Вселенная далёкая и близкая: Структура. Происхождение
advertisement
Лекция-доклад академика РАН М.Я. Марова на тему: "Вселенная далёкая и близкая: Структура. Происхождение. Эволюция" на расширенном заседании научно-технического совета Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королёва 11 марта 2010 года Вначале приведём некоторые вводные пояснения. Название лекции: «Вселенная далекая и близкая: структура, происхождение, эволюция». При этом под термином «Вселенная» понимается всё то, что нас окружает. А мы находимся в одном из её абсолютно необъятных просторов. На представленном изображении-заставке лекции схематично показана эволюция материи, начиная от так называемого Большого взрыва через рождение первых атомов, звезд, галактик, дисков вокруг некоторых звёзд до образования планетных систем и появления наиболее сложной формы организации материи – биологических структур в виде показанной здесь двойной спирали ДНК как основы генетического кода. Проблемы синтеза астрономии и биологии, которые относятся к астробиологии, мы рассматривать не будем, так как они выходят за рамки данной лекции. Основные научные вопросы исследования космоса можно условно разделить на 4 группы (рис. 1). Известно, что звёзды сосредоточены в громадных звёздных ассоциациях, имеющих форму тонких дисков (галактиках), являющихся основными «строительными блоками» видимой Вселенной. Наша Галактика (Млечный путь) содержит около 400 миллиардов звёзд. Её размер – 100 000 световых лет, что составляет ~ 30 килопарсек. Она имеет форму спирали Архимеда (её поперечный размер ~ 4 Кпк) и вращается вокруг своего центра, совершая 1 оборот за 240 миллионов лет. Центр Галактики Рис. 1 ассоциируется с наличием в ней «чёрной дыры», масса которой соизмерима с несколькими миллионами масс Солнца. Мы находимся в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии 2/3 от центра (~ 20 Кпк). Справка: 1 килопарсек (Кпк) – это 1000 парсек (пк), 1 пк равен 3,26 световых лет (с.л.) или ~ 1013 км. Размер Солнечной системы (расстояние до Облака Оорта на периферии Солнечной системы) ~ 105 а.е. (1,5 с.л. или ~ 0,5 пк). Расстояние до ближайшей звёзды Альфа Центавра – 4.3 с.л. Если лететь к ней с доступной нам скоростью ~12 км/с, потребуется более 100 тыс. лет. Мы не можем наблюдать нашу Галактику непосредственно анфас, но можем с края диска. На иллюстрациях рис. 2 показан вид Галактики с края диска в видимом свете, в ближней ИК-области спектра и в далекой ИК-области спектра, в которой активно светит пыль, переизлучающая солнечную радиацию. Это хорошо известный зодиакальный свет – пылевые частицы, находящиеся в плоскости эклиптики, где расположены зодиакальные созвездия. Эклиптика наклонена под углом ~ 60 градусов к плоскости нашей Галактики. Рис. 2 2 Соседние к нам галактики (рис. 3): Андромеда (ближайшая к нам, находится на расстоянии ~ 60 млн с.л.) и Большое Магелланово Облако. Рис. 3 Из известных типов галактик (рис. 4) наиболее изученные – спиральные, немного различающиеся по своей форме. Их приблизительно 10% от общего известного количества галактик. Большинство галактик – эллиптические. Есть и более сложные галактики. Рис. 4 В центре галактики может находиться «чёрная дыра» (рис. 5). Её мы не можем наблюдать непосредственно, а лишь по характеру аккрецирующего на неё вещества соседнего звёздного компаньона. Сейчас известно более 100 кандидатов в «чёрные дыры», причем эти объекты, широко распространённые в нашей Галактике и во Вселенной, – совсем не экзотика, а реально существующее экстремальное состояние материи. Рис. 5 3 Солнечное окружение в пределах ближайших 1500 световых лет наглядно отражает рис. 6, где изображено Солнце (Sun), направление его движения вокруг галактического центра (движение к апексу), соседние с нами звёздные системы (Орион, Скорпион), направление на галактический центр и т.д. Различными цветами показаны плотные и разреженные молекулярные облака, «горячий» ионизованный газ различной плотности. Рис. 6 Основное, на чём необходимо акцентировать внимание, – структура Вселенной не беспорядочное, а удивительно организованное образование. Несколько месяцев назад вышла книга «Турбулентность и самоорганизация» с подзаголовком «Проблемы моделирования космических и природных сред», написанная мною в соавторстве с проф. А.В. Колесниченко. В ней прослеживается, в частности, удивительно интересный эволюционный путь развития материи. То есть природа самоорганизуется. И в этом нет никакой экзотики. Это в полной мере отвечает пригожинской «стреле времени» [И.Р.Пригожин – лауреат Нобелевской премии за работы по термодинамике неравновесных систем, 1977, примеч. ред], когда в природной среде происходят необратимые процессы и образуются все более сложные структуры, при этом наблюдается своего рода иерархия таких структур и самоорганизация системы. В основе данного подхода лежат представления о термодинамике необратимых процессов. Именно такую ситуацию мы наблюдаем в окружающем нас космосе, прежде всего в распределении галактик, в которых сосредоточено основное звёздное население. 4 Галактики определяют крупномасштабную структуру Вселенной, вещество в которой распределено неравномерно: галактики образуют скопления – галактические кластеры (рис. 7), содержащие несколько десятков или сотен галактик. Размеры кластера порядка 3 Мпк, что примерно в 100 раз больше размера нашей Галактики (~ 30 Кпк). Рис. 7 Наша локальная группа содержит около 30 галактик, включая Млечный путь, Андромеду, Магеллановы облака, а в некоторых кластерах более 1000 галактик. Кластеры галактик образуют суперкластеры, отдельные из них содержат свыше 100 кластеров. Размер суперкластера в 20–30 раз превышает размер галактического кластера, достигая ~100 Mпк. Самая удалённая область Вселенной, доступная наблюдениям при помощи космического телескопа, установленного на космическом аппарате «Хаббл», содержит галактические кластеры и суперкластеры (рис. 8). Нужно отдать должное этому аппарату, который был выведен на околоземную орбиту около 15 лет назад и до сих пор работает. Благодаря нему, обеспечен колоссальный прорыв в астрофизике. Он принёс громадное количество информации, которая в значительной мере перевернула представления об окружающем мире. Рис. 8 5 Рис. 9 Ближайшие к нам кластеры галактик (рис. 9): Рак, Близнецы, Персей, Большая Медведица, Геркулес, Кентавр, Полярная корона. Они расположены в пределах 450 Мпк. Наблюдаемый в диапазоне радиоволн суперкластер галактик представлен на рис. 10. Как видите, галактические кластеры распределены не беспорядочно, а выстраиваются в четко организованные структуры, образующие как бы отдельные нити. Каждое из этих образований (показаны жёлтым и красным цветом) – галактические суперкластеры (в координатах: прямое восхождение склонение). Во Вселенной примерно 100 миллиардов галактик, в каждой несколько сот миллиардов звёзд. В нашей Галактике их, как уже говорилось, около 400 миллиардов. Размер наблюдаемой Вселенной примерно в 30 раз превышает расстояние между суперкластерами, достигая более 10 миллиардов световых лет (3 Гпк). Рис. 10 Наиболее крупные наблюдаемые структуры во Вселенной – это сгущения. Они еще более крупные, чем суперкластеры. Тёмные уплотнения на рис. 11 – именно такие сгущения. Рис. 11 6 Сами эти сгущения также организованы, образуя крупномасштабную структуру Вселенной, называемую «космической паутиной» (рис. 12). Рис. 12 Теперь сделаем промежуточную остановку и зададимся, может быть, наиболее интересным вопросом: что же в нашем ближайшем космическом окружении? В начале 1960-х годов мало было известно даже о Луне и ближайших к нам планетах – Венере и Марсе. Казалось проблематичным узнать, а что же существует на этих небесных телах. Сейчас мы располагаем довольно стройными представлениями о той области пространства, которая мы называем Солнечной системой. За прошедшие с начала космической эры 60 лет сделан колоссальный рывок в изучении Солнечной системы. Было получено много сведений о населяющих её планетах, малых телах (астероидах и кометах), физике происходящих процессов. Достаточно хорошо известны уже природные условия, существующие на этих небесных телах. Это касается свойств поверхности, атмосферы, геологии, взаимодействия с окружающим космическим пространством, натекающей солнечной плазмой. Созданные математические модели позволили в общих чертах понять, каков тепловой режим их атмосфер, планетарная динамика, структура облаков, атмосферно-литосферное взаимодействие, строение недр. Но сейчас наступил новый этап в изучении Солнечной системы. Физические методы исследований, на которых основаны достижения прошедших 60 лет, в значительной степени себя исчерпали и способны лишь уточнить более или менее 7 хорошо известные факты о природных свойствах планет. Сейчас мы вплотную подошли к этапу, когда гораздо больше нужно узнать не о физике, а о химии процессов. Эту задачу выдвигает сама наука, и именно она ставит новые задачи перед исследователями космоса. Здесь особую роль играют высокоточные исследования на «микроскопическом» уровне элементного и минералогического состава вещества космических объектов, петрологии пород, соотношений важнейших изотопов. Такие исследования могут в совокупности дать ключ к ответу на вопрос, как же это все происходило. Прежде всего, с этим связано изучение первичного или слабо изменённого вещества, потому что именно оно закапсулировало в себе результаты химических реакций, фазовых переходов, различных трансформаций и метаморфизмов, которые происходили на ранних этапах эволюции. Поэтому исследования предстоящих десятилетий в конечном итоге призваны реконструировать важнейшие процессы, ответственные за происхождение Солнечной системы, ее генезис. Говоря о Солнечной системе, мы задаёмся вопросом: где она находится? На рис. 13 представлена Андромеда. Как уже упоминалось, нашу Галактику мы не можем наблюдать в таком положении. Но Андромеда очень похожа на неё. Здесь в сопоставимых масштабах условно показано положение Солнечной системы. Светлое образование в центре также ассоциируется с «чёрной дырой». Рис. 13 Население Солнечной системы (рис. 14) состоит из планет двух типов (в порядке удаления от Солнца): планеты земной группы (Меркурий, Земля с Луной, Венера, Марс); планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Здесь нет Плутона, который до недавнего времени считался девятой планетой, но по решению Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза, состоявшейся в Праге в 2006 году, был исключен из состава больших планет и переведен в новую категорию карликовых Рис. 14 ледяных планет – плутонидов. Они расположены в занептуновой области - поясе Койпера (40-43 а.е.) и сопоставимы с Плутоном по размерам, а Эрос даже больше него. 8 Кроме больших планет, население Солнечной системы включает в себя огромное количество малых тел, к которым относятся кометы, астероиды, метеороиды, метеорная пыль. Ближайшая к Солнцу планета – Меркурий. Он внешне во многом схож с Луной, но обладает целым рядом отличных от неё особенностей, прежде всего очень большим железным ядром, составляющим около 80% его массы. Следующая планета – Венера (рис. 15). Необходимо подчеркнуть, что огромный прогресс в изучении Венеры достигнут благодаря многолетним исследованиям, осуществлённым в Советском Союзе, которые обеспечены созданными в стране доставленными на поверхность планеты посадочными аппаратами. Эти аппараты функционировали в крайне сложных условиях окружающей среды в атмосфере и на поверхности при высоких значениях температуры и давления. Первые прямые измерения в атмосфере Венеры выполнил в 1967 г. спускаемый аппарат «Венера-4». Тогда удалось установить, что Венера обладает очень плотной и горячей углекислой атмосферой. Температура на её поверхности +475С, при которой плавятся некоторые металлы. Атмосфера практически целиком состоит из углекислого газа, азота в ней не более 3%, кислорода практически нет. Давление у поверхности 92 атмосферы, Рис. 15 что является аналогом давления на почти километровой глубине океана. Поэтому для обеспечения работоспособности аппарата на поверхности необходим своего рода батискаф, обладающий к тому же термостойкостью и способностью противодействовать громадному тепловому потоку из горячей атмосферы, чтобы какое-то время выживать на поверхности. Задача была решена благодаря целому ряду остроумных инженерных решений, включавших в себя предварительное захолаживание посадочного аппарата перед отделением от орбитального отсека, быстрый спуск на аэродинамическом щитке в подоблачной атмосфере после отцепки основных парашютов, многослойную теплоизоляцию, использование тепловых аккумуляторов, основанных на фазовом переходе солей лития. Мы многое узнали о структуре и термодинамических свойствах атмосферы Венеры, особенностях теплового и ветрового режима, планетарной циркуляции, структуре, микрофизических свойствах и составе облаков, состоящих из капелек концентрированной серной кислоты (порядка 80%), а это ещё одна экзотичность данной планеты. Удалось измерить высотный ход, спектральный состав солнечного света в атмосфере и освещённость на поверхности. Оказалось, что, благодаря сильному ослаблению в 9 атмосфере и облаках, до поверхности доходит не более 2-3%% солнечного света, спектр которого сдвинут в красную область, так что поверхность Венеры освещена оранжевым светом. Измерения освещённости подготовили эксперименты по передаче чёрно-белых и цветных панорам с поверхности. Многое стало известно о морфологии поверхности и геологии Венеры благодаря радиокартированию, начатому нашими искусственными спутниками «Венера-15 и -16» и продолженному американцами на аппарате «Магеллан». Радиокартирование было обеспечено работой так называемых радиолокаторов бокового обзора. Их называют также радиолокаторами с синтезированной апертурой. Использование радиолокации открыло возможность наблюдать поверхность Венеры, потому что ни в видимом, ни в ИК-диапазоне она не просматривается, поскольку атмосфера и облака в этих диапазонах непрозрачны, никаких деталей различить практически невозможно. Если же наблюдать Венеру в ультрафиолетовых лучах, то можно увидеть лишь отдельные образования (ультрафиолетовые облака), которые находятся вблизи верхней границы облаков и обязаны своим происхождением кристалликам серы. Он дрейфуют в том же направлении, в котором вращается Венера, но со скоростью почти на два порядка большей, чем её поверхность, совершая один оборот примерно за четверо суток. Сама Венера вращается крайне медленно, один оборот за 243 суток, причем в обратном направлении, т.е. по часовой стрелке, в отличие от других планет. Дрейф ультрафиолетовых облаков отражает характер циркуляции, происходящей в атмосфере и названной карусельной. Другими словами, атмосфера как бы постепенно раскручивается от скорости ветра менее 1 м/с у поверхности до примерно 100 м/с на вершине облаков. Все это удалось установить при помощи наших спускаемых аппаратов, измеряя доплеровский сдвиг частоты передатчиков на спуске, а на поверхности – также путём прямых измерений при помощи анемометров. Итак, повторяю, в оптическом диапазоне поверхность Венеры увидеть нельзя. А вот в диапазоне сантиметровых радиоволн (примерно от 1,5 до 20 см) атмосфера прозрачна. Используя радиолокаторы с апертурным синтезом и методы решения обратных задач, можно восстановить изображение и увидеть поверхность. Поверхность Венеры очень неоднородная по своей морфологии (рис. 16). Хорошо различимы вулканические области, кстати, вулканов на Венере, по оценкам, несколько десятков тысяч. На сильно разогретой поверхности видны отдельные гряды, ложбины, хребты, горы. В более крупном масштабе показаны следы лавы, застывшей после извержения. Рис. 16 10 На снимке рис. 17 запечатлено застывшее лавовое излияние, получившее название «блин». Это приблизительно тот цвет, в котором наблюдатель видел бы Венеру, стоя на её поверхности. Рис. 17 Представления о Марсе, который вызывает очень большой интерес, значительно обогатились за минувшие десятилетия с момента первого полёта к нему автоматических аппаратов. Поверхность Марса – безжизненная, холодная пустыня, с холмами на горизонте, как видно на этом снимке (рис. 18). В отличие от Венеры, где давление у поверхности почти в 100 раз больше, чем на Земле, на Марсе оно примерно 6 миллибар, то есть в 150 раз меньше. Средняя температура у поверхности «минус» Рис. 18 50°С, она испытывает сильные суточно-сезонные вариации, опускаясь до «минус» 150°С на полюсах зимой. При такой температуре из атмосферы вымерзает её основная составляющая – углекислота, и образуется «сухой лёд», покрывающий тонким слоем водяной лёд в полярных шапках. Интересно, что периодические сезонные вымерзания углекислоты из атмосферы служат одним из механизмов планетарной циркуляции на Марсе. Стоит отметить, что в ближайших окрестностях Земли существуют две природные лаборатории, которые прошли различные предельные циклы эволюции. С одной стороны, Венера, обладающая очень плотной атмосферой, которая испытала необратимый парниковый эффект, разогрелась до высокой температуры и, благодаря этому, потеряла воду. С другой стороны, холодный Марс с его очень разреженной атмосферой, наклон оси 11 вращения которого к плоскости эклиптики в современную эпоху примерно такой же, как у Земли (24,5 градуса), благодаря чему на нём, в отличие от Венеры, происходят сильные сезонные изменения. Но наклон оси периодически изменяется в пределах примерно от 17 до 43 градусов в течение приблизительно 1 миллиона лет, что, несомненно, серьезно влияет на климат. К Марсу очень много интересных и важных вопросов. В исследованиях этой планеты наблюдается настоящий бум. На ней сосредоточены усилия и финансовые затраты основных космических агентств мира: NASA, ESА, подключаются японцы, китайцы, индийцы. Столь большое внимание объясняется не только тем, что с Марсом попрежнему связаны надежды обнаружить внеземную жизнь, но и тем, что он является объектом №1 для перспективных пилотируемых полётов за пределы системы «ЗемляЛуна». Венера для этого совсем не пригодна, а дальние планеты и их спутники таят в себе гораздо больше неизвестного и сопряжены с решением несравненно более сложных технических задач. С поисками возможных следов марсианской жизни напрямую связан вопрос о том, что произошло с климатом Марса. Есть совершенно чёткие свидетельства того, что Марс не всегда был таким, каким мы его знаем сегодня, что на рубеже примерно от 4 до 3,5 млрд лет назад он обладал более или менее благоприятным климатом, что на нём были резервуары жидкой воды, потоки которой бороздили поверхность: текли реки, перемещались ледники. Видимо, в истории Марса было какое-то катастрофическое событие, в результате чего произошел коллапс атмосферы, с поверхности исчезла вода, принципиально изменился климат. В настоящих условиях, при разреженной атмосфере, вода на поверхности удерживаться не может. По имеющимся оценкам, Марс изначально имел сопоставимое с Землёй количество воды с учётом соотношения размеров и массы обеих планет (Марс примерно вдвое меньше Земли по размерам и почти на порядок меньше по массе). Эти оценки связаны с изучением геологической истории Марса, форм его рельефа и изотопного фракционирования в атмосфере, в частности соотношения тяжелого и легкого изотопов азота. Геологи пришли к выводу, что возможные запасы воды на Марсе эквивалентны равномерно разлитому по поверхности слою толщиной примерно в 0,5 км (для сравнения: средняя глубина мирового океана на Земле 2,8 км). В то же время оценки степени диссипации (убегания) водорода из марсианской атмосферы показывают, что за всю геологическую историю Марс мог потерять не более нескольких десятков метров воды от этого эквивалентного слоя. Тогда где же вода в современную эпоху? Это один из актуальнейших вопросов. Результаты исследований последних лет привели к выводу, что вода на Марсе действительно сохранилась, хотя пока до конца не известно, где и в каком количестве. Но предварительно об уникальной морфологии поверхности и геологии Марса (рис. 19). Над наиболее крупными вулканами, которые, вероятно, действовали 12 Рис. 19 на Марсе ещё приблизительно 2-2,5 млрд лет назад «висят» облака. Сейчас известно: Марс – геологически мёртвая планета. Крупнейшие вулканы вздымаются над поверхностью на высоту до 26 км. Для сравнения высота Эвереста 8,8 км, а на планете, вдвое меньшей Земли, вулканы втрое выше! Кроме вулканов есть следы мощной тектонической активности в виде разломов. Примером служит Долина Маринера – крупный разлом протяженностью примерно 3500 км, поперечником 120 км и глубиной до 8 км. Выбраться из него, вероятно, не так просто. Внутри Долины Маринера – расположена область Кандор (рис. 20), очень непростая по своей геологической структуре. Важно подчеркнуть, что, по заключению геологов, такие особенности на склонах сформировались не иначе, как под воздействием потоков жидкой воды, в результате мощной водной эрозии. Ещё одной особенностью поверхности Марса является обилие на ней рыхлого, сыпучего материала, песчаных дюн. Очевидно, это связано с предполагаемым Рис. 20 катастрофическим изменением климата планеты. С образованием разреженной атмосферы и обезвоживанием началась мощнейшая эрозия, которая привела к образованию громадных количеств пылепесчаного материала. Наряду с этим солнечный ультрафиолет стал проникать практически до поверхности. Это привело к тому, что активно расщеплялись молекулы воды, лёгкий водород «убегал» в космос, а кислород связывался в поверхностных породах. Благодаря такому мощному окислению поверхность приобрела цвет, похожий на ржавчину. На Марсе периодически возникают песчаные бури. Это, кстати, одна из серьёзных угроз для будущих марсианских экспедиций. В период мощных пылевых бурь в атмосферу вздымаются миллиарды тонн пыли, которая очень медленно оседает, и с этим нельзя не считаться. На рис. 21 показан момент образования пылевой бури, а также огромные наслоения пыле-песчаного материала в ложбинах и образования типа барханов в пустыне, их называют Акульи зубы. Рис. 21 13 Теперь вернемся к вопросу о воде на Марсе. Кроме области Кандор, существует большое количество других образований, также связанных с водной эрозией (рис. 22). Например, такие своеобразные лепёшки, которые часто можно видеть на мелководье реки или озера. На поверхности планеты наблюдаются явные следы эрозии, которые в англоязычной литературе называются сепаж. Они обусловлены выходом (просачиванием) Рис. 22 подповерхностной воды на поверхность, что происходит даже в современную эпоху, приводя к образованию провалов и оврагов. На сенсационном снимке (рис. 23), сделанном европейским спутником «Марс-Экспресс», видно ледяное озеро внутри кратера. Спектральные измерения подтвердили, что это лёд. Новые данные о воде на Марсе – это результаты так называемого нейтронного мониторинга, которые Рис. 23 показали, что в приповерхностном слое планеты на глубине 1-1,5 м находится много воды. Необходимо отметить, что прибор на борту спутника регистрирует тепловые нейтроны, спектр которых зависит от содержания водорода в приповерхностном слое. Возбуждение атомов вещества поверхности и выход нейтронов происходит за счет солнечных и галактических космических лучей. Поток нейтронов ослабляется тем сильнее, чем больше водорода содержится в породах. Но водород может быть только в связанном состоянии, и 14 наиболее вероятным соединением является вода. Таким образом, оценивается её содержание. Подобные измерения проводились в 2002 - 2005 гг. при помощи прибора HEND, разработанного в ИКИ и установленного на американском спутнике «Марс-Одиссей». Измерения свидетельствуют о том, что приповерхностная вода находится главным образом в полярных и приполярных областях Марса и подвержена сезонным вариациям (рис. 24). Кроме того, в спектрах поверхностных пород обнаружен гематит – окисел железа, который образуется, как правило, в присутствии воды. Наконец, совсем недавно вода была найдена в марсианских породах и непосредственно измерена на американском КА «Феникс» в месте его посадки. Рис. 24 Важные результаты получены при помощи американских марсоходов “Spirit” и “Opportunity”, которые были высажены на Марс в 2004 году. Они снабжены высококачественными научными приборами и до сих пор работают. На них, например, установлены абразивные круги и вращающиеся щеточки, похожие на те, которые устанавливают при входе в некоторые организации для чистки обуви. Марсоход подходит к камню, очищает его от пыли и затем шлифует, а шлиф подробно исследуется спектральным методом с целью определения состава слагающей породы. Измерения привели к важному выводу о наличии на поверхности Марса пород, аналогичных по своей структуре тем, которые присутствуют на океаническом ложе Земли. Помимо этого, в камнях на плато Меридиане обнаружены высокие концентрации солей хлора и брома, что также связывает их образование с океанами. Возможно, эта область (рис. 25) представляет собой береговую линию древнего океана, где на мелководье происходили циклические процессы испарения и/или вымерзания. Рис. 25 15 Снимки марсоходов и марсианской пустыни (рис. 26) показывают ландшафты, которые открываются взору, создавая «эффект присутствия». Из-за больших наслоений пыли существует опасность забуксовать, с чем нельзя не считаться. Рис. 26 Перейдем к планетам-гигантам. Отметим, что решающую роль в изучении Солнечной системы сыграли пролёты около всех планет-гигантов на достаточно близком расстоянии двух американских аппаратов «Вояджер», запущенных в середине 1970-х годов и до сих пор передающих научную информацию, находясь на границе гелиосферы – гелиопаузы (это область, где солнечный ветер натекает на межзвёздный газ и создается ударная волна). Радиосигналы с «Вояджеров», вероятно, можно будет принимать до 2015 г., и такой ресурс аппаратов по-настоящему восхищает. В изучение Юпитера и Сатурна большой вклад внесли также запущенные позднее аппараты «Галилей» и «Кассини-Гюйгенс», орбитальные блоки которых продолжают передавать научные данные. На снимках планеты Юпитер (рис. 27) хорошо видны мощнейшие турбулентные движения, вихревые процессы в атмосфере. Особенно наглядным примером служит Большое Красное Пятно (БКП). В него укладывается 3 размера Земли, то есть 6 ее радиусов. Когда-то думали, что Юпитер и другие планеты-гиганты имеют твердую поверхность. Сейчас мы знаем, что это газово-жидкие тела, никакой твердой поверхности у них нет, в отличие от их спутников. БКП – это не что иное, как антициклон в атмосфере. Если взять соотношения по параметрам подобия, оказывается, что, в то время как длительность существования циклонов и антициклонов на Земле примерно 1-2 недели, характерное время жизни БКП Рис. 27 16 в атмосфере Юпитера порядка 10 тысяч лет, из них примерно 300 лет оно наблюдается. Такие же турбулизованные области существуют в атмосферах Сатурна и Нептуна. У всех планет-гигантов есть спутники и кольца (рис. 28). Кольца – тема, заслуживающая особого внимания. В структуре системы колец Сатурна различают кольца A, B, C, D и промежутки между ними, называемые делениями. Наиболее известные – деления Кассини и Энке. Часть спутников находится вблизи и даже внутри колец. Регулярная структура колец обусловлена гравитационными (приливными) взаимодействиями частиц колец со спутниками и с самой планетой, что приводит к возникновению резонансов и волн плотности. Такие волны создают еще более тонкую внутреннюю структуру колец, подобную дорожкам на граммофонной пластинке. Их называют ринглетами. Кольца – это спутники, только очень маленькие (размеры частиц от нескольких микрон до десятков метров). Сильное приливное влияние планеты мешает им собраться в более крупное тело, поскольку кольца находятся внутри так называемого предела Роша, где гравитационные возмущения особенно велики. Однако частицы ведут себя упорядоченным образом, в частности, благодаря воздействию спутников, находящихся в их ближайших Рис. 28 окрестностях и даже внутри системы колец, как бы собирающих частицы воедино. Именно поэтому эти спутники получили название «пастухи». Кольца Урана тоже являются упорядоченными структурами, к тому же очень тонкими образованиями. Отметим, что академик А.М. Фридман и его соавтор Гарькавый ещё до полётов «Вояджеров» предсказали наличие в окрестности этих колец спутников-пастухов и рассчитали их орбиты. Рис. 29 17 Подробнее поговорим о крупных спутниках планет-гигантов, исключительно интересных телах с целым рядом уникальных особенностей. До недавнего времени было известно около 40 спутников планет, сейчас их общее число превысило 150. Благодаря непрерывному совершенствованию астрономических средств (телескопов и приёмной регистрирующей аппаратуры) постоянно открываются новые спутники сравнительно небольших размеров, порядка нескольких десятков километров. Их всех спутников только три принадлежат планетам земной группы: наша Луна и спутники Марса Фобос и Деймос. У Меркурия и Венеры нет спутников. Приведём обобщённые (хотя и немного устаревшие) данные о спутниках планет-гигантов: Юпитер 39+; Сатурн 31+; Уран 21+; Нептун 11+. Крупнейшие спутники: Галилеевы спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто); Спутник Сатурна Tитан; Спутник Нептуна Tритон; Наша Луна. Все спутники состоят из каменистых пород и льдов. Кроме того, они испытывают взаимные приливные взаимодействия в гравитационном поле планеты, что приводит к возмущениям их орбитальных и вращательных движений. Хорошо известными примерами таких возмущений служат приливы на Земле под действием Луны и Солнца, синхронное вращение Луны, резонансы в движении Меркурия и уже упоминавшиеся особенности структуры колец. Но, пожалуй, наиболее ярко приливные взаимодействия проявляются в особенностях природы галилеевых спутников Юпитера (рис. 30), в спутниках Сатурна и двойной системе Плутона. Рис. 30 Особого внимания заслуживает Ио – спутник Юпитера, на котором была обнаружена мощная вулканическая деятельность (рис. 31). Ио является сравнительно маленьким телом радиусом 1400 км, меньше чем у Луны. Но Луна – геологически мёртвое тело. Объясняется это тем, что основной разогрев планетных недр обеспечивается за счёт так называемых радиогенных изотопов, которые были захвачены на стадии аккумуляции планеты и за счёт радиоактивного распада генерируют тепло. На Луне (так же, как на Рис. 31 18 Меркурии и Марсе) запас радиогенных изотопов давно исчерпан в силу небольших размеров этих тел, но он сохранился пока ещё на Земле и, возможно, на Венере. На маленькой Ио такой механизм тем более не может работать. Но, несмотря на это, наблюдается активный вулканизм. Поэтому возникает вопрос, за счёт чего это происходит. Как оказалось, причиной являются соизмеримости в орбитальных движениях галилеевых спутников Ио, Европы и Ганимеда, находящихся в резонансе Лапласа, в итоге создаются приливные взаимодействия. А периодическая диссипация приливной энергии сильно разогревает недра этих спутников. На Ио обнаружены чёткие следы извержения вулкана на лимбе, мощнейший плюм. Интересно, что его случайно заметила сотрудница баллистической группы, анализируя траекторию «Вояджера». Заметьте, что это является извержением вулкана в вакуум, при котором продукты извержения вздымаются на высоту до 300 км, в то время как на Земле при мощных извержениях вулканов пепел и пыль забрасываются в стратосферу до высоты 20-30 км. Вообще, на Ио почти постоянно одновременно действуют 4-6 вулканов, которые теперь астрономы наблюдают с Земли. Не менее интересна Европа (рис. 32), которая по размерам меньше Ио. Она тоже подвержена, хотя и в меньшей степени, приливному разогреву. Прежде всего, надо заметить, что Европа – очень выглаженное тело, перепады высот на ней не превышают нескольких сотен метров. На её ледяной поверхности видны многочисленные образования в виде протяженных невысоких гряд, ложбин, трещин, простирающихся в разных направлениях. По заключению геологов, это указывает на то, что лёд Рис. 32 постоянно ломается и перемещается, при этом происходят водные интрузии в ледяную кору и образуются трещины, заполняемые свежим льдом (шугой). Такие структуры могут создаваться только при наличии жидкой субстанции – воды – под ледяным панцирем Европы. Согласно разработанным моделям, под ледяной корой Европы протяженностью 10-15 км находится океан, глубина которого оценивается в 50-100 км. Это означает, что объём воды в нём может быть больше, чем в океанах Земли! Причем из-за периодического разогрева недр, сохраняющего воду в жидком состоянии, сам океан может быть достаточно теплым. А поскольку на Европе был обнаружен углерод, на ней могла зародиться жизнь. Таким образом, Европа является вторым после Марса потенциальным объектом для поисков примитивной жизни в Солнечной системе. Неслучайно именно на Европе сосредоточено сейчас внимание многих космических агентств. Соответствующие проекты разрабатываются в NASA, ESA и у нас в Институте космических исследований совместно с НПО им. Лавочкина. Более того, на основании ряда косвенных свидетельств, подкрепленных данными недавних исследований, предполагается наличие океана на Ганимеде и Каллисто, но уже не под чисто ледяной, а под каменисто-ледяной 19 поверхностью. Чтобы это окончательно подтвердить или опровергнуть, необходимо не просто прилететь к Европе или Ганимеду, а сбросить зонды или спуститься на поверхность для проведения целой серий сложных научных измерений. Очень большой интерес представляют спутники Сатурна (рис. 33), где тоже присутствуют следы приливных взаимодействий и бомбардировки телами различных размеров. На снимках показаны поверхности Дионы, Миранды и Фебы. Некоторые из внешних спутников являются, по всей вероятности, захваченными телами – астероидами или ядрами комет, прекратившими свою активность. Рис. 33 Особого внимания заслуживает спутник Сатурна Энцелад (рис. 34), ставший одной из сенсаций последнего времени. На Энцеладе размером всего 500 км обнаружены мощные водяные или, возможно, водно-аммиачные гейзеры. На снимке видны следы таких гейзеров. Из-за столь маленького размера небесного тела ни о каком радиогенном разогреве речи быть, конечно, не может. Наиболее правдоподобная модель, которая способна объяснить такого рода активность, – это опять же приливный разогрев недр. Рис. 34 20 Конечно, во многом уникальным является спутник Сатурна Титан (рис. 35), который по своим параметрам соизмерим с Меркурием. Уникальность его состоит в том, что ещё до начала космических экспериментов на нём была неожиданно обнаружена очень плотная атмосфера. После полётов КА «Пионер» и «Вояджер» стало известно, что она состоит главным образом из азота и аргона с примесью углеводородов, температура у поверхности Рис. 35 составляет 92 К, а давление – 1,5 атм. Если принять во внимание, что размер Титана почти втрое меньше Земли, то при существующем на нём ускорении силы тяжести для создания такого давления необходимо, чтобы масса атмосферы была примерно на порядок больше земной. Большой прогресс в изучении Титана был достигнут благодаря успешному осуществлению американо-европейского проекта «Кассини-Гюйгенс». «Кассини» – это орбитальный аппарат, ставший спутником Сатурна, а «Гюйгенс» – посадочный аппарат, который вошел в атмосферу Титана, опустился на парашюте на его поверхность, передал её изображения и произвел ряд научных измерений. Модель структуры атмосферы показана на рис. 35. В своих общих чертах она была подтверждена результатами полёта «Кассини-Гюйгенс», как и предположение о том, что на поверхности Титана существуют озёра из жидкого метана. Важно подчеркнуть, что температура поверхности как раз соответствует фазовому переходу метана. Соответственно, метан испаряется с поверхности, переходит в атмосферу, образует облака, из которых выпадает метановый дождь. Природа очередной раз преподнесла интересный сюрприз, а именно то, что, по существу, на Титане осуществляется круговорот метана аналогично круговороту воды на Земле. Можно предположить, что на поверхности Титана происходят комплексные химические реакции с участием метана и других непредельных углеводородов (этана, этилена, ацетилена) с образованием сложных органических соединений, которые рассматриваются как начальные этапы перехода от абиогенных к биогенным структурам, подобные тем, которые могли быть на ранней Земле. По-своему интересен Тритон (рис. 36) – спутник Нептуна. Его поверхность – это метановый лёд. На ней видны отдельные тёмные образования, которые, как было Рис. 36 обнаружено при пролёте «Вояджера», 21 меняют очертания. Учёные пришли к выводу, что это гейзеры, состоящие из жидкого азота. Если на Энцеладе обнаружены водяные или водно-аммиачные гейзеры, то на Тритоне мы имеем гейзеры азотные. Тритон очень похож по своим свойствам на Плутон. Возможно, у них одинаковое происхождение, но различная последующая орбитальная эволюция. Существует предположение, что Плутон – это убежавший спутник Нептуна. Уже упоминалось, что Плутон недавно переведен в категорию карликовых планетплутонидов. Плутон существенно меньше Луны и галилеевых спутников Юпитера – его размер примерно 2400 км. У него 4 спутника, наибольшим из которых является Харон размером 800 км. С этим телом природа также преподнесла нам сюрприз. Дело в том, что Харон находится на синхронной орбите, т.е. на таком же расстоянии от Плутона, как геостационарный спутник на околоземной орбите, и постоянно «отслеживает» одну и ту же область на поверхности Плутона. 22 Перейдём теперь к малым телам. К ним относятся, прежде всего, астероиды и кометы. Одним из астероидов, принадлежащих системе ближайших к нам астероидов, или астероидов, сближающиеся с Землей, является Эрос, максимальный размер которого около 18 км. В 2003 г. на него совершил посадку американский космический аппарат “Near-Shoemaker”. На рис. 37 показан астероид Итокава. Его размер всего в полкилометра, к нему недавно слетал японский космический аппарат «Хаябуса». Изображение получено с близкого расстояния, на поверхности крошечного по космическим масштабам тела неправильной формы видны рыхлые породы. Оно буквально усеяно огромным количество Рис. 37 камней различных размеров. На рис. 38 представлены основные семейства малых тел: Пояс Койпера, находящийся в основном в области от 40 до 100 а.е, и Облако Оорта, внешняя граница которого ~ 105 а.е., так что пояс Койпера внутри него выглядит как небольшая синяя точка. Всё пространство внутри Облака Оорта целиком заполнено кометами. Их общее количество примерно 10 триллионов, хотя суммарная масса не превышает трёх масс Земли. Кометы Облака Оорта считаются Рис. 38 23 реликтами образования планет-гигантов, выброшенных на периферию Солнечной системы гравитационным полем растущей планеты. Под влиянием гравитационных (приливных) возмущений от ближайших звёзд некоторые тела из Облака Оорта забрасываются внутрь Солнечной системы, и тогда они наблюдаются как долгопериодические кометы (с периодом больше 200 лет). Короткопериодические кометы с меньшим периодом обращения вокруг Солнца – это те, которые принадлежат семействам планет-гигантов. Например, комета Галлея относится к кометам семейства Нептуна. Главный пояс астероидов (рис. 39) расположен значительно ближе к Земле, между орбитами Марса и Юпитера, на расстояниях от 2,8 до 3,4 а.е. Пространство между орбитами Марса и Юпитера заполнено телами, размеры которых от десятков и сотен метров до сотен километров. Это и есть Главный пояс астероидов (зелёные точки). В нём порядка 100 тыс. тел размером более 1 км и значительно больше менее крупных тел, но есть и много тел размером в десятки и сотни км. Рис. 39 Справка: Согласно правилу Тициуса-Боде, на расстоянии 2,8 а.е., где находится пояс астероидов, когда-то существовала планета (она получила название Фаэтон), которая разрушилась и оставила после себя осколки в виде астероидов. Но это неверно. Расчёты показывают, что в этом районе очень сильное приливное воздействие оказывает Юпитер, и тела, которые изначально существовали в данной области кольцевого сжатия протопланетного диска, не могли объединиться. Кроме того, суммарная масса всех тел в Главном поясе астероидов не превосходит 1/2000 массы Земли. Противоречит возможности существования единой планеты и тот факт, что в поясе астероидов находятся тела различного генезиса – от железных и каменных метеоритов до углистых хондритов. Из этой области некоторые тела мигрируют внутрь Солнечной системы и образуют три группы астероидов, обозначенных красными точками: Амур, тела из которого пересекают орбиту Марса; Аполлон, тела из которого пересекают орбиту Земли; Атон, тела которого заходят далеко внутрь орбиты Земли. Астероиды этих трех семейств называют NEO (Near Earth Objects). Эти астероиды, особенно группы Аполлона, представляют большую потенциальную угрозу Земле, поскольку могут с ней сталкиваться. Столкновения приводят к катастрофическим событиям и транспорту вещества, что, несомненно, сыграло важную роль в эволюции планет и их атмосфер, особенно в ранней истории. Дело в том, что Земля и другие планеты земной группы изначально формировались при температурах, превышавших 1000 К. При таких температурах они не могли сохранить летучие компоненты (в частности воду), которыми была сильно обеднена та область 24 протопланетного диска, из которого эти планеты аккумулировались. Между тем на Земле существуют гидросфера, атмосфера. Есть атмосферы на Марсе и Венере. Вероятно, на них были древние океаны. Возникает вопрос, каким образом они приобрели летучие компоненты. Ответ на этот вопрос дают результаты моделирования миграционных процессов. Они показывают, что ключевую роль в образовании гидросферы и атмосферы Земли и других планет земной группы могла сыграть гетерогенная аккреция, т.е. выпадение на них в первые сотни миллионов лет комет и астероидов типа углистых хондритов. Количество воды, доставленной на Землю за счет механизма гетерогенной аккреции, могло быть сравнимым с объёмом земных океанов. Кометы представляют собой другой тип малых тел (рис. 40). Их ледяные ядра – сравнительно небольшие тела малой плотности. Например, размер кометы Галлея всего 15 км, плотность в пять раз меньше плотности воды. Согласно модели, предложенной в начале 1950-х годов американским астрофизиком Фредом Уипплом, это грязный снежный ком. При сближении кометы с Солнцем и росте инсоляции с ядра активно сублимирует лёд, а газ уносится вместе с пылью. При этом образуется атмосфера (кома) размером в тысячи км и протяженный Рис. 40 хвост длиной миллионы км. За счёт этого комета ярко светит и хорошо наблюдается на ночном небе. В коме присутствуют разнообразные молекулы, радикалы, ионы, а хвосты образованы пылевыми частицами и плазмой. Российский ученый Бредихин в конце 19-го века выделил 4 типа кометных хвостов в зависимости от формы и направления. Эта классификация по существу сохранилась до настоящего времени. Как видим, малые тела Солнечной системы находятся в постоянном динамическом взаимодействии между собой и с планетами. Это отличает их от больших планет, орбиты которых очень устойчивы на временах, превышающих возраст Солнечной системы, и поэтому никаких взаимных соударений случиться не может. В то же время за счёт миграционно-столкновительных процессов с участием малых тел или их осколков в виде метеоритов обеспечивается постоянный дрейф и обмен веществом в Солнечной системе. Поэтому утверждать однозначно, что жизнь зародилась на Земле, вообще говоря, не вполне корректно. Она могла зародиться, скажем, на Марсе при благоприятных климатических условиях, а затем была занесена на Землю, подобно метеоритам SNC, происхождение которых почти однозначно связывают с Марсом. 25 Такой сценарий не является необоснованным. Землю периодически бомбардировали крупные тела астероидных размеров, таких событий было достаточно много в истории Земли и других планет. Достаточно взглянуть на поверхность Луны или Марса. Это возвращает нас к вопросу об астероидной опасности. На графике рис. 41 показаны размеры тел, их тротиловый эквивалент как мера энерговыделения и оценка Рис. 41 частоты соударения с Землей. Каменные тела размером менее 10 м разрушаются («сгорают») в атмосфере Земли и практически не доходят до её поверхности. А тела в несколько десятков метров уже представляют серьёзную угрозу. Например, Тунгусское событие было вызвано телом размером порядка 60 м, которое при скорости входа в земную атмосферу свыше 30 км/с вызвало вывал леса в сибирской тайге на площади в несколько тыс. кв. км и сопровождалось рядом других мощных эффектов. Как видно из графика, Тунгусский метеорит имел тротиловый эквивалент порядка 5 мегатонн, а подобные события происходят примерно 1 раз в столетие. Это настораживает, особенно если представить себе, что оно может произойти в густо населённом районе. Но в истории Земли случались и более грандиозные катастрофы, крупнейшей из которых считается Чиксулюб – событие, произошедшее примерно 65 млн лет назад, на рубеже третичного и мелового периодов, на полуострове Юкатан в Мексике. В результате образовался кратер диаметром более 200 км, внутри которого сохранились сильные магнитные аномалии, а породы сильно обогащены иридием, что явно свидетельствует о породившем этот кратер космическом теле, столкнувшемся с Землей. С Чиксулюбом связывают исчезновение почти 90% биосферы, в частности динозавров и других древних рептилий. Существует концепция, согласно которой, если бы динозавры не исчезли, они воспрепятствовали бы появлению млекопитающих, в том числе приматов и человека. Как видим, космические катастрофы оказывают решающее влияние на пути эволюции. По статистике, подобные события случаются приблизительно 1 раз в 100 млн лет, хотя катастрофы глобального масштаба могут вызываться и телами порядка 1 км, которые случаются уже примерно 1 раз в 100 тыс. лет. Так или иначе, подобных катастрофических событий в ближайшей перспективе, по-видимому, ожидать не следует. 26 Обратимся теперь к фундаментальным основам космогонии. Космогония – это раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения звёзд и планет. Звёзды – это отдельная тема, здесь будем рассматривать вопросы происхождения планет. Установлено, что, по крайнее мере, у 30% рождающихся звёзд обнаруживаются окружающие их газопылевые диски. На снимках рис. 42 показаны околозвёздные диски, размеры которых сопоставимы с диаметром орбиты Нептуна. Рис. 42 Много наблюдений проводилось и проводится с Земли, но подавляющее большинство протопланетных дисков открыто со спутников, оснащённых инфракрасными телескопами. На снимках рис. 43 видны тёмные области, которые обнаруживаются при наблюдении звезды с края окружающего её диска. А на изображении справа можно увидеть совершенно потрясающую картину: в сравнительно небольшой области звёздообразования в созвездии Ориона сразу нескольких звёзд рождаются вместе с дисками. Снимок получен космическим аппаратом Spitzer, оснащённым инфракрасным телескопом диаметром 2,2 м. Рис. 43 Итак, первое, о чем следует помнить, что газопылевые диски, из которых образуются планеты, формируются вместе со звёздами, у многих звёзд обнаружены диски, 27 сопоставимые по размерам с Солнечной системой. Другое важное обстоятельство заключается в том, что механические и космохимические свойства Солнечной системы накладывают важные ограничения на теории и строящиеся на их основе космогонические модели. Большой прогресс в космогонии достигнут за последние полтора десятилетия благодаря открытию у многих звёзд планет (их называют экзопланетами) и планетных систем. Сценарий образования Солнечной системы, представленный на рис. 44, в общих чертах соответствует идеям, выдвинутым еще в XVIII-XIX веках И. Кантом и П.-С. Лапласом. Он получил название Небулярная теория. Звёзды вместе с протопланетными дисками рождаются в межзвёздной среде из относительно плотных скоплений газа и пыли, называемых молекулярными облаками, поскольку в них обнаружены разнообразные молекулы, в том числе достаточно сложные органические соединения. Это скопление (небула) под Рис. 44 действием гравитационных сил постепенно сжимается, на окружающий его диск продолжает аккретировать газ, а вращение небулы приводит к утончению и уплотнению диска. При достижении очень высокого давления происходит коллапс центрального сгущения, в котором начинается термоядерный синтез – рождается звезда. Эволюция диска приводит к его распаду из-за гравитационной неустойчивости, а также к постепенному укрупнению и уплотнению его первоначально рыхлых фрагментов. В результате сложного процесса объединения частиц, составляющих эти тела, формируются зародыши планет – планетезимали. По-настоящему революционный шаг в космогонии произошел в 1994 г., когда была открыта первая внесолнечная планета, планета у другой звёзды в созвездии Пегаса. А к настоящему времени уже открыто свыше 450 экзопланет, в том числе несколько планетных систем. На рис. 45 по оси ординат расположены жёлтые точки, отображающие звёзды, у которых открыты планеты, по абсциссе – значения больших полуосей планетных орбит. Синие точки – планеты, рядом Рис. 45 указана их масса в массах Юпитера (Мj). Как видим, некоторые из них в несколько раз массивнее Юпитера. 28 До недавнего времени открывались в основном очень крупные планеты типа нашего Юпитера и даже в несколько раз больше него. Это связано с используемым методом доплеровской спектрометрии, который накладывает определенные инструментальные ограничения. Метод позволяет измерять сдвиг положения линий в спектре звезды, обусловленный смещением её барицентра при наличии спутника – планеты. Например, барицентр Солнца смещен от его центра масс в направлении Юпитера и находится ближе к краю солнечного диска. При орбитальном движении планеты происходит периодическое смещение барицентра, отвечающее периоду её обращения вокруг звезды, которое для внешнего наблюдателя выглядит как синусоида (при круговой орбите) или искаженная синусоида (при наличии заметного эксцентриситета). Естественно, чем ближе планета, тем сильнее смещение барицентра. Более сложная картина получается при наличии у звезды нескольких планет. Тогда выделение квазисинусоид, принадлежащих отдельным планетам, может быть сделано с использованием метода Фурье-анализа. Ещё более необычно то, что у большинства звёзд очень массивные планеты находятся на крайне малых расстояниях от родительской звезды. Период их обращения всего несколько дней, а температура поверхности более 1500К. То есть испаряется даже такой элемент, как кремний. Поэтому ни о какой жизни не может быть и речи. Далее показаны примеры открытых планетных систем у звёзд Ups Andromedae и 47 U Ma, находящихся от нас на расстояниях нескольких десятков световых лет (рис. 46). У первой из них три планеты, у второй – две. Для сравнения пунктиром отмечены орбиты планет нашей Солнечной системы. В таблице приведены массы (в Мj), значения полуосей орбит (в а.е.) и равновесные температуры (Те в градусах Фаренгейта) для планет Ups Andromedae. Первая из планет массой 0,7 Мj совсем близко от звёзды (Те ~ 1200 К); вторая планета Рис. 46 массой почти 2 Мj – на расстоянии как бы между орбитами Земли и Венеры (Те ~ 300-350 К); а самая дальняя планета массой свыше 4 Мj располагается за орбитой Марса (Те ~ 180 К). Мало благоприятными условиями обладают и массивные планеты в системе 47 U Ma, находящиеся как бы между орбитами Марса и Юпитера и имеющие периоды обращения 3 и 7 земных лет. Метод доплеровской спектрометрии накладывает серьезные ограничения на возможности 29 обнаружения далеких планет с массой меньше Юпитера или Сатурна. Предельная точность метода по доплеровской скорости составляет около 2 м/с. Это примерно отвечает смещению барицентра, создаваемому Сатурном на расстоянии от звезды в несколько а.е. Планете массой ~ Мj соответствует скорость ~ 11 м/с, а Земля, например, создает всего лишь ~ 0,02 м/с, что почти на два порядка меньше, чем для Сатурна. В последнее время разработан новый фотометрический метод, обладающий чрезвычайно высокой чувствительностью, что позволяет регистрировать совершенно незначительное ослабление блеска звезды (т.е. интенсивности излучаемого света) при прохождении планеты по её диску (транзите). Этот метод был успешно применен на спутнике Corot, что позволило впервые обнаружить планету, сопоставимую по размерам с Землей. Настоящий прорыв произошел после запуска в июне 2009 года астрономического спутника «Кеплер» (рис. 47), оснащённого телескопом диаметром 0,9 м и высокочувствительной аппаратурой, позволяющей регистрировать изменение яркости звезды на уровне десятков фотонов. Спутник будет наблюдать в течение нескольких лет миллионы звёзд в области неба примерно 10х10 градусов. Уже обнаружено несколько сот планет, но все они по размеру больше Земли, и, вероятно, относительно небольшие Рис. 47 планеты преобладают в системах других звёзд. Гипотетическая планетная система (рис. 48) была предложена после открытия планеты с массой порядка массы Сатурна у звёзды HD 189733b, в атмосфере которой были обнаружены следы присутствия воды и метана. Но из-за сильных гравитационных возмущений столь массивной планеты, как Сатурн, Земля, например, не могла бы сохраниться на этом месте, т.к. её положение неустойчиво. Поэтому, если даже будет открыто много планет земного типа, остается вопрос, сколь долго сохраняются устойчивые Рис. 48 конфигурации в их расположении. Это также не означает, что у таких планет будут подходящие условия для зарождения жизни. Для этого нужно удовлетворить ещё очень многим критериям принципиального характера, поэтому здесь следует сохранять весьма сдержанный оптимизм. Так или иначе, известные нам пока конфигурации планетных систем не похожи на 30 Солнечную систему. Поэтому возникает вопрос, насколько наша Солнечная система уникальна. Это очень сложный и актуальный вопрос, напрямую связанный с так называемым антропным принципом, который можно распространить не только на Солнечную систему, но и на всю Вселенную. Существуют теории (слабый и сильный антропный принцип), утверждающие, что человечество, интеллект – уникальные образования, под которые как бы удивительным образом «приспособлен» мир. Это касается фундаментальных постоянных, массы барионов, физических взаимодействий и химических реакций, структуры вещества. В частности, сильный антропный принцип заключается в том, что все они «специально подобраны» таким образом, чтобы человечество и разум могли возникнуть. В немалой степени данное утверждение связано с положением Солнечной системы в Галактике и Земли в Солнечной системе. Всё это как будто специально создано природой: уникальные природные условия, существование которых возможно только в сравнительно узкой области в окрестности Солнца при температуре, почти точно отвечающей фазовому переходу воды; стабилизирующее влияние Луны на положение Земли в пространстве и отсутствие возмущений от планет-гигантов; ограниченное число опустошительных бомбардировок Земли астероидами благодаря Юпитеру, обеспечивающему защиту, что сделало возможным возникновение и сохранение биосферы, поскольку для зарождения жизни нужны стабильные условия на протяжении, по крайней мере, одной-двух сотен миллион лет. В заключение зададимся вопросом, что ждёт наше Солнце, какой эволюционный путь предстоит ему? В центральной части рис. 49 показан отрезок кривой, отвечающий так называемой Главной последовательности на диаграмме ГерцшпрунгаРессела, являющейся основой звёздной астрономии. На эту кривую нанесена совокупность наблюдаемых звёзд в зависимости от светимости и температуры (или класса) звёзды, непосредственно связанной с её массой. Звёзды рождаются, живут и умирают. Если звезда Рис. 49 по её параметрам соответствует Главной последовательности, то она находится в активном периоде существования, т.е. в её недрах происходит термоядерный синтез. Продолжительность существования звезды зависит от её массы: чем она больше, тем меньше существует. На диаграмме Герцшпрунга-Рессела можно также проследить эволюцию звёзд. Наше Солнце относится к звёздам сравнительно небольшой массы класса G2. Продолжительность его существования примерно 10 млрд лет, из которых 4,5 млрд лет уже прошло. Через приблизительно 5,5 млрд лет, когда «выгорит» весь водород, Солнце 31 «сойдёт» с Главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела и превратится в «красного гиганта», раздутая внешняя оболочка которого с температурой в тысячи градусов достигнет орбиты Марса, поглотив Землю. Сброшенная внешняя оболочка образует планетарную туманность, а само Солнце будет постепенно эволюционировать в состояние «белого карлика», сжавшись приблизительно до размеров Земли. Плотность его недр достигнет нескольких тонн в кубическом сантиметре. Такова судьба нашего светила и, соответственно, Земли. Может ли человечество выжить в этой катастрофе? Конечно, за 5 млрд лет человечество может поумнеть, чтобы попытаться этому как-то воспрепятствовать. Уже сейчас вполне серьёзно обсуждаются проекты, предполагающие перелёты к звезде нашей Галактики с более благоприятными условиями, которая приютит нашу планету. Пока это всё кажется фантастическим, но никто не может прогнозировать, какие возможности способно приобрести человечество даже через сто или тысячу лет. 32 Заключительный раздел, касается, наверное, самых интригующих тем о происхождении, эволюции и судьбе Вселенной. Их объединяет понятие космологии. В основе изучаемых здесь проблем лежит вопрос о том, откуда и как мы пришли в этот мир и куда движемся. На рис. 50 приведен некий «иконостас» – это те выдающиеся космологи, которые заслужили признание человечества. Рис. 50 Основополагающей в космологии является Теория Большого взрыва – Биг Бэнга (Big Bang), хотя она сильно критикуется (рис. 51). Кстати, идея Биг Бэнга юмористическим образом была предложена Фредом Хойлом, который не верил в Большой взрыв и всю жизнь спорил с Джорджем Гамовым. Он как-то в шутку сказал, что этот сценарий – как большой взрыв из какой-то точки в вакуум. Название прижилось, а теория на долгие годы стала наиболее продвинутой. Рис. 51 33 Идея расширения Вселенной была предложена Леметром, а подтверждена Хабблом на самом крупном тогда телескопе с диаметром зеркала 2,6 м в обсерватории Маунт Уилсон, Калифорния. Хаббл в результате многолетних наблюдений обнаружил, что галактики удаляются от наблюдателя тем быстрее, чем больше до них расстояние. Было рассмотрено несколько корреляционных зависимостей и в конечном итоге выведена формула: Скорость = Ho x Расстояние, где Ho = 71 ± 3 (км/с)/Mпк – постоянная Хаббла. Обратная величина 1/Ho – время Хаббла, дает оценку возраста Вселенной: 1/ Ho = 13,7 млрд лет. Закон Хаббла лежит в основе Космологического принципа, согласно которому наблюдатель, где бы он ни находился, видит Вселенную во всех направлениях как однородную и изотропную. Для наглядности представим шарик, на поверхности которого нанесены точки, которые обозначают галактики. При надувании шарика они разбегаются. Где бы ни находился наблюдатель на поверхности шарика, он видит одинаковую картину разбегания. Постоянная Хаббла (скорость, нормированная на 1 Мпк) была недавно уточнена в результате полёта спутника – микроволнового зонда Уилкинсона WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropic Probe), названного в честь предложившего его учёного. К этому спутнику мы ещё вернемся. Выше приведено уточненное значение постоянной Хаббла. Перечислим основные данные, свидетельствующие в пользу теории Большого взрыва: Хаббловское разбегание галактик; Наличие фоновой микроволновой радиации с температурой 2.735 K, равномерно и изотропно заполняющей всю Вселенную; Преобладание во Вселенной лёгких элементов (водорода, дейтерия, гелия и лития). Фоновая радиация (так называемое послесвечение) соответствует излучению абсолютно чёрного тела (Планковской кривой). Другими словами, если 13,7 млрд лет назад произошел взрыв, выделивший грандиозное количество энергии, в котором температура составляла многие триллионы градусов, то при остывании в процессе адиабатического расширения Вселенной температура понизилась до современного значения 2,7 К. Отметим, что эта радиация, названная нашим выдающимся астрофизиком И.С. Шкловским «реликтовым излучением», была открыта совершенно случайно двумя молодыми английскими астрономами, когда они настраивали радиотелескоп и пытались освободиться от шумов. За это открытие авторы, объяснившие источник шумов, получили Нобелевскую премию. Лёгкие элементы с массовыми числами не выше 7 синтезируются в космосе. Но дальше процесс не идёт. Возникает неустойчивость, особенно сильная при переходном значении, отвечающем трём атомам гелия – атомному числу 12, соответствующему углероду. Кстати, это была тема многолетнего спора между Гамовым и Хойлом, в результате 34 которого победил Хойл, доказавший, что элементы с атомным числом больше 7, вплоть до железа, синтезируются при высоких температурах в недрах звёзд, а ещё более тяжелые элементы синтезируются при взрывах сверхновых. Открытие Хаббла поставило несколько важных вопросов: Поскольку галактики разбегаются, что послужило началом расширения Вселенной? Не означает ли это, что в прошлом галактики были ближе друг к другу? Если обратить время, то можно предположить, что ранняя Вселенная имела невероятно компактное и сжатое начало – точку? Но если все вещество было стянуто в точку, то вследствие невероятного сжатия и тепловыделения следует предположить, что это была точка почти чистой энергии. Возможность ее существования следует из уравнений Эйнштейна, а сама такая точка ассоциируется с сингулярностью, т.е. областью пространства – времени, где известные законы физики перестают работать. Основываясь на имеющихся фактах, попытаемся представить себе, как возникла Вселенная, реликтом начальной фазы расширения которой служит фоновое микроволновое излучение. Впервые это излучение удалось измерить на американском спутнике COBE. Хотя чувствительность и пространственное разрешение его аппаратуры были сравнительно невелики, был сделан важный вывод о том, что оно заполняет пространство неравномерно, существуют небольшие флуктуации. С гораздо большей детальностью эти неоднородности были измерены на спутнике WMAP, который проник в историю Вселенной вплоть до 380 тыс. лет от Большого взрыва. На основе полученных данных была построена уникальная карта (рис. 52). Рис. 52 35 Флуктуации микроволновой радиации, величине которых соответствуют разные цвета, оказались на уровне примерно одной стотысячной (10-5). Наш астрофизик Рашид Сюняев назвал их акустическими волнами. Но эти, казалось бы, незначительные флуктуации означают неравномерное распределение плотности материи в расширяющейся Вселенной, наличие первоначальных сгустков, из которых возникли звёзды и галактики. Причем теоретические оценки показывают, что неоднородности ~ 10-5 – это как раз то, что нужно для их образования (при меньшей величине вещество бы рассеялось, а при большей образовались массивные сгущения типа чёрных дыр, и наша Галактика никогда бы не возникла). Удивительно интересный факт, вновь заставляющий нас вспомнить антропный принцип! Более того, именно благодаря первоначально неоднородному распределению плотности образовалась «космическая паутина» – крупномасштабная структура галактик, галактических кластеров и суперкластеров со «стенками» и «провалами», о которой мы говорили в начале лекции. Теперь посмотрим, какова была временная последовательность процессов в истории образования Вселенной. Отсчёт ведётся от минимального планковского времени 10-43с, которому отвечают минимальная планковская длина 10-33см и скорость света. На временах < 10-43с известные физические законы не могут применяться, здесь имеет место сингулярность. Временная последовательность: 10-43 c (T ~ 1032 K) – Планковская Вселенная (сингулярность). 10-36 - 10-34 c (T = 1028 K) – «кипящий вакуум», суперинфляция, в результате которой первоначальная субатомная точка мгновенно расширилась примерно до размеров Солнечной системы; нарушение симметрии. 10-6 c (T = 1013 K) – образование барионов (протонов и нейтронов). 1 – 1000 c (T = 1010 – 107 K) – начало нуклеосинтеза и ядерных реакций, предшествующих образованию химических элементов. 380 тыс. лет (T = 103 K) – образование атомов H, D, He, Li; самое раннее время, до которого мы смогли сейчас «заглянуть» в историю Вселенной. Сотни млн – 1 млрд лет (T = 100 K) – формирование звёзд, галактик, галактических кластеров и космической паутины. Сегодня: 13,7 млрд лет (T = 2,7 K). Теория суперинфляции, в частности, свидетельствует, что может быть скорость, больше скорости света. Ведь эйнштейновская предельная скорость – скорость света – означает, что свет распространяется в пространстве, а здесь происходит расширение самого пространства до громадных размеров за ничтожно малое время с невероятно высокой скоростью. С этой точки зрения бессмыслен вопрос о том, что было до рождения Вселенной. Ответ на него достаточно прост: ничего не было, потому что не было времени. С этих позиций надо понимать и суперинфляцию, которая признана сейчас астрофизиками и является краеугольным камнем космологии. 36 На рис.53 показано, как могла выглядеть ранняя Вселенная. Далее представлены стадии эволюции Вселенной (Биг Бэнг, начальная фаза расширения, образование галактик) и история расширения Вселенной. Предельная область, которую смогли достичь космические аппараты, – около 380 тыс. лет после Большого взрыва, ближе мы пока заглянуть не можем. На рис. 54-56 изображена последовательность эволюции различного типа галактик за период от 2 млрд лет до настоящего времени. Рис. 53 Рис. 54 Рис. 55 Рис. 56 Казалось бы, всё выстраивается в достаточно стройную картину, но модель Большого взрыва сталкивается с целым рядом проблем: 37 • Пока невозможно ответить на вопрос, что такое сингулярность. Физика процессов неясна до 10-43 с (времени Планка); • Непонятно, почему Вселенная изначально стала примерно однородной и изотропной; • Неизвестно, почему плотность Вселенной оказалась столь близкой к её критическому значению; • Не вполне понятно, что случилось с частицами антивещества, рождённого в момент Большого взрыва, и где они находятся сейчас? Возможно, будут обнаружены свидетельства того, почему изначально была нарушена симметрия, что привело к преобладанию вещества над антивеществом, в противном случае все бы аннигилировало; • Наконец, нет четкого понимания природы механизма, породившего флуктуации плотности в расширяющейся материи, благодаря которым возникли звёзды и галактики, образовались «стены» и «пустоты» в наблюдаемой крупномасштабной структуре Вселенной. Было упомянуто о критической плотности Вселенной c , которая определяется как c = 3H02/8G, где H0 – постоянная Хаббла, G – гравитационная постоянная. От реальной массовой плотности , точнее от отношения c зависит сценарий эволюции (скорость расширения) Вселенной: - при < c – вечное расширение; - при > c – процесс расширения сменится сжатием. Исторически было предложено несколько моделей Вселенной, основными из которых являются: Модель Эйнштейна - Де Ситтера, = 1 - Открытая, бесконечная и плоская, будет расширяться вечно; Модель Фридмана – Леметра – 1, < 1 - Открытая, бесконечная и гиперболическая, будет расширяться вечно; Модель Фридмана – Леметра – 2, > 1 - Закрытая, конечная и сферическая, расширение сменится сжатием (коллапсом), конечной стадией которого будет Big Crunch (Большой скрежет). Вселенная в рамках модели Фридмана – Леметра должна стянуться обратно в точку фантастической плотности 1094 г/см3. Это значение легко получить из соотношения размерностей, используя три фундаментальных константы: гравитационную постоянную G, постоянную Планка h и скорость света С. Комбинируя их, можно теоретически получить величину с размерностью плотности, т.е. её предельную величину, содержащую всю материю во Вселенной. Именно с точкой такой плотности связывается сингулярность в самый начальный момент Большого взрыва. Это значение трудно даже вообразить, поскольку оно на много порядков превосходит предельную плотность ядерной упаковки в нейтронных звёздах (пульсарах), достигающую 1014 г/см3. 38 Теперь вновь обратимся к плотности Вселенной. Критическое значение плотности – это 5 частиц в одном куб. м, или 10-29 г/см3, т.е. совершенно ничтожная плотность. Между тем среднее значение плотности наблюдаемой Вселенной еще меньше – 0,2 частицы в куб. м, или 4 х 10-31 г/см3. Такая плотность получается, если собрать всю ту невообразимую массу вещества (100 миллиардов галактик, в каждой по несколько сотен миллиардов звёзд, плюс межзвёздное вещество, газопылевые облака и т.д.) и отнести к объёму наблюдаемой Вселенной. Но оказывается, что по отношению к критической плотности это составляет только 4%, т.е. = 0,04. А где же остальное? Предположение о том, что должна существовать еще какая-то невидимая материя, было сделано еще в 1930-х годах Фрицем Цвики, а в начале 1960-х годов – Верой Рубин. В основе лежали их наблюдения движения звёзд в галактиках. Однако их результаты не были по достоинству оценены, им не придали значения. И лишь спустя примерно два десятилетия стало ясно, что кинематику галактик действительно невозможно объяснить, если учесть только видимое вещество, они бы просто разлетелись. Поэтому нужна большая скрытая масса, чтобы удовлетворить простым кинематическим соотношениям. Это породило идею тёмной материи. Дополнительные свидетельства её существования были получены при исследовании гравитационных линз, наличие которых далеко не всегда обусловлено видимой массой вещества. Когда всё сосчитали, оказалось, что тёмная материя должна составлять 23% всего вещества во Вселенной. Пока нельзя определенно сказать, что она собой представляет, составляет ли её барионное вещество или нечто иное. Существует предположение, что она состоит из «холодной» и «горячей» тёмной материи, но это, к сожалению, не решает проблемы. На рис. 57 представлены современные оценки. Они приводят к значению m = 0,27, что существенно меньше единицы. Это означает, что наша Вселенная незамкнута и будет расширяться вечно. Однако современные теоретические модели, в первую очередь теория суперинфляции, дают как наиболее вероятную величину = 1. Удивительно, что к этой оценке интуитивно склонялся и Эйнштейн. Чтобы объяснить противоречие с наблюдениями и Рис. 57 получить порядка единицы, еще в 1930-х годах он ввел поправку Лямбда (). В дальнейшем он посчитал это величайшей ошибкой своей жизни, но в итоге оказался прав. Позже было обнаружено, что галактики не просто разбегаются со скоростями тем большими, чем они дальше, но ещё и ускоряются. Объяснить этот удивительный факт можно, если предположить, что ускорение им придает какая-то внешняя сила, действующая как антигравитация. Оказалось, что Вселенная расширяется быстрее, чем это было бы в случае m < 1, что и приводит к необходимости ввести дополнительную плотность энергии (силу антигравитации) в 39 космосе, которую Эйнштейн назвал космологической константой , так что = m + = 1. Требуемые значения: m = 0,27; = 0,73. На рис. 58 представлен состав Вселенной, как мы его представляем себе сегодня. Как видим, тяжелые элементы (т.е. тяжелее водорода и гелия) – это только 0,03%. Но как раз из них состоим мы и окружающие нас предметы. Эти элементы являются продуктами нуклеосинтеза, рождающимися в звёздах, в ядерной «топке» звёзды. Когда звёзда заканчивает своё существование, она разбрасывает эти элементы, обогащая ими окружающее космическое пространство. Оно Рис. 58 внедряется в газопылевые молекулярные облака, из которых опять рождаются звёзды и планеты. Именно из них образовалась Солнечная система, возникла жизнь и мы. Поэтому мы – это не что иное, как пепел звёзд. Нейтрино с массой могут составлять на порядок большую величину. Звёзды – 0,5%, свободные водород и гелий – 4%, темная материя – 23% (на слайде немного устаревшие данные), темная энергия – 73%. Таков состав космической материи. Итак, куда же мы движемся? Как мы видели, будущее Вселенной зависит от значения c. На рис. 59 суммируются современные представления. Оценки суммарной материи, изотропия фоновой микроволновой радиации (реликтового излучения) и теоретические модели Большого взрыва приводят к 1. Это означает, что наша Вселенная незамкнута и будет расширяться вечно. Ответ на вопрос о том, почему плотность Вселенной столь близка к её Рис. 59 критическому значению ~ 1, дает теория суперинфляции. Из неё же следует, что топология Вселенной должна быть плоской, т.е. описываемой в терминах эвклидовой геометрии, а не геометрии Лобачевского или Римана. 40 Наиболее приемлемой на сегодня является так называемая STEADY STATE MODEL: Открытая, незамкнутая, плоская, Стационарная, но не статическая. Значительный прогресс в современных представлениях о Вселенной был достигнут благодаря новым успехам в физике элементарных частиц и космологии. В основе лежат концепции Стандартной модели и Теории суперструн. Чтобы понять эти модели, необходимо по возможности отрешиться от привычных понятий механики Ньютона и отойти от представлений «пешехода», рассуждая о категориях пространства и времени в космологии. Обратимся к Стандартной модели, которой уделялось много внимания последние полвека. За её создание получено около 20 Нобелевских премий. Начнём с того, что в природе существует 4 фундаментальных взаимодействия: 1. Сильное, которое существует внутри ядра атома: это кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, и глюоны, удерживающие их в ядре; 2. Слабое, которое удерживает электроны в ядре: это лептоны (электроны и нейтрино, сложным образом взаимодействующие посредством W- и Z- бозонов); 3. Электромагнитное: это фотоны, взаимодействия которых описываются уравнениями Максвелла; 4. Гравитационное: это предполагаемые гравитоны, природа которых, в отличие от всех других частиц, пока не ясна. В течение многих лет физики, прежде всего Эйнштейн, пытались объединить эти взаимодействия в рамках Единой теории поля (Unified field theory). В настоящее время три типа взаимодействий (сильное, слабое и электромагнитное) удалось связать в рамках Стандартной модели, которая играет ключевую роль в современной космологии и понимании происхождения и судьбы Вселенной. Стремление отыскать еще более обобщённые закономерности, объединив все взаимодействия, включая гравитационное, реализовалось в предложенной в 1983 году Теории струн, названной позднее Теорией суперструн. Её называют также М-теорией, или матерью (Mother) всех теорий. Открылась реальная возможность объединить представления основополагающих концепций микро- и макрофизики, то есть представить себе мир действительно единым. Итак, что же такое теория суперструн? Она обеспечивает связь, точнее синергизм (synergy), микрофизики (элементарные частицы/квантовая механика) и макрофизики (космология/гравитация). Во 2-й половине прошлого столетия почти непрерывно открывались новые элементарные частицы, которых сейчас известно более 200. Но между многими из них не было определённой связи. Поэтому физики задавались вопросом: «Неужели в природе существует такой беспорядок и как сам Господь Бог, который всё создавал так красиво и удивительно гармонично, допустил вот такой произвол?» Видимо, это не так, и именно Теория суперструн лежит в основе всего того огромного разнообразия частиц, которые открыты, открываются и ещё будут открываться. Другими словами, в своей основе теория суперструн объединяет и объясняет все принципиальные свойства материи во Вселенной и саму Вселенную. 41 Теория суперструн постулирует, что все элементарные частицы являются результатом колебаний ультрамикроскопической петли – крошечной вибрирующей струны минимально возможной (Планковской) длины (10-33 cм) и бесконечно большого натяжения. Таким образом, каждая элементарная частица представляет собой волну, по аналогии с высотой музыкального тона и сочетаниями тембров. Каждая частица есть не что иное, как некий тон этой струны. Грубо говоря, тронута струна – образовался электрон, защемлена по-другому – образовался бозон. Иногда для объяснения используют аналогию с бесконечно туго натянутой кожей барабана. В теории струн обнаружилась удивительная гармония мира. Она дала возможность представить себе всё его бесконечное многообразие, уподобив Вселенную классической симфонии, каждое создаваемое колебание в которой – музыкальный тон из всей последовательности октав и бесконечности тембров. Вибрации струн (резонансные моды в бесконечно большом диапазоне длин волн) ответственны за природу и разнообразие элементарных частиц и за все 4 типа взаимодействий в природе. При этом пространство, основанное на Теории струн, является многомерным. То есть это не привычные 3 измерения, а многомерная среда, что особенно трудно представить. Струны существуют в 11-мерном субатомном пространстве, где есть так называемые скрытые пространства, что приводит к новому пониманию Вселенной. По современной концепции, основанной на теоретических моделях, существует множество многомерных параллельных Вселенных, которые постоянно возникают и исчезают в различных областях пространства и в разное время. Параллельные Вселенные образуют Мультивселенную. Вселенные, «плавающие» в космосе, образуют «пространственно– временную пену» в виде «пузырей» и могут испытывать столкновения. Таким образом, рождение нашей Вселенной могло быть результатом такого столкновения, что вызвало эффекты, которые ассоциируются с Большим взрывом. Согласно так называемой Экпиротической (Ekpyrotic) модели, наша Вселенная представляется в виде трехмерной мембраны, внедренной в структуру пятимерной поверхности. В течение триллионов лет она оставалась «дремлющей» – статичной и однородной, без каких-либо особенностей. Около 13,7 млрд лет назад параллельная Вселенная (другая примерно аналогичная мембрана), двигаясь вдоль одной из скрытых размерностей, столкнулась с нашей Вселенной. Это привело к её разогреву до триллионов градусов и возникновению эффектов, объясняемых теорией Большого взрыва. При этом исключается сингулярность за пределами 10-43 с, т.е. можно говорить о неком новом отсчёте нуля. Таким образом, в современных представлениях наша Вселенная не единственная. Существует бесконечное число Вселенных, подобных или не подобных нашей, которые постоянно возникают и исчезают в различное время в Мультивселенной. Рождение Вселенных может быть результатом квантовых осцилляций в вакууме. В литературе встречается название creatio ex nihilo, что в переводе с латинского означает «создание из ничего». Вакуум не следует представлять себе как нечто совершенно пустое, лишённое материи и энергии. Не случайно изучением его свойств сейчас занимаются во многих крупнейших лабораториях мира. В Мультивселенной могут существовать совершенно необычные области искривлённого 42 пространства, которые образуют своего рода пространственно-временные туннели, обеспечивающие переход в гиперпространство. Туннельные переходы в Мультивселенной получили название «Червоточин» (Worm holes) в англоязычной литературе, а у нас – «Кротовые норы». Интересно, что идея о возможности существования «кротовых нор» была выдвинута Эйнштейном еще в 1935 году, но только сейчас к ней вернулись при обсуждении множественности Вселенных. Аккреция (фантомной) материи на «кротовую нору» с регулярным магнитным полем может приводить к изменению топологии пространства-времени, и сама «кротовая нора» ассоциируется с «чёрной дырой». Процесс напоминает хаотическую инфляцию, сопровождающую Большой взрыв. На рис. 60 изображен вход в «кротовую дыру», некая аналогия перехода в другое пространство с более или менее регулярным магнитным полем, выход из которого может происходить через «белую дыру». В Мультивселенной могут происходить как столкновения бесконечного числа параллельных Вселенных (невидимых пузырей в космосе), так и взаимодействия между ними. Нужно, однако, отдавать себе отчёт в том, что переходы происходят вдоль невидимых размерностей. Естественно, очень трудно их себе представить, потому что человек живёт в трехмерном мире: как бы далеко мы ни бросили шарик, он не исчезает в другом пространстве. Но когда касаемся общих категорий Рис. 60 Вселенной, то следует говорить в терминах гиперпространства. Удастся ли его обнаружить на субатомном уровне? Большой адронный коллайдер – шаг на этом пути. Ещё более впечатляющий проект, который может нас к этому приблизить, – суперколлайдер с энергией 40 триллионов электрон-вольт (он должен быть построен в Техасе). В отличие от адронного коллайдера в ЦЕРНе, он будет стоить не 14, а 80 млрд долл. Такие громадные затраты, несомненно, нужны, поскольку одновременно с проникновением в структуру материи мы приблизимся к пониманию структуры, происхождения и судьбы Вселенной. В заключение лекции приведу великолепное высказывание Альберта Эйнштейна: «Самый удивительный факт в познании природы состоит в том, что она познаваема». Это просто удивительно, что человеческий ум может проникать в столь сложные категории материи и окружающего мира. 43
