Жак Поль, Жан-Люк Робер-Эсиль

Вселенная с нуля: от Большого взрыва до абсолютной пустоты

Jacques Paul

Jean-Luc Robert-Esil

La fabuleuse histoire

DE L’UNIVERS

DU BIG BANG AU BIG FREEZE

Originally published in France as: La fabuleuse histoire de l’Univers. Du Big Bang au Big Freeze By Jacques PAUL & Jean-Luc ROBERT-ESIL © Dunod, 2019, Malakoff

Во внутреннем оформлении использованы фотографии и иллюстрации:

© Frederic CASTEL/Gamma-Rapho / GettyImages.ru;

© Sebastian Kaulitzki, Science History Images, Universal Images Group North America LLC, American Photo Archive / Alamy / Legion-Media;

© UIG Education / Encyclopaedia Britannica / DIOMEDIA

© Соколова М.С., перевод на русский, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

Предисловие

Мы, человеческие существа, похожи на младенца, потерявшегося в колыбели огромного размера и заснувшего, свернувшись калачиком в уголке кроватки, устав от попыток нащупать границы своего крошечного мира. В точности как этот малыш, мы постоянно пытаемся найти пределы нашей Вселенной! Именно поэтому астрономия не просто одна из наук: она воплощает нашу генетическую связь со Вселенной, с этой сущностью, откуда возникло все, что нас окружает, да и мы сами тоже. И однажды мы должны будем вернуться к собственным истокам, когда жгучее Солнце сделает необитаемой нашу крошечную планету.

С тех самых пор, как мы начали осознавать самих себя и наш мир, наши взгляды обращены в небо. Уже шесть десятков лет прошло с того момента, когда юный советский военный летчик воплотил в жизнь древний миф об Икаре и проник за границы земной атмосферы на допотопном космическом корабле. И все же пока только астрономия позволяет во всех подробностях исследовать небесные тела. Чувствительные электронные глаза астрономических приборов тщательно сканируют небо. Благодаря астрономии Вселенная стала, как выразился французский писатель и ученый Бернар Ле Бовье де Фонтенель, «великим спектаклем, сравнимым только с оперой».

Именно радость от возможности поделиться несравненным научным наследием с читателями побудила нас написать «Волшебную историю Вселенной». Мы также должны воздать должное всем тем женщинам и мужчинам, которые разделяли эту страсть и были так же околдованы небом. Только благодаря всем этим мечтателям мы можем наконец увидеть того «Бога из машины», который управляет главным действием…

Описанные в книге явления были отобраны по признакам их универсального характера, например процессы, которые происходили на заре возникновения Вселенной, или те, что, вероятно, произойдут при ее конце. Другие описанные явления имеют значение для нашего существования в Солнечной системе или сыграли роль в образовании нашей звезды и определяют ее потенциальное будущее. И наконец, целый ряд упомянутых нами событий относится к историческим временам, то есть к периоду продолжительностью около четырех веков, в течение которого развитие науки двигалось все ускоряющимися темпами.

Только в конце XVII века европейское научное сообщество, обретя уверенность в себе и доминирующую роль в мире, смогло сформулировать (правда, с большим трудом) разницу между астрологией и астрономией и наконец осмелилось прийти к выводу, что Вселенная может на самом деле быть бесконечной, и даже населенной бесконечным количеством миров, похожих на наш. Еще труднее поверить сегодня, что в XIX веке большинство ученых считало Вселенную равной нашей галактике, Млечному Пути. Еще в 1990-х годах мы ничего не знали о расширении Вселенной и о темной энергии – предполагаемой причине этого расширения. Но сегодня все специалисты уверены, что эта энергия (ее природа до сих пор не ясна) составляет три четверти всего энергетического запаса Вселенной…

Еще следует пояснить, что легло в основу нашего исторического и научного выбора. В ряде случаев он отражает то, что принято называть «общепринятым консенсусом»; но для целой серии явлений мы были вынуждены приводить разные варианты интерпретаций и гипотез, которые порой весьма удачно дополняют и объясняют друг друга.

Благодарности

Мы хотели бы особо поблагодарить Анн Помпон за ее неутомимую поддержку и всегда ценные примечания. И огромное спасибо Саре Форвей за ее тщательную работу над корректурой рукописи.

Начало истории

Астрофизики изучают все те штуки, что мы видим в небе, как системы, подчиняющиеся законам физики, но, прежде всего, они исследуют саму Вселенную во всей ее огромности. В 20-х годах ХХ века, расставшись с идеей Вечной Вселенной, столь дорогой их предшественникам, философам-материалистам из века XIX, астрофизики отбросили космогонические мифы, созданные самыми разными древними культурами, и заинтересовались идеей образования Вселенной в результате некоего уникального события. Научное сообщество, опираясь на неоспоримые доказательства, согласилось с выводом, что Вселенная возникла в результате процесса, который начался тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, и описывается Стандартной космологической моделью.

На этом этапе нам следует ввести понятие «наблюдаемая Вселенная», которым обозначается ее видимая часть. Это воображаемая сфера, в центре которой находится Земля, и граница которой – космологический горизонт – расположена там, откуда до нас не может дойти ни один сигнал. Стандартная космологическая модель сегодня относит космологический горизонт на расстояние 45 миллиарда световых лет, с учетом процесса расширения Вселенной.

Исследовать ненаблюдаемую часть Вселенной невозможно, но, согласно космологическому принципу, Вселенная, если рассматривать ее в очень большом масштабе, подобна самой себе по всем направлениям, поэтому те области Вселенной, что находятся за космологическим горизонтом, скорее всего, похожи на те, что мы наблюдаем в ее видимой части.

Эта модель соответствует идее образования Вселенной в измеримом прошлом и создает возможность дискуссий, способных смутить самый рациональный ум. Один из самых странных выводов, вытекающих из этой модели, предполагает, что физические константы были будто специально скорректированы так, чтобы возникла разумная жизнь.

События начала истории произошли очень давно и уложились в очень период (триста восемьдесят тысяч лет). Датировать их с помощью обычного календаря невозможно, поскольку при таком подходе они просто сливаются в одно. Поэтому в этой части книги мы использовали датировку с помощью отрезков времени, прошедшего с момента начала расширения Вселенной.

До Большого взрыва

Мультивселенная?

Мультивселенная – это гипотетический ансамбль всех возможных миров, каждый из которых существует по собственным законам. Наш мир развивался на основе фундаментальных физических констант, которые способствовали возникновению жизни.

В 1895 году американский философ Уильям Джеймс придумал термин «мультивселенная», правда, для совершенно другого контекста. Только в 1963 году под пером Майкла Муркока, знаменитого английского фантаста, термин получил свое нынешнее значение. В 2003 году шведско-американский космолог Макс Тегмарк предложил классификацию различных типов мультивселенной. Первый тип, основанный на общей теории относительности, предполагает, что размеры пространства, несомненно, значительно больше, чем размеры наблюдаемой Вселенной, то есть сферы радиусом примерно сорок пять миллиарда световых лет. Остальные многочисленные небесные тела расположены за космологическим горизонтом, и если считать пространство бесконечным, то вполне логично предположить существование бесконечного количества различных миров, которые отличаются от нашего распределением материи, но подчиняются тем же законам физики, на основе тех же фундаментальных констант.

Квантовая механика, другая не менее ортодоксальная физическая теория, тоже совместима с концепцией мультивселенных, по крайней мере в той ее интерпретации, которую разработал американский физик Хью Эверетт: он полагает, что результаты некоторых наблюдений нельзя предвидеть и что любое событие – результат веера возможностей, характеризующихся определенной степенью вероятности. По мнению Эверетта, каждой из этих возможностей соответствует своя вселенная.

Визуальная модель мультивселенной, по мнению некоторых физиков, должна быть похожа на нечто вроде пены, в которой каждый пузырь представляет собой образующуюся вселенную. Под воздействием энергетических флуктуаций пузырь может проходить фазу расширения, превращаясь в пространство, обладающее собственной физикой.

Таким образом, если считать, что бросок кости с шестью гранями соответствует некоему квантовому состоянию, шесть возможных позиций, в которых окажется кость после броска, соответствуют шести разным вселенным.

Теория хаотической инфляции предполагает, что пространство в целом расширяется. Это похоже на пузыри воздуха внутри поднимающегося теста. Пузыри образуются в пространстве и являются зародышами вселенных первого типа в классификации Эверетта. Некоторые из них в результате различных спонтанных нарушений симметрии обретают иные физические константы. Эта воображаемая конструкция не поддается проверке и таким образом оказывается вне области действия научных методов. Но она позволяет ответить на один из самых мучительных вопросов физики – почему фундаментальные константы будто специально скорректированы именно таким образом, чтобы эволюция нашего мира привела к разумной жизни? А в мире множественных вселенных образование обитаемого мира было бы банальным событием, и не было бы ничего удивительного в том, что одна из вселенных, та, в которой мы живем, обладала бы физическими константами, позволяющими зародиться разумной жизни.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10–35 секунд после начала расширения)

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Начало расширения

Большой взрыв

Общая теория относительности Эйнштейна позволила построить модель Вселенной, которая в самом начале своего развития была очень горячей и очень плотной. Большой взрыв у истоков Вселенной уже давно не вызывает споров в научном мире.

Для построения физической модели Вселенной астрофизики использовали общую теорию относительности, сформулированную в 1915 году Альбертом Эйнштейном. В 1922-м русский математик Александр Фридман, изучая теорию относительности, увидел вытекающую из нее возможность изучения структуры Вселенной в целом. В том же 1922 году, а потом и в 1924-м, он описал в своих работах такое развитие Вселенной во времени, которое предполагало изначальное состояние сингулярности. К тому же выводу в 1927 году пришел и бельгийский астроном и священник Жорж Леметр – он заявил в 1929-м, что разбегание спиральных туманностей, открытое американским астрономом Эдвином Хабблом, является результатом расширения Вселенной.

Любое расширение предполагает некое начало. Чтобы его описать, в 1930-х годах Леметр предположил, что материя, пространство и время возникли из единственного «первичного атома», и эта модель стала предшественницей теории, известной как «теория Большого взрыва». Авторство термина принадлежит британскому астроному Фреду Хойлу, который впервые произнес это название во время радиопередачи ВВС The Nature of Things (Природа вещей). Будучи сторонником стационарной и вечной Вселенной, он на самом деле попытался пошутить над конкурирующей теорией, но создал «звездное» слово для астрономического словаря. Термин прижился, хотя он и не точен: Большой взрыв, по сути, не был взрывом, разбросавшим материю во всех направлениях и заполнившим ею некую первичную пустоту. Это само пространство начало внезапно расширяться с течением времени, увеличивая расстояния между объектами и увлекая их за собой в процессе расширения.

Тем не менее это выражение теперь обозначает общепринятую теорию, объясняющую три объективно доказанных результата независимых наблюдений:

• чем дальше находятся далекие галактики от наблюдателя, тем быстрее они от него удаляются: в самом начале Вселенная была более плотной и более горячей, подобно газу, нагревшемуся при сжатии;

• пропорциональное содержание гелия (8 %, судя по имеющемуся количеству атомов этого элемента) одинаково во всей Вселенной; отсюда можно сделать вывод, что Вселенная пережила фазу, во время которой плотность и температура были достаточно высокими, чтобы способствовать синтезу этого элемента;

• фоновое излучение, обнаруженное на миллиметровых волнах, свидетельствует об эпохе огромной плотности и высоких температур в самом начале существования Вселенной.

Теория Большого взрыва базируется на этих трех столпах и еще двух важных гипотезах: универсальности физических законов; изотропности (у нее нет центра) и однородности (ее плотность примерно одинакова повсюду) Вселенной в очень больших масштабах.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Начало расширения

Почему наше небо ночью черное?

Парадокс Ольберса: «B бесконечной однородной в пространстве и времени Вселенной всякий луч зрения должен упираться в звезду – так почему же наше небо ночью черное?»

Астрономы Возрождения, опровергнув аристотелеву модель сферы, на которой «неподвижно закреплены» звезды, предположили, что светила находятся в гораздо более внушительном, практически бесконечном пространстве, и немедленно столкнулись с парадоксом, который преследовал их еще несколько веков. И в самом деле, если считать, что количество звезд бесконечно, то взгляд, куда ни посмотри, должен был бы упираться в светящуюся точку. И небесный свод должен был бы излучать ослепительный свет, такой же яркий, как звездная поверхность, как поверхность Солнца! А ночное небо практически черное…

Одним из первых этот парадокс сформулировал знаменитый астроном из Вюртемберга Иоганн Кеплер. И он воспользовался им как аргументом для опровержения идеи бесконечности Вселенной, которую незадолго до этого доказывал итальянский монах-доминиканец Джордано Бруно, утверждавший, что Вселенная не имеет ни центра, ни окружности. В XVIII веке, когда научный мир вовсю рассуждал о бесконечности, швейцарский математик Жан-Филипп Луи де Шезо провел первый серьезный анализ свойств Вселенной, в которой могло бы светиться бесконечное количество звезд. В 1826 году немецкий врач Генрих Ольберс вновь сформулировал эту проблему в более доступной форме, опираясь на понятие «луча зрения». Он пришел к тому же парадоксальному вопросу: почему ночью небо черное?

В бесконечном космосе, где звезды светят вечно, любой взгляд, материализованный на фото в виде лазерного луча, испускаемого из башни телескопа VLT в Чили, должен был бы непременно упереться в звезду

Два десятилетия спустя американский писатель и поэт Эдгар По, крупная фигура американского романтизма, написал «Эврику»[1], большую поэму в прозе, в которой он изложил основы космологических концепций. Именно в этом произведении, опубликованном в 1848 году, По дал первое правдоподобное решение парадокса Ольберса, предположив, что у Вселенной существует конечный возраст. Ведь свет распространяется с конечной скоростью – это было установлено еще в 1676 году. По также показал, что, если бы даже размеры Вселенной и были бесконечны, с Земли можно было бы наблюдать лишь конечное число звезд. И это количество наблюдаемых звезд столь невелико, что вероятность попадания случайного луча зрения с Земли на звезду довольно мала.

Теория Большого взрыва также предполагает, что Вселенная началась в определенный, конечный момент в прошлом, и таким образом дает аналогичное решение парадокса Ольберса. Более того, из нее можно сделать заключение о существовании когда-то довольно неожиданного феномена: поскольку Вселенная расширялась из очень горячего состояния, то упомянутое выше реликтовое излучение, которое в наше время скромно спряталось в миллиметровый диапазон длин волн, в эпоху рекомбинации, то есть тринадцать миллиарда восемьсот миллионов лет назад, было в тысячу миллиарда раз интенсивнее. Тогда все небо сияло как одно огромное Солнце.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Начало расширения

Квантовая гравитация

Физические параметры первых мгновений существования Вселенной столь экстремальны, что для их описания нужно по идее объединить две доселе остающиеся несовместимыми теории – общую теорию относительности и квантовую механику.

Все события, происходящие во Вселенной, протекают посредством взаимодействий, относящихся к «фундаментальным», то есть таким, которые нельзя разложить на более базовые взаимодействия. И каждое проявляется в виде сил, тоже именуемых «фундаментальными». Перечисляя в алфавитном порядке, можно назвать следующие виды взаимодействий: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Если же попытаться ранжировать их по относительной интенсивности, то можно увидеть среди фундаментальных взаимодействий крайнее разнообразие: на шкале интенсивности, в которой гравитация равна 1, слабое взаимодействие будет иметь масштаб 10^25 (число записывается в виде единицы с двадцатью пятью нулями), электромагнетизм – 10^36, а сильное взаимодействие – и вовсе 10^38!

Физики представляют фундаментальные взаимодействия в виде обмена частицами, играющими роли «посланников»; например, в электромагнитном взаимодействии такими посланниками служат фотоны. Хорошо нам знакомые гравитационное и электромагнитное взаимодействия работают на больших расстояниях. Посланниками для них служат частицы с нулевой массой и нулевым зарядом. Сильное и слабое взаимодействия работают на очень небольших расстояниях, ограниченных размерами атомных ядер. Их посланники обладают массой и даже зарядом. Гравитация – настолько слабое взаимодействие, что оно не действует на уровне частиц; для нее необходимы гораздо более внушительные массы.

Поэтому совершенно не удивительно, что теория гравитации, которой, по сути, является общая теория относительности, одна из самых успешных физических теорий, описывает мир огромных объектов – планет, звезд и галактик. И наоборот, когда речь идет о бесконечно малых масштабах, приходится использовать квантовую механику, которая описывает три фундаментальных взаимодействия атомного и субатомного уровня.

Физики из самых известных лабораторий нашей планеты сегодня чувствуют себя весьма неуютно, когда речь заходит о разработке теории, способной описать первые моменты существования Вселенной, когда объединились две бесконечности и четыре вида взаимодействий. Примирить двух враждующих сестер, общую теорию относительности и квантовую механику, чрезвычайно трудно. Попыток было немало, о чем свидетельствует пышный букет теорий, разработанных исследователями, пытавшимися провести «Великое объединение»: супергравитация, теория суперструн, петлевая квантовая гравитация…

Однако создание теории квантовой гравитации, которая позволила бы прийти к такому консенсус, натыкается на серьезное препятствие: ее масштабы энергий и расстояний все еще слабо доступны для технологических методов, которые есть в распоряжении у экспериментаторов. Подобную теорию пока невозможно проверить!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Планковская эпоха (5 · 10–44 секунд после начала расширения)

5 · 10–44 секунд после начала расширения

Планковская эпоха

Плотность и температура в этой фазе существования Вселенной были столь высоки, что теория относительности просто не действовала – ее место занимала теория квантовой гравитации, которая до сих пор окончательно не сформулирована и продолжает изучаться.

В 1899 году немецкий физик-теоретик Макс Планк выступил в Академии наук Пруссии с докладом, в котором предложил собственную систему единиц измерения, созданную на основе одних только фундаментальных физических констант. Для построения этой системы «естественных» единиц Планк использовал гравитационную постоянную, скорость света в вакууме (которая позже сыграет ключевую роль в теории относительности Эйнштейна) и константу, которая впоследствии будет названа в его честь и станет одной из основ теории квантовой гравитации – постоянную Планка. Исходя из этих базовых постоянных, значение каждой из которых было принято равным единице, удалось, к примеру, получить значение единицы времени. Планковское время, обозначаемое tP, оказалось равным примерно 5 · 10–44 секунд. Это самая маленькая мера времени, обладающая физическим смыслом.

В честь великого немецкого физика космологи назвали сверх период, наступивший сразу после Большого взрыва, планковской эпохой – ее продолжительность имеет тот же порядок, что и планковское время. В отсутствие законченной теории квантовой гравитации описать физические законы, действовавшие в этот период невозможно, так же как и определить его точную продолжительность. Ясно только, что в этот период, который был не длиннее планковского времени, не существовало самих понятий времени и пространства. Пока ученые ограничиваются упоминанием «квантовой пены», первичного тумана, в котором четыре главных природных силы были объединены в некое фундаментальное взаимодействие.

Отсутствие физического языка для описания этого состояния материи создает барьер (планковскую стену), который не позволяет исследовать первые мгновения существования Вселенной. Тем не менее космологи, похоже, вот-вот получат в свое распоряжение вероятное свидетельство, которое сможет помочь им преодолеть эту стену: эхо гравитационных волн. Астрофизики стремятся обнаружить его следы в реликтовом излучении. В 2014 году группа американских исследователей опубликовала в знаменитом журнале Nature результаты наблюдений реликтового излучения по программе BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). В полученных данных, казалось, обнаружились следы, оставленные первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении. Вскоре, однако, измерения, выполненные европейским космическим зондом «Планк», показали, что это были всего лишь следы межзвездной пыли. К концу 2030-х годов планируется запуск специальной космической обсерватории, чтобы обнаружить первичные гравитационные волны, собрать информацию о планковской эпохе и первых мгновениях развития Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Квантовая гравитация (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Регистрация гравитационных волн (2016)

Регистрация гравитационных волн в космосе (2035)

10–35 секунд после начала расширения

Инфляция

Вероятно, именно благодаря фазе ускоренного расширения Вселенная обрела достаточно внушительные размеры, а наблюдаемая ее часть стала удивительно однородной, изотропной и плоской.

Всматриваясь в небо со всех возможных точек, астрономы убедились, что наблюдаемая ими Вселенная не только однородная и изотропная, но также пространственно-плоская. Однородность Вселенной означает, что на больших масштабах плотность материи в ней всюду примерно одинакова. Изотропность предполагает, что, аналогично, на очень больших масштабах структура наблюдаемой Вселенной повсюду идентична, каким бы ни было направление луча зрения. Другими словами, у Вселенной нет центра. А выражение «плоская Вселенная» значит, что на любых масштабах сумма углов треугольника равна ста восьмидесяти градусам – будь Вселенная, к примеру, сферической, это было бы не так. Наблюдения того же реликтового излучения, называемого еще «космическим микроволновым фоном», которые недавно были выполнены европейским космическим зондом «Планк», подтвердили все три характеристики.

Однако, чтобы эти выводы согласовывались с теорией Большого взрыва, следует допустить, что сразу после планковской эпохи за ничтожно малую долю секунды размер Вселенной с огромной скоростью увеличился в невероятно огромное количество раз: 10^50 (единица с пятьюдесятью нулями!). В результате этого мощного раздувания – инфляции – микроскопический объем однородной первичной Вселенной увеличился до огромных размеров, гораздо больших, чем те, в которых мы способны наблюдать ее сейчас. И она не стала при этом менее однородной. Космическая инфляция определила и плоский характер Вселенной, напоминающей надуваемый воздушный шар. Вначале такой шар имеет вполне явную кривизну, но чем больше он раздувается, достигая, к примеру, размеров нашей планеты, тем существеннее сглаживается кривизна, почти исчезая под конец. Ведь и Земля нам кажется плоской, когда мы на ней стоим?

Растягивание пространства до гигантских масштабов удаляет из него все следы кривизны; кроме того, это потрясающее раздувание вымывает из него и все признаки анизотропии. Вдобавок во время фазы инфляции крошечные квантовые флуктуации, действовавшие в микроскопических исходных объемах, тоже приобретают космические масштабы. Запечатлевшись навсегда в реликтовом фоновом излучении, эти флуктуации несли в себе зародыши будущих гигантских структур мироздания. Для подобных результатов необходимо, чтобы первичная Вселенная находилась под действием некоего ускоряющего фактора – чего-то вроде «темной энергии», ответственной за обнаруженное космологами в конце ХХ века ускорение расширения Вселенной. Эта ускоряющая сущность, обладающая огромной плотностью энергии, должна была распасться на частицы, ознаменовав таким образом конец стадии инфляции и рождение материи.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Планковская эпоха (5 · 10–44 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

10–12 секунд после начала расширения

Возникновение материи

Из квантового вакуума возникла материя, состоящая из частиц, в том числе и из частиц темной материи, – эти процессы могут быть воспроизведены на крупнейших ускорителях нашей планеты.

До окончания инфляции пространство остается пустым, в квантовом смысле этого термина. Тем не менее его постоянно бороздят группы виртуальных частиц, возникающих из небытия, чтобы немедленно туда же и вернуться. Огромное количество энергии, выброшенное в пространство к концу эпохи инфляции, используется виртуальными частицами для выхода в реальный мир – вместе с античастицами. Все эти частицы вовлекаются в безумную пляску, в которой за всяким актом материализации тут же следует обратный процесс аннигиляции.

Среди частиц, возникающих в вакууме, присутствуют и частицы знакомой нам материи, те, из которых созданы звезды и люди и которые прекрасно описываются стандартной моделью физики частиц. Стандартная модель позволила сделать огромный шаг в количественном понимании бесконечно малого, однако для объяснения многих феноменов Вселенной физикам необходима и другая форма материи, которую они назвали темной.

В основном эта темная материя вступает в гравитационные взаимодействия, играя роль дополнительного невидимого, но преобладающего элемента, смешанного с нашим чисто атомным миром, и служащего связующим и стабилизирующим звеном для крупных структур. Несомненно, было бы более уместным назвать эту материю «невидимой» либо «прозрачной»…

Темная материя, чтобы сыграть все назначенные ей физиками роли, должна по идее состоять из массивных частиц, нечувствительных к воздействию электромагнетизма (иначе темная материя не была бы невидимой) и сильного взаимодействия (иначе частицы темной материи перегрузили бы ядра атомов).

Ни одна из частиц стандартной модели не соответствует этим условиям. Таким образом, физикам пришлось обратиться к гипотетическим частицам, которые получили нежное имя WIMP (от англ. Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы). Физики полагают, что наилучшим кандидатом на звание вимпа может стать нейтралино – нейтральная, массивная и стабильная частица, чье существование предсказано теорией суперсимметрии, согласно которой каждой частице стандартной модели соответствует гораздо более массивный аналог. Физики, занимающиеся исследованием микрочастиц на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), где происходят самые мощные столкновения частиц в мире, уже показали верность этого предположения, открыв бозон Хиггса, краеугольный камень стандартной модели. И они по-прежнему надеются исследовать темную материю, создав ее искусственно, но пока это не получается. Природа темной материи – одна из редких загадок физики, которая не поддается решению уже более трех четвертей века…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10–35 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения)

10–9 секунд после начала расширения

Первичный хаос

Барионная составляющая материи находится в состоянии чего-то типа супа, в котором кварки, антикварки и глюоны бешено мечутся в беспрерывном клокотании аннигиляций и материализаций.

После невероятной фазы инфляции Вселенная замедляет скорость расширения до гораздо более скромных значений, уже вполне сравнимых с теми, которые будут действовать в последующие миллиарды лет. Вселенная одновременно продолжает остывать, но ее температура все еще выше тысяч миллиарда градусов. Барионная составляющая материи находится в состоянии, называемом «кварк-глюонной плазмой». Термин «плазма» применяется здесь по аналогии с облаками электронов, в которых плавают ионы и атомные ядра, образующиеся, к примеру, в пламени или во время удара молнии.

Эта плазма, получается, состояла только из элементарных частиц стандартной модели (кварки и антикварки), подвергавшихся сильному ядерному взаимодействию, носителями которого служат глюоны. В менее экстремальных физических условиях кварки навсегда «засунуты» внутрь либо стабильных (таких, как протоны или нейтроны), либо нестабильных (таких, как пионы) частиц. Однако этот первичный суп был настолько горяч, что термическое возбуждение оказалось мощнее пут сильного взаимодействия: кварки, антикварки и глюоны не были ничем ограничены и действовали практически свободно. Кварк-глюонная плазма – это Грааль физиков, изучающих микрочастицы; она царила во Вселенной сразу после Большого взрыва, сейчас же ее можно обнаружить только в недрах сверхплотных звезд.

Лучшим способом исследовать ее свойства было бы создать ее искусственно. Чтобы получить такую плазму, надо сверхплотную материю подвергнуть сверхвысоким температурам (более тысячи миллиарда градусов). Физики считают, что подобные экстремальные физические условия возникают при столкновении массивных атомных ядер (например, ионов свинца), несущихся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Подобные условия создаются как раз в ходе экспериментов на детекторе ALICE (A Large Ion Collider Experiment), установленном на одной из четырех точек столкновений пучков Большого адронного коллайдера. В экспериментальной установке ALICE задействовано сложное устройство, способное собирать и фиксировать данные об изменении физических параметров сталкивающихся массивных ионов. Изучая многочисленные частицы (почти двадцать тысяч), образующиеся при столкновении ионов свинца, физики исследуют эфемерную кварк-глюонную плазму, которая возникает во время столкновения, и таким образом пытаются понять процесс образования барионной материи на заре существования Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10–35 секунд после начала расширения)

Возникновение материи (10–12 секунд после начала расширения)

10–6 секунд после начала расширения

Материя побеждает антиматерию

Вселенная уже достаточно охладилась, чтобы кварки, антикварки и глюоны начали связываться друг с другом, образуя протоны и их античастицы – основные кирпичики материи.

За одну миллионную секунды после Большого взрыва температура Вселенной снизилась настолько, что стала недостаточной для сохранения барионной составляющей материи в виде кварк-глюонной плазмы. И победило сильное взаимодействие, связав кварки между собой и образовав композитные частицы, мезоны и барионы – последние состоят из трех кварков. Самые известные из этих элементарных частиц – протоны и нейтроны, из них состоит вся видимая часть Вселенной (в отличие от темной материи). Но поскольку каждой электрически заряженной частице соответствует противоположно заряженная античастица такой же массы, сформировалось и огромное количество антибарионов, которые только и ждали, как бы встретиться со своими двойниками. Встреча бариона с антибарионом вызывает их немедленную взаимную аннигиляцию, процесс, высвобождающий энергию массы двух барионов в виде фотонов или иных частиц.

Период образования барионов – бариогенез – ознаменовал период мощной аннигиляции. Обратная реакция, во время которой фотон материализовал пару протон – антипротон, создавала равновесие потерь до тех пор, пока фотоны обладали достаточной для этого энергией. Однако, поскольку расширение понижало среднюю энергию фотонов, в процессе материализации их образовывалось все меньше и меньше, в то время как аннигиляция продолжалась в том же неутомимом ритме. Барионы могли бы исчезнуть полностью, если бы асимметрия законов физики не нарушила равенство первичного хаоса. Оказалось, что в нем насчитывался миллиард и один кварк с одной стороны и миллиард антикварков с другой.

Условия, обеспечивающие подобное состояние небольшого преобладания материи над антиматерией, были окончательно сформулированы в 1967 году русским физиком Андреем Сахаровым. В начале 1960-х годов он создал концепцию водородной Царь-бомбы, самого мощного оружия массового поражения из когда-либо существовавших, но потом резко изменил направление своих исследований в области теоретической физики и стал заниматься космологией – задолго до того, как начал бороться за права человека, гражданские свободы и реформы в СССР…

Незначительный дисбаланс между барионами и антибарионами привел к тому, что последние практически исчезли в ходе аннигиляции – их осталось не более одной миллиардной от первичного количества. Через секунду после Большого взрыва аналогичный процесс привел практически к полному исчезновению антиматерии: расширение способствовало тому, что энергия фотонов опустилась ниже порога, необходимого для производства пар электрон – позитрон, вызвав полное исчезновение позитронов и оставив лишь небольшую кучку электронов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Первичный хаос (10–9 секунд после начала расширения)

Антиматерия в центре Галактики (–24 650)

3 минуты после начала расширения

Образование гелия

Вселенная достаточно плотна и горяча для начала процесса первичного нуклеосинтеза – протоны и нейтроны начинают слипаться, образуя ядра атомов гелия.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная была очень плотной и очень горячей средой, в которой могли выжить только такие элементарные частицы, как нуклоны – протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие, которому они подчиняются, притянуло их друг к другу, образовав скрепленные ядерными силами первые атомные ядра. При этом все частицы эволюционировали в среде, где в изобилии носились фотоны, образовавшиеся в результате только что закончившейся фазы массовых аннигиляций и обладавшие очень большим запасом энергии. Этой энергии было еще вполне достаточно для разрушения самых первых ядер. Однако расширение Вселенной продолжалось, и энергия фотонов постепенно понизилась до значений меньших, чем внутренняя энергия ядер, даже самых неустойчивых – таких, к примеру, как ядро дейтерия, изотопа водорода, в котором соединены протон и нейтрон. Поэтому, когда вновь образующиеся ядра стали устойчивыми, Вселенная превратилась в гигантский реактор ядерного синтеза, и большинство свободных нейтронов постепенно стали частью ядер гелия.

Ядро гелия, как правило, состоит из двух протонов и двух нейтронов – эта структура характерна для гелия-4, одного из самых стабильных изотопов гелия. К началу синтеза во Вселенной на один нейтрон приходилось семь протонов, так как они менее массивны и для их образования нужно меньше энергии. В ходе фазы первичного нуклеосинтеза все свободные протоны оказались связанными, и доля гелия-4 составила примерно 4 % от количества всех ядер. Когда же образование гелия постепенно закончилось, сильное взаимодействие продолжило нуклеосинтез, пытаясь прилепить еще по одному нейтрону к каждому ядру гелия-4, связывая два ядра гелия-4 в один. Однако все ядра, слепленные подобным образом, оказались нестабильны и быстро развалились. Первичный нуклеосинтез на этом вынужденно приостановился, и создание более тяжелых элементов, таких как углерод или кислород, было отложено на более позднее время.

В конце 1940-х годов русский физик Георгий Гамов, эмигрировавший в США, первым предположил, взяв за основу концепцию первоначального атома Леметра, что ядерные реакции могли идти в первичной Вселенной даже на очень ранних этапах. В 1948 году в соавторстве со своим учеником Ральфом Альфером Гамов опубликовал фундаментальную статью о первичном нуклеосинтезе – «Происхождение химических элементов». Гамов внес в список авторов и Ханса Бете. Несмотря на то что этот американский физик немецкого происхождения над статьей почти не работал, Гамов сделал это исключительно ради шуточной игры слов, поскольку три имени физиков (Альфер, Бете, Гамов) напоминали о начальных буквах алфавита: альфа, бета и гамма…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения)

Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)

20 минут после начала расширения

Окончание первичного ядерного синтеза

Распространение атомных ядер по Вселенной замерло до начала образования первых звезд. Вселенная была на 92 % заполнена водородом, на – 8 % гелием; к ним добавилась и щепотка других легких ядер.

В течение каких-то двадцати минут первичный нуклеосинтез заметным образом изменил состав Вселенной. В самом начале этой фазы во Вселенной носились только барионы – композитные частицы из трех кварков, свободные нейтроны и протоны. Эти последние одновременно представляли собой ядра атомов водорода; их можно было бы назвать «водород-1», по имени самого известного изотопа водорода. В самом начале водород-1 преобладал во Вселенной (92 % всех ядер), а затем немного уступил гелию (8 % всех ядер), в основном – разновидности гелий-4.

Пропорциональное содержание гелия, повсюду наблюдаемое во Вселенной и сегодня, представляет собой одно из самых надежных доказательств в пользу теории Большого взрыва. Те процессы ядерного синтеза, которые продолжаются внутри звезд, не могут произвести количества гелия, необходимого для объяснения подобного изобилия.

Помимо гелия-4, первичный ядерный синтез оставил по себе и другие изотопы легких элементов, но в совсем незначительных количествах – например, гелий-3 или литий-7. Больше всего осталось водорода-2 (одна стотысячная). Следует отметить, что водород – единственный элемент, чьи изотопы обладают привилегией иметь собственное название, отличающее их от других элементов: водород-2 именуется дейтерием. Его обилие к концу фазы первичного ядерного синтеза определялось прежде всего плотностью барионов. Измеряя количество дейтерия сегодня, космологи пытаются оценить пропорциональное количество барионов во Вселенной. Однако дейтерий – элемент весьма деликатный: его нестабильность сама по себе повлияла на скорость первичного синтеза гелия, а его быстрый распад в недрах звезд затрудняет измерение его количества.

Ядро дейтерия, состоящее из протона и нейтрона, обладает, по сравнению с водородом-1, двойной массой. Дейтерий, у которого в ядре тоже всего один протон, имеет те же химические свойства, что и водород. Два атома дейтерия без всяких проблем соединяются с атомом кислорода и образуют молекулу воды. Из-за двойной массы ядра дейтерия такая вода называется «тяжелой». Она используется в некоторых ядерных реакторах для торможения нейтронов, которые образуются в результате процессов деления. У замедленных нейтронов больше шансов вызвать реакцию распада и таким образом запустить цепную реакцию. Именно поэтому тяжелая вода казалась такой ценностью в 1940-х годах в нацистской Германии, где ученые проводили ядерные испытания, по счастью тщетные.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

380 тысяч лет после начала расширения

Вселенная становится прозрачной

Первичная среда, лишенная свободных электронов, пропускает излучение, которое наполняет всю Вселенную. Это реликтовое космическое излучение было обнаружено космическим зондом «Планк».

Итак, Вселенная остыла, но ее температура держалась на уровне выше трех тысяч кельвинов еще в течение сотен тысяч лет. Эта первичная среда представляла собой плазму, в которой были смешаны массивные частицы темной материи, атомные ядра и свободные электроны, погруженные в море фотонов. Последние служили носителями электромагнитного поля и вступали в реакции со свободными электронами, которые рассеивали их во все стороны. Средний путь фотона от рассеяния к рассеянию был совсем невелик. Поэтому Вселенная в этой фазе была непрозрачна, напоминая густой туман, в котором свет повсеместно отражается каплями воды.

До того момента, как в результате расширения Вселенной ее температура упала ниже порога в три тысячи кельвинов, фотоны вели себя достаточно агрессивно, разрушая связи, которые электроны пытались завязать с атомными ядрами во время коротких встреч. Температура упала ниже пороговых значений только через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, и только тогда фотоны утратили способность мешать электронам устанавливать длительную связь с ядрами. Первыми образовались атомы лития и гелия, а вслед за ними – атомы водорода. За очень короткое время большинство электронов оказались связанными внутри атомов.

В этом пространстве, где свободных электронов почти не было, фотоны смогли пролетать расстояния большие, чем размеры наблюдаемой Вселенной, и она стала прозрачной. Это внезапное преображение получило название «рекомбинация», хотя оно совершенно не соответствует сути явления – ведь электроны и атомные ядра соединились впервые.

Итак, по Вселенной смогло распространиться излучение, возникшее в момент, который предшествовал рекомбинации: излучение непрозрачной среды, разогретой до температуры выше трех тысяч кельвинов. Основная длина волны этого излучения была равна примерно тысяче нанометров. Длина волны привязана к ткани Вселенной, поэтому она увеличивается по мере расширения пространства. В наше время это излучение обнаруживается на волнах длиной в два миллиметра – такие волны испускает непрозрачное тело, разогретое до температуры около трех тысяч кельвинов. Такое излучение присутствует во Вселенной повсюду в виде фона, и его интенсивность не зависит от направления. Это фоновое излучение несет в себе образ Вселенной в эпоху рекомбинации. До этого все первичное пространство пронизывали акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. После рекомбинации эти колебания прекратились, но их следы позволяют судить о мельчайших фоновых колебаниях температуры, запечатлевших крупномасштабную структуру Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Космологические радиопомехи (1964)

Вселенная упорядочивается

Астрофизики, изучив карту распределения отклонений температуры, созданную с помощью европейского космического зонда «Планк», пришли к выводу, что в эпоху так называемой рекомбинации, ключевой фазы, последовавшей за Большим взрывом и сделавшей Вселенную прозрачной, пространство было поразительно однородным. Современную Вселенную на очень больших масштабах тоже можно считать однородной, но в рамках небольших объемов это вовсе не так. Последние астрономические открытия показали, что во Вселенной огромные структуры граничат с не менее огромными бездонными пустотами.

Каким же образом бывший столь однородным спустя четыреста тысяч лет после начала расширения мир стал неоднородным, а материя сконденсировалась в звездах и галактиках, которые, в свою очередь, сформировали скопления и сверхскопления, разделенные огромными пустотами? Астрофизики очень давно пытаются восстановить историю этого процесса. Они неплохо понимают первичное состояние Вселенной, отраженное в данных, собранных зондом «Планк», и ее конечное состояние, о котором рассказывают последние открытия.

Сегодня астрофизики, выполнив с помощью самых мощных на планете компьютеров моделирование процессов, происходивших во Вселенной, могут описать основные этапы развития Вселенной после рекомбинации.

Далее в нашем рассказе мы отбросим хронологическую систему, которой пользовались до сих пор, и вернемся к обычному человеческому календарю. Однако внимание: доказав универсальность и неизменность скорости света, Эйнштейн лишил время свойств абсолюта, которые приписывали этому физическому параметру ученые XIX века. Наша хронология подходит только для землян и ни в коем случае не имеет отношения к идее универсального времени. Если нашу книгу вдруг переиздадут в другой галактике, хронологию событий придется переделать…

13,7 миллиарда лет назад

Темные века

Небольшие флуктуации температуры, наблюдаемые на картах реликтового излучения, свидетельствуют о сгустках сверхплотной материи, которые несли в себе зародыши будущих крупных структур Вселенной.

Когда через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной, она была все еще очень плотной и очень горячей. И она была практически однородной – плотность материи сохранялась почти неизменной в любой точке пространства. Ситуация кардинально отличалась от той, что мы наблюдаем сегодня: Вселенная нынче кажется нам неоднородным нагромождением небесных тел. Галактики, звезды которых плавают в достаточно плотном межзвездном пространстве, соседствуют с зияющей пустотой. Переход от одного состояния к другому, как бы «подростковый» период Вселенной, закончился тогда, когда барионная материя сконденсировалась в процессе образования первых звезд. До этого, в течение двухсот миллионов лет после рекомбинации, во Вселенной царил мрак: по мере охлаждения пространства свет постепенно исчезал, все его источники гасли; именно поэтому этот период получил название «темных веков».

Каким же образом Вселенная умудрилась из примитивного первичного состояния перейти к удивительному разнообразию наших дней? Поразительное многообразие форм присуще прежде всего наблюдаемой материи – барионной, которой во Вселенной не так уж и много. Гораздо в больших количествах повсюду присутствует материя темная, чья природа до сих пор неизвестна. До рекомбинации образование флуктуаций плотности блокировалось взаимодействием между материей и излучением, о чем свидетельствуют наблюдения фонового реликтового излучения. Но стоило ядрам и электронам объединиться в атомы, как сразу появилась почва для образования этих начальных флуктуаций – Вселенная стала нейтральной. Изобилие темной материи привело к тому, что начальные флуктуации плотности быстро начали концентрироваться под влиянием собственной гравитации.

Уплотняясь и коллапсируя, темная материя увлекала за собой барионную. Таким образом, начали формироваться небольшие сгустки размером с карликовую галактику. Переварившись в тигле темной материи, барионная материя концентрировалась и одновременно фрагментировала, образуя звезды. Они начинали светиться, и по Вселенной поплыли волны ультрафиолетовых излучений, готовых вновь снять шкурку с атомов, остававшихся нейтральными после рекомбинации. Началась настоящая реионизация среды, распространявшаяся от одного атома к другому. Темные века закончились примерно через двести миллионов лет. Вселенная пришла в состояние, в котором мы ее знаем, и для него характерно огромное разнообразие звезд.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возникновение материи (10–12 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

13,7 миллиарда лет назад

Образование крупных структур

Компьютерное моделирование позволяет проследить, как из первичных неоднородностей плотности сформировались крупные структуры, и создать модели, очень близкие к реально наблюдаемым.

Большинство космологов полагает, что особенности эволюции Вселенной, начиная с фазы рекомбинации и образования крупных структур, вплоть до наших дней, лучше всего объясняются с помощью предположения о существовании во Вселенной большого количества темной материи. Ее намного больше, чем материи барионной; она предположительно состоит из массивных частиц, движущихся с очень небольшими, по сравнению со скоростью света, скоростями. Цифровое моделирование, применяемое все шире и активнее, позволяет получить весомые аргументы в пользу этого предположения. Эта модель получила название «холодной темной материи», и оно связано с предположением о низкой скорости движения ее частиц.

Когда развитие физической системы необходимо описать уравнением, нужно определить ее начальное и конечное состояния. Именно так обстоит дело и со Вселенной, с ее превращениями с момента рекомбинации до наших дней. Для того чтобы определить исходное состояние системы, достаточно обратиться к данным, полученным при наблюдениях реликтового фонового излучения; самые точные данные были получены европейским космическим зондом «Планк». Что же касается конечного состояния, то его можно определить из последних астрономических наблюдений. С помощью цифрового моделирования на самых совершенных компьютерах, какими располагает международное научное объединение Virgo, космологи смогли описать эволюцию Вселенной от момента возникновения мельчайших флуктуаций плотности в эпоху рекомбинации до наблюдаемого тринадцать миллиарда лет спустя состояния, когда материя сконцентрировалась в галактики, сгруппированные в скопления, в узлы гигантской космической сети, разделенные зияющими между ними огромными пустотами.

Финальный результат моделирования коллективом Virgo эволюции вырезанного из Вселенной куба со сторонами длиной более двух миллиардов световых лет. В 2005 году космологи Virgo, используя одно из самых мощных вычислительных устройств на планете, реконструировали эволюцию двадцати миллионов галактик, рассеянных в этом невероятном по объему пространстве.

Моделирование отводит холодной темной материи весьма важное место: получается, что первыми структурами, которые сформировались за сто миллионов лет, стали протогалактики массой порядка ста миллионов солнечных масс. Эти объекты пережили впоследствии череду слияний, приведших к образованию галактик, средняя масса которых достигала ста миллиарда солнечных масс. Британский астрофизик Мартин Рис вместе с другими учеными активно пропагандируют эту гипотезу, получившую название «восходящей эволюции структур», в ходе которой формируются все более и более массивные объекты. Гипотеза, использующая противоположную модель «горячей темной материи» и получившая название «нисходящей эволюции», практически ушла с научных горизонтов еще в 1980-е годы, поскольку она вошла в глубокое противоречие с данными современных астрономических открытий.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возникновение материи (10–12 секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

13,6 миллиарда лет назад

Рождение самой древней из известных звезд

Звезда второго поколения зажглась в одной из протогалактик, сливавшихся друг с другом при образовании будущего Млечного Пути. Это одна из самых древних из всех известных звезд.

Работая в обществе, где всем заправляет логика продвижения личных достижений, ученые больше не стесняются производить сенсации. Они рассчитывают таким образом привлечь внимание организаций, готовых финансировать их исследования. Астрофизики тоже принимают участие в этом соревновании и активно распространяют громкие новости о необычных небесных объектах, таких, например, как первые звезды, которые начали светить еще в темные века. Появление звезд ознаменовало важный поворот в истории Вселенной. Именно внутри них начался синтез химических элементов, разнообразие которых прежде, в эпоху первичного ядерного синтеза, исчерпывалось гелием.

В одной из протогалактик, находившейся в процессе слияния с другими – такие же процессы гораздо позже привели к образованию и нашего Млечного Пути, – сформировалась первая россыпь звезд. Они образовались из газообразных водорода и гелия, единственных элементов, порожденных Большим взрывом. Самые массивные звезды, длительность жизни которых была относительно короткой, обогатили эту среду первыми «металлами», произведенными в их недрах. Астрофизики называют металлами все элементы, отличающиеся от гелия и водорода (хотя с химической точки зрения углерод или кислород к металлам не относятся), а их относительное содержание в газовом облаке именуют «металличностью». Новые поколения звезд формировались в среде, которая характеризовалась очень невысоким уровнем металличности. Наименее массивные из них, с самой длительной продолжительностью жизни, светят нам и в XXI веке. Астрофизики уделяют большое внимание их поиску, поскольку эти звезды с небольшим содержанием металлов представляют собой настоящие живые ископаемые, видевшие начало звездообразования во Вселенной.

В 2014 году международная группа астрофизиков заявила об открытии самой старой из когда-либо наблюдавшихся звезд (ей 13,6 миллиарда лет). Ее обнаружили при сканировании неба в южном полушарии с помощью широкоугольного телескопа австралийской обсерватории Сайдинг-Спринг в Новом Южном Уэльсе. Эта звезда получила номер SMSS 0313–6708. Она расположена на расстоянии около шести тысяч световых лет от Земли и содержит очень мало железа, что и свидетельствует об ее почтенном возрасте. Согласно данным, полученным с помощью одного из двух телескопов «Магеллан» американской обсерватории Лас-Кампанас в Чили, содержание железа в звезде SMSS 0313–6708 по меньшей мере в миллион раз меньше, чем в Солнце! Астрофизики полагают, что эта звезда образовалась в результате взрыва значительно более массивной первичной звезды (массой в шестьдесят солнц).

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование гелия (3 минуты после начала расширения)

Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

13,4 миллиарда лет назад

Галактика уже ярко сияет

В 2015 году астрофизики, сканируя небо в инфракрасном диапазоне, обнаружили галактику, свет от которой, испущенный непосредственно после темных веков, только теперь дошел до нас в своей первозданности.

Через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была электрически нейтральной и уже достаточно холодной для того, чтобы электроны, носители отрицательного электрического заряда, надолго связались с атомными ядрами (в основном в форме водорода и гелия), появившимися в более ранние эпохи и заряженными изначально положительно. Но ситуация вновь перевернулась примерно миллиард лет спустя. Вселенная снова пережила ионизацию, влияние которой проявляется даже в наши дни. Под воздействием разрушительных ультрафиолетовых излучений атомы водорода потеряли все свои электроны, и все ядра вновь стали ионами.

Когда же примерно произошла «реионизация» водорода? Какие источники смогли испустить столь мощные ультрафиолетовые лучи, которым было под силу разорвать на части все атомы водорода во Вселенной? Астрофизики, чтобы найти первые звезды, осветившие темные века ультрафиолетовым излучением, попробовали исследовать самые далекие светила. Для оценки расстояния они использовали данные, связанные с расширением Вселенной, растяжение ткани самого пространства, которое тем более увеличивает длину волны излучения, чем дальше от нас его источник. Это увеличение длин волн называется «красным смещением» (по-английски – redshift) – в видимом спектре самые длинные волны – красные.

В 2016 году международная группа астрофизиков, возглавляемая американцем Паскалем Ойшем, опубликовала результаты наблюдений далекой галактики GN-z11, проведенных в инфракрасном диапазоне Космическим телескопом Хаббла. Эти наблюдения основывались на данных, полученных ранее на самых длинных волнах инфракрасного спектра космическим телескопом Спицера. Именно этот телескоп и обнаружил галактику GN-z11, по размерам в двадцать пять, а по суммарной массе звезд в сто раз меньшую Млечного Пути. Зато эта галактика-эмбрион производит в двадцать раз больше звезд в единицу времени, чем наша. Красное смещение z, которое измерили Ойш и его коллеги, оказалось равным 11,09 – в 2016 году это была самая далекая от нас галактика из всех известных. А тот факт, что она ярко светилась уже через четыреста миллионов лет после Большого взрыва, позволяет сделать вывод, что первые галактики Вселенной, вроде GN-z11, стали основными действующими лицами процесса реионизации.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

13,2 миллиарда лет назад

Катастрофическая смерть первой звезды

Массивная звезда закончила свою короткую эволюцию мощнейшим гамма-всплеском – одним из самых мощных взрывов за всю историю Вселенной.

Не успели астрофизики разделить звезды Млечного Пути на поколение I и поколение II в зависимости от их возраста, как им пришлось ввести в классификацию и поколение III – первых звезд Вселенной. Обнаружить их не удалось, поэтому ученые пришли к выводу, что их жизнь была слишком короткой по сравнению со звездами, которые пришли им на смену. Звезды поколения III должны были быть и более массивными: в среде, лишенной элементов, более тяжелых, чем гелий, существующие модели звездообразования допускают только образование звезд массой в несколько сотен солнечных – слишком массивных для того, чтобы дожить до наших дней.

Непосредственно наблюдать звезды поколения III уже нельзя, однако можно обнаружить те колоссальные всплески гамма-излучения, которые некоторые из них испустили в конце своей довольно короткой жизни. Модель эволюции сверхмассивной звезды предполагает, что через несколько миллионов лет после образования ее ядро может схлопнуться в черную дыру. Окруженная остатками разрушенной звезды, дыра испускает в противоположных направлениях два потока материи, разогнанных до околосветовых скоростей. Истечение этих струй сопровождается самыми мощными всплесками энергии во Вселенной. Во-первых, струи распространяются с огромной скоростью и возникающие в них чудовищные ударные волны порождают мощное гамма-излучение. Во-вторых, в этом процессе формируется и остаточное излучение на всех длинах волн. Однако это излучение быстро ослабевает при взаимодействии с межзвездной средой.

Всплески гамма-излучения бывают настолько яркими, что астрофизики могут обнаружить их на очень больших расстояниях, вплоть до границ наблюдаемой Вселенной. Два телескопа космической обсерватории Neil Gehrels Swift, один из которых работал в диапазоне гамма-излучения, а второй – в рентгеновском диапазоне, засекли 23 апреля 2009 года гамма-всплеск в области галактики GRB 090423 и определили достаточно точные координаты его источника. На основе этих данных международная группа астрофизиков, возглавляемая британцем Найджелом Танвиром, с помощью VLT (англ. Very Large Telescope – Очень Большой Телескоп) определила спектральные характеристики остаточного излучения. Их исследование позволило Танвиру и его коллегам оценить красное смещение GRB 090423. Его величина оказалась огромной (z = 8,2) – это был самый отдаленный всплеск энергии, когда-либо наблюдавшийся учеными. Массивная звезда, ставшая причиной этого всплеска, закончила свое существование на исходе темных веков, в конце периода реионизации.

☛

СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом (7,7 миллиарда лет назад)

12,6 миллиарда лет назад

Появление первых скоплений галактик

Когда Вселенной исполнился миллиард лет, в ней начали образовываться первые скопления галактик. Заглядывая в глубину пространства и времени, астрономы могут наблюдать их формирование.

Основываясь на компьютерных моделях, построенных на гипотезе о темной холодной материи, астрофизики считают, что эволюцию Вселенной можно назвать «восходящей» – Вселенная развивается в направлении образования все более массивных структур. В такой иерархической схеме «от самых маленьких к самым массивным» гигантские скопления галактик становятся наследниками «протоскоплений», постепенно формировавшихся агломераций первичных галактик. Вполне возможно, что в этих протоскоплениях находили прибежище и галактики с так называемым активным ядром, то есть со сверхмассивной черной дырой в центре. Дыра служила точкой аккреции материи из межзвездного пространства; в результате происходили мощные выбросы излучения во всех диапазонах спектра.

В отдаленном уголке космоса, в среде, насыщенной темной и барионной материей, крупная структура может сформироваться путем слияния большого количества скоплений галактик, в свою очередь сформированных в результате последовательных слияний протогалактик. Гигантское протоскопление галактик, общая масса которого составляет как минимум четыреста миллиарда солнечных масс, растягивается на расстояние более сорока миллионов световых лет. Высокая плотность галактик внутри этой огромной структуры приводит к огромному количеству столкновений и поглощений, которые порождают вспышки звездообразования. Протоскопление постепенно растет за счет присоединения новых и новых галактик, в которых начинается образование молодых массивных звезд. В недрах некоторых из этих галактик вполне могут сложиться условия, благоприятные для образования сверхмассивных черных дыр и возникновения активных галактических ядер.

В 2011 году международная группа астрофизиков во главе с американским ученым Питером Капаком исследовала расположенное в созвездии Секстанта скопление активных галактик, все члены которого имели одно и то же высокое красное смещение (z = 5,3). Капак и его коллеги начали сканировать предполагаемое протоскопление в рентгеновском диапазоне с помощью космического телескопа «Чандра», чтобы обнаружить активные ядра галактик – они излучают именно в этом диапазоне. Затем ученые провели такие же исследования на других телескопах, чтобы выявить галактики, в которых образование звезд постепенно угасало. Они вооружились целой батареей телескопов, в числе которых был и космический телескоп «Хаббл», изучая одну галактику за другой и оценивая их красные смещения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

11,8 миллиарда лет назад

Вселенная взрослеет

В возрасте почти двух миллиарда лет Вселенная приобрела вид, достаточно близкий к тому, что мы наблюдаем в XXI веке, – об этом свидетельствуют фотографии дальней Вселенной космическим телескопом «Хаббл».

Через два миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная в основном закончила свою эволюцию. Если сравнить этот процесс с развитием человека, можно сказать, что детство Вселенной пришло к концу, и она вступила в период зрелости. Все основные ее характеристики уже оформились; галактические скопления образовали состоящую из миллиарда галактик гигантскую «паутину» с узлами сверхскоплений в точках пересечения нитей. До этого внешний вид Вселенной менялся очень быстро. За несколько сотен миллионов лет – в астрономической шкале времени это очень период – Вселенная из скучного и однообразного пространства, следы которого сохранились в реликтовом излучении, превратилась в веселенький конструктор, в котором то и дело случаются великие астрономические события. С этих пор эволюция Вселенной проявляется скорее на индивидуальном уровне, на уровне цивилизаций, а в галактическом масштабе, в масштабе Млечного Пути, изменения происходят крайне медленно и постепенно.

Историки, пытаясь выяснить, как выглядела та или иная территория в прошлом, вынуждены работать с весьма редкими письменными источниками. У археологов материалов для работы еще меньше – им достаются лишь случайно попадающиеся там и сям черепки. А вот астрофизики, напротив, имеют возможность воочию увидеть мир таким, каким он был в прошлом.

Изображение сверхглубокого поля Хаббла, созданное из множества снимков, сделанных в период с 2003 по 2012 год многочисленными камерами космического телескопа «Хаббл». Область, которую покрывает снимок на небе, относительно невелика и по масштабам эквивалентна площади, занимаемой почтовой маркой, рассматриваемой с расстояния в двадцать метров!

Для этого им достаточно выбрать на заданной площади небесного свода все звезды, расположенные на определенном расстоянии. Поскольку свет распространяется с известной и конечной скоростью, положение на определенном расстоянии в пространстве, по сути, аналогично нахождению в определенном времени в прошлом. При этом желательно выбирать участок неба, в котором нет слишком ярких звезд Млечного Пути, сияние которых может затруднить наблюдение за менее яркими объектами, расположенными на заднем плане.

С этой целью астрофизики Научного института космического телескопа – специально основанного НАСА учреждения, призванного управлять исследованиями, проводимыми с помощью космического телескопа «Хаббл» – выбрали в южном созвездии Печи небольшой участок небесного свода и назвали его «Сверхглубоким полем Хаббла». Наблюдая за этим участком в течение сотен часов, телескоп смог создать весьма детальную картину постепенного взросления Вселенной. Камеры, работающие в близком инфракрасном диапазоне, позволили обнаружить даже те галактики, чье излучение, слишком сильно смещенное в красную часть спектра, невозможно обнаружить с помощью инструментов, чувствительных к видимой части спектра. В результате ученые получили изображения почти десяти тысяч галактик «ранней Вселенной», находившихся еще на раннем этапе своего развития.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

11,7 миллиарда лет назад

Образование шарового скопления Геркулеса

При слияниях протогалактик происходило активное звездообразование: формировались скопления сотен тысяч звезд. Одним из таких скоплений стало шаровое скопление Геркулеса, которое астрономы-любители просто обожают.

Млечный Путь – Галактика, в которой мы живем, – подчиняется тем же законам, что и остальные галактики. Как и все другие структуры аналогичного размера, она сформировалась быстро и бурно, в результате последовательных слияний более или менее массивных протогалактик. Когда пара протогалактик сближалась, их взаимопроникновение провоцировало соединение облаков межзвездной пыли, которыми были нафаршированы юные галактики. Подобные столкновения вызывали взрывное звездообразование, которое приводило к формированию огромных звездных скоплений, с сотнями тысяч звезд. Самые массивные из них стали жертвами ускоренной эволюции и быстро прекратили свое существование. Выжили самые сбалансированные, самые многочисленные; они продемонстрировали продолжительность жизни, превышающую средний возраст объектов во Вселенной; все они светят и в наши дни. Эти скопления образовались при сильном воздействии гравитации, поэтому они приобрели сферическую или шаровую форму.

Одно из самых известных шаровых скоплений, которое нравится фотографировать астрономам-любителям, находится в созвездии Геркулеса. Его открыл в 1714 году Эдмунд Галлей, обнаружив, что звездной безлунной ночью скопление можно увидеть невооруженным глазом. В июне 1764 года Шарль Мессье, прославившийся как великий охотник за кометами (Людовик XV его даже прозвал «кометным хорьком»), включил его в свой знаменитый каталог, в котором он собрал все известные на тот момент небесные тела самой разной природы, в той или иной степени похожие при наблюдении в телескоп на кометы. С тех пор всем астрономам, как профессионалам, так и любителям, большое скопление Геркулеса известно под именем «Мессье 13». Оно расположено на расстоянии в двадцать две тысячи световых лет от Солнца и включает в себя около миллиона звезд, плотно набитых в сферический объем радиусом около восьмидесяти световых лет. Плотность звездной материи в центре скопления в сотни раз выше, чем наблюдаемая в той части Млечного Пути, где расположено Солнце.

Во второй половине ХХ века группа ученых, самым известным из которых был американский радиоастроном Фрэнк Дрейк, высказала предположение о том, что где-то во Вселенной существуют иные формы разумной жизни. В 1974 году Дрейк решил установить первый контакт с вероятными внеземными цивилизациями и вместе с другим американским астрономом Карлом Саганом предложил отправить в космос радиосообщение с помощью гигантского радиотелескопа Аресибо. Дрейк и Саган решили отправить свое послание в направлении Мессье 13, поскольку именно в этой ближней к нам части Вселенной сконцентрировано наибольшее количество долгоживущих звезд. По их мнению, этот фактор должен был увеличить шансы на то, что послание достигнет ушей или каких-либо других органов чувств представителей иных форм разумной жизни.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

10,8 миллиарда лет назад

Вселенная все еще в три раза горячее

Молекулы окиси углерода, образующие облака межзвездного газа в недрах галактики, возбуждались под влиянием излучения расположенного по соседству галактического ядра.

С момента Большого взрыва прошло три миллиарда лет. Вселенная уже стала значительно более похожей на ту, что мы наблюдаем в наши дни. Все галактики, естественно, погружены в фоновое реликтовое излучение, которое заполняет Вселенную с того момента, как она стала прозрачной. В точности, как сегодня, многие галактики включают в себя огромные облака межзвездного газа, обогащенного в результате звездных взрывов элементами, атомы которых, как, например, углерод и кислород, со временем соединяются в молекулы, к примеру, окиси углерода.

Подобно атомам, молекулы тоже могут переходить из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией. К свойственным атомам электронным уровням энергии добавляются другие, свойственные уже молекулам, например уровни вибрации. Вибрация – следствие того, что связи между атомами в молекуле не являются жесткими, и атомы могут вибрировать относительно друг друга. Для этого необходима энергетическая подпитка, причем достаточно небольшая, – и молекула может перейти в состояние с повышенной энергией.

Именно так и происходит с окисью углерода – его молекулу могут возбудить даже не очень насыщенные энергией фотоны фонового излучения. Как только молекулы окиси углерода из межзвездного газа переходят на уровень энергии чуть выше обычного, они начинают поглощать излучение определенной длины волны, распространяющееся по галактике, а за ним как раз наблюдает астроном. По пути к наблюдателю яркий свет, излучаемый очень активным ядром исследуемой галактики, например квазаром, проходит сквозь межзвездные облака другой галактики, находящейся перед объектом наблюдения. На спектр излучения впереди расположенной галактики накладывается на той же длине волны полоса поглощения окиси углерода, возбужденной фоновым излучением, который распространяется в изучаемой галактике.

Вследствие расширения Вселенной полоса поглощения смещена в сторону красной части спектра. Таким образом, астрофизики могут оценить примерный возраст события, в ходе которого был поглощен свет, а также уровень возбуждения, на котором находились вовлеченные в этот процесс молекулы окиси углерода. С помощью этих данных ученые могут определить и температуру Вселенной непосредственно в момент поглощения света от удаленного квазара молекулой окиси углерода. Именно так ученые смогли доказать, что спустя три миллиарда лет после начала расширения Вселенной ее температура была все еще в три раза выше, чем сегодня… Это потрясающее доказательство реальности Большого взрыва!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

10 миллиарда лет назад

Активное звездообразование

Интенсивность звездообразования во Вселенной достигла максимума. Самые массивные звезды создают потоки газа, обогащенного практически всеми природными химическими элементами.

Со времен формирования наиболее крупных структур во Вселенной и до сегодняшнего дня общий вид Вселенной практически не изменился. Однако на масштабе галактик до состояния равновесия, даже неустойчивого, было еще далеко – оно установилось позднее: история Вселенной была долгой. Добывая данные о зарождении и образовании галактик, астрофизики могут опираться только на анализ испускаемого галактиками излучения. Они исследуют все более древние галактики, излучение которых значительнее смещается в красную часть спектра, поэтому приходится использовать телескопы, чувствительные к инфракрасному излучению. В этой спектральной области наблюдениям препятствуют два явления: атмосфера пропускает инфракрасное свечение только через редкие спектральные окна; естественные тепловые помехи, которые создаются в инфракрасном спектре самим телескопом, накладываются на космический сигнал.

Астрофизики борются с этими трудностями с помощью устройств, охлажденных до очень низких температур. Например, на космической обсерватории «Гершель» Европейского космического агентства (ЕКА) фокальная плоскость помещена в огромный криостат (что-то вроде огромного термоса), который поддерживает очень низкую температуру (четыре градуса по шкале Кельвина). Таким образом, исследователи получают данные, которые меняют их понимание процессов формирования и эволюции галактик. В 2014 году американские астрофизики Пьеро Мадау и Марк Дикинсон проанализировали с помощью различных моделей новые данные и пришли к выводу, что пик звездообразования во Вселенной случился примерно десять миллиарда лет назад.

Звездообразование, подстегиваемое все еще частыми столкновениями галактик, достигает в это время максимальной интенсивности. Самые массивные звезды (массой в несколько солнц), продолжительность жизни которых меньше миллиарда лет, быстро проходят свой эволюционный цикл и выбрасывают в межзвездное пространство огромные облака химических элементов, созданных в их недрах. В безумную пляску вступают и элементы, синтезированные во время взрывов сверхновых, то есть в момент гибели самых массивных звезд, а также некоторых звезд из двойных систем. В недрах галактик постепенно устанавливается равновесие между выброшенным из звездных недр газом из новых элементов и заполнявшим межгалактическую среду газом, лишенным тяжелых элементов. По мере снижения интенсивности звездообразования соотношение элементов постепенно устанавливается в основном на уровне значений, которые измерили в XXI веке: 74 % водорода, 24 % гелия и 2 % других элементов – прежде всего кислорода, затем углерода, неона и железа.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

9,7 миллиарда лет назад

Вселенная и ее постоянные

Химические элементы, образовавшиеся в далеком прошлом Вселенной, доказывают физикам, что константы, лежащие в основе ее структуры, не менялись за последние десять миллиарда лет.

Физическая постоянная – некоторая измеримая величина, которая сохраняет одно и то же значение повсюду во Вселенной и не зависит от времени. Скорость света – одна из самых известных физических постоянных. Она обрела такой статус с тех пор, как Альберт Эйнштейн в 1905 году показал, что она неизменна и не зависит от скорости наблюдателя и источника света. Ее обозначают буквой c, первой буквой латинского слова celeritas («скорость»). Эта универсальная константа представляет собой не просто скорость, то есть расстояние, деленное на время, чье значение зависит от системы единиц, выбранной для ее выражения. Физики так доверяют скорости света, что именно метр определяют в международной системе мер как эталонную единицу длины[2].

Некоторые физики считают, что фундаментальными физическими константами имеют право называться только те, чье значение не зависит от системы единиц.

Такова, к примеру, постоянная тонкой структуры (обозначаемая буквой α), которая используется при описании электромагнитного взаимодействия. Она применяется для характеристики расщепления энергетических уровней в атомах и проявляется в ситуации, когда атомы поглощают свет. Через четыре миллиарда лет после Большого взрыва звездообразование достигло пика. Тучи атомных ядер, созданных в горнилах звезд, распространялись по всей Вселенной. Их было так много, что многие из них попадали под лучи света, испускаемые чрезвычайно яркими квазарами. В результате в спектре последних возникали линии поглощения, сохранившие следы взаимодействия между излучением и материей. Уравнения, описывающие это взаимодействие, и содержат постоянную α.

Таким образом, можно узнать, изменилась ли эта фундаментальная постоянная с течением времени – в этом заставляют сомневаться некоторые теоретические модели, например теория струн. Чтобы проверить неизменность постоянной, индийский астрофизик Хум Чанд и два его французских коллеги в 2004 году проанализировали спектры восемнадцати квазаров (средняя величина красного смещения z = 1,55), полученные с помощью сверхмощного спектрографа и телескопа Куйен – одного из четырех, составляющих комплекс Очень большого телескопа (VLT) на горе Серро-Параналь в Чили. Определив значение константы α с точностью до одной миллионной, Чанд и его группа пришли к выводу, что за последние десять миллиарда лет оно не изменилось! Для подтверждения теории струн придется поискать другие аргументы…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Мультивселенная (До Большого взрыва)

Большой взрыв (Начало расширения)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

8,8 миллиарда лет назад

Образование диска Млечного Пути

Гигантское гало темной материи, окружающее Млечный Путь, способствует концентрации барионной материи и формированию тонкого вращающегося диска красивой спиральной структуры.

Так же как и другие звездные скопления, Млечный Путь – наша Галактика – образовался в результате последовательных слияний протогалактик, сгустков темной материи, возникших в сверхплотных участках первичной Вселенной. Протогалактики включали в себя и барионную материю в виде газа из водорода и гелия. В процессе слияний темная материя собиралась в основном на периферии галактик и сформировала гигантское сферическое гало радиусом в двести тысяч световых лет и массой порядка тысячи миллиарда солнечных. Втянутый внутрь барионный газ сплющился в форме гигантского тонкого диска, вращающегося вокруг своей оси. Общий диаметр диска составляет примерно сто тысяч световых лет, но диаметр его плотной части равен примерно тысяче световых лет. В нем вращаются сотни миллиарда звезд и внушительное количество плотных облаков межзвездного газа, в которых идет звездообразование.

Самой яркой характеристикой диска Млечного Пути служит его спиральная структура. Диск вращается вокруг оси не как твердое тело, не как граммофонная пластинка. За счет чего же тогда удерживается его спиральная структура с расходящимися в разные стороны рукавами? На самом деле рукава возникают не из материи. Они создаются волнами, при прохождении которых возрастает плотность вещества, так называемыми волнами плотности. Это явление можно сравнить с пробками на дорогах, которые постепенно распространяются по магистралям, когда движение становится интенсивным.

Наподобие автомобилей, количество которых увеличивается в месте пробки, межзвездный газ уплотняется при проходе волны плотности и провоцирует рост интенсивности звездообразования. Волна оставляет за собой гирлянду звезд, самые массивные из которых сияют ярко, но кратковременно. Эти волны плотности, вероятнее всего, порождает асимметрия в центре диска (типа перемычки, обнаруженной в центре Млечного Пути).

Формирование диска, обрамленного красивой спиральной структурой, характерно не только для Млечного Пути. Примерно в тот же период через подобные преобразования прошли многие галактики. Еще в XVIII веке астрономы обнаружили на ночном небе светлые пятна более или менее плоской формы. Как мы теперь знаем, это были самые яркие спиральные галактики. Эти наблюдения в 1775 году привели немецкого философа Иммануила Канта к идее, что Вселенная состоит из блуждающих в бездне пространства совокупностей звезд, подобных той, в которую входит Солнце. Он даже отметил, что эти системы должны были бы казаться кругообразными, если смотреть на них сверху, и эллиптическими при взгляде сбоку. Таким образом Кант предвосхитил, не формулируя ее конкретно, идею островных вселенных – спустя столетие этот термин предложил немецкий географ Александр фон Гумбольдт.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

7,7 миллиарда лет назад

Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом

В наблюдаемой Вселенной ежедневно взрываются ядра миллиона массивных звезд, но только один взрыв из миллиона сопровождается выбросом мощного потока гамма-излучения.

Гамма-всплеск происходит в момент, когда разрушенное ядро массивной звезды выбрасывает материю в виде двух противоположно направленных струй, которые распространяются со скоростью, близкой к скорости света, и когда эти струи одновременно разрушают звездную оболочку (один случай на миллион). Название этого явления связано с потоком направленного излучения, возникающего внутри выброшенной материи, наиболее интенсивны в нем гамма-лучи, хотя в потоке этого излучения присутствуют и световые, и рентгеновские волны.

Эти два направленных луча, очень узких и мощных, пронизывают всю Вселенную. Угол их распространения совсем небольшой (всего несколько градусов), и поэтому шанс, что они когда-нибудь достигнут Земли, всего один на тысячу. Вычислить эту вероятность очень просто: если ежедневно взрывается примерно миллион звезд, то они порождают тысячу пучков гамма-лучей; один из них теоретически может достичь Земли. Сканируя видимый небесный свод, обсерватории ежедневно регистрируют один-два гамма-всплеска. Если наблюдатель находится прямо на оси пучка излучения, там, где оно имеет максимальную интенсивность, всплеск ощущается заметно сильнее. Но такая ситуация случается довольно редко – не чаще одного раза в год!

Например, в далекой галактике взрывается ядро массивной звезды. Она выбрасывает два направленных пучка излучения, один из которых направляется к Земле и долетает до нее семь с половиной миллиарда лет спустя. Подобное явление, обозначенное кодом GRB 080319B, наблюдалось в 2008 году и было зарегистрировано как мощный гамма-всплеск. Астрофизикам повезло: они смогли наблюдать его даже в видимой части спектра с помощью прибора с широкоугольным объективом. Излучение было столь ярким, что его можно было увидеть и невооруженным глазом, если смотреть в нужный момент в определенном направлении. А произошло это событие, когда Вселенной было только шесть миллиарда лет!

Гамма-всплески имеют столь невероятную мощность и светимость, что их следует считать катастрофами колоссального масштаба. Если бы событие типа GRB 080319B произошло, к примеру, на расстоянии в десять тысяч световых лет от Солнца и один из пучков излучения попал бы непосредственно в Солнечную систему, на нашу несчастную планету обрушился бы энергетический удар, сравнимый со взрывом миллионов ядерных бомб Хиросимы! Такое количество энергии вызвало бы серию глобальных катастроф, одна страшнее другой. Защитный озоновый слой моментально разрушился бы, чудовищные ударные волны сотрясли бы атмосферу, по всей Земле разгорелись бы пожары, мощные ураганы начали бы сносить все на своем пути…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Катастрофическая смерть первой звезды (13,2 миллиарда лет назад)

6,8 миллиарда лет назад

Ланиакея, наше сверхскопление

Млечный Путь влился в звездное скопление Ланиакея, один из огромных центров гравитационного притяжения, к которому стекаются галактики и скопления галактик, заполняющие наш уголок Вселенной.

Галактики, большинство которых сформировалось менее чем за два миллиарда лет после Большого взрыва, распределены в пространстве далеко не случайным образом. Они служат настоящими кирпичиками Вселенной, из них состоит гигантская сеть ветвей и нитей, пронизывающих пустоту. Основой этой структуры, канвой распределения материи во Вселенной, служит в основном темная материя. С того момента, когда Вселенная стала прозрачной и однородной, она быстро эволюционировала и по окончании Темных веков преобразовалась в систему огромных пустот, окруженных сверхплотными структурами, создающими гравитационное притяжение невероятной силы.

Аналогично тому, как на Земле вода течет по рекам и притокам с высоты водоразделов, галактики и звездные скопления стекаются по направляющим космической сети и создают узлы «галактических сверхскоплений». Это название впервые употребил французский астрофизик Жерар де Вокулер для обозначения самых крупных из известных в настоящий момент образований во Вселенной. В гидрологии линия водораздела разделяет бассейны разных рек. В астрофизике дело обстоит похожим образом: линия, разделяющая два гравитационных бассейна, служит границей между сверхскоплениями. Чтобы обнаружить эту границу в мире галактик, надо прежде всего рассчитать скорость их движения, скорректировав наблюдаемую скорость смещения с помощью поправки на космическое расширение.

Именно таким методом в 2014 году четверка астрофизиков – американец Ричард Брент Талли, француз Элен Куртуа и Даниэль Помареда и израильтянин Иегуда Хоффман – рассчитали размеры, структуру и динамику нашего сверхскопления, которое они назвали Ланиакея (от англ. Laniakea, в переводе с гавайского – огромный небесный свод). Сверхскопление образовалось тогда, когда Вселенная достигла примерно середины своего сегодняшнего возраста, и протянулось на пять миллионов световых лет; его масса – сто миллионов миллиарда солнечных. Ланиакея включает в себя тринадцать галактических скоплений, каталогизированных в 1958 году калифорнийцем Джорджем Эйбеллом. Астрофизик создал свой каталог на основе тысяч фотографий, снятых камерой Шмидта (широкоугольный телескоп с корректирующим зеркалом) на горе Паломар в США. Ланиакея включает в себя структуру, ранее называвшуюся сверхскоплением Девы, частью которого является Млечный Путь. Если считать, что Земля – это наш дом, Солнечная система – наш город, то Галактика – это наша страна, а Ланиакея – континент.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13, 7 миллиарда лет назад)

5,2 миллиарда лет назад

Столкновение в Местной группе галактик

Слияние двух галактик Местной группы породило длинный шлейф звезд, некоторые из которых сгруппировались в две карликовых галактики в окрестности Млечного Пути.

Термин «Местная группа» был впервые использован в 1936 году Эдвином Хабблом – он назвал так группу галактик, к которой принадлежит и Млечный Путь. Местная группа состоит примерно из шестидесяти галактик и представляет собой довольно скромное галактическое скопление. Оно имеет форму гантели, растянувшейся на десять миллионов световых лет. Своей формой скопление обязано двум самым крупным образованиям – Млечному Пути и туманности Андромеды, известной также под именем Мессье-31. Каждая из этих крупных галактик окружена собственной системой карликовых галактик-спутников. Кроме того, в Местную группу входит и третья галактика, обладающая спиральной структурой, – галактика Треугольника, или Мессье-33.

Эволюция Местной группы, похоже, была весьма бурной, как и у других крупных скоплений, – если верить компьютерным моделям, с помощью которых ученые пытаются восстановить прошлое на основе наблюдений Мессье-31. Через пять миллиарда лет после Большого взрыва Местная группа включала, помимо будущего Млечного Пути, две довольно крупные галактики, одна из которых была в три раза массивнее другой. Они подошли друг к другу настолько близко, что попали в сети взаимного гравитационного притяжения. Через четыре миллиарда лет па-де-де галактик закончилось столкновением, хотя этот термин не совсем подходит к тому, что произошло.

В обеих галактиках расстояния между звездами настолько велики, что прямые удары практически исключены. Правильнее было бы говорить о взаимопроникновении, или даже о слиянии. Модели показывают, что к окончанию процесса слияния две галактики превратились в одну. В наши дни она носит имя Мессье-31, или туманность Андромеды.

Через восемь миллиарда лет после Большого взрыва в этом слиянии наступил решающий момент. Под влиянием сил гравитационного притяжения, так называемых приливных – этот термин используется по аналогии с океанскими приливами, возникающими в результате действия тех же сил, – образовался длинный шлейф из звезд. Одни звезды оказались в сфере влияния новой большой галактики, получившейся в результате слияния. Другие, наоборот, ускользнули из ее объятий и сформировали две неправильной формы галактики, которые понеслись с такой скоростью, что через некоторое время они вновь оказались неподалеку от Млечного Пути. Астрофизики полагают, что эти карликовые галактики, известные сегодня под именем Магеллановы Облака, стали спутниками нашей галактики.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Мессье-32 вливается в Андромеду (800 миллионов лет назад)

4,8 миллиарда лет назад

Расширение Вселенной ускоряется

Ускорение Вселенной, которое заметно замедлилось к окончанию фазы инфляции, вновь растет под усиливающимся влиянием темной энергии.

Видимый блеск звезды обратно пропорционален квадрату расстояния до нее. Абсолютная светимость некоторых типов небесных тел хорошо известна – это количество энергии, которую они выделяют в виде света. Применение простого правила трех точек позволяет оценить расстояние до небесных тел с известной светимостью – астрономы назвали их «стандартными свечами». Астрофизики располагают целым набором таких небесных тел. Во главе списка – переменные пульсирующие звезды-цефеиды, ставшие объектом исследований еще в начале ХХ века. Их изучала американка Генриетта Ливитт на примере Малого Магелланова Облака. Однако для изучения объектов, расположенных в глубоком космосе, астрофизикам приходится вычислять красное смещение дальних звезд, которое позволяет оценить расстояние до них на основе современной модели Вселенной.

Определение красного смещения стандартных свечей может служить одним из способов ограничения разнообразия различных моделей Вселенной. Для того чтобы быть видимой на очень большом расстоянии, надо быть очень яркой свечой. В конце ХХ века некоторые астрофизики решили, что в качестве таких объектов могут пригодиться термоядерные сверхновые. В двойной системе звезд, из которых одна является белым карликом, создаются порой такие условия, что карлик стягивает на себя внешние оболочки своего компаньона. В этом случае масса карликовой звезды достигает предела Чандрасекара (1,44 солнечной массы), и происходит термоядерный взрыв с выбросом в пространство очень горячей материи. Термоядерные сверхновые, образующиеся в результате схлопывания звезд с одинаковой массой, должны иметь и совершенно одинаковое свечение – верный признак истинной стандартной свечи.

Используя очень далекие термоядерные сверхновые в качестве стандартных свечей, две международные группы ученых доказали, что все они удалены на расстояние явно большее, чем предсказывали расчеты по классической модели Вселенной. Это открытие означает, что скорость расширения Вселенной растет, вместо того чтобы замедляться под влиянием суммарной гравитации всей находящейся в ней материи. За это открытие два американских космолога – Сол Перлмуттер и Адам Рисс, а также австрало-американский космолог Брайан Шмидт в 2011 году получили Нобелевскую премию по физике. Оказалось, что Вселенная сегодня переполнена некоей формой энергии – «темной энергией», чье отрицательное давление выглядит как отталкивающая антигравитационная сила. Из-за расширения плотность материи постепенно снижается; плотность темной энергии, наоборот, не меняется. Темная энергия стала основной составляющей Вселенной через девять миллиарда лет после фазы инфляции, и расширение Вселенной вновь начало ускоряться.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Инфляция (10–35 секунд после начала расширения)

Взрыв сверхновой (–4500)

Мисс Ливитт и масштабы расстояний (1912)

Появление Солнечной системы

Девять миллиарда лет прошло с момента Большого взрыва. Уже более двухсот миллионов лет назад Вселенная преодолела последний этап своей эволюции, когда темная энергия стала ее основной составляющей. Эта таинственная сущность с тех пор превалирует над темной материей так же, как и над материей обычной, так называемой барионной. История нашей Вселенной с этих пор – история событий, которые привели к возникновению Земли, нашей планеты. Она находится в нашей Галактике – Млечном Пути – спрятавшейся в скромном галактическом скоплении – Местной группе – на периферии сверхскопления – Ланиакеи. Сосредоточившись на формировании планетной системы на окраинах Млечного Пути, мы тем не менее не оставим без внимания и некоторые крупные события, информация о которых поступает из глубин Вселенной. Но, концентрируясь в основном на Солнечной системе, мы отойдем от привычной манеры подачи истории, принятой в школьном преподавании, то есть перечисления подвигов нашей самой прекрасной в мире страны. Большинство событий, описанных в этой части книги, покажутся вовсе незначительными, но именно из них состоит история нашей общей деревни – Солнечной системы и планеты Земля – нашего дома, единственного известного уголка Вселенной, где существует жизнь.

Достаточно ли это веская причина, чтобы придавать особое значение нашему уголку Вселенной? Бернар Ле Бовье де Фонтенель опубликовал в 1686 году рассуждение «Беседы о множественности миров» и положил начало нескончаемой дискуссии о существовании внеземной жизни. В наши дни все больше астрофизиков склоняются к мнению, что на других планетах могут существовать разные формы жизни. Как и американский ученый Карл Саган, многие считают, что обратная вероятность – «мы одни во Вселенной» – никогда не сможет быть доказана, в силу древней мудрости, что отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия.

Но тем не менее крошечный уголок космоса, где эволюционирует Земля, заслуживает усиленного внимания. События, которые происходили во время формирования нашей Солнечной системы, на самом деле представляют собой замечательный пример того, каким образом могли образоваться иные планетные системы, которые астрофизики не устают открывать вокруг многочисленных звезд Млечного Пути.

4,57 миллиарда лет назад

Рождение Солнца

Фрагмент молекулярного облака на окраине Млечного Пути, сжимаясь, начал уплотняться. Этот сгусток вещества стал нашим Солнцем. Вокруг него начал вращаться диск, из которого образовались все другие тела Солнечной системы.

Ланиакея, локальное сверхскопление, представляет собой один из узлов гигантской космической сети. Он удерживает вместе более десяти тысяч галактик. На его окраине расположена скромная галактическая группа – Местная группа, состоящая из примерно шестидесяти членов. Млечный Путь – один из самых заметных из них. Уже более четырех миллиарда лет назад массивное гало из темной материи сформировало в этом звездном острове посреди пустоты тонкий диск из звезд и газа, в основном водорода, с небольшой примесью гелия и щепоткой других элементов. В основном этот газ имеет очень малую плотность (менее одного атома на кубический сантиметр), однако местами он сконцентрирован в большие и существенно более плотные туманности. Молекулы и частицы пыли делают непрозрачными эти облака из пыли и молекул, одно из которых некогда плавало на окраине Млечного Пути.

Внутри этого облака, как и везде в пространстве, действовала гравитация. Неожиданно, по причинам до сих пор до конца не ясным, весьма значительный кусок облака неожиданно начал сжиматься, проваливаться сам в себя. Может быть, по нему прошла одна из волн плотности, которая сформировала специфическую структуру спиральных рукавов Млечного Пути? Или по нему промчалась ударная волна от взрыва близкой массивной звезды? Но как бы там ни было огромный облачный пузырь сжался под влиянием собственного веса и превратился в зародыш звезды, внутри которой гравитационная энергия перерождалась в тепловую. Сжатие пузыря закончилось, когда температура в его центре поднялась до уровня, на котором в водородной плазме начинаются циклы термоядерных реакций.

В недрах протозвезды высвободилось огромное количество энергии, которое было выброшено в пространство в виде света. Звезда родилась…

Это был довольно банальный эпизод в наблюдаемой Вселенной, где в секунду рождаются тысячи звезд, однако для человечества этот случай стал решающим, поскольку эта звезда стала впоследствии известна под именем Солнце. Из того же облака сформировались и другие звезды, сестры Солнца. Со временем их собственные движения разнесли их далеко друг от друга.

Перед окончательным сжатием протозвезда – будущее Солнце – окружила себя нимбом из газа и пыли. Излучение звезды, родившейся в центре этой туманности, способствовало тому, что туманность распалась на мириады отдельных тел, которые стали слипаться в более крупные образования. Именно из одного из них возникнет будущая Земля… Это сценарий, в который астрофизики XXI века с помощью современных знаний превратили старую гипотезу солнечной туманности, дорогую сердцу философов века Просвещения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Формирование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Ударная волна сотрясает Магелланово Облако (–166 000)

4,57 миллиарда лет назад

Солнце – атомная электростанция

В сердцевине юного Солнца создались условия, необходимые для поддержания циклических ядерных реакций. Энергии, выделяющейся при этом, должно хватить на миллиарды лет сияния.

Юное Солнце, сжимаясь в плотный комок газа, постепенно нагрелось до температур столь высоких, что атомы (в основном водородные) потеряли свои электронные оболочки. Внутри звезды образовалась плазма из атомных ядер (по большей части протонов) и свободных электронов. Плазма – четвертое состояние материи, первые три из которых нам хорошо известны: твердое, жидкое, газообразное. В нашем непосредственном окружении плазма встречается весьма редко. На Земле она образуется лишь при некоторых природных явлениях (высокотемпературное пламя, молния) или в промышленности (газоразрядная лампа).

А Солнце в основном состоит из плазмы. Жарче всего в его центре: пятнадцать миллионов градусов. Там же, в ядре, наблюдается и самая высокая плотность: более ста граммов на кубический сантиметр. Температура и плотность в ядре звезды столь высоки, что происходят непрерывные ядерные реакции протон-протонного цикла. В 1939 году американский физик немецкого происхождения Ханс Бете описал три стадии этого цикла:

• первая стадия: в очень горячей и плотной среде частицы приобретают огромную энергию, и протоны сталкиваются друг с другом. Оба несут положительный заряд, но преодолевают взаимное отталкивание за счет туннельного эффекта – это свойство субатомного мира открыл в 1928 году американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Два протона оказываются настолько близки друг к другу, что сильное взаимодействие «склеивает» их. Но это вновь образованное ядро немедленно развалилось, если бы не слабое взаимодействие. Оно превращает один из протонов в нейтрон и создает стабильное ядро дейтерия;

• вторая стадия: встреча дейтерия и другого протона, приводящая к формированию ядра гелия-3 (два протона и один нейтрон);

• третья стадия: два ядра гелия-3 слипаются друг с другом, образуя гелий-4 (два протона и два нейтрона) и одновременно испуская два протона.

Цикл завершается довольно быстро: в его начале мы имеем четыре ядра водорода, в конце – одно ядро гелия-4. Оно менее массивно, чем четыре соединенных протона, но в силу действия уравнения, связывающего массу и энергию и записываемого известной формулой E = mc 2, самой знаменитой формулой Эйнштейна, небольшое снижение массы (семь тысячных) дает огромное количество энергии! Для поддержания своей светимости Солнце должно ежесекундно превращать в гелий пятьсот миллионов тонн водорода. Но водорода в нем еще столько, что такую светимость оно может поддерживать еще миллиарды лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

E = mc 2 (1905)

4,57 миллиарда лет назад

Образование планет

Частицы пыли, которые носились в околосолнечном диске, слиплись в тысячи планетоидов по нескольку километров в диаметре каждый – и они постепенно увеличивались в ходе столкновений и объединений.

Вещество околосолнечной туманности, быстро вращавшееся вокруг Солнца в процессе его образования, сформировало плоский диск, толщина которого увеличивалась по мере удаления от центра. Диск в основном состоял из водорода и гелия, но в нем были и микроскопические твердые пылинки. Астрофизики считают, что диск делился на две области – на расстоянии около пяти астрономических единиц от Солнца в нем начинали доминировать ледяные частицы. Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в Солнечной системе, равная 149,6 миллиона километров. На периферии диска его температура была слишком низкой, чтобы там могла существовать жидкая вода.

Присутствовавшие в диске частички пыли постепенно слипались друг с другом, примерно так же, как они слипаются в пылевые клубки у нас под кроватью. Когда размеры пылевых клубков доходили до нескольких метров, в действие вступала гравитация – она помогала создавать тела размером более километра. Самые массивные из планетоидов притягивали к себе все, что оказывалось в зоне их гравитационного воздействия. Этот процесс приводил к образованию зародышей планет, масса которых росла по мере удаления от Солнца.

За «ледяной границей» зародыши планет были достаточно массивными (в несколько масс Земли), чтобы притянуть к себе газ из диска и окружить себя атмосферой из водорода и гелия. Из таких протопланет возникли газовые гиганты с массой в сотни земных масс – Юпитер и Сатурн. Газовые оболочки других планетоидов рассеялись; возникли гигантские образования из скал и твердых летучих льдов, с массой примерно в пятнадцать земных и с разреженной атмосферой из гелия и водорода – Уран и Нептун.

В промежутке между Солнцем и ледяной границей, в среде, откуда почти весь газ был вытеснен солнечным излучением, зародыши планет то и дело сталкивались, вращаясь по вытянутым и пересекающимся друг с другом орбитам. Взаимодействия планетоидов заканчивались либо их слиянием, либо выбрасыванием одного из них за границы Солнечной системы – будто камень вылетел из пращи. В результате во внутренней части системы, в порядке удаления от Солнца, остались только четыре планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Астрофизики называют их теллурическими, то есть планетами земного типа: как и Земля, они созданы из камня и металла. Они гораздо меньше гигантов с окраин Солнечной системы, но и заметно плотнее. Сейчас исследователи активно ищут планеты земного типа вокруг других звезд. И нашли их уже довольно много – в частности благодаря данным, полученным космическим телескопом «Кеплер» с 2009 по 2018 год.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Открытие экзопланет (1995)

4,56 миллиарда лет назад

Образование пояса астероидов

Из-за воздействия гравитационного поля Юпитера планетоиды, орбиты которых находились между ним и Марсом, не смогли объединиться в одну планету. Из них образовался пояс малых планет – астероидов.

Самые благоприятные для формирования планет участки газопылевого диска, вращавшегося вокруг юного Солнца, находились снаружи ледяной границы. Именно там масса протопланет (например, будущего Юпитера) росла очень быстро. Согласно исследованию немецких планетологов, опубликованному в 2017 году, масса прото-Юпитера всего за миллион лет превысила двадцать земных. В течение последующих трех миллионов лет он продолжал расти и достиг пятидесяти земных масс. Гравитационное воздействие такой массы позволило этой протопланете сыграть главную роль в формировании Солнечной системы. Оно препятствовало, и довольно заметно, переносу материи сквозь протопланетный диск. Именно по этой причине во внутренней части Солнечной системы нет массивных теллурических планет, подобных тем, что ученые обнаруживают во все возрастающих количествах на орбитах вокруг других звезд.

Итак, новорожденный Юпитер продолжает накапливать массу, поглощая окружающие его газ и пыль, и постепенно смещается к внутренней части диска. Из-за этого планета-гигант все чаще вступает в орбитальный резонанс с планетоидами, эволюционирующими во внутренней части Солнечной системы, между Марсом и Юпитером.

Взаимодействия приводят к возрастанию относительных скоростей, что, в свою очередь, вызывает разрушение тел во время столкновений. В результате, формирование планеты между Марсом и Юпитером оказалось невозможным – зародыши планет продолжали развиваться только в центральных областях Солнечной системы. Планетоиды, которые все еще оставались между Марсом и Юпитером, сформировали пояс астероидов, свидетелей ранней эпохи существования первичной Солнечной системы. В XIX веке многие астрономы предполагали, что пояс астероидов возник в результате разрушения гипотетической планеты Фаэтон, но сегодня ученые отвергают эту гипотезу.

Прогресс астронавтики позволяет планетологам надеяться посадить космический корабль на один из астероидов, чтобы исследовать вблизи первичный материал, из которого создавалась Солнечная система, и даже попробовать доставить на Землю его образцы. В 2005 году японский зонд «Хайабуса» совершил короткую посадку на астероид Итокава и забрал оттуда небольшое количество зернистого грунта, которое было доставлено на Землю в июне 2010 года. Позднее, в 2013-м, НАСА начало разработку амбициозной миссии ARM, предполагавшей доставку крупного осколка ближайшего астероида на постоянную окололунную орбиту, где астронавты могли бы детально его изучить. Однако по финансовым причинам в 2017 году подготовка этого проекта прекратилась.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

4,51 миллиарда лет назад

Образование Луны

Едва успев сформироваться, Земля столкнулась с Тейей, огромным планетарным зародышем. Этот мощнейший удар породил кучу обломков, превратившихся в Луну.

Международный астрономический союз недавно сформулировал критерии, которым должна соответствовать полноценная планета. В их числе – освобождение области пространства, в которой проходит орбита планеты, от каких-либо сопутствующих тел. В некоторый момент своей эволюции Земля превратилась в настоящую планету – ее орбита была свободна от «конкурентов». Исключение составляли так называемые точки Лагранжа L4 и L5 системы «Земля – Солнце». Эти точки названы в честь ученого из Пьемонта, графа Жозефа-Луи де Лагранжа, в 1772 году решившего «задачу трех тел» – описавшего движение небольшого тела под гравитационным воздействием двух более массивных, одно из которых совершает орбитальное движение вокруг другого (в данном случае Земли и Солнца). Лагранж открыл, что гравитационные поля массивных тел создают пять точек равновесия, от L1 до L5, и если небольшое тело поместить в одну из этих «точек Лагранжа», то оно останется неподвижным относительно двух тел большей массы.

Некоторые члены группы планетоидов, из которых формировалась Земля, нашли убежище в одной из двух самых стабильных точек Лагранжа в системе «Земля – Солнце» – L4 и L5. Объединившись, они образовали планетный эмбрион, постепенно выросший почти до размеров современного Марса. Протопланета, которую астрономы назвали Тейя, постепенно начала взаимодействовать с другими планетами; равновесие в точке Лагранжа нарушилось, планетоид выбросило на околосолнечную орбиту, и он столкнулся с Землей.

В результате катастрофического удара Тейя разлетелась на множество кусков. Ее внутреннее ядро, состоявшее в основном из расплавленного железа, погрузилось в недра Земли, тоже расплавившиеся от удара. Наша будущая планета окуталась облаком расплавленных и испарившихся легких пород, составлявших верхнюю мантию каждого из столкнувшихся небесных тел. Через несколько лет вещество этого облака сгустилось в плотное образование на расстоянии в двадцать тысяч километров от Земли – в будущую Луну. Новая планета и Земля начали постепенно отдаляться друг от друга.

Невероятная история протопланеты Тейи, названной в честь одной из дочерей Титана, матери Селены, богини Луны, – вовсе не сюжет фильма-катастрофы типа «Конца миров». Это сценарий, разработанный астрофизиками на основе детального компьютерного моделирования гипотезы о происхождении Луны, предложенной в 1975 году после того, как астронавты миссии «Аполлон» доставили на Землю образцы лунных пород. Катастрофическое столкновение подарило Земле большой спутник, который стабилизировал ее ось вращения и сыграл важнейшую роль в процессе эволюции жизни на Земле.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Последнее полное затмение Солнца (Через 600 миллионов лет)

4,5 миллиарда лет назад

Образование колец Сатурна

Ледяная оболочка крупного спутника Сатурна была разорвана приливными силами на множество осколков, из которых постепенно сформировались знаменитые кольца Сатурна.

Планеты Солнечной системы образовались из газопылевого диска, окружавшего новорожденное Солнце. Подобные диски очерчивали и гигантские планеты, которые образовались первыми. Массивные тела, сконденсировавшиеся в этих дисках, стали спутниками планет. Гравитационное взаимодействие с газом, остававшимся в глубинах диска, подталкивало спутники все ближе к материнским планетам. Так было и с огромным спутником Сатурна, планетой диаметром около пяти тысяч километров. Он, вероятно, напоминал Титан (самую крупную луну Сатурна) – большое небесное тело с каменным ядром, покрытым толстым слоем водяного льда.

Через несколько десятков миллионов лет после своего образования этот крупный спутник, постепенно смещаясь к поверхности материнской планеты, пересек предел Роша. Так называется высота, ниже которой внутренние молекулярные силы, связывающие в одно целое твердые породы спутника, оказываются слабее гравитационного воздействия приливных сил, порождаемых гигантской планетой. Для Сатурна эта граница, называемая по имени французского астронома Эдуара Роша, который в середине XIX века вывел для нее уравнение, находится на расстоянии около двух с половиной радиусов планеты от центра Сатурна.

Ледяная оболочка спутника, деформированная мощными приливными силами, взорвалась. Более прочное каменное ядро было поглощено газовым гигантом. От спутника осталось множество осколков льда, которые постепенно сформировали вращающийся вокруг Сатурна диск. Многие из них впоследствии тоже были поглощены планетой. Некоторые обломки, выброшенные за предел Роша, образовали небольшие ледяные луны Сатурна. Те же, что остались ниже предела Роша, сформировали удивительную систему колец, которая своей красотой сводит с ума начинающих астрономов.

Галилей наблюдал Сатурн еще в 1610 году, но из-за несовершенства линз своего телескопа принял систему его колец за два близких спутника. Но в 1656-м голландец Кристиан Гюйгенс убедился, что Сатурн окружают кольца. Таким образом, уже более четырехсот лет кольца Сатурна известны человечеству как одна из самых знаменитых особенностей Солнечной системы. Однако подобные кольца обнаружены и вокруг других гигантских околосолнечных планет. Они значительно менее массивны, и их очень трудно увидеть с Земли. Астрономы недавно начали находить кольца и вокруг других объектов Солнечной системы – например, вокруг карликовой планеты Хаумеа или астероида Харикло, самого маленького из известных небесных тел, окруженных поясом. Кольца обнаруживаются и вокруг некоторых экзопланет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

4,4 миллиарда лет назад

Образование облака Эпика – Оорта

Под влиянием гравитации планет-гигантов и многочисленных близкорасположенных звезд небольшие тела Солнечной системы рассеялись и образовали огромное облако.

Через десять миллионов лет после начала образования планет газопылевой диск, то есть та самая плацента, которая обеспечила питанием зародыши планет, начал постепенно рассеиваться. Планеты-гиганты, уже сформировавшиеся к этому моменту, эволюционировали внутри диска, в котором оставались неиспользованные остатки материи. Наблюдения, как правило, в инфракрасном спектре позволили астрофизикам обнаружить аналогичные «постпланетарные» диски вокруг многих молодых звезд. Пост-планетарный диск, вращавшийся вокруг Солнца, состоял из зернистой пыли, довольно большого количества газа и значительного числа планетезималей – небольших тел, не успевших преобразоваться в планеты. Весь этот материал находился на расстоянии около сорока астрономических единиц от Солнца.

Много мелких небесных тел было выброшено за пределы Солнечной системы и в результате гравитационного взаимодействия планет-гигантов. Такие тела обращались вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам, пролегавшим далеко на окраинах Солнечной системы. В ту эпоху звезды, сформировавшиеся одновременно с Солнцем, еще образовывали небольшое скопление, не успевшее рассеяться. Поэтому звездная плотность уголка галактики, в котором находилась Солнечная система, была все еще очень высокой: больше одной звезды на один кубический световой год. То одна, то другая звезда то и дело пролетали в окрестностях Солнечной системы. Их гравитационное воздействие на орбиты планетезималей приводило к тому, что на дальних окраинах Солнечной системы в конце концов образовалось внушительное скопище небольших небесных тел, известное в наши дни под названием «облако Эпика – Оорта».

Эстонский астрофизик Эрнст Эпик и голландский ученый Ян Оорт независимо друг от друга (Эпик еще в 1932 году, а Оорт в 1950-м) выдвинули гипотезу о том, что кометы с большим периодом обращения приходят из кометного облака, находящегося далеко за орбитой Плутона. Сегодня эта гипотеза подтверждена: облако Эпика – Оорта оказалось настоящим хранилищем комет, вмещающем больше тысячи миллиарда малых тел. Эти тела слабо связаны с Солнцем и находятся во власти внешних гравитационных воздействий, иногда забрасывающих их внутрь Солнечной системы, куда они являются в виде кометных ядер. Малые тела из облака Эпика – Оорта состоят в основном из всевозможных летучих веществ, находящихся в твердом состоянии, так называемых льдов. Общая масса облака составляет несколько земных; оно представляет собой огромную структуру, граница внутренней части которой, имеющей форму диска, лежит в тысяче астрономических единиц от Солнца, а внешняя часть, сферическая, заканчивается на расстоянии двухсот тысяч астрономических единиц от Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

4 миллиарда лет назад

Последняя метеоритная бомбардировка

Миграция планет-гигантов за пределы тех участков в пространстве, где они образовались, дестабилизирует Солнечную систему и провоцирует столкновения малых тел с теллурическими планетами.

Все больше планетологов считают, что спустя сотни миллионов лет после их образования четыре теллурические планеты и примкнувшая к ним Луна пережили период, в течение которого количество их столкновений с малыми телами резко возросло. В процессе своего образования планеты часто сталкиваются с телами меньшего размера – это естественно. Однако в начале 1970-х годов, когда астронавты трех последних миссий «Аполлон» собрали образцы лунных пород по соседству с Морем Дождей, Морем Нектара и Морем Спокойствия – тремя огромными впадинами, возникшими в результате ударных взаимодействий с крупными объектами, – то после датировки доставленных на Землю образцов, выяснилось, что эти столкновения произошли намного позднее начальной эпохи формирования планет. Это случилось около четырех миллиарда лет назад, в ходе метеоритной бомбардировки.

Причины поздней мощной бомбардировки объясняет «модель Ниццы», сценарий эволюции Солнечной системы, разработанный в обсерватории на Лазурном берегу. Согласно этой модели, четыре планеты-гиганта в эпоху своего образования находились гораздо ближе друг к другу, чем сейчас. Самая далекая тогда от Солнца планета, Уран, формировалась вблизи внутренней границы диска, насыщенного планетезималями. За счет гравитационного взаимодействия с мелкими телами на внутренней границе этого диска, четыре гиганта начали долгую миграцию: вовне – Сатурн, Нептун и Уран; внутрь, менее значительную – Юпитер. Несколько сотен миллионов лет спустя период обращения Юпитера вокруг Солнца стал равен половине периода обращения Сатурна.

Через полмиллиарда лет после окончания формирования Солнечной системы резонанс, возникший между двумя самыми массивными планетами, привел к возникновению интенсивного хаотического движения. Сатурн, выброшенный на окончательную орбиту, вступил в гравитационное взаимодействие с Нептуном и Ураном. Последние оказались вытеснены на значительно более вытянутые, чем прежде, орбиты. Они погрузились в диск планетезималей и нарушили устоявшиеся орбиты множества мелких тел, большинство из которых оказались просто выброшены за границы Солнечной системы. Но часть этих тел, наоборот, попала внутрь, на четыре теллурических планеты и Луну. Так началась метеоритная бомбардировка. Ее следы до сих пор заметны в виде огромных ударных кратеров на лишенных атмосферы Меркурии и Луне. А на Земле кратеры оказались скрытыми под водой, вероятно, уже содержавшей пребиотические материалы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Захват Тритона Нептуном (3,9 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

3,9 миллиарда лет назад

Захват Тритона Нептуном

Мигрируя от места своего рождения наружу из Солнечной системы, Нептун прихватил с собой карликовую планету Тритон, ставшую его спутником – и это объясняет ретроградное движение последнего.

До того как Юпитер и Сатурн вошли в резонанс, Нептун вращался по квазикруговой орбите гораздо ближе к Солнцу, чем сегодня. Но в результате мощного возмущения, произведенного резонансом массивных гигантов, орбита Нептуна стала более эксцентричной, и он проник довольно глубоко внутрь диска планетезималей – «отходов», оставшихся после образования планет. Вероятность захвата им проходящего мимо небесного тела заметно возросла, хотя даже для такого массивного тела, как Нептун, это не просто.

Согласно исследованиям, проведенным астрофизиками, самая благоприятная ситуация могла сложиться в момент встречи гиганта с двойными планетезималями. Взаимодействуя с подобной системой, Нептун мог легко захватить более массивное из тел двойной системы, и его избыточная энергия перешла бы к спутнику. Последний за счет этой энергии оказался бы выброшен из системы. В диске планетезималей, в который забрался Нептун, как раз было много двойных карликовых планет. Помимо известной пары Плутон – Харон, большинство известных сегодня карликовых планет, вращающихся за орбитой Нептуна и получивших название «плутино», имеют по одному-два спутника – например, у карликовой планеты Хаумея их два, у Эриды и Макемаке – по одному.

Итак, одна из этих карликовых планет вместе со своим спутником могла на небольшой скорости проникнуть в область гравитационного влияния Нептуна. Спутник был отброшен, а планета осталась в зоне влияния гиганта и сегодня известна нам как Тритон. Это самая крупная луна Нептуна: ее диаметр равен двум тысячам семистам километрам. Открыл эту огромную луну в 1846 году, всего через семнадцать дней после обнаружения Нептуна немецким астрономом Иоганном Галле, британец Уильям Лассел. Ученый работал в Берлинской обсерватории и изучал тот участок неба, в котором, по мнению французского исследователя Урбана Леверрье, могла находиться планета, искажающая своим притяжением орбиту Урана. Тритон, кроме всего прочего, оказался единственный крупным спутником планеты Солнечной системы, движущийся по орбите ретроградно – против направления вращения материнской планеты. Эта особенность подтверждает, что Тритон не является классическим спутником, сформировавшимся вместе с Нептуном. Его сходство с Плутоном скорее показывает, что он действительно захваченный Нептуном плутино.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

3,8 миллиарда лет назад

Извержение на Марсе

Гора Олимп на Марсе – самый высокий вулкан Солнечной системы. Его название происходит от Nix Olympica (Снега Олимпа), самой светлой области планеты, обнаруженной в XIX веке Джованни Скиапарелли.

Масса Марса в десять раз меньше, чем у Земли, и у него нет механизма тектоники плит, который есть у Земли. На Земле перемещение литосферных плит, между которыми расположены «горячие точки» выхода магмы на поверхность планеты, приводит к образованию горных вулканических цепей, состоящих из многих десятков кратеров. В северной части Тихого океана Гавайский архипелаг, образовавшийся над Гавайским разломом, маркирует границу тихоокеанской плиты. Движение плит ограничивает период активности той или иной вулканической гряды несколькими миллионами лет. На Марсе вулканическая деятельность выглядит совершенно по-другому – там нет тектонических плит, и магма могла миллиарды лет выливаться на поверхность в одной точке. Кроме того, на поверхности Марса не действуют механизмы выветривания и эрозии, выравнивающие земные горы, поэтому там вполне могут существовать огромные вулканы.

Именно таким вулканом и является Олимп, самая заметная гора на Красной планете. Его образование восходит к эпохе поздней метеоритной бомбардировки; его история продолжалась миллиарды лет и отмечена множеством извержений, самое значительное из которых случилось сотни миллионов лет назад. Космические наблюдения показали, что самые недавние следы активности на вершине Олимпа возрастом около ста миллионов лет. Но в 2004 году европейский зонд Mars Express обнаружил на склонах Олимпа потоки лавы возрастом всего в два миллиона лет – это значит, что вулкан, возможно, все еще активен.

3D-изображение горы Олимп, созданное с помощью многочисленных снимков с борта американского зонда Mars Global Surveyor. Некоторые исследователи считают, что Олимп образовался под слоем льда толщиной примерно в три километра: потоки лавы нагромождались друг на друга, образуя склон, сохранившийся после исчезновения льда.

В XIX веке первые астрономы, изучавшие поверхность Марса, описывали ее, основываясь на относительном альбедо – отражающей способности различных регионов красной планеты, хорошо различимых в телескоп. Олимп обязан своим названием зоне с высоким альбедо, обнаруженной на Марсе итальянским астрономом Джованни Скиапарелли и названной им Снегами Олимпа (Nix Olympica). Но заметная с Земли высокая отражающая способность этой местности объясняется не снегом, а кристалликами замерзшей двуокиси углерода. Морфология вулкана похожа на морфологию его земных аналогов, щитовых вулканов с пологими склонами, таких как, к примеру, Мауна-Кеа в Гавайском архипелаге. Однако Олимп заметно отличается своими размерами – конусом шириной в сто пятьдесят километров и высотой вдвое большей, чем у Мауна-Кеа. Его высота относительно марсианского нулевого уровня – двадцать одна тысяча метров; это самая высокая горная вершина Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

3,8 миллиарда лет назад

Образование пояса Эджворта – Койпера

Мигрируя все дальше от Солнца, Нептун выталкивает из Солнечной системы малые тела, образовавшиеся недалеко от светила, и они создают пояс Эджворта – Койпера.

До периода нестабильности, вызванной вошедшими в резонанс Юпитером и Сатурном, Солнечная система была намного компактнее. Диск планетезималей вращался в непосредственной близости от внешних гигантов Урана и Нептуна, названных «ледяными», так как в их составе, помимо водорода и гелия, много летучих компонентов (воды, метана, аммиака), а их астрофизики называют «льдами» независимо от их агрегатного состояния, твердого или жидкого. Этот диск, состоявший из мелких тел, был довольно массивным (около двух земных масс) и мог бы образовать несколько карликовых планет типа Плутона.

Вошедшие в резонанс Юпитер и Сатурн спровоцировали миграцию ледяных гигантов в направлении от Солнца и изменили орбиту Нептуна так, что он начал взаимодействовать с постпланетарным диском. Последний расползся по всем направлениям: орбиты многих планетезималей заметно изменились, а некоторые из них были и вовсе выброшены из Солнечной системы. Другие оказались в облаке Эпика – Оорта. К тому времени, когда гиганты встали на свое окончательное место, некоторое количество малых планет оказалось в зоне достаточно стабильных орбит на границах Солнечной системы.

Плоскости орбит этих уцелевших тел часто приобретали большие углы наклона к эклиптике – плоскости земной орбиты и орбит большинства остальных планет. В результате эти малые планеты образовали зону тороидальной формы, расположенную на расстоянии от тридцати до шестидесяти астрономических единиц от Солнца – пояс астероидов огромной протяженности. Предположение о том, что за пределами орбит больших планет существует протяженный пояс малых тел, впервые выдвинул в 1943 году ирландский астроном Кеннет Эджворт, а в 1951-м похожую гипотезу независимо предложил американский астроном голландского происхождения Джерард Койпер.

В поясе Эджворта – Койпера должно находиться множество тел диаметром около сотни километров – к их числу относится Плутон и несколько других недавно открытых карликовых планет. В настоящее время сквозь пояс Койпера пролетает космический зонд «Новые Горизонты» (New Horizons). После облета Плутона в 2015 году, в январе 2019-го этот зонд НАСА пролетел мимо объекта более скромных размеров, обнаруженного в 2014-м космическим телескопом «Хаббл» и обозначенного 2014 MU69. Это небесное тело, расположенное на расстоянии сорока астрономических единиц от Солнца, стало самым далеким космическим объектом, мимо которого пролетал космический аппарат с Земли. Сначала объект в результате организованного НАСА общественного обсуждения был назван Ультима Туле (от лат. Ultima Thule – крайний Туле, край света) – так называли древние полумифический остров к северу от Британии, вне пределов изученного мира, который искал и якобы нашел в IV веке до нашей эры древнегреческий путешественник моряком Пифей. Но так как это название когда-то использовали в своей пропаганде нацисты, Центр малых планет Международного астрономического союза в 2019 году утвердил за ним другое имя – Аррокот, что на языке индейцев поухатан означает «небо».

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование Пояса астероидов (4,56 миллиарда лет назад)

Образование Облака Эпика – Оорта (4,4 миллиарда лет назад)

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

3,5 миллиарда лет назад

На Земле возникает жизнь

О раннем возникновении жизни на Земле свидетельствуют строматолиты, сформированные поглощавшими углерод колониями бактерий.

Жизнь на Земле возникла в эпоху, о которой до сих пор все еще известно слишком мало, чтобы можно было хотя бы примерно определить время этого события. Специалисты тем не менее в большинстве своем согласны с тем выводом, что особое значение в этом процессе имела вода: прекрасный растворитель, сыгравший важную роль в химических реакциях между наиболее многочисленными атомами. Она же способствовала взаимодействию и соединению первых органических молекул. Наконец, вода смогла защитить первые новорожденные пребиотические молекулы от разрушительного воздействия космического излучения и ультрафиолетового излучения Солнца. Первичные океаны предоставили идеальные условия для создания более сложных структур, вплоть до появления прообразов клеток, обладавших мембранами.

Возникновение на поверхности Земли океанов стало возможным в результате совпадения множества процессов. Интенсивный вулканизм, поднявший на поверхность всю воду из глубинных слоев в виде пара, быстро окутал планету толстым облачным одеялом. Первые океаны наполнились за счет ливневых дождей, которые стали результатом конденсации водяного пара, насыщавшего земную атмосферу, и этот процесс продолжался несколько миллионов лет. Вода могла попасть на Землю и из космоса, в виде ледяных метеоритов во время поздней метеоритной бомбардировки.

Эти дополнительные источники воды тоже в принципе могли содержать пребиотические материалы. Данные, полученные европейским космическим зондом «Розетта», находившимся на орбите вокруг ядра кометы Чурюмова – Герасименко с 2014 по 2016 год, подтвердили, что небольшие тела Солнечной системы богаты макромолекулами на основе углерода.

Постепенно декорации менялись: появились первые клетки, океаны были заселены бактериями. В прибрежных водах размножились колонии цианобактерий (синих водорослей) – они расположились между линиями прилива и отлива. Бактерии связывали двуокись углерода, заполнявшую атмосферу, и сформировали строматолиты. Обнаружение этих чрезвычайно древних морских ископаемых образований в самых старых земных породах (как те, что были найдены в провинции Пилбара, на северо-западе Австралии) подтверждает факт появления жизни на Земле более трех с половиной миллиарда лет назад. Аналогичный анализ более древних пород показывает, что жизнь возникла на ранних этапах существования Земли. Ее эволюция поначалу была чрезвычайно медленной; взрыв биологического разнообразия произошел только спустя три миллиарда лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

Великая оксигенация (2,4 миллиарда лет назад)

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

2,4 миллиарда лет назад

Великая оксигенация

Выделяемые живыми организмами молекулы кислорода из-за перенасыщения уже не могут связываться с горными породами и начинают аккумулироваться в атмосфере.

Более трех с половиной миллиарда лет назад, когда на Земле возникла жизнь в виде цианобактерий, состав атмосферы заметно отличался от сегодняшнего. Атмосфера нашей планеты напоминала по составу атмосферы нынешних Марса или Венеры и состояла из двуокиси углерода с небольшой примесью азота. Основой атмосферы был углекислый газ, неорганическое вещество CO_2, в молекуле которого соединены атом углерода и два атома кислорода. Цианобактерии, используя энергию солнечного света, разрушали эту молекулу, забирая углерод и выпуская в атмосферу все возрастающие количества кислорода. Но в течение первого миллиарда лет состав атмосферы не менялся.

Произведенный бактериями кислород связывался, в силу своей высокой химической активности, с минералами земной коры, в особенности с железом. Но однажды наступил момент, когда все доступные минералы на Земле оказались окислены. И кислород начал уходить в атмосферу. В ней в те времена было еще и достаточно метана, чтобы поддерживать довольно теплый климат, который ранее обеспечивал за счет аналогичных эффектов углекислый газ. Теплом пользовались организмы, способные жить без кислорода. Кислород же, распространяясь в атмосфере, взаимодействовал с метаном, который через сотню тысяч лет полностью исчез. Парниковый эффект постепенно сошел на нет. Падение температуры привело к тому, что вся земная поверхность покрылась толстым слоем льда. Это было так называемое Гуронское оледенение, самый длительный период состояния «снежка» в истории Земли. В течение нескольких сотен миллионов лет оно не позволяло живым организмам развиваться.

Некоторые виды, однако, сумели выжить в этой первой экологической катастрофе, приспособившись к новой окружающей среде и сумев переключить свой метаболизм на кислород. Гуронское оледенение закончилось стеканием огромного количества воды по континентам в море; эти потоки принесли в океан много питательных элементов. Цианобактерии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, расцвели на новом питании и произвели большое количество кислорода. Его содержание в атмосфере достигло уровня, необходимого для возникновения многоклеточной жизни. Так и случился эволюционный прорыв, ставший прелюдией биологического разнообразия. Вдобавок, воздействие ультрафиолетовых солнечных лучей на кислород вызвало образование озона, который сформировал в верхних слоях атмосферы защитный слой, не пропускающий губительный для живого ультрафиолет. Это был второй фактор, способствовавший биоразнообразию.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Земля-снежок (650 миллионов лет назад)

2 миллиарда лет назад

Природный реактор

На огромной глубине, под осадочными породами будущего Габона, создались условия для цепной реакции деления.

В результате взрыва сверхновой по соседству с солнечной туманностью на Землю в процессе ее образования попали два радиоактивных изотопа урана: уран-235 и уран-238. Первый распадается в шесть раз быстрее, чем второй – поэтому доля урана-235, составлявшая в ранний период развития Земли 17 %, уменьшилась и за два миллиарда лет до современной эпохи равнялась всего 3,8 %. Именно содержание урана-235 является решающим для работы ядерного реактора на обычной воде. Сотни миллионов лет назад вода и струйки кислорода, выпускаемые первыми цианобактериями, окислили уран и зафиксировали его в осадочных породах. На большой глубине под территорией современного Габона в форме пористых линз, заполненных водой, залегают породы, богатые окисью урана. Именно там чуть менее двух миллиарда лет назад запустился естественный ядерный реактор.

В середине 1950-х годов французские исследователи из СЕА (Комиссариат по ядерной энергии) обнаружили на востоке Габона богатые месторождения урана. В 1972 году инженеры завода СЕА в Пьерлате, во французской провинции Дром, сделали анализ урана, добытого в Габоне на месторождении Окко. Исследование позволило обнаружить небольшой дефицит изотопа урана-235. Физик Фрэнсис Перрен, бывший старший комиссар СЕА, предположил, что наблюдавшаяся аномалия была вызвана прошлой активностью природного ядерного реактора, существование которого предвидел в 1956 году американский физик-ядерщик японского происхождения Пол Казуо Курода.

Быстрые нейтроны, возникающие во время самопроизвольного деления ядра урана-135, замедляются водой, омывающей месторождения урана, и с легкостью разрушают другие ядра: таков принцип цепной реакции. Природный реактор в Окко, действуя на пониженной мощности, сохранял активность на протяжении сотен тысяч лет.

Этот реактор произвел такое количество продуктов деления, что Фрэнсис Перрен и его коллеги в 1972 году идентифицировали в породах, извлеченных на руднике в Окко, дочерние элементы, образованные в результате распада, и показали, что реактор действовал именно в этом месте. Здесь стоит заметить, что ключевым параметром теории функционирования ядерного реактора, в том числе и природного, является постоянная тонкой структуры. Так вот, исследования реактора в Окко показали, что два миллиарда лет назад значение постоянной тонкой структуры было с точностью до одной стомиллиардной таким же, как и измеряемое сегодня в лаборатории. Еще один камень в огород тех, кто утверждает, что фундаментальные константы могут меняться!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

800 миллионов лет назад

Мессье-32 вливается в Андромеду

Галактика Мессье-32, двигаясь в сторону Мессье-31, запечатлела на диске туманности Андромеды структуру из концентрических колец со спиральными рукавами.

Пусть наша Местная группа и достаточно скромное скопление галактик, но ее самая массивная галактика Мессье-31, то есть туманность Андромеды несет на себе следы множественных столкновений. Одно из них произошло в сравнительно недавний период бурной истории Местной группы. По траектории, ведущей к лобовому столкновению, к Мессье-31 начала приближаться одна из соседних с нею галактик. Это была небольшая эллиптическая галактика, гораздо меньшей, чем у Мессье-31, массы, открытая в 1749 году французским астрономом Гийомом Ле Жантилем и получившая название Мессье-32.

Многие астрофизики, стремясь понять сложную морфологию туманности Андромеды, пытались смоделировать процесс погружения галактики Мессье-32 в гравитационное поле ее массивной соседки. Южноафриканский астрофизик Дэвид Блок и его коллеги в 2006 году опубликовали цифровую модель столкновения, произошедшего по их расчетам двести десять миллионов лет назад, в нескольких тысячах световых лет от центра Мессье-31. Столкновение, судя по всему, породило две круговые волны изменения плотности, распространившиеся к внешним краям диска Андромеды, который к этому моменту, наподобие Млечного Пути, уже имел два спиральных рукава.

Изображение туманности Андромеды, созданное европейским космическим телескопом «Гершель» в дальнем инфракрасном диапазоне. Цифровая модель погружения Мессье-32, созданная недавно М. Дьерикс и ее коллегами, предполагает, что своим непростым обликом – спиральными рукавами и концентрическими кольцами – Андромеда может быть обязана эффекту перспективы, вызванному небольшим углом между направлением луча зрения и диском туманности Андромеды.

Блок и его коллеги предположили, что во время столкновения галактика Мессье-32, игравшая роль снаряда, потеряла половину своих звезд и темной материи, и практически все запасы газа. После погружения Мессье-32, сохранив только свое ядро, продолжила существование уже в роли карликовой компактной галактики.

Совсем недавно, в 2014 году, американская женщина-астрофизик Мэрион Дьерикс и два ее соавтора опубликовали статью, в которой представили иную непротиворечивую модель взаимодействия Мессье-31 и Мессье-32, учитывающую все, что известно о положении в пространстве, скоростях и морфологии обеих галактик. Новая цифровая модель предполагает совсем иную историю события: столкновение Мессье-32 с периферийными областями туманности Андромеды произошло восемьсот миллионов лет назад. По расчетам исследователей выходит, что столкнуться с центральными областями М-31 галактике М-32 не позволило бы ее взаимодействие с другими соседними галактиками. Авторы модели предположили, что именно воздействие Мессье-32 привело к возникновению наблюдаемых особенностей спиральной структуры туманности Андромеды, напоминающих концентрически расходящиеся волны от брошенного в воду камня – до столкновения, по мнению ученых, эти структурные особенности отсутствовали. И наконец, исследователи уверены, что Мессье-32 была карликовой компактной галактикой еще до столкновения, и на ее морфологию никак не повлияло сквозное пересечение ею диска туманности Андромеды.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

650 миллионов лет назад

Земля-снежок

Движение суперконтинента Родиния, протянувшегося по обе стороны от земного экватора, привело к неожиданному результату – резкому снижению парникового эффекта.

Отражающие поверхности Земли (облака, полярные шапки), имеющие более высокое альбедо, возвращают в космос часть падающего солнечного излучения, а остальное поглощается более темными поверхностями (океанами, сушей). Прогревшись, эти огромные площади отправляют в космос поток тепла, в основном в виде инфракрасного излучения. Однако некоторые из газов земной атмосферы (водяной пар, двуокись углерода, метан), оставаясь прозрачными для солнечных лучей, не пропускают инфракрасное излучение. Атмосфера защищает Землю от космического вакуума так же, как парник защищает растения от внешней среды – отсюда и возник термин «парниковый эффект». Однако стекла парника защищают растения не столько от излучения, сколько от теплообмена между внутренней и внешней средами. Поэтому для влияния земной атмосферы кажется более подходящим термин «радиационная защита».

Если бы парникового эффекта не было, средняя температура на поверхности Земли снизилась бы как минимум на двадцать градусов по Цельсию. Земной шар покрылся бы льдом, а это в свою очередь привело бы к росту альбедо и дальнейшему падению средней температура ниже минус пятидесяти градусов! И случившаяся около двух миллиарда лет назад «Великая оксигенация», разрушив метан в атмосфере и уничтожив поддерживавшийся с его помощью парниковый эффект, вызвала первое сильнейшее похолодание на нашей планете – Гуронское оледенение. Снижение содержания углекислого газа еще дважды за последний миллиард лет порождало аналогичные явления: Стертское оледенение и оледенение Марино. Все началось восемьсот миллионов лет назад, когда суперконтинент Родинея, сформировавшийся случайным образом задолго до того, в результате тектоники плит начал перемещаться вдоль линии тропиков. В итоге произошли два важных события: возобновление вулканической активности, вследствие которой на землю излились потоки базальтовой магмы, образование океанов и морей. Климат на планете становился более влажным, на землю выпадало больше осадков. Постоянно струящаяся вода усиливала эрозию почвы, в частности базальтовых поверхностей, которые под действием воды разрушались, соединяясь с углекислым газом и образуя отложения карбонатных пород.

Снижение содержания углекислого газа привело к постепенному ослаблению парникового эффекта, и на планете снова наступило глобальное похолодание, увеличившее размер полярных шапок. В свою очередь, выросло альбедо, поступление солнечной энергии упало, и земной шар опять постепенно покрылся льдом. Эти два превращения Земли в «снежок» привели к вымиранию множества видов живых существ. Закончились оледенения с возобновлением вулканической активности и выбросом в атмосферу большого количества углекислого газа, а это привело к восстановлению парникового эффекта и таянию льдов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Великая оксигенация (2,4 миллиарда лет назад)

500 миллионов лет назад

Образование созвездия Большая Медведица

Яркие звезды Большой Медведицы образовались из одной и той же туманности, после чего, рассеявшись в пространстве, расположились на нашем небе в виде самого известного созвездия (астеризма) Северного полушария.

Где-то на окраине Млечного Пути, на расстоянии чуть больше двадцати шести тысяч световых лет от центра Галактики, в одном межзвездном облаке внезапно активизировалось звездообразование. Появилась цепочка молодых звезд, которые, когда облако рассеялось, оказались связаны силами взаимного притяжения и образовали рассеянное звездное скопление. Эта группа звезд одинакового возраста и химического состава, перемещаясь в одном направлении, оказалась пятьсот миллионов лет спустя всего в сотне световых лет от Солнца. Под влиянием галактических соседей скопление слегка растянулось в пространстве. Сегодня самые яркие звезды этого старого скопления образуют созвездие (астеризм) Большая Медведица, легко узнаваемое на ночном небе фигуру в форме гигантского ковша.

Все культуры Северного полушария так или иначе упоминали в своей мифологии это созвездие. В греческих мифах оно было связано с Каллисто, нимфой, в которую влюбился Зевс. А Гера, его супруга, мучимая ревностью, отомстила: она превратила Каллисто в гигантскую медведицу, а Аркада, мальчика, родившегося от ее союза с Зевсом, – в медвежонка, и приговорила их вечно вращаться вокруг Северного полюса, не имея возможности уйти за горизонт. Кстати, следует заметить, что термин «Арктика», используемый для обозначения земель, окружающих Северный полюс, происходит от слова árktos (в переводе с греч. – медведь). Римляне, обладавшие более практическим умом, назвали созвездие Septem Triones, то есть «семь пахотных волов», которые бесконечно крутили молотилку для зерна вокруг Северного полюса – отсюда происходит и название северного ветра в средневековых книгах – «септентрион».

Воображение представителей разных культур Северного полушария превращало этот астеризм в плуг, ковш, коня на привязи, даже повозку короля Артура в средневековой Франции. У индусов оно стало семью мудрецами, а у персов – семью тронами. Другая интерпретация – гроб, обнаруживается как у евреев и арабов, так и у ранних христиан, видевшие в созвездии гроб Лазаря, за которым следуют три его сестры Мария, Марфа и Магдалина. Китайцы называли созвездие Бэйдоу, что означает «северный ковш». Так называется и китайская система спутниковой навигации, построенная в 2020 году.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Вспышка звездообразования в Малом Магеллановом Облаке (320 миллионов лет назад)

Скопление Плеяд (115 миллионов лет назад)

Карты звездного неба (650)

320 миллионов лет назад

Вспышка звездообразования в Малом Магеллановом облаке

Приливные силы, порожденные притяжением Млечного Пути, вызвали вспышку звездообразования в недрах Малого Магелланова Облака. В результате образовалось большое звездное скопление.

Межзвездная туманность весьма внушительных размеров выросла в недрах Малого Магелланова Облака. Она возникла в результате такого же столкновения галактик в Местной группе, какое произошло и с туманностью Андромеды. Малое Магелланово Облако, карликовая галактика с содержанием газа в три раза выше, чем в Млечном Пути, подошла к нему слишком близко. Возникшие в результате приливные силы перемешали газ внутри Малого Магелланова Облака и запустили в нем одну из самых активных из известных нам вспышек звездообразования. Мириады молодых звезд, связанных друг с другом взаимным притяжением, образовали поразительно красивое звездное скопление.

Триста двадцать миллионов лет спустя это скопление по-прежнему сохраняет относительно четкие контуры: за счет своей большой массы, не позволяющей входящим в него звездам пуститься в свободное плавание. Под обозначением NGC 265 скопление внесли в «Новый генеральный каталог туманностей и звездных скоплений». Этот монументальный труд, в первой версии включавший почти восемь тысяч объектов, стал самым знаменитым каталогом диффузных образований неба после каталога Шарля Мессье. Составил его датский астроном Джон Дрейер в обсерватории Арма, в Северной Ирландии в конце 1880-х годов на основе каталога, составленного Джоном Гершелем, сыном первооткрывателя Урана Уильяма Гершеля.

Сегодня скопление NGC 265 притягивает внимание всех астрономов. Любители, наслаждающиеся снимками, сделанными космическим телескопом «Хаббл», видят в нем россыпь сверкающих драгоценных камней. Профессионалы же превратили его в небесную лабораторию по изучению звездных населений. Для астрофизиков NGC 265 служит настоящим питомником звезд. В нем можно встретить особей всех размеров на всех стадиях развития, за исключением, пожалуй, лишь самых массивных, уже исчезнувших. Все звезды NGC 265 сформировались практически одновременно, и их возраст и начальный состав почти одинаковы. Поскольку все они расположены на одном расстоянии от нас (двести тысяч световых лет), их яркость пропорциональна собственной светимости. И наконец, NGC 265 расположена в галактике, чья металличность – пропорциональное содержание элементов тяжелее водорода и гелия – отличается от металличности Млечного Пути, и потому представляет большой интерес для исследований. В 2007 году астрономы, наблюдая за тысячей звезд скопления с помощью космического телескопа «Хаббл», установили, что скоплению триста двадцать миллионов лет, а его металличность достигает четверти солнечной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

Скопление Плеяды (115 миллионов лет назад)

Современная Вселенная

События, которые мы наблюдаем на небе в одно и то же время, на деле не обязательно одновременны. Причина этого проста: информация распространяется со скоростью света, и поэтому события, происходящие относительно близко к Солнцу, становятся видимыми нам гораздо раньше, чем те, которые случились в очень далеких областях Вселенной, свет от которых идет к нам миллиарды лет. Поэтому на нашем небе сегодняшняя Вселенная переплетается со Вселенной далекого прошлого.

Перечисленные в этой книге события, случившиеся за последние сто шестьдесят миллионов лет, заполняют чуть больше одной сотой доли возраста Вселенной – исчезающе малая доля неторопливо текущего астрономического времени! Однако в нашем крохотном уголке пространства Вселенной за этот малый временной промежуток произошли события, круто изменившие картину мира в нем. Первым из них, относящимся непосредственно к Солнечной системе, было образование астероидов семейства Баптистины. На примере этого вполне обычного, практически незаметного в масштабах Вселенной события мы видим, как легко любая форма жизни, возникшая на просторах космоса, может стать случайной жертвой космической катастрофы. Зловещее семейство Баптистины стало причиной разрушительной метеоритной бомбардировки, обрушившейся на планеты, в том числе и нашу Землю.

Современной астрофизике нередко приходится изучать катастрофические процессы: взрывы звезд, невероятно мощные высокоэнергетические проявления черных дыр. События, о которых мы расскажем далее, были одной из крупнейших катастроф, случившейся сравнительно недавно в нашем уголке Вселенной.

Речь пойдет уже о почти сегодняшней Вселенной, в которой вот-вот появится новый вид живых существ – человек. Человек, который когда-то оставил свои следы на берегу озера в Африке, – прообраз будущих человеческих следов на Луне и следов, которые когда-нибудь непременно появятся на поверхности Марса…

160 миллионов лет назад

Семейство Баптистины

Столкновение двух крупных тел Пояса астероидов породило множество обломков – так называемое семейство астероида Баптистины, ставшее причиной относительно недавних катастроф на Луне и Земле.

Одним из этих небесных тел была малая планета, сформировавшаяся во внутренней части пояса астероидов, на расстоянии чуть больше двух астрономических единиц от Солнца – около трехсот миллионов километров. Размеры астероида были весьма внушительны – его диаметр равнялся ста семидесяти километрам, что совсем не характерно для небесных тел, испытывающих действие мощной гравитации Юпитера. За исключением нескольких крупных тел, таких как Церера, чья масса и поперечник вполне позволяют считать ее карликовой планетой, большинство астероидов Главного пояса обладают гораздо более скромными размерами.

Другим участником столкновения стал тоже довольно крупный астероид (около шестидесяти километров в диаметре), на соседней с первым орбите. Мощный лобовой на относительной скорости в три километра в секунду превратил оба астероида в облако обломков, достаточно крупных, чтобы соединяться друг с другом. Сформировалось целое семейство тел с похожими орбитальными характеристиками. Французский астроном Огюст Шарлуа, проводя в 1890 году наблюдения в обсерватории Ниццы (сегодня она объединена с обсерваторией Лазурного берега), открыл самое крупное из этих тел диаметром сорок километров и назвал его Баптистина. Шарлуа известен открытием более сотни астероидов.

В те времена астрономы все еще хранили привычку нарекать открытые ими астероиды именами собственными, как правило женскими. Сегодня это имя принадлежит целому семейству, состоящему из сотни тел размером более десяти километров.

Методами численного моделирования американские планетологи Уильям Боттке и Дэвид Несворны, а также чешский ученый Дэвид Вокрухлицкий восстановили траектории астероидов семейства Баптистины. Они установили общую точку возникновения и обнаружили, что два представителя этого семейства обрушились: один на Луну, где образовался кратер Тихо, а второй на Землю, где из-за него шестьдесят пять миллионов лет назад пришел конец динозаврам!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование Пояса астероидов (4,56 миллиарда лет назад)

Падение астероида на Луну (108 миллионов лет назад)

Падение астероида на Землю (65 миллионов лет назад)

130 миллионов лет назад

Тайна килоновой

Две нейтронные звезды в двойной системе слились, создав всплеск гравитационных волн, сопровождавшийся выбросом звездной материи.

Линзовидная галактика NGC 4993 расположена относительно недалеко от Земли – в ста тридцати миллионах световых лет, поэтому германо-британский астроном Уильям Гершель открыл ее уже в 1789 году. Эта галактика приютила двойную звездную систему, состоявшую из нейтронных звезд, которым общая теория относительности Эйнштейна предписывает вращаться вокруг друг друга по спиральным траекториям, неудержимо сближаясь, чтобы однажды слиться воедино. Событие создало мощный поток гравитационных волн, достигший Земли 17 августа 2017 года. Гравитационно-волновой сигнал от этого события, обозначенного кодом GW 170817, был одновременно зарегистрирован тремя инструментами: американскими лазерными интерферометрами LIGO и франко-итальянским гравитационно-волновым телескопом Virgo.

Менее чем через две секунды после обнаружения GW170817 интерферометрами, космические обсерватории – американская «Ферми» и европейская «Интеграл» – сообщили о регистрации короткого гамма-всплеска GRB170817A. Менее одиннадцати часов спустя телескоп имени Генриетты Суоп в обсерватории Лас-Кампанас в Чили зарегистрировал транзиентное (то есть кратковременное) событие AT2017gfo, которое поспешили затем подтвердить многие обсерватории – в том числе и космический телескоп «Хаббл», определивший, что событие произошло в недрах галактики NGC 4993. С 22 по 28 августа 2017 года свечение объекта постепенно угасло.

Благодаря большому расстоянию между итальянским интерферометром Virgo и американской установкой LIGO удалось сузить границы области, в которой могло произойти это событие. Местоположение галактики NGC 4993 было определено на небе с точностью до тридцати квадратных градусов – она находится в пределах той же площадки неба, что и источник GRB170817A. В конечном счете вероятность того, что сигналы GW170817, GRB170817A и AT2017gfo не связаны между собой, меньше одной миллиардной.

Эта серия наблюдений ознаменовала собой появление новой астрономии, основанной на комплексных наблюдениях источников информации различной природы. Собранные с помощью этих методов данные позволяют восстановить событие во всей полноте: составлявшие двойную систему нейтронные звезды слились в одно целое. Часть вещества, из которого они состояли, была выброшена в окружающее пространство в виде оболочки, расширяющейся со скоростью, близкой к скорости света; этот выброс и породил все виды наблюдавшихся излучений, и, поскольку он представлял собой взрыв сверхновой слабой светимости, явление получило название «килоновая» (то есть примерно в 1000 раз мощнее обычной новой). И вишенка на торте: поскольку среда килоновой насыщена нейтронами, именно в ней происходит синтез самых тяжелых элементов Вселенной, таких как золото и платина.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Катастрофическая смерть первой звезды (13,2 миллиарда лет назад)

Регистрация гравитационных волн (2016)

Слияние нейтронных звезд (через 300 миллионов лет)

115 миллионов лет назад

Скопление Плеяд

Недалеко от Солнца относительно недавно образовалось звездное скопление, самые массивные звезды которого светят нам и сегодня – Плеяды, жемчужина северного неба, воспетые в произведениях разных культур.

Активное звездообразование в нашем уголке Галактики привело к формированию звездного скопления, самые массивные – и самые горячие – звезды которого и сейчас освещают красивым голубым светом насыщенное пылью межзвездное пространство. Это случилось не очень далеко от нас – как во времени, так и в пространстве. В космической шкале времени это случилось в недавнем прошлом: за прошедшие с тех пор сто миллионов лет скопление еще не успело рассеяться, его массивные звезды не успели прожить отведенное им время и продолжают светиться красивым голубым светом, свидетельствующим о высокой температуре на поверхности – около десяти тысяч градусов. И в пространстве это рассеянное скопление расположено в Млечном Пути недалеко от Солнца – на расстоянии всего в четыреста световых лет.

При таком близком – по астрономическим меркам – соседстве, голубые звезды скопления хорошо видны невооруженным глазом. На небосводе они предстают в виде заметной фигуры – астеризма, немного напоминающего Большую Медведицу, хотя и занимающего гораздо меньше места. Древние греки отождествляли эту группу звезд с Плеядами, семью сестрами, дочерьми титана Атласа и океаниды Плейоны. Зевс превратил их в звездных нимф, чтобы спасти от Ориона, гигантского охотника, преследовавшего сестер. Под именем Плеяды скопление известно и современным астрономам, которых оно интересует, прежде всего, как питомник звезд – в нем можно найти самые разные виды светил, от прекрасных голубых гигантов до скромных коричневых карликов массой меньше одной десятой части солнечной.

Это кажется весьма странным, но встречаются в этом скоплении и белые карлики. Небесные тела этого типа обычно образуются в конце эволюции самых массивных звезд (с массой до восьми солнечных). Но продолжительность жизни таких звезд может превосходить миллиард лет – вдесятеро больше возраста Плеяд! У этого парадокса есть правдоподобное объяснение – ученые полагают, что звезды очень большой начальной массы могут со временем терять столь значительную ее часть, что их ядро коллапсирует, то есть резко сжимается. Тут-то они и становятся белыми карликами.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Образование созвездия Большая Медведица (500 миллионов лет назад)

Вспышка звездообразования в Малом Магеллановом Облаке (320 миллионов лет назад)

108 миллионов лет назад

Столкновение Луны с астероидом

В результате столкновения Луны с одним из астероидов семейства Баптистины на ней образовался огромный кратер, а в южном полушарии нашего спутника осколки астероида прочертили на поверхности длинные следы.

Астероиды семейства Баптистины – малые планеты, которые образовались в результате столкновения более крупных тел во внутренней части Главного пояса астероидов. На астероиды Баптистины действует эффект, предсказанный на рубеже ХХ века русским инженером Иваном Ярковским. Когда на вращающееся вокруг своей оси тело падает поток излучения, освещенная сторона объекта получает энергию. Через пол-оборота эта же сторона, оказавшись уже в тени, излучает полученную энергию в пространство. В результате объект получает небольшой импульс, сила которого зависит от формы и состояния поверхности тела.

Эффект Ярковского возникает и в случае, когда небольшое тело освещается Солнцем. В результате его воздействия семейство Баптистины разделилось на два потока, которые стали отдаляться друг от друга. Некоторая часть астероидов, многие из которых были меньше километра в поперечнике, подверглись воздействию Юпитера и других планет. Со временем они оказались на орбитах, пересекающих траектории движения Земли и ее крупного спутника, Луны. В результате один них, размером около десяти километров, подошел к Луне слишком близко и врезался в ее поверхность.

Удар оставил на поверхности Луны огромный кратер. Осколки взрыва избороздили ее южное полушарие тонкими и глубокими трещинами, протянувшимися почти на тысячу километров во всех направлениях, кроме западного, откуда как раз и прилетел астероид.

Свидетелями катастрофы на Луне стали динозавры, которые тогда населяли нашу планету. А некоторое время спустя многие из них, вероятно, сами стали жертвой катастрофических столкновений Земли с крупными обломками столкновения астероида с Луной. Но эти бедствия оказались лишь предшественниками катаклизма планетарного масштаба, который сорок миллионов лет спустя положил конец господству динозавров…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Семейство Баптистины (160 миллионов лет назад)

Столкновение Земли с астероидом (65 миллионов лет назад)

65 миллионов лет назад

Столкновение Земли с астероидом

Десятикилометровый астероид из семейства Баптистины упал на Землю. Это привело к исчезновению двух третей всех существовавших на тот момент видов живых существ. Ударный кратер астероида расположен к северу от полуострова Юкатан.

Частота образования ударных кратеров, возникавших в результате падения небесных тел размером более километра, как на Земле, так и на Луне, оставалась постоянной в течение миллиарда лет и вдруг двести миллионов лет назад увеличилась более чем вдвое. Виной этому было то самое семейство Баптистины, образовавшееся в результате столкновения двух крупных тел Главного пояса.

Именно благодаря одному из тел этого семейства образовался кратер Тихо – самый большой из относительно молодых лунных кратеров. Астероид Баптистины, скорее всего, оставил один из самых больших кратеров на Венере. На Земле тоже сохранились следы двух катастрофических столкновений с представителями этого семейства. Один из порожденных ими кратеров, Попигай, возрастом около тридцати пяти миллионов лет, находится на севере Сибири. Следы второго, приблизительно того же возраста, геологи нашли в заливе Чесапик, в США.

Однако самый глубокий след тело семейства Баптистины оставило на Земле шестьдесят пять миллионов лет назад. Нашей планете был нанесен колоссальный урон. Но, чтобы расследовать эту историю, понадобились долгие изыскания. Американский геолог Уолтер Альварес обнаружил аномально высокое содержание иридия в геологическом слое на границе между меловым и третичным периодами, так называемой границе К-Т – сокращение от немецкого Kreide-Tertiär. Повышенным содержанием иридия отличаются многие космические тела, поэтому Альварес предположил, что иридий на границе К-Т – результат столкновения с массивным астероидом.

Ударный кратер был обнаружен благодаря гравитационным аномалиям. Он представляет собой обширный бассейн, расположенный под толстым слоем известковых пород в районе Чиксулуб на севере Юкатана. Размеры кратера говорят о том, что он образовался при падении метеорита диаметром около десяти километров. Эта катастрофа, вероятнее всего, привела в конце вторичного периода к массовому вымиранию более восьмидесяти процентов видов живых существ. Удар, кроме того, мог вызвать массовые мощные вулканические извержения в Декане, Индии. Эту вторую экологическую катастрофу некоторые геологи считают главной причиной мел-палеогенового вымирания.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Семейство Баптистины (160 миллионов лет назад)

Столкновение Луны с астероидом (108 миллионов лет назад)

Гигантский метеорит падает на Землю (–50 тысяч)

20 миллионов лет назад

Что разгоняет космические частицы

Серия из десятков взрывов сверхновых образовала в межзвездном пространстве огромный пузырь, способный ускорить состоящие из микрочастиц «космические лучи» почти до скорости света.

Так называемые космические лучи, состоящие в основном из протонов, взаимодействуют с верхними слоями атмосферы и порождают каскады вторичных частиц, которые обладают высоким ионизационным потенциалом. В начале ХХ века австрийский физик Виктор Гесс во время полета на воздушном шаре обнаружил, что степень ионизации воздуха растет с высотой. Ученый пришел к выводу, что столкнулся с последствиями действия излучения с огромной проникающей способностью, скорее всего, внеземного происхождения, поскольку оно распространялось сверху. После Первой мировой войны на мощном ионизирующем космическом излучении сосредоточилось внимание ведущих физиков планеты. Среди них был американец Роберт Милликен, лауреат Нобелевской премии по физике за 1923 год. Он был ошибочно убежден, что излучение состоит из высокоэнергетических гамма-квантов; основываясь на этом, Милликен в 1925 году и ввел в обиход термин «космические лучи», впоследствии оказавшийся не вполне корректным, но в то время охотно подхваченный физиками.

Происхождение космических лучей несколько десятилетий оставалось загадкой для астрофизиков. Сейчас механизм их образования представляется им более или менее понятным. В областях активного звездообразования возникают скопления массивных звезд, на протяжении своей жизни испускающих мощные звездные ветры, а завершающих ее колоссальным взрывом – вспышкой сверхновой. Сочетание этих двух явлений образует в межзвездном газе гигантские пустоты, «сверхпузыри», в которых сброшенные звездой оболочки разгоняются до скоростей в тысячи километров в секунду и формируют мощные ударные волны. Эти ударные волны и являются главным фактором разгона частиц.

Разогнавшись, большая часть космических частиц десятки миллионов лет хаотически носится в межзвездном пространстве. Хаотичным это движение становится из-за магнетизма, действующего на поверхности межзвездных облаков и искривляющего траекторию всякой проносящейся мимо заряженной частицы. Это похоже на партию электрического бильярда в галактических масштабах – траектории космических частиц запутываются так, что определить место их происхождения невозможно. Тем не менее несомненно, что космические лучи приходят к нам из глубин космоса: это единственные непосредственно попадающие на нашу планету материальные свидетельства существования во Вселенной сложных высокоэнергетических процессов, протекавших еще до возникновения Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Ударная волна сотрясает Магелланово облако (–166 тысяч)

Взрыв сверхновой (–4500)

11,1 миллиона лет назад

Космическая мега-катастрофа

Случившееся почти сто миллионов лет назад столкновение спиральной и крупной эллиптической галактики привело к выбросу двух потоков материи.

Сверхмассивная черная дыра – настоящий космический монстр, темная «сверхзвезда» массой в миллионы и миллиарды солнц. Астрофизики считают, что такое чудовище можно найти в центре каждой галактики, спиральной или эллиптической. Черная дыра поглощает все, включая свет, и ничего не выпускает обратно – силы ее притяжения не может преодолеть ни вещество, ни излучение. Однако, хотя саму черную дыру можно считать невидимой, ее присутствие проявляется чрезвычайно ярко, когда у ее границ скапливается большое количество вещества. Это происходит, например, в линзовидной галактике NGC 5128, известной еще под названием «радиоисточник Центавр А». Название напоминает о первых шагах радиоастрономии: это был самый яркий источник радиоволн, обнаруженный в созвездии Центавра.

Сто миллионов лет назад эта галактика соприкоснулась со спиральной из той же группы галактик. Спустя еще несколько десятков миллионов лет межзвездный газ спиральной галактики дошел до центральной области эллиптической галактики, где находилась черная дыра огромной массы (сотни миллионов солнц). Материя, затягиваемая черной дырой наподобие того, как вода закручивается в воронку в раковине, образовала вокруг дыры тонкий плоский слой – так называемый аккреционный диск. Это сопровождалось выбросом в пространство материи, разогнанной до очень высоких скоростей – до половины скорости света. Вещество вылетает из околополярных окрестностей черной дыры двумя тонкими струями – джетами, протянувшимися на тысячи световых лет, и постепенно рассеивается в пространстве: струя, расширяясь, превращается в конус. Джеты – источники мощнейших излучений, испускаемых во всех спектральных диапазонах.

Разрушительные процессы, идущие в галактике NGC 5128, – поглощение вещества сверхмассивной черной дырой и его выброс со скоростью, близкой к скорости света – встречаются в сравнительно небольшом количестве галактик. Такие галактики называются «галактики с активными ядрами» (англ. Active Galactic Nuclei). К ним принадлежит множество видов активных объектов, отличающихся огромным наблюдательным разнообразием – галактики Сейферта, радиогалактики, квазары и другие с различными спектральными характеристиками и ориентацией струйных выбросов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Пир черной дыры (7 миллионов лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

10 миллионов лет назад

Комета Галлея

Ледяное тело – комета, по вытянутой эллиптической орбите регулярно приходит из далеких областей Солнечной системы, расположенных где-то за Нептуном, в околосолнечное пространство.

В процессе формирования Солнечной системы, на расстоянии более пяти астрономических единиц от Солнца, там, где температура была достаточно низкой, чтобы вода оставалась твердым льдом, образовывались зародыши будущих комет. Конечно, далеко не все малые тела, сформировавшиеся за линией льда, превратились в кометы. И все же иногда слабого гравитационного толчка оказывается достаточно, чтобы обыкновенный кусок льда стал ядром великолепной кометы.

Гравитационный толчок вполне способны дать гигантские планеты или ближние звезды – силы тяготения срывают кусок льда с его прежней орбиты и забрасывают внутрь Солнечной системы. Двигаясь к Солнцу, ледяное тело разогревается до такой степени, что лед на его поверхности переходит, минуя жидкое состояние, сразу в газообразное и улетучивается с поверхности кометы. Вокруг тела образуется оболочка из газа и пыли – кома (от лат. coma – волосы). Чем ближе комета подлетает к Солнцу, тем мощнее совместное действие солнечного ветра и светового давления: кома вытягивается в длинный хвост, направленный обычно от Солнца.

Согласно результатам многочисленных расчетов, десять миллионов лет назад небольшое ледяное тело отделилось от пока еще не изученного резервуара объектов за пределами орбиты Нептуна. Под воздействием планет-гигантов тело оказалось на чрезвычайно вытянутой орбите, увлекшей его к Солнцу, и стало ядром кометы, которая регулярно, раз в семьдесят пять лет, посещает внутреннюю Солнечную систему. Английский астроном Эдвард Галлей еще в 1705 году опубликовал работу, в которой выдвинул предположение, что кометы 1531, 1607 и 1682 годов были одним и тем же небесным телом. Галлей был уверен, что комета вращается по эллиптической орбите, и предсказал ее возвращение на Рождество 1758 года. Накануне роковой даты французский астроном Жером Лаланд предложил своему соотечественнику, математику Алексису Клеро, повторить расчеты Галлея. Вместе с Николь-Рейн Лепот, известной французской женщиной-математиком, они предсказали появление кометы весной 1759 года. Комета все-таки появилась на горизонте в декабре 1758 и промчалась мимо Солнца 13 марта 1759 года.

В 1739 году, за три года до своей смерти, Галлей заявил: «Если возвращение кометы, предсказанное нами на 1758 год, сбудется, то беспристрастные потомки не смогут отказать в признании англичанину, возвестившему о событии первым». Его пожелание было исполнено: комета Галлея принадлежит к тем редким небесным телам, которые не носят имя своего первооткрывателя, а названы в честь другого ученого.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

10 миллионов лет назад

Образование коричневого карлика

Неподалеку от Солнца в Млечном Пути образовалась система, состоящая из коричневого карлика массой в одну сороковую солнечной и объекта в восемь раз массивнее Юпитера – то ли гигантской планеты, то ли коричневого недокарлика.

Шестьдесят миллионов лет назад фронт ударной волны плотности, проносясь по тому участку Млечного Пути, где расположено Солнце, вызвал оживление звездообразования и образование нескольких звездных скоплений. Самое молодое из этих скоплений расположено в двухстах световых годах от нас. Именно в этом уголке Галактики образовалась двойная система 2M1207, состоящая из двух светил столь малых размеров, что в качестве мерила массы для них больше подходил бы Юпитер, чем Солнце!

Звезда побольше, 2M1207A (двадцать пять юпитерианских масс), не достигла предела, необходимого для запуска в ее недрах термоядерных реакций синтеза водорода. Однако ее масса все же превысила порог в тринадцать юпитерианских масс, выше которого становится возможным процесс распада дейтерия. Эти характеристики позволили внести 2M1207A в каталог как коричневый карлик, не до конца сформированную звезду, чье бледное сияние питается ее собственной гравитационной энергией сжатия и энергией, выделяемой в ее недрах при нерегулярно возникающих ядерных реакциях. Еще труднее было определить статус второго компонента системы, 2M1207B. Его масса всего восемь юпитерианских – недостаточно для коричневого карлика! Но она сформировалась из того же межзвездного облака, что и ее карликовая звезда-соседка, поэтому причислять ее к планетам было тоже неправомерно – планетами называются объекты, образовавшиеся из газопылевого диска, окружающего звезду в самом начале ее эволюции.

Карликовую двойную систему открыла группа астрономов ESO (англ. European Southern Observatory – Европейская южная обсерватория) на горе Серро Параналь в северном Чили. Это международная научная организация, построившая несколько больших обсерваторий в Южном полушарии. Для исследования свойств столь тесной, а главное – состоящей из таких слабосветящихся объектов двойной системы астрономы использовали гигантский телескоп, носящий собственное имя «Йепун» (Yepun) – так на языке чилийских индейцев племени мапуче называется планета Венера. «Йепун» входит в комплекс Очень большого телескопа (VLT), состоящего из четырех больших телескопов, каждый с главным зеркалом восьмиметрового диаметра. Для этого исследования «Йепун» был оборудован адаптивной оптической системой: она в реальном времени корректирует искажения изображений, вызванные атмосферной турбулентностью. Благодаря этому устройству угловое разрешение телескопа «Йепун» оказалось выше, чем у космического телескопа «Хаббл»!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

7 миллионов лет назад

Пир черной дыры

В двойной звездной системе ядро одной из составляющих ее массивных звезд, сжимаясь, превратилось в черную дыру. Вокруг этой черной дыры образовался аккреционный диск из вещества, истекающего из второго компонента, – источник рентгеновского излучения, получивший название Лебедь X-1.

Один из рукавов Млечного Пути протянулся по небосводу от созвездия Ориона до созвездия Лебедя. В нем теснятся многочисленные звездные скопления, буквально напичканные молодыми массивными звездами. В Лебеде особенно много скоплений с множеством двойных систем, состоящих из прекрасных голубых звезд.

В одной такой системе более массивная звезда, масса которой в момент ее формирования превышала сорок масс Солнца, была источником мощного звездного ветра. К концу своей эволюции такие звезды теряют внешние оболочки, а их ядро сжимается. Наша звезда сжалась настолько, что превратилась в черную дыру массой в десять солнечных. Звезда-компаньон продолжала обращаться вокруг общего с черной дырой центра тяжести, а двойная система продолжала существовать рядом с другими звездами скопления еще семь миллионов лет.

Но звезда-компаньон у черной дыры тоже была массивной – двадцать солнечных масс. Она тоже сбрасывала часть внешних оболочек, которые образовывали вокруг черной дыры вращающийся, подобно воде втекающей в воронку аккреционный газовый диск. Форма диска не остается неизменной – его постоянно искажают мощнейшие силы вязкости и трения, которые поднимают его температуру, особенно во внутренней части, до миллионов градусов.

Художественное изображение представлений астрофизиков о Лебеде Х-1: двойная система состоит из голубого гиганта и черной дыры, которая поглощает материю, сбрасываемую звездой-компаньоном. Закручиваясь по спирали вокруг черной дыры, это вещество образует диск, внутренний край которого, разогретый до огромных температур, испускает мощное излучение в рентгеновском диапазоне. Часть вещества диска выбрасывается наружу в виде системы околополярных потоков – джетов.

В 1964 году американский астрофизик итальянского происхождения Риккардо Джаккони задался вопросом, как выглядит небо в рентгеновских лучах. Он установил довольно примитивный детектор – простой счетчик Гейгера – на ракете-зонде, запущенной с военной базы Уайт-Сэндс в Нью-Мехико. Таким образом приемник рентгеновских лучей был выведен за пределы атмосферы, которая не пропускает их к поверхности Земли. Джаккони первым обнаружил источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. Источник назвали Лебедь Х-1, и он стал объектом пристального внимания астрофизиков. В начале 1970-х годов удалось доказать, что Лебедь Х-1 – двойная система, состоящая из гигантской массивной звезды и компактного тела с массой всего в три солнечных. Такой объект был идеальным кандидатом в черные дыры. Теперь он считается первой зарегистрированной черной дырой.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

1,5 миллиона лет назад

Человек ходит по Земле

На берегах озера на севере современной Кении гоминиды вида Homo erectus когда-то оставили в глине окаменевшие отпечатки ног, очень похожие на следы современного человека.

Это случилось на берегу озера, где-то в районе Большого Африканского Разлома – рифтовой долины на востоке континента, образовавшейся в результате движения тектонических плит. Группа, состоявшая из взрослых гоминид и одного подростка, двигалась вдоль протяженного водоема, который спустя полтора миллиона лет, в 1888 году, два естествоиспытателя из Австро-Венгрии назовут озером Рудольфа. Рост и телосложение этих особей соответствовало характеристикам, которые антропологи приписывают виду Homo erectus рода Homo, подсемейства гоминид, из которого на сегодняшний день не вымер только вид Homo sapiens.

Полтора миллиона лет спустя англичанин Мэтью Беннетт и его коллеги-антропологи вели раскопки в осадочных породах недалеко от деревни Илерет, на берегу озера Туркана (так называется озеро Рудольфа с 1975 года). Они и обнаружили окаменевшие следы, оставленные в глинистом иле той самой группой. Тщательный анализ показал, что их способ ходьбы не отличался от современного: вес тела перемещался с пятки на пальцы стоп, и идущий двигался вперед.

Это были не первые обнаруженные на Земле следы представителей рода Homo, передвигающихся так же, как их отдаленные потомки.

Если основываться на шуточном тезисе французского палеоантрополога Ива Коппенса: «Человек начинается с ног», то получается, что те существа, которые посещали берега озера Туркана полтора миллиона лет назад, уже были способны мыслить. Об этом свидетельствуют и каменные двусторонние орудия, встречающиеся повсюду в округе. Но пришлось подождать еще примерно миллион лет, чтобы другой Homo erectus освоил огонь, и еще пятьсот тысяч – чтобы представитель рода Homo оставил свой след на другом небесном теле.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Человек ходит по Луне (1969)

Первые шаги человека на Марсе (2051)

– 348 тысяч

Лихорадочный пульс

Ядро массивной звезды, расположенной недалеко от Солнца, схлопнулось, и звезда превратилась в сверхплотное образование, вращающееся невероятно быстро и испускающее в межзвездное пространство разогнанные до огромных скоростей микрочастицы.

Расположенная недалеко от Солнца массивная звезда достигла последней стадии своей эволюции. Ее ядро обрушилось внутрь самого себя, превратившись в стремительно вращающийся и сильно намагниченный маленький шар огромной плотности – такой, что дальнейшее его сжатие было уже физически невозможно. Внешние слои звезды, напротив, разлетелись в разные стороны. В результате неравномерной отдачи схлопнувшееся ядро получило мощнейший импульс, вытолкнувший его на большой скорости в межгалактическое пространство.

Быстрое вращение и мощное магнитное поле превратили оставшееся от звезды ядро в пульсар – очень плотную и компактную звезду, способную выпускать из своих полюсов интенсивные потоки высокоэнергетических электронов. Несущийся в межзвездном пространстве со скоростью сто двадцать километров в секунду пульсар оставляет в межзвездном газе инверсионный след, похожий на тот, что стелется в воздухе за сверхзвуковым самолетом. Релятивистские электроны, испускаемые пульсаром, создают вокруг него обширную зону – источник жесткого излучения. Европейский космический телескоп XMM-Newton, отличающийся большой площадью рентгеновских приемников, в 2004 году зарегистрировал это излучение: оно имело вид двух потоков, испускаемых расположенным в центре телом.

Но еще в 1970-х годах этот пульсар, выброшенный в пространство звездным катаклизмом триста пятьдесят тысяч лет назад, заявил о себе интенсивным излучением в диапазоне жесткого гамма-излучения. В 1975 году на загадочный источник был нацелен орбитальный гамма-телескоп Cos-B – первый проект только что созданного Европейского космического агентства (ЕКА).

Ученые из Миланского университета, которые участвовали в работе космической обсерватории Cos-B, и в их числе итальянский астрофизик Джованни Биньями, стремясь разгадать природу таинственного источника, попытались связать его с одной из расположенных в той же области неба звезд с необычными спектрами. Из этого ничего не вышло. Исследователи отнеслись к ситуации с юмором и назвали таинственный источник Геминга, намекая на выражение (el) gh’è minga, на миланском диалекте означающее «(ее) здесь нет». Это прозвище сохраняется за объектом до сих пор. Но в 1991 году, когда на орбиту была выведена гамма-обсерватория НАСА CGRO, удалось, наконец, доказать, что Геминга является пульсаром.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Пульсар – космический маяк (–4500)

– 166 ТЫСЯЧ

Гигантский рой нейтрино

В ядре звезды Sanduleak –69°202 в результате слабого взаимодействия протонов и электронов образовалось огромное количество нейтрино, зарегистрированных в 1987 году.

Sanduleak –69°202 – голубой гигант из Большого Магелланова Облака, входящий в каталог звезд, составленный американским астрофизиком румынского происхождения Николя Сандуликом. В один прекрасный день ядро этой звезды массой в двадцать Солнц внезапно схлопнулось – коллапсировало. Слабое взаимодействие протонов и электронов за какой-то десяток секунд привело к образованию феноменального количества нейтронов и нейтрино.

Нейтроны, объединившись друг с другом, образовали огромный сверхплотный ком. В процессе его сжатия образовалось невероятное количество нейтрино: 10^58 – единица с пятьюдесятью восемью нулями. Эти нейтрино унесли фантастическую гравитационную энергию, выделившуюся во время коллапса ядра и равную энергии, выделенной Солнцем с момента его образования за более чем четыре миллиарда лет. В бестиарии элементарных частиц нейтрино занимает особое место. Его масса настолько мала, что эта частица практически нечувствительна к гравитации. Электрического заряда у нейтрино тоже нет, и оно не взаимодействует с электромагнитным полем. Наконец, на нейтрино не действует даже сильное взаимодействие, сила, которая обеспечивает связь частиц в атомном ядре. Эта частица участвует только в слабом взаимодействии, силе, которая проявилась во время коллапса ядра звезды Sanduleak –69°202.

Практически безмассовые нейтрино, образовавшиеся в ядре Sanduleak –69°202, двигались со скоростью, близкой к скорости света, и почти не взаимодействовали с окружающей материей. Они беспрепятственно прошли сквозь сброшенные звездные оболочки и вылетели из тела звезды в виде столь плотного роя, что, когда 23 февраля 1987 года, преодолев расстояние в сто шестьдесят шесть тысяч световых лет, он достиг Земли, плотность потока нейтрино все еще оставалась равной тридцати миллиардам частиц на квадратный сантиметр! Однако, так как нейтрино нечувствительны к воздействию любых сил за исключением слабого взаимодействия, их очень трудно обнаружить: когда нейтринный рой, возникший в результате коллапса ядра звезды Sanduleak –69°202, обрушился на самый большой на тот момент детектор нейтрино «Камиоканде II», установленный в Японии, детектор смог «увидеть» всего лишь одиннадцать частиц.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Ударная волна сотрясает Большое Магелланово Облако (–166 тысяч)

– 166 тысяч

Ударная волна сотрясает Большое Магелланово облако

Ядро массивной звезды из Большого Магелланова Облака схлопнулось в сверхплотный комок нейтронов. Это событие породило мощнейшую ударную волну, которая облетела всю галактику.

Еще до того, как ядро голубого сверхгиганта Sanduleak –69°202 коллапсировало, испустив гигантский рой нейтрино, эта огромная звезда, входившая в двойную систему, обменивалось веществом со своим компаньоном. В результате вокруг сверхгиганта образовался плотный газовый диск, на который с поверхности звезды обрушивался мощный звездный ветер. Потом произошел коллапс ядра. Это явление невероятной разрушительной мощи привело к образованию чудовищного нейтронного кома, сжатого до плотности, превышающей плотность атомного ядра. Но после сжатия сверхплотное тело начало разжиматься, как резиновый мячик, который крепко сжали в ладони, а потом отпустили. Образовалась ударная волна огромной силы, выбросившая в окружающее пространство остатки звездных оболочек.

Это событие стало причиной образования огромного количества нейтронов, достигших внешней оболочки звезды и вступивших во взаимодействие с ядрами атомов, из которых она состояла. Лишенные электрического заряда нейтроны, подчиняясь сильному взаимодействию, соединялись с ядрами. Присоединение нейтронов не изменило химической природы элементов, а привело к образованию изотопов этих элементов. Теоретически эти неустойчивые изотопы могли бы распасться, однако приток нейтронов был настолько интенсивным, что к изотопам присоединялись все новые и новые нейтроны. Этот процесс идет обычно столь быстро, что получил у физиков название r-процесс (от англ. слова rapid – быстрый). Когда приток нейтронов наконец иссяк, оболочка звезды оказалась насыщена нестабильными изотопами, которые при распаде образовали устойчивые изотопы всех встречающихся в природе элементов вплоть до урана.

При прохождении ударной волны расширяющаяся оболочка звезды засияла невероятно ярко – ее светимость достигла миллиарда светимостей Солнца. Этот феномен и называется вспышкой сверхновой; 23 февраля 1987 года астрономы-любители и специалисты зарегистрировали его в Южном полушарии неба под номером SN 1987A. Несколько дней спустя видимое сияние SN 1987A пошло на спад – теперь оно подпитывалось только распадом радиоактивных изотопов, в основном кобальта-56 и железа-56. Скорость падения яркости соответствовала периоду полураспада кобальта-56: семидесяти семи дням.

Распространяясь наружу в окружающее пространство, через десять лет ударная волна достигла расширяющегося внутреннего края околозвездного диска, уже освещенного ультрафиолетовым излучением сверхновой. И лишь через двадцать пять лет после взрыва, внутреннего края диска достигли сброшенные звездой оболочки.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Гигантский рой нейтрино (–166 тысяч)

Еще одна сверхновая (1054)

– 50 тысяч

Гигантский метеорит падает на Землю

Метеорит диаметром пятьдесят метров рухнул на Землю. На покрытой травой равнине, где резвились мамонты и гигантские ленивцы, образовался кратер диаметром более километра.

В конце плейстоцена, первой геологической эпохи четвертичного периода, в атмосферу Земли однажды врезался огромный кусок металла: железа и никеля. В отличие от большинства метеоритов, этот объект не происходил из роя малых тел, оставшихся от начальной стадии образования Солнечной системы: он скорее был фрагментом разрушенного ядра протопланеты, в процессе ее формирования испытавшей катастрофическое столкновение. Благодаря своему составу болид оказался гораздо устойчивее к мощному аэродинамическому сопротивлению плотных слоев земной атмосферы, чем состоящие из льда и камня метеориты.

Промчавшись сквозь наиболее плотные слои атмосферы, на высоте около четырнадцати километров над поверхностью Земли плейстоценовый метеорит наконец развалился. От него отделился основной кусок массой в половину исходной и множество малых фрагментов, которые на высоте четырех километров от поверхности образовали вращающийся рой поперечником метров в двести. Основное тело метеорита, оставаясь практически неповрежденным, на скорости в двенадцать километров в секунду врезалось в землю, выделив около десяти миллионов миллиарда джоулей энергии. Мелкие фрагменты, значительная часть которых испарилась в воздухе, выделили примерно столько же энергии в атмосферу, вызвав страшной силы порывы ветра.

При падении образовался кратер диаметром более километра. Место, где упал метеорит, в шестидесяти километрах к востоку от Флагстаффа, штат Аризона, на западе США, до сих пор так и называется: Метеоритный Кратер. На момент падения метеорита здесь была травянистая саванна, где паслись шерстистые мамонты и гигантские ленивцы, еще не потревоженные группами людей, пришедших из Азии двадцать тысяч лет спустя. Выброс энергии при падении метеорита был мощнее, чем ядерная бомба, сброшенная на Хиросиму; огненный взрыв испепелил все живое в радиусе нескольких километров. Тем не менее количество пыли, выброшенной ударом в атмосферу, оказалось недостаточным для заметного изменения климата. Не прошло и ста лет, как в этом месте снова, будто ничего и не было, росла трава и бродили мамонты.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Столкновение Земли с астероидом (65 миллионов лет назад)

– 45 300

Рождение магнетара

Кора сильно намагниченной нейтронной звезды в недрах Млечного Пути треснула и выпустила в пространство мощный поток гамма-лучей, достигший Земли в 2004 году.

В дальнем уголке Млечного Пути, на расстоянии в сорок семь тысяч световых лет от нас в направлении созвездия Стрельца, находится большое звездное скопление, богатое массивными звездами. Однажды ядро одной из этих звезд коллапсировало – схлопнулось, превратившись в нейтронную звезду, то есть сверхплотное тело, вращающееся с огромной скоростью и сильно намагниченное. Обычно коллапс ядра звезды повышает напряженность ее магнитного поля: у пульсаров оно достигает сотни миллионов тесла. Это в тысячу миллиарда более сильное магнитное поле, чем у Земли.

В момент образования пульсар в Стрельце вращался вокруг своей оси с частотой более ста оборотов в секунду – поэтому к влиянию самого коллапса добавился эффект динамо, повысивший напряженность магнитного поля до сотни миллиарда тесла! Такой гипернамагниченный пульсар называется «магнетар». Его сверхсильное магнитное поле действует на кору нейтронной звезды, которая время от времени лопается, вызывая мощный выброс энергии магнитного поля. Эта энергия уносится гигантской вспышкой гамма-излучения.

В 2014 году европейские астрофизики показали, что звезды, превратившиеся в магнетары, изначально входили в состав очень массивных двойных звездных систем. Звезды в такой паре обращаются вокруг общего центра тяжести и связаны настолько тесно, что между ними начинается обмен веществом. Более массивная звезда отдает часть внешней оболочки своему менее массивному компаньону. Кроме того, ее влияние заставляет его вращаться все быстрее, что приводит к образованию магнитного поля высокой напряженности. Благодаря обмену веществом звезда-компаньон в свою очередь становится чрезвычайно массивной, а затем сбрасывает в окружающее пространство ранее поглощенную материю и коллапсирует в магнетар.

Магнетар в Стрельце заинтересовал астрофизиков еще в начале 1980-х годов. Из-за периодически испускаемых им импульсов гамма-излучения ученые присвоили ему обозначение SGR 1806-20 – этой аббревиатурой помечаются источники повторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения, так называемые мягкие гамма-рипитеры. Третий из серии повторяющихся всплесков, достигший Земли 24 декабря 2004 года, был более мощным. Несмотря на то что гамма-излучение пришло от далекой звезды, оно смогло создать в земной атмосфере потенциально опасную зону на высоте всего двадцати километров – лишь чуть выше стандартной высоты полетов больших пассажирских самолетов!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Пульсар – космический маяк (–4500)

– 33 900

Быстрее света?

Черная дыра выбросила два пучка вещества со скоростями, на первый взгляд превышавшими скорость света! Однако это оказалось лишь иллюзией, связанной с принципом относительности.

Сцена преступления на расстоянии в тридцать четыре тысячи световых лет от нас в глубинах Млечного Пути выглядела шокирующе: черная дыра, возникшая в результате эволюции массивной звезды, жесткими рывками вытягивала вещество из своего партнера, красного гиганта. Тем не менее подобное поведение встречается сплошь и рядом – звездный каннибализм нередок в двойных звездных системах, где тела тесно связаны между собой силами притяжения. Менее привычной характеристикой в этой ситуации выглядела масса преступницы – всего четырнадцать солнечных. А ведь это очень важная характеристика для черной дыры, образовавшейся из звезды. Еще более странным ученым показалось то, что, насытившись, эта дыра извергает в противоположные стороны пучки частиц, разогнанные до девяти десятых скорости света!

Единственными свидетелями этого события были излучения, испускаемые на каждой его стадии: рентгеновские и гамма-лучи в фазе аккреции, радиоволны в фазе выброса. Сорок тысяч лет спустя, когда все эти лучи достигли Земли, внимание астрономов привлекли прежде всего рентгеновский и гамма спектры. В 1992 году международная группа астрофизиков с помощью широкоугольной камеры, установленной на борту российской орбитальной обсерватории «Гранат», зафиксировала это событие и присвоила ему код GRS 1915+105. Наблюдения с французским рентгеновским телескопом SIGMA, основным инструментом обсерватории «Гранат», подтвердили, что объект обладает всеми типичными свойствами двойной системы с черной дырой.

Телескоп SIGMA позволил определить положение GRS 1915+105 на небе гораздо точнее, чем это сделали в 1994 году французский астроном аргентинского происхождения Феликс Мирабель и мексиканский астроном Луис Родригес с помощью американского радиоинтерферометра высокого разрешения VLA. Двойная система с черной дырой находилась как раз в фазе выброса, и наблюдатели были потрясены, обнаружив, что скорость выбрасываемых пучков частиц превышала скорость света!

Этот странный результат, казалось, противоречил фундаментальному принципу относительности, согласно которому «скорость света одинакова во всех системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно». Простое правило сложения скоростей не действует, когда скорости объектов близки к световой. Однако, поскольку астрофизики наблюдали распространение пучков частиц под углом, в проекции на луч зрения, у них возникла иллюзия, что скорость пучков превышает световую! Таким образом, скорость света пока осталась незыблемой границей, преодолимой только в фантастических романах.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Пир черной дыры (7 миллионов лет назад)

Новая звезда в системе с черной дырой (–16 тысяч)

Радиус Шварцшильда (1916)

– 24 650

Антиматерия в центре галактики

Таинственные источники антиматерии испускают десять миллиарда тонн античастиц в секунду. Их аннигиляция породила гамма-излучение, обнаруженное космической лабораторией INTEGRAL.

Из-за сильного межзвездного поглощения света, которое не дает увидеть звезды, удаленные от нас больше, чем на десять тысяч световых лет, астрофизики долго не могли исследовать центральные области Млечного Пути. Сегодня эта проблема решена благодаря развитию приемников инфракрасного излучения, которое гораздо меньше поглощается межзвездной пылью. Теперь астрофизики знают, что, как и многие другие спиральные галактики, Млечный Путь представляет собой звездный диск с центральной сферой радиусом в три тысячи световых лет – балджем. Инфракрасные данные показывают, что балдж, за исключением его центральной части – ядра, – состоит в основном из старых звезд.

В галактическом балдже были обнаружены загадочные и очень активные источники антиматерии: каждую секунду там образуется десять миллиарда тонн позитронов – античастиц электрона. В разреженной межзвездной среде балджа эти позитроны рано или поздно аннигилируют с электронами, порождая гамма-излучение с определенной длиной волны. Примерно за двадцать семь тысяч лет аннигиляционное излучение достигает Земли. Исследователи, наблюдающие его с 1970-х годов, предполагают, что таинственный источник позитронов находится где-то в центре Млечного Пути. Теперь многое зависит от наблюдений с борта международной орбитальной обсерватории INTEGRAL, начатых еще в 2002 году: в ее программу входит уточнение координат источника.

Какой же механизм может порождать такое количество позитронов в галактическом балдже? Американский астрофизик Петер Милн и его коллеги предполагают, что эту роль играют термоядерные сверхновые: взрывы белых карликов в двойных звездных системах. При взрывах сверхновых этого типа выбрасывается радиоактивный никель-56, распадающийся с образованием позитронов. Однако частота таких событий в балдже не очень высока. Поэтому французская физик Селин Бем и ее группа в 2003 году предложили гораздо более экзотический сценарий: позитроны могут быть продуктом аннигиляции гипотетической «легкой темной материи», скопившейся в центральных районах Галактики.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Материя побеждает антиматерию (10–6 секунд после начала расширения Вселенной)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

– 24 650

Сверхмассивная черная дыра

В самом сердце Млечного Пути, в пространстве, почти лишенном межзвездного вещества, притаилась огромная черная дыра массой в четыре миллиона Солнц.

Вероятно, в центре любой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Млечный Путь не исключение: в его ядре тоже устроил себе логово космический монстр, хоть и сравнительно небольшой – массой в четыре с лишним миллиона Солнц. Притягивая к себе окружающее межзвездное вещество, такая черная дыра способна образовать вокруг себя аккреционный диск, излучающий в миллиарды раз больше энергии, чем наше Солнце.

В черную дыру в центре Млечного Пути должно поступать довольно много вещества – около одной сотой части солнечной массы в год. Этого было бы вполне достаточно для яркого свечения аккреционного диска. Беда в том, что черная дыра в центре нашей Галактики окружена массивными звездами, многие из которых испускают мощный звездный ветер – он не позволяет межзвездному газу добраться до черной дыры. Поэтому то небольшое количество вещества, которое все же попадает в ее окрестности, излучает довольно слабо.

Прежде чем достичь Земли, это излучение должно пройти почти двадцать семь тысяч световых лет в межзвездном пространстве, которое поглощает большую его часть. Астрофизики смогли получить прямое свидетельство существования черной дыры в сердце Млечного Пути только в радиодиапазоне: они зарегистрировали компактный источник радиоизлучения Sagittarius A* (сокращенно – Sgr A*) в созвездии Стрельца. Звездочка в названии источника указывает на то, что он излучает только время от времени. Положение Sgr A* на карте звездного неба совпадает с динамическим центром Галактики – точкой, вокруг которой вращаются все звезды Млечного пути. Наблюдения на миллиметровых радиоволнах показывают, что видимый угловой диаметр Sgr A* равен одной стомиллионной секунды дуги, что на таком расстоянии соответствует протяженности не менее ста пятидесяти миллионов километров!

Совсем недавно, сравнивая снимки, сделанные инфракрасной камерой нового поколения с интервалом в несколько лет, международная группа исследователей нашла в окрестности Sgr A* звезды, которые с огромной скоростью вращаются вокруг некоторой точки в пространстве. Это прямое доказательство того, что источник радиоволн совпадает с объектом огромной массы и очень небольшой протяженности, который может быть только сверхмассивной черной дырой. Осталось только зафиксировать изображение ее тени, как предлагают участники проекта EHT, – «Телескопа горизонта событий». Они уже сделали это для сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

Первое изображение черной дыры (2019)

– 16 тысяч

Новая звезда в системе с черной дырой

Внезапное возобновление активности в двойной системе с черной дырой в созвездии Мухи породило всплеск излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах, в 1991 году зарегистрированный французским космическим гамма-телескопом Sigma.

Эта двойная система с черной дырой находится в нашей Галактике, в направлении южного созвездия Мухи, вблизи галактической плоскости. Черная дыра имеет довольно большую массу – семь масс Солнца. Силой своей гравитации она периодически срывает верхние оболочки карликовой звезды-компаньона и поглощает их.

Как часто случается в подобных двойных системах, перенос массы между звездами происходит не равномерно, а импульсами. Черная дыра окружает себя аккреционным диском, раскаленный внутренний край которого испускает мощное рентгеновское и гамма-излучение. Через восемнадцать тысяч лет оно достигает Земли. В 1991 году французский гамма-телескоп Sigma на борту российской космической обсерватории «Гранат» зарегистрировал в созвездии Мухи новый источник, интенсивность которого быстро росла. Вскоре он стал самым ярким объектом на небе в спектральных диапазонах от ультрафиолетовых до гамма-лучей. Затем его блеск постепенно начал спадать, пока не стал ниже порога чувствительности приемника.

В течение всей активной фазы излучение нового источника изменялось в точности, как у «новых звезд», знакомых еще астрономам древности. Астрономы прошлого думали, что и правда видят рождение новых звезд, когда яркие светила иногда зажигались на небе там, где прежде, казалось, ничего не было. И так как ученые в старину говорили на латинском языке, они назвали это явление stella nova – «новая звезда». Сейчас истинная природа Новых установлена – это давно уже родившиеся звезды, которые внезапно в десятки тысяч раз увеличивают свой блеск, а потом вновь возвращаются к первоначальному уровню светимости.

По аналогии с классическим термином Nova в январе 1991 года итальянский астрофизик Андреа Голдвин назвал источник гамма-излучения, зарегистрированный им с помощью гамма-телескопа Sigma, «Новой Мухой». Бурная активность двойной системы с черной дырой в созвездии Мухи проявилась мощным всплеском в гамма-диапазоне, в спектральной линии аннигиляции позитронов. В случае Новой Мухи позитроны, возможно, образовались при характерном для двойных систем с черной дырой выбросе потока частиц на околосветовых скоростях.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Пир черной дыры (7 миллионов лет назад)

Быстрее света? (–33 900)

Будущая сверхновая (–14 тысяч)

Радиус Шварцшильда (1916)

– 14 тысяч

Будущая сверхновая

В направлении созвездия Кормы резко усилилась светимость белого карлика, входящего в двойную систему.

На расстоянии в шестнадцать тысяч световых лет от Земли массивный белый карлик в двойной системе перетащил к себе всю атмосферу звезды-компаньона. Вещество, скопившееся на поверхности белого карлика, сжалось и нагрелось до такой степени, что в нем начались термоядерные реакции, сопровождавшиеся взрывными выбросами раскаленного газа. Светимость звезды возросла в двести пятьдесят раз, и шестнадцать тысяч лет спустя, в ноябре 2000 года, астрономы заметили в созвездии Кормы появление Новой звезды, названной ими «Новая Кормы».

Древнегреческие астрономы с Птолемеем во главе выделяли на небосводе огромное созвездие, в котором им чудились контуры корабля аргонавтов – на нем отправился на поиски золотого руна Ясон. В начале 1750-х годов аббат Никола-Луи де Лакайль, член Французской академии, надолго отправился в южное полушарие, чтобы изучить малознакомое тогда европейцам южное небо. Он решил, что созвездие Корабль Арго слишком велико, и решил разделить его на три поменьше. В одном из этих новых созвездий, Корме, и появилась Новая 2000 года.

«Виновником» вспышки оказался массивный белый карлик, конечная стадия эволюции звезды массой в несколько солнечных. Вещество белых карликов – сверхплотная смесь электронов и атомных ядер углерода и кислорода. Умирающие звезды из последних сил сопротивляются неизбежному схлопыванию – коллапсу. В их недрах действует так называемое давление Ферми, которое описывается законами квантовой механики: в системе одинаковых микрочастиц (таких, как электроны) две частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Согласно этому запрещающему принципу, сообщество электронов, в котором уже заняты все возможные квантовые состояния, не оставляет ни малейшей возможности присоединения для новой частицы. Именно этим и объясняется длительное состояние равновесия белого карлика и его сопротивление коллапсу.

Однако масса белого карлика в созвездии Кормы уже близка к пределу, за которым давление Ферми больше не сможет поддерживать равновесие звезды. Малейший приток вещества может спровоцировать общую термоядерную реакцию с последующим взрывом. Тогда на небе появится термоядерная сверхновая со светимостью во много тысяч раз выше светимости нынешней Новой. Таким образом, Новая Кормы – лишь провозвестница будущей космической катастрофы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Новая звезда в системе с черной дырой (–16 тысяч)

– 5500

Извержение на Эта Киля

Под действием колоссального давления собственного ядра одна из самых массивных звезд Млечного Пути выбросила в пространство огромное облако вещества, что сильно изменило ее светимость.

В XVIII веке Николя-Луи де Лакайль изменил карту неба: созвездие Корабля Арго казалось ему слишком обширным. На его месте он выделил три участка неба поменьше и дал им названия разных частей старинного корабля. Так появилось три новых созвездия: Парусов, Кормы и Киля. В последнем из них на расстоянии в семь тысяч пятьсот световых лет от Солнца находится одна из самых массивных звезд Млечного Пути: Эта Киля.

Она в сто раз массивнее и в пять миллионов раз ярче Солнца. Эта Киля вращается вокруг своей оси со скоростью, близкой к предельной: еще чуть-чуть быстрее – и центробежные силы просто разорвут ее на части. От вращения звезда сплющивается и ее полюса приближаются к ядру, в котором происходят термоядерные реакции и выделяется мощное излучение. Волны сжатия приводят к росту давления на приполярные слои, в которых то и дело случаются разрывы – и вот оно, извержение!

Огромные массы раскаленного газа, вырывающиеся из приполярных областей звезды, резко увеличивают светимость звезды. Такая вспышка была зарегистрирована на Земле в 1840-х годах. Прежде Эта Киля считалась всего седьмой по яркости звездой в своем созвездии (потому она и называлась «этой» седьмой по порядку буквой в греческом алфавите). Но после извержения Эта Киля стала второй по яркости звездой неба после Сириуса! Затем ее поведение стало совершенно непредсказуемым: к концу 1860-х она стала почти невидимой, но вновь засияла в 1990-х. На основе этих признаков – крайней неустойчивости, резких колебаний блеска – можно заключить, что звезда находится на последней стадии своей эволюции.

В самом ближайшем будущем Эта Киля может превратиться в гиперновую – коллапсировать – и взорваться с невероятной силой и огромной яркостью. За взрывом, вероятно, последуют длительные гамма-всплески. Если это действительно произойдет и мощные потоки излучения взорвавшейся Эты Киля достигнут Земли, это может привести к апокалиптической катастрофе: наша несчастная планета получит энергетический удар, сравнимый по силе с миллионами атомных бомб. Он вызовет разрушительные ударные волны, способные проникнуть вглубь атмосферы, зажечь гигантские пожары, спровоцировать мощнейшие бури…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Катастрофическая смерть первой звезды (13,2 миллиарда лет назад)

Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом (7,7 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (1054)

– 4500

Еще одна Сверхновая

Коллапс ядра звезды в конце ее эволюции перешел в колоссальный взрыв. Вещество звезды с огромной скоростью разлетелось во все стороны, образовав Крабовидную туманность.

На расстоянии в шесть тысяч пятьсот световых лет от Земли в созвездии Тельца в результате коллапса – схлопывания ядра звезды массой в десять Солнц – образовалось сверхплотное тело. Оно состояло в основном из нейтронов, объединенных сильным взаимодействием в нечто вроде гигантского атомного ядра. Остальная же часть вещества звезды была грандиозным взрывом выброшена в окружающее пространство.

При выбросе раскаленной материи светимость звезды выросла в несколько миллиарда раз. Такие взрывающиеся звезды называются сверхновыми. На Земле увидели яркую вспышку на небе в 1054 году – поэтому теперь эта сверхновая обозначается SN 1054. Выброшенное при взрыве вещество образовало в межзвездном пространстве быстро разлетающуюся вытянутую туманность с нечеткими контурами – остаток сверхновой, который и сейчас продолжает расширяться со скоростью в тысячу пятьсот километров в секунду.

Британский врач и астроном Джон Бевис открыл эту туманность в 1731 году. А в 1758-м французский астроном Шарль Мессье, изучая небо в ожидании кометы, возврат которой Эдмунд Галлей предсказал еще в 1705-м, независимо переоткрыл ее. В 1844 году Уильям Парсонс, третий граф Росс, богатый ирландский астроном, наблюдал ее в свой 90-сантиметровый телескоп, установленный в его замке Бирр в центральной Ирландии. Очертания туманности, которые он зарисовал при наблюдениях, слегка напоминали краба, поэтому туманность и получила название Крабовидной.

В отличие от множества других космических объектов, свечение которых (тепловое излучение) зависит в первую очередь от их температуры, излучение Крабовидной туманности имеет другую природу: его испускают высокоэнергетические электроны в сверхсильном магнитном поле оставшейся после взрыва SN 1054 нейтронной звезды – пульсара. Под воздействием этого магнитного поля заряженные частицы в туманности движутся по искривленным траекториям, из-за чего и возникает так называемое синхротронное излучение. Оно имеет ту же природу, что и свечение, которое наблюдали в 1947 году специалисты компании General Electric, проводившие эксперименты на ускорителе электронов – синхротроне.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Пульсар – космический маяк (–4500)

Еще одна сверхновая (1054)

– 4500

Пульсар – космический маяк

Пульсар – сильно намагниченная быстровращающаяся нейтронная звезда – выбрасывает в противоположных направлениях струи высокоэнергетических частиц – джеты, подобно мощным прожекторам обшаривающие окружающее пространство.

Во время коллапса – схлопывания ядра сверхновой звезды SN 1054, остались неизменными два его физических параметра: угловой момент и магнитный поток. Угловой момент пропорционален массе ядра, скорости его осевого вращения и квадрату радиуса. Магнитный поток пропорционален площади его поверхности (то есть тоже квадрату радиуса ядра) и напряженности его магнитного поля.

Сохранение этих двух величин во время схлопывания ядра вызывает увеличение скорости вращения и напряженности магнитного поля, пропорциональные квадрату относительного уменьшения радиуса. В конце концов нейтронная звезда, образующаяся в результате схлопывания ядра, сжимается до размеров астероида – до радиуса около пятнадцати километров, – и ее вращение разгоняется до пятидесяти оборотов в секунду. Создается магнитное поле в тысячу миллиарда раз мощнее, чем у Земли.

Знаменитый пульсар, притаившийся в недрах Крабовидной туманности, похож на гигантский, быстро вращающийся магнит, что-то вроде динамомашины, вырабатывающей для велосипедной фары напряжение в несколько вольт. Только на поверхности пульсара напряжение измеряется миллионами миллиарда вольт! Электрическое и магнитное поля разгоняют частицы до околосветовых скоростей и выбрасывают их двумя узкими пучками из магнитных полюсов пульсара. Под влиянием мощного магнитного поля траектории частиц искривляются, и разогнанные до огромных скоростей электроны испускают синхротронное излучение, фокусирующееся в узкие пучки вдоль оси вращения пульсара.

Но магнитная ось пульсара не совпадает с осью вращения. Поэтому пучок излучения прецессирует, описывая в окружающем пространстве гигантский конус. Испускаемый пульсаром в космические дали световой луч похож на прожектор маяка, периодически обшаривающий морское пространство. Пульсар в центре Крабовидной туманности открыли в 1968 году американский астрофизик Ричард Лавлейс и его коллеги на трехсотметровом радиотелескопе обсерватории Аресибо на севере Пуэрто-Рико. Их наблюдения подтвердили, что Крабовидная туманность представляет собой остаток сверхновой SN 1054. Скорость вращения пульсара, тридцать три оборота в секунду, доказывает, что он является нейтронной звездой – любой другой объект такое вращение разорвало бы на куски.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Еще одна сверхновая (1054)

Время открытий

Более пяти тысяч лет назад возникла письменность – и это стало началом человеческой истории. Продолжительность ее неизмеримо меньше тринадцати миллиарда и восьмисот миллионов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но последняя, пятая часть нашей книги, уже не сможет ограничиваться только последовательностью природных событий, влияющих на ход развития космоса.

В течение последних тысячелетий человек пытался понять мир. Тогда, пять тысяч лет назад, все началось с попыток измерять и регистрировать время. Затем, постепенно закладывая фундамент научного мышления, человечество начало разгадывать послания, получаемые из космоса. За открытиями, сделанными еще в древности, последовало расширение областей познания, произведенное великими философами античного мира. Их труды при посредничестве арабских и персидских мудрецов постепенно проникли на средневековый Запад.

Исследования европейских ученых, таких как Коперник, Кеплер, Галилей, Декарт, Ньютон, постепенно уничтожали невежество, и разум открыл двери в бесконечность.

Солнечная система была описана уравнениями, а всего несколько веков спустя уже вся Вселенная начала открывать нам свои самые сокровенные тайны.

Итак, к концу XVIII века такие провидцы, как Джон Мичелл и Пьер Симон де Лаплас, сформулировали идею существования звезды столь плотной и компактной, что ее не может покинуть ничто, даже свет. В ХХ веке астрофизики – к примеру, немец Карл Шварцшильд или американец Джон Уилер – вооружившись общей теорией относительности Эйнштейна, предложили концепцию, которая получила название «черной дыры». И наконец, в XXI веке астрофизикам во главе с американцем Шепардом Долменом удалось получить изображение этого небесного тела…

Торжествующее человечество уже не может удовлетвориться исследованием Вселенной с помощью мысли или даже телескопов. Оно хочет завоеваний. Люди уже прошлись по Луне, один из их космических аппаратов сел на комету… прежде чем ринуться дальше в космос, к тысячам внеземных миров, первые из которых уже обнаружены швейцарскими астрофизиками Мишелем Майором и Дидье Кело.

– 3000

Счет времени

Стремление контролировать время восходит к самым ранним временам человеческой истории, к древнему Китаю и Вавилону. Однако самый первый календарь появился в Древнем Египте.

За три тысячи лет до нашей эры жизнь миллиона египтян, населявших узкую плодородную полосу посреди пустыни, зависела от ежегодных разливов Нила и наносимого им ила. Для того чтобы предсказывать эти разливы, египтяне создали астрономию. Начало разлива Нила совпадало с днем, когда Сириус, самая яркая звезда на небосводе, становилась видимой на рассвете: гелиакический восход Сириуса ознаменовывал первый день года, разбитого на периоды для удобства определенных сельскохозяйственных работ. Приблизительный солнечный календарь, получивший название «нилотик», обладал существенным недостатком: его год был чуть короче солнечного, поскольку прецессия равноденствий смещала гелиакический восход Сириуса. Тем не менее этот календарь служил людям несколько тысячелетий и стал основой для реформ Юлия Цезаря.

В 2350 году до нашей эры египтяне уже делили сутки на двадцать четыре часа, по двенадцать часов на день и на ночь. Длительность часа зависела от времени года. Для измерения течения времени египтяне использовали днем водяные часы – клепсидру, а ночью ориентировались на группу из тридцати шести звезд, которые называли «деканами», – Сотис (то есть Сириус), Плеяды или Орион. Каждое утро Нут, богиня небес, рождала Ра, бога Солнца, который в лодке совершал дневной маршрут по небу и старился по мере того, как проходил день. Новорожденным он был скарабеем, потом постепенно к полудню достигал максимума своей мощи и становился первым создателем мира, а в сумерках превращался в старца. Ночные двенадцать часов Ра путешествовал по ту сторону бытия, в загробном мире, среди мрачных божеств и ночных кошмаров.

Очень многие культуры ставили в основу годового цикла Солнце, связывая его в то же время и с лунным циклом, и создавали лунно-солнечные календари. Чтобы максимально упорядочить солнечный год, пришлось сложить дни в месяцы, а месяцы в годы. Так создавались календари практически для всех регионов с умеренным климатом, от Китая до Рима. Таков был и галльский календарь, о чем свидетельствует большая бронзовая табличка, найденная во Франции, в Колиньи, в районе реки Айн.

Существуют и чисто лунные календари, как, например, исламский. Он использует систему нумерации более коротких, чем солнечные, годов – лунный год короче солнечного на примерно одиннадцать дней. Именно этим объясняется смещение основных дат исламского года, таких как праздник Ид-Эль-Фитр. Он символизирует конец поста и месяца Рамадан и знаменует конец хиджры и переселения Магомеда и его последователей в Медину в 622 году.

Цивилизация майя, возникшая на полуострове Юкатан, за свою историю до Х века накопила значительные знания в области математики и астрономии. Для майя сокровенные познания о времени были абсолютной необходимостью, условием связи с богами. Письменность стала способом донести знания о времени до человеческого разума: время стало одной из составляющих языка. Время майя было цикличным и изображалось в виде серии колес, шестеренок, которые вращала вечность.

В 46 году до нашей эры Юлий Цезарь ввел в действие первый календарь, созданный ученым – греческим астрономом Созигеном Александрийским. Юлианский календарь пришел на смену римскому, который к этому моменту стало очень трудно использовать из-за тринадцатых промежуточных «месяцев», периодически вводимых жрецами – великими понтификами. Это приводило ко все возрастающему несовпадению сельскохозяйственных праздников и времен года! Однако и новый единый год юлианского календаря, состоявший из триста шестидесяти пяти дней, двенадцати месяцев, с одним дополнительным днем раз в четыре года – в високосный год, тоже не избежал сдвигов. Именно из-за них христианский праздник Пасхи, изначально праздновавшийся в воскресенье, следующее за первым весенним полнолунием, постепенно все больше смещался к лету.

В 1582 году, чтобы компенсировать накопившееся смещение, Папа Григорий XIII ввел новый календарь, основанный на трудах немецкого математика и астронома, иезуита Христофора Клавиуса. Папа постановил, что в 1582 году после четверга, 4 октября, наступит пятница 15 октября. Католические страны сразу приняли григорианский календарь, а вот Англия, из-за короля Генриха VIII, конфликтовавшего с Папой, перешла на новый календарь только в 1752 году. Православные страны, такие как Россия и Греция, приняли григорианский календарь только в ХХ веке. Переход на новый календарь шел не без трудностей: например, в Англии при его введении начались народные выступления, во время которых протестующие выходили с плакатами: «Верните нам наши десять дней!»

☛ СМ. ТАКЖЕ

Труды Гиппарха (–150)

– 2800

Стоунхендж, обсерватория времен неолита

На юге современной Англии из центра неолитического алтаря, состоявшего из установленных по кругу менгиров пятиметровой высоты, жрецы наблюдали положение Солнца в моменты солнцестояния.

За две тысячи восемьсот лет до нашей эры началось возведение первого памятника этого уникального комплекса: установленные по кругу каменные стелы окружала земляная насыпь и небольшая канава, диаметр сооружения достигал почти ста десяти метров. Ансамбль был возведен на ровном участке с небольшим уклоном, ничем не выделяющимся на фоне окружающего ландшафта. Поначалу комплекс состоял из деревянных конструкций, от которых остались лишь едва заметные следы. Позднее дерево было заменено на голубой камень, добытый в Уэльсе, за двести пятьдесят километров от памятника.

В конце третьего тысячелетия до нашей эры в центре участка был возведен огромный мегалитический комплекс из семидесяти пяти стел. Все камни были добыты в карьере, расположенном в сорока километрах от места строительства. Транспортировка подобных блоков, самые массивные из которых весили не менее сорока пяти тонн, стала результатом не имеющей аналогов коллективной изобретательности, в которую были вовлечены тысячи людей в течение многих десятков лет. Тридцать камней образовали окружность диаметром тридцать три метра, с максимальным расстоянием между камнями всего в семь сантиметров. Поверху они были увенчаны непрерывным кольцом горизонтальных плит-перемычек.

В центре структуры камни образовывали трилиты – сооружения из двух вертикально поставленных камней и третьего, положенного сверху в качестве перемычки – расставленные портиками по подковообразной линии. Именно поэтому это место получило название «Стоунхендж», что на староанглийском значит «подвешенные камни».

Стоунхендж стал одним из многих мегалитических памятников, возведенных между пятитысячным и полуторатысячным годами до нашей эры по всему миру – как в Америке, так и в Европе или Египте. Самый древний подобный комплекс Гжантия – башня гигантов – находится на острове Гозо на Мальте; он был построен за пять тысяч лет до нашей эры. И хотя кельты присвоили некоторые их этих памятников Западной Европы, на самом деле их построили докельтские цивилизации. Самым известным и зрелищным, конечно, остается Стоунхендж – прежде всего, из-за размеров элементов, из которых он состоит. Если не принимать во внимание фантастические предположения, превращающие его в некий «калькулятор» небесных знамений для Мерлина и его сотоварищей-друидов, вероятнее всего, Стоунхендж был местом астрономических наблюдений, связанных с погребальными и календарными ритуалами.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Управление временем (–3000)

– 560

Теорема Фалеса

Фалес Милетский доказал теорему, с помощью которой ему удалось измерить высоту большой пирамиды. Его ученик Анаксимандр Милетский на этой основе построил модель мироздания, в которой цилиндрическая Земля занимала центральное место во Вселенной.

Начиная примерно с VII века до нашей эры, вслед за египтянами и месопотамцами, греки начали развивать систему знаний о небесных движениях и заложили фундаментальные основы западной науки. Слово «планета» проникло во французский язык в XII веке, оно греческого происхождения – от древнегреческого термина planêtês astêrês («блуждающая звезда»), обозначавшего семь основных звезд (Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), в отличие от других небесных тел, не занимавших на небосводе постоянного положения.

Фалес родился примерно в 630 году до нашей эры в Милете, на территории современной Турции. Он стал одним из семи мудрецов античности – математиком, инженером, философом, политиком, но прежде всего астрономом. Он смог с достаточно высокой точностью предсказать солнечное затмение 28 мая 585 года до нашей эры. Фалес применил теорему, которая носит сегодня его имя, для измерения высоты большой пирамиды Хеопса. «Отношение, которое возникает между моей тенью и мною, такое же, какое возникает и у пирамиды с ее тенью, и в тот момент, когда длина моей тени становится равна моему росту, высота пирамиды становится равна длине ее тени». Следует отметить, что эта знаменитая теорема была известна еще вавилонянам, хотя они ее не доказали.

Ученик Фалеса, Анаксимандр Милетский, ввел в античный обиход солнечные часы, использовавшиеся еще в Вавилоне для определения равноденствий. Он стал первым греком, научившимся вычислять моменты равноденствий с помощью часов и геометрии. Анаксимандр также стал первым ученым, построившим механическую модель мироздания, в которой Земля была цилиндром, подвешенным в пространстве. Одна из сторон этого цилиндра и была обитаемым миром.

Анаксимандру также приписывают создание первой карты изведанного мира, который он представлял себе в виде круга, разделенного на три континента – Европу, Азию и Ливию (Африку), с Эгейским морем в центре. Средиземное море отделяло Европу от Африки, Черное море – Европу от Азии, а Нил – Азию от Африки. Все три континента отделялись от края Земли внешним океаном. Труды Анаксимандра вдохновили знаменитого греческого географа Гекатея Милетского на создание собственных карт. Карты местности существовали, несомненно, еще во времена Египта и Вавилона, однако Анаксимандр стал первым, кто попытался представить наглядно видение мира, присущее античной Греции.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Труды Гиппарха (–150)

– 530

Гармония сфер

Пифагор основал в Кротоне сообщество, в котором преподавал математику, астрономию, музыку и где сложились прочные связи между музыкой и астрономией.

Пифагор известен в основном благодаря знаменитой теореме, названной его именем, но, помимо геометрии, он оказал влияние на философию, математику, музыку и астрономию. Мыслитель утверждал, что вечерняя звезда – первая, которая появляется в сумерках, и утренняя звезда – последняя, которую можно разглядеть на рассвете, – представляют собой одну и ту же звезду: планету Венера. Об этом знали и в Вавилоне. Пифагор также утверждал, что Земля круглая, хотя чаще теорию сферичности Земли приписывают Пармениду. Он первым начал называть небосвод космосом, термином, образованным от древнегреческого названия для упорядоченного мира, в противовес хаосу.

Пифагор родился примерно в 570 году до нашей эры на греческом острове Самос, в восточной части Эгейского моря. Его отец получил от Дельфийской Пифии предсказание, обещавшее, что у его жены, в то время беременной, родится сын замечательной красоты и мудрости. Поэтому он назвал сына Пифагором, что означало «предсказанный Пифией». В возрасте семнадцати лет Пифагор участвовал в Олимпийских играх и победил во всех соревнованиях по кулачному бою, предшественнику бокса – в этом виде соревнований разрешалось использовать только кулаки.

Пифагор прошел ряд мистических инициаций в Финикии, Египте, Вавилоне, на Крите, а затем во Фракии и в Дельфах. В 532 году до нашей эры он основал собственную школу в Кротоне, городе в составе Большой Греции, на западном берегу современной Калабрии, на южной оконечности Италии. Школа Пифагора представляла собой нечто среднее между сектой и религиозным орденом и была философским, научным, политическим, просветительским сообществом, в котором знания и имущество были общей собственностью. При этом пифагорейцы поддерживали тираническую власть в Кротоне, что стало причиной их уничтожения во время народного бунта.

Пифагор открыл законы гармонии, доказав, что существует зависимость между длиной вибрирующей струны и высотой звука, который она издает. Пифагорейцы применили эту зависимость к небесным объектам. Они первыми стали описывать мир при помощи математики. Как писал Теон Смирнский, «пифагорейцы утверждают, что музыка представляет собой гармоничное сочетание противоположностей, объединение множеств и согласие противников».

Пифагор оказал мощное влияние на свою эпоху и более поздние времена несмотря на то, что не обнаружено ни одного труда, который был бы написан его рукой, а о нем самом известно только по рассказам учеников.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Теорема Фалеса (–560)

– 335

Трактат Аристотеля о небе

Аристотель, ученик и друг Платона, основал собственную философскую школу и заложил фундаментальные основы представлений о мироздании, которые просуществовали вплоть до Средних веков, так же как и его теория о звездах из трактата «О небе».

После смерти Сократа в 399 году до н. э. Платон бежал из Афин в Мегару, греческий город, расположенный на перешейке между Центральной Грецией и Пелопоннесом. Затем он перебрался в Сирену, греческий город в Киренаике (современная Ливия), потом в Большую Грецию (современный юг Италии), где встретил пифагорейцев, и наконец в Египет, где жил у жрецов Гелиополя. Во время своих путешествий Платон сформулировал собственную систему представлений о мире. Вернувшись в Афины в 387 году до нашей эры, он основал школу, вдохновленную пифагорейским образцом – Академию. Только гораздо позднее в «Тимее», одном из своих последних трудов, Платон описал строение космоса, вытекавшее из его философской системы взглядов.

Создание мира, богов и живых существ требует существования некоторого количества действующих лиц и компонентов: демиургов, Идей, мировой души, мирового тела и, наконец, Материи. Демиург представляет собой божество за пределами мира, создающее душу и тело мироздания. Его роль этим не ограничивается, поскольку он организует Материю в соответствии с Идеями. Демиург стоит также у истоков Времени, которое определяет движение звезд. Регулярность их циклов позволяет измерить Время. Время буквально символизирует вечность своей кажущейся цикличностью. Своей вечной идентичностью самому себе Время представляет собой подвижное воплощение неподвижной вечности.

Мироздание являет собой живую сущность, с телом и душой, а космос – рациональную конструкцию разумного мира, состоящего из ранее существовавших элементов. Это разумное и организованное целое, составленное из неорганизованных элементов. Точно так же душа мира представляет собой живую сущность, одушевленную в этимологическом смысле этого термина, то есть обладающую собственной душой, причиной и источником его собственного движения и первоосновой Вселенной как создания демиурга.

К 367 году до нашей эры, когда Аристотелю исполнилось семнадцать лет, его приняли в Академию Платона, в которой он провел двадцать лет. Платон заметил его живой ум и позволил ему преподавать риторику. Это не помешало Аристотелю отвергнуть теорию Идей Платона, сказав знаменитую фразу «Платон мне друг, но истина дороже». После смерти Платона в 347 году Академию унаследовал его племянник. Разочарованный Аристотель отправился в Атарнеи, греческий город на западе Анатолии. В 343 году до нашей эры по приглашению Филиппа II, царя Македонии, он стал воспитателем царского наследника, будущего Александра Великого. В 335 году до нашей эры Аристотель возвратился в Афины, где основал собственную школу, Ликей, разместившуюся в удобном для прогулок месте, где учитель и ученики философствовали, гуляя…

Аристотель стал первым греком, написавшим настоящий трактат о космологии, который стал одной из основ западной культуры почти на две тысячи лет, вплоть до Коперника. Он заимствовал, творчески переработав, основные идеи Пифагора, Платона, Евдокса Книдского.

Аристотель, кроме того, был первым греком, нашедшим доказательства сферичности Земли: в частности, феномен исчезновения за горизонтом плывущего в море корабля или форма тени, которую Земля бросает на Луну во время затмения. Аристотель различал несовершенный, меняющийся «подлунный» мир и мир «надлунный» (по другую сторону Луны), в котором движения прямолинейны и направлены от центра вверх или вниз. По другую сторону Луны простирался другой мир, неизменный, наполненный субстанцией, названной им «эфиром», в котором все движения равномерны и совершаются по кругу. В центре всего этого сферического космоса располагалась Земля, в нем находились также Луна, Солнце, звезды блуждающие и звезды неподвижные. В системе Аристотеля к каждой движущейся звезде прилагалась собственная сфера, центрированная вокруг Земли и вращающаяся вокруг себя самой. Он предполагал, что кометы и метеориты были возмущениями, связанными с Землей и поэтому зависимыми от несовершенного мира.

Для Аристотеля Вселенная была сравнима с живым организмом, конечным в пространстве и бесконечным во времени, единым и сферическим, как само небо. Изменения подлунного мира объяснялись взаимодействием свойств четырех стихий (холод для земли и воды, влажность для воды и воздуха, тепло для воздуха и огня, сухость для огня и земли), в то время как неизменность эфира влекла за собой неизменность неба.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Теорема Фалеса (–560)

Новые перспективы (1543)

– 240

В Александрийской школе

В 331 году до нашей эры Александр Великий основал Александрию, превратившуюся в самый большой город Древней Греции. В нем взошла звезда царей династии Птолемеев, сделавших его интеллектуальной столицей Средиземноморья.

Птолемей I Сотер («Спаситель») построил в Александрии заведение, которое сегодня бы назвали высшим учебным и научно-исследовательским. Оно стало известно миру под именем Александрийской школы. В нее входили мусейон (храм Муз, или мусей), учебные помещения, лаборатории и библиотека, ставшая воистину огромной во времена второго и третьего царей династии – в ней хранились сотни тысяч рукописей. В течение почти целого тысячелетия Александрийская школа была чрезвычайно влиятельным научным центром. Ученым здешней астрономической школы, неотделимой от математической, человечество обязано серьезными достижениями в области знаний о Вселенной – начало им положили выдающиеся исследователи космоса: Аристарх Самосский и Эратосфен.

Аристарх Самосский, астроном Александрийской школы, в своем труде «О величинах и расстояниях Солнца и Луны» впервые оценил расстояния от Земли до Солнца и до Луны. Эти оценки получили удивительно изобретательно, но они были очень приблизительными… Наблюдая за Луной на небосводе, Аристарх обнаружил, что она тратит около часа на перемещение на расстояние, равное ее диаметру. А с другой стороны, он знал, что полное лунное затмение, когда большая часть лунного шара погружена в цилиндр тени, отбрасываемой Землей, длится около двух часов. Отсюда он заключил, что диаметр цилиндра тени равен трем лунным и, следовательно, диаметр Земли в три раза больше, чем диаметр Луны. На самом деле он больше лунного почти в четыре раза.

Затем, приняв для простоты расчета, что угол, под которым мы видим Луну (кажущийся диаметр), равен двум градусам (на самом деле – полградуса), Аристарх сделал вывод, что расстояние Земля – Луна равно девятнадцати земным радиусам (на самом деле – чуть бо`льше шестидесяти). Метод расчета был весьма остроумным, однако сами расчеты страдали многочисленными неточностями, начиная с видимого диаметра Луны. Но для такого ученого, как Аристарх, философа не в меньшей степени, чем астронома, методика имела большую важность, чем результат. Можно предположить, что Аристарх и не измерял видимый диаметр Луны; к тому же он использовал значение в два градуса исключительно для удобства представления расчетов – даже в те времена получить более точное значение было не очень сложно.

Принимая во внимание, что, когда Луна находится в своей первой четверти, Солнце, Земля и Луна образуют вершины прямоугольного треугольника, Аристарх определил, что расстояние Земля – Солнце в девятнадцать раз больше, чем расстояние Земля – Луна (на самом деле – в четыреста раз). Измерения Аристарха, несмотря на грубые ошибки, позволили ему впервые построить гелиоцентрическую систему мира. По его мнению, маленькие блуждающие звезды должны были бы вращаться вокруг больших. Он поставил Солнце в центр мироздания и описал два вида вращения Земли – вокруг своей оси и вокруг Солнца. Согласно этой гипотезе, звезды должны быть видимы с Земли под разными углами в зависимости от времени года. Аристарх пришел к выводу, что эта угловая разница – параллакс – существует на самом деле, но наблюдать ее невозможно из-за слишком большого расстояния, отделяющего нас от звезд. И на этот раз он был абсолютно прав!

В 240 году до нашей эры, по просьбе Птолемея III, Александрийскую библиотеку возглавил Эратосфен. Он изучал астрономию, математику, географию, и его вклад в астрономию был весьма значителен: таблицы затмений, каталог звезд из шестисот семидесяти пяти объектов, измерение наклона эклиптики к экватору…

Основной труд Эратосфена был посвящен измерению окружности Земли чисто геометрическими методами. Мыслитель знал, что в полдень, в день летнего солнцестояния, когда Солнце стоит в самой высокой точке, оно освещает дно очень глубокого колодца, вырытого в Сиене (сегодня это Асуан, на юге Египта); значит, Солнце находилось на одной вертикали с Сиеной. Эратосфен заметил, что в тот же день и в тот же час в Александрии у обелиска была небольшая тень; значит, Солнце не находилось на одной вертикали с Александрией.

Допустив, что Солнце все-таки достаточно далеко от Земли, чтобы его лучи можно было принять за параллельные, Эратосфен пришел к выводу, что именно сферическая форма Земли создает разницу между нулевым наклоном в Сиене и тем, что он измерил в Александрии (семь целых и две десятых градуса). С помощью простой тригонометрии и знания расстояния между городами, давно измеренного караванами (пять тысяч стадий), Эратосфен вычислил, что окружность Земли равна двумстам пятидесяти тысячам стадий. Египетская стадия равнялась примерно сто пятидесяти семи метрам, и, таким образом, окружность Земли по Эратосфену, вычисленная им за двести сорок лет до нашей эры, отличалась от современных данных менее, чем на два процента. Потрясающая точность для того времени!

Эратосфен создал также знаменитую карту мира древних греков – Ойкумену. Он точно так же, как столетием раньше Аристотель, полагал, что она представляет собой остров, окруженный океаном, на шарообразной Земле. Картография Ойкумены Птолемея, приведенная им в его «Географии»[3], более трех веков спустя, была вдохновлена трудами Эратосфена.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Труды Гиппарха (–150).

«Альмагест» Птолемея (150)

Смерть Гипатии (415)

– 150

Труды Гиппарха

Гиппарх Никейский использовал данные наблюдений, собранные халдейскими астрономами для построения количественных моделей движения Луны и Солнца. Затмение из небесного знамения превратилось в объяснимый наукой феномен.

Гиппарх родился примерно в 190 году до нашей эры в Никее, в Вифинии (ныне это город Изник на западе Турции) и умер в возрасте семидесяти лет на острове Родос. Учился он в Александрийской школе, как и многие другие ученые, и совершил важнейшие открытия античных времен. Он стал первым греком, обобщившим данные наблюдений халдейских астрономов из Вавилонии, накопленные в течение предшествующих веков; он предложил точные модели движения Луны и Солнца. Гиппарх использовал еще одно важное достижение ученых Вавилона: для тригонометрических вычислений он использовал окружность, разделенную на триста шестьдесят частей. Ученый стал автором первой тригонометрической таблицы, которая позволила ему решать задачи с треугольниками. Благодаря этим таблицам и знаниям о движении Луны и Солнца он стал, несомненно, первым в истории ученым, создавшим надежную модель для предсказаний солнечных затмений.

Лунное затмение происходит, когда Земля выстраивается в одну линию с Солнцем и Луной, а солнечное – когда Луна оказывается между Солнцем и Землей. Если бы плоскость лунной орбиты вокруг Земли совпадала с земной орбитой вокруг Солнца, солнечные затмения происходили бы каждое новолуние. Но небольшой угол между плоскостями орбит (в пять градусов) является причиной того, что солнечное затмение происходит только тогда, когда Луна, выстроившись на одной линии с Солнцем, пересекает плоскость орбиты вращения Земли вокруг Солнца, названной «плоскостью эклиптики». По причине постоянного изменения расстояний между Землей и Солнцем и между Луной и Землей лунный диск кажется то больше солнечного (полное затмение), то меньше (кольцеобразные затмения).

Гиппарх был автором первого известного каталога звезд, но наибольшую известность ему принесло открытие прецессии равноденствий. Во время одного из лунных затмений, случившегося во время весеннего равноденствия, Гиппарх заметил, что расположение Луны относительно звезд сместилось по сравнению с аналогичным затмением, наблюдавшимся на сто пятьдесят лет раньше. Уже задолго до этого вавилонские астрономы, известные высокой точностью наблюдений, придавали большую важность точке равноденствия – точке на небе, в которой Солнце находится в день весеннего равноденствия. Она одновременно является и точкой пересечения эклиптики и небесного экватора. Но именно Гиппарх первый строго описал это явление, показав, что точка равноденствия смещается от года к году, точнее на один градус за семьдесят два года.

Это смещение – результат изменения направления оси вращения Земли – оси, соединяющей ее полюса. Под влиянием приливных сил, порождаемых Луной и Солнцем и действующих на земной шар, ось вращения планеты описывает конус, как юла. Это медленное движение земной оси увлекает за собой плоскость экватора и, соответственно, точку равноденствия, которая ежегодно смещается относительно прошлого положения. Из-за этого движения, названного прецессией равноденствий, точка равноденствия совершает полный ретроградный оборот по небесному своду за неполные двадцать шесть тысяч лет.

Небесные полюсы – точки на небесном своде, через которые проходит ось вращения Земли. Медленное движение этой оси влечет за собой смену положения полюсов относительно звезд, считавшихся неподвижно закрепленными на небесном своде. Таким образом, Северный полюс постепенно приближался к ярким звездам, как будто специально предназначенным для того, чтобы указывать на север. В наши дни эта роль досталась самой яркой звезде Малой Медведицы – Полярной.

Гиппарху, который поселился на острове Родос, приписывают также изобретение астролябии, прибора, позволяющего измерить высоту звезд над горизонтом. Конструкция астролябии основывалась на принципе стереографической проекции, которым мы тоже обязаны Гиппарху. Три столетия спустя греческий астроном Клавдий Птолемей предложил первые технические усовершенствования астролябии. Благодаря греческим и латинским источникам, содержащим описание инструмента, арабские астрономы смогли создать свои астролябии, содержавшие дальнейшие улучшения. И уже в конце Х века, познакомившись в Испании с многочисленными арабскими рукописями на эту тему, Герберт д’Ориллак, будущий Папа Сильвестр II, известный активным продвижением арабских цифр в христианском мире, вновь познакомил западный мир с астролябией.

☛ СМ. ТАКЖЕ

В Александрийской школе (–240)

«Альмагест» Птолемея (150)

Смерть Гипатии (415)

150

«Альмагест» Птолемея

В «Альмагесте» греческий астроном Клавдий Птолемей описал геоцентрическую систему, которая объясняла ретроградное движение планет с помощью теории эпициклов.

Клавдий Птолемей родился около 90 года в Птолемаиде, одном из трех греческих городов древнего Египта. Этот город располагался на месте нынешнего Эль-Манша и был основан Птолемеем I как столица Фиваиды, вместо Фив. Однако большую часть своей жизни Клавдий Птолемей провел в Александрии, изучая наследие Гиппарха, преданным последователем которого он был. Птолемей стал автором многочисленных трудов в весьма разных областях знаний: астрономии, астрологии, географии, математике, музыке и оптике. Два его труда сильно повлияли на исламское и европейское культурные сообщества. Это «География», единственный трактат античных времен, который дошел до нас полностью – в основном, благодаря его переводам на арабский, прославившим его под арабским именем «Аль-Маджести», то есть «Великолепный». В этом трактате Птолемей обобщил астрономические представления предыдущих восьми веков и выдвинул геоцентрическую модель мироздания, в которой блуждающие звезды вращались вокруг Земли, расположенной в центре Вселенной. Оставалось только объяснить периодическое ретроградное движение некоторых из этих звезд. Птолемей выдвинул гипотезу, что каждая планета описывает при движении еще и небольшую окружность, «эпицикл», центр же этой окружности в свою очередь вращается вокруг Земли по большой окружности, названной им «деферентом».

Птолемей не использовал идею Аристотеля, согласно которой звезды располагались на поверхности прозрачной сферы. Он считал, что «звезды движутся в совершенном флюиде, не оказывающем никакого сопротивления их движению». Мы не знаем, было ли это предвидение, близкое к понятию вакуума, собственной идеей Птолемея, однако он явно полагал, что деференты и эпициклы не имеют материальной природы. Некоторые историки науки допускают, что теорию эпициклов Птолемея породило именно желание сделать расчеты более удобными, а вовсе не вера в материальную реальность системы. Однако только труды Коперника и создание гелиоцентрической системы позволили понять, что внешние планеты движутся по своим орбитам медленнее, чем Земля по своей: наша планета просто их постоянно догоняет и перегоняет, создавая иллюзию их обратного движения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

В Александрийской школе (–240)

Новые перспективы (1543)

415

Смерть Гипатии

Ученый, математик и астроном Гипатия Александрийская была забита насмерть фанатиками-христианами, и это сделало ее героиней – знаменем позитивизма, науки, а позднее и феминизма.

Гипатия родилась в Александрии, около 360 года нашей эры. Она была дочерью Теона Александрийского, ученого и последнего главы мусейона (храма Муз). Первым наставником Гипатии был ее собственный отец; повзрослев, она продолжила обучение в Афинах. После возвращения в Александрию, Гипатия участвовала в публичных дискуссиях и обучала наукам молодых выходцев из образованных слоев александрийского общества. Качество ее трудов, красноречие и широта взглядов укрепляли ее известность и репутацию ученого. Не меньше, чем высоким интеллектом, она прославилась также красотой и человечностью и была заметной фигурой александрийской общественной жизни.

К концу IV века Гипатия стала одним из основных участников серьезных дебатов между христианами и неоплатониками, чьим ярким представителем она была. Христиане, по наущению патриарха Феофила, сожгли Серапеум, знаменитый языческий храм и важный культурный центр, в котором хранилась часть знаменитой Александрийской библиотеки. Александрийское общество колебалось между эллинизмом, который привел полис к величию, и новой христианской верой, в те времена еще агрессивной и порой фанатичной.

Ученики Гипатии изучали философию неоплатоников, не впадая в реакционность, не превращаясь в яростных противников христианства: доказательством этому служит то, что среди ее поклонников было много христиан. Вокруг Гипатии сосредоточивалась и обучалась блестящая молодежь, выходцы из образованных и богатых слоев, воспитанных на греческой культуре и философии, но крещеных и готовых принять на себя важнейшие общественные обязанности – церковные и имперские.

Однако в 412 году ситуация в Александрии накалилась. Феофила сменил новый патриарх, его племянник Кирилл, известный непримиримостью и фанатизмом. Отношения между представителем церкви и префектом Орестом, представителем имперской власти в Александрии, быстро ухудшились. В 415 году ситуация раскалилась до предела. Фанатики протащили сорокапятилетнюю Гипатию по улицам к церкви и убили. Это случилось из-за добрых отношений, которые связывали ее с Орестом.

Гипатия – одна из первых женщин, получивших признание в тех областях науки, которые еще очень долго после этого оставались исключительной прерогативой мужчин.

☛ СМ. ТАКЖЕ

«Альмагест» Птолемея (150)

Эмили дю Шаттле переводит Ньютона (1745)

650

Карты звездного неба

В Китае император традиционно окружал себя астрономами, которые были призваны трактовать небесные знамения. Их наблюдения, накопленные за две тысячи лет, до сих пор служат ученым.

Китайская астрономия зародилась почти за две тысячи лет до нашей эры. Несмотря на смену династий, преемственность китайской цивилизации определялась постоянной заботой о сохранении гармонии Неба и Земли. Как и многие другие древние цивилизации, возникшие в регионах с умеренным климатом и четкой сменой времен года (греческая, римская, галльская), китайская использовала лунно-солнечный календарь, чтобы следить за сменой времен года, очень важной для сельского хозяйства. В основе этого календаря лежали годичный солнечный цикл, необходимый для подсчета лет, и цикл смены лунных фаз – для подсчета месяцев.

Самые старые фрагменты таких календарей, выгравированных на черепаховых панцирях (они назывались «кости оракула») датируются эпохой династии Шан (XIV век до нашей эры). Продолжительность тропического года (триста шестьдесят пять дней с четвертью) и синодический период Луны (промежуток времени, разделяющий две идентичных фазы – два новолуния, то есть двадцать девять с половиной дней) таковы, что для того, чтобы получить совпадение цикла времен года с месячным циклом, надо примерно раз в три года прибавлять промежуточный месяц. В традиционном китайском календаре добавочный месяц вводился семь раз за девятнадцать лет. Таким образом, в китайском году не было постоянного количества дней и месяцев.

Чтобы соответствовать реальному течению времени, столь сложный календарь требовал астрономических наблюдений очень высокой точности. Императоры окружали себя астрономами, в чью задачу входило регулярное и тщательное наблюдение за звездами и фиксация всех неожиданных небесных явлений. Эти наблюдения и записи имели огромное политическое значение и служили укреплению действующей власти. Китайское небо было верным союзником империи и организовано, как страна вокруг правителя: с дворцами, чиновниками и подданными… Небо подавало знаки всем: правителям, мандаринам[4] и самым смиренным их подданным. На протяжении более двух тысячелетий китайские астрономы вели записи о самых разных небесных явлениях (появлениях комет, сверхновых звезд, новых светил) и эти хроники дошли до наших дней, подарив астрофизикам ценнейшую информацию – к примеру, о взрыве сверхновой в 1054 году.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Счет времени (–3000)

Взрыв сверхновой (–4500)

Еще одна сверхновая (1054)

1054

Еще одна сверхновая

При взрыве сверхновой блеск звезды возрастает в миллиарды раз и людям кажется, что на небе родилась новая звезда. Такие явления в человеческой истории наблюдались неоднократно.

Свидетельства о взрыве звезды, который можно было наблюдать с Земли, довольно многочисленны, но не все в одинаковой степени заслуживают доверия. В Древнем Китае, например, любой появлявшийся на небе светящийся объект (метеорит, комета, новая, сверхновая) назывался «звездой-гостьей», и императорские астрономы должны были тщательно фиксировать все эти явления. Поэтому сверхновая 1054 года – в официальном каталоге Международного астрономического союза она теперь обозначена как SN 1054 – была детально описана в летописи династии Сун. Выдержку из нее приводит французский астрофизик Жан-Марк Бонне-Бидо: «В пятом месяце первого года периода царствования Чжи-хэ [июль 1054], утром на востоке по соседству с Тянь-гуан [Дзета Тельца] появилась звезда-гостья. Она была видна днем, как Венера. Лучи от нее шли во все стороны, и цвет ее был красно-белым. Ее было видно [днем] двадцать три дня».

В арабском мире, возможно под влиянием аристотелевских представлений о неизменности космоса, астрономы интересовались только явлениями циклического характера. Они не обращали внимания на случайные, преходящие небесные феномены, которые считались порождением подлунного мира. Тем не менее в Египте появление SN 1054 поразило врача Ибн Бутлана.

Два века спустя историк медицины Ибн Абу Усайбиа описал его свидетельство: «Одна из величайших эпидемий нашего времени разразилась тогда, когда яркая звезда появилась в Близнецах, в 446 году [год мусульманского календаря, который продолжался со 2 апреля 1054 по 1 апреля 1055]. Она вызвала начало эпидемии в Фостате [сегодня – старый Каир], в сезон низкого Нила».

В Европе не сохранилось никаких столь же заслуживающих доверия свидетельств появления SN 1054, хотя это событие, казалось бы, должно было привлечь внимание ученых – к примеру, появление на небе сверхновой SN 1006 было описано в манускрипте из аббатства Святого Галла в Швейцарии. Небесное явление могло быть замечено и индейцами Северной Америки. Весьма вероятно, что индейский петроглиф, выгравированный в виде звезды и полумесяца на скальном выступе в каньоне Чако в Нью-Мексико, как раз изображает появление SN 1054. Утром 5 июля 1054 года Луна действительно находилась на небе вблизи новой звезды.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Взрыв сверхновой (–4500)

Карты звездного неба (650)

1543

Новые перспективы

Польский каноник Николай Коперник, вдохновленный совершенной художниками Возрождения революцией в живописи, то есть появлением на полотнах перспективы, незадолго до смерти сформулировал гелиоцентрическую картину мира.

В Средние века в науке господствовала концепция Аристотеля, которая хорошо согласовывалась с христианским видением акта Творения. С начала времен Земля находилась в центре мироздания, и ее окружали сферы, по которым совершали свое циклическое движение планеты. В небе царило совершенство. Блуждающие траектории планет описывались сложным геометрическим механизмом, предложенным Птолемеем. Средневековая культура была отражением геоцентрической картины мира.

Но художники Кватроченто предложили новую концепцию взаимоотношений предметов с пространством, в котором они существовали. Вертикальному, иерархическому устройству они противопоставили мир, подчиняющийся законам перспективы. Коперник, долгое время живший в Италии, под влиянием новых идей предложил совершенно иную картину мира: в его центр встало Солнце, вокруг которого описывали свои гармоничные траектории планеты.

Однако эта концепция породила целый ряд вопросов, на которые в ту эпоху никто не смог ответить. Развернувшаяся вокруг нового мировоззрения дискуссия продолжилась и в последующие века. Как совместить новую систему представлений с существовавшими на тот момент знаниями о мире?

Действительно ли мир бесконечен? Не ставит ли новая картина мироздания под вопрос само существование Бога?

Коперник не располагал инструментами, более совершенными, чем у его античных предшественников; вдобавок, его возможности были ограничены климатом, гораздо менее благоприятным для астрономических наблюдений, чем средиземноморский. Но, с другой стороны, именно благодаря трудам античных астрономов, дошедшим до Европы благодаря посредничеству ученых мусульманского мира, благодаря новой концепции пространства и месту, которое занял в мире человек Возрождения, Коперник пришел к новому кругу представлений, позволившим ему сделать вывод, что это Земля вертится вокруг Солнца, а не наоборот.

Коперник провел много часов, наблюдая за планетами, их перемещением и расположением звезд; он уточнил разницу между солнечными и звездными сутками, с высокой точностью установил продолжительность солнечного года. Результаты, которые он получил, были близки к полученным его предшественниками-мусульманами, но более точны. Однако по-настоящему новым стало то, что Коперник поместил Солнце в центр Солнечной системы и заставил Землю и планеты вращаться вокруг него.

Этим он разом объяснил видимые движения планет: их ретроградные смещения, их расположение в солнечной системе и даже периоды их обращения: чем дальше от Солнца находится планета, тем больше ей требуется времени для полного оборота вокруг светила. Коперник выдвинул гипотезу прецессии, то есть конусообразного смещения земной оси, какое наблюдается у волчка. Однако, что удивительно, он сохранил в своей модели твердые прозрачные небесные сферы, отброшенные еще Птолемеем.

Коперник долго оттягивал публикацию своего главного труда – De Revolutionibus Orbium Coelestium («О вращении небесных сфер»)[5]. Несомненно, он опасался реакции церкви и властей, но не только этого: он очень беспокоился о том, какие последствия повлечет за собой его открытие. Книга была опубликована всего за несколько дней до его смерти…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Труды Гиппарха (–150)

«Альмагест» Птолемея (150)

1600

Вперед к бесконечности

Джордано Бруно, взяв за основу труды Николая Кузанского, постулировал, что если Бог бесконечен, то бесконечна и Вселенная, и в ней должно быть несчетное количество таких же, как наш, миров.

Николай Кребс (или Крипс) родился в 1401 году в Кузе, Германия, – отсюда и происходит имя, под которым он прославился. Он был сыном богатого кораблестроителя, изучал право, философию и математику в Гейдельберге, в Падуе и в Кельне. После Великого западного раскола католическая церковь с трудом возвращала себе авторитет. Николай Кузанский встал на сторону Папы, и его старания были вознаграждены: в 1448 году он сделался кардиналом. Десять лет спустя стал генеральным викарием[6] при Папе-гуманисте Пие II.

Николай Кузанский был преданным читателем трудов Раймонда Луллия, каталанского теолога и философа, и изобрел специальный интеллектуальный метод – как думать о бесконечности. Он считал, что «мироздание имеет свой центр повсюду, а окружность – нигде, потому что Бог есть и окружность, и центр – Бог во всем и всё в Боге». Концепция, которую он сформулировал, была прежде всего философской, но заложила основы будущей революции в науке: его мир был «неопределенным и неограниченным» – характеристики, которые прежде относились лишь к Богу.

Николай Кузанский порвал с замкнутым космосом Аристотеля и первым возвестил о бесконечности Вселенной – на этой концепции основана и современная космология. По его мнению, образ Бога бесконечен, и космос не имеет границ: мироздание есть безграничная сфера с центром повсюду и окружностью нигде. Земля, как и другие небесные тела, принадлежит космосу и перемещается в пространстве – эта идея шла вразрез с аристотелевской теорией, согласно которой природа неба и Земли различны. Наконец, именно Николай Кузанский впервые объявил, что понятия верха и низа в астрономии не имеют никакого смысла…

Еще интереснее была его идея множественности миров, пусть пока и выраженная в терминах «божественной бесконечности». Николай Кузанский полагал, что во Вселенной может быть столько же миров, сколько и звезд. Человек, рассуждающий о границе между конечным и бесконечным, по его мнению, был «ученым невеждой». Земля, в свою очередь, становилась всего лишь бесконечно малым небесным телом. Метафизическая проблема преобразовывалась, таким образом, в вопрос: как существа конечной природы могут постичь понятие бесконечности?

Итальянский монах-доминиканец и философ Джордано Бруно, родившийся в 1548 году в Ноле, в окрестностях Неаполя, всю жизнь страдал от распрей с церковными иерархами. С момента поступления в орден доминиканцев он начал высказывать сомнения по поводу трактовки Святой Троицы и непорочного зачатия Девы Марии. Угроза судебного процесса по обвинению в ереси в 1576 году заставила его снять монашескую рясу и бежать. В течение более тридцати лет он скитался по миру, пока Венеция не выдала его римской инквизиции… Он отказался от аристотелевской трактовки мироздания и защищал утверждения Коперника. Бруно считал, что Земля совершает двойное вращение: вокруг своей оси и вокруг Солнца. Он пошел намного дальше Коперника, защищая идею однородного и изотропного пространства, бесконечной пустоты, простирающейся во все стороны и не имеющей центра. Вслед за Николаем Кузанским он отстаивал бесконечность космоса и множество миров. Вселенная, являясь бесконечным следствием бесконечной причины, то есть Бога, включает в себя бесконечное множество миров, подобных нашему: всякая звезда, как Солнце, может быть центром другого мира, непознаваемого для нас, но известного Богу.

В своем главном труде «О бесконечности, вселенной и мирах»[7], изданном в 1584 году, Джордано Бруно предложил следующий диалог:

«Другие миры, следовательно, так же обитаемы, как и этот?» – спрашивает Буркий, на что Фракасторий (альтер-эго Бруно) отвечает: «Если не больше и не лучше, то во всяком случае не меньше и не хуже. Ибо разумному и живому уму невозможно вообразить себе, чтобы все эти бесчисленные миры, которые столь же великолепны, как наш, или даже лучше его, были лишены обитателей, подобных нашим или даже лучших».

Судебный процесс длился восемь лет. Джордано Бруно инквизиция обвинила в ереси и приговорила к сожжению на костре. 17 февраля 1600 года он был сожжен в Риме на Кампо дель Фиори, перед толпой паломников, прибывших на празднование Юбилейного года – года, в который можно было получить полное отпущение грехов.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Множественность миров (1686)

Открытие экзопланет (1995)

1609

Галилей создает первый телескоп

Галилей, взяв за образец инструмент, изготовленный голландским оптиком, собственноручно сделал «увеличительную трубу» – первый астрономический телескоп.

Увеличительные линзы была изобретены в Италии или Голландии в конце XV века. Имя изобретателя так и осталось неизвестным. Впервые увеличительную трубу упомянул итальянский писатель Джамбаттиста делла Порта в книге «Натуральная магия» в 1589 году. В 1608-м голландский оптик Ханс Липперсгей первым подал патентную заявку на изобретение зрительной трубки с увеличительной линзой, которая обсепечивала троекратное увеличение. При этом он всего на несколько недель опередил своего соотечественника Якоба Метиуса, изготовителя оптических инструментов и специалиста по полировке линз, который в октябре 1608-го также подал в Генеральные Штаты Нидерландов патентную заявку на инструмент, позволяющий «видеть далекие предметы так, будто они совсем рядом». Математик и философ Рене Декарт в своей «Диоптрике»[8], вышедшей в 1637 году, приписывал авторство приборов удаленного видения именно Метиусу.

В мае 1609 года Галилео Галилей, профессор кафедры математики в университете Падуи, узнал от своего ученика Джакомо Бадеры об изобретении голландским оптиком зрительной трубы, позволяющей лучше видеть далекие предметы. Он решил создать свою зрительную трубу с большим увеличением. В августе 1609 года он как собственное изобретение представил образец своего телескопа венецианскому дожу и его придворным.

Демонстрация телескопа с успехом прошла на верхней площадке колокольни на площади Святого Марка. В пределах Венеции Галилей закрепил за собой авторские права на изготовленный им инструмент; венецианские власти были весьма заинтересованы перспективами его применения в военных целях. Галилей получил пожизненный пост в Падуе и удвоенное жалование.

В ноябре 1609 года Галилей сделал телескоп с двадцатикратным увеличением и наконец направил его в небо. С изумлением он обнаружил в него множество слабых звезд, не видимых невооруженным глазом. На поверхности Луны Галилей увидел горы, такие же, как те, что вздымаются на Земле. В январе 1610 года ему удалось наблюдать четыре спутника Юпитера. Наблюдения Галилея посеяли в нем сомнения в аристотелевых догмах. В марте 1610 года ученый изложил результаты своих исследований звезд, Луны и спутников Юпитера в труде «Sidereus nuncius» («Звездный Вестник»[9]), написанном на латыни и опубликованном в Венеции. Все пятьсот экземпляров разошлись за несколько дней. Через несколько недель Галилей стал знаменит по всей Италии; все итальянские университеты стремились заполучить его к себе…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Ньютон изобретает свой телескоп (1671)

1609

Новая астрономия Кеплера

Превосходство наблюдений над догмами: это кредо Кеплер выдвинул в своем труде «Astronomia Nova», изложив в нем два главных закона, которым подчиняется движение планет вокруг Солнца.

Иоганн Кеплер родился 27 декабря 1571 года в лютеранской семье в немецком городе Вайль-дер-Штадт, расположенном ныне в земле Бад-Вюртемберг. После учебы в протестантской семинарии, в 1589 году он поступил в университет Тюбингена, где учился у немецкого астронома и математика Михаэля Мёстлина, поклонника новой гелиоцентрической системы Коперника. Сначала Кеплер собирался стать пастором, но затем согласился на пост математика, предложенный ему протестантской школой в Граце, в Штирии. Там его преследовали за религиозные убеждения и высказывания в пользу идей Коперника, и он вынужден был покинуть Грац в 1600 году.

Кеплер перебрался в Прагу по приглашению датского астронома Тихо Браге, который предложил ему стать своим ассистентом. Тихо Браге называли «человеком с золотым носом» из-за накладки, которую он носил, чтобы скрыть отсутствие кончика носа – последствие юношеской дуэли. Он был непревзойденным мастером наблюдений за небом и располагал важнейшими данными, которые легли в основу трудов Кеплера. В 1601 году, после смерти Тихо Браге, Кеплер стал придворным математиком при дворе императора Рудольфа II. В 1609 году в книге «Astronomia Nova» он сформулировал два первых закона движения планет и несколько гипотез, касающихся силы, которая определяет эти движения: он назвал ее магнетической, подчеркнув ее физическую, а вовсе не божественную природу.

В 1610 году Кеплер узнал об открытии четырех лун Юпитера и поддержал Галилея в своем труде «Nuncio Sidero» («Звездный вестник»). В этой книге подробно излагаются результаты первых наблюдений Галилея, выполненных им с телескопом. В 1611 году Кеплер первым использовал для лун Юпитера слово «спутник» (satellite, от лат. satelles – сопровождающий). А внедрение телескопа в астрономические наблюдения вдохновило его создать труд по оптике «Dioptricæ» («Диоптрика»).

Кеплер утверждал, что Вселенная подчиняется «гармоническим» законам, намекая на связь астрономии и музыки. В книге «Harmonices Mundi» («Гармония мира»), опубликованной в 1619 году, он снабдил каждую планету музыкальной темой. Разные скорости планет были представлены разными нотами музыкальной гаммы.

Роман Кеплера «Somnium» (Сон) был написан в 1608 году, и опубликован его сыном Людвигом через четыре года после смерти автора в 1630-м. Для того времени это был выдающийся текст – сегодня его жанр определили бы как фантастику. Описывая путешествия с Земли на Луну, Кеплер популяризировал идеи Коперника.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Галилей создает первый телескоп (1609)

1637

Cogito ergo sum

Рене Декарт попытался внести математическую ясность в остальные науки, а Блез Паскаль в то же самое время признался, что чувствует себя потерянным перед величием бесконечного мира.

Рене Декарт родился 31 марта 1596 года в Ла-Э-ан-Турен (теперь Декарт, департамент Эндр и Луара, Франция). Блез Паскаль родился 19 июня 1623 года в Клермоне (сегодня Клермон-Ферран, департамент Пюи-ле-Дом, Франция). Эти два великих мыслителя сделали французскую философию XVII века главенствующей в Европе. Часто их противопоставляют друг другу – рационализм Декарта, с его cogito ergo sum («мыслю, следовательно, существую») и любовь к Богу Паскаля. Но оба они были научными гениями Европы, где латынь, язык образованных людей, облегчала быстрое распространение новых взглядов среди просвещенных умов, привыкших делиться идеями и сомнениями.

В 1633 году в Голландии, заканчивая редактирование трактата «Мир, или Трактат о свете»[10], в котором он поддержал гелиоцентрическое учение, Декарт узнал о приговоре Галилею. Обеспокоенный собственной судьбой, он решил отложить публикацию трактата и хотел даже сжечь часть написанного текста. Но в конце концов, в той или иной форме, иногда анонимной, его мысли увидели свет.

Так, в 1637 году Декарт опубликовал «Рассуждение о методе»[11] (с подзаголовком «Как направлять свой разум и отыскивать истину в науках») – философский труд, первые издания которого послужили введением к трем научным трактатам, демонстрирующим применение его метода на практике, – «Диоптрика» (с изложением законов преломления), «Метеоры» (рассуждения о природных явлениях, таких, как облака, дождь, гром) и «Геометрия» (в котором он предложил объединить алгебру и геометрию). Известность этого введения такова, что оно часто рассматривается как отдельная работа, заложившая основы современной науки: Вселенную можно описать посредством математики, все явления должны быть объяснимы с помощью законов природы.

Космология Декарта основана на предположении, что Вселенная бесконечна и заполнена материей. Она содержит три категории объектов: светящиеся (Солнце, звезды), прозрачные (небо) и непрозрачные (планеты, кометы). Вселенная состоит из трех элементов: огня, воды и земли. Частицы земли большие, частицы воздуха средние, а огня – самые маленькие. Все эти частицы соединяются в вихри. Самые быстрые частицы огня концентрируются в центре вихря, образуя звезду. Частицы земли вихрь рассеивает по краям, и они образуют планеты, включающиеся в механическое движение вокруг Солнца. Движение небесных объектов Декарт объяснял наличием у звезды собственного вихря. Кометы он рассматривал как звезды, путешествующие от вихря к вихрю. В итоге Декарт сформулировал умозрительную систему, которая основывалась не на экспериментальном опыте, а на метафизических принципах. Важнейшим вкладом Декарта в науку, помимо открытий в оптике и геометрии, было его учение о сомнении.

В то же самое время, в 1639 году, Блез Паскаль в шестнадцать лет опубликовал эссе о конических сечениях. Затем, чтобы помочь своему отцу, от которого должность суперинтенданта[12] Верхней Нормандии требовала утомительных расчетов, он в 1642 году создал механическое вычислительное устройство – «Паскалину». Выполненная в двадцати экземплярах «Паскалина» стала первой созданной с коммерческими целями настоящей вычислительной машиной.

В 1648 году поднявшись на вершину горы Пюи-де-Дом Паскаль доказал существование атмосферного давления, отметив, что уровень ртути в трубке Торричелли снижался по мере увеличения высоты. Значение этого эксперимента оказалось столь важным, что именем Паскаля, как впоследствии произошло и с именем его младшего коллеги Ньютона, назвали единицу измерения давления в современной Международной системе мер: один паскаль равен одному ньютону на квадратный метр. А в 1654 году Паскаль стал автором научного метода вычисления вероятностей, который играет важную роль в целом ряде современных экономических и социологических теорий.

После происшедшего с ним в конце того же 1654 года несчастного случая с каретой, Паскаль пережил мистический опыт, который подтолкнул его погрузиться в философские и религиозные размышления. Он сблизился с течением янсенистов и стал непримиримым противником картезианского (декартова) подхода. Именно тогда он написал «Письма к провинциалу»[13] и «Мысли»[14] – последнее сочинение было опубликовано лишь через десять лет после смерти ученого в 1662 году. В этой книге предстает человек, столкнувшийся с утратившей смысл природой, раздавленный ее бесконечностью. Его единственной защитой остается торжество разума «над вечным молчанием бесконечных пространств».

☛ СМ. ТАКЖЕ

Новые перспективы (1543)

Вперед к бесконечности (1600)

1671

Ньютон изобретает свой телескоп

Исаак Ньютон сконструировал свой телескоп на основе зеркал – эта технология используется и по сей день, причем в самых современных астрономических наблюдательных приборах.

Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года на западе Англии в поместье Вулсторп, близ Грэнтема. Его мать, заметив, что сын явно одарен способностями к учебе, позволила ему закончить школу, чтобы он смог потом учиться в университете. В 1661 году Ньютон поступил в Тринити колледж в Кембридже, где на него обратил внимание профессор математики Исаак Барроу – его кафедру ученый занял в 1669 году.

В 1670 году Ньютону удалось разложить солнечный свет с помощью стеклянной призмы: он сделал вывод, что цвет – свойство света, а не призмы. Открытие того факта, что свет представляет собой спектр цветов, лег в основу современной астрономии: именно анализируя световые послания звезд, астрономы превратились в астрофизиков. Исследование спектра позволяет получить данные о физических процессах внутри источника света – звезды.

В своих трудах о составе света Ньютон показал, почему стеклянные линзы астрономических приборов вызывают хроматические аберрации, которые искажают изображения. Стремясь доказать, что устранить этот дефект вполне возможно, Ньютон сконструировал оптический прибор, на входе которого установил вогнутое зеркало; затем свет направлялся в сторону наблюдателя с помощью небольшого плоского зеркала. В конце 1668 года Ньютон построил свой первый зеркальный телескоп. В 1671-м Королевское общество обратилось к ученому с просьбой продемонстрировать телескоп. Ньютон был заинтересован во внимании этого научного сообщества, в которое он вступил в следующем году, и это побудило его в 1704 году опубликовать «Opticks» – фундаментальный трактат по оптике, в котором он изложил также свою теорию корпускулярной природы света.

Обнаружение далеких звезд, видимая яркость которых очень мала, возможно только при условии увеличения диаметра входного зрачка телескопа. Поскольку линзы диаметром более одного метра по техническим причинам оказалось очень трудно использовать, современные астрономы взяли на вооружение именно зеркальные телескопы. В 1918 году установка в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии большого телескопа «Хукер», снабженного зеркалом диаметром в два с половиной метра, открыла эру больших телескопов и позволила американскому астрофизику Эдвину Хабблу обнаружить явление расширения Вселенной.

Но одним из величайших ученых всех времен сделали Ньютона прежде всего его открытия в области механики. В своем труде «Philosophiæ Naturalis Principia Мathematica» («Математические начала натуральной философии»), опубликованном в 1687 году, он представил стройную и безупречно логичную теорию, получившую впоследствии название «ньютоновской механики». Правда, во Франции выводы Ньютона вступили в противоречие с положениями картезианской (декартовой) механики, и только к середине XVIII века, после появления трудов Эмили дю Шатле, французское научное сообщество смогло отказаться от механики Декарта в пользу законов Ньютона.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Галилей создает первый телескоп (1609)

Эмили дю Шатле переводит Ньютона (1745)

1686

Множественность миров

В своих «Беседах о множественности миров» Фонтенель представил космос как великолепное зрелище и описал звезды как множество солнц, освещающих бесчисленные миры.

В конце 1680 года в небе появилась очень яркая комета. Саксонский астроном Готфрид Кирх открыл ее 14 ноября 1680-го с помощью телескопа: это было первое открытие кометы благодаря научному инструменту. Небесное тело назвали «Большая комета 1680 года», а в наши дни она получила, согласно системе нумерации, принятой Международным астрономическим союзом, номер C/1680 V1. 30 ноября 1680 года комета прошла в шестидесяти трех миллионах километров от Земли и получила мощное ускорение, пролетев 18 декабря этого года на совсем небольшом расстоянии от Солнца – девятьсот тридцать тысяч километров. 29 декабря она достигла максимума яркости, прежде чем скрыться в глубинах космоса: последний раз ее видели 19 марта 1681 года.

В дореволюционной Франции явление C/1680 V1 вызвало большой переполох. Небесное тело вдохновило французского писателя и ученого Бернара ле Бовье де Фонтенеля на написание одноактной пьесы «Комета». Спектакль был представлен публике в Комеди Франсез в 1681 году; в нем высмеивались суеверия, связанные с астрономическими событиями. Феномен C/1680 способствовал увлечению Фонтенеля астрономией и в 1686 году сподвигнул его на публикацию знаменитых «Бесед о множественности миров». Успех не заставил себя ждать: книга была переиздана тридцать три раза еще при жизни автора!

«Беседы» разделены на шесть «вечеров» и представляют собой очень вежливую, почти галантную дискуссию между рассказчиком-философом, вдохновленным идеями Коперника и Декарта, и одаренной пытливым умом молодой женщиной, маркизой де Г. Труд послужил Фонтенелю способом изложить его рационалистические убеждения, в том числе и мысли о существовании множества миров, ставшие весьма популярными еще в XVI веке. В книге явно просматриваются аллюзии на Кеплера, Гюйгенса и даже Сирано де Бержерака.

В 1697 году Фонтенель был удостоен звания пожизненного секретаря Академии наук, что позволило ему быть в курсе всех последних достижений науки, которые он учитывал в поздних переизданиях своего труда. Он был преданным сторонником идеи множественности миров, однако как ученый весьма осторожно оценивал возможности наличия жизни на Луне и других планетах (Венере, Марсе, Юпитере и Сатурне): Фонтенель довольно критично относился даже к собственным высказываниям. Тем не менее тысячи планет, открытых в наше время у других звезд, подтверждают его гипотезу о множественности миров.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Вперед, к бесконечности (1600)

Новые перспективы (1543)

Cogito ergo sum (1637)

Открытие экзопланет (1995)

1745

Эмили дю Шатле переводит Ньютона

Эмили дю Шатле, муза Вольтера и блестящий ученый века Просвещения, вдохновленная своим прославленным другом, перевела на французский язык книгу Исаака Ньютона «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica»[15].

Эмили дю Шатле родилась в Париже в 1706 году. Она была дочерью барона де Бретей и в парижской гостиной своего отца с детства сталкивалась со знаменитыми людьми, такими, к примеру, как великий писатель и ученый Фонтенель. Ее матерью была Габриэль де Фролей Тессе, женщина образованная и стремившаяся дать образование детям. Эмили получила то же образование, что и оба ее брата: латынь, математика, физика, греческий, немецкий, испанский языки, игра на клавесине, пение, танцы, верховая езда…

Выйдя замуж, она стала маркизой дю Шатле; ее интеллектуальные возможности и вкус к наукам не помешали ей вести светскую жизнь женщины того времени и ее социального класса. Самым ярким из ее любовников был Вольтер, известнейший европейский философ. Она познакомилась с ним в 1733 году. Вольтеру было в то время 38 лет, он находился в самом расцвете своей славы. Философ только что вернулся из Англии и познакомил Эмили с трудами Исаака Ньютона. Она оставила светскую жизнь и посвятила себя изучению математики под руководством французских математиков Алексиса Клерана и Пьера Луи Моро де Мопертюи, членов Академии наук.

Новую жизнь Эмили вела в замке Сире, на территории современного департамента Верхняя Марна. В этом замке она предложила укрыться и Вольтеру, которого преследовали за его сочинения. В течение пяти лет замок служил им единственным домом; потом они бывали в нем наездами, вплоть до смерти Эмили в 1749 году. Маркиза и философ увлеченно популяризировали идеи Исаака Ньютона. В 1745 году Эмили начала переводить ньютоновы «Начала» («Philosophiæ naturalis principia mathematica») – изданного в 1687 году фундаментального труда, в котором Ньютон облек механику в совершенные формы. Механика Ньютона помогла объяснить огромное количество разнообразных земных и астрономических явлений. Смелое обобщение позволило ему утверждать, что сила, с которой Земля действует на предметы – сила тяжести, имеет ту же природу, что и сила, с помощью которой Солнце удерживает вокруг себя все тела Солнечной системы.

Связь Эмили дю Шатле и Вольтера продолжалась пятнадцать лет. Философ восхищался ее умом, способностью мыслить, человеческими качествами, составлявшими контраст с безжалостностью тогдашнего общества по отношению к женщине-ученому. Он никогда не отказывал Эмили в поддержке, когда она сталкивалась с ревностью и подлостью. Они сохранили дружеские отношения даже после того, как расстались; Вольтер помогал своей подруге до самой ее преждевременной смерти в 1749 году. Он взял на себя хлопоты по публикации ее перевода «Начал», который представляет интерес и сегодня, три века спустя. Французы до сих пор благодарны Эмили дю Шатле за ее неоценимый вклад в историю науки, который сделал ее первой великой женщиной-ученым Франции.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Ньютон изобретает свой телескоп (1671)

1905

E = mc 2

Четыре статьи, которые Эйнштейн в 1905 году опубликовал в журнале Annalen der Physik навсегда сделали его символом науки ХХ века, а его последующие труды по теории гравитации упрочили это положение.

Альберт Эйнштейн родился в 1879 году в Германии, в городке Ульм. Из-за постоянных переездов отца-коммерсанта в 1890-е годы мальчик получил довольно беспорядочное образование, но это только укрепило независимость его мышления. В 1896 году Эйнштейн поступил в Высшее техническое училище (Политехникум) в Цюрихе; скептически относясь к традиционному образованию, он много занимался самостоятельно. В 1900 году он получил диплом преподавателя математики и физики.

В 1896-м, чтобы избежать военной службы, Эйнштейн отказался от немецкого гражданства, но натурализоваться в Швейцарии смог только в 1901 году. В этой неопределенной ситуации он отошел от университетского сообщества и в 1902 году поступил на службу в Федеральное бюро интеллектуальной собственности в Берне, что позволило ему зарабатывать на жизнь, не прекращая заниматься наукой. Проверяя изобретения, связанные с синхронизацией часов, Эйнштейн с помощью мысленных экспериментов пришел к революционным выводам о природе света и взаимосвязи пространства и времени.

Для простого служащего швейцарского патентного бюро 1905 год стал поистине волшебным annus mirabilis[16]: в этом году Эйнштейн опубликовал в немецком журнале Annalen der Physik («Анналы физики») четыре статьи, легшие в основу всей современной физики. В начале ХХ века основным языком физиков был именно немецкий, а журнал Annalen der Physik считался изданием весьма авторитетным – именно в нем в 1901 году Макс Планк опубликовал свои работы об абсолютно черном теле.

Первая статья Эйнштейна вышла в июне. В ней он утверждал, что носителями энергии света являются микрочастицы (в 1920-м названные фотонами). В 1921 году эта работа принесла Эйнштейну Нобелевскую премию по физике. За статьей последовала работа по кинетической теории газа, вышедшая в июле, – она легла в основу его диссертации, опубликованной в 1906 году. В сентябре была опубликована статья о принципе относительности, самый известный физический текст ХХ века, ставший классикой и написанный в форме патента – почти без уравнений. И наконец, в ноябре Эйнштейн опубликовал четвертую статью, в которой он доказал, что, если тело испускает энергию L, его масса уменьшается на величину L/V^2, где V – скорость света. В 1912 году Эйнштейн сформулировал это уравнение, связывающее энергию с массой, как E = mc 2, и без всяких сомнений стало самым известным уравнением физики.

Великий немецкий ученый Макс Планк уговорил Эйнштейна вернуться в Берлин, «мировую столицу науки», и ученый поселился там в 1914 году, заняв пост профессора в университете и став членом Академии наук Пруссии. Именно в Германии он в 1915 году сформулировал свою общую теорию относительности – еще до того, как в 1919-м снова получил немецкое гражданство.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

1912

Мисс Ливитт и масштабы расстояний

Некоторые массивные звезды Малого Магелланова Облака меняют свой блеск с определенной периодичностью. Изучая это явление, Генриетта Ливитт в 1912 году нашла зависимость между их периодом и светимостью. Это фундаментальное открытие присвоили астрономы-мужчины.

Американка Генриетта Ливитт родилась в 1868 году в Ланкастере в штате Массачусетс. Она получила серьезное образование в колледже для девочек и в 1983 году поступила в обсерваторию Гарвардского университета, в группу «вычислительниц» – женщин, нанятых американским астрономом и физиком Эдвардом Чарльзом Пикерингом для выполнения задач, которые астрономы-мужчины считали для себя зазорными. В те времена о допуске женщин непосредственно к астрономическим наблюдениям и речи быть не могло! Пикеринг поручил мисс Ливитт нудную и однообразную работу: систематическую проверку светимости звезд на фотографических пластинках. Снимки на фотопластинках были сделаны на фотографическом телескопе для выявления переменных звезд – одного из увлечений Пикеринга.

Мисс Ливитт искала переменные звезды в Малом Магеллановом Облаке: небольшой и имеющей неправильную форму галактике Местной группы, которая находится, как мы сейчас знаем, по соседству с Млечным Путем. В 1908 году мисс Ливитт, обнаружив несколько переменных пульсирующих звезд – цефеид, – отметила, что более яркие из них те, у которых дольше период. Астрономы называют цефеидами массивные звезды, чья светимость изменяется строго периодически, как у звезды Дельта Цефея. В 1912 году, проверив свои выводы на более, чем двух десятках цефеид из Малого Магелланова Облака, мисс Ливитт установила, что их видимый блеск уменьшается пропорционально логарифму периода переменности. Все эти звезды были расположены в одной и той же звездной группе, на одном и том же расстоянии от Земли, а это означает, что соотношение период-светимость для цефеид, закон, установленный Ливитт, является их неотъемлемой характеристикой.

Для цефеид, расстояние до которых известно, этот закон позволял определять абсолютную светимость – очень важный астрономический параметр. Ведь именно сравнение абсолютной светимости звезды с ее видимым блеском позволяет оценивать расстояния до звезд. Мисс Ливитт сделала большое открытие. Но в Америке в начале ХХ века роль женщин в астрономии должна была ограничиваться сбором данных… В результате только в 1913 году датский астроном Эйнар Герцшпрунг определил расстояния до нескольких цефеид Млечного Пути и смог проверить выведенное Ливитт уравнение, связывающее период и светимость цефеид. Ее имя вошло в историю астрономии. В 1920-х годах Эдвин Хаббл успешно использовал это уравнение для оценки расстояний до многих галактик, что вскоре привело к открытию расширения Вселенной.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

1916

Радиус Шварцшильда

В 1916 году от лица призванного на фронт Карла Шварцшильда Эйнштейн представил Прусской академии наук выводы статьи, в которой вычислялась кривизна пространства-времени вблизи звезды.

Осенью 1915 года Европу терзала Первая мировая война. Немецкий астрофизик Карл Шварцшильд, директор обсерватории в Потсдаме, участвовал в ней в звании лейтенанта артиллерии на русско-германском фронте. Редкие минуты отдыха от военных обязанностей он посвящал чтению «Вестника Королевской Прусской академии наук» – он был избран членом Академии еще в 1913 году.

В номере от 25 ноября 1915 года он обнаружил знаменитую статью Эйнштейна, в которой тот сформулировал основы общей теории относительности. Шварцшильд задумался о том, как с точки зрения новой теории гравитации могла выглядеть геометрия пространства вокруг массивного тела, к примеру звезды, и за несколько дней рассчитал искривление пространства-времени вокруг нее. Четыре месяца спустя он скончался от тяжелого кожного заболевания, которое в те времена было неизлечимым.

Ключевым параметром для геометрии Шварцшильда стал критический радиус – так называемый радиус Шварцшильда RS, параметр, зависящий от массы звезды. Чем выше плотность звезды, тем ближе значение ее истинного радиуса к радиусу Шварцшильда и тем сильнее кривизна окружающего пространства-времени. Если радиус звезды достигает значения RS, кривизна пространства-времени становится такой, что на поверхности звезды время бесконечно замедляется – как бы застывает. Длина световой волны, испускаемой звездой, увеличивается пропорционально замедлению времени. На поверхности звезды длина волны увеличивается бесконечно; свет перестает существовать. Внешний наблюдатель вообще не видит света, посылаемого звездой.

В 1952 году американский физик Джон Уилер, профессор Принстонского университета в Нью-Джерси, в свете исследований, выполненных в 1939 году американским физиком Робертом Оппенгеймером, заинтересовался вытекающей из общей теории относительности судьбой массивных звезд: к концу своей эволюции они должны были превращаться в компактные тела столь высокой плотности, что даже свет не мог вырваться за их пределы. Уилер был известен своими метафорами, которые он придумывал, чтобы заинтересовать широкую публику. В 1967 году на одной из пресс-конференций в Нью-Йорке он впервые использовал термин «черная дыра» для обозначения будущего, предсказанного общей теорией относительности для массивных звезд в конце их эволюции.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Пир черной дыры (7 миллионов лет назад)

Сверхмассивная черная дыра (–24 650)

Новая звезда в системе с черной дырой (–16 тысяч)

Регистрация гравитационных волн (2016)

1957

Вперед, в космос

Запуск на орбиту первого советского искусственного спутника Земли, состоявшийся 4 октября 1957 года и обозначивший начало эпохи покорения космоса, в Соединенных Штатах был воспринят, как новый Перл-Харбор.

В начале 1930-х годов советский инженер Сергей Королев вместе с группой друзей, таких же энтузиастов, как он, основал Группу изучения реактивного движения. Молодые люди увлекались идеями русского ученого Константина Циолковского, провозвестника современной астронавтики. В 1944 году созданные немецким инженером Вернером фон Брауном ракеты А-4, известные тогда под именем Фау-2 (V-2 – от немецкого названия Vergeltungswaffe, то есть «оружие возмездия»), продемонстрировали потенциал ракетного двигателя, способного забрасывать взрывной заряд так высоко и быстро, что его невозможно было перехватить. В начале 1950-х, в самый разгар «холодной войны», советские инженеры были убеждены, что баллистическая ракета с жидкостным двигателем представляет собой абсолютное оружие.

Королев работал в то время в ОКБ-1 над созданием межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, способной переносить груз массой в пять тонн. Военные ласково называли ракету «Семеркой»; это была двухступенчатая ракета класса «земля – земля», состоявшая из центральной части и четырех ускорителей, каждый из которых был в свою очередь оснащен четырьмя ракетными двигателями. 21 августа 1957 года с полигона в Казахстане (сегодня эта территория стала частью космодрома Байконур) осуществили первый успешный запуск. Ракета поразила цель на расстоянии в шесть тысяч километров, в водах, омывающих Камчатку. Тут Соединенные Штаты Америки внезапно осознали собственную уязвимость.

Королев не забыл свои детские мечты. Он постоянно пытался убедить советских руководителей использовать ракету Р-7 для запуска искусственного спутника Земли. И добился своего 4 октября 1957 года, запустив «Спутник-1». Ошеломленный мир внезапно вступил в космическую эру. Менее чем через четыре года, 12 апреля 1961 года, Юрий Гагарин, советский космонавт, совершил первый орбитальный полет вокруг Земли в космической капсуле «Восток», запущенной в космос все той же ракетой Р-7, дополненной небольшой второй ступенью. Сбылось предсказание Циолковского, еще в 1935 году заявившего, что первым человеком в космосе будет русский. В феврале 1962 года свой первый орбитальный полет совершил американский астронавт Джон Гленн. Однако весьма скоро, 12 сентября 1962 года, президент США Джон Кеннеди объявил, что еще до конца десятилетия нога американца ступит на Луну…

☛

СМ. ТАКЖЕ

Первые шаги по Луне (1969)

Первая частная тяжелая ракета-носитель (2020)

Возвращение на Луну (2029)

Космический лифт (2195)

1964

Космологические радиопомехи

Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили в миллиметровом радиодиапазоне фоновый шум. Они предположили, что это фоновое космологическое излучение.

В 1959 году американские инженеры из лаборатории Белла в рамках проекта «Эхо» построили в Холмделе, в штате Нью-Джерси, радиоантенну рупорного типа. Целью этого проекта, осуществлявшегося только что созданным Национальным аэрокосмическим агентством (НАСА), было построить сеть телекоммуникационной спутниковой связи. Возможности американских ракет в те времена не позволяли задействовать геостационарные спутники, которые используются в наши дни. Специалисты НАСА решили запустить в космос небольшой аппарат, снабженный оболочкой из тончайшей металлизированной пленки (толщиной в десятую долю миллиметра). Оказавшись на орбите, оболочка раздувалась в отражающий радиоволны шар диаметром тридцать метров. Таким образом, через спутник можно было связать радиосигналами две точки на Земле.

В 1964 году работавшие в лаборатории Белла американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон пытались избавиться от источников шума, способных помешать приему слабых отраженных радиосигналов. Чтобы устранить термические помехи, они охладили приемное устройство рупорной антенны в Холмделе до температуры жидкого гелия (четыре кельвина выше абсолютного нуля). Фоновый шум, который сохранился на сантиметровой частоте, не поддавался объяснению, если только не предполагать, что это было фоновое космологическое излучение, предсказанное за шестнадцать лет до этого американским физиком русского происхождения Георгием Гамовым. Еще в 1948 году он предположил, что Большой взрыв должен был породить остаточное излучение, которое под действием расширения должно было заполнить всю Вселенную и проявляться в наше время в виде теплового излучения с температурой в несколько кельвин.

В то же самое время, когда два физика из лабораторий Белла открыли фоновое космологическое излучение, американский физик Роберт Дикке и его коллеги из Принстонского университета с той же целью сконструировали свою антенну. Когда Дикке узнал об открытии Пензиаса и Вилсона, он якобы воскликнул: «Парни, нас обставили!» Случайное открытие космологического фонового излучения, ставшее решающим аргументом в пользу теории Большого взрыва, принесло Пензиасу и Вильсону Нобелевскую премию по физике 1978 года.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Вселенная все еще в три раза горячее (10,8 миллиарда лет назад)

1969

Первые шаги по Луне

21 июля 1969 года лунный модуль миссии «Аполлон-11» произвел посадку на лунной равнине, покрытой застывшей лавой. На его борту находился американский астронавт Нейл Армстронг – первый человек, ступивший на Луну.

«Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества», – Нейл Армстронг произнес эти слова, собираясь сойти на почву Луны по трапу, спущенному из лунного модуля Eagle («Орел»). Поставив ногу на лунную поверхность, он убедился, что след его подошвы как следует отпечатался в пыли… Таким образом, он выполнил задачу, поставленную перед американцами президентом Соединенных Штатов Джоном Кеннеди сразу после первого космического полета Юрия Гагарина. 25 мая 1961 года, выступая в Конгрессе, Кеннеди поделился своей мечтой – еще до конца 1960-х годов увидеть, как американский гражданин первым из людей ступает на поверхность Луны. Это желание он еще раз высказал в сентябре 1962 года в знаменитой речи в университете Райса в Хьюстоне, штат Техас.

Армстронг и американский астронавт Эдвин Олдрин, пилот лунного модуля, провели на Луне почти целые сутки и вышли на лунную поверхность на два с половиной часа. Во время прогулки по Луне они собрали почти двадцать килограммов образцов породы. За прогулкой следила в прямом эфире пятая часть человечества; первые шаги человека на Луне стали триумфом США в космической гонке, начатой Советским Союзом. Этот грандиозный, превзошедший все ожидания подвиг удовлетворил внешнеполитические амбиции Америки, но одновременно стал началом конца повального увлечения американцев космосом. Начиная с 1970 года, НАСА ощутило серьезные бюджетные трудности.

14 декабря 1972 года отсек лунного модуля «Челленджер» отделился от спускаемой ступени, оставшейся на Луне в качестве пусковой платформы. На нем улетели американские астронавты Юджин Сернан и Харрисон Шмитт; капсула достигла командного модуля «Америка», находившегося на окололунной орбите. В ней астронавтов ждал пилот Рональд Эванс. Сернан и Шмитт, первый ученый на Луне, провели три дня в лунной долине Тавр-Литтров, бороздя ее на лунном ровере-луноходе. Они собрали более сотни килограммов образцов лунной породы.

Астронавты миссии «Аполлон-17» стали последними представителями человечества, сумевшими забраться так далеко от Земли. НАСА отказалось от футуристических проектов еще в конце 1960-х, в конце эпохи фильма «2001 год: Космическая одиссея», пропагандировавшего идею близкого безграничного космического будущего. Закрыт был и проект полета на Марс на ракете с ядерным реактивным двигателем.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возвращение на Луну (2029)

Первые шаги человека на Марсе (2051)

1995

Открытие экзопланет

Мишель Майор и Дидье Кело открыли планету массой, сравнимой с массой Юпитера, вращающуюся вокруг звезды 51 Пегаса.

Научный журнал Nature в ноябре 1995 года опубликовал статью Мишеля Майора и Дидье Кело, в которой сообщалось, что небесный объект массой, близкой к массе Юпитера, вращается на расстоянии в восемь миллионов километров вокруг похожей на Солнце звезды 51 Пегаса. Это был первый успех швейцарских астрофизиков в упорном поиске экзопланет – то есть планет, вращающихся вокруг других звезд. Ученые использовали метод лучевых скоростей.

Подобно атлету, чье тело колеблется в одной фазе с вращением молота, звезда, удерживающая в своем гравитационном поле планету, колеблется в одной фазе с орбитальным периодом последней. Это колебание приводит к периодическому изменению лучевой скорости – составляющей скорости движения звезды вдоль луча зрения. Для земного наблюдателя изменения лучевой скорости звезды выражаются в периодическом смещении линий в спектре ее излучения. С помощью этих данных можно не только обнаружить существование экзопланеты, но и оценить ее массу и радиус орбиты. С помощью метода лучевой скорости проще выявлять массивные планеты типа Юпитера, орбиты которых расположены близко к материнской звезде.

Чтобы расширить возможности обнаружения экзопланет, исследователи часто пользуются и «методом транзитов» – пытаются обнаружить экзопланету в момент ее прохождения между наблюдателем и звездой. Этот метод позволяет регистрировать планеты различных размеров и радиусов орбит. Но, чтобы добиться результатов с помощью этого метода, надо непрерывно и длительно наблюдать за множеством звезд на широкоугольных космических телескопах. Французский мини-спутник CoRoT, запущенный на орбиту в 2006 году, был как раз и предназначен для наблюдений методом транзитов. Однако диаметр зеркала его телескопа составлял всего двадцать семь сантиметров, и поэтому на CoRoT удалось обнаружить не более трех десятков экзопланет.

В 2009 году американцы запустили космическую обсерваторию «Кеплер» – на ее борту находился телескоп с 95-сантиметровым зеркалом. До окончания его миссии в 2018 году «Кеплеру» удалось выявить более двух с половиной тысяч экзопланет, причем 95 % из них имели диаметры меньше, чем у Нептуна. В 2014 году группа, работавшая с обсерваторией «Кеплер», объявила об открытии планеты Kepler-186f, очень близкой по размерам к Земле и вдобавок находящейся в потенциально обитаемой зоне своей звезды.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Множественность миров (1686)

Обнаружение внеземной жизни (2042)

Человечество колонизирует Галактику (Через 10 миллионов лет)

2014

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко

Космический зонд «Розетта» летел к своей цели десять лет. Впервые в истории космический аппарат вышел на орбиту вокруг кометы и высадил на ее поверхность исследовательский модуль.

В 1985 году Европейское космическое агентство (ESA) утвердило программу космических научных исследований европейских ученых на последовавшие двадцать лет. Программа Horizon-2000 предполагала подготовку четырех основных высокотехнологичных миссий. Цель наиболее интересной из них, направленной на исследование истории образования Солнечной системы, – непосредственная встреча с кометой и изучение ее ядра. Миссия получила название «Розетта», в честь города в Египте, где солдат армии Бонапарта в 1799 году нашел стелу, покрытую надписями – через двадцать лет после этого нанесенный на нее текст позволил французскому египтологу Жану-Франсуа Шампольону расшифровать египетские иероглифы.

Европейская космическая ракета-носитель «Ариан-5», запущенная в 2004 году с космодрома Куру, доставила на околосолнечную орбиту зонд «Розетта» массой в три тонны. 4 марта 2005 года зонд пролетел вблизи Земли, что позволило ему набрать дополнительную скорость за счет гравитационного толчка. То же самое повторилась и 25 февраля 2007 года – в качестве ускорителя использовалось гравитационное поле Марса, а затем было еще два пролета мимо Земли: 13 ноября 2007 и 13 ноября 2009 года. Серия гравитационных маневров привела к тому, что зонд набрал скорость почти в тридцать девять километров в секунду, при том что в конце первой фазы разгона его скорость равнялась только тридцати километрам в секунду. Облетев 10 июля 2010 года астероид Лютеция, зонд «Розетта» отправился к комете 67P/Чурюмова – Герасименко (в Европе ее ласково назвали Чури) и достиг ее, приближаясь к ней по ступенчатой траектории, пока притяжение ее ядра не стало достаточным, чтобы зонд мог закрепиться на орбите. 15 октября 2014 года зонд «Розетта» вышел на круговую орбиту радиусом 10 километров с центром в ядре кометы и начал исследования с помощью бортовой аппаратуры.

Отправка спускаемого аппарата Philæ («Фила») состоялась 12 ноября 2014 года. Аппарат представлял собой модуль массой сто килограммов – свое имя он получил в честь острова на Ниле, затопленного во время строительства Асуанской плотины. Спустя несколько часов полета он сел на поверхность кометы – его вес на ней составлял всего один грамм! Поломка стыковочного блока, предназначенного именно для компенсации столь слабой гравитации, привела к тому, что модуль подскочил и пролетел более километра… Второй отскок был менее масштабным и закрепил модуль возле большого камня. «Фила», используя энергию «Розетты», передавала на Землю собранные ее бортовым оборудованием научные данные, пока не кончился заряд батарей.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Комета Галлея (10 миллионов лет назад)

2016

Регистрация гравитационных волн

В 2016 году международная исследовательская группа объявила об открытии гравитационных волн, вызванных слиянием двух черных дыр.

На расстоянии более трехсот миллионов световых лет от Земли две черные дыры вращались друг вокруг друга. Их массы составляли тридцать шесть и двадцать девять солнечных масс, и они образовывали систему, которая мало-помалу теряла энергию за счет излучения гравитационных волн. Вращаясь по спирали и постепенно сближаясь, эти сверхплотные тела в конце концов соприкоснулись и слились в единое целое. Масса образовавшейся в результате слияния черной дыры (шестьдесят две солнечных массы) в результате оказалась меньше суммы масс слившихся тел. И согласно уравнению, связывающему массу с энергией, разница в три солнечных массы превратилась в огромное количество энергии, которое вызвало гравитационный всплеск, заставивший вздрогнуть всю Вселенную. В 2015 году эхо этой вибрации в виде потока гравитационных волн достигло обсерватории LIGO, специально созданной для обнаружения подобных событий.

За столетие до этого события общая теория относительности Эйнштейна описала гравитацию как искривление пространства-времени, которое создает всякое массивное тело. В 1916 году Эйнштейн показал, что ускорение массивных тел создает гравитационные волны, то есть колебания пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света.

В конце 1960-х годов физики попытались обнаружить эти волны, измеряя деформации в огромных металлических цилиндрах. Однако выявить колебания пространства не удалось: эффект прохождения гравитационных волн оказался столь слабым, что тогдашнее сравнительно примитивное оборудование его не почувствовало. И только на рубеже XXI века для обнаружения гравитационных волн создали обсерватории, оборудованные лазерными интерферометрами.

Один из таких амбициозных проектов, LIGO, представляет собой два интерферометра, расположенные в удаленных друг от друга точках США: в Луизиане и в округе Вашингтон. После нескольких лет отладки и совершенствования гравитационных детекторов 14 сентября 2015 года физики наконец смогли зарегистрировать слияние черных дыр. Это событие, каталогизированное под ничего не говорящим непосвященным кодом GW150914, взволновало весь научный мир, принеся Нобелевскую премию по физике создателям проекта LIGO американцам Райнеру Вайсу, Кипу Торну и Барри Баришу. Оно к тому же послужило и окончательным доказательством существования черных дыр. Очень скоро было обнаружено и второе событие того же вида: GW151226. Так возникла новая ветвь астрономии.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Тайна килоновой (130 миллионов лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

Регистрация гравитационных волн в космосе (2035)

Слияние нейтронных звезд (Через 300 миллионов лет)

2019

Первый портрет черной дыры

Интерферометр со сверхдлинной базой, развернутой на всю нашу планету, позволил международному коллективу ученых создать первое изображение черной дыры, угнездившейся в ядре гигантской эллиптической галактики Мессье 87.

Согласно представлениям астрофизиков, черная дыра – это объект настолько плотный и компактный, что умещается в границах сферы некоторого предельного радиуса – радиуса Шварцшильда. Ничто не характеризует черную дыру точнее, чем ее горизонт событий – сфера радиусом, равным радиусу Шварцшильда. За этот горизонт не может вырваться наружу даже свет. Чтобы получить изображение такого поистине невидимого объекта, следует рассмотреть его на фоне яркого излучения. Все источники излучения, которые подбираются к черной дыре слишком близко, захватываются ее тяготением и проваливаются в ее недра; те, чья траектория проходит на достаточно большом расстоянии, улетают обратно в космос; и лишь те, что подходят к черной дыре ни слишком близко, ни слишком далеко, разрываются на части под действием мощной гравитации и окружают горизонт событий светящимся диском. В 1979 году французский астрофизик Жан-Пьер Люмине стал первым, кто сумел рассчитать параметры изображения черной дыры звездной природы, видимой из бесконечного пространства и освещенной опоясывающим ее сияющим диском. Изображение облетело весь научный мир, его можно увидеть даже в научно-фантастическом фильме «Интерстеллар», в сцене, где астронавты оказываются вблизи черной дыры.

В конце XXI века астрофизики задумали получить изображения ряда сверхмассивных черных дыр, обладающих огромными диаметрами. Ученые, посчитав, что наилучшие результаты даст наблюдение подходящих кандидатов на миллиметровых волнах методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, в 2006 году организовали научное сотрудничество в масштабах всей планеты. Сегодня сеть EHT, называемая «Телескопом горизонта событий» (Event Horizon Telescope), включает более двухсот исследовательских обсерваторий; в ней задействованы восемь радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару и идеально синхронизированных посредством атомных часов. Наблюдения ведутся на длине волны в 1,3 мм; сеть работает как гигантский радиоинтерферометр с базой размером с земной шар, что обеспечивает угловое разрешение в двадцать микросекунд дуги. Подобная оптическая точность позволила бы читать газету в Нью-Йорке, сидя в парижском кафе!

В апреле 2017 года проект EHT смог за четыре сеанса наблюдений получить изображения ядра гигантской эллиптической галактики Мессье 87, самой большой галактики скопления Девы. В центре Мессье 87, как предполагают ученые, находится сверхмассивная черная дыра. После долгих месяцев, посвященных обработке огромного объема полученных данных на специализированных вычислительных машинах, 10 апреля 2019 года американский астрофизик Шепард Долеман от имени всех сотрудников проекта EHT объявил: «Мы получили первое изображение черной дыры».

☛ См. также

Радиус Шварцшильда (1916)

Коллапс Местной группы (Через 300 миллиарда лет)

Завтра и потом?

Вселенная стала взрослой около двенадцати миллиарда лет назад, а первые признаки ее старения должны появиться не раньше, чем через двадцать миллиарда лет, а может быть, и гораздо позже – если космос не постигнут катастрофы Большого разрыва или Большого сжатия. Оба эти сценария теоретически возможны, однако, более правдоподобным кажется, что течение времени в природе не прекратится и Вселенная закончит существование впадением в Большое обледенение или в состояние тепловой смерти. Но как бы то ни было, волшебная история Вселенной будет продолжаться еще долго и сопровождаться событиями, которые можно успешно предвидеть и даже датировать, поскольку в целом Вселенной управляют уже известные нам законы физики.

К примеру, этапы эволюции Солнца предвидеть вполне реально. Ведь те реакции, что происходят в недрах Солнца, таят в себе все меньше и меньше загадок для физиков-ядерщиков, изучающих их весьма подробно в лабораториях. Для того чтобы предсказать будущее Солнца, астрофизики могут обратиться к наблюдениям множества звезд такого же типа, образовавшихся гораздо раньше. Некоторые из них, уже вошедшие в более поздние стадии своей эволюции, – пример того, во что со временем превратится Солнце. Поэтому предсказания событий, которые будут сопровождать ту или иную фазу существования Солнца, вполне достоверны.

То же самое относится и к событиям, связанным с механикой движения небесных тел, таких как прибытие космического зонда на орбиту Сириуса или будущее слияние Млечного Пути и галактики Мессье 31.

Некоторые типы событий, уже случавшихся в прошлом, несомненно, повторятся и в будущем, но мы не можем предсказать их точную дату. Например, мы знаем, что в середине XIX века Земля пережила последствия мощного взрыва на Солнце. Весьма вероятно, что похожее событие произойдет в середине третьего тысячелетия, но точность такого предсказания весьма приблизительна. Это касается многих теоретически возможных событий отдаленного будущего.

Остаются еще рукотворные события, связанные с человеческой деятельностью, и они – самые непредсказуемые. Например, это касается полета на Марс: некоторые руководители НАСА предполагали, что он состоится еще до конца ХХ века, во время активных полетов на Луну по программе «Аполлон», однако отправка экипажа к Красной планете еще даже не запланирована… Трудно предсказать и будущие открытия, которые могут привести к созданию новых методов исследований: даже если ученые и запланировали их, все случайности предусмотреть невозможно.

2020

Первая частная тяжелая ракета-носитель

Американская аэрокосмическая компания SpaceX запускает в космос семейство многоразовых ракет-носителей, в том числе и тяжелую ракету, чей первый полет должен был состояться в 2020 году.

В начале 1970-х годов американцы выиграли космическую гонку, первыми высадившись на Луне, но затем отказались от космических авантюр. Президент США Ричард Никсон, не захотев взять на себя ответственность и положить конец полетам американских астронавтов, открыл зеленую улицу проекту многоразового космического челнока, посредством которого НАСА надеялось снизить себестоимость полетов в космос. Однако очень быстро выяснилось, что «Шаттл» не выдерживает конкуренции с ракетами из-за очень высоких эксплуатационных расходов (полтора миллиарда долларов за один полет в сегодняшних ценах). История космического челнока, омраченная двумя катастрофами – в 1986 и 2003 году, закончилась в 2011-м, вынудив астронавтов НАСА прибегнуть для полетов на Международную космическую станцию (МКС) к услугам космических кораблей «Союз» российского агентства «Роскосмос».

Американские амбиции не смогли долго выдерживать эту ситуацию, и в 2006 году НАСА запустило программу коммерческих транспортных услуг для полетов на орбиту, решив возложить задачу отправки на МКС грузов и экипажей на частный бизнес. В 2008 году был заключен контракт на два миллиарда долларов с компанией SpaceX американского предпринимателя Илона Маска.

Аэрокосмическая компания SpaceX добилась впечатляющих результатов во многих областях: стала первой в мире частной компанией, сумевшей вывести на орбиту ракету на жидком топливе (Falcon-1 в 2008 году), запустившей транспортный космический корабль (Dragon в 2010 году), отправившей транспортный космический корабль на МКС (Dragon в 2012 году), выполнившей вертикальную посадку первой ступени ракеты обратно на стартовую площадку после вывода на орбиту полезной нагрузки (Falcon-9 в 2017 году) и, наконец, повторно использовавшей первую ступень ракеты (Falcon-9 в 2017 году). Маск, мечтатель, возглавляющий компанию, стремится к достижению великой цели: существенно снизить стоимость космических полетов.

При этом Илон Маск хочет добиться осуществления давней мечты человечества: создать тяжелую ракету-носитель, способную отправить людей к Марсу. Для начала инженеры SpaceX решили добавить к двум ступеням ракеты Falcon-9 по два дополнительных пусковых двигателя, представляющих собой первую ступень этой же ракеты. Ракета, получившая название Falcon Heavy, в начале 2018 года вывела на околосолнечную орбиту электрический автомобиль «Тесла», изготовленный другой компанией Маска. В 2016 году, выступая на конгрессе Международной астронавтической федерации, Илон Маск объявил, что его следующая ракета-носитель высотой сто восемнадцать метров будет полностью многоразовой. Первая ее ступень, Super Heavy, должна быть оснащена тридцать одним двигателем Raptor, а вторая, Starship – семью. Первый полет был запланирован на 2020 год.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Возвращение на Луну (2029)

Первые шаги человека на Марсе (2051)

2029

Возвращение на Луну

Американцы возвращаются на Луну, покинутую ими более полувека назад, стремясь не допустить, чтобы их опередил амбициозный Китай.

15 декабря 1972 года три астронавта миссии «Аполлон-17» вновь встретились на борту командного модуля «Америка». Руководитель полета прочел им послание президента Соединенных Штатов Ричарда Никсона, в котором тот объявил, что, вероятнее всего, в ХХ веке человек на Луну не вернется. Программа Apollo выполнила свою главную задачу: показала всему миру превосходство Соединенных Штатов над Советским Союзом. А распад СССР поставил окончательную точку в космической гонке, победа в которой была главной целью американской космической программы.

По состоянию на 2010 год ситуация не изменилась – после миссии «Аполлон-17» люди на Луне не появлялись. Но теперь у Соединенных Штатов есть новый соперник – Китай. Вступив с ним в новое соперничество, пока скорее коммерческое, чем военное, взбалмошный американский президент Дональд Трамп вознамерился сделать Луну новым стимулом гонки за превосходство в космосе. В свою очередь, Китай с недавних пор тоже реализует свою амбициозную программу освоения Луны.

Китайская лунная программа «Чанъэ», названная в честь китайской богини Луны, стартовала в 2007 году, когда на орбиту был запущен зонд «Чанъэ-1», выполнивший трехмерную картографическую съемку лунной поверхности. В 2013 году корабль «Чанъэ-3» доставил на Луну, в северную часть Моря Дождей, луноход «Юйту» («Нефритовый лунный заяц»), став первым со времен советского зонда 1976 года «Луна-24» космическим аппаратом, совершившим на Луне мягкую посадку. В январе 2019 года, через несколько месяцев после запуска спутника-ретранслятора «Цюэцяо», вышедшего в точку Лагранжа L2 системы Земля – Луна, лунная станция «Чанъэ-4» доставила луноход «Юйту-2» в район кратера Фон Карман, расположенного на противоположной от Земли, невидимой стороне Луны. В ноябре – декабре 2020 года состоялась миссия «Чанъэ-5» по сбору образцов лунного грунта, а на конец 2020-х годов запланирована отправка на Луну китайского экипажа.

Президент Трамп не мог позволить китайцам осваивать Луну в одиночку. В 2017 году он пообещал скорое возвращение американцев на Луну. В его Директиве № 1 по космической политике США говорится: «На этот раз мы не ограничимся установкой флага и оставлением следов – мы создадим на Луне базу для будущего полета к Марсу и, возможно, к многочисленным иным мирам». Ставшее возможным, в частности, благодаря возросшему объему частных инвестиций, создание в 2029 году постоянной лунной базы должно ознаменовать возвращение НАСА на Луну.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Первые шаги на Луне (1969)

Первая частная тяжелая ракета-носитель (2020)

2032

На орбите вокруг чужой луны

Европейский зонд JUICE выйдет на орбиту вокруг Ганимеда, самого большого спутника Юпитера, и исследует его огромный соленый океан, в котором теоретически могла зародиться внеземная жизнь.

В силу банальных финансовых причин космическая программа ЕКА (Европейского космического агентства) менее масштабна, чем программа НАСА: американцы вкладывают в освоение космоса в четыре раза больше средств, чем европейцы. Отметим к тому же, что французы, как и представители некоторых других стран, финансируют и свою национальную космическую программу. Космическое будущее Европы более предсказуемо, чем будущее Америки – оно в меньшей степени подвержено финансовым рискам и не так сильно зависит от политической конъюнктуры. Сколько амбициозных проектов НАСА было заброшено в связи с прекращением финансирования? Взять, к примеру запуск аппарата JEO (Jupiter Europa Orbiter), предназначенного для исследования спутников Юпитера, в частности Европы. Он был сначала назначен на 2020 год, однако еще в 2011-м отложен на неопределенный срок. Однако эта неудача освободила дорогу для аналогичного, хотя и менее масштабного проекта ЕКА. Запуск космического зонда JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), который отправится исследовать ледяные луны Юпитера, станет последним запуском с территории Европы – радиационный фон над ней и так настолько повысился, что это может повлечь непосильные для европейских институтов дополнительные расходы.

Проект автоматической межпланетной станции JUICE был утвержден в мае 2012 года; на 2022-й запланирован запуск станции с помощью ракеты-носителя Ariane V. После гравитационных маневров с участием Венеры, Земли и Марса, к 2029 году зонд должен достичь Юпитера. Путешествие в системе Юпитера начнется с облета Ганимеда, в процессе которого станция затормозится и выйдет на орбиту вокруг газового гиганта. Затем, как предполагается, аппарат использует гравитационное воздействие Ганимеда и Каллисто для дальнейшего изменения траектории. Станция пролетит над полюсами Юпитера, дважды облетит Европу, пятнадцать раз обернется вокруг Ганимеда и двенадцать – вокруг Каллисто. В августе 2032 года она наконец вернется на орбиту вокруг Ганимеда и станет первым космическим аппаратом на орбите вокруг внеземной луны. Постепенно сближаясь с самым крупным спутником Солнечной системы, станция должна закончить свою миссию в сентябре 2033 года, разбившись о плотный ледяной панцирь, покрывающий поверхность Ганимеда.

С момента прибытия в систему Юпитера зонд JUICE начнет выполнять свои основные задачи – исследование Европы и в особенности Ганимеда, спутников, на которых, как полагают ученые, под толстой коркой льда залегают океаны соленой воды. Эти океаны немного похожи на знаменитое озеро Восток, обнаруженное на глубине почти четырех километров под льдами Антарктиды. С середины 2032 года станция JUICE должна стать пионером исследований соленого океана, таящегося подо льдами Ганимеда. По объему этот океан больше всех земных, вместе взятых; астробиологи полагают, что он вполне подходит для возникновения жизни, особенно в тех местах, где вода контактирует со скальными породами.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Галилей создает первый телескоп (1609)

2035

Регистрация гравитационных волн в космосе

Гигантский лазерный интерферометр LISA, состоящий из трех космических аппаратов, запущенных на орбиту вокруг Солнца, предназначен для регистрации низкочастотных гравитационных волн.

Черные дыры, нежданные дети общей теории относительности Эйнштейна, обладают такой плотностью при относительно небольших размерах, что удерживают в своих объятиях все подряд, включая доказательства своего существования. В 2016 году завеса тайны наконец была приподнята – зарегистрировали гравитационные волны, порожденные слиянием черных дыр в отдаленной области Вселенной. Но еще до объявления этих результатов астрофизики были уверены в реальности черных дыр – множество явлений нельзя было объяснить иначе, чем существованием сверхплотных массивных тел, лишенных материальной поверхности.

Регистрация гравитационных волн, позволившая исследовать динамику пространства-времени в момент слияния черных дыр, стала прямым доказательством существования этих объектов. Прохождение гравитационной волны вызывает изменение на один аттометр (миллиардная доля миллиардной доли метра) длины ортогональных плеч протяженностью в несколько километров. Столь незначительную разницу длин можно зарегистрировать, сравнив с помощью интерферометра время пробега двух лазерных лучей, совершающих очень частые колебания вдоль плеча. Однако на Земле плечи регистрирующих устройств невозможно сделать такими длинными, как это необходимо для регистрации низкочастотных (менее десяти герц) гравитационных волн. Такие волны образуются при слиянии сверхмассивных черных дыр, находящихся в ядрах галактик. Из-за постоянных сейсмических шумов регистрировать такие события на Земле невозможно.

Этих ограничений можно избежать, вынеся интерферометр в космос. Именно такова идея лазерной интерферометрической космической антенны LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – миссии, разрабатываемой Европейским космическим агентством (ESA) еще с 1990-х годов. Планировавшееся с самого начала проекта сотрудничество с НАСА продвигалось с трудом, но первая регистрация гравитационных волн в 2016 году заставила НАСА возобновить свое участие в работах. Возвращение НАСА было, кроме того, связано с успехом европейского зонда LISA Pathfinder, продемонстрировавшего технические возможности будущей гравитационно-волновой обсерватории. В 2017 году при участии НАСА ЕКА представило окончательную схему интерферометра LISA: обсерватория будет состоять из трех элементов, расположенных в вершинах треугольника на гелиоцентрической орбите в пятидесяти миллионах километров от Земли. Эти три зонда предполагается запустить в 2034 году на ракете-носителе Ariane-5; после длительной настройки LISA должна будет начать регистрировать низкочастотные гравитационные волны.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Радиус Шварцшильда (1916)

Регистрация гравитационных волн (2016)

2042

Встреча с внеземной жизнью

Новые методы наблюдений в инфракрасных лучах могут позволить астрономам обнаружить признаки жизни на землеподобной экзопланете Kepler 186f.

Апрель 2014 года. Американская исследовательница Элиза Кинтана и ее коллеги объявили об открытии планеты Kepler 186f. Буква f в ее обозначении говорит о том, что это пятая планета, зарегистрированная космическим телескопом «Кеплер» в планетной системе звезды Kepler 186, красного карлика спектрального класса M1V. Звезда находится в созвездии Лебедя на расстоянии около пятисот световых лет от Солнца. Как и тысячи других экзопланет, открытых телескопом Кеплер за время его службы, завершившейся в 2018 году, планета Kepler 186f была обнаружена во время транзита – прохождения между наблюдателем и материнской звездой. Этим методом можно измерить орбитальный период (129,9 дней) и отношение радиусов планеты и ее звезды. Радиус звезды, полученный по ее спектральному классу, в два раза меньше солнечного – отсюда можно сделать вывод, что планета Kepler 186f по своим размерам сравнима с Землей.

Зная средний радиус орбиты планеты Kepler 186f (0,38 астрономической единицы), можно рассчитать, что она получает от своей звезды примерно в три раза меньше энергии, чем Земля получает от Солнца. Это значит, что она расположена в потенциально обитаемой зоне своей звезды – температура на ее поверхности достаточно высока, чтобы вода там могла оставаться в жидком состоянии. Ученые, оценивающие возможности существования внеземной жизни, полагают, что жидкая вода для возникновения жизни необходима. Поэтому за несколько лет, прошедших с момента ее открытия, планета Kepler 186f стала одной из главных целей программы исследования атмосфер землеподобных экзопланет, расположенных в зонах обитания. Такие исследования очень сложны – слабый отраженный свет планеты Kepler 186f практически неразличим на ярком фоне свечения звезды. Проблема может быть решена, если вести наблюдения в инфракрасных лучах, в которых звезда выглядит тусклее, а планета – ярче.

Апрель 2042 года. Астрономы, наконец, располагают точными технологиями космических наблюдений в инфракрасной части спектра. С помощью высокочувствительных инфракрасных спектрографов они исследуют экзопланеты, расположенные в пределах зон обитания звезд. В спектре планеты Kepler 186f удается обнаружить признаки внеземной жизни: в атмосфере планеты зарегистрированы следы водяного пара и молекулярного кислорода, двух самых надежных биомаркеров. Ведь молекулярный кислород – продукт бактериального фотосинтеза, такого же, какой шел в земных океанах более трех с половиной миллиарда лет назад!

☛ СМ. ТАКЖЕ

На Земле возникает жизнь (3,5 миллиарда лет назад)

Великая оксигенация (2,4 миллиарда лет назад)

Открытие экзопланет (1995)

2051

Первые шаги человека на Марсе

Космический корабль с экипажем на борту на поверхности Марса. Однако этот грандиозный прорыв, победа техники и человеческого духа создает множество небывалых проблем, сравнимых с теми, что стояли перед участниками лунных экспедиций.

Январь 2051 года. На Марсе четыре астронавта: два американца, китаец и европеец. За девять месяцев до этого они стартовали с мыса Кеннеди к уже поджидающему их на околоземной орбите межпланетному космическому кораблю НАСА «Арес» (древнегреческое имя бога войны, которого древние римляне позже назвали Марсом). Включив мощные ракетные кислородно-водородные двигатели, «Арес» стартует к красной планете, за сто дней до того, как расстояние между Землей и Марсом не уменьшится до пятидесяти шести миллионов километров – кратчайшего с начала XXI века. После двухсот пятидесяти восьми дней перелета «Арес» стыкуется со спускаемым модулем «Хосин» («огненная звезда» – так называли Марс древние китайские астрономы), заранее доставленному на марсианскую орбиту космическим агентством Китая. Экипаж занимает места в спускаемом аппарате, «Хосин» отделяется от «Ареса» и садится на Марс, на площадку, куда ранее Европейское космическое агентство доставило оборудование и модули жизнеобеспечения. Землянам предстоит провести на Марсе пятьсот дней.

На решение всех проблем пилотируемой миссии на Марс потратили десятилетия. Самые сложные проблемы касались логистики беспрерывного двухлетнего пребывания на чужой планете. Решены и проблемы защиты от космического излучения, как солнечного, так и галактического, воздействие которого сравнимо с длительным облучением жесткой радиацией. Кроме того, пришлось учесть и влияние долгого пребывания в закрытом пространстве. Еще с 2010-х годов космические агентства экспериментально исследовали влияние изоляции на психику и физиологию человека.

Делая первые шаги по поверхности Марса, подобно тому, как за восемьдесят лет до них Нейл Армстронг шагал по Луне, астронавты середины XXI века осуществляют давнюю мечту писателей-фантастов. Все началось с того, что итальянский астроном Джованни Скиапарелли увидел на Марсе нечто, напоминающее каналы, – это привело к появлению необузданных фантазий об обитателях Красной планеты, а слово «марсианин» стало синонимом инопланетянина. Отправленные на Марс первые космические аппараты развеяли эти мифы, однако Красная планета сохранила флер таинственности. Первая пилотируемая миссия на Марс может положить начало неудержимой колонизации космоса и реализовать мечты американского предпринимателя Илона Маска, основателя аэрокосмической компании SpaceX, заметно удешевившей космические полеты.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

Первые шаги на Луне (1969)

Первая частная тяжелая ракета-носитель (2020)

2195

В космос на лифте

Через двести лет после того, как Циолковский выдвинул свою идею, кабель, подвешенный на высоте более тридцати шести тысяч километров, позволит подниматься на геостационарную орбиту на лифте.

В конце XXII века станет реальностью создание космического лифта на геостационарную орбиту, на высоту тридцати шести тысяч километров. Еще в конце XIX века эту идею предложил Константин Циолковский. «Земля – это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». Эта знаменитая цитата глухого русского самоучки стала толчком для энтузиастов освоения космоса. Ученый и сам был великим подвижником астронавтики – он первый сформулировал идеи, опередившие время: ракета на жидком топливе, многоступенчатая ракета, космическая станция, космический лифт… Для последнего проекта Циолковский, вдохновленный, без всякого сомнения, Эйфелевой башней, проектирует сооружение высотой в тридцать шесть тысяч километров, позволяющее перевозить на орбиту грузы на лифте. В ХХ веке эта идея стала сюжетом для научной фантастики. В своих романах Артур Ч. Кларк, а потом и Ким Стенли Робинсон описывают разные типы космических лифтов, заменивших ракеты-носители.

Рисунок иллюстрирует концепцию создания космического лифта: кабина, перемещающаяся по кабелю и перевозящая пассажиров и грузы между Землей и геостационарной орбитой.

В 2000 году американский физик Брэдли Эдвардс по заказу НАСА создал технико-экономическое обоснование проекта космического лифта. Он предложил протянуть кабель длиной сто тысяч километров из углеродного волокна между космосом и якорем, плавающим на экваторе, в Тихом океане. Это весьма простое, по сути, устройство: каждый отрезок кабеля находится под действием сил гравитации (которые тянут его вниз) и центробежных сил (которые тянут его вверх). Обе силы уравновешиваются на высоте в тридцать шесть тысяч километров, то есть на уровне геостационарной орбиты. Поскольку ниже этого уровня гравитация доминирует, длина кабеля должна быть существенно больше, чтобы поддерживать тягу вверх. Таким образом, кабель остается прямым и натянутым. Специальные устройства должны защитить его от космического мусора, метеоритов, мощных ветров, электрического напряжения, наведенного в результате прохождения через атмосферу, и, наконец, от космического излучения.

Лифт, введенный в строй в 2195 году, позволит снизить стоимость доставки грузов на орбиту в сто раз по сравнению с классическими ракетами-носителями. Он создаст грандиозные экономические и технические возможности: использование солнечной энергии, массовое производство материалов в невесомости, добыча полезных ископаемых на астероидах, отправка на Марс космических флотилий для колонизации Красной планеты, безопасная сборка космических ракет нового поколения, приводимых в движение аннигиляцией материи и антиматерии, освоение всей Солнечной системы и выход за ее пределы…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

Человечество колонизирует галактику (Через 10 миллионов лет)

2500

Самая большая авария тысячелетия

Внезапное извержение на Солнце, похожее на то, которое случилось в XIX веке, наносит огромный ущерб обществу, попавшему в критическую зависимость от электронных систем.

В августе 1859 года на Земле случилась целая серия удивительных событий: северное сияние можно было увидеть в районе Антильских островов, инструменты для измерения магнитного поля вышли из строя, первые телеграфные устройства вспыхивали от мощных скачков тока в проводах… Два дня спустя северное сияние вновь появилось в тропическом небе: рассказывали, что в Центральной Америке ночи были такими светлыми, что можно было читать газету! Незадолго до второй серии событий британский астроном Ричард Кэррингтон невооруженным глазом заметил появление на Солнце группы пятен. В одном из пятен он разглядел яркую вспышку, продолжавшуюся в течение пяти минут. Кэррингтон пришел к выводу, что наблюдавшиеся им солнечные вспышки и были причиной удивительных явлений на Земле.

Вспышки происходят в солнечной короне, там, где линии магнитного поля образуют петлю, закрепленную на поверхности Солнца. Петля захватывает в себя огромное количество электронов, протонов и атомных ядер. Достаточно небольшого колебания напряженности, чтобы спровоцировать извержение: наподобие натянутой резинки, петля на огромной скорости выбрасывает заряженные частицы в пространство. Чем мощнее извержение, тем более разрушительные последствия может вызвать проникновение в земную атмосферу облака ионизирующих частиц.

Внезапное извержение на Солнце в 2500 году начнется с появления на нем огромного облака заряженных частиц, сопровождающегося мощным излучением, в основном в рентгеновском и гамма-диапазонах. Лучевой шквал обрушится на Землю через восемь минут. Вслед за излучением, Земли достигнут быстрые заряженные частицы, ускоряемые межпланетным магнитным полем – авангард гигантского облака плазмы, которое окутает Землю через двадцать часов после извержения.

Сильно намагниченное облако выплескивает свою энергию в магнитосфере Земли, где происходят самые мощные возмущения. Сорок восемь часов спустя облако находится уже далеко, земная атмосфера приходит в норму, однако техническим устройствам нанесен огромный ущерб: выведены из строя или стали неуправляемыми спутники, компьютеры сгорели, огромные объемы памяти стерты, системы навигации разрушены, радиокоммуникации выведены из строя, электрические сети находятся в коллапсе, ливни заряженных частиц поставили под угрозу жизни пассажиров и экипажей самолетов и космических станций. Цивилизация находится на грани того, чтобы скатиться до уровня XVIII века, в доиндустриальные времена…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

300 тысяч

«Вояджер-2» прибывает в окрестности Сириуса

Космический зонд «Вояджер-2» долетел до Сириуса. На случай встречи с инопланетянами на его борту находится видеодиск, рассказывающий о цивилизации землян в духе известного стихотворения Жака Превера «Инвентаризация».

В 1970-х годах американский астроном и просветитель Карл Саган стал одним из самых блистательных участников программы поиска внеземных цивилизаций SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence). Эту программу в начале 1960-х годов предложил американский радиоастроном Фрэнк Дрейк; на первых порах ее целью были поиски электромагнитных сигналов, отправленных развитыми цивилизациями нашей Галактики. Однако Карл Саган расширил задачи программы, предложив в свою очередь отправлять в космос радиосообщения для инопланетян. В 1974 году составленное Саганом сообщение было отправлено в направлении шарового звездного скопления Мессье 13 с помощью гигантского радиотелескопа в Аресибо. Кроме того, Саган предлагал размещать предназначенную для разумных существ информацию на борту дальних космических зондов НАСА.

В 1970-х годах космические аппараты НАСА, чей путь лежал за пределы Солнечной системы, действительно унесли с собой в космос «бутылки с записками». Зонды «Пионер-10» и «Пионер-11», запущенные соответственно в 1972 и 1973 году, несли на борту металлические таблички с выгравированными на них пиктограммами. Сообщение составили Саган и Дрейк; на табличке были изображены обнаженные мужчина и женщина и дана схематическая информация о нашей планете.

В 1980-е годы оба аппарата «Пионер» покинули гелиосферу – зону влияния солнечного ветра.

Аппараты «Вояджер», отправленные в космическое пространство в 1977 году, демонстрируют неумеренный оптимизм НАСА в отношении возможности контакта с инопланетянами. В действительности, шансы, что эти послания достигнут цели и попадут в руки тех, кто сможет их понять, исчезающе малы. Послание «Вояджера» представляет собой аудио- и видеодиск из меди с золотым покрытием, к которому прилагается устройство для воспроизведения с выгравированной на крышке инструкцией по эксплуатации. Сообщение зондов «Вояджер» гораздо информативнее, чем то, что отправилось на борту «Пионеров». Его содержание весьма разнообразно: сто шестнадцать схем и иллюстраций, содержащих координаты Солнца, физические единицы, сведения по анатомии, фотографии людей, животных, растений, картины природы, изображения жилищ… Двадцать семь музыкальных фрагментов: отрывки из Баха, Моцарта, песни пигмеев, грузинский хор, Джонни Гуд в исполнении Чака Берри… Есть на диске и сообщения отдельных людей: президента США Джимми Картера, Генерального секретаря ООН Курта Вальдхайма, а также звуки нашего мира: дождь, ветер, гром, пение птиц, звуки шагов, биение сердец, смех, детский лепет…

К 300-тысячному году зонд «Вояджер-2» может достичь окрестностей Сириуса, самой яркой звезды земного неба, находящейся на расстоянии восьми световых лет от нас.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование шарового скопления Геркулеса (11,7 миллиарда лет назад)

Через 10 миллионов лет

Человечество колонизирует Галактику

Человечество колонизирует всю Галактику. Но готово ли оно к встрече с неантропоморфной формой жизни, как в романе Фрэнка Герберта «Звезда под бичом»[17], опубликованном в 1973 году?

Можно ли взаимодействовать с совершенно иным существом, для которого люди – всего лишь ничтожные микроорганизмы? Как понять смысл языка, в котором слова и предложения не произносятся? В романе «Звезда под бичом» американский фантаст Фрэнк Герберт, создатель культовой саги «Дюна»[18], поднимает весьма редко задаваемые человечеством вопросы – о возможности существования неантропоморфной формы жизни, о принципиальной возможности коммуникации с ней.

Сюжет романа разворачивается вокруг трудностей взаимодействия существ, настолько разных, что они даже не могут осознать существование друг друга. Диалоги между ними весьма сложны и порой абсурдны и ведутся на языке, практически лишенном привычных элементарных структур. Для нас язык – одно из важнейших средств понимания мира, и наша уверенность в себе зависит от нашей способности устанавливать контакты. Может быть, коммуникация возможна только если способы обеих участвующих в ней сторон познавать и ощущать мир похожи? А если существа не обладают физическим телом, аналогичным нашему, если их восприятие лежит в зоне тонких энергетических колебаний, как с ними общаться?

На исходе XXII века человечество, получив в распоряжение космический лифт, начинает использовать космические аппараты, движущиеся за счет аннигиляции материи и антиматерии. Отправляясь в путешествия без гарантии возвращения, как, к примеру, европейцы когда-то плыли открывать Новый Свет, люди основывают колонии на экзопланетах в зонах обитания планетных систем. Но, чтобы достигать все более далеких горизонтов, необходимы иные способы перемещения в пространстве – уже не ракеты, пусть даже и самые совершенные. Мечтой фантастов всегда была деформация пространства-времени и создание «червоточин» – изменений его топологии, предсказанных общей теорией относительности еще в 1935 году. Червоточина, в отличие от черной дыры, не обладает центральной сингулярностью и позволяет быстро перемещаться из одной точки пространства в другую.

Но червоточина чрезвычайно нестабильна и существует всего доли секунды. Американский физик-теоретик Кип Торн еще в 1988 году предложил для решения этой проблемы использовать феномен гипотетической материи, чья масса кажется наблюдателю, перемещающемуся с околосветовой скоростью, отрицательной. Создаваемая такой материей антигравитация теоретически может стабилизировать червоточину. Если человечество создаст такие технологии, люди смогут распространиться по всему Млечному Пути – планет для колонизации хватит надолго. Но будет ли оно готово к встрече с совсем другими формами жизни?

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

Открытие экзопланет (1995)

Встреча с внеземной жизнью (2042)

В космос на лифте (2195)

Через 300 миллионов лет

Слияние нейтронных звезд

Сближаясь по спиральным траекториям, нейтронные звезды двойной системы PSR 1913 сливаются друг с другом, что вызывает всплеск гравитационных волн.

Двойная звездная система, в которой звезды вращаются вокруг общего центра тяжести – обычное явление во Вселенной. Но среди нейтронных звезд это явление встречается редко. Процессы, в результате которых образуются эти чрезвычайно плотные тела, столь разрушительны, что, развиваясь в двойной системе, они, как правило, разрушают ее. В Млечном Пути нам известно всего несколько таких систем. В 1974 году американский радиоастроном Джозеф Тейлор и его студент Рассел Халс начали поиски пульсаров на гигантском радиотелескопе в Аресибо, в Пуэрто-Рико. В том же году им удалось обнаружить пульсар PSR 1913. Его поведение показало, что астрофизики имеют дело с нейтронной звездой, вращающейся на очень близком расстоянии вокруг другой звезды примерно такой же массы, но не излучающей – вполне возможно, тоже нейтронной.

Халс и Тейлор выяснили, что сигналы от пульсара поступают с очень высокой степенью регулярности; из этого они смогли очень точно вычислить орбитальные характеристики двойной системы нейтронных звезд, то есть период их взаимного обращения, который составил около восьми земных часов. Со временем ученым удалось обнаружить, что период обращения системы очень медленно уменьшается, в полном соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна. Из теории следует, что система двух нейтронных звезд должна порождать гравитационные волны. Это приводит к постепенной потере ею энергии, уменьшению периода обращения системы и сближению двух сверхплотных звезд друг с другом. В 1993 году Халс и Тейлор стали нобелевскими лауреатами по физике за доказательство (пока только косвенное) существования гравитационных волн.

Нейтронные звезды продолжают сближаться, и это заканчивается их слиянием, порождающим мощный всплеск гравитационных волн. В результате события образуется либо компактная звезда, либо черная дыра, окруженная поясом обломков – идеальный источник коротковолнового гамма-излучения. Этот объект может привести и к колоссальному взрыву – так называемой килоновой. Сто тридцать миллионов лет назад такой взрыв в результате слияния двух нейтронных звезд произошел в галактике NGC 4993. Это было подтверждено в 2017 году сразу тремя видами приемников: тремя гравитационно-волновыми установками, космическими гамма-телескопами, регистрирующими вспышки гамма-излучения, и наконец, космическими и наземными обсерваториями, работающими в оптическом и инфракрасном диапазонах и наблюдавшими вспышки света.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Катастрофическая смерть первой звезды (13,2 миллиарда лет назад)

Тайна килоновой (130 миллионов лет назад)

Пульсар – космический маяк (–4500)

Регистрация гравитационных волн (2016)

Через 600 миллионов лет

Последнее полное затмение Солнца

Под влиянием приливных сил Луна отдаляется от Земли. Лунный диск уже не может полностью заслонить от Солнца земной: солнечные затмения отныне бывают только кольцевыми.

На поверхности Луны все еще остаются ретро-отражатели. Некоторые из них доставили на спутник Земли в ходе программы «Аполлон», другие установлены на луноходах – советских вездеходах, исследовавших Луну. Отражатели составляют сеть трехгранных углов – зеркальных триэдров – возвращающих луч света к источнику, который его испустил. Луч лазера, отправленный с Земли на такой отражатель, позволяет с большой точностью определить расстояние от Земли до Луны, если измерить время его пробега туда и обратно. Эта геодезическая технология, разработанная еще в 1970-х годах, позволила установить, что расстояние между Землей и Луной растет на тридцать восемь миллиметров в год.

Причиной тому приливные силы. Они не только действуют на земные океаны (о чем говорит само их название), но и стремятся синхронизировать вращение спутника планеты с осевым вращением самой этой планеты. В случае системы «Земля – Луна» длительность лунных суток совпадает с орбитальным периодом обращения Луны вокруг Земли. Но поскольку продолжительность земных суток чуть меньше, чем лунный орбитальный период, Земля постепенно замедляет вращение вокруг своей оси. Накопленная таким путем энергия вращения переходит в потенциальную энергию Луны, что приводит к постепенному удалению последней.

Луна отдаляется от Земли, а продолжительность земных суток удлиняется на одну двадцатую микросекунды в год. На длительных интервалах времени (сотни миллионов лет) накопленный эффект этих крошечных изменений становится довольно существенным: в девонский период, в эпоху расцвета папоротников, то есть четыреста миллионов лет назад, в году было четыреста дней, а в сутках – чуть меньше двадцати двух часов. С учетом вероятной эволюции Солнца можно предположить, что полная синхронизация системы «Земля – Луна», когда оба тела вращаются вокруг своих осей с тем же периодом, что и вокруг друг друга, вряд ли произойдет.

Изменение расстояния между Землей и Луной имеет большое значение для солнечных затмений. В ХХ веке видимый угловой диаметр Луны практически совпадал с угловым диаметром Солнца, хотя, конечно, эксцентриситеты земной и лунной орбит могли вызывать колебания этих величин. Сейчас на Земле полные солнечные затмения происходят довольно часто: видимый угловой диаметр Луны больше солнечного. Однако постепенно расстояние между Землей и Луной будет возрастать, а количество полных затмений Солнца – снижаться. Последнее из них произойдет через шестьсот миллионов лет. С этого момента будут происходить только кольцевые затмения, известные еще с античных времен – угловой диаметр Луны станет меньше, чем у Солнца.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Труды Гиппарха (–150)

Через 1,2 миллиарда лет

Конец жизни на Земле

По мере выгорания «ядерного топлива» в центре Солнца его светимость будет постепенно увеличиваться. Температуры на Земле вырастут до значений, губительных для биосферы, и наша планета станет выжженной пустыней.

Энергия излучения Солнца обеспечивается цепными ядерными реакциями, происходящими в его ядре: ежесекундно более шестисот миллионов тонн водорода превращается в гелий. Главным результатом этой ядерной алхимии является, помимо незначительного уменьшения массы Солнца, постепенное снижение количества частиц – одно ядро гелия образуется из четырех ядер водорода. Чем ниже плотность частиц, тем сильнее гравитация сжимает ядро, тем выше поднимается температура в недрах звезды и тем эффективнее становятся цепные реакции, увеличивая выделяемую энергию.

В результате количество энергии, производимой Солнцем, неуклонно растет, как и количество энергии, получаемой Землей. Через пятьсот миллионов лет после своего рождения Солнце вошло в длительную фазу гидростатического равновесия, в которой оно находится и по сей день. В самом начале этой фазы Земля получала от него значительно меньше энергии – всего 30 % от сегодняшнего количества. Однако в результате парникового эффекта температура на поверхности Земли почти все время оставалась примерно одинаковой. За исключением периодов глобального оледенения (как, к примеру последний, когда Земля была поистине огромным «снежком»), длительный период стабильности позволил жизни на Земле развиться до того состояния, в котором она оказалась сегодня.

Рост солнечной активности приводит к тому, что количество испускаемой Солнцем энергии увеличивается на десять процентов за миллиард лет, и на сорок – за три с половиной миллиарда лет. При таких условиях земная орбита оказывается вне «зоны обитания» Солнечной системы. Считается, что планета находится в «зоне обитания», если физические условия на ее поверхности допускают существование воды в жидком состоянии. Через миллиард лет, когда светимость Солнца станет на десять процентов выше сегодняшней, средняя температура на поверхности Земли возрастет до пятидесяти градусов Цельсия. Атмосфера превратится во влажный туман, океаны начнут активно испаряться. Водяной пар поднимется в стратосферу, где ультрафиолетовая часть солнечного излучения разложит молекулы воды и водород вырвется в околоземное пространство. Это усилит парниковый эффект до уровня, который мы наблюдаем сейчас на Венере. Бо`льшая часть земной поверхности превратится в сухую пустыню, экваториальная зона, где сейчас раскинулся океан, станет выжженым пространством, покрытым песчаными дюнами и солончаками. В подобных условиях жизнь невозможна – разве что некоторые виды бактерий-экстремофилов еще проживут некоторое время, но и они постепенно вымрут.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Земля-снежок (650 миллионов лет назад)

Через 4 миллиарда лет

Слияние Млечного пути с туманностью Андромеды

Двигаясь навстречу друг другу со скоростью в сто двадцать километров в секунду, Млечный Путь и Большая туманность Андромеды сливаются и становятся огромной эллиптической галактикой.

Млечный Путь и Большая туманность Андромеды (галактика Мессье 31) – два самых больших образования Местной группы галактик. М31 – единственная галактика, которую можно увидеть невооруженным глазом в северном полушарии. Еще в 964 году о ней писал персидский астроном Абдуррахман ас-Суфи в своей «Книге неподвижных звезд»: он воспроизвел первые описания и изображения М31, сделанные в 905 году астрономами Исфахана. Немецкий астроном Симон Марий в 1612 году описал туманность такой, какой видел ее в телескоп собственного изготовления. В 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил в М31 звезды-цефеиды и определил их внегалактическую природу по методу Генриетты Ливитт, используя зависимость период-светимость.

Две сливающиеся спиральные галактики NGC 2207 и IC 2163, сфотографированные космическим телескопом «Хаббл». Что-то похожее случится через четыре миллиарда лет с Млечным Путем и Мессье 31.

Несмотря на ее относительную близость, расстояние до М31 окончательно не определено. Сегодня его оценивают примерно в два с половиной миллиона световых лет. Астрономы сегодня гораздо точнее, чем прежде, определяют лучевую скорость объекта, то есть скорость его движения по лучу зрения. Они приходят к выводу, что Млечный Путь и М31 движутся навстречу друг другу со скоростью сто двадцать километров в секунду. Встреча произойдет примерно через четыре миллиарда лет. Вряд ли это будет похоже на удар. Расстояния между звездами столь огромны по сравнению с их размерами, что в процессе слияния галактик их звезды, скорее всего, просто пройдут друг мимо друга, не входя в непосредственный контакт. Другое дело межзвездные облака, размер которых гораздо больше, – их взаимодействие приведет к мощным вспышкам звездообразования, которые закончатся почти полным истощением запасов межзвездного газа в обеих галактиках.

Звездные орбиты в процессе взаимопроникновения галактик испытают сильные деформации, вызванные гравитационными возмущениями. Звезды, которые прежде обращались по круговым орбитам в плоскости своего галактического диска, после перемешивания могут перейти на орбиты с различными углами наклона. Встреча Млечного Пути с М31 приведет в конце концов к слиянию двух «островных вселенных». Гигантское образование, появившееся в результате этого процесса, будет почти полностью лишено межзвездного газа. Звездообразование в нем практически остановится – это будет скопление старых звезд на беспорядочно расположенных орбитах. В результате сформируется гигантская эллиптическая галактика, для которой астрономы уже придумали имя Милкомеда – Млечный Путь (Milky Way) и Андромеда. Со временем Милкомеда поглотит и все остальные галактики Местной группы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

Коллапс Местной группы (через 300 миллиарда лет)

Через 7,5 миллиарда лет

Солнце становится красным гигантом

Термоядерные конвульсии раздувают солнечную оболочку. В небе раскаленной, давно покинутой человечеством Земли сияет гигантский красный шар: люди отправились обживать другие миры.

Через десять с половиной миллиарда лет после своего рождения Солнце переживает нарушение гидростатического баланса в своем ядре, до того исправно обеспечивавшем регулярное производство энергии за счет ядерной реакции превращения водорода в гелий. Теперь в ядре Солнца водорода больше нет. Без «ядерного топлива» термоядерные реакции резко замедлились: ядро звезды почти полностью превратилось в гелий. Оно сжалось и сильно разогрелось.

В следующей фазе солнечной эволюции на периферийных участках ядра появляются зоны синтеза водорода. Эти участки формируют активную оболочку, которая постепенно распространяется вовне в поисках все новых запасов водорода. Рост температуры в центральной зоне, вызванный сжатием солнечного ядра, стимулирует ядерные реакции внутри оболочки. Всплеск активности, следующий за этими процессами, ведет к росту давления в наружных слоях Солнца: оно увеличивается в размерах, его светимость растет, температура на поверхности падает, и Солнце заметно краснеет. Звезда вступает в фазу эволюции, хорошо изученную астрофизиками: становится красным гигантом. Чтобы представить себе, во что превратится Солнце через пять с лишним миллиарда лет, можно посмотреть на Капеллу, самую яркую звезду созвездия Возничего, расположенную на расстоянии чуть больше сорока световых лет от Солнечной системы.

Фаза красного гиганта для Солнца продлится более миллиарда лет. Наша звезда будет постепенно раздуваться, ее радиус достигнет весьма внушительной величины: три четверти астрономической единицы, что в сто шестьдесят раз больше, чем ее сегодняшний радиус. К концу фазы она будет излучать в две тысячи раз больше энергии, чем сегодня. В результате, в зоне обитания Солнечной системы окажутся луны газовых гигантов. Солнце потеряет значительную часть своей массы – за счет все более и более мощного солнечного ветра. Сохранение углового момента Солнечной системы потребует увеличения радиусов планетных орбит, и поэтому, несмотря на новые огромные размеры, Солнце поглотит только Меркурий. Пока огромное красное Солнце царит на небосводе горячей Земли, превратившейся в сплошное море лавы, человечество процветает на пригодных для жизни планетах новой эллиптической галактики Милкомеда, образовавшейся в результате слияния Млечного Пути и Мессье 31.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Слияние Млечного Пути с туманностью Андромеды (Через 4 миллиарда лет)

Конец Солнца (Через 7,8 миллиарда лет)

Через 7,8 миллиарда лет

Конец Солнца

Солнце потеряло половину своей массы, и в его недрах завершаются реакции ядерного синтеза. Ядро постепенно сжалось до состояния белого карлика, окруженного сброшенными Солнцем оболочками.

Через двенадцать миллиарда лет после рождения Солнца завершается фаза красного гиганта. В результате ядерного выгорания водорода в солнечных недрах образуется гелиевое ядро. Давление излучения, создаваемого ядерными реакциями, слабеет, ядро сжимается и разогревается до сотен миллионов кельвинов. Это приводит к тому, что ядра гелия начинают слипаться в ядра углерода в результате тройного альфа-процесса – цепочки термоядерных реакций, которая создает из трех ядер гелия – альфа-частиц – одно ядро углерода. Этот процесс сильно зависит от температуры и начинается с резкого скачка скорости реакций, который астрофизики называют «гелиевой вспышкой». Внезапный приток энергии перестраивает центральные области звезды: ядро Солнца расширяется, а оболочка сжимается. Начинается очередная устойчивая фаза, напоминающая эпоху синтеза водорода, но гораздо короче – всего около ста миллионов лет.

Запасы гелиевого топлива быстро истощаются – синтез гелия в ядре прекращается. Аналогично тому, как это происходило в предшествующей фазе, гелиевый синтез перемещается в окружающие ядро оболочки; серия гелиевых вспышек заставляет эти оболочки расширяться. Солнце вновь становится красным гигантом. За время, прошедшее с момента первой гелиевой вспышки, его радиус увеличивается до целой астрономической единицы. Но из-за того, что во время предшествующих процессов Солнце утратило значительную часть своей массы, по закону сохранения углового момента, радиус земной орбиты растет и Земле довольно долго удается избегать поглощения Солнцем. Однако приливные силы, которыми Солнце воздействует на планету, подталкивают ее обратно к красному гиганту. Окруженная облаками газа из сброшенных Солнцем оболочек, Земля постепенно по спиральной траектории опускается в недра Солнца и испаряется.

Солнце расширяется с каждой гелиевой вспышкой; его внешние слои постепенно расходятся в пространстве в виде огромной планетарной туманности. Это немного сбивающее с толку название предложил в конце XVIII века Уильям Гершель для обозначения небесных тел, которые, по его мнению, своим видом напоминали планеты, например Уран, который он незадолго до этого открыл. Потеряв половину своей массы, Солнце превращается в сверхплотный шар, лишь немногим больше нынешней Земли, однако в двести тысяч раз массивнее. Разогревшись в процессе образования до температуры в сто шестьдесят тысяч кельвинов, белый карлик будет светить еще миллиарды лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Будущая сверхновая (–14 тысяч)

Солнце становится красным гигантом (Через 7,5 миллиарда лет)

Через 20 миллиарда лет

Большой разрыв?

Плотность темной энергии постепенно возрастает и расширение Вселенной ускоряется до такой степени, что все ее структуры, от скоплений галактик до атомных ядер, разлетаются на части.

Исследования фонового космологического излучения, выполненные европейским космическим зондом «Планк» с 2009 по 2013 год, показали, что основной компонент Вселенной – темная энергия. Эта гипотетическая форма энергии, заполняющая равномерно все пространство, определяет его повсеместное расширение – впервые к этому выводу пришли американские физики Перлмуттер, Шмидт и Рисс, в 2011 году получившие за это открытие Нобелевскую премию по физике. Судьба Вселенной, согласно этой теории, зависит прежде всего от ее главной составляющей: темной энергии. Однако об этой загадочной субстанции ничего или почти ничего не известно, кроме того, что именно она – единственный фактор, способный ускорять расширение Вселенной. Не будь темной энергии, Вселенная неизбежно должна была бы в конце концов сжаться под действием гравитации всей заключенной в ней материи.

Многие астрофизики считают, что, в отличие от материи, плотность которой в расширяющейся Вселенной уменьшается со временем, плотность темной энергии остается постоянной. Наблюдения за скоплениями галактик, расположенными на очень разных расстояниях, пока подтверждают вывод о том, что темная энергия заполняет все пространство и ее плотность не зависит ни от расстояния, ни от времени. Темная энергия, таким образом, заставляет вспомнить о космологической постоянной – параметре, который Эйнштейн в 1917 году ввел в систему уравнений общей теории относительности, чтобы привести теорию в соответствие с концепцией статической Вселенной. В рамках общей теории относительности введение космологической константы было эквивалентно заполнению всего пространства отрицательной энергией, способной уравновесить гравитацию и обеспечить стабильность Вселенной. После открытия на рубеже 1930-х годов расширения Вселенной Эйнштейн назвал введение космологической постоянной «самой большой глупостью в своей жизни».

Согласно опубликованным в 2003 году работам американского физика-теоретика Роберта Колдуэлла и его коллег, Вселенная может быть заполнена темной энергией, называемой еще фантомной, плотность которой возрастает по мере расширения Вселенной. Фантомная энергия со временем увеличивается, и в бесконечной временной перспективе ее плотность тоже стремится к бесконечности. Превзойдя по силе воздействия все иные процессы, способные обеспечить сцепление структур Вселенной, призрачная энергия разорвет все связи, и через двадцать миллиарда лет Вселенной придет конец в виде Большого разрыва. За сотни миллионов лет до Большого разрыва начнется распад галактических скоплений, а потом и самих галактик. За несколько лет до Разрыва придет очередь планетных систем, а за несколько минут – звезд. И наконец, в последнюю долю секунды распадутся атомы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Через 100 миллиарда лет

Большое сжатие?

Нельзя исключить и ситуацию, в которой рост темной энергии со временем замедлится, а потом сменится спадом. Она объединится с гравитацией и ускорит общий коллапс Вселенной.

Будущее Вселенной, раздираемой гравитационными силами взаимного притяжения и отталкивающим воздействием темной энергии, несомненно, зависит от того, как эта последняя поведет себя со временем. Помимо того, что она оказывается основным содержанием Вселенной и играет ключевую роль в ускорении ее расширения, физики практически ничего об этой загадочной субстанции не знают. Очень многие ученые идентифицируют ее со знаменитой космологической постоянной, которую Эйнштейн вынужден был ввести в уравнения общей теории относительности. Но есть и другие – те, кто считает, что она представляет собой динамическую величину, изменяющуюся во времени и пространстве. Они называют ее «квинтэссенцией», в честь «пятого элемента», дорогого сердцу философов античной Греции. Американский космолог Роберт Колдуэлл полагает, что эта фантомная энергия приведет Вселенную к состоянию Большого разрыва, в котором все структуры будет разорваны…

Таким образом, вполне допустимо предполагать, что темная энергия со временем может ослабнуть и даже превратиться из отталкивания в притяжение, которое в сочетании с обычной гравитацией через сто миллиарда лет приведет Вселенную в состояние Большого сжатия. Космологи вновь допускают, что расширение Вселенной может прерваться и смениться фазой сжатия. Основными этапами этого «Большого взрыва наоборот» станут распад галактик, испарение звезд, распад атомов, дезинтеграция ядер, образование черных дыр, поглощающих все вокруг, и наконец, объединение всех черных дыр в одну гигантскую дыру, которая поглотит всю Вселенную. В результате должна образоваться одна сплошная сверхгорячая и сверхплотная сингулярность – вероятный зародыш новой Вселенной.

Некоторые космологи, как к примеру француз Орельен Барро, считают, что Большой взрыв – лишь переход к сегодняшней фазе расширения Вселенной от фазы сжатия, которая ей предшествовала. Этот переход следовало бы назвать не Большим взрывом, а скорее Большим отскоком – такое название подчеркивало бы идею смены фаз. Такие теоретические рассуждения вводят в научный обиход идею вечно существующей циклической Вселенной. Альберт Эйнштейн и американец Ричард Толман рассматривали циклическую модель еще в 1930-х годах в качестве вечной альтернативы модели расширяющейся Вселенной. Заметим, что философская концепция вечного возвращения пронизывает многие древние культуры: от индуистских верований до космогонии индейцев майя. Расцвет христианства в западном мире, несомненно, способствовал тому, что эти концепции были забыты. Однако в Европе эту идею подхватил великий немецкий философ Фридрих Ницше.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Радиус Шварцшильда (1916)

Большой разрыв? (Через 20 миллиарда лет)

Через 300 миллиарда лет

Коллапс Местной группы

Эллиптическая галактика Милкомеда, образованная в результате слияния Млечного Пути с туманностью Андромеды, поглощает остальные галактики Местной группы – формируется новая эллиптическая галактика невероятных размеров.

Далеко не все космологи склоняются к теориям Большого разрыва или Большого сжатия: большинство предлагают гораздо менее беспокойные сценарии будущего развития Вселенной. Темная энергия остается в этих сценариях главной действующей силой; ее истинная природа по-прежнему остается одной из самых больших загадок мироздания. Многие физики предпочитают трактовать ее как космологическую постоянную, величину, введенную Альбертом Эйнштейном, хоть он и отказался от нее несколько лет спустя. Это, несомненно, самая простая интерпретация: плотность темной энергии однородна и постоянна во всей Вселенной, не зависит от времени. Вдобавок, такая форма ее интерпретации кажется наиболее соответствующей результатам современных наблюдений. Темная энергия все быстрее растягивает ткань Вселенной; ее воздействие прослеживается в поведении гигантских гравитационно связанных структур, таких как скопления галактик, а в частности, и Местной группы.

Когда начнется процесс взаимопроникновения Млечного Пути и его соседки Мессье 31, Большой туманности Андромеды, многочисленные мелкие галактики Местной группы окажутся под воздействием гравитации двух огромных спиралей. Помимо двух Магеллановых Облаков, Млечный Путь удерживает еще десять карликовых эллиптических галактик. Одна из них, карликовая галактика в Стрельце, ближайшая к Млечному Пути, уже частично разрушена его мощными приливными силами. Среди «подданных» М31 тоже насчитывается добрая дюжина карликовых галактик, среди которых две самых крупных имеют эллиптическую форму – например М32, которая уже отдала M31 значительную часть своего звездного населения. В гравитационном поле М31 находятся также спиральная галактика в Треугольнике (М33), третья по размеру в Местной группе, и ее спутница, карликовая галактика в Рыбах. Лишь немногие галактики – члены Местной группы – не зависят от этих двух крупнейших систем.

Таким образом, складываются все условия для слияния Млечного Пути с туманностью Андромеды. Ждать его еще долго – триста миллиарда лет, но после него должны создаться условия для сжатия всей Местной группы, которая превратится в сверхгигантскую эллиптическую галактику. Такой процесс согласуется с новой популярной моделью холодной темной материи, которая также предполагает последовательное слияние малых структур и образование более крупных. Тем не менее в не слишком густонаселенной области Вселенной, где расположена Местная группа, образование гигантской эллиптической галактики будет идти гораздо медленнее, чем это происходит в гораздо более плотных недрах самых больших скоплений галактик.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Мессье 32 вливается в Андромеду (800 миллионов лет назад)

Слияние Млечного Пути с туманностью Андромеды (Через 4 миллиарда лет)

Большой разрыв? (Через 20 миллиарда лет)

Большое сжатие? (Через 100 миллиарда лет)

Через 1000 миллиард лет

Последние звезды

Расширение Вселенной ускоряется, все сверхскопления вокруг Ланиакеи исчезают за космологическим горизонтом. На небе остается только рассеянное гало из красных карликов.

Темная энергия не проявляется в каких-либо катаклизмах вроде Большого разрыва или Большого сжатия. Она позволяет времени течь и не мешает силам природы увлекать постепенно остывающую Вселенную в царство мрака и холода: Большое замерзание (Big Freeze). Конечно, следуя своей глубинной сущности, темная энергия продолжает растягивать ткань пространства и ускорять всеобщее расширение. Однако она не действует в недрах космических структур, связанных силами гравитации – даже если речь идет о самых крупных из них, о сверхскоплениях галактик. При все ускоряющемся расширении Вселенной сверхскопления отдаляются друг от друга, и, если наблюдатель находится в конкретном сверхскоплении, таком как Ланиакея, он видит, как остальные скопления с возрастающей скоростью удаляются от него.

Когда галактики Местной группы сливаются, образуя гигантскую эллиптическую структуру, эта сверхгалактика оказывается на периферии Ланиакеи. Ее небо постепенно пустеет по мере ускоряемого темной энергией всеобщего расширения пространства. Наконец наступает эпоха, когда свету, излучаемому каким-либо сверхскоплением, для достижения соседнего сверхскопления потребуется время, превышающее возраст Вселенной. Другими словами, все скопления галактик одно за другим уходят друг от друга за космологический горизонт. Через тысячу миллиарда лет небо Ланиакеи полностью опустеет. Еще до того как это случится во всех сверхскоплениях, галактики успеют слиться друг с другом, образуя невероятных размеров сверхгалактики, протянувшиеся на миллионы световых лет. Небо внутри такой сверхгалактики будет казаться затянутым молочным сиянием – слившимся светом триллионов звезда гигантской островной вселенной.

После истощения запасов межзвездного газа образование звезд прекращается. Прежде массивные звезды, образовывая планетарные туманности или взрываясь в виде сверхновых, выбрасывали в пространство достаточно вещества, чтобы из него могли формироваться следующие поколения звезд. Но через тысячу миллиарда лет эти источники материи иссякнут окончательно. Будут по-прежнему светить только звезды-долгожители: красные карлики. Температура на их поверхности меньше четырех тысяч кельвинов – они излучают в основном в красной части видимого спектра. Масса у них меньше половины солнечной, что и определяет невысокую температуру в их недрах, а значит, и низкую скорость реакций ядерного синтеза. Энергия, образующаяся в ходе этих реакций, достигает поверхности за счет конвекции, как в стоящей на огне кастрюле с водой. Вещество звезды непрерывно перемешивается, поэтому в ядерных реакциях используется весь содержащийся в ней водород – в результате, срок жизни такой звезды может превышать десять тысяч миллиарда лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

Большой разрыв? (Через 20 миллиарда лет)

Большое сжатие? (Через 100 миллиарда лет)

Через 10^100 лет

Вселенная погружается в абсолютный холод

В космосе исчезли все звезды. Черные дыры испарились. Вселенная, в которой лишь изредка проносятся частицы все меньшей и меньшей энергии, остывает до абсолютного нуля.

После того как погасли все красные карлики, даже самые маленькие, во Вселенной воцаряется полная темнота. В ней остались лишь остывшие и ничего не излучающие останки звезд – «черные карлики». Превращение в «черного карлика» – судьба очень многих звезд. Только звезды больших масс эволюция превращает в сверхплотные объекты – нейтронные звезды или черные дыры. Сверхмассивные черные дыры, которые когда-то находились в ядрах галактик, тоже живут очень долго. Тем не менее, так как запасы межзвездного газа исчерпаны, а небесные тела всех видов коллапсировали, источников излучения во Вселенной больше не осталось. Лишь изредка еще происходят слияния остатков звезд, которые время от времени озаряют отдельные области Вселенной яростными, но краткими вспышками света.

Оставшиеся во Вселенной тела, как сверхмассивные, так и маломассивные, состоят из нуклонов – протонов и нейтронов. Какова же продолжительность жизни протонов? Они считаются стабильными, то есть практически вечными. Правда, теория все же допускает возможность их разрушения: протон распадается на позитрон и нейтральный пион, который, в свою очередь, превращается в два гамма-фотона. Эксперименты, которые должны были установить продолжительность жизни протона, показали, что она больше 10^34 лет (единица с тридцатью четырьмя нулями!). И если продолжительность жизни протонов действительно такова, как предполагает теория (10^36 лет), то к концу этого периода во Вселенной останутся только черные дыры разной массы и частицы, образовавшиеся в результате распада протонов.

Но и черные дыры не вечны. Излучение Хокинга – гипотетический процесс излучения черной дырой элементарных частиц, названный в честь предсказавшего его английского ученого Стивена Хокинга, – приводит к тому, что черная дыра медленно теряет массу, вплоть до полного испарения в виде последнего облака гамма-фотонов. Чем массивнее черная дыра, тем медленнее идет ее испарение. Ученые полагают, что черные дыры звездного происхождения испарятся за 10^65 лет, а сверхмассивные черные дыры – за 10^100 лет. Оставшись без черных дыр и нуклонов, Вселенная превратится в пустое пространство, изредка пересекаемое фотонами все меньшей и меньшей энергии. В конце концов температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю, и она окажется в состоянии так называемого Абсолютного замерзания (Big Freeze). Возможно, что тогда и время утратит смысл – ведь никакие события не смогут больше служить маркерами для определения его течения.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Радиус Шварцшильда (1916)

Библиография

Документы и интернет-сайты, использованные для написания книги.

Труды общего характера

Audouze, J. (ред.), Le ciel à découvert, CNRS Éditions, 2010.

Barrau, A., Des Univers multiples, Dunod, 2017.

Barsuglia, M., Les Vagues de l’espace-temps, Dunod, 2019.

Bertone, G., Le Mystère de la matière noire, Dunod, 2014.

Binétruy, P., À la poursuite des ondes gravitationnelles, Dunod, 2016.

Blay, M., La Naissance de la science classique au xviie siècle, Nathan, 1999.

Boqueho, V., La Vie ailleurs? Dunod, 2011.

Conner, C.D., Histoire populaire des sciences, L’Echappée, 2014.

Danielou, A., Mythes et dieux de l’Inde, Flammarion, 2009.

Eliade, M., Cosmologie et Alchimie babyloniennes, Gallimard, 1991.

Fontaine, J., et Arkan, S., L’Image du monde, Vuibert, 2010.

Frankel, C., L’Aventure Apollo, Dunod, 2018.

Hawking, S., L’Univers dans une coquille de noix, Odile Jacob, 2009.

Hoffmann, B., La Relativité, Pour la Science, 1999.

Koestler, A., Les Somnambules, Les Belles Lettres, 2010.

Koyré, A., Du Monde clos à l’Univers infini, PUF, 1988.

Kouchner, A., Lavignac, S., À la recherche des neutrinos, Dunod, 2018.

Leclant, J. (ред.), Dictionnaire de l’Antiquité, Oxford University Press, 2011.

Mazure, A., Basa, S., L’Univers dans tous ses éclats, Dunod, 2007.

Luminet, J.-P., Lachièze-Rey, M., De l’infini, Dunod, 2019.

Nazé, Y., L’Astronomie des anciens, Belin, 2009.

Perdijon, J., La Formation des idées en physique, Dunod, 2006.

Proust, D., L’Harmonie des sphères, Seuil, 2001.

Silk, J., L’Univers et l’infini, Odile Jacob, 2005.

Shorto, R., Le Squelette de Descartes, Télémaque, 2011.

Soustelle, J., Les Quatre soleils, Plon, 2009.

Thomson, J., Eric, S., Grandeur et décadence de la civilisation maya, Payot/Rivages, 2003.

Vedrenne, G., Atteia, J.-L., Gamma-ray Burst, Springer-Praxis, 2009.

Труды с участием авторов книги

Arnaud, N., Descotes-Genon, S., Kerhoas-Cavata, S., Paul, J., Robert, J.-L., Royole-Degieux, P. (ред.), Passeport pour les deux infinis, Dunod, 2010, 2013, 2016.

Cassé, M., Paul, J., SPIN: Roman noir de la matière, Odile Jacob, 2006.

Paul, J., Laurent, P., Astronomie gamma spatiale, Gordon and Breach Science Publishers, 1998.

Paul, J., L’Homme qui courait après son étoile, Odile Jacob, 1998.

Paul, J., Explosions cosmiques, Ellipse, 2007.

Paul, J., Robert-Esil, J.-L., Le roman des rayons cosmiques, Ellipse, 2009.

Robert-Esil, J.-L., Paul, J., Oh, l’Univers, Éditions Dunod, 2009.

Paul, J., Robert Esil, J.-L., Le Beau livre de l’Univers, Dunod, 2011, 2013, 2016.

Robert Esil, J.-L., Paul, J., Le petit livre de l’Univers, Dunod, 2014.

Статьи

Abbott, B.P. и др., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger Physical Review Letters 116:241102, 2016,

https://arxiv.org/abs/1602.03837.

Abbott, B.P. и др., Properties of the Binary Black Hole Merger GW150914, Physical Review Letters 116:241102, 2016,

https://arxiv.org/abs/1602.03840.

Adams, F.C., Laughlin, G., A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects, Review of Modern Physics 69:337, 1997,

http://arxiv.org/abs/astro-ph/9701131.

Agnor, C.B., Hamilton, D.P., Neptune’s capture of its moon Triton in a binary-planet gravitational encounter, Nature 441:192, 2006.

Alpher, R.A., Bethe, H., Gamow, G., The origin of chemical elements, Physical Review 73:803, 1948,

https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.73.803.

Block, D.L. и др., An almost head-on collision as the origin of two off-centre rings in the Andromeda galaxy, Nature 443:832, 2006,

https://arxiv.org/abs/astro-ph/0610543.

Dierickx, M., Blecha, L., Loeb, A., Signatures of the M31-M32 galatic collision, The Astrophysical Journal Letters 788:L38, 2014,

https://arxiv.org/abs/1405.3990.

Bottke, W., Vokrouhlicky, D., et Nesvorny, D., An Asteroid Breakup 160 My Ago as the Probable Source of the K-T Impactor, Nature 449:48, 2007.

Braun-Munzinger, P., Stachel, J., The quest for the quark-gluon plasma, Nature 448:302, 2007.

Brent Tully, R. и др., The Laniakea supercluster of galaxies, Nature 51, https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1409/1409.0880.pdf.

Caldwell, R.R., Kamionkowski, M., Weinberg, N.N., Phantom Energy and Cosmic Doomsday, Physical Review Letters 91:071301-1, 2003, http://arxiv.org/abs/astro-ph/0302506.

Canup, R.M., Origin of Saturn’s rings and inner moons by mass removal from a lost Titan-sized satellite, Nature 468:943, 2010.

Capak, P.L. и др., A massive proto-cluster of galaxies at a redshift of z ≈ 5.3, Nature 470:233, 2011.

Chalmers, M., Out of the darkness, Nature 490:S2, 2012.

Chand, H. и др., Probing the cosmological variation of the fine-structure constant: Results based on VLT-UVES sample, Astronomy & Astrophysics 417:853, 2004, https://arxiv.org/abs/astro-ph/0401094.

Collaboration Planck, Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck. A&A,https://arxiv.org/abs/1807.06205.

Damour, T., Dyson, F., The Oklo bound on the time variation of the fine-structure constant revisited, Nuclear Physics B 480:37, 1996,

http://arxiv.org/abs/hep-ph/9606486.

Donnadieu, Y. и др., A “snowball Earth” climate triggered by continental break-up through changes in runoff, Nature 428:303, 2004.

Edwards, B.C., The Space Elevator, NASA Institute for Advanced Concept, 2003,

http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/521Edwards.pdf.

Ellis, G.F.R., Kirchner, U., Stoeger, W.R., Multiverses and physical cosmology, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 347:921, 2004, https://arxiv.org/abs/astro-ph/0305292.

Gomes, R. и др., Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets, Nature 435:466, 2005.

Helgason, J., Formation of Olympus Mons and the aureole-escarpment problem on Mars, Geology 27:231, 1999.

Hubble, E., A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 15:168, 1929.

Jarosik, N. и др., Seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results, The Astrophysical Journal Supplement Series 192:14, 2011, http://arxiv.org/abs/1001.4744.

Keller, S.C. и др., Single low-energy, iron-poor supernova as the source of metals in the star SMSS J031300.36–670839.3, Nature 506:463, 2014, https://arxiv.org/abs/1402.1517.

Levison, H.F., Morbidelli, A., The formation of the Kuiper belt by the outward transport of bodies during Neptune’s migration, Nature 426:419, 2003.

Madau, P., Dickinson, M., Cosmic Star-Formation History, ARA&A 52:415, 2014, https://arxiv.org/abs/1403.0007.

Melosh, H.J., Collins, G.S., Meteor Crater formed by low-velocity impact, Nature 434:157, 2005.

Morbidelli, A., Origin and Dynamical Evolution of Comets and their Reservoirs, Lectures on comets dynamics and outer solar system formation,http://arxiv.org/abs/astro-ph/0512256.

Morris, M.S., Thorne, K.S., Yurtsever, U., Wormholes, time machines, and the weak energy condition, Physics Review Letters 61:1446, 1988, http://adsabs.harvard.edu/abs/1988PhRvL.61.1446M.

Naudet, R., Le phénomène d’Oklo, AIEA, 23–27 июня 1975 года,

https://www.iaea.org/sites/default/files/17105192224fr.pdf.

Noterdaeme, P. и др., The evolution of the cosmic microwave background temperature. Measurements of TCMB at high redshift from carbon monoxide excitation, Astronomy & Astrophysics 526:L7, 2011,

http://arxiv.org/abs/1012.3164.

Paul, J., Sigma, le chasseur de trous noirs, Pour la Science, Les trous noirs, 112, 1997.

Paul, J., Les trous noirs, enfants non désirés d’Einstein, La Recherche, вне серии № 18 «L’héritage Einstein», 44, 2005.

Quintana, E.V. и др., An Earth-Sized Planet in the Habitable Zone of a Cool Star, Sci, 344, 227, 2014, https://arxiv.org/abs/1404.5667.

Racusin, J.L. и др., Broadband observations of the naked eye gamma-ray burst GRB080319B, Nat 455:183, 2008, http://arxiv.org/abs/ 0805.1557.

Riess, A.G. и др., Type Ia Supernova Discoveries at z > 1 from the Hubble Space Telescope: Evidence for Past Deceleration and Constraints on Dark Energy Evolution, The Astrophysical Journal 607:665, 2004, http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402512.

Springel, V. и др., Simulations of the formation, evolution and clustering of galaxies and quasars, Nature 435:629, 2005,

http://arxiv.org/abs/astro-ph/0504097.

Srianand, R. и др., Limits on the Time Variation of the Electromagnetic Fine-Structure Constant in the Low Energy Limit from Absorption Lines in the Spectra of Distant Quasars, Physical Review Letters 92:121302-1, 2004, http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402177.

Tegmark, M., Parallel Universes, Science and Ultimate Reality: From Quantum to Cosmos, материалы симпозиума в честь 90-летия Джона Уилера, подготовлены к изданию J.D. Barrow, P.C.W. Davies, & C.L. Harper, Cambridge University Press (2003),

https://space.mit.edu/home/tegmark/multiverse.pdf.

Tziamtzis, A. и др., The outer rings of SN 1987A, A&A 527:35, 2011, http://arxiv.org/abs/1008.3387.

Wesson, P. S., Olbers’s paradox and the spectral intensity of the extragalactic background light, The Astrophysical Journal 367:399, 1991.

Woudt, P.A. и др., The Expanding Bipolar Shell of the Helium Nova V445 Puppis, The Astrophysical Journal 706:738, 2009,

http://arxiv.org/abs/0910.1069.

Yang, Y., Hammer, F., Could the Magellanic Clouds be Tidal Dwarfs Expelled from a Past-merger Event Occurring in Andromeda? The Astrophysical Journal Letters 725: L24, 2010, http://arxiv.org/abs/ 1010.2748.

Примечания

1

СПб.: Вита-Нова, 2016. (Здесь и далее прим. ред.)

2

Метр как единица длины в СИ с 1983 года определяется как расстояние, проходимое светом за 1/299 792 458 часть секунды.

3

М.: Книга по требованию, 2012.

4

Чиновники в имперском Китае.

5

СПб.: Амфора, 2009.

6

Помощник епископа, не имеющий собственной епархии.

7

М.: Географгиз,1936.

8

М.: Издательство Академии наук СССР, 1953.

9

М.: Едиториал УРСС, 2018.

10

М.: Мысль, 1989.

11

М.: АСТ, 2020.

12

Заведующий церковным округом.

13

Киев: Port-Royal, 1997.

14

М.: Азбука, 2020.

15

Математические начала натуральной философии. М.: ЛКИ, 2014.

16

С лат. – год чудес.

17

М.: АСТ, 2002.

18

М.: АСТ, 2021.

Content

Жак Поль, Жан-Люк Робер-Эсиль
Вселенная с нуля: от Большого взрыва до абсолютной пустоты

Предисловие

Благодарности

Начало истории

До Большого взрыва Мультивселенная?

Начало расширения Большой взрыв

Начало расширения Почему наше небо ночью черное?

Начало расширения Квантовая гравитация

5 · 10–44 секунд после начала расширения Планковская эпоха

10–35 секунд после начала расширения Инфляция

10–12 секунд после начала расширения Возникновение материи

10–9 секунд после начала расширения Первичный хаос

10–6 секунд после начала расширения Материя побеждает антиматерию

3 минуты после начала расширения Образование гелия

20 минут после начала расширения Окончание первичного ядерного синтеза

380 тысяч лет после начала расширения Вселенная становится прозрачной

Вселенная упорядочивается

13,7 миллиарда лет назад Темные века

13,7 миллиарда лет назад Образование крупных структур

13,6 миллиарда лет назад Рождение самой древней из известных звезд

13,4 миллиарда лет назад Галактика уже ярко сияет

13,2 миллиарда лет назад Катастрофическая смерть первой звезды

12,6 миллиарда лет назад Появление первых скоплений галактик

11,8 миллиарда лет назад Вселенная взрослеет

11,7 миллиарда лет назад Образование шарового скопления Геркулеса

10,8 миллиарда лет назад Вселенная все еще в три раза горячее

10 миллиарда лет назад Активное звездообразование

9,7 миллиарда лет назад Вселенная и ее постоянные

8,8 миллиарда лет назад Образование диска Млечного Пути

7,7 миллиарда лет назад Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом

6,8 миллиарда лет назад Ланиакея, наше сверхскопление

5,2 миллиарда лет назад Столкновение в Местной группе галактик

4,8 миллиарда лет назад Расширение Вселенной ускоряется

Появление Солнечной системы

4,57 миллиарда лет назад Рождение Солнца

4,57 миллиарда лет назад Солнце – атомная электростанция

4,57 миллиарда лет назад Образование планет

4,56 миллиарда лет назад Образование пояса астероидов

4,51 миллиарда лет назад Образование Луны

4,5 миллиарда лет назад Образование колец Сатурна

4,4 миллиарда лет назад Образование облака Эпика – Оорта

4 миллиарда лет назад Последняя метеоритная бомбардировка

3,9 миллиарда лет назад Захват Тритона Нептуном

3,8 миллиарда лет назад Извержение на Марсе

3,8 миллиарда лет назад Образование пояса Эджворта – Койпера

3,5 миллиарда лет назад На Земле возникает жизнь

2,4 миллиарда лет назад Великая оксигенация

2 миллиарда лет назад Природный реактор

800 миллионов лет назад Мессье-32 вливается в Андромеду

650 миллионов лет назад Земля-снежок

500 миллионов лет назад Образование созвездия Большая Медведица

320 миллионов лет назад Вспышка звездообразования в Малом Магеллановом облаке

Современная Вселенная

160 миллионов лет назад Семейство Баптистины

130 миллионов лет назад Тайна килоновой

115 миллионов лет назад Скопление Плеяд

108 миллионов лет назад Столкновение Луны с астероидом

65 миллионов лет назад Столкновение Земли с астероидом

20 миллионов лет назад Что разгоняет космические частицы

11,1 миллиона лет назад Космическая мега-катастрофа

10 миллионов лет назад Комета Галлея

10 миллионов лет назад Образование коричневого карлика

7 миллионов лет назад Пир черной дыры

1,5 миллиона лет назад Человек ходит по Земле

– 348 тысяч Лихорадочный пульс

– 166 ТЫСЯЧ Гигантский рой нейтрино

– 166 тысяч Ударная волна сотрясает Большое Магелланово облако

– 50 тысяч Гигантский метеорит падает на Землю

– 45 300 Рождение магнетара

– 33 900 Быстрее света?

– 24 650 Антиматерия в центре галактики

– 24 650 Сверхмассивная черная дыра

– 16 тысяч Новая звезда в системе с черной дырой

– 14 тысяч Будущая сверхновая

– 5500 Извержение на Эта Киля

– 4500 Еще одна Сверхновая

– 4500 Пульсар – космический маяк

Время открытий

– 3000 Счет времени

– 2800 Стоунхендж, обсерватория времен неолита

– 560 Теорема Фалеса

– 530 Гармония сфер

– 335 Трактат Аристотеля о небе

– 240 В Александрийской школе

– 150 Труды Гиппарха

150 «Альмагест» Птолемея

415 Смерть Гипатии

650 Карты звездного неба

1054 Еще одна сверхновая

1543 Новые перспективы

1600 Вперед к бесконечности

1609 Галилей создает первый телескоп

1609 Новая астрономия Кеплера

1637 Cogito ergo sum

1671 Ньютон изобретает свой телескоп

1686 Множественность миров

1745 Эмили дю Шатле переводит Ньютона

1905 E = mc 2

1912 Мисс Ливитт и масштабы расстояний

1916 Радиус Шварцшильда

1957 Вперед, в космос

1964 Космологические радиопомехи

1969 Первые шаги по Луне

1995 Открытие экзопланет

2014 Зонд на комете Чурюмова – Герасименко

2016 Регистрация гравитационных волн

2019 Первый портрет черной дыры

Завтра и потом?

2020 Первая частная тяжелая ракета-носитель

2029 Возвращение на Луну

2032 На орбите вокруг чужой луны

2035 Регистрация гравитационных волн в космосе

2042 Встреча с внеземной жизнью

2051 Первые шаги человека на Марсе

2195 В космос на лифте

2500 Самая большая авария тысячелетия

300 тысяч «Вояджер-2» прибывает в окрестности Сириуса

Через 10 миллионов лет Человечество колонизирует Галактику

Через 300 миллионов лет Слияние нейтронных звезд

Через 600 миллионов лет Последнее полное затмение Солнца

Через 1,2 миллиарда лет Конец жизни на Земле

Через 4 миллиарда лет Слияние Млечного пути с туманностью Андромеды

Через 7,5 миллиарда лет Солнце становится красным гигантом

Через 7,8 миллиарда лет Конец Солнца

Через 20 миллиарда лет Большой разрыв?

Через 100 миллиарда лет Большое сжатие?

Через 300 миллиарда лет Коллапс Местной группы

Через 1000 миллиард лет Последние звезды

Через 10100 лет Вселенная погружается в абсолютный холод

Библиография

Примечания