра. Солнце находится на почетном четвертом месте, а всего в радиусе 5 пк находятся более 50 звезд. Отсюда видно, что большую часть звездного населения Галактики (а мы не имеем никаких оснований думать, что тот участок Галактики, где находится Солнце, какой-то особенный) составляют оранжевые и красные карлики, что и неудивительно: ведь и в земной природе всякой мелочи куда больше, чем крупных объектов. Как правило, яркие звезды неба находятся от нас далеко и ярки вследствие своей высокой, а в некоторых случаях просто колоссальной светимости, а не близости к нам.

Для пущей наглядности посмотрим, как будет выглядеть звездное небо для гипотетического астронома, находящегося в системе Альфы Центавра. Из ярких звезд сильно изменят свое местоположение лишь Сириус и Процион. Вега и Арктур сместятся менее, приблизившись на центаврианском небе к крыльям Лебедя, а также произойдет смещение некоторого числа неярких звезд. Появится красная звездочка 5-й величины – Проксима. Ах, да, появится новая яркая звезда в созвездии Кассиопеи близ границы с Персеем – наше Солнце. На небе Альфы Центавра оно будет занимать вполне достойное восьмое место по блеску.

И только. В целом центаврианский астроном мог бы пользоваться нашими звездными картами, держа в уме некоторые поправки к ним. Расстояние до ближайших звезд весьма и весьма мало по сравнению даже с той сравнительно небольшой областью Галактики, которую мы наблюдаем в качестве Млечного Пути и россыпи звезд по обе стороны от него.

Галактика наша, как известно, спиральная и гигантская (даже сверхгигантская). Она имеет в поперечнике около 30 кпк, или 100 тысяч световых лет (обширная периферия, занятая темной материей, не в счет). Еще Галилей, направив свою весьма примитивную трубу на Млечный Путь, обнаружил, что он состоит из мириадов слабых звездочек. Уильям Гершель понял, что наша звездная система сплюснута – правда, он недооценил степень этой сплюснутости и решил почему-то, что Солнце находится близ центра системы. Однако простым глазом видно, что Млечный Путь гуще всего в созвездии Стрельца, а в противоположной точке неба он и у́же, и слабее. Значит, Солнце находится не в центре Галактики, а смещено к краю?

Так и есть. Еще лет 50 назад считалось, что расстояние от центра Галактики до Солнца составляет 10 кпк, то есть Солнце ближе к краю, чем к центру Галактики. Позднее произошел некоторый пересмотр, и теперь считается, что Солнце находится примерно в 8 кпк от центра Галактики. Впрочем, все равно получается, что Солнце несколько ближе к краю, чем к центру.

Но где находится Солнце по отношению к спиральным рукавам Галактики? Их четыре, и они отходят попарно от бара, имеющего протяженность порядка 7–8 кпк (более ранние оценки длины бара в 3–4 кпк оказались заниженными). В рукаве мы, вне рукава или вообще где?

В середине прошлого века считалось: однозначно вне рукава. Ведь в рукавах сосредоточены колоссальные по массе облака газа, там идет активное звездообразование, там много молодых горячих бело-голубых звезд, своим мощнейшим ультрафиолетовым излучением ионизирующих газ на расстоянии в несколько парсеков или даже десятков парсеков от себя, там небо должно просто светиться от множества ярких звезд и эмиссионных туманностей! Нет, конечно же, мы находимся примерно посередине между двумя соседними рукавами в бедной звездами области Галактики. Ну разве велика плотность звезд, равная примерно 0,1 звезды на кубический парсек? Курам на смех! А ведь именно такая звездная плотность наблюдается в окрестностях Солнца…

Однако еще в 1879 году американский астроном Бенджамин Гулд обратил внимание на то, что яркие звезды на небе распределены не равномерно, а концентрируются к некой полосе или поясу. Если бы этот пояс, получивший название пояса Гулда, совпадал с полосой Млечного Пути, в этом не было бы ничего удивительного – однако между ними угол в 18°. Поначалу от явления отмахнулись, сочтя его обыкновенной флюктуацией, но прошло время – и выяснилось, что пояс Гулда существует на небе не «просто так».

Вспомним: звезды редко рождаются поодиночке, предпочитая появляться на свет группами – рассеянными скоплениями.

Но там, где происходит массовое звездообразование, рождается не одно рассеянное скопление, а несколько, образуя звездную ассоциацию. Ассоциации, в свою очередь, могут быть сгруппированы в сверхассоциацию или даже в звездный комплекс – образование с характерным поперечником в 600 пк, обычно содержащее одну-две сверхассоциации и несколько ассоциаций, а всего в комплекс входят миллионы звезд. Разумеется, не все эти звезды являются ровесниками звездного комплекса, многие из них гораздо старше и оказались внутри комплекса по чистой случайности – но «первую скрипку» в комплексе играют не они, а молодые звезды, родившиеся более-менее одновременно (с разницей, определяемой скоростью волн звездообразования, прошедших сквозь комплекс).

Так вот: то, что мы наблюдаем на небе как пояс Гулда, является типичным звездным комплексом, имеющим форму грубого сплюснутого сфероида. Его поперечник составляет 750 пк, а Солнце находится в 150 пк от его центра. Возраст комплекса оценивается в 30 млн лет. Разумеется, Солнце оказалось внутри комплекса случайно и не обязано своим рождением волнам плотности, некогда прокатывавшимся сквозь газово-пылевую материю комплекса. Однако факт есть факт: мы находимся в звездном комплексе. А где они располагаются?

Наблюдения показывают ясно: в спиральных галактиках звездные комплексы находятся в спиральных рукавах. Звездные комплексы просто-напросто нанизаны на рукава, как бусины на нить. Наблюдающаяся (особенно в галактиках типа Sc) фрагментированносгь рукавов это подтверждает. Каждый фрагмент – это звездный комплекс.

Что же выходит – раз звездные комплексы расположены в спиральных рукавах и в некотором роде формируют их, то и Солнце находится в спиральном рукаве?

И да, и нет. Солнце действительно находится между основными спиральными рукавами Галактики, но вспомним, что рукава галактик типа Sb (или SBb) имеют ответвления – не столь резкие, как у галактик Sc, но все-таки. В одном из таких ответвлений, получившем название местного рукава Ориона – Лебедя, и находится «наш» звездный комплекс вместе с Солнцем.

Любопытно, что два соседних рукава (Персея и Киля – Стрельца) имеют угол закрутки в 10–12°, что нормально для галактики типа Sb. Рукав же Ориона – Лебедя имеет угол закрутки в 20°, что дополнительно подтверждает: этот рукав является лишь отрогом, ответвлением рукава Киля – Стрельца. (Кстати, именно рукав Киля – Стрельца мы по сути и видим, наблюдая прозрачной безлунной ночью Млечный Путь.) Больший угол закрутки нашего местного рукава вполне естествен: ведь при том же угле закрутки, что у основных рукавов, никаких ответвлений не было бы вообще…

Так что мы все-таки находимся не в скучной относительной пустоте между рукавами – мы в рукаве, пусть местном и второстепенном. Хорошо это или плохо?

Трудный вопрос. Конечно, находясь в поясе Гулда, а не вне его и, следовательно, в каком-никаком рукаве, мы можем любоваться гораздо более красочным звездным небом, чем располагаясь в межрукавье. С другой стороны, в рукавах чаще вспыхивают сверхновые, а близкий взрыв звезды ничего хорошего нам не принесет. Как всегда, нет ни худа без добра, ни добра без худа.

5. Летим, но куда?

В этой главе нам придется вернуться на Землю, чтобы затем вновь устремиться в глубины дальнего космоса. Мы рассмотрели наше звездное окружение, но куда и как движемся мы сами? Как движется Земля? Как, почему и куда движется Солнце, волоча за собой выводок планет и тьму мелких космических тел? Почему движение происходит так, а не иначе?

Начнем с Земли. Как всем известно со времен Коперника, наша планета вращается вокруг своей оси. Полный оборот она делает за 23 часа 56 минут 4,1 секунды. Казалось бы, эта величина далековата от привычных 24 часов – не хватает почти четырех минут! Но за сутки планета успевает пройти по орбите почти целый угловой градус, поэтому для того, чтобы вновь повернуться к Солнцу точно тем же боком, ей требуется еще немного времени. Так что указанная величина есть не что иное, как звездные сутки, а не средние солнечные сутки (средние – потому что вследствие эллиптичности орбиты Земля движется вокруг Солнца с непостоянной скоростью). Но точно ли «выдерживаются» звездные сутки?

Нет, не точно. Вам, наверное, случалось узнавать из СМИ, что служба времени перевела стрелки часов на одну секунду вследствие того, что Земля стала вращаться несколько медленнее? Такие сообщения поступают редко, но они все же поступают. И действительно, вращение нашей планеты понемногу замедляется. Но по какой причине? Любой раскрученный предмет на Земле, будь то детский волчок или велосипедное колесо, постепенно перестает вращаться из-за трения – но трение Земли о межпланетную космическую среду настолько мало, что о нем смешно и говорить. Так в чем же дело?

В Луне. Удаляясь от Земли примерно на 3 см в год, она тормозит вращение Земли. «Из физики» совершенно ясно, что суммарная механическая энергия системы «Земля – Луна» должна оставаться постоянной. Переходя на более высокую орбиту, Луна увеличивает свою потенциальную энергию, а за счет чего? За счет увеличения орбитальной скорости. Ведь и конструкторам ракетно-космической техники приходится обеспечивать ракете-носителю большую скорость, если они хотят вывести спутник на более высокую орбиту. Экипажи космических станций используют для повышения орбиты разгонный импульс, а никак не тормозной. Увеличение орбитальной скорости любого объекта приводит к повышению его орбиты (где, кстати, скорость объекта сразу падает по законам Кеплера). Но за счет чего разгоняется Луна?

За счет приливов. Сила тяготения Луны вызывает не только морские приливы; под ее действием вся Земля вытягивается наподобие яйца, пусть и на совсем небольшую величину, измеряемую десятками сантиметров. Такое перестроение в вязком теле не может быть мгновенным, а движение Луны сильно отстает от вращения Земли. Как следствие, приливной горб на земной поверхности не направлен точно к Луне, а опережает ее примерно на 3 ч. Сила тяготения, вызванная приливным горбом, разумеется, крайне мала, но зато действует она постоянно, передавая Луне чрезвычайно слабую, но все же заметную на больших интервалах времени силу, направленную в сторону ее движения. «Противосила» же тормозит вращение Земли, и так же неспешно. Например, на рубеже палеозоя – мезозоя, когда еще и динозавров-то не было, в земных сутках было 22 ч., а не 24, как сейчас. Постепенное замедление вращения Земли было доказано изучением линий роста палеозойских кораллов. Можно предположить, что в самый ранний период истории Земли сутки продолжались лишь 4 ч. В нашу эпоху продолжительность суток увеличивается в среднем на 0,0017 с за столетие.

На скорость вращения Земли оказывает влияние не только Луна. Существуют и более слабые солнечные приливы, также тормозящие вращение нашей планеты. Есть и чисто земные причины, влияющие на вращение Земли.

Гравитационная дифференциация недр – одна из них. При опускании тяжелых элементов в земное ядро по закону сохранения момента количества движения должно происходить ускорение вращения – однако оно с большой лихвой компенсируется влиянием Луны и Солнца. Хотя, впрочем, явления типа отламывания больших кусков океанических плит при их погружении под материковые плиты, сопровождающиеся глубокофокусными землетрясениями, сопровождаются также скачкообразным изменением длительности суток, которое легко можно измерить.

Кстати, теория дает несколько большее значение векового замедления: 0,0023 с за столетие. Есть предположение, что разницу в 6 мс за столетие следует отнести за счет перераспределения масс внутри Земли в меридиональном направлении, однако для проверки этой гипотезы необходимы длительные исследования.

Скорость вращения Земли испытывает также периодические и нерегулярные колебания. Причина периодических колебаний, вызванных космическими причинами, в целом понятна: и Земля, и Луна движутся по эллиптическим орбитам, вследствие чего приливные силы то немного ослабевают, то вновь усиливаются. Так, например, существуют колебания с периодом 27,3 суток (период обращения Луны) и 13,7 суток (полумесячные колебания). То же и с системой «Земля – Солнце», только с меньшей амплитудой. Землетрясения, нарушения привычной картины морских течений (вроде квазипериодической активности течения Эль-Ниньо) и даже сезонные перемещения воздушных масс и изменения снежного покрова приводят к небольшим, но вполне поддающимся измерению вариациям скорости вращения нашей планеты.

Иногда, правда, случаются и необъяснимые скачкообразные изменения скорости вращения Земли, но всегда на очень маленькую величину. С чем они связаны, покажут будущие исследования.

Ну а что же с осью вращения? Автору не раз приходилось с изумлением узнавать из «научно-популярных» телепередач о возможности (и даже чуть ли не неизбежности) резкого – на десятки градусов – изменения положения географических полюсов планеты. Земля вдруг ни с того ни с сего начнет вращаться вокруг иной оси – и всем живущим на нашей планете придется весьма несладко. Самое странное то, что этот болезненный бред подчас повторяется людьми, изучавшими физику не только в школе, но и в вузе.

Так и хочется повторить вслед за чеховским персонажем: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». Лишь масштабная космическая катастрофа вроде столкновения Земли с телом сравнимых размеров может резко сдвинуть ось вращения планеты, но при такой катастрофе сдвиг оси – это последнее, от чего может погибнуть человеческая цивилизация. Она погибнет от других причин. Но главное – в обозримом космосе нет достаточно крупных тел, способных столкнуться с Землей и натворить подобных бед. А если такие тела где-нибудь и существуют (например, в поясе Койпера), то они не имеют вредной привычки нарочно искать столкновения с Землей. Ось вращения Земли не менялась рывком никогда, исключая, может быть, гипотетическое столкновение с планетоидом, породившее Луну, и не изменится.

А вот медленный дрейф земной оси действительно происходит. Никакими жуткими катаклизмами он нам не грозит, ибо все живые существа, начиная с примитивных простейших архея и кончая нами, преспокойно живут с этим дрейфом, совершенно не замечая его. Речь идет о прецессии и нутации.

Вам случалось в детстве запускать волчок, причем не тот, что прикреплен осью к основанию, а тот, который свободно бегает по полу? Если да, то вы наверняка заметили, что ось вращения волчка испытывает движения по окружности, гораздо более медленные, чем вращение самого волчка. Такое вращение оси называется прецессией. Формулы, описывающие прецессию, довольно громоздки, но можно объяснить и «на пальцах»: прецессия тем сильнее, чем менее симметрично вращающееся тело или чем значительнее какая-либо сила, действующая на тело со стороны. Поскольку абсолютно строгой симметрии не существует, как не существует вообще ничего абсолютного, все вращающиеся тела, даже гироскопы, изготавливающиеся особо тщательно, испытывают прецессию. Земля несколько асимметрична как по форме, так и по распределению плотности в ее недрах. Вдобавок она в целом представляет собой сплюснутый сфероид, а ее ось наклонена к эклиптике. Луна своим притяжением стремится развернуть Землю «экватором к себе». То же самое, только слабее, делает Солнце. В сумме эти причины более чем достаточны для прецессии оси вращения Земли.

В результате ось вращения Земли описывает конус, вершина которого находится в центре Земли, а ось перпендикулярна эклиптике. При этом угол наклона земной оси к эклиптике остается постоянным и равен 63° 34”. Сейчас северный полюс мира находится вблизи Полярной звезды, но не точно совпадает с ней, что хорошо знают любители астрономии, вынужденные «выставлять на полюс» полярные оси своих монтировок. Для противоположного полушария роль «полярной» может играть невзрачная звезда Сигма Октанта. 3000 лет назад северный полюс мира находился близ «ковша» Малой Медведицы (а не близ крайней звезды «ручки», как сейчас), а спустя 12 тыс. лет роль Полярной звезды с успехом сможет выполнить Вега (Альфа Лиры). Вообще же полный оборот ось вращения Земли совершает примерно за 26 тыс. лет.

Помимо прецессии имеют место мелкие – порядка нескольких угловых секунд – колебания оси вращения Земли около среднего положения. Такие колебания называются нутацией и вызываются тем, что прецессионные силы все время меняются как по величине, так и по направлению. Они уменьшаются, когда Солнце и Луна находятся близ плоскости земного экватора, и вновь увеличиваются, когда склонения этих небесных тел имеют наибольшую величину.

И это еще не все: имеют место блуждающие движения земных полюсов, вызванные тем, что само тело Земли смещается относительно оси вращения. Движения эти ничтожны по величине и не идут ни в какое сравнение с выдуманными «резкими изменениями наклона земной оси». Оба полюса Земли плавно перемещаются, описывая грубые окружности того или иного радиуса, но никогда не покидая условного квадрата со сторонами около 30 м. В квазипериодическом характере движения полюсов выделяются 12-месячный и 14-месячный периоды.

Следующее движение, в котором участвует Земля, это движение вокруг общего центра масс с Луной. Строго говоря, неверно утверждать, что Луна обращается вокруг Земли, – корректнее говорить, что оба тела обращаются вокруг общего центра масс, делая полный оборот за 27,32 суток. Поскольку Земля массивнее Луны примерно в 81 раз, центр масс системы «Земля – Луна» находится под земной поверхностью на расстоянии 4672 км от центра Земли по направлению к Луне. В своем движении по орбите вокруг Солнца Земля описывает отчетливо волнообразную кривую, хотя, конечно, эта волнообразность имеет гораздо меньшую амплитуду, чем у Луны.

Как указывалось ранее, Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, делая полный оборот за 365,256363 суток (звездный год) и имея среднюю орбитальную скорость 29,79 км/с. Естественно, и это движение происходит не вокруг центра Солнца, а вокруг общего центра масс Солнечной системы. Несмотря на то что Солнце в 750 раз массивнее всех остальных тел Солнечной системы, вместе взятых, можно показать, что центр массы Солнечной системы нередко выходит за границы Солнца. Естественно, наибольшее смещение центра масс относительно положения Солнца происходит при так называемом параде планет, когда большинство планет выстраивается по одну сторону от Солнца. Само собой, наиболее сильно «перетягивают на себя одеяло» планеты-гиганты Юпитер и Сатурн.

Как следствие, Земля, даже если вычесть влияние тяготения Луны, все равно движется не по строго эллиптической орбите, а совершает сложные волнообразные движения вокруг кеплеровского эллипса. Существуют гипотезы и даже теории (например, теория Миланковича) о периодических изменениях земной орбиты, связанных с увеличением или уменьшением среднего расстояния от Земли до Солнца. Как бы ни были незначительны эти изменения, ими в принципе можно попытаться объяснить ледниковые периоды в истории Земли; более подробно углубляться в эти теории мы не будем. Отмечу лишь, что в таких движениях орбиты Земли в принципе нет ничего невозможного.

Звезды движутся, и Солнце, являясь звездой, тоже должно двигаться. Движение «неподвижных», как казалось ранее, звезд обнаружил в 1718 году Эдмунд Галлей, сравнив современные ему положения нескольких звезд с их координатами в каталоге Птолемея и учтя прецессию. Обнаружились «разночтения». Если бы они имели характер общей поправки, можно было бы предположить, что не учтено еще одно, пока неизвестное, движение земной оси, – но смещения звезд относительно их положений в каталоге Птолемея имели разновеличинный и разнонаправленный характер, следовательно, могли быть объяснены лишь собственными движениями звезд. В те времена наивные представления о «хрустальном своде небес», куда звезды приколочены наподобие гвоздиков, давно уже ушли в прошлое, и Галлей был не слишком удивлен своим открытием. В течение последующих десятилетий были измерены собственные движения многих звезд. В большинстве своем они малы, однако известно более 100 звезд с годичным движением более двух секунд дуги. Рекордсменом, как указывалось ранее, является Летящая звезда Барнарда с годичным смещением, превышающим 10 угловых секунд.

Но как определить, куда и с какой скоростью движется Солнце? Если предположить, что звезды движутся достаточно хаотично, то собственное движение Солнца (и нас вместе с ним) должно приводить к тому, что звезды должны как бы разбегаться прочь от апекса Солнца (так называется точка на небосводе, куда направлено движение нашего светила) и, напротив, стремиться к противоположной точке небосвода. Разумеется, положение апекса Солнца определится этим методом тем точнее, чем больше движущихся звезд будет учтено.

Однако Уильям Гершель, проделавший эту работу в 1783 году, вывел апекс Солнца из собственных движений всего-навсего 13 звезд и получил результат, близкий к современному. Сыграла ли свою роль интуиция гениального англичанина или просто повезло – трудно сказать. Хотя везение – штука такая, что не любит доставаться кому попало. Принятое в наше время положение апекса Солнца – в созвездии Геркулеса недалеко от границы с созвездием Лиры. Относительно ближайших звезд Солнце движется от Голубя к Геркулесу со скоростью 19,5 км/с.

Надо особо отметить, что это движение возникло лишь вследствие отличия движения Солнца и ближайших звезд вокруг центра Галактики от кругового и разными углами наклона их орбит. Так, например, если переместить орбиту Марса на то же среднее расстояние от Солнца, что у Земли, и пренебречь взаимным тяготением двух планет, то сразу же выяснится, что планеты имеют заметные скорости относительно друг друга, хотя обе обращаются вокруг Солнца. То же самое, только в гораздо больших масштабах расстояний, наблюдается в звездном окружении Солнца. Увлекая за собой планеты, наше главное светило движется вокруг галактического центра, во-первых, не по окружности и даже не по эллипсу, а по сложной траектории, а во-вторых, плоскость орбиты Солнца (если тут вообще можно говорить о плоскости) наклонена относительно галактического диска.

Здесь необходимо пояснение. Звезды в Галактике движутся преимущественно не по кеплеровским законам, предписывающим меньшие орбитальные скорости на больших расстояниях. Картина движений звезд в Галактике гораздо более сложная, обусловленная, во-первых, тем, к какой подсистеме – плоской или сферической – принадлежит звезда. Измерив в свое время лучевые скорости шаровых скоплений, астрономы были удивлены: оказалось, что эти «звездные колобки» движутся относительно нас со скоростями порядка 200–250 км/с, причем в одну сторону. Что-то тут было не так. Вскоре пришла догадка: это мы движемся с такой скоростью относительно сравнительно малоскоростных шаровых скоплений. А в чем состоит принципиальная разница между звездным населением в окрестностях Солнца и шаровым скоплением? Прежде всего – в принадлежности к разным подсистемам. Солнце – звезда второго поколения – родилось и движется в галактическом диске, тогда как шаровые скопления концентрируются к центру Галактики и в пределах диска могут оказаться только случайно. Следовательно, «плоская» подсистема вращается значительно быстрее «сферической» подсистемы.

Многочисленные исследования полностью подтвердили этот тезис. Но и внутри галактического диска звезды обращаются вокруг центра Галактики с неодинаковыми и чаще всего не кеплеровскими скоростями. Лишь в самых центральных областях галактического ядра, где преобладает тяготение «центрального монстра», звезды движутся по орбитам, в первом приближении похожим на кеплеровские. Но чем дальше от центра, тем меньшее влияние оказывает «центральный монстр» (напомним: в нашей Галактике его масса оценивается в 3 млн масс Солнца) и тем сильнее влияет на всякий движущийся объект тяготение галактического диска.

Открывший вращение Галактики голландский астроном Оорт (тот самый, чьим именем названо облако ледяных тел на дальней периферии Солнечной системы) вывел простую и красивую формулу скорости тела, движущегося в галактическом диске, как функцию его удаленности от центра Галактики. Из формулы Оорта следует, что до некоторого (довольно значительного) расстояния от центра Галактики скорости звезд будут возрастать линейно, но затем функция испытает перегиб, и на краю галактического диска скорости звезд уже будут падать с расстоянием от центра, причем чем дальше, тем больше это будет похоже на кеплеровское распределение скоростей. Оно и понятно: если орбита звезды пролегает на краю галактического диска, то основная масса галактики сосредоточена внутри орбиты и может быть в первом приближении сведена в точку; влиянием же масс, находящихся снаружи орбиты, можно и пренебречь.

На практике оказалось, что на больших расстояниях от центра звёзды в спиральных галактиках ни в какую не хотят подчиняться формуле Оорта: их орбитальные скорости уменьшаются с расстоянием значительно медленнее, чем предписывает им формула. Объясняется это влиянием «темного вещества», проявляющего себя только через гравитацию. Доля «темного вещества» в общей массе галактик просто-напросто преобладает, причем «темное вещество» занимает гораздо больший объем, нежели обычное галактическое вещество. Галактики (возможно, не все, но многие) погружены в обширные гало, состоящие из невидимого «темного вещества»… Но это к слову; мы говорим сейчас о другом.

Солнце, находясь немного ближе к краю галактического диска, нежели к центру, попадает в тот отрезок, где орбитальные скорости звезд все еще растут с увеличением расстояния от галактического центра. Орбитальная скорость Солнца принимается равной 220 км/с. Полный оборот вокруг Галактики Солнце делает за 220–230 млн лет.

У астрономов давно уже возник очень не праздный вопрос: а какова скорость движения Солнца относительно спиральных рукавов? Еще полвека назад такой вопрос показался бы странным – но, с другой стороны, не менее странным было то обстоятельство, что рукава спиральных галактик редко оборачиваются вокруг галактических балджей больше двух раз, чаще даже не более одного, тогда как возраст Вселенной и скорости вращения галактик, легко находимые по доплеровскому сдвигу, четко говорят о том, что практически все галактики с момента рождения успели сделать десятки оборотов. Противоречие было необходимо разрешить.

В 1964 году астрономы китайского происхождения из США Ц. Лин и Ф. Шу, развивая идеи шведского астронома Линдблада, выступили с теорией, согласно которой спиральные рукава представляют собой не некие постоянные материальные образования, а волны плотности вещества, выделяющиеся своей яркостью на общем фоне галактического диска прежде всего потому, что в них идет активное звездообразование. Звезды диска в своем орбитальном движении входят в рукав, несколько задерживаются в нем, поскольку рукав все-таки обладает повышенной гравитацией, и затем покидают его. Если орбита звезды лежит внутри определенного радиуса, то звезда догоняет рукав, входит в него с тыловой, вогнутой стороны и выходит с внешней, выпуклой стороны. Если же орбита звезды лежит за этим радиусом, то все наоборот: рукав догоняет звезду, включает ее на некоторое время в свой состав, а затем обгоняет. Но массивные звезды спектральных классов О и В, бешено транжирящие ядерное «горючее» на поддержание своего колоссального излучения, не успевают покинуть рукав и кончают в нем свою короткую, но яркую жизнь, обычно завершающуюся взрывом сверхновой.

Любопытно, что Солнце находится где-то поблизости от указанного радиуса, то есть в зоне коротации, где скорость обращения вокруг центра Галактики приблизительно равна скорости вращения галактического узора. И это не может не навести на размышления.

Случайность ли? Или необходимое условие существования высшей жизни на Земле? Ведь, по мнению многих, пролет вблизи оболочки вспыхнувшей сверхновой не сулит обитателям Земли ничего хорошего.

В нашей Галактике сверхновые вспыхивают с частотой примерно одна в сто лет. Впрочем, слой пыли в галактическом диске, где находится Солнце, сильно мешает наблюдать далекие сверхновые, вспыхивающие в плоскости диска, так что оценка, пожалуй, занижена. Многие вспышки могли быть просто пропущены, ибо поглощение света в плоскости галактического диска колоссально. Возможно, правы те астрономы, кто считает, что в столь большой галактике, как наша, вспышки сверхновых должны происходить в среднем раз в тридцать лет.

Сверхновые делятся на два типа и ряд подтипов. Сверхновые I типа вспыхивают где угодно – это старые звезды с массами, лишь немного превышающими солнечную. Сверхновые II типа вспыхивают только в спиральных рукавах внутри слоя толщиной 100 пк. Это массивные звезды, родившиеся в рукаве и успевшие проэволюционировать, не покидая его пределов.

Еще в 1957 году И.С. Шкловским и В.И. Красовским была высказана гипотеза, объясняющая вымирание динозавров на мел-палеогеновой границе стойким увеличением уровня космических лучей в десятки, если не сотни раз. Прикидочный расчет, проведенный И.С. Шкловским (см. его замечательную книгу «Вселенная, жизнь, разум»), показал, что за время своего существования Солнце не менее десяти раз оказывалось ближе 10 пк от вспыхнувшей сверхновой. При этом достигший Земли поток ультрафиолетового излучения в десятки раз превосходил солнечный, что, естественно, не способствовало процветанию жизни. При попадании Солнца внутрь расширяющейся оболочки сверхновой плотность первичных космических лучей (высокоэнергичных частиц) также увеличивалась в десятки раз. Подобные явления были особо неприятными для существ с длительным сроком жизни (короткоживущие биологические формы менее подвержены мутациям), к числу которых относятся гигантские рептилии мезозоя.

В этой связи любопытно исследование, проделанное американскими учеными Э. Лейчем и Г. Вазиштом. Сопоставив движение Солнца по Галактике с перемещением спиральных рукавов, они заметили, что во время массовых вымираний (мел-палеогеновое, пермско-триасовое) Солнце находилось либо внутри рукавов, либо в непосредственной близости от них. Согласно расчетам этих ученых, следующее прохождение Солнца сквозь основной рукав произойдет лишь через «утешительные» 140 млн лет.

СМИ с удовольствием раздувают эти и другие «научные сенсации», преподнося гипотезы ученых чуть ли не как истину в последней инстанции. Но наука для того и существует, чтобы порождать гипотезы, проверять их, отбрасывать ложные и двигаться дальше. Нормальный ученый просто обязан генерировать гипотезы, а уж какие из них будут приняты, а какие отброшены, заранее никому не известно. Даже и принятая научным сообществом гипотеза, удовлетворяющая строгим научным критериям (объяснительная сила, принципиальная проверяемость), еще не гарантирует ее истинности. Если скорость движения Солнца относительно спиральных рукавов известна настолько неточно, что не вполне ясно, есть ли она вообще, то о каких прохождениях сквозь рукава и тем более о вымираниях можно говорить? Сами по себе массовые вымирания земной биоты – не аргумент. Они легко могут быть объяснены (и объясняются) чисто земными экосисгемными кризисами, не имеющими никакой связи с космосом, и объяснения эти подчас более убедительны, чем привлечение космических сил.

С другой стороны, если Солнце находится на таком расстоянии от галактического центра, что его орбитальная скорость в точности равна скорости вращения спиральных рукавов, это как-то обидно. Тогда возникает страшное подозрение, что для успешного развития высшей жизни и превращения ее в жизнь разумную необходимо строжайшее условие точно определенного расстояния до центра галактики – иначе ничего не выйдет? Думаю, многим тут захочется «включить» антропный принцип: мы являемся свидетелями процессов определенного рода, поскольку процессы иного рода проходят без свидетелей. То есть если бы Солнце имело орбиту, вынуждающую его время от времени проходить сквозь спиральные рукава, то читать эту книгу было бы некому, поскольку короткоживущие формы (скажем, мыши) не имеют шанса стать разумными и тем более грамотными.

Мне думается, страхи несколько преувеличены. Не исключен и даже вероятен «компромиссный вариант»: Солнце все-таки иногда проходит сквозь спиральные рукава, но, во-первых, ниоткуда не следует, что за время прохождения поблизости от нас взорвется звезда – это дело вероятностное, а во-вторых, между пролетами Солнца сквозь рукава (если такие пролеты имеют место в действительности) протекают сотни миллионов лет. Биологическая история Земли свидетельствует о том, что за это время жизнь имеет хорошие шансы развиться до уровня, предполагающего мыслительную деятельность. А коли так, то неужели мы не отыщем способов избежать пагубных последствий облучения, если сверхновая вспыхнет на опасном для нас расстоянии? Конечно, придется строить убежища, налаживать защиту всей инфраструктуры и не выходить без острой нужды на вольный воздух, но кто сказал, что в будущем у человечества не станет проблем? В наше время трудно найти благодушных утопистов…

Пока же наиболее вероятными кандидатами в сверхновые считаются красный сверхгигант Бетельгейзе (Альфа Тельца) и сверхмассивная звезда Эта Киля. Расстояние до обеих звезд весьма почтенное, и взрыв их ничем особенным нам не грозит. На какое-то время, исчисляемое неделями, на небе возникнет яркое светило, возможно, сопоставимое по яркости с Луной, затем светило поблекнет, а на его месте возникнет яркая расширяющаяся туманность – и только. Взрыва же ближайших к нам звезд (например, Сириуса) в обозримое время ожидать не следует.

Между прочим, в глубоководных осадочных породах в слое возрастом 5 млн лет содержится повышенное содержание редкого изотопа железа-60. Объяснить происхождение этого железа земными источниками не удается. Есть предположение, что около 5 млн лет назад Земля прошла сквозь оболочку сверхновой, вспыхнувшей в 100 световых годах от Солнца. И что же произошло с земной биотой 5 млн лет назад? Да в общем-то ничего экстраординарного…

По поводу орбитального движения Солнца в Галактике осталось сказать лишь то, что вызванное им наше движение среди звезд направлено в настоящую эпоху к созвездию Лиры.

Ну а что же сама Галактика? Она также движется, участвуя, во-первых, в общем расширении Вселенной, а во-вторых, в движениях, вызванных тяготением великого множества галактик, расположенных от нас на расстояниях до 300–500 Мпк.

Иногда спрашивают: если разлет галактик есть следствие Большого взрыва, то где же он произошел, в какой точке пространства? Ответ: ни в какой. В нашем трехмерном пространстве такого места просто нет. Хорошую иллюстрацию к сказанному иногда демонстрируют вузовские преподаватели, надувая воздушный шарик с нанесенными на него фломастером точками. Каждая точка – аналог галактики. Если представить себя на месте двумерных существ, не имеющих толщины и обитающих на поверхности шарика, то, с их точки зрения, расстояния между точками-галактиками будут все время увеличиваться по мере надувания шарика – но где будет расположена точка, из которой сформировалась их двумерная вселенная? В центре шарика, то есть вне границ их вселенной. Существа эти могут сколь угодно остроумно аргументировать свои построения математическими выкладками, но представить себе трехмерную вселенную для двумерного существа будет очень трудно: его мозг «заточен» эволюцией под другое, трехмерная вселенная лежит вне его бытовых представлений. Точно так же и мы способны в принципе понять, что четвертое пространственное измерение существовать может, но представить его себе – для этого нужны какие-то особые мозги, которыми люди в массе своей не обладают. Так что будет правильным считать, что галактики удаляются не от какой-то точки, а просто друг от друга, причем тем быстрее, чем дальше друг от друга они находятся (на измерениях лучевой скорости по красному смещению основан метод определения расстояний до галактик). Чтобы лучше это понять, важно запомнить: не галактики разлетаются в пространстве, а расширяется само пространство – совсем как поверхность воздушного шарика, надуваемого преподавателем перед студентами.

Впрочем, близко расположенные галактики, связанные узами взаимного тяготения, могут и приближаться друг к другу. Например, Туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,2 млн световых лет, приближается к нам со скоростью около 130 км/с и через несколько миллиардов лет пройдет рядом с нашей Галактикой, а может быть, и столкнется с ней по касательной. Никакого катаклизма, однако, не произойдет – лишь несколько нарушится спиральный узор, чтобы затем постепенно выправиться, да из звездно-газового «хвоста», который, возможно, протянется между расходящимися в пространстве галактиками, могут образоваться одна или несколько карликовых галактик. Подобные процессы при взаимодействии галактик действительно наблюдаются.

Наша Галактика, Туманность Андромеды, Туманность Треугольника, а также несколько мелких галактик и шаровых скоплений, не принадлежащих никакой галактике, образуют так называемую Местную группу. Она, как и ряд других подобных групп, находится на дальней периферии богатого скопления галактик в Деве. Судя по расстоянию до центра скопления (18 Мпк), мы должны удаляться от него со скоростью 1000 км/с, на деле же эта скорость на 290 км/с меньше, что легко объясняется тяготением скопления. Подобные же гравитационные эффекты обеспечивают нам Великая Стена и Великий Аттрактор – элементы крупномасштабной структуры Вселенной, расположенные от нас на расстоянии в сотни мегапарсеков и состоящие из большого числа скоплений галактик.

А впрочем, для нас на бытовом уровне расширение Вселенной примерно то же самое, что движение планет для инфузории, шустрящей в капле прудовой воды… Оставим же эту тему, вернемся в Солнечную систему и рассмотрим ее подробнее, начав, естественно, с главного ее тела.

6. Солнце

Заурядная звезда главной последовательности, каких миллиарды только в нашей Галактике, – вот что такое Солнце, если взглянуть на него объективно. Но разве большинству людей есть хоть какое-то дело до объективности, когда речь идет о главном светиле нашей системы, свет которого согревает нас и служит источником пищи через фотосинтез растений и плоть питающихся ими животных? Когда холодным росистым утром над горизонтом встает огненный шар и ласкает нас, озябших, своими лучами, любой человек, пустившийся в рассуждения о заурядном месте Солнца среди звезд, рискует нажить репутацию зануды. Солнцу мы обязаны самим феноменом жизни – и этим, казалось бы, все сказано. Недаром в честь Солнца люди исстари слагали стихи, молились ему, а нередко и приносили человеческие жертвы. Среди «солнечных» богов особой «любовью к людям», приносимым ему в качестве жертв, отличался ацтекский Кукулькан. Пытались не отстать и иные «солнечные» боги, имя им легион. Вряд ли на Земле был такой народ, который так или иначе не поклонялся Солнцу.

И разве надо объяснять, почему фараон-революционер Эхнатон выбрал в качестве единого божества не кого-нибудь, а Атона – бога солнечного диска?

То, что Солнце, какие бы антропоморфные или звериные обличья оно ни принимало в глазах наших простодушных предков, представляет собой нечто огненное, не сомневался никто. Это как раз тот случай, когда человек мог довериться своим органам чувств и в первом приближении не ошибиться. Правда, Солнце очень долго считалось спутником Земли, много меньшим земного диска (или даже шара), а великое прозрение Аристарха Самосского в III веке до н. э. насчет истинных размеров Солнца по отношению к Земле осталось лишь гласом чудака-одиночки вплоть до издания в 1515 году «Малого комментария» Николая

Коперника с первым изложением гелиоцентрической системы мира и указанием относительных расстояний планет до Солнца. Но параллакс Солнца был измерен лишь в 1671–1672 годах. Из него уже элементарно получалось точное расстояние до Солнца и его диаметр. Массу Солнца удалось оценить после открытия Кеплером законов движения небесных тел.

Вот современные цифры: масса Солнца равна 1,989 × 10³⁰ кг, что примерно в 750 раз больше суммарной массы всех прочих тел Солнечной системы и в 333 тыс. раз больше массы Земли; диаметр Солнца равен 1,392 млн км, что в 109 раз больше диаметра Земли. Из этого следует средняя плотность 1,409 г/см³. Как видим, Аристарх Самосский несколько преувеличил размеры Солнца (конечно, если он имел в виду диаметр, а не объем или массу), но угадал порядок.

Но если с размерами и массой Солнца астрономам удалось разобраться, то причины его светимости оставались неясными вплоть до начала прошлого века. Предположение, что Солнце светит просто за счет тепловой инерции, как светится в темноте только что вынутая из горна железная заготовка на наковальне кузнеца, было сразу же отброшено как несерьезное. Простые расчеты показывали, что Солнце, не имеющее собственного источника энергии, остынет достаточно быстро – за вполне историческое время. Быть может, в Солнце идет горение какого-нибудь топлива вроде угля? Увы – несложные расчеты показали, что при наблюдаемой светимости угольное Солнышко прогорит в шлак всего за несколько тысяч лет.

Выход вроде бы нашел Г. Гельмгольц в середине XIX века: он предположил, что Солнце светит за счет медленного сжатия. Высвобождающаяся при этом энергия должна куда-то деваться, вот она и идет на поддержание высокой температуры и светимости Солнца. Правда, расчеты показали, что всего лишь несколько десятков миллионов лет назад радиус Солнца должен был превосходить радиус земной орбиты, и это сильно раздражало геологов, уже в те годы убежденных в том, что Земле минимум несколько сотен миллионов лет, но астрономов до поры до времени устраивало. Скорее всего – из-за отсутствия более приемлемых гипотез. Не принимать же всерьез гипотезу о светимости Солнца за счет непрерывного выпадения на его поверхность метеоров! А ведь была и такая.

С открытием А. Беккерелем явления радиоактивности появилось новое поле для выдвижения гипотез, и довольно скоро астрофизики пришли к выводу: причина светимости Солнца – ядерные реакции в его недрах. Какие именно реакции – было пока неизвестно, высказывалась даже гипотеза о том, что это радиоактивный распад (скажем, радия), но очень скоро была отвергнута. Радиоактивность – явление спонтанное, а было ясно, что внутри Солнца существует некая «отрицательная обратная связь», при помощи которой Солнце сохраняет свои характеристики на протяжении весьма значительного времени. Лишь в 30-е годы XX века было доказано, что внутри Солнца идут ядерные реакции синтеза.

Впрочем, основателя теории внутреннего строения звезд А. Эддингтона это не особенного волновало. Он исходил из двух постулатов: а) в центре звезды есть постоянно действующий источник энергии, причем его «физика» не имеет значения; б) вещество звезды подчиняется основным газовым законам. В обоих предположениях Эддингтон оказался прав: ядерные реакции действительно идут в центральной области Солнца, а его вещество в первом приближении ведет себя как идеальный газ. Сам же спектр солнечного излучения, как ни странно, напоминает спектр абсолютно черного тела, нагретого до 5779 кельвинов.

Газовый шар, находящийся в состоянии равновесия, – вот что такое звезда по Эддингтону. Равновесие это обеспечивается равенством двух противоположно направленных сил: силы тяготения, стремящейся сжать звезду в точку, и силы давления газа, стремящейся рассеять вещество звезды в пространстве. В зависимости от физических условий вещество звезды может пребывать либо в устойчивом состоянии, когда любое местное нарушение плотности, температуры и давления газа немедленно самоустраняется, либо в состоянии конвекции, которая заставляет вещество звезды буквально кипеть. На практике обе ситуации обычно реализуются в разных глубинных зонах одной и той же звезды.

Солнце не исключение. Его можно условно разделить на три вложенные друг в друга части, примерно равные по радиусу (рис. 20 на цветной вклейке). Во внутренней трети идут ядерные реакции на водороде, это зона энерговыделения. Промежуточная зона – область лучистого переноса энергии. Вещество Солнца здесь уже нагрето недостаточно для ядерных реакций, но еще имеет довольно высокую температуру, обеспечивающую газу прозрачность. Это не значит, что тут вообще не происходит перемешивания вещества, однако за транспортировку энергии отвечает главным образом лучистый перенос.

И наконец, третья, внешняя зона – это зона конвекции. Вещество в ней уже достаточно холодное, чтобы стать непрозрачным. Здесь слой солнечного вещества толщиной всего 1 мм практически полностью поглощает фотоны. Естественно, при этом происходит возбуждение атомов, которое потом «сбрасывается» за счет излучения атомами фотонов тех же или меньших энергий, но это – спонтанный процесс, его нельзя сделать сколь угодно быстрым. В результате энергия задерживается в веществе, и вещество оказывается в состоянии тепловой неустойчивости. Естественный и неизбежный выход в такой ситуации – перенос энергии из глубинных слоев к поверхности с помощью конвекции.

Какие же ядерные реакции идут в центральных областях Солнца?

Естественно, это термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Их известно две: прямая протон-протонная реакция и углеродно-азотный цикл Бете – Вайцзеккера. Каждая из них идет в несколько этапов. Рассмотрим обе.

Протон-протонная реакция начинается с того, что ядро атома водорода (протон) соединяется с другим таким же протоном, образуя ядро дейтерия. Это самый вялотекущий этап протон-протонной реакции. Почему? Чтобы понять это, рассмотрим состояние вещества в центре Солнца.

Естественно, мы не можем заглянуть туда. Лишь солнечные нейтрино, беспрепятственно пронзающие толщу солнечного вещества, доносят до нас кое-какую информацию. Но в целом о том, что делается в недрах Солнца, ученым известно лишь из численных моделей. При этом некоторые параметры остаются неизвестными. Трудно сказать, сколько водорода в центре Солнца успело превратиться в гелий за время существования нашего светила. Трудно сказать, идет ли там перемешивание вещества, а если идет, то с какой интенсивностью. Приходится строить модели с разными «вводными». К счастью, в основе они не очень сильно отличаются друг от друга.

Температура вещества в центре Солнца достигает 14–15 млн К. Плотность газа составляет 140–180 г/см³. При этом вещество в центре Солнца остается газом, причем не вырожденным, как в белых карликах, а наоборот, близким к идеальному газу. Следовательно, к нему могут применяться классические газовые законы.

Сказанное может повергнуть в легкую оторопь: вещество с плотностью, на порядок превышающей плотность тяжелых металлов, и давлением в 340 млрд атмосфер – газ, да еще идеальный? И тем не менее это так. Почти. Вспомним, что такое идеальный газ. Это газ, в котором столкновения частиц сводятся к абсолютно упругим соударениям без какого бы то ни было иного взаимодействия между ними. Сейчас мы поймем, что в недрах Солнца почти так и есть.

Чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания и слипнуться в ядро дейтерия, хотя бы одному из двух протонов надо иметь энергию порядка 1000 кэВ. Распределение энергий частиц в газе, как мы знаем из школьного курса физики, максвелловское, то есть количество высокоэнергичных частиц падает по гиперболическому закону. Если подсчитать среднюю энергию протона в центре Солнца, то она составит всего-навсего 1 кэВ. Частиц с энергией 1000 кэВ просто не будет. С точки зрения классической физики, звезды типа нашего Солнца и менее массивные, чьи недра нагреты слабее, излучать за счет ядерных реакций не могут.

Но звезды все же излучают, а значит, природа нашла выход из положения. Согласно законам квантовой механики, протоны, имеющие энергию значительно меньше требуемой, скажем, 20 кэВ, все-таки могут с вероятностью, отличной от нуля, реагировать друг с другом. И протоны с такими энергиями в центре Солнца уже есть.

Их мало, конечно. И невелика вероятность реакции между двумя протонами с энергиями всего-навсего в десятки килоэлектронвольт, причем с уменьшением энергии частиц вероятность реакции между ними резко падает. (Именно поэтому главная последовательность диаграммы Герцшпрунга – Рессела идет круто вниз в области красных карликов.) Подсчитано, что в условиях солнечных недр любой случайно выбранный протон вступит в реакцию со своим собратом в среднем через 10 млрд лет.

Казалось бы, чудовищный срок. Однако это именно то, что надо для обеспечения современной светимости Солнца. Вероятность реакции между протонами крайне низка, зато протонов очень много, так что в результате мы на Земле не особенно мерзнем. А кто жалуется на холод, тот пусть спросит бедуина в аравийской пустыне, холодно ли ему днем. Вопрошающему повезет, если ему попадется бедуин, наделенный чувством юмора.

Следующий этап протон-протонной реакции, напротив, идет очень быстро, в среднем за 5 с. Столько времени нужно, чтобы ядро дейтерия поглотило еще один протон и превратилось в ядро гелия-3. И наконец, на третьем этапе два ядра гелия-3 сливаются, образуя ядро гелия-4 и два протона. На это в среднем уходит «всего» миллион лет.

Запишем этапы реакции:

¹Н + ¹Н → ²D + позитрон + нейтрино + 1,44 МэВ (10¹⁰ лет)

²D + ¹Н →³Не + гамма-квант + 5,49 МэВ (5 секунд)

³Не + ³Не →⁴Не – ИН +¹Н + 12, 85 МэВ (10⁶ лет)

Не вся высвободившаяся в результате этой цепи реакций энергия передается звезде – часть ее уносят нейтрино. Все же при образовании одного ядра гелия звезда получает 26,2 Мэв, или 4,2 х 10^-5 эрг.

Существует – причем не только в теории, но и в реальности – и другая ветвь той же реакции. Ядро гелия-3 может прореагировать с ядром обычного гелия-4, после чего образуется ядро бериллия-7. Это ядро может захватить протон и превратиться в ядро бора-8 или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае ядро бора-8 претерпевает бета-распад, превращаясь в ядро бериллия-8 с попутным образованием позитрона и нейтрино. (Именно эти солнечные нейтрино были впервые обнаружены на перхлорэтиленовом детекторе; об этом ниже.) Бериллий-8 весьма неустойчив и быстро распадается на два ядра гелия-4. Во втором случае, когда образуется ядро лития-7, оно захватывает протон и опять-таки превращается в бериллий-8, который охотно распадается на две альфа-частицы (ядра гелия-4). Словом, на какие бы ухищрения природа здесь ни шла, какие бы варианты реакций ни предлагала, в результате водород все равно превращается в гелий, выделяя при этом энергию.

Углеродно-азотный цикл состоит из шести реакций:

¹²С +¹Н → ¹³N + гамма-квант + 1,95 МэВ (1,3 х 10⁷ лет)

¹³N → ¹³С + позитрон + нейтрино + 2,22 МэВ (7 минут)

¹³С + ¹Н → ¹⁴N + гамма-квант + 7,54 МэВ (2,7 х 10⁶лет)

¹⁴N + ¹Н → ¹⁵O + гамма-квант + 7,35 МэВ (3,2 х 10⁸ лет)

¹⁵O → ¹⁵N + позитрон + нейтрино + 2,71 МэВ (82 с)

¹⁵N +¹Н → ¹²С +⁴Не +4,96 МэВ (1,1 х 10⁵ лет)

В этом цикле ядерных реакций на одно получившееся ядро гелия выделяется (без учета нейтрино) 25 МэВ энергии.

Как видим, цикл состоит из четырех актов присоединения протона и двух бета-распадов. Углерод, участвующий в цикле, в конце его восстанавливается и не тратится, являясь, таким образом, «катализатором» реакции. Без углерода этот цикл просто не пойдет, как не шел он в самых первых звездах Вселенной, где углерода еще просто не было (напомню: он вырабатывается в «тройной гелиевой реакции» из ядер гелия в недрах красных гигантов и сверхгигантов при температурах свыше 100 млн К). Внутри Солнца, образовавшегося из космического вещества, уже обогащенного тяжелыми элементами, углерод, естественно, присутствовал с самого начала.

Обе эти группы реакций весьма чувствительным образом зависят от температуры. Скорость протон-протонной реакции в диапазоне температур 11–16 млн К зависит от температуры в четвертой степени, и это еще куда ни шло. Скорость же углеродно-азотного цикла зависит от температуры куда более сильно: степени этак в пятнадцатой. Поэтому в маломассивных красных карликах реакции углеродно-азотного цикла вообще не идут. И наоборот: в массивных горячих звездах главной последовательности идут, конечно, оба типа реакций, но главенствует углеродно-азотный цикл, а протон-протонная реакция идет к нему несущественным «довеском».

А как же Солнце? Лет 60 назад считалось, что единственным источником его излучения служит углеродно-азотный цикл. Теперь стало ясно, что он играет подчиненную роль, а основное энерговыделение в центре Солнца обеспечивает все же протон-протонная реакция. Для того чтобы углеродно-азотный цикл «развернулся вовсю», внутри Солнца просто не хватает температуры.

И это отрадно: в противном случае жизнь в Солнечной системе могла бы и не возникнуть вовсе, а если бы и возникла, то не на Земле, а подальше от чересчур мощного центрального светила, скажем, на Марсе, куда менее приспособленном для биологической эволюции…

В результате ядерных реакций энергия выделяется в виде гамма-квантов. Теперь даже дети знают, что гамма-излучение губительно для всего живого. И тем не менее мы живем не в подземных убежищах, а на воздух выходим чаще днем, чем ночью, и притом без свинцовых зонтиков. Дело в том, что по пути из глубины Солнца к поверхности кванты «худеют» – так, во всяком случае, сказано в некоторых научно-популярных книжках. Автор не знает, что такое «худой» или «толстый» квант, и категорически отказывается принимать эту метафору. Лучше сказать, что вместо одного высокоэнергичного кванта до поверхности Солнца доходит целая уйма гораздо менее энергичных квантов. Ведь какой-нибудь атом солнечного вещества, поглотив высокоэнергичный квант и перейдя в сильно возбужденное состояние, чаще всего избавляется от него не сразу, а постепенно, излучая менее энергичные кванты в соответствии с «нарезкой» своих квантовых уровней и мало-помалу возвращаясь в исходное состояние. Естественно, на этом теряется время. Не взаимодействующие с веществом нейтрино вырвутся из глубин Солнца на поверхность за какие-нибудь две секунды, а гамма-квант (имеется в виду не фотон, а именно порция энергии) будет долго «просачиваться» к поверхности Солнца, чтобы быть излученным в пространство в виде многих квантов оптического, инфракрасного, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов. Максимум излучения приходится на желтый участок видимого диапазона, что мы и наблюдаем. Время «просачивания» измеряется миллионами лет.

Но вот наконец кванты добрались до поверхности Солнца и были излучены. Правда, что такое поверхность Солнца – не вполне ясно. То, что мы видим, наблюдая Солнце сквозь темные очки, закопченное стекло или какой-нибудь фильтр, называется фотосферой. Это весьма условная граница собственно Солнца, над которой находятся слои солнечной атмосферы. Толщину фотосферы можно принять равной 100–200 км. Именно в фотосфере заканчивается конвективное движение солнечного вещества, здесь оно «сбрасывает» вовне избыток энергии в виде излучения, которым мы на Земле с удовольствием и пользуемся.

Вся поверхность фотосферы покрыта гранулами – нестойкими светлыми образованиями в целом округлых очертаний и флоккулами – волокнами разнообразной формы. Если смотреть на Солнце в телескоп сквозь фильтр, видно, что в промежутках между гранулами лежит более темный фон. Это значит, что гранулы ярче основного фона солнечной поверхности. Оно и понятно: ведь гранулы суть не что иное, как верхушки конвективных ячеек. Горячее вещество, всплывающее к поверхности, образует гранулу, в ее центре вещество поднимается и, достигнув поверхности, растекается к краям. Излучив энергию и охладившись, вещество вновь ныряет в глубину в промежутках между гранулами. Самая обыкновенная конвекция; нечто похожее можно наблюдать в кастрюле с поспевающей кашей или киселем. Разница лишь в масштабах: поперечник гранул составляет 400-1500 км, а их температура градусов на 200 выше средней по фотосфере.

Между прочим, в научно-популярных фильмах о Солнце под видом «кипения» солнечной поверхности нередко показывают кипящую рисовую кашу. Сходство весьма значительное. И не случайное.

Как минимум со времен Галилея известно, что на Солнце есть пятна (рис. 21 на цветной вклейке). «Как минимум» – потому что некоторые особенно крупные пятна, появляющиеся в годы максимумов солнечной активности, могут быть заметны и невооруженному глазу. Автору этой книжки случалось наблюдать такие пятна сквозь поглощающий фильтр, роль которого исполняла обыкновенная компьютерная дискета. Можно также использовать стопку фотонегативов или традиционное закопченное стекло. А иногда, особенно на восходе и закате, когда лучи Солнца падают очень наклонно и вынуждены пробираться сквозь значительную толщу воздуха, ослабляясь при этом, большое пятно на солнечном диске можно увидеть и невооруженным глазом. Если же вы хотите посмотреть на Солнце в телескоп, бинокль, подзорную трубу или какой-нибудь иной оптический прибор, собирающий свет в зрачок, то не делайте этого иначе, чем с апертурным (не окулярным!) фильтром. Старая жестокая шутка гласит, что в телескоп на Солнце можно посмотреть только дважды – один раз правым глазом и один раз левым. В этой шутке очень много правды: зрение после столь варварского эксперимента удается восстановить далеко не всегда.

Что такое солнечные пятна?

Движение заряженных частиц, естественно, создает магнитное поле. В Солнце полным-полно заряженных частиц, и они движутся. Во-первых, имеет место конвективное движение. Во-вторых, Солнце вращается вокруг своей оси, причем не как твердое тело, а зонально: скорость вращения на солнечном экваторе выше, чем в высоких солнечных широтах. Следовательно, Солнце должно иметь магнитное поле просто по определению. Так оно и есть, хотя его напряженность по сравнению с рядом более активно вращающихся звезд невелика: около 1 Э (эрстед). Из-за сложной картины движения заряженных частиц магнитное поле Солнца тоже сложное и мало похоже на простое дипольное магнитное поле Земли. Магнитные силовые линии выходят на поверхность Солнца в самых неожиданных и притом дрейфующих местах.

В таких местах и наблюдаются пятна (рис. 22 на цветной вклейке). В них напряженность магнитного поля в 8-10 раз выше средней. Сильное магнитное поле в пятнах проявляется в эффекте Зеемана – расщеплении спектральных линий на три компонента. Показательно, что солнечные пятна часто наблюдаются парами, между которыми протянут пучок силовых магнитных линий, выходящий из поверхности Солнца в одном пятне, образующий арку над солнечной поверхностью и скрывающийся в другом – почти таком же на вид – пятне (рис. 23 на цветной вклейке).

Пятна примерно на тысячу градусов холоднее окружающих их областей[14] и заметно вдавлены, что хорошо заметно визуально, если проследить за пятном, дрейфующим от центра к краю солнечного диска. Воронкообразная форма пятен была обнаружена еще в 1774 году шотландским астрономом А. Вилсоном. Пятна обрамлены флоккулами, которые близ края диска выглядят как факелы. Температура факелов, напротив, выше средней по фотосфере.

Факелы лучше видны близ края диска из-за эффекта потемнения солнечного диска к краю. Объяснение этого явления состоит в том, что в направлении на центр Солнца (перпендикулярно к поверхности) взор наблюдателя проникает глубже и видит более горячие слои, чем в направлении на край, где луч света, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходит значительную толщу верхних, не таких горячих, слоев фотосферы.

Всем известен 11-летний (точнее, и, 1-летний) цикл солнечной активности. Открыл его в XIX веке немецкий астроном-любитель, аптекарь по профессии, Г. Швабе, потративший 43 года на поиски планеты, расположенной ближе к Солнцу, чем Меркурий, и заранее нареченной Вулканом. Поскольку даже наблюдения Меркурия не очень просты из-за близости планеты к Солнцу, так что Меркурий всегда виден низко над горизонтом в лучах вечерней либо утренней зари, Швабе здраво рассудил, что поиски Вулкана на небе сразу после захода (либо перед самым восходом) Солнца вряд ли приведут к успеху. Однако планета, чья орбита почти наверняка лежит недалеко от плоскости эклиптики, и вдобавок ближайшая к Солнцу, должна время от времени проходить по солнечному диску, как проходят по нему иногда Меркурий и Венера. И вот Швабе 43 года занимался наблюдением солнечных пятен, надеясь, что какое-нибудь из них окажется не пятном, а диском неизвестной планеты. Как сейчас заведомо известно, внутри орбиты Меркурия планет нет, и вообще там нет постоянно находящихся тел, чей диаметр превышал бы 5 км, так что поиски Швабе… так и хочется написать «ни к чему не привели». Но нет – они привели к открытию 11-летнего цикла, так что если неутомимый аптекарь надеялся оставить след в астрономии, то он своего добился даже без открытия Вулкана.

Правда, как это часто бывает, выяснилось, что Швабе «изобрел велосипед» и «открыл Америку». Оказалось, что на цикличность появления солнечных пятен обратил внимание датский астроном Горребов еще в 70-е годы XVIII века, но авторитеты того времени отрицательно оценили полученный им результат, да и сами материалы впоследствии погибли при обстреле Копенгагена эскадрой адмирала Нельсона, как легко догадаться, мало озабоченного вопросами солнечной астрономии. Так что 43-летние труды Швабе были не напрасны.

Эстафету подхватил швейцарский астроном Рудольф Вольф. Он подтвердил цикличность появления пятен, предложил специальный индекс солнечной активности, впоследствии названный в его честь, выдвинул идею об организации Службы наблюдения Солнца и восстановил по сохранившимся наблюдениям предшественников среднегодовые значения W начиная с 1700 года, а начиная с 1749 года – и среднемесячные. Позднее эта «летопись» была дополнена еще более ранними, но, к сожалению, отрывочными наблюдениями.

Наблюдения Горребова и Швабе блистательно подтвердились: действительно, в среднем каждые и лет количество пятен на Солнце увеличивается, чтобы затем уменьшиться, снова увеличиться через 11 лет, и так без конца. Менее известны другие циклы, как более короткие (2-летний), так и более длинные, вековые (например, 180-летний) и сверхвековые. Прежде всего: чем они вызываются?

Первопричина лежит в зональном вращении Солнца. На экваторе солнечное вещество делает полный оборот за 25,38 земных суток (что соответствует линейной скорости 2 км/с), близ полюсов же – примерно за 33 суток. И на эту разницу накладывается еще конвекция в толстом верхнем слое Солнца! Нет ничего удивительного в периодичности – или, говоря точнее, квазипериодичности – явлений на поверхности Солнца. Ведь конвекционные движения вещества нередко лишь кажутся хаотическими, на самом же деле они часто обладают известной степенью упорядоченности. Циклическая (а не случайная) активность Солнца – одно из проявлений такой упорядоченности в неупорядоченных с виду системах.

Магнитное поле Солнца переполюсовывается каждый 11-летний период, что говорит об изменении направления движения больших масс вещества; таким образом, полный период изменений солнечной активности составляет 22 года (магнитный цикл, он же цикл Хейла). В каждом новом цикле солнечные пятна имеют определенную магнитную полярность. Например, в северном полушарии в каждой паре пятен впереди (то есть по ходу вращения Солнца) располагается пятно с северным магнетизмом, а позади – с южным. В южном же полушарии в этот период – прямо наоборот. При переполюсовке все меняется. Можно сказать, что Солнце – магнитно-переменная звезда.

В минимуме активности пятен не только мало, но, что для нас важнее, они находятся далеко от солнечного экватора, группируясь примерно к 35-й широте (северной и южной), а иногда заходят и за 50-ю широту. Ближе к максимуму активности пятна смещаются ближе к экватору (закон Шперера) и их становится больше. С середины XIX столетия уровень активности определяется числом Вольфа (W), равным сумме числа отдельных пятен и удесятеренного числа групп пятен. Числом Вольфа астрономы порой пользуются и ныне, хотя оно несколько субъективно, да и дискретно. Физически более обоснованным является другой важный индекс солнечной активности, а именно поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см. Его регистрация ведется с 1948 года. Величина этого индекса просто-напросто представляет собой среднюю температуру теплового излучения, связанного с активными областями на Солнце. Однако немаловажно то, что этот вполне объективный индекс хорошо коррелирует с числом Вольфа.

Итак, во время максимумов солнечной активности на Солнце больше пятен и выше уровень радиоизлучения от него. А что же оптическое излучение? Измерения показали, что при среднем количестве солнечной энергии, приходящейся на единицу перпендикулярной солнечным лучам поверхности на среднем расстоянии от Земли до Солнца, называемой солнечной постоянной и составляющей 1369 Вт/м², вариации все же происходят. В годы максимумов эта величина возрастает на о,2–0,3 % по сравнению с годами минимума. Как видим, Солнце не только магнитнопеременная, но и реально переменная звезда. Астрономы не переводят ее в разряд переменных, во-первых, из-за малости колебаний светового потока, а во-вторых, потому что если учитывать столь малые изменения, то к разряду переменных придется отнести едва ли не все звезды.

Внимательный читатель может заподозрить некоторое противоречие: поток идущей от Солнца энергии в годы максимумов активности возрастает, в то время как пятен на Солнце становится больше, они занимают большую площадь, и они холоднее, а значит, поток солнечной энергии по идее должен уменьшаться, а не увеличиваться. Но нет, он все-таки увеличивается. Объясняется это тем, что факелы и целые факельные поля, обрамляющие пятна, не просто компенсируют падение излучения в пятнах, но компенсируют его даже с некоторой лихвой.

Пятна бывают как маленькими, так и громадными – больше поперечника Земли. В 1995 году автоматической солнечной обсерваторией SOHO, выведенной на меридиональную гелиоцентрическую орбиту в целях изучения Солнца, было зафиксировано рекордное пятно с поперечником в 100 тыс. км, что в семь с лишним раз больше земного диаметра. В минимуме цикла число Вольфа может сократиться почти до нуля (в редких случаях – просто до нуля без «почти»), зато в максимуме оно обычно превосходит 100, а на пике максимума может превышать и 200. Тут надо оговориться, что минимум цикла и максимум цикла – понятия в некоторой мере условные, так как число Вольфа изменяется во времени отнюдь не по строгой синусоиде (рис. 24) и вообще пятна, соответствующие новому циклу, могут появиться в высоких широтах еще до того, как закончится предыдущий цикл.

Для нас «на бытовом уровне» важно то, что в максимуме цикла пятна расположены вблизи солнечного экватора, а наклон плоскости земной орбиты к солнечному экватору составляет всего 7,25° – не так уж много. Иначе говоря, если оттуда что «выстрелит», то запросто может задеть и Землю. Что и происходит время от времени.

В активных областях Солнца (то есть там же, где расположены и пятна) время от времени происходят вспышки, иногда очень мощные. Солнечный ветер (поток заряженных частиц – преимущественно электронов и протонов) существует всегда, но во время вспышки он усиливается многократно – к счастью, не во всех направлениях.

Рис. 24. Годовые числа Вольфа с 1750 года

При вспышке из активной области выстреливается довольно узкий пучок частиц, летящих со скоростью порядка 2000 км/с, что вдвое выше скорости нормального солнечного ветра. Что происходит на Земле, когда она проходит сквозь такой пучок, хорошо известно. Это магнитные бури. Поток заряженных частиц сильно деформирует магнитное поле Земли, что чувствуют на себе не только люди, склонные к мигрени, но иногда и население довольно обширных регионов, оставшееся без электричества и телефонной связи. Ведь меняющееся магнитное поле наводит в проводниках (линиях электропередач) довольно значительные токи, вполне способные вызвать аварийное отключение какой-либо подстанции, а вслед за ней – веерное отключение значительной части всей энергосистемы того или иного региона. Кроме того, – и это, пожалуй, единственное приятное свойство солнечных вспышек – они вызывают полярные сияния.

Красивейшее зрелище! Слабые полярные сияния бесцветны, зато сильные переливаются всеми красками с преобладанием красного и зеленого цветов (рис. 25 на цветной вклейке). Цвета обусловлены возбуждением тех или иных атомов атмосферы (кислород, азот), которые при возвращении в невозбужденное состояние испускают фотоны соответствующих энергий. Возбуждение же атомов происходит из-за того, что часть летящих от Солнца заряженных частиц все же проникает под магнитную «броню» Земли и отклоняется ее магнитным полем к полюсам. Из-за этого полярные сияния чаще всего наблюдаются в высоких широтах обоих полушарий.

Не надо только думать, что так происходит всегда! Обитатели средних и даже тропических широт тоже имеют отличный от нуля шанс увидеть полярное сияние. Довольно свежий пример: 28 октября 2004 года полярное сияние наблюдалось в Москве и было настолько сильным, что его заметили даже близ центра мегаполиса, залитого ночными огнями настолько, что и ярчайшие звезды были заметны с трудом. Автор наблюдал это сияние в Подмосковье и получил огромное удовольствие.

В годы особенно активного Солнца полярные сияния наблюдались в Крыму и даже гораздо южнее: на Кубе, а один раз и в Сингапуре, лежащем почти на экваторе! Само собой, столь мощные сияния – большая редкость, и все же жителям южных районов нашей страны я бы посоветовал хоть иногда поднимать взгляд к северному горизонту во время магнитных бурь, то есть спустя сутки-двое после мощных солнечных вспышек, о которых сообщают СМИ. Вдруг повезет?

Но оставим на время в покое Землю и вернемся к Солнцу. Выше фотосферы, как мы уже знаем, располагаются слои солнечной атмосферы. Их условно делят на обращающий слой, хромосферу и корону. Обращающий слой толщиной всего 500 км содержит атомы многих химических элементов, причем они далеко не полностью ионизованы. Как следствие, здесь происходит поглощение, рассеяние и переизлучение энергии во всех направлениях. Поглощение приводит к появлению в солнечном спектре многочисленных темных фраунгоферовых линий, часто называемых просто линиями поглощения. В последнее время термин «обращающий слой» постепенно выходит из употребления, а вместо него говорят просто о верхних слоях фотосферы.

Линий поглощения – великое множество (26 тыс. в диапазоне от 300 до 1360 нм). Спектральным путем на Солнце выявлено присутствие 72 химических элементов и ряд простых двухатомных молекул. Если учесть, что некоторые элементы дают в видимой области спектра сотни и даже тысячи линий поглощения, картина становится понятной. Однако в солнечном спектре еще остаются слабые неотождествленные линии.

Хромосфера расположена выше, ее толщина составляет примерно 12 тыс. км. Ее спектр (полученный во время солнечных затмений) состоит из одних лишь ярких линий, так как темные линии спектра обращаются в хромосфере в яркие, а непрерывный спектр почти гаснет. Значительная часть излучения приходится на красную эмиссионную линию водорода, поэтому цвет хромосферы – ярко-красный. Также интенсивны линии ионизованных гелия, кальция и магния. Любопытно, что температура хромосферы быстро растет с высотой, в то время как плотность вещества столь же быстро падает. Если температура нижних слоев хромосферы держится на уровне 5000–6000 К, то в верхних ее слоях, где хромосфера уже переходит в корону, температура возрастает почти до миллиона кельвинов! Понятно, почему атомы в хромосфере перестают поглощать – они же при такой температуре полностью ионизованы!

Хромосфера «в разрезе» далеко не однородна. Она состоит из великого множества тонких волокон, напоминающих горящие травинки. Самые большие из них, высотой в несколько тысяч километров и шириной основания до тысячи километров, называются спикулами. Время их существования невелико: до 3–5 минут. Спикул больше у полюсов Солнца, чем близ экватора. По сути спикулы – это выбросы вещества со скоростью в несколько десятков км/с.

Помимо спикул – мелких в сравнении с размером Солнца образований – на краю Солнца часто наблюдаются протуберанцы. Это громадные объемы вещества, выбрасываемые нашим светилом и вновь оседающие на его поверхность. Спокойные (облакообразные) протуберанцы могут существовать неделями и даже месяцами; активные же протуберанцы отличаются быстрыми движениями потоков вещества от протуберанца к фотосфере и от одного протуберанца к другому. Наконец, эруптивные (изверженные) протуберанцы (рис. 26 на цветной вклейке) напоминают огромные фонтаны, достигающие 1,7 млн км в высоту (обычно все же гораздо меньше). Движение вещества в них также происходит очень быстро, со скоростями до нескольких сотен км/с. Такие протуберанцы порой быстро меняют свою форму. Однако практически все эти грандиозные фонтаны заканчивают одинаково: «выдыхаются» и либо «втягиваются» обратно в Солнце, как дождевые черви, высунувшиеся из почвы и понявшие, что им не очень нравится жизнь на вольном воздухе, либо распадаются на отдельные облака, также падающие на Солнце по траекториям, напоминающим (и не случайно) силовые линии магнитного поля. Если бы не оно, то некоторая часть вещества очень быстрых (до 700 км/с) протуберанцев навсегда покидала бы Солнце, имеющее «вторую космическую» скорость у поверхности – 617,7 км/с.

В наше время солнечные протуберанцы (также и пятна) может сколько угодно наблюдать любой, кто купит в магазине астрономических товаров 40– или 70-миллиметровую трубку «Коронадо» на штативе. Это обычная увеличительная трубка с внутренним фильтром, пропускающим крайне узкую (порядка 1 А) полосу частот. Можно видеть, как насыщенно-красные активные протуберанцы развиваются в высоту, чтобы опасть и исчезнуть спустя час-другой, а то и раньше. Это зрелище не лишено известного очарования.

А из чего же состоит корона, являющаяся самым внешним и самым протяженным слоем солнечной атмосферы и простирающаяся до 30–40 радиусов Солнца, а в годы активности еще дальше? Естественно, тоже из солнечного вещества, только еще сильнее нагретого (до 2 млн К), то есть полностью или почти полностью ионизованного и еще более разреженного, причем плотность и яркость короны быстро падают по мере удаления от Солнца. Долгое время спектральные линии короны представляли собой загадку, предполагалось даже наличие там неизвестного элемента «корония», пока наконец эти линии не были отождествлены с линиями многократно ионизованного железа, аргона, никеля, кальция и некоторых других элементов.

Что является причиной столь высокой температуры короны – до сих пор загадка, хотя предложено несколько вполне солидных гипотез для объяснения данного феномена. Согласно одной из них, корону нагревают ударные акустические волны, порожденные подфотосферной турбуленцией и распространяющиеся от поверхности Солнца. Другая винит пересоединения («короткие замыкания») магнитных силовых линий, направленных в противоположные стороны. Из-за этих «коротких замыканий» в корональной плазме начинают течь сильные токи, вполне способные разогреть плазму до 1 млн К. Тем не менее окончательного ответа пока нет. Есть лишь факт – и открытая проблема.

Корону в «Коронадо» и уж тем более сквозь закопченное стекло не увидишь – слишком уж мала ее яркость, примерно в миллион раз меньше яркости фотосферы. Корона видна невооруженным глазом лишь при полном солнечном затмении, а иначе – только с помощью специального прибора, внезатменного коронографа. Но если не воочию, то с помощью Интернета любой может увидеть свежие фото короны, сделанные космической солнечной обсерваторией SOHO.

Оговорка насчет полных солнечных затмений сделана не зря – солнечные затмения бывают полными и кольцеобразными (частные затмения, когда Луна затмевает лишь часть солнечного диска, рассматривать здесь не будем). Вся прелесть эпохи, в которую мы живем, заключается в том, что угловые размеры Луны и Солнца на земном небе практически равны между собой. Из-за эллиптичности земной и лунной орбит иногда бывает, что угловой диаметр Луны несколько больше углового диаметра Солнца, и тогда происходят (разумеется, лишь при строго линейном расположении Солнца, Луны и Земли) полные солнечные затмения, а иногда угловой диаметр Солнца превосходит лунный, и тогда могут быть лишь кольцеобразные солнечные затмения, когда Луна окружена ярким солнечным ободом, из-за которого никакой короны увидеть не удается. Естественно, наиболее интересны полные солнечные затмения.

Поскольку излучение Солнца идет со всего видимого диска, а не только из его геометрического центра, зона полного солнечного затмения сужается за Луной и на Земле не превышает нескольких сотен или даже десятков километров. Узкая полоса полной фазы затмения быстро бежит по поверхности Земли, предоставляя возможность наблюдать полную фазу лишь в течение нескольких минут или даже менее. Теоретически возможный максимум – семь с половиной минут, но и пять минут наблюдения полной фазы – очень хорошие условия, да и всего минута – уже повод для того, чтобы предпринять путешествие и насладиться редким зрелищем. Разумеется, в гораздо более выгодном положении по сравнению с земными наблюдателями находятся наблюдатели на борту специально нанятого самолета, летящего так, чтобы все время оставаться в зоне полной фазы. Увы, такое удовольствие доступно очень уж немногим. Кроме того, к великому сожалению, в ближайшие годы полные солнечные затмения будут происходить преимущественно в южном полушарии. Природа как бы компенсирует ему то обидное для наших антиподов обстоятельство, что в северном полушарии сравнительно недавно наблюдалось несколько очень хороших затмений…[15]

Это действительно замечательное зрелище. Незадолго до наступления полной фазы, когда Солнце выглядит узеньким серпиком, природа как бы замирает в недоумении и испуге. Нередко проносится холодный ветер, вызывая смутную тревогу даже у подготовленных людей, а у животных – неадекватное поведение. В последние секунды перед наступлением полной фазы освещенность предметов убывает очень быстро – и вот последний краешек Солнца скрывается за лунным диском. Тут обычно раздается дружный вопль наблюдающих за затмением людей. Свидетельствую: не издать при этом никаких звуков довольно трудно. Картина потрясающая! Вокруг темного лунного диска сияет корона (рис. 27) – маленькая и аккуратная в годы минимума солнечной активности и большая, почти бесструктурная в годы максимума. В первые секунды после наступления полной фазы и за несколько секунд до ее окончания видно «бриллиантовое кольцо» – это свет Солнца пробивается к нам по распадкам лунных гор. Словом – красота.

Сфотографировать солнечную корону просто; получить изображение ее отдаленных от Солнца частей – гораздо труднее. Ведь уже на расстоянии, равном солнечному диаметру, яркость короны падает примерно в тысячу раз. Выход лишь один: снять серию кадров с различными выдержками и подвергнуть их компьютерной обработке. При этом может несколько пострадать правдоподобие изображения, зато выявится тонкая структура короны (рис. 28).

О солнечной атмосфере еще стоит сказать, что именно в ней генерируется большая часть радиоизлучения Солнца.

Рис. 27. Солнечная корона

Рис. 28. Тонкая структура солнечной короны

А вот где атмосфера кончается, сказать невозможно. Можно лишь провести какую-то условную границу, причем она будет все время варьировать в зависимости от солнечной активности. На практике корона на больших (свыше 15–20°) угловых расстояниях от Солнца фактически сливается с зодиакальным светом, что говорит о преимущественно пылевой природе внешней короны.

Если подумать, то так и должно быть. Пылинки, образующие зодиакальный свет (об этом ниже), по идее должны быть распределены более или менее равномерно, но вблизи Солнца они разрушаются горячей плазмой короны. На больших же расстояниях от Солнца плазма слишком разрежена, чтобы повредить пылинкам, и они остаются в целости и даже формируют внешнюю корону, хотя генетически не связаны с Солнцем.

Отдельного разговора достойны солнечные нейтрино. Эта частица, вынужденно и не очень уверенно введенная в 1930 году Вольфгангом Паули для выполнения законов сохранения энергии и импульса при бета-распаде, обладает поразительным свойством проникать сквозь громадные толщи вещества, никак не взаимодействуя с ним. Количество нейтрино, образующихся в ядерных реакциях в центре Солнца, чудовищно громадно. У нас на Земле через каждый квадратный сантиметр поверхности ежесекундно проходит 60 млрд только солнечных нейтрино, не беспокоя нас ни в малейшей степени. Что не реагирует, то и не разрушает, так что проносящийся сквозь нас поток нейтрино ни в малейшей степени не сокращает наши дни. Что до выдумок создателей фильма «2012» насчет того, что Солнце начало генерировать какие-то особые нейтрино, поглощаемые земным ядром и разогревающие его, то хотелось бы напомнить, что в фильмах еще и не то бывает. Автора этой книги радует хотя бы то, что голливудская в частности и киношная вообще публика хоть что-то слыхала о нейтрино. Это уже прогресс.

Обнаружение нейтрино – задача крайне трудная, но в принципе решаемая. Идея эксперимента по «вылавливанию» этой частицы была предложена еще в 1946 году советским физиком Б.М. Понтекорво. Смысл его идеи состоял в том, что в реакции, известной как обратный бета-распад, ядро устойчивого изотопа хлора-37, поглотив нейтрино, может превратиться в радиоактивный изотоп аргона-37 и электрон. Количество же получившегося аргона-37, пусть даже имеющегося в количестве всего нескольких десятков ядер, можно найти методами радиохимии, а зная вероятность реакции, уже совсем просто вычислить поток солнечных нейтрино.

Идея Б.М. Понтекорво была позднее реализована в США в виде 400-тысячелитрового резервуара с перхлорэтиленом, довольно дешевым веществом, использующимся как моющая жидкость и несравненно менее опасным, чем газообразный или сжиженный хлор. И сразу же начались проблемы.

Поток солнечных нейтрино оказался в 3-10 раз ниже, чем получалось из разных моделей Солнца. Правда, перхлорэтиленовый детектор «ловил» преимущественно те нейтрино, которые образуются в боковой ветви протон-протонной реакции, но это обстоятельство, разумеется, учтено в расчетах ожидаемого потока. Позднее были созданы гигантские нейтринные детекторы на основе колоссальных резервуаров воды, и результат был в общем-то тот же: наблюдался серьезный – в разы – дефицит солнечных нейтрино.

Предпринимались попытки как-то подкорректировать солнечные модели, чтобы изменить энергетический спектр покидающих Солнце нейтрино, а следовательно, и вероятность их взаимодействия с рабочим веществом детектора, но они не имели особого успеха. Очень интересную гипотезу выдвинул в 1972 году Фаулер. Суть ее – в автоколебательном процессе в недрах Солнца. Согласно этой гипотезе, развитой впоследствии Эзером и Камероном, вещество в глубинных слоях Солнца из-за развития вращательной неустойчивости периодически – примерно раз в сто миллионов лет – бурно перемешивается. Из-за этого в центральные, горячие области Солнца поступает с периферии гелий-3 и тут же реагирует с большим энерговыделением. Нагреваясь, центральные области расширяются, что, естественно, приводит к понижению температуры и замедлению ядерных реакций. В начале перемешивания должна наблюдаться нейтринная вспышка, а затем падение количества фиксируемых нейтрино примерно на порядок. Если сейчас как раз такой момент, то находит и объяснение дефицит солнечных нейтрино. Расчеты Эзера и Камерона показали, что длительность периода дефицита нейтрино должна составлять около 10 млн лет.

Между прочим, расширение центральных областей Солнца должно приводить и к уменьшению его фотонной светимости! Ее теоретическая зависимость от времени несколько иная, чем у нейтрино (хотя бы потому, что фотонам требуется значительное время, чтобы выбраться наружу), но общий характер тот же: быстрый спад, затем медленный рост до нормального уровня. И это, по мысли авторов гипотезы, непринужденно объясняет причину ледниковых периодов в геологической истории Земли.

Гипотез, пытающихся объяснить те или иные аспекты прошлого Земли (скажем, массовые вымирания) с чисто астрономических позиций, вообще придумано множество, и практически все они не выдерживают испытания на прочность. Подвергнуть такому испытанию гипотезу Эзера и Камерона тем более легко, что ледниковые периоды вплоть до протерозоя известны, что называется, наперечет.

Хочу подчеркнуть: климаты далекого прошлого – это не гадание на кофейной гуще, а строгая наука. Палеотемпературы впервые измерил американец Юри еще в 1950 году, пользуясь методом, основанным на соотношении изотопов кислорода ¹⁸O и ¹⁶O. Наличие либо отсутствие в соответствующих слоях следов той или иной биоты тоже помогает делу. Например, если найдены отпечатки кораллов, это значит, что море, в котором они жили, было теплым. Наконец, давно известны прямые свидетельства оледенений в виде скал с характерными бороздами и царапинами, оставленными вмороженными в ползущий ледник валунами. Есть и другие признаки, по которым можно довольно точно судить о климате, их много, и не стоит на них останавливаться в астрономической книжке.

Сейчас как раз ледниковый период. Он начался в плейстоцене примерно 1,5 млн лет назад и вроде пока не собирается заканчиваться. Тем очевидным фактом, что на месте Ботнического залива в нашу эпоху нет трехкилометровой толщи льда, а языки ледника не доходят до Киева и Самары, мы обязаны современному межледниковью, начавшемуся около 13 тыс. лет назад. Во время плейстоценового оледенения уже было несколько таких межледниковий, так что нынешний климатический режим на Земле можно с оговорками назвать «штатным». Ну а раньше?

Весь мезозой и начало кайнозоя на Земле держалась термоэра – в отличие от нынешней криоэры. В термоэрах климат на Земле был выровненным, и в атмосфере существовала единственная конвективная ячейка, переносящая тепло из экваториальной зоны к полюсам. На экваторе расстилались сухие пустыни, а в более высоких широтах господствовал субтропический и теплоумеренный климат (лишь вблизи полюсов – умеренный, однако и там умудрялись выживать некоторые виды динозавров). Иными словами, не существовало ни тропического, ни арктического климата. Оледенений в мезозое не было вообще. Предшествующее же нашему оледенение, когда климат был похож на современный, то есть чересчур жаркий в тропиках и чересчур холодный в высоких широтах, случилось в каменноугольном периоде около 300 млн лет назад (Гондванское, оно же карбоновое, оледенение).

Это уже не 100 млн лет, как следовало бы из гипотезы Фаулера – Эзера – Камерона. Но пусть. В конце концов, главное, чтобы была периодичность, верно?

Пойдем дальше в глубь геологических веков. Еще одно оледенение, оставившее следы в слоях, соответствующих ордовикскому периоду (495–445 млн лет назад), не было очень масштабным, и мы его учитывать не будем. А что раньше?

А раньше – вблизи границы венда и кембрия – имело место сразу несколько оледенений, мощнейшее из которых – Лапландское – было совершенно грандиозным. Датировка – примерно 600 млн лет. Выходит, периодичность все-таки существует, пусть и имеет втрое больший период, чем было вычислено?

Как бы ни хотелось простых объяснений – увы, не получается. Датировка весьма крупных оледенений перед Лапландским: 710, 820 и 850 млн лет. Ну и где же тут периодичность? Примечательно, что многие сторонники солярной гипотезы как причины оледенений отбрасывают ее, чуть только глубже вникнут в тему. Остаются лишь немногочисленные фанатики, раз за разом тщетно пытающиеся сложить этот пазл из датировок…

Проблема дефицита нейтрино была в конце концов разрешена способом, который не так давно казался весьма экзотическим. Объяснение предложил Б.М. Понтекорво еще в 1969 году, но лишь относительно недавно его удалось проверить в эксперименте. Суть в том, что нейтрино бывают трех видов: электронные, мюонные и тау-лептонные (таонные). Идея Понтекорво состояла в том, что электронные нейтрино (которые «ловятся» детекторами) могут спонтанно превращаться в мюонные и таонные, а также обратно. Это явление называется нейтринными осцилляциями. Таким образом, лишь треть времени солнечные нейтрино проводят в виде, пригодном для их обнаружения. А значит, реально их втрое больше, и для объяснения такого потока уже годятся давно существующие модели Солнца.

Правда, до сих пор есть сомневающиеся – но они всегда есть, это нормально. Тем интереснее, если из их сомнений выйдет какой-то толк.

В 1997 году появилось сообщение об открытии пульсаций потока солнечных нейтрино с периодом в 28,4 дня. Возможно, эти пульсации являются следствием реальных колебаний эффективности термоядерных реакций, но есть и другое объяснение: период колебаний потока нейтрино равен периоду вращения энерговыделяющего ядра Солнца, причем искажения в поток нейтрино вносятся в областях ядра с повышенной напряженностью магнитного поля. Традиционно считается, что нейтрино никак не взаимодействуют с магнитным полем, однако давно уже высказывались подозрения, что это не совсем так. В любом случае

Солнце делает нам большое одолжение, не только посылая непрерывный поток нейтрино, но еще и создавая условия для «натурного эксперимента», создать которые на Земле в лучшем случае очень дорого, а в худшем – пока невозможно.

Ну хорошо, а что же все-таки вызывает оледенения, если не Солнце? Я имею в виду не локальные оледенения в рамках одного ледникового периода, а сами ледниковые периоды? Есть хорошо обоснованная теория, выводящая неизбежность ледниковых периодов из дрейфа континентов. Расчеты показывают, что классическая термоэра с выровненным по всей Земле климатом наступает тогда, когда материки находятся не на полюсах, но и не на экваторе и когда они развернуты меридионально. В этом случае в океане возникает мощная экваториальная циркуляция воды, а от нее вдоль материков отходят течения к северу и югу; в полярных же бассейнах вода не застаивается в течениях типа нынешнего циркумантарктического. В мезозое ситуация с материками была если не оптимальна, то близка к таковой. В середине кайнозоя она ухудшилась (олигоценовый климатический хаос), а в плейстоцене пришла к тому, что мы сейчас имеем. Радует уже то, что история цивилизации пришлась все-таки на межледниковье…

Существуют теории, пытающиеся объяснить межледниковья и сменяющие их оледенения астрономическими факторами, – например, упомянутая выше теория Миланковича, предполагающая, что Земля время от времени переходит на несколько более длинную орбиту. Есть, однако, основания полагать, что смена оледенений и межледниковий в рамках одного ледникового периода есть автоколебательный процесс, для объяснения которого нет нужды привлекать космические факторы.

За что Солнце, по всей видимости, может отвечать, так это за небольшие колебания температуры в рамках межледниковья. Многим известен так называемый малый ледниковый период, продолжавшийся примерно с 1400 по 1900 годы. Ему предшествовал период атлантического оптимума (900-1300 годы), когда в Англии вызревал виноград, а Гренландия не зря была названа «зеленой страной». Астрономы не располагают данными об активности Солнца во время атлантического оптимума, зато располагают этими данными по крайней мере за вторую половину малого ледникового периода и позднее.

Период с 1645 по 1716 год получил название маундеровского минимума (в честь английского исследователя солнечной активности Э. Маундера). За весь этот период на Солнце наблюдалось крайне мало пятен, и были годы, когда их не наблюдалось вовсе.

Как следствие, полярные сияния в то время являлись редкостью. Героям фильма «Россия молодая», наблюдавшим «сполохи» в Архангельске как раз в период маундеровского минимума, сильно повезло. Прожив там несколько лет, они могли бы так ни разу и не увидеть ничего похожего на полярное сияние.

Отчетливо видно, что маундеровский минимум находится вблизи середины «малого ледникового периода». Случайно ли это?

По всей видимости, нет, если вспомнить зависимость солнечной постоянной от числа пятен. Вполне вероятно, что уменьшение потока солнечного излучения всего на о,2–0,3 % может вызвать понижение средней температуры на Земле на 1,5°, как это произошло на самом деле. Казалось бы, совсем небольшая величина, однако это не так. Для Северной и Центральной Европы понижение среднегодовой температуры всего на градус эквивалентно уменьшению продолжительности «сельскохозяйственного года» на целый месяц. Вспомним, что четыре из неполных шести лет правления Бориса Годунова были не просто неурожайными из-за губительных летних заморозков, но неурожайными катастрофически. Недостача каких-то пятнышек на Солнце привела к ужасающим народным бедствиям и в конце концов сгубила очень толкового правителя.

С конца XIX века положение начало меняться. Количество пятен увеличилось, максимумы активности стали выше, а длительность циклов уменьшилась. Ведь 11-летний цикл является 11-летним лишь в среднем. В периоды спокойствия и малого числа пятен он может достигать 12 лет, а в периоды большого числа пятен он становится короче (скажем, 10-летним). Как результат, мы получили потепление, отступление границы льдов Северного Ледовитого океана и уменьшение их толщины, увеличение «сельскохозяйственного года», расширение ареала теплолюбивых видов животных и растений к северу. Антропогенный фактор в те времена был еще крайне мал и наверняка не мог быть причиной потепления. А сейчас?

С 70-х годов XX века началось то, что было названо глобальным потеплением, хотя это всего лишь продолжение потепления, начавшегося за сто лет до того. Примечательно, что как раз в то время мировое производство переживало спад из-за энергетического кризиса, – и тем не менее этот «второй виток» общепланетного потепления климата был мгновенно объявлен результатом хозяйственной деятельности человека, в первую очередь из-за выбросов СO₂, который наряду с водяным паром и метаном является парниковым газом. Но если это так, то почему в последнее десятилетие средняя температура на Земле не увеличивается, а медленно уменьшается?

Вокруг вопроса о глобальном потеплении накручено столько вздора, столько людей выходят на манифестации по принципу «слышал звон, да не знает, где он», столько ученых «бодаются» друг с другом на научных конференциях, что нормальному человеку разобраться во всем этом крайне сложно. Надо еще отметить, что «кто платит, тот и заказывает музыку», а науки в классическом смысле, не зависящей от частных материальных вливаний, сейчас практически не существует, а если и существует, то голос ее слаб. Грант на исследования в области климата может быть дан как нефтяным консорциумом, так и «зеленой» организацией, и наивно считать, что результаты исследований не окажутся в зависимости от того, кто их оплатил. Причем можно не сомневаться, что в обоих случаях будут построены очередные сложнейшие компьютерные модели, чрезвычайно убедительные для тех, кто забыл: даже самый «умный» компьютер – все равно дурак и годен лишь как инструмент.

«Позвольте, но разве нельзя построить беспристрастную компьютерную модель, учитывающую все факторы, влияющие на климат?» – вправе спросить читатель. Вот именно: пока нельзя. Количество факторов, влияющих на климат, чудовищно громадно, и не все связи между ними изучены, и неясно, какие «весовые коэффициенты» им придать. Есть подозрение – пока, увы, всего лишь подозрение, – что хозяйственная деятельность человека играет все-таки второстепенную роль в потеплении, а главное – активность Солнца. Что до углекислого газа, то вулканы ежегодно выбрасывают его в разы больше, чем промышленность всех стран мира, вместе взятых. Возможно, в XX веке произошло всего-навсего наложение нескольких длительных (вековых и сверхвековых) циклов, и со временем все вернется на круги своя. Между прочим, в двух последних циклах число Вольфа было далеко не рекордным, а циклы стали несколько длиннее…

Совсем не смешно, когда из-за аномальной летней жары в городах повышается смертность среди пожилых людей и сердечников. Зато очень смешно видеть с телеэкрана, как посиневшие от холода демонстранты, осыпаемые снежной крупой с неба, требуют уменьшения техногенных выбросов углекислоты, поскольку из-за потепления им жизнь не в жизнь. И все же вопрос об основной причине потепления для миллионов людей остается вопросом веры, а не точного знания. Лишать человека веры – занятие неблагодарное. До тех пор пока наука по-прежнему будет не в состоянии дать точный ответ, можно предложить образ действий сколь убого-примитивный, столь же и житейски мудрый: подождать и посмотреть, что будет с климатом.

Можно назвать такую позицию страусиной, а можно здраво рассудить, что при недостатке информации лучше сохранять спокойствие, чем бестолково метаться.

7. Земная группа

Шустрый Меркурий, не отдаляющийся далеко от Солнца, яркая «утренняя звезда» Венера, наша родная Земля и красноватый Марс – этими четырьмя космическими телами и ограничивается класс твердых планет нашей системы после того, как Плутон был лишен статуса планеты. Придется пока обойтись рассмотрением того, что есть, поскольку крупные спутники планет и астероиды – тема отдельного разговора.

Итак, их четыре – планеты внутренней части Солнечной системы, образовавшиеся примерно там же, где они сейчас находятся, похожие друг на друга и все же такие разные. Что их объединяет?

Во-первых, преимущественно минеральный (а не газовый) состав. Во-вторых, размеры и масса. Мы знаем, что Земля – просто кроха в сравнении с Юпитером, но среди планет земной группы она самая массивная. В-третьих, сходство внутреннего строения. У всех четырех планет есть железное ядро, мантия и кора. А дальше начинаются различия.

Начнем с Меркурия. Ближайшую к Солнцу планету (среднее расстояние всего 57,93 млн км) наблюдать с Земли трудно. У планет, находящихся ближе Земли к Солнцу, чередуются вечерние и утренние периоды видимости. Но в любом из них Меркурий никогда не отходит на небе далеко от Солнца – в самом лучшем случае всего на 27,8°. Следствие из этого факта печально: планету можно наблюдать только на фоне вечерней либо утренней зари низко над горизонтом. Для этого необходимы открытый горизонт, отсутствие облаков и дымки и, конечно, подходящее время наблюдения, когда Меркурий наиболее удален на небе от Солнца (такое его положение носит название западной и восточной элонгаций). И даже при соблюдении всех этих условий планету все равно трудно заметить на небе невооруженным глазом. Удобно наблюдать Меркурий без всякой оптики во время полного солнечного затмения – неудобно только сидеть и ждать, когда же оно произойдет. Утверждают, будто сам Коперник ни разу в жизни не видел Меркурия.

Однако Меркурий был известен людям с глубокой древности, причем и египтянам, и грекам, и германцам, и т. д. Наверняка он был известен и доисторическим охотникам, чья зоркость и наблюдательность служили факторами, необходимыми для выживания. И все же Меркурий долгое время оставался наименее изученной планетой Солнечной системы, да и теперь еще, пожалуй, остается ею, хотя «разрыв» несколько сократился. Что тут поделать – очень уж неудобно наблюдать эту планету с Земли! Вблизи горизонта земная атмосфера часто ведет себя просто хамским образом. Автор этих строк, «поймав» однажды Меркурий в искатель телескопа, вздумал применить хотя бы средние увеличения – и был обескуражен, когда планета попросту «размазалась» в спектр!

Можно было вычислить орбиту Меркурия и открыть ее прецессию, найти диаметр планеты и оценить ее массу, но уже определение скорости вращения вокруг оси оказалось весьма крепким орешком. В наше время она легко получается из данных радиолокации, но что было делать астрономам сто и более лет назад, когда о радиолокации никто и не помышлял? Только пытаться составить хотя бы крайне грубую карту планеты, пусть даже отметить на его серпике одну-единственную область, отличающуюся от фона и способную послужить ориентиром, – и следить за ее перемещением… В конце XIX века этим занимался Скиапарелли (тот самый, что «открыл» марсианские каналы), а в начале XX века – Антониади. Пристально вглядываясь в едва заметные пятна на поверхности Меркурия, они пытались составить его карту и уточнить период вращения. Успех был более чем скромным.

Еще в середине XX века многие ученые поддерживали вывод Скиапарелли о том, что Меркурий все время обращен к Солнцу одной своей стороной – совсем как Луна по отношению к Земле. Соответственно, на освещенной стороне должна была вечно царить ужасающая жара, а на противоположной – жуткий холод. Но правы оказались те фантасты, которые душещипательно описывали, как некие астронавты, дабы не изжариться, чуть ли не ползком удирают от медленно наступающего меркурианского рассвета. Позднейшие радиолокационные наблюдения, выполненные на гигантском неподвижном радиотелескопе в Аресибо (1965), показали, что Скиапарелли был не прав: Меркурий все-таки вращается вокруг оси, хотя и медленно, делая один оборот за 58,65 земных суток. При этом период обращения планеты вокруг Солнца равен 87,97 земных суток, то есть эти числа соотносятся друг с другом в точности как 2:3. На Меркурии же солнечные сутки (период между двумя восходами Солнца) длятся 176 земных суток.

Как следствие – все-таки жара на освещенной части (до 500 °C в перигелии) и холод на неосвещенной (-210 °C), но планета медленно поворачивается, так что совсем неподжаренных участков на Меркурии нет, если не считать дна глубоких кратеров в полярных областях, где – чисто теоретически, и то вряд ли – может существовать водяной лед. Очень интригует крайне малый угол наклона экватора планеты к орбите: всего 0,01°. Из-за этого на Меркурии в принципе отсутствуют такие понятия, как полярный день и полярная ночь.

Однако вытянутость меркурианской орбиты вкупе с его малым периодом обращения и низкой скоростью вращения играет с видимым путем Солнца на небе забавные шутки, просмотренные фантастами. Правда, происходит это лишь в области долгот, близких к 90 и 270°. Там можно наблюдать не один, а два восхода (и два захода) Солнца за одни сутки! С полным основанием и не без некоторого остроумия это явление названо «эффектом Иисуса Навина» по имени библейского персонажа, обладавшего аномальной способностью влиять на движение Солнца. На нулевом же и на 180-градусном меридианах Солнце восходит и заходит лишь раз в сутки, зато вблизи зенита какое-то время пятится.

Космические наблюдения, свободные от ужасно мешающего влияния земной атмосферы, позволили начать составлять карту меркурианской поверхности, а 29 марта 1974 года американский аппарат «Маринер-10» передал на Землю ряд снимков Меркурия с расстояния 720 км. Впоследствии аппарат еще дважды сближался с Меркурием и 16 марта 1975 года прошел на наименьшем удалении от него: 327 км. Всего было отснято 45 % поверхности (рис. 29). Лишь в 2008 году вблизи Меркурия оказался другой – тоже американский – аппарат MESSENGER и отснял множество кадров, в том числе и тех областей, которые раньше оставались неизвестными (рис. 30).

Рис. 29. Поверхность Меркурия. Снимок, сделанный «Маринером-10»

В целом – в целом! – поверхность Меркурия похожа на лунную. Те же кратеры (с радиальными лучами и цепочками вторичных кратеров вокруг крупнейших из них), те же разломы и сбросы, те же горы (до 4 км высотой) и узкие долины. Есть аналог лунных «морей» – почти столь же обширные равнины, названные бассейнами. Крупнейший бассейн носит название Калорис, или равнина Жары. Это ударная структура, она образовалась 3,9 млрд. лет назад в результате падения весьма крупного тела. Есть «эскарпы» (рис. 31) – выступы высотой 2–3 км, разделяющие два района поверхности и образовавшиеся, по-видимому, в результате сдвигов и наползания друг на друга участков коры при ее сжатии в период формирования. На Меркурии больше скал, чем на Луне, а внешний вид меркурианских кратеров несколько отличен от лунных, что объясняется разным составом пород и силой тяжести. Почему-то в южном полушарии Меркурия гораздо больше ударных кратеров, чем в северном.

Рис. 30. Поверхность Меркурия. Снимок с борта АМС MESSENGER

Словом, отличия «физиономии» Меркурия от лунной есть, хотя их и не назовешь радикальными. Но внутреннее строение Меркурия совсем не похоже на лунное! Прежде всего, Меркурий ближе к Солнцу и поэтому состоит из более тяжелых элементов (легкие были выметены еще в период формирования Солнечной системы). Пусть читателя не смущает меньшая, чем у Земли, средняя плотность Меркурия: 5,43 г/см³ против 5,515 г/см³. Да, Меркурий в среднем менее плотен, и все-таки он состоит в среднем из более тяжелых элементов, чем Земля. При диаметре Меркурия, равном 4879 км, его масса составляет всего 0,055 земной. Если бы Меркурий был равен Земле по массе, то сжатие вещества вследствие тяготения сделало бы свое дело, и Меркурий стал бы самым плотным телом Солнечной системы.

Рис. 31. Меркурий. Эскарп пересекает кратер

И неудивительно! Считается, что железное ядро Меркурия имеет радиус 1800 км, а это как-никак 3/4 радиуса планеты! Толщина коры может составлять 50-100 км, а остальное (700 км) приходится на мантию. Эта картина резко отличается от Земли, где большую часть радиуса занимает мантия. Поскольку Меркурий имеет магнитное поле, хотя и значительно (раз в 150) более слабое, чем Земля, нет особых сомнений, что внутри жидкого железного ядра Меркурия находится твердое железное ядро. Как и на Земле, магнитное поле вырабатывается «динамо-машиной» при несовпадении скоростей вращения жидкого и твердого ядра. Имеется, однако, и особенность: магнитное поле Меркурия оказалось сложным. Кроме заурядного дипольного, в магнитосфере планеты присутствуют еще поля с четырьмя и восемью полюсами. Дипольная составляющая все же преобладает. Со стороны Солнца магнитосфера Меркурия сильно сжата солнечным ветром, что и понятно: с любой намагниченной планетой на столь малом расстоянии от Солнца происходило бы то же самое. Любопытно, что наклон оси диполя к оси вращения Меркурия почти такой же, как на Земле: 12°.

Но магнитосфера Меркурия все же слаба, чтобы не пропустить к поверхности ливень частиц солнечного ветра! Зонд MESSENGER, пролетевший около Меркурия 14 января 2008 года, не обнаружил никаких признаков радиационных поясов, в которых могли бы накапливаться заряженные частицы, хотя по идее должен был пройти сквозь них. В результате частицы солнечного ветра достаточно интенсивно бомбардируют поверхность планеты и создают крайне разреженную атмосферу (давление у поверхности 2 х 10 ¹¹ атм.), состоящую из гелия и водорода солнечного происхождения, а также кислорода, неона, натрия и калия. Часть этих атомов выделяется поверхностью планеты просто вследствие ее высокой температуры, а часть – при помощи бомбардировки солнечными частицами.

Разумеется, небо на Меркурии черное. Из-за близости к Солнцу, малой скорости убегания (4,3 км/с у поверхности) и слабости магнитного поля Меркурий не в состоянии обзавестись более плотной атмосферой. Он и свою-то ничтожную атмосферу потерял бы в смешные по космогоническим меркам сроки, если бы она постоянно не возобновлялась. Подсчитано, что атом гелия, захваченный Меркурием, находится в его атмосфере в среднем всего-навсего 200 дней. Конечно, гелий – легкий элемент, и даже Земля его не удерживает, но все же 200 суток – это мало, очень мало. Само собой разумеется, что при такой атмосфере и таких перепадах температуры, как на Меркурии, никто всерьез не рассматривал и не рассматривает возможность существования там жизни, хотя бы и простейшей.

Гипотеза о том, что Меркурий – «сбежавший» спутник Венеры, была выдвинута еще в XIX веке. В 1976 году американские ученые выполнили математический расчет, показавший, что эта гипотеза в принципе способна объяснить потерю вращательного момента у Меркурия и Венеры, большой эксцентриситет обриты Меркурия и его резонансный характер движения вокруг Солнца. «Убегание» могло произойти около 500 млн лет назад и сопровождаться огромным выделением энергии, разогревавшим и Венеру, и Меркурий. Правда, в рамках этой гипотезы трудно объяснить крайне малый наклон меркурианского экватора к плоскости его орбиты. Если это совпадение, то крайне настораживающее. Во всяком случае, эта гипотеза до сих пор проходит по разряду «экзотики». И опять-таки приходится признать: мы пока еще очень мало знаем о Меркурии. Будем надеяться, что когда-нибудь узнаем больше. О «неактуальности» этой планеты пусть говорят те, кто не понимает, что лишних знаний не бывает.

Венера при наблюдении с Земли – прямая противоположность трудноуловимому Меркурию. Ярчайшее (не считая Солнца и Луны) светило нашего неба порой отходит от Солнца почти на 48°, и в эти периоды Солнце совершенно не мешает его наблюдениям. «Утренней звездой» Венеру назвал какой-то поэтически настроенный человек, забыв (или не зная) о том, что периоды утренней и вечерней видимости Венеры чередуются. В максимальном сближении видимый с Земли угловой диаметр Венеры достигает 65 угловых секунд, то есть примерно равен разрешающей способности человеческого глаза. Видимо, не зря люди с особо острым зрением утверждают, что не раз видели Венеру в виде серпика – хотя более вероятно, что они видели лишь кажущийся серпик, обусловленный искажениями изображения в атмосфере и внутри глаза. Но все может быть! Между прочим, в наибольшем приближении к Земле Венера не видна, так как находится в соединении с Солнцем. Наибольшей яркости (-4,4'") Венера достигает вблизи квадратуры, то есть когда она находится в вершине прямого угла прямоугольного треугольника, образованного Землей, Венерой и Солнцем. При этом угловой диаметр Венеры составляет всего 40 секунд дуги.

И тем не менее все может быть! Изредка встречаются люди с фантастически острым зрением. Таким обладал, например, Аристотель, описывавший столь детальные подробности строения насекомых, которые видны только в микроскоп. Считается, что на это способен один человек из миллиона. Правда, до нас не дошли сведения о том, насколько пристально великий грек приглядывался к Венере. Но утверждают, что мать Кеплера, которой сын показал Венеру в телескоп, первым делом спросила, почему «рога» у нее повернуты не в ту сторону. Телескоп Кеплера, в отличие от трубы Галилея, давал перевернутое изображение…

Словом, попытайтесь. Вдруг получится? Впрочем, и без того яркий «фонарь» Венеры очень красив на вечернем либо утреннем небе. Иной раз он даже пугает несведущих в астрономии людей, заподозривших в столь ярком светиле приближающийся к Земле астероид или какой иной предвестник катаклизма. Свет Венеры подчас даже мешает астрономам исследовать слабые туманные объекты.

Долгое время эта планета интриговала людей гораздо сильнее Меркурия и примерно так же сильно, как Марс. Шутка ли – почти двойник Земли! Почти равные диаметры (12 103 км у Венеры против 12 756 км у Земли), близкие средние плотности (5,24 и 5)515 г/см³ соответственно), наличие у Венеры открытой Ломоносовым «знатной» атмосферы… В XVIII веке у Венеры «открыли» даже спутник, оказавшийся, правда, оптической иллюзией. Но разве в спутнике дело?

Куда летят советские космонавты в фантастике 50-х годов прошлого века? Естественно, на Венеру. Куда же еще? Она ближе к нам, чем Марс, она более похожа на Землю, она окружена атмосферой… Почему бы на ней не могла развиться жизнь?

Какая? Естественно, примитивная, соответствующая, скажем, земному мезозою. Эти весьма популярные воззрения были отголоском тех времен, когда считалось, что светимость Солнца постепенно уменьшается со временем. А значит, десятки или сотни миллионов лет назад для развития жизни лучше всего подходил Марс, теперь Земля, а в будущем – Венера. Пока же на ней жарковато и влажновато – словом, мезозой, если не палеозой.

Штампы массового сознания не имеют ничего общего с наукой. И климат Земли в ее геологическом прошлом не был таким уж однозначным, и на Венере оказалось не просто «жарковато», а даже очень жарко. Но какое до этого дело массовому читателю или зрителю? Он желал чудес, пусть выдуманных, но «в принципе возможных», и он их получал.

Особенно интриговала плотная облачность, начисто закрывающая поверхность Венеры. Марс – трудный объект для земного наблюдателя с телескопом, но все же позволяющий худо-бедно изучать крупные объекты его рельефа. Венера – нет. В прошлом астрономы много раз пытались разглядеть хоть что-нибудь на ее поверхности «в разрывах облаков», но не обнаружили никаких разрывов, а обнаружили лишь перемещающиеся темные пятна в сплошном облачном покрове. Был известен (в основном из смещения фраунгоферовых линий в спектре) лишь период вращения планеты – около 4 суток, что, правда, относилось лишь к высоким слоям атмосферы. Более надежные результаты дала в начале 60-х годов радиолокация, в частности, было установлено, что период вращения Венеры во всяком случае превосходит 10 земных суток, а скорее всего, он гораздо больше. Несколько позднее – и опять методами радиолокации – обнаружили, что Венера вращается весьма странно: во-первых, угол наклона ее экватора к плоскости орбиты составляет 177,36°, то есть направление вращения планеты – обратное, противоположное орбитальному движению, а во-вторых, период вращения чудовищно велик: 243 земных суток. Все это чуточку охладило пыл сторонников мнения об обитаемости «утренней звезды»…

Но охладило именно «чуточку». Да, параметры вращения Венеры вроде бы не способствуют благоденствию земных форм жизни. Но кто сказал, что химизм венерианской биоты – тот же, что и наш? И почему бы даже земные жизненные формы не смогли бы приспособиться к венерианским условиям? Ведь плотная атмосфера, вполне вероятно, обеспечивает парниковый эффект, а значит, температурный градиент на планете, возможно, не так уж велик. Так что… почему бы и нет?

«Почему нет» – на это ответили опять-таки радиоастрономы, сумевшие измерить температуру поверхности Венеры. Она оказалась чрезвычайно высокой: порядка 600 К или даже выше. Парниковый эффект Венеры оказался не из тех, что спасает, а из тех, что убивает быстро и надежно. Но полностью погасили веру энтузиастов венерианской жизни лишь полеты серии советских автоматических станций «Венера». Уже первый спускаемый аппарат, отделившийся от «Венеры-7», опускался на парашюте чрезвычайно медленно, что дало наглядное представление о плотности венерианской атмосферы. Давление в 92 атмосфер при температуре 730 К (457 °C) у поверхности – это не те условия, в которых может зародиться жизнь, и не те, в которых может долго работать спускаемый аппарат. Несколько часов, в лучшем случае несколько суток – таково время «жизни», отпущенное зондам на поверхности Венеры. В расплавленном свинце им было бы комфортнее.

Впоследствии советские и американские аппараты отправлялись к Венере еще не раз. Старшее поколение прекрасно помнит замечательные панорамные снимки, сделанные спускаемым аппаратом «Венеры-14» (рис. 32). Аппаратами «Венера-15» и «Венера-16» было проведено орбитальное радиолокационное картографирование поверхности Венеры. В настоящее время рельеф планеты и физические условия на ней можно считать неплохо изученными.

Рис. 32. Поверхность Венеры. Снимок сделан спускаемым аппаратом АМС «Венера-13»

Что удивляет, так это меньшая по сравнению с Землей средняя плотность Венеры и отсутствие у нее сколько-нибудь серьезного магнитного поля. Наблюдается весьма слабое многополюсное поле – и только. Конечно, можно попытаться представить себе, что распределение элементов в протопланетном диске от тяжелых вблизи Протосолнца до легких на периферии могло иметь местную флюктуацию, но все равно Венера должна иметь не только жидкое железное внешнее ядро, но и твердое железное ядро внутреннее. Пусть эти ядра меньше земных, но быть-то они должны! А если так, то магнитное поле (дипольное, конечно же) просто обязано появиться. Быть может, дело в том, что магнитное поле Венеры, как и Земли, время от времени испытывает переполюсовку и сейчас как раз такой момент? Для справки: инверсии магнитного поля Земли происходят через неравные промежутки времени, в среднем составляющие полмиллиона лет (предыдущая инверсия имела место 700 тыс. лет назад, а когда произойдет следующая, никто не знает). Во время инверсий магнитное поле планеты практически исчезает на срок порядка 5 тыс. лет. Ничего хорошего в этот период нас не ждет. Но если такой период как раз сейчас имеет место на Венере…

Стало быть, еще одно явление, которое можно рассматривать как вторую флюктуацию? Не много ли флюктуаций?

К сожалению, нам не с чем сравнить – разве что с другими планетами земной группы. У нас нет «под руками» второй Солнечной системы с планетой, более-менее эквивалентной Венере.

Зато рельеф поверхности этой планеты известен хорошо. Значительная его часть снята радиолокационными методами с борта советских АМС. В нем преобладают равнинные (слегка всхолмленные) участки, а горы занимают значительно меньшую площадь. Зато какие это горы! Горы Максвелла, находящиеся на Земле Иштар (так называют венерианские горные районы, считая их эквивалентами наших континентов), забираются в небо на 11 км! Обнаружено немало кратеров от 10 до 80 км диаметром – что странно, учитывая невероятную плотность венерианской атмосферы. Возможно, не все они имеют метеоритное происхождение.

При всем том Венера, покрытая типично вулканическими породами, в наше время тектонически пассивна. По-видимому, последние мощные сдвиги коры и вулканические извержения произошли на ней сотни миллионов лет назад. К сожалению, нет возможности оставить на ее поверхности «долгоиграющий» космический зонд с сейсмографом и наверняка убедиться в этом. Существует гипотеза, что Венера представляет собой нечто вроде «вулканической пароварки»: она долго накапливает в своих глубинах давление, временами вырывающееся наружу в форме катаклизмов, перекраивающих весь рельеф планеты. Последняя катастрофа такого рода произошла, по-видимому, 700–900 млн лет назад.

Но самая большая загадка Венеры – это, конечно, ее атмосфера. Ведь это же надо – при меньшем ускорении свободного падения на поверхности и меньшей скорости убегания, чем у Земли, масса венерианской атмосферы сопоставима с массой всех земных океанов! Все наши стандартные представления о природе протестуют против того, что планета земного типа может удержать столь массивную и притом горячую атмосферу с ее энергичными молекулами. Вдобавок Венера ближе к Солнцу и не имеет магнитосферы, а значит, верхние слои ее атмосферы должны «сдуваться» прочь «солнечным ветром».

И это действительно так: утечка молекул из верхних слоев венерианской атмосферы действительно наблюдается, но она менее сильна, чем могла бы быть. Дело в том, что межпланетное магнитное поле, переносимое «солнечным ветром», образует вокруг Венеры некое подобие «конверта» и не дает потоку летящих от Солнца частиц проникать глубоко в атмосферу. Картина взаимодействия атмосферы Венеры с «солнечным ветром» была изучена с помощью аппарата Venus Express, она достаточно сложна и притом меняется в зависимости от активности Солнца.

Второй аргумент: состав газа. Атмосфера Венеры на целых 96,5 % состоит из углекислого газа, более тяжелого, чем преобладающие в земной атмосфере азот и кислород, а следовательно, менее склонного улетучиваться в пространство. Есть, наконец, и не очень уверенные соображения насчет того, что венерианская атмосфера не всегда была такой, а является следствием предыдущего грандиозного катаклизма и с тех пор медленно (очень медленно!) приходит в норму.

Пока же ситуация по меньшей мере удручающая: условия на поверхности Венеры категорически исключают возможности существования какой бы то ни было жизни, включая и астронавтов-исследователей. И если давно уже идут разговоры о посылке обитаемого космического корабля на Марс, то о Венере в этом смысле и речи нет. Смелые гипотезы ученых прошлого времени и вдохновенные выдумки фантастов пришлось, увы, сдать в архив.

Вторым по распространенности газом на Венере является азот (более 3 %). Имеется и водяной пар, но его крайне мало для такой планеты. Если выровнять рельеф Венеры и сконденсировать весь атмосферный водяной пар, то планета покроется всего-навсего 3-сантиметровым слоем воды. Для сравнения: Земля – 3-километровым. Разница в сто тысяч раз!

Похоже на то, что вода всегда была на Венере в жестком дефиците, – и это аргумент против появившейся сравнительно недавно популярной, но крайне странной гипотезы о том, что воду на Землю доставили кометы. Орбиты комет таковы, что, если бы за «обводнение» планет действительно отвечали кометы, то Венере досталось бы немногим меньше воды, чем Земле.

Правда, в шлейфе потерянного Венерой газа помимо нанесенного солнечным ветром гелия обнаружены водород и кислород, причем как раз в таком соотношении, которое непринужденно объясняется фотодиссоциацией молекул воды, так что у сторонников гипотезы комет-водовозов есть зацепка: возможно, вода когда-то присутствовала на Венере в значительном количестве, но затем, поднимаясь в высокие слои атмосферы (поскольку молекула воды легче молекулы углекислого газа), диссоциировала и улетучивались, пока воды на планете практически не осталось. Вряд ли, однако, это так. Более вероятен изначальный дефицит воды в той части протопланетного диска, из которого образовалась Венера. По всей видимости, молекулы воды были по большей части вытолкнуты излучением Протосолнца на расстояние, превышающее радиус орбиты Венеры.

Интересно было бы взять пробу венерианских вулканических газов: какой процент в них приходится на долю водяного пара? К сожалению, пока это желание – из области пустых мечтаний.

Атмосфера Венеры содержит еще одну «изюминку», правда, вряд ли очень сладкую: облака из мелких капелек концентрированной серной кислоты, висящие над планетой толстым слоем на высотах от 40 до 60 км. Феномен, конечно, уникальный, такого больше нет нигде в Солнечной системе, но он как-то не радует ни разработчиков спускаемых аппаратов, ни астрономов, лишенных из-за этих облаков решительно всякой возможности наблюдать поверхность Венеры в оптическом диапазоне. Но как феномен сернокислотные облака, конечно, тоже интересны. Верхняя их часть вовлечена в мощный вихрь, охватывающий всю планету. Скорость ветра в нем достигает 100 м/с. Молнии в венерианских облаках сверкают вдвое чаще, чем в земных, что дало повод говорить об «электрическом драконе Венеры». Ниже слоя облаков атмосфера практически безоблачна, а выше, до 100 км, находится мезосфера. Облаков в ней тоже нет, но имеется легкая дымка из аэрозолей той же серной кислоты и ее гидратов. Мезосфера Венеры изучена пока плохо.

Еще выше находятся слои атмосферы, чью динамику определяет приток солнечной радиации. Нагреваясь и разбухая на дневной стороне планеты, эти газовые слои вновь остывают на ночной стороне и опускаются к верхней кромке облаков. Однако на ночной стороне Венеры в высоких слоях атмосферы обнаружены участки температурной инверсии, нагретые до 70 °C. Аппарат Venus Express исследовал подобные образования и на дневной стороне. Их характерный поперечник составляет 20–30 км, и вряд ли они могут быть чем-то иным, кроме как верхушками конвективных ячеек. Что ж, и неудивительно! Столь плотная и горячая атмосфера, лишенная вследствие парникового эффекта возможности сбрасывать тепловую энергию излучением, просто обязана «кипеть» подобно тому, как «кипят» наружные слои Солнца, – разница лишь в масштабах явления.

А что же на дне окутывающего Венеру воздушного океана? Там практически нет ветра. Там горячий мертвый покой под оранжевым небом. По закону Рэлея рассеяние света в воздушной среде пропорционально четвертой степени частоты волны – поэтому в земной атмосфере синие лучи рассеиваются гораздо сильнее красных, что и определяет голубой фон неба. Но при той плотности атмосферы, что имеется на Венере, эффективно рассеиваться будет и более длинноволновая часть спектра – зеленая, желтая и красная. В сумме это и приведет к оранжевому небу.

Романтично? Спорный вопрос. Ясно только, что человек еще очень долго не увидит своими глазами оранжевого венерианского небосвода.

Но перейдем к последней планете земной группы (не считая собственно Земли) – Марсу. Это как раз та планета, о которой известно больше, чем о какой-либо другой (не считая опять-таки Земли), причем чем больше о ней известно, тем больше вопросов она задает. К слову, это характерно для любой развивающейся области знаний.

Еще древним было известно, что Марс не «привязан» на небе к Солнцу и может находиться даже в прямо противоположной Солнцу точке небосвода. В таком положении, называемом противостоянием, Марс особенно ярок и может поспорить даже с Юпитером. И неудивительно: в противостоянии Марс ближе всего к Земле и притом его диск освещен полностью. Поскольку, в отличие от Венеры с ее практически круговой орбитой, орбита Марса имеет заметный эксцентриситет (0,093), расстояние между Землей и Марсом в противостояниях бывает разное. Наибольшее сближение планет – великое противостояние, когда расстояние между планетами сокращается до 0,37 а.е., – наблюдается раз в 15 или 17 лет. Предыдущее великое противостояние было в 2003 году. В периоды великих противостояний угловой размер Марса достигает 25,7” – в два с лишним раза меньше, чем диск Венеры, но все-таки не так уж мало.

Само собой разумеется, Марс никогда не проходит по диску Солнца, как это иногда случается с Меркурием и Венерой. Внешняя (по отношению к Земле) планета – этим уже многое сказано.

За отчетливо красноватый цвет Марс издавна отождествлялся с богом войны. Нет ничего удивительного в том, что два маленьких спутника Марса, открытые лишь в 1877 году, получили название по имени сыновей и спутников бога войны – Фобос (Страх) и Деймос (Ужас). Словом, жизнерадостная подобралась компания.

Нечего и говорить о том, что все кому не лень, от серьезных ученых до писателей, населяли Марс, как правило, высокоразумными существами, далеко не всегда добрыми по отношению к землянам, а подчас и весьма агрессивными, с вожделением поглядывающими сквозь миллионы километров «космической пустоты» на нашу более комфортную планету. Эти представления вытекали опять-таки из убеждения: Солнце понемногу остывает. А раз так, то высокоорганизованные марсиане должны, чтобы не погибнуть, переселиться на Землю, причем люди со всей их техникой вряд ли сумеют помешать данному предприятию и будут походя сметены – или, может быть, понадобятся марсианам в гастрономических целях, как в «Войне миров» Уэллса.

Отдельная – и какая! – интрига была связана с так называемыми каналами на Марсе. «Открыл» их в 1877 году Джованни Скиапарелли при визуальных наблюдениях планеты как паутину тонких линий, покрывающую всю поверхность планеты. Возникло естественное предположение, что это именно ирригационные каналы (дороги или трубопроводы вряд ли могли быть достаточно широки, чтобы их получилось разглядеть с Земли в телескоп), построенные разумными существами и необходимые им для ведения развитого хозяйства в засушливых условиях Марса. «Потому что без воды и ни туды, и ни сюды», так сказать. Сенсация была велика. Правда, далеко не все наблюдатели, набросившиеся на Марс после вызванной Скиапарелли сенсации, подтвердили существование «каналов», но это как раз было в порядке вещей. То, что увидит наблюдатель в телескоп, зависит не только от размера и качества инструмента, не только от капризов погоды, но и от остроты зрения и квалификации самого наблюдателя. Ныне всякому любителю астрономии, кроме самых начинающих, известно, что опытный наблюдатель увидит на небе больше, чем неопытный, а в пределах одного небесного объекта разглядит такие подробности, которые останутся незамеченными для его менее искушенных коллег. Скиапарелли заслуженно считался одним из лучших наблюдателей, и ему верили. Более того, многим другим астрономам тоже стало казаться, что они видят марсианские каналы. То, что они не получались на фотографиях, не особо смущало – на рубеже XIX–XX веков астрофотография делала лишь первые шаги: и качество фотоэмульсий оставляло желать много лучшего, и механика, позволяющая точно «вести» телескоп по небу, не была сверхточной. А ведь достаточно совсем небольшого смещения объекта в поле снимка за время экспозиции, чтобы малоконтрастные тонкие детали размылись и перестали быть различимыми. Даже в наше время еще сохранились отдельные ситуации, когда визуальные наблюдения небесных объектов предпочтительнее фотографирования, – но сейчас этот факт хотя бы удивляет, а сто лет назад он не удивлял никого. Острый глаз наблюдателя ценился куда более, чем сейчас.

Вся беда в том, что человеческий глаз «заточен» природой под наблюдения земных объектов, а никак не небесных. Как астрономический прибор он несовершенен даже в комплекте с хорошим телескопом. Хуже того: сам человек с его психикой ни в коем случае не является точным прибором, в частности, ему свойственно иммунизировать (подгонять) данные под ожидаемый результат, причем в ряде случаев это происходит невольно, а вовсе не из низменных побуждений. Наверное, со всяким наблюдателем (автор этой книги – не исключение) хоть раз да случался такой казус. Персиваль Ловелл, известный астроном-самоучка и щедрый меценат, построивший Ловелловскую обсерваторию (именно на ней Клайд Томбо позднее открыл Плутон), был настолько вдохновлен наблюдениями Скиапарелли, что посвятил Марсу немалую часть своей жизни и также утверждал, что видел каналы.

Тем наблюдателям, кто упорно не видел их, было как-то неловко признаться в этом. Каналы считались реальными объектами марсианского рельефа минимум до середины XX века и попали во множество научно-популярных и беллетристических книг. К примеру, герои одного из ранних романов известнейшего американского фантаста Роберта Хайнлайна передвигаются по замерзшим марсианским каналам на коньках и, само собой разумеется, встречаются с могущественными аборигенами. Но и помимо каналов многое говорило в пользу существования на Марсе если не высокоразвитой цивилизации, то хотя бы жизни. Сезонные изменения окраски обширных районов Марса трактовались либо как результат сельскохозяйственной деятельности марсиан, либо – в худшем случае – как внешние признаки жизнедеятельности дикорастущих марсианских растений. А ведь из самых общих соображений следует, что жизнь на планете не может возникнуть и развиваться либо только в растительной, либо только в животной форме. Должна существовать экосистема, где одни организмы питаются другими, в частности, растительность должна поедаться животными. Стало быть, на Марсе должны быть и животные!

В 1900 году миллионер Гузман учредил премию в 100 тыс. франков за установление связи с любой внеземной цивилизацией, кроме марсианской. По мнению Гузмана, это было бы слишком просто. Как легко догадаться, сия премия не получена и поныне. Любопытна в этой истории лишь наивная вера людей: марсиане существуют! Кто же прорыл каналы, если не они?

Позднее, когда успехи космических исследований доказали, что пресловутые каналы – лишь оптический обман (вероятно, Скиапарелли, Ловелл и другие видели не реальную паутину каналов, а сеточку кровеносных сосудов на собственном глазном дне, что может случиться, когда глаз наблюдателя очень утомлен), энтузиазма у тех, кто ожидал найти «братьев по разуму» столь близко, сильно поубавилось. Впрочем, хоть в какую-нибудь жизнь на Марсе, пусть не разумную, но во всяком случае макроскопическую, по-прежнему хотелось верить. Было жаль, конечно, что нет на Марсе ни Тускуба, ни Аэлиты, ни других туземных принцесс, но хоть какая-то жизнь должна же быть! Человечество очень неохотно расстается с былыми иллюзиями. Стараниями советского ученого Г.А. Тихова появилась даже новая и, увы, недолговечная наука – астроботаника. Буйная растительность в научно-популярном фильме «Марс» Клушанцева и «летающие пиявки» в ранних произведениях братьев Стругацких – это не только «оживляж», но и в какой-то степени символ веры в то, что Марс не так уныл, как предрекают пессимисты.

Современные исследователи скажут: Марс вовсе не уныл, он чрезвычайно интересен – но интересен не так, как представляли себе наивные мечтатели…

Прежде всего: что он такое? Четвертая планета от Солнца, находящаяся от него на среднем расстоянии более полутора астрономических единиц (1,524 а.е., или 227,9 млн км) и получающая, соответственно, в два с лишним раза меньше солнечной энергии на единицу поверхности, чем Земля, причем планета маленькая, чуть сплюснутая, подобно Земле, с экваториальным диаметром 6794, а полярным – 6752 км. Есть и немалое сходство с Землей: наклон марсианского экватора к орбите составляет 25,19° (против 23,44 у Земли), а марсианские сутки лишь на 37 минут длиннее земных. Средняя плотность Марса меньше земной: всего 3,34 г/см³, что укладывается в концепцию постепенного уменьшения плотности космических тел по мере увеличения их расстояния от Солнца и что должно внушить надежду на слабую сейсмическую активность. Днем на экваторе Солнце прогревает почву до 20 и более градусов по Цельсию. Казалось бы, на Марсе все-таки могут существовать условия, способные сделать его второй в нашей системе планетой с собственной биосферой.

Однако есть существеннейшее «но»: атмосфера. Никто не ожидает, что на поверхности лишенного атмосферы тела (скажем, астероида) может возникнуть жизнь. Марс в этом отношении далеко ушел от астероидов, но вовсе не приблизился к Земле: его атмосфера у поверхности в 170 раз менее плотна, чем на Земле. Даже если бы она состояла из чистого кислорода, человек в ней погиб бы в считанные минуты, поскольку такая плотность характерна для земной атмосферы на высоте примерно 40 км. Но и кислорода в воздушной оболочке Марса крайне мало – можно считать, что его там практически нет. Содержание углекислого газа достигает 95 %, на долю азота приходится 2,7 %, на долю аргона – 1,6 %, имеются также следы окиси углерода (угарного газа), водяных паров, кислорода и озона. Следы! Нет сомнений в том, что весь марсианский кислород (как и озон) является продуктом фотодиссоциации молекул воды. Совершенно очевидно, что аэробная (кислорододышащая) жизнь на поверхности Марса невозможна.

Разобраться в причинах столь плачевной ситуации поможет внутреннее строение Марса. При малой средней плотности и небольших размерах Марс, очевидно, не имеет внутреннего твердого железного ядра, окруженного жидким ядром, и его внутренняя «динамо-машина» не работает за отсутствием важнейшей детали. Магнитное поле Марса настолько слабо, что его можно смело считать отсутствующим. Следствия из этого неприятны: отсутствующая магнитосфера не препятствует солнечному ветру уносить прочь молекулы атмосферы. Считается, что 2 млрд лет назад и более Марс вполне мог иметь (и почти наверняка имел) значительно более плотную атмосферу, но с течением времени растерял ее. Обладай Марс магнитным полем, вполне вероятно, что его нынешняя слабенькая атмосфера была бы гораздо серьезнее, несмотря на сравнительно малую массу планеты. Ведь Марс дальше нас от Солнца, следовательно, кинетические скорости молекул его атмосферы были бы ниже, чем в атмосфере Земли.

Нет достаточно плотной атмосферы – нет и относительного постоянства температуры у поверхности. В ночное время температура на Марсе вполне антарктическая. Само по себе это не исключает возможности существования жизни, но проблем у такой биоты (если она существует) будет предостаточно.

Однако, как бы ни была разрежена атмосфера Марса, и в ней наблюдаются «погодные изменения». Временами подолгу дуют сильные ветры, вызывающие пылевые бури, имеется тонкий слой перистых облаков, порой заметный с Земли в телескоп, и, наконец, в высоких широтах наблюдается сезонное выпадение инея, а возможно, и снега. Полярные шапки Марса хорошо заметны даже в скромный любительский телескоп (в период противостояний, естественно). Особенно велика и потому заметна южная полярная шапка. Надо заметить, что марсианские полярные шапки отличаются от сезонного снегового покрова на Земле как толщиной, так и составом. Толщина полярных шапок на Марсе – сантиметры, больше не «выдоить» инея из сухой атмосферы. Зимой поверх инея нормального «водяного» состава ложится слой замерзшей углекислоты. Он же первым улетучивается марсианской весной. Летом полярная шапка быстро тает, съеживаясь к полюсу, и в конце концов сходит на нет. Скорость отодвигания границы снегового покрова примерно равна скорости бегущего человека.

Не надо удивляться этому. У нас на Земле эта скорость была бы еще выше, если бы не три обстоятельства: большая и притом неравномерная толщина снегового покрова, перенос тепла циклонами и антициклонами и меньшая продолжительность года. Весной на Земле возможны повторные снегопады на обширных площадях – на Марсе этого нет. Лишь пылевые бури способны внести разнообразие в размеренный процесс наращивания и стаивания полярных шапок, определяемый по сути лишь наклоном экватора Марса к его орбите…

Обратимся теперь к рельефу Марса. Значительную часть его поверхности занимают пустыни, песчаные либо каменистые. Красноватый цвет марсианских песков банально объясняется присутствием окислов железа – всем известной ржавчины. Песчаные пустыни покрыты дюнами, напоминающими земные. Имеется множество кратеров метеоритного происхождения. Благодаря слабости эрозионных процессов на Марсе расположены высочайшие горы в Солнечной системе. Особенно выделяются вулканы Олимп и Арсия, возвышающиеся над поверхностью на 25 км. Это щитовые вулканы, подобные вулканам Гавайских островов, где происходят мощные излияния жидкой базальтовой лавы при совсем небольшом количестве пепла и вулканических бомб. Естественно, такая лава стремится растечься и, застывая, образует очень пологий конус с углом наклона не более нескольких градусов. Разница между марсианскими и земными щитовыми вулканами – в масштабах. Крупнейший на Земле щитовой вулкан Мауна-Лоа имеет высоту около 9 км (если считать от его подножия на дне океана) и поперечник основания 20 км – что очень немного для щитового вулкана, но надо учесть быстрое затвердение лавы в воде. Можно сказать, что по сравнению с марсианским Олимпом с его 25-километровой высотой и 500-километровым основанием Мауна-Лоа не вулкан, а просто прыщик.

Марсианские вулканы не активны. По-видимому, процессы гравитационной дифференциации в недрах Марса в основном закончились, сделав Марс тектонически пассивной планетой – во всяком случае, по сравнению с Землей. Малая плотность и сухость марсианской атмосферы не способствуют чрезмерно активной эрозии, а малая сила тяжести (0,38 земной) делает эффект «расползания» горных вершин под собственной тяжестью гораздо более медленным, чем на Земле. Как следствие, высочайшие вершины Марса простоят еще очень долго без каких-либо существенных изменений.

Иное дело эрозия на равнинах. Пылевые бури просто не могут не шлифовать любое препятствие на пути песка – скалы, холмы, камни и т. д. В связи с этим порой возникают курьезные недоразумения.

Не так уж давно СМИ ошарашили весь мир сообщением о сфотографированном с борта американского аппарата «Викинг-1» геологическом образовании, моментально окрещенном «марсианским сфинксом» (рис. 33). То ли те, кто его так обозвал, изрядно подзабыли древнегреческую мифологию, в которой сфинкс – существо с телом льва, то ли решили, что «волосы», обрамляющие человеческое лицо, вполне «тянут» на львиную гриву, – это неважно. Пусть будет «сфинкс», дело ведь не в названиях. Тут же воскресли старые мечты о высокоразвитой марсианской цивилизации, ныне исчезнувшей, но оставившей иным цивилизациям послание, видное только из космоса (аналогия: громадные рисунки индейцев в пустыне Наска). Случайно возникшее сходство природного объекта с человеческим лицом казалось неправдоподобным. Особенно интриговала «слеза», выкатившаяся из правого глаза «сфинкса». Из самых общих соображений каждому было ясно, что сфинксы без причины не плачут. Может быть, «слеза» символизировала печальную участь марсианской цивилизации или – того хуже – намекала на аналогичные перспективы земной цивилизации?

Рис. 33. Марсианский «сфинкс»

Интрига сохранялась до тех пор, пока американской аппарат «Марс Глобал Сервейер» не сфотографировал тот же участок поверхности с разрешением 4 метра – вдесятеро выше, чем «Викинг» (рис. 34). И «сфинкса» не стало. Выяснилось, что это всего лишь сильно разрушенный ветровой эрозией холм, очертаниями напоминающий рыцарский щит и нимало не похожий на человеческое лицо. Так рушатся легенды. Не романтично, но что ж поделать. Может быть, человеку разумному приличествует разрушать старые легенды и не создавать новых, поскольку и без них интересно?

Рис. 34. Тот же «сфинкс», сфотографированный с разрешением 4 м

Но если древней цивилизации на Марсе никогда не было, то вероятность обнаружения на нем жизни хотя бы в далеком геологическом прошлом все-таки нельзя считать нулевой. Ведь когда-то Марс, по-видимому, имел магнитное поле, а его атмосфера благодаря действующим вулканам была более плотной. Поскольку состав марсианских вулканических газов если и отличался от газов земных вулканов, то лишь большим количеством водяного пара, можно предположить, что на Марсе были водоемы значительных размеров и, конечно, реки. Целый ряд деталей на поверхности Марса вообще трудно трактовать иначе, чем высохшие русла рек (рис. 35).

Рис. 35. «Русло марсианской реки»

Совершенно непонятно, как могли образоваться эти узкие извилистые долины без активного участия текучей воды. И если некоторые другие детали ландшафта, как, например, сделанные водой промоины на краях оврагов (рис. 36), в принципе могут быть объяснены как действием водных потоков, так и «сухой» эрозией, то с долинами и каньонами это не проходит. Причем текучая жидкость в условиях Марса должна была быть именно водой, а не чем-то иным (скажем, жидким аммиаком).

Рис. 36. Некоторые детали марсианских ландшафтов могут быть объяснены действием текущей воды

Вода на Марсе существует и сегодня – правда, большей частью в атмосфере и полярных шапках. Ее мало. Как и на Венере, водяной пар гораздо активнее диссипирует в космос, чем гораздо более тяжелый углекислый газ. В геологическом прошлом Марса в его атмосферу в большом количестве поступали не только углекислый газ, но и водяные пары, и сернистый ангидрид. Последний годится на роль «парникового газа». Поскольку атмосфера древнего Марса, по-видимому, почти не содержала кислорода, как и ныне, сернистый ангидрид не окислялся до серного ангидрида и не удалялся из атмосферы водой, как это происходит на Земле. Возможно, именно сернистый ангидрид SO₂, а не углекислый газ играл на Марсе основную «парниковую» роль – эта гипотеза способна объяснить, почему на Марсе много соединений серы и мало карбонатов. Но как бы то ни было, древняя атмосфера почти наверняка позволяла воде на Марсе не только существовать, но и образовывать солидные водоемы. Обнаруженные вблизи экватора Марса осадочные породы, формирующиеся только на дне водоемов, достаточно убедительно подтверждают это.

В последнее время усилия исследователей Марса направлены на обнаружение на нем значительных скоплений подпочвенного льда – этакой «вечной мерзлоты». В явном виде скопления подпочвенного льда пока не найдены, но некоторые детали рельефа трактуются как русла небольших временных водотоков, которые, возможно, и в нашу эпоху протекают по марсианскому грунту в летний период. Хотя эти образования могут быть просто осыпями своеобразной формы. Полной ясности в этом вопросе нет, и ее пока не внесли ни марсоходы, ни прочие аппараты, работающие на Марсе.

Наиболее жгучий вопрос: есть ли на Марсе жизнь хотя бы в виде анаэробных бактерий? Ответа все еще нет, хотя скептики ухмыляются: конечно же, на Марсе есть жизнь – та жизнь, которую мы занесли туда сами в своих космических аппаратах! Действительно, стерилизация космических аппаратов перед запуском не является абсолютной и не может быть таковой, так что какое-то количество земных микроорганизмов всегда улетает в космос при каждом успешном запуске. (Лишь «Викинги» стерилизовались особо тщательно.) Насколько эти микроорганизмы способны выдержать долгое (месяцы или даже годы) пребывание в космосе, не совсем ясно. Пожалуй, часть этих бактерий может и уцелеть на пути к Марсу. Некоторые земные бактерии обладают поразительной жизнестойкостью. Но могут ли они размножиться на Марсе и освоить эту планету? Вопрос пока открытый…

Но речь главным образом идет о марсианских микроорганизмах. Имеются ли они сейчас в жизнеспособном состоянии? Имелись ли в прошлом? Попытка добиться размножения марсианских бактерий в контейнерах с питательными растворами, доставленных на планету аппаратами «Викинг-1» и «Викинг-2», не дала однозначных результатов. Было объявлено, что бактерий на Марсе нет, однако позднее пришлось признать, что эксперимент поставлен не совсем корректно. Вдобавок где гарантия, что марсианским бактериям придутся по вкусу те же самые питательные растворы, в которых благоденствуют земные бактерии, причем далеко не все из них?

Есть другой способ – и столь же неоднозначный – решить эту проблему: исследовать образцы метеоритов, отколотых некогда от Марса ударами астероидов. Таких «марсиан» найдено около трех десятков – преимущественно в Антарктиде, где метеорит может спокойно пролежать во льду миллионы лет, не подвергшись эрозионным воздействиям и не загрязнившись (ну почти) земными бактериями. В общем количестве найденных метеоритов «марсиане» составляют ничтожнейшее меньшинство, что и неудивительно. Ведь осколок, выбитый из Марса ударом астероида или крупного метеорита, должен не просто обладать скоростью, превышающей скорость убегания (5 км/с для Марса), но и быть довольно точно «нацеленным», чтобы Земля захватила его своим притяжением. В течение миллионов лет эти осколки обращаются вокруг Земли, чтобы под действием давления света и солнечного ветра в конце концов выпасть на Землю.

Следует добавить в скобках, что можно выбить осколки из поверхности Марса так, чтобы они навсегда покинули планету, но никакой астероидный удар не сможет проделать то же самое с Землей. Казалось бы, школьная физика должна говорить об обратном – однако школьные опыты по механике не имеют дела с большими скоростями. Вся соль в том, что с какой бы скоростью астероид ни врезался в земную поверхность, выбитые им осколки будут разлетаться со скоростями, не превышающими скорость распространения продольной ударной волны в горных породах.

В наиболее плотных породах на поверхности Земли – базальтах – эта скорость составляет чуть менее и км/с, то есть меньше скорости убегания у поверхности Земли (11,2 км/с). Учтем тормозящее действие атмосферы и поймем, что даже выход на околоземную орбиту для осколков Земли очень проблематичен.

В образцах «марсианских» метеоритов были найдены весьма мелкие гранулы округлой формы, в целом напоминающие окаменевшие колонии земных бактерий. Разница в том, что марсианские гранулы куда меньше размером – впрочем, это различие не кажется принципиальным. Куда существеннее другой вопрос: имеют ли марсианские микрогранулы хоть какое-то отношение к жизни или они образовались небиологическим путем? А если речь все-таки идет об окаменевших бактериях, то где гарантия того, что это бактерии с Марса? Антарктида, конечно, довольно чистый (в смысле биологических загрязнений) континент, но все же не стерильный, а что до некоторого морфологического различия между окаменелостями в метеоритах и существующими ныне земными бактериями, то далеко не все земные бактерии уже открыты и описаны, ученые то и дело открывают новые их виды.

Словом, воз и ныне там. Научные конференции, где различные группы ученых обмениваются результатами своих исследований и соображениями, пока не привели научный мир к консенсусу в этом вопросе. Некоторые ученые, в том числе весьма уважаемые, убеждены в том, что марсианские микрогранулы – заведомо остатки простейших, причем не только прокариотных (то есть безъядерных, вроде наших бактерий и синезеленых водорослей), но и эукариотных (имеющих ядро). Другие придерживаются прямо противоположных убеждений, предлагая высокотемпературные механизмы образования микрогранул, напрочь исключающие их биологическое происхождение, третьи занимают осторожную выжидательную позицию – и она кажется мне наиболее разумной для того, кто не биолог и не может внести серьезную лепту в разрешение этого вопроса. Верить, конечно, никому не возбраняется (а равно и не верить), но куда лучше знать. Очень может быть, что нам не придется долго ждать разгадки.

8. Гиганты

Если бы мы были небелковыми существами, живущими в атмосфере Юпитера или Сатурна, то наверняка назвали бы область на расстоянии от 5 до 10 а.е. от Солнца «золотой серединой». Для жизни нам был бы нужен газ, очень много газа, а во внутренних областях Солнечной системы его мало – он был вытеснен оттуда излучением Протосолнца. С другой стороны, этот газ не мог быть вытеснен на самые дальние границы Солнечной системы – для этого просто не хватило мощности излучения центрального светила. Получилось следующее: далеко за орбитой Марса в протопланетном диске газ резко преобладал над пылью, причем наибольшая плотность газа была достигнута как раз на расстоянии 5-10 а.е. от Солнца.

Как следствие, самые большие планеты образовались именно там. Как следствие номер два, это – газовые планеты.

Конечно, в них присутствует и твердое вещество, но главный компонент – все же газ. Их вещество – по сути первичное, поскольку влияние Солнца на таких расстояниях сказывается уже слабо, а о ядерных реакциях в недрах газовых планет можно забыть сразу – для них требуются куда более значительные температуры, чем те, что могут «предложить» планеты.

Можно считать, что в первом приближении процесс формирования больших планет подобен процессу формирования звезд, особенно тех небольших звезд, которые являются спутниками более массивных соседок. Точно так же происходит конденсация вещества вокруг случайной флюктуации плотности, вот только таких центров конденсации в протопланетном диске первоначально может быть несколько, причем на пересекающихся орбитах, из-за чего конденсации сливаются, наращивая массу. Строго говоря, нет четкой границы между маломассивными звездами и большими планетами. Казалось бы, звезда отличается от планеты тем, что в ее недрах идут ядерные реакции. Но несколько десятилетий назад были открыты тусклые звезды, названные коричневыми карликами. Уже из того факта, что несколько коричневых карликов обнаружены в сравнительной близости от Солнца, следует, что это весьма распространенный класс звезд. Их массы меньше предела Кумара (0,075 массы Солнца), ниже которого невозможны ядерные реакции на водороде. И действительно, при температуре, скажем, 2 млн К протон-протонная реакция просто не пойдет, не говоря уже об углеродно-азотном цикле и тем более тройной гелиевой реакции. Возможны лишь реакции на легких ядрах (дейтерий, литий), но этих ядер мало, и они могут обеспечить собственную светимость объекта лишь на каком-то этапе, после чего закончатся. Что же обеспечивает светимость коричневого карлика?

Сжатие. То самое медленное сжатие, которое предлагал Гельмгольц в качестве объяснения причины светимости Солнца. И если насчет Солнца он ошибся, то коричневые карлики полностью «ложатся» в его теорию. Для маломассивных и крайне слабых коричневых карликов процесс сжатия, конечно, крайне медлителен и совершенно незаметен, но он есть. И тут возникает терминологическая путаница: считать ли коричневые карлики звездами? С одной стороны, звездами мы называем тела, светящие в оптическом диапазоне собственным, а не отраженным светом. С другой стороны, ядерные-то реакции в таких звездах не идут. Как быть?

Астрономам пришлось принимать «волевое решение». Звездами были «назначены» те красные карлики, чьи массы превышают 0,013 масс Солнца, а менее массивные объекты были причислены к планетам. Граница эта, конечно, чисто условна, как условна та граница количества предметов, с которой начинается куча. Как договорились, так и будет – до тех пор, пока проведенная граница не перестанет удовлетворять слишком многих. Но пока удовлетворяет.

Юпитер имеет массу в тысячу раз меньше массы Солнца, а значит, он очень сильно – в 13 раз – легче той границы масс, за которой объект считается звездой (хотя и «неполноценной»). Однако это все же в 317,8 раз больше массы Земли. Юпитер, конечно, планета. Кто-нибудь может сказать: стоило, мол, огород городить, чтобы доказать то, что и так всем известно? Не будем, однако, поспешны. Да, Юпитер не излучает собственный свет в видимом диапазоне, светя лишь отраженным светом. Но в дальней инфракрасной области ситуация иная: там Юпитер излучает в два с половиной раза больше энергии, чем получает от Солнца. И причина этого излучения – то самое гельмгольцевское сжатие планеты. По расчетам, оно составляет около 1 мм в год, и, конечно, измерить его существующими методами в принципе невозможно. Уверенность в том, что за инфракрасное излучение Юпитера отвечает именно сжатие, дает метод исключения: никакими иными механизмами это явление не объяснить.

Юпитер – самая яркая планета на небе после Венеры. Его видимый поперечник достигает (в противостоянии) 50 секунд дуги. Кроме того, он, как всякая внешняя по отношению к Земле планета, может отходить от Солнца на любое угловое расстояние и довольно медленно перемещается по небу. Это и неудивительно, учитывая период обращения планеты вокруг Солнца: 11,87 года. (Поскольку зодиакальных созвездий как раз 12, можно считать, что каждый год Юпитер переходит в следующее созвездие, что очень удобно для астрологов.) Диск планеты заметно сплюснут с полюсов (1:15), что объясняется высокой скоростью вращения планеты. Как и на Солнце, вращение зональное. Внешние слои атмосферы делают один оборот за 9 ч 50,5 мин., высокоширотные – за 9 ч 55,7 мин. Естественно, газовый шар, вращающийся с такой скоростью, будет сплюснутым.

На 82 % Юпитер состоит из водорода, на 17 % из гелия, а на долю всех оставшихся элементов приходится жалкий 1%. Ничего общего с составом Земли, зато очень похоже на Солнце! Присутствуют метан, этан, аммиак, кристаллики водяного льда, бисульфида аммония и т. д. Наружные слои атмосферы состоят преимущественно из водорода в молекулярном состоянии. Присутствуют и примеси. Первое, что бросается в глаза при взгляде в телескоп на Юпитер: он полосатый. Само собой, полосы параллельны экватору. Особенно ярко выражены две широкие полосы в «тропических» широтах гигантской планеты. И эти, и другие полосы маркируют собой зоны с различными скоростями вращения. На границах зон возникают завихрения, легко различимые даже в сравнительно небольшой телескоп в виде округлых пятен или фестонов (рис. 37 на цветной вклейке). И неудивительно: скорости движения газа в двух соседних зонах могут отличаться на 300 км/с. Ну как тут не возникнуть завихрениям?

Один вихрь получил всемирную известность: это Большое Красное Пятно (рис. 38 на цветной вклейке) размером 48 на 12 тыс. км (для масштаба: экваториальный радиус планеты 71 492 км). Сколько времени оно существует, сказать трудно. Астрономам оно известно с XVII века. Правда, в последние десятилетия яркость Красного Пятна ослабла, и очень похоже на то, что оно понемногу сойдет на нет. Что ж, рано или поздно возникнет новое! Хотя, конечно, Большое Красное Пятно – образование во всех отношениях выдающееся. Меньшие же по размеру вихри возникают на Юпитере достаточно регулярно. Некоторые из них живут всего-то несколько недель или месяцев, другие остаются на годы. Вихри возникают, сливаются друг с другом, исчезают – словом, ведут себя примерно так же, как циклоны и ураганы на Земле. Например, в марте 2007 года были зафиксированы два атмосферных шторма размером по 4000 км. Нет особых сомнений в том, что причина этих и других гигантских вихрей кроется в собственном энерговыделении планеты и неизбежной конвекции. Согласно результатам моделирования, оба шторма образованы струями нагретого водорода, вырывающимися из-под облачного слоя с глубины в несколько десятков километров, куда не проникают лучи Солнца. Нагреть этот водород мог только сам Юпитер. Частички водяного и аммиачного льда, подхваченные вихрями с порядочной глубины, придали им белый цвет и сформировали нечто вроде «наковальни» грозовых облаков, формирующихся над Землей. Такие образования на Юпитере называются плюмами. Основная разница здесь в масштабах явления: полная высота юпитерианского шторма от подножия до верхушки плюма достигает 120 км – вдесятеро больше, чем на Земле.

Сравнение с земными грозами не случайно: в атмосфере Юпитера молнии не просто замечены, а представляют собой самое обычное явление. Причем длина юпитерианских молний может достигать 1000 км! (На Земле не зафиксированы молнии длиннее 50 км.)

В 1995 году от АМС «Галилео» отделился зонд Galileo Probe и проник под облачный покров планеты. Зонд перестал работать на глубине 140 км, где давление юпитерианской атмосферы составляет примерно 1 бар, что соответствует атмосферному давлению на Земле на уровне моря. Конечно, хотелось бы большего, и к тому же спуск зонда проходил в безоблачном регионе Юпитера, поэтому многие детали облачного покрова планеты не были изучены непосредственно. Вспоминаются перипетии космолета «Тахмасиб» из повести «Путь на Амальтею» братьев Стругацких, провалившегося в Юпитер на большую глубину и сумевшего выбраться. Естественно, никто не пошлет пилотируемый космический корабль внутрь газовой планеты уже потому, что он не батискаф, однако крайне жаль, что миссия Galileo Probe не была повторена другим, более защищенным аппаратом. Возможно, эти исследования не считаются очень уж актуальными (поскольку строение наружных слоев Юпитера более-менее понятно, а в более глубокие слои, где царят высокие давления и температуры, не заберется никакой работоспособный аппарат), и все же остаются сожаление и чувство неудовлетворенности. Хотя вряд ли когда-нибудь будет создан зонд, способный проникнуть в такие глубокие слои Юпитера, где давление газа превышает давление в центра Земли, а температура выше, чем на поверхности Солнца.

Приходится довольствоваться моделированием. Считается, что до глубины примерно 1000 км вещество Юпитера – газ. Глубже происходит то, чего мы никогда не видим на Земле: с увеличением глубины и повышением давления газ постепенно становится жидкостью. Мы привыкли к тому, что газ – это газ, а жидкость – это жидкость, но мы не сталкиваемся с давлениями той силы, что царят в глубинах Юпитера. Четкой границы между газообразным и жидким водородом в недрах Юпитера не существует. А еще глубже, на глубине порядка четверти радиуса планеты, жидкий водород становится металлическим, оставаясь, судя по всему, жидкостью. Его температура при этом достигает 6500 К, а плотность при переходе в металлическое состояние скачком удваивается, составляя 0,8 г/см³. Недурная плотность для самого легкого газа, хотя, конечно, ее не сравнить с плотностью того же водорода в недрах Солнца.

Что находится еще глубже, можно сказать лишь с некоторой долей неуверенности. По-видимому, в самом центре планеты расположено твердое ядро радиусом до 12 тыс. км, массой 10–20 масс Земли, температурой порядка 20 тыс. К и давлением 40–50 Мбар, каковое давление и удерживает ядро в твердом состоянии. Оно каменное, но с большим содержанием железа и никеля, его плотность оценивается в и г/см³. Вокруг ядра, возможно, находится слой льда, состоящего из воды, аммиака и метана. Вопрос о наличии твердого водорода остается открытым.

Так или иначе, бесспорно одно: Юпитер имеет твердое ядро, окруженное жидкостью, и взаимодействие между ними включает «динамо-машину», генерирующую магнитное поле. И какое! Радиационный пояс Юпитера в 40 тыс. раз мощнее земного и простирается как минимум до 400 тыс. км. Магнитное поле гигантской планеты чрезвычайно сильное, его напряженность у экватора равна 4,2 Гс, что почти вдесятеро больше, чем у Земли. Полярность его обратная по сравнению с магнитным полем Земли, что не имеет серьезного значения: ведь мы знаем, что магнитное поле Земли многократно испытывало «переполю-совку». Возможно, такое же явление характерно и для Юпитера. Строго говоря, у Юпитера два магнитных поля. Одно из них обычное дипольное, но несимметричное по отношению к телу планеты. Второе связано с мощными радиационными поясами. Силу магнитного поля Юпитера первым испытал на себе аппарат «Пионер-10». Угрожающе быстрый рост радиации начал наблюдаться еще за 700 тыс. км до планеты и почти достиг предельного значения, но все-таки приборы выдержали.

Магнитосфера Юпитера вращается вместе с планетой, то есть так же быстро. Взаимодействие ее с заряженными частицами солнечного ветра приводит к разгону этих частиц до весьма высоких энергий. И если когда-нибудь к Юпитеру полетят обитаемые космические аппараты, их конструкторам придется очень серьезно подумать о защите экипажа, ибо при отсутствии таковой у космонавтов просто не будет шанса вернуться на Землю живыми. Юпитер – серьезная планета, и как бы банально ни звучало это утверждение, повторять банальности иногда стоит.

Все газовые планеты Солнечной системы окольцованы. Кольцо Юпитера открыл в 1979 году «Вояджер-1», хотя правильнее будет сказать не «открыл», а «подтвердил», так как на возможное существование кольца еще в 1960 году указывал советский астроном С.К. Всехсвятский, а в 1976 году и с большей определенностью – американские физики М. Экуна и Н. Несс, проанализировавшие распределение около Юпитера заряженных частиц, измеренное аппаратом «Пионер-11». Строго говоря, это кольцо является системой колец. Полученные от АМС «Галилео» данные говорят о том, что кольца Юпитера состоят из пыли, выбитой из внутренних спутников при ударах метеоритов. Внутренними называют спутники, обращающиеся вокруг планеты на меньшем расстоянии, чем ближайший галилеев спутник – Ио. Таких спутников четыре: Метида, Адрастея, Амальтея, Теба. Крупнейший из них – Амальтея – маловат для того, чтобы принять форму гидростатического равновесия, и представляет собой глыбу неправильной формы размером 262 на 134 км удивительно малой плотности, приблизительно равной плотности воды. Возможно, Амальтея не единое тело, а непрочно скрепленный конгломерат меньших тел, «попытавшийся» принять сферическую форму и не преуспевший в этом из-за малой массы. Меньшие спутники и подавно не являются шарами. Эти спутники находятся близ внешнего резкого края системы пылевых колец – каждый из них близ края «своего» кольца. Объяснение существования колец ударами метеоритов о мелкие спутники кажется правдоподобным: ведь такие удары действительно изредка случаются, а пылевые кольца Юпитера разрежены и темны (альбедо 0,015), так что небольшое количество их вещества и его низкая отражательная способность находят простейшее и довольно естественное объяснение.

О других спутниках мы поговорим ниже, а пока перейдем к Сатурну (рис. 39 на цветной вклейке). Вот уж у кого кольца так кольца! Их открыл еще Галилей в свою крайне несовершенную трубу с апертурой 4,5 см и увеличением 30 крат. Правда, неизбежно сильная при однолинзовом объективе хроматическая аберрация и посредственное качество самих линз не позволили великому итальянцу понять, что же все-таки такое он увидел. Галилей сумел разглядеть лишь какие-то «придатки» по краям диска Сатурна. Это явно не были спутники, но что это было такое? В те времена, как и ныне, ученые заботились о приоритете, и если совершалось открытие, но требовалось подтверждение, они, не теряя времени, составляли анаграммы – перемешивали буквы в краткой формуле открытия, иногда еще добавляя лишние буквы, чтобы труднее было догадаться. Составил такую анаграмму и Галилей. Ее попытался расшифровать Кеплер – и расшифровал неправильно, решив в итоге, что Галилей открыл два спутника Марса. Однако до открытия Фобоса и Деймоса оставалось еще более двух столетий, а на самом деле анаграмма Галилея расшифровывалась так: «Высочайшую планету тройною наблюдал».

В наше время автору такого открытия, вероятно, посоветовали бы лучше закусывать, но тогда были иные времена. Прошло несколько лет, и Галилей перестал видеть в свой телескоп упомянутые «придатки». Произошло это из-за того, что время от времени Сатурн поворачивается к нам так, что его кольцо становится невидимым. Но Галилей решил, что «придатки» ему померещились, и больше не возвращался к ним. По-настоящему кольцо – пока еще кольцо, а не кольца! – Сатурна открыл Христиан Гюйгенс и по обычаю составил анаграмму, расшифровывающуюся так: «Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным». И это правда: кольца Сатурна лежат в плоскости экватора планеты, наклоненной к эклиптике под углом 26,73°. Соответственно, бывают периоды, когда кольца видны нам в максимальном раскрытии, а случается, что либо луч зрения лежит как раз в плоскости колец, либо они строго параллельны солнечным лучам – и тогда с Земли не увидеть никаких колец. Предыдущий период невидимости колец пришелся на лето 2009 года, и сейчас кольцо постепенно раскрывается все сильнее, чтобы максимально раскрыться в 2016 году. В течение 15 лет 9 месяцев Солнце освещает северную поверхность колец, а 13 лет 8 месяцев – южную. Кольца имеют толщину не более 1–2 км, поэтому их невозможно разглядеть с Земли, когда они стоят к нам ребром. За несколько дней до периода невидимости и в течение нескольких дней после него кольца видны как тонкая игла, пронзающая диск планеты.

Любой человек, впервые взглянувший на Сатурн в телескоп, конечно же, первым делом любуется кольцами (рис. 40). Самой планете достается меньше внимания, наблюдатель лишь отмечает, что она тоже сплюснута, причем даже чуть сильнее, чем Юпитер (l: 10,2), а полосы на ней гораздо более широки, менее контрастны, но более четко ограничены. Любоваться там в общем-то нечем. Нет ничего похожего на Красное Пятно, не видно и фестонов на краях полос. Право слово, если бы не роскошные кольца, Сатурн казался бы нам младшим и каким-то плохо удавшимся братом Юпитера.

Рис. 40. Сатурн. Игры теней. Видна относительная прозрачность колец

В общем-то древние греки, а за ними и римляне не зря дали «высочайшей планете» имя бога времени, старости и дряхлости – и притом бога, свергнутого Зевсом (Юпитером), а потому второстепенного. С Земли Сатурн, конечно, заметен хорошо, имея наибольшую звездную величину – 0,9, но все же уступая по блеску даже Меркурию. Одно хорошо: Сатурн со своим 30-летним (точнее, 29,67-летним) периодом обращения вокруг Солнца движется среди созвездий еще медленнее Юпитера, и уж если его положение на небе удобно для наблюдений, то это надолго.

Кроме того, Сатурн, будучи меньше Юпитера и дальше от нас, все же достаточно велик, чтобы быть приятным объектом для наблюдения в небольшой телескоп. При апертуре от 80–90 мм можно уверенно обнаружить деление Кассини в, казалось бы, сплошном кольце планеты, а при апертуре от 250–300 мм – и более узкое деление Энке, разумеется, при достаточном раскрытии кольца. Угловой экваториальный диаметр самой планеты достигает в противостоянии 20,8”, что лишь немногим меньше углового диаметра Марса в противостоянии. Казалось бы, Сатурн должен был дать богатейший материал и при чисто наземных средствах его наблюдения.

Что ж, с помощью наземных средств астрономы сделали все, что смогли. Был определен период вращения Сатурна (10 часов 12 минут на экваторе и более и часов в приполярных областях), был определен спектроскопически газовый состав планеты, оказавшийся схожим с составом Юпитера, но с несколько меньшим содержанием водорода (если не считать атмосферы, где все наоборот), была определена масса планеты. Она оказалась равной 95,16 массы Земли, что составляет менее 30 % массы Юпитера. Как следствие, Сатурн имеет меньшую плотность: всего 0,70 г/см³, что составляет всего 13 % плотности Земли и 52,6 % плотности Юпитера. Он просто недостаточно массивен, чтобы давление газа сильно сжало его внутренние слои. Однако и Сатурн излучает в тепловом диапазоне вдвое больше тепла, чем получает от Солнца, – правда, надо учесть, что получает он гораздо меньше Юпитера, поскольку и расположен значительно дальше, и сам несколько меньше (экваториальный радиус равен 60 268 км, что все-таки на порядок превышает радиус Земли). Нет ни малейших сомнений в том, что механизм тепловыделения Сатурна точно такой же, как у Юпитера и коричневых карликов, – медленное сжатие, еще более медленное, чем у Юпитера. Соответственно, и конвективные процессы в атмосфере Сатурна выражены гораздо слабее. Иногда на поверхности планеты появляются белые пятна, некоторое время спустя растягивающиеся в полосы. По всей видимости, эти пятна образуются вследствие извержений нагретого вещества из глубины, однако они вовсе не настроены принимать вид устойчивых атмосферных вихрей, как на Юпитере. Все говорит за то, что конвекция в атмосфере Сатурна носит более упорядоченный характер, что при относительно малом тепловыделении и неудивительно.

Как и Юпитер, Сатурн обладает собственным магнитным полем и радиационными поясами. Это значит, что внутри планеты имеется твердое ядро, окруженное жидким металлическим водородом. В отличие от Юпитера, магнитное поле Сатурна чисто дипольное, почти точно совпадающее с осью вращения планеты. Само собой разумеется, напряженность магнитного поля Сатурна слабее, чем у его более массивного соседа, – ничего иного и не следовало ожидать. Годы, предшествовавшие началу исследования Сатурна космическими аппаратами, принесли мало новой информации собственно о планете. Открывались новые спутники, были замечены «спицы» в кольцах, но и только.

Лишь с началом исследования Сатурна американскими АМС на астрономов обрушился вал новой информации. Опять-таки он больше касался колец и спутников, но и планета преподнесла некоторые сюрпризы. Сенсацией оказалось обнаружение в высоких южных широтах «горячей» области и шестиугольной (а не кольцеобразной) полосы вокруг него (рис. 41).

Конечно, «горячей» эту область можно назвать лишь с большой натяжкой – просто ее температура на несколько градусов выше средней температуры атмосферы планеты, составляющей около 95 К. Поначалу астрономы объясняли этот феномен энергией, получаемой Сатурном от Солнца, так как на момент обнаружения планета была повернула к Солнцу южным полушарием, но позднее инфракрасный спектрометр зонда «Кассини» обнаружил зону локального разогрева и на северном полюсе Сатурна. Более того, вокруг северного полюса Сатурна расположен такой же шестиугольный вихрь. Собственно говоря, самопроизвольное появление упорядоченных структур в таком, казалось бы, хаотичном процессе, как конвекция, был известен и ранее (например, так называемая неустойчивость Бенара[16]), так что сама по себе шестиугольная структура нашла если не объяснение, то во всяком случае земные аналоги. Сложнее оказалось с объяснением отвода тепла через полюса. Какие конкретно процессы в атмосфере планеты отвечают за этот феномен, пока неясно[17].

Рис. 41. «Шестиугольный шторм» вокруг южного полюса Сатурна

И все же мир ахнул не от этих нежданных чудес, а от тонкой структуры колец Сатурна (рис. 42), чье изображение впервые передал «Пионер-11».

Рис. 42. Тонкая структура колец Сатурна

До этого считалось, что у Сатурна лишь несколько колец, впрочем, очень ярких и оказывающих влияние на блеск планеты при наблюдениях с Земли. Выделялись 3 основных кольца: А (внешнее), В (среднее) и С (внутреннее, оно же креповое). Среди них кольцо В – самое яркое, а кольцо С – очень слабое, трудно наблюдаемое. Позднее были добавлены кольцо Е (самое внешнее, размытое), G (очень узкое кольцо между кольцами F и Е), D (внутри кольца С) и F (очень узкое кольцо с внешней стороны кольца А); их яркость совсем мала. Давно уже не было никаких сомнений в том, что кольца Сатурна состоят из мелких частиц, так что кадры из некоторых художественных фильмов, где кольца состоят из сплошного камня, являются болезненным бредом недоучки-режиссера. То, что кольца не могут быть сплошными, доказал французский астроном Э. Рош еще в 1848 году, что и подтвердилось на практике. Минимальное расстояние до планеты, ближе которого крупный спутник не может сохранить устойчивую форму и будет разорван приливными силами на мелкие фрагменты, определяется выведенной Рошем формулой. Суть доказательства: кольца Сатурна находятся внутри «полости Роша» и уже по этой причине не могут быть сплошными. Частицы, составляющие кольца, имеют высокое альбедо, а их инфракрасный спектр похож на спектр обыкновенного земного инея. Яркость колец удивительно велика и заметно влияет на общий блеск планеты.

Все газовые планеты Солнечной системы окольцованы, и причина возникновения колец во всех случаях одна: дробление какого-то близко расположенного к планете тела (или тел). В случае Сатурна это было довольно крупное и притом ледяное тело. Было ли оно настолько крупным, чтобы разорваться на мелкие части под действием приливных сил, или ледяному спутнику «помог» расколоться удар какого-нибудь постороннего космического тела – о том мы теперь можем лишь гадать. Ясно лишь, что это событие произошло очень давно, в противном случае осколки не успели бы собраться в чрезвычайно тонкий диск. Исследования с борта «Пионера-11» показали, что наиболее яркое кольцо В представляет собой монослой глыб с характерным поперечником 15 м, погруженный в более толстый слой более мелких обломков размером порядка 10 см. Механизм уплощения диска точно таков же, каков он для протогалактического облака или для протопланетного диска, и причиной его служат неупругие столкновения между частицами, будь то атомы или куски льда.

Впрочем, разреженное внешнее кольцо Е, простирающееся от 3 до 8 радиусов Сатурна (считая от центра планеты), гораздо более «растрепано», чем чрезвычайно тонкие внутренние кольца. Толщина кольца Е достигает целых 6000 км на внутреннем крае и до 15 тыс. км на внешнем. Любопытно, что пик яркости этого кольца наблюдается около орбиты спутника Сатурна Энцелада. Возможно, Энцелад, из трещин на поверхности которого наблюдаются выбросы ледяного крошева, постоянно «подпитывает» кольцо «Е». Кроме того, любая космическая пылинка, летящая со значительной скоростью, выбивает из поверхности спутников крошечные осколки, имеющие достаточные скорости, чтобы покинуть зону притяжения спутника. По всей видимости, в этом, а также в возмущающем действии других крупных спутников, находящихся в пределах кольца Е, кроется причина значительной ширины этого кольца. Нечего и говорить, что кольцо Е далеко выходит за границы полости Роша, достигая почти 1 млн км в диаметре. Кольцо Е можно рассматривать как внешнее «гало» системы колец.

Характерный размер пылинок в нем около 1 мкм. Построив математическую модель движения пылинки, выброшенной с поверхности Энцелада, и учтя по возможности все действующие на нее силы (световое давление, влияние прецессии и др.), астрономы пришли к выводу, что наиболее «долгоживущими» будут пылинки именно микронного размера, что и наблюдается.

Снимки с борта АМС показали, что у Сатурна не три и не семь колец, а сотни. Или можно сказать так: основных колец немного, но структура их тонковолокнистая. Иногда она не совсем правильная: сфотографированы узкие кольца, как бы обвившиеся друг вокруг друга. Еще «Вояджер-1» в 1980 году обнаружил, что некоторые из орбит частиц, образующих кольца, отчетливо эллиптические. Возможно, так проявляется резонансное воздействие спутников Сатурна, причем не только крупных, но и мелких. Эта же причина «отвечает» за разрывы в кольцах, известные как деления Кассини и Энке.

Кольца Сатурна хранят еще немало загадок. Не вполне понятно повышенное рассеяние света в области деления Кассини. Не все данные наблюдений удается согласовать в рамках чисто ледяной модели, так что не исключено присутствие в кольцах мелких минеральных и металлических частиц. По-прежнему интригуют астрономов радиальные темные или светлые лучи – «спицы», – довольно быстро перемещающиеся по кольцам (рис. 43–44). Возможно, этот явно волновой процесс обусловлен влиянием мелких спутников, находящихся на внешней границе кольца А и вблизи кольца F, а также в делениях Энке и Кассини. Некоторые из этих спутников находятся внутри полости Роша, но они слишком мелки, чтобы быть разорванными приливными силами.

Рис. 43. Светлые «спицы» в кольцах Сатурна…

Рис. 44. …и темные «спицы»

Спутники Сатурна (как и Юпитера) – интереснейшая тема, но мы пока оставим ее «в тылу» и перейдем к двум оставшимся газовым гигантам – Урану и Нептуну.

Открытый Уильямом Гершелем в 1781 году Уран в принципе мог быть открыт и ранее. Его видимая звездная величина колеблется в пределах от 5,67 до 5,9, то есть при хорошем небе он виден невооруженным глазом как слабая звездочка, различимая с некоторым трудом, но все же различимая. В горах же, где предельная звездная величина «точечного» светила, видимого невооруженным глазом, достигает 7, он виден уверенно.

После открытия Гершеля выяснилось, что Уран наблюдался ранее не менее 20 раз и впервые (впервые ли?) был замечен еще в 1690 году, но не отождествлен. Причина проста: новую планету не искали, поскольку не предполагали ее существования. Кто бы обратил сугубое внимание на слабую звездочку, каких на небе несколько тысяч, и специально стал разглядывать ее в телескоп, применив большие увеличения, при которых стал бы различим диск планеты? Что до звездных карт, то они в те времена были еще несовершенными и неполными – хотя небесные координаты Урана на тот момент были-таки измерены. И опять-таки следовало заметить, что одна из слабых звезд, отмеченных на карте, спустя некоторое время «убежала» со своего места! Словом, чтобы найти, желательно искать, иначе открытие состоится с большим опозданием и случайно. Ведь и Гершель не искал новую планету!

Однако нашел, хотя поначалу думал, что открыл комету. Скоро выяснилось, что орбита нового тела – чисто планетная, со средним расстоянием от Солнца 19,187 а.е. и периодом обращения 84,048 года.

С Нептуном получилось еще интереснее. Нельзя сказать, что эту планету уже искали целенаправленно, основываясь на том предположении, что Уран, возможно, не самая дальняя планета. Стимулом к началу поиска стали неправильности в движении Урана.

В конце XVIII и начале XIX века Уран «торопился» – непрерывно убегал вперед в своем движении по орбите, вычисленной в 1784 году. Эта орбита оказалась, естественно, эллиптической с эксцентриситетом 0,046 и малым углом наклона плоскости орбиты к эклиптике: всего 0,772°. Казалось бы, типичная, чуть ли не образцовая планетная орбита. И тем не менее «убегание» вперед Урана было просто катастрофическим.

Поначалу, естественно, предположили, что вычисленная орбита ошибочна, и попытались подобрать другую. Попытка провалилась: выяснилось, что эллиптической орбиты, полностью удовлетворяющей движению Урана, попросту не существует.

Пришлось сделать следующий логический шаг: учесть возмущения со стороны Юпитера и Сатурна. Влияние внутренних планет, более далеких и гораздо менее массивных, было справедливо признано пренебрежимо малым. Масса Урана была вычислена из наблюдений за орбитальным движением его спутников Титании и Оберона, открытых опять-таки Гершелем в 1787 году. Масса оказалась равной 14,5 массы Земли. И вот появились новые таблицы движения Урана, созданные сначала Деламбром (1790 год), а затем пересчитанные и исправленные Буваром (1820 год).

Толку не вышло. В 1832 году стало окончательно ясно, что эти таблицы никуда не годятся. Теперь Уран отставал от вычисленного положения на небе на 30 угловых секунд, и это отставание увеличивалось на 6–7 секунд в год. Нонсенс! Пришлось вздохнуть и признать, что на Уран, по-видимому, действует еще какая-то сила, не учтенная в расчетах.

Но какая? Возможных объяснений виделось пять: сопротивление газово-пылевой среды, влияние не открытого еще спутника, столкновение с кометой незадолго до открытия Урана Гершелем, поправки к закону тяготения, которые надо вносить, если расстояние между телами велико, – и, наконец, существование еще одной планеты.

Все эти возможные причины, кроме двух последних, были отброшены одна за другой. Казалось бы, в справедливости ньютонова закона всемирного тяготения в тех случаях, когда поправками общей теории относительности можно спокойно пренебречь, может усомниться только психически нездоровый человек, – ан нет: сомнения в этом вопросе возникали и в конце XX века, и возникнут снова, когда встанет очередная задача, вроде бы не имеющая иных решений. Если утопающий хватается за соломинку, то упершийся в глухой тупик склонен ломать и ниспровергать. Но все же был другой выход, последний: поискать еще одну планету.

Она должна была находиться еще дальше от Солнца, чем Уран, и выглядеть гораздо более слабой звездочкой. Таких звездочек на небе уже не тысячи, а десятки тысяч, и даже если ограничиться 10-градусной полосой вокруг эклиптики, все равно это потребовало бы от квалифицированных наблюдателей колоссального количества человеко-часов.

Проще было теоретически вычислить, в какой части неба находится неизвестная планета, и уже там искать ее. Эту работу – тоже весьма громоздкую – мог выполнить один теоретик. Первым за вычисления взялся немецкий астроном Фридрих Бессель, но он умер, не успев закончить работу. Вслед за ним открыть планету «на кончике пера» независимо друг от друга попытались двое: молодой английский математик Джон Адамс и уже известный к тому времени французский теоретик Урбен Леверье.

Успех сопутствовал обоим. Адамс закончил вычисления на год раньше, но расчеты Леверье оказались более основательными и убедительными. Адамс не сумел уговорить английских астрономов заняться поисками новой планеты, зато Леверье тотчас после опубликования своих результатов (1846 год) обратился к немецким астрономам, имевшим лучшие на то время карты звездного неба. Ведь самый простой способ найти новую планету состоял не в том, чтобы долго и нудно измерять координаты множества звезд в вычисленном «теоретическом квадрате», причем делать это дважды, сравнивая положение звезд на небе, и не в том, чтобы искать планету по видимому диску, а в том, чтобы просто-напросто сличить участок звездной карты с реальным участком звездного неба. Крик студента-астронома д’Арре: «Этой звезды нет на карте!» – вошел в историю. Так ассистент Берлинской обсерватории Галле и помогавший ему д’Арре нашли новую планету всего в одном градусе от расчетной точки, потратив едва полчаса на поиски. Триумф небесной механики был велик.

Новую планету после некоторых споров и интриг назвали Нептуном. Леверье, вначале сам предложивший назвать планету Нептуном, в скором времени пожелал, чтобы теоретически открытое им светило носило его имя, в чем нашел поддержку некоторых видных астрономов того времени. Что ж, тщеславие – универсальный порок, оно равно поражает и великих, и ничтожных. Однако предложение не было принято: ведь тогда по справедливости Уран следовало бы назвать Гершелем и переименовать все известные к тому времени малые планеты. Так что восьмая планета Солнечной системы стала называться все-таки Нептуном, а не Леверье.

В том же году у Нептуна был открыт крупный спутник Тритон, из параметров движения которого легко вычислялась масса планеты. Она оказалась равной 17,204 массы Земли, то есть Нептун несколько массивнее Урана. Как ни странно, и средняя плотность у него выше: 1,76 г/см³ против 1,30 г/см³ у Урана. Орбита Нептуна практически круговая (е = 0,0113) – из всех планетных орбит лишь орбита Венеры имеет меньший эксцентриситет. Полный оборот вокруг Солнца планета совершает за 164,491 года.

При взгляде в не слишком крупный телескоп Уран и Нептун – просто близнецы-братья, отличающиеся лишь видимым размером и немного цветом, но все же оба они голубовато-зеленые. Впрочем, особо зоркие наблюдатели отмечают на Уране полосы, похожие на полосы Сатурна и также параллельные экватору планеты. Поскольку Уран иногда повернут к нам северным или южным полюсом, полосы в такие моменты времени становятся кольцами.

Уран уникален тем, что угол между плоскостью его экватора и плоскостью орбиты составляет 97,77°, то есть планета вращается практически «лежа на боку», подставляя нам в своем движении вокруг Солнца то экваториальные области, то один из полюсов. При этом Уран, как и Венера, вращается в сторону, противоположную вращению остальных планет. Какой древний космический катаклизм заставил планету вращаться столь необычным образом, остается только гадать.

Нептун в этом отношении гораздо более «добропорядочен», имея нормальное направление вращения и угол наклона экватора к орбите 28,32°. Зато периоды вращения вокруг оси у обеих планет близки: 17 часов 14 минут у Урана и 16 часов 7 минут у Нептуна. Обе планеты имеют спутники и кольца.

В 1977 году Уран покрыл своим диском слабую звезду SAO 158 687. Незадолго до покрытия звезда пять раз ненадолго ослабла в блеске, и то же явление зеркально повторилось, когда диск Урана «слез» со звезды. Ничем иным, кроме как системой колец – причем темных колец, – объяснить это явление было нельзя. Годом позже было открыто еще 4 кольца, так что всего их у Урана стало 9. Кольца Урана очень узкие (от 0,6 до 100 км) и очень темные, с низким (менее 5 %) альбедо. Можно считать, что по отражательной способности вещество колец Урана подобно саже. Наверняка кольца Урана не состоят изо льда, но зато могут состоять из вещества, выбитого с поверхности Титании и Оберона – не покрытых льдом спутников Урана. Любопытно, что кольца эти эллиптические, а их плоскость не совсем совпадает с плоскостью экватора планеты.

Но даже «Вояджер-2», пролетевший в 1986 году вблизи Урана, не заметил два внешних, опять-таки узких кольца и два новых спутника. Эти объекты были открыты с использованием Космического телескопа им. Хаббла. Кольца получили обозначение Ui и U2, причем орбита одного из новых спутников совпадает с орбитой самого внешнего кольца Ui. По всей видимости, этот спутник, получивший имя Мэб, подпитывает кольцо пылью и осколками, выбрасываемыми с его поверхности вследствие метеоритной бомбардировки. Надо думать, бомбардировка носила «разовый», случайный характер – об этом прежде всего говорят орбиты других спутников, не связанные с кольцами. Немаловажно и то, что пространственная плотность метеоритов на орбите Урана должна быть гораздо ниже, чем, скажем, в Главном поясе астероидов, так что при достаточном количестве «мишеней» для бомбардировки не хватает «снарядов».

Есть кольца и у Нептуна. Их наличие подозревалось давно, но открыты они были лишь при пролете вблизи планеты АМС «Вояджер-2». Было обнаружено четыре очень узких кольца. Все это типично для газовых планет. Нетипично другое: почему-то крупный спутник Нептуна Тритон (диаметр 2710 км) движется по орбите в обратном направлении. Предпринимались попытки объяснить такое его движение тем, что некогда спутником Нептуна был и Плутон, но взаимные возмущения этих тел выбросили Плутон прочь, а Тритон заставили обращаться вокруг Нептуна в противоположном направлении. Существует и другая гипотеза, согласно которой Тритон некогда был самостоятельным телом пояса Койпера и стал спутником планеты после тесного сближения с ней. Моделирование показало, что для этого Тритон должен был иметь крупный спутник, выброшенный впоследствии в самые дальние области Солнечной системы. Трудно сказать, было так на самом деле, но так быть могло. Спутники же у плутоидов – самое обычное дело.

Как Уран, так и Нептун окружены «знатными» атмосферами, в них наблюдаются светлые и темные пятна – следы местных циклонов. Измеренные скорости ветра на Нептуне превосходят все, что мы знаем, и могут достигать 1120 км/с, причем образования, подобные земным перистым облакам, перемещаются с огромной скоростью из одних широт в другие. Моделирование, однако, показало, что атмосферы Урана и Нептуна гораздо менее толсты, чем у Юпитера или Сатурна. В них заметно меньше водорода и больше соединений типа аммиака, метана и др. Высказывалась гипотеза, что если Солнце родилось не как одиночная звезда, а в составе довольно тесного скопления (за это говорит теория вероятностей), то мощное излучение соседних звезд или протозвезд могло вымести часть водорода и гелия из пухлых оболочек формирующихся периферийных планет, тогда как Сатурн и Юпитер убереглись от подобной участи, будучи экранированными пылью околосолнечного газово-пылевого диска, в котором образовались спиральные волны плотности – почти как в галактике. Что ж, спиральный рукав – очень неплохой «защитный экран». В эту гипотезу хорошо ложится и большая, чем у Урана, плотность Нептуна, который был ближе к периферии газово-пылевого диска и потерял больше легких элементов. К сожалению, эту гипотезу трудно проверить иначе, чем моделированием, а такая проверка, конечно же, не может считаться полноценной (посчитать-то можно что угодно, вопрос лишь в том, какое отношение все это имеет к реальности).

По всей видимости, в относительно тонкой, не превышающей, скажем, радиуса Земли атмосфере Урана и Нептуна газ с увеличением глубины довольно быстро становится жидкостью, чему немало способствуют низкие температуры. Ниже располагается толстая ледяная мантия, состоящая преимущественно из метана и аммиака в твердой фазе, а в центре находится ядро из горных пород, несколько большее Земли по размерам. В центре Урана держится температура порядка 10–12 тыс. К при давлении 5,5–6 Мбар; в центре Нептуна – 12–14 тыс. К и 7–8 Мбар.

Как видим, называть Уран и Нептун газовыми планетами мы можем лишь с изрядной долей условности. Правильнее было бы назвать их каменно-ледяными, поскольку очень заметная часть их массы пребывает не в газовой фазе. И возникает вопрос: если бы по каким-то причинам из первичных рыхлых планетоидов, притягивающих к себе вещество газово-пылевого протопланетного диска, образовались бы не Уран и Нептун, а несколько десятков или сотен тел помельче, то на что бы они были похожи?

Ответ ясен: на тела пояса Койпера. В таком случае пояс Койпера начинался бы не от орбиты Нептуна, а гораздо ближе к Солнцу. Конечно, из-за инсоляции состав льдов у ближайших к Солнцу тел был бы несколько иным, но это уже частности.