Космос. От Солнца до границ неизвестного

До сих пор никто не смог опровергнуть результаты Асплунда. В свете полученных им данных приходится пересматривать выводы, касающиеся не только Солнца, но и других звезд, ведь от Солнца, ближайшей к нам и самой досягаемой из звезд, зависит наше понимание и его космических родственников.

Не обошлось и без экзотических решений, предполагающих, что темная материя внутри Солнца поможет согласовать прежние данные с новыми. Но гораздо более правдоподобно следующее предположение. При тех экстремальных температурах и давлениях, которые существуют на Солнце, тяжелые элементы ведут себя иначе, чем мы ожидали, и законы поглощения и излучения для них описываются другими формулами.

Большие надежды на разрешение этой загадки связаны с нейтринным детектором SNO+ (расширенная версия эксперимента в Sudbury Neutrino Observatory – нейтринной обсерватории в Садбери), установленным в Канаде. Обнаружение солнечных нейтрино в настоящее время не является чем-то необычным, но с помощью детектора SNO+ есть надежда поймать слабый сигнал от редких CNO-нейтрино, образующихся в CNO-цикле – термоядерной реакции превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. И таким образом можно будет заглянуть в ядро Солнца и оценить содержащееся там количество этих тяжелых элементов.

Давно потерянные солнечные братья и сестры

Сегодня Солнце гуляет в космосе само по себе – его ближайший сосед удален на 4,2 световых года. Но так было не всегда. Когда-то и Солнце находилось в дружной семье, среди родни и друзей. Родившись вместе из одного облака пыли и газа, родичи Солнца рассеялись в пространстве и разбежались на сотни световых лет друг от друга. В мае 2014 года астрономы объявили, что удалось «поймать» одну такую беглянку: звезду по имени HD 162826 (см. рис. 1.1).

Эта звезда удалена от нас на 110 световых лет. С помощью бинокля ее можно увидеть в левой руке Геркулеса[2 - По поводу левой и правой руки Геркулеса есть разночтения. См., напр.: http://www.astronet.ru/db/msg/1166006.]. Она немного теплее и голубее нашего Солнца, а ее масса превышает массу Солнца на 15 %.

Чтобы найти ее родственников, группа ученых под руководством Ивана Рамиреза из Техасского университета в Остине провела своеобразные «археологические раскопки» в космосе, смоделировав движения звезд Млечного Пути в прошлом. Целью были поиски таких звездных «отпрысков», которые родились в одной звездной колыбели с Солнцем. Хотя все они разбежались в разные стороны, их теперешние положения могли выдать место их появления на свет.

Сузив группу поиска до 30 звезд-претендентов, команда внимательно изучила их, чтобы найти «фамильное сходство». Из всех оставшихся звезд только у HD 162826 был химический состав, похожий на солнечный. Их возраст тоже оказался одинаковым. Отметим также следующее заманчивое обстоятельство: HD 162826 включена в каталог звезд, которые могут иметь планетные системы.

Рис. 1.1. Моделирование движения звезд Млечного Пути указывает на то, что звезда HD 162826 может являться сестрой нашего Солнца.

Если удастся обнаружить больше подобных звезд, в картине первых моментов творения нашей Солнечной системы может многое проясниться. Возможно, станет понятно, в каких условиях Солнце и планеты формировались.

Когда начнется следующий космический шторм

2 сентября 1859 года Земли достиг гигантский выброс вещества из Солнца. Магнитные поля разбушевались. Полярные сияния заискрились там, где их раньше не видели, и небо над нашей планетой на две трети было покрыто уникальными световыми картинами. Стрелки компасов сошли с ума, телеграфные системы по всему миру отказали – слишком большие токи текли по проводам.

Явление назвали в честь Ричарда Кэррингтона, британского астронома-любителя, который первым провел его наблюдения. На большей части планеты это событие никак не отразилось на повседневной жизни людей – они полюбовались грандиозным световым шоу, и только. Сегодня происшествие подобного рода привело бы к катастрофическим последствиям, потому что мы слишком сильно зависим от приборов, в основе которых лежат принципы электромагнетизма. На спутниках, скорее всего, сгорели бы все электрические реле, а вместе с ними отказали бы все системы коммуникации и ориентации в пространстве. Все трансформаторы перегорели бы, подача электроэнергии через магистральные сети – прекратилась. Общественный транспорт остановился бы. По оценкам Национальной академии наук США, проведенным в 2008 году, на ликвидацию последствий, связанных с событием Кэррингтона, произойди оно в настоящее время, потребовалось бы 2 триллиона долларов только в США.

Понятно, что предсказания космической погоды должны иметь высший приоритет в астрономических наблюдениях. Чтобы найти средство защиты, мы должны отчетливо понимать механизм солнечного магнетизма, лежащий в основе корональных выбросов массы – ведь к эффекту Кэррингтона привели именно капризы солнечной активности. Для нас по-прежнему остается тайной, как Солнце генерирует свои магнитные поля, поэтому мы не можем предсказать, где и когда в следующий раз произойдут солнечные извержения. Как уже упоминалось, большие надежды возлагаются на спутник Европейского космического агентства (ЕКА) Solar Orbiter, который запустят, чтобы исследовать Солнце, – этот спутник будет заниматься измерениями магнитных полей Солнца. Если мы сможем понять загадку солнечного динамо-эффекта (самогенерации магнитных полей), возможно, нашей цивилизации удастся избежать повторения сценария 1859 года.

Что произойдет, если гигантская комета столкнется с Солнцем?

Как правило, кометы спокойно облетают Солнце, чтобы затеряться в глубинах космоса. Но если случится так, что большая комета вонзится прямо в Солнце, порядочной шумихи не избежать.

Космический аппарат SOHO (Solar and Heliospheric Observatory – Обсерватория Солнца и гелиосферы) под эгидой НАСА в неделю фиксирует не менее трех небольших комет, проходящих очень близко от Солнца. Совсем маленьким околосолнечным кометам обычно не удается уйти далеко. И дело даже не в солнечной короне, чья температура достигает миллионов градусов Кельвина; она слишком разрежена и не может расплавить комету своим теплом (вернее сказать – жарой). Здесь работает процесс сублимации: ледышки-кометы непосредственно переходят в газ, который рассеивается в космическом пространстве. Кометы могут расколоться на части. Но некоторым из них удается уцелеть. Комета Лавджоя в 2011 году, хоть и пообтрепалась, продираясь сквозь солнечную корону, но все-таки выстояла в борьбе за космическое выживание. А вот комете ISON, встретившейся с Солнцем в 2014 году, выжить не удалось – она распалась на части.

Итак, что же случится, если комета и Солнце ударятся лбами? Ответ на этот вопрос дала группа ученых, которой руководит Джон Браун, королевский астроном Шотландии.

Расчеты астрономов показали следующее. Если комета подлетит достаточно близко к Солнцу, поле притяжения центрального светила увлечет ее в крутое пике. Ее скорость превысит 600 км/с. При такой скорости силы сопротивления со стороны нижних слоев атмосферы Солнца расплющат комету, и она станет плоской как блин. Сверхзвуковой снежок, попавший прямо в ад, – так описывает ситуацию сам Браун.

В конце концов комета взорвется и вспыхнет. В результате взрыва выделится ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, которое мы можем наблюдать с помощью современных приборов. Энергии при этом освободится столько же, сколько и при вспышке на Солнце, или при корональном выбросе массы, но пространственный масштаб явления будет намного меньше. Приобретенный кометой импульс может заставить Солнце звенеть как колокол, а по атмосфере Солнца начнет распространяться эхо от солнцетрясения.

Результаты расчетов можно распространить и на другие солнечные системы, в которых молодые звезды подвергаются более интенсивным кометным бомбардировкам, чем наше Солнце.

2

Миры из железа и камня

Внутри Солнечной системы, под самым боком у Солнца, приютились четыре небольших планетки. На чернильно-выжженной поверхности Меркурия только недавно удалось разглядеть отдельные детали и нанести их на карту; ядовитые испарения в атмосфере Венеры показались бы адом каждому, кому не посчастливилось бы там оказаться – да будет это уроком для Земли! И только на одной из четырех планет, на Марсе, столь любимом и воспеваемом нами, могут быть обнаружены следы живых организмов. Третья по счету от Солнца, столь многострадальная наша планета, не затрагивается в этой книге; вместо нее мы «прилунимся» на нашем естественном спутнике, претендующем на роль единственного небесного тела (помимо Земли, конечно), на который ступала нога человека.

Мир из золы и пепла

Меркурий трудно отнести к заурядным планетам. Это планета, населенная химерами. За фасадом ее, под стать Луне испещренным кратерами, скрывается сердце из металла. И какое большое сердце! Таким не может похвастаться даже Марс. На металлическое ядро Меркурия приходится 70 % от общей массы планеты. Поверхность Меркурия необычайно темна, а магнитное поле своими характеристиками приводит в изумление. Все остальные планеты ведут себя вполне благопристойно и вращаются вокруг Солнца в одной и той же плоскости, чего не скажешь о Меркурии: он прокладывает свой путь под залихватским креном к остальным. Если Земля вращается почти по кругу, то Меркурий предпочитает эллипс.

Из всех планет земной группы Меркурий наименее изучен и вызывает больше всего вопросов. Зонд «Мессенджер», посланный агентством НАСА к Меркурию, был первым космическим аппаратом, облетевшим планету. Проработав 4 года (2011–2015), он получил 300 000 изображений Меркурия и провел миллионы измерений самых различных его характеристик: от радиоактивности до химического состава атмосферы. Лазерный высотометр, установленный на межпланетной станции «Мессенджер», измерил высоту холмов и глубину кратеров, и теперь все они нанесены на карту. Эти и другие данные помогают исследователям добраться до некоторых из секретов Меркурия.

Графитовая кора

Поверхность Меркурия отражает гораздо меньше солнечного света, чем наша Луна, и поэтому выглядит крайне темной. До полета к Меркурию считалось, что ответственными за излишнее поглощение являются железо и титан, но зонд «Мессенджер» не выявил достаточного количества ни одного из этих элементов. Тщательный анализ данных, полученных зондом непосредственно над самыми темными участками поверхности, помог установить истину. Патрик Пепловски с коллегами из лаборатории прикладной физики в Университете Джона Хопкинса (Мэриленд, США), применив метод инфракрасной спектрометрии вместе с анализом количества нейтронов в космических лучах, установили, что темное вещество на поверхности Меркурия – это углерод в форме графита.

Происхождение графита, по-видимому, связано с самым начальным этапом формирования Меркурия, когда по всей поверхности планеты плавала магма. Если предположить, что химический состав Меркурия за время его существования не менялся, то почти все минералы, образовавшиеся в вязком океане магмы, должны были упасть на дно. И только графит продолжал плавать на поверхности. Графитовая оболочка километровой толщины могла покрыть весь Меркурий.

Позднее лавовые потоки погребли под собой темный графитовый слой. Но в кратерах, в которых мы видим обнаженной первоначальную поверхность Меркурия, это темное вещество сохранилось. К такому выводу и пришли Пепловски с коллегами. Однако есть и альтернативная теория, а именно – что кометы при ударах о Меркурий «испачкали» его своей углеродной пылью.

Загадочное ядро

Наличие у Меркурия огромного металлического ядра не согласуется с общепринятыми моделями образования планет. Такое ядро могло бы остаться у планеты после массивного столкновения с другим небесным телом, содравшим с Меркурия основную часть его скалистой мантии. Еще одна версия – внешние слои планеты испарились в жарких лучах близкого Солнца. Но зонд «Мессенджер» нашел в коре планеты летучие элементы, такие как калий. Таких элементов не осталось бы, если бы когда-то произошло крупное столкновение или имело место испарение.

Вместе с тем наблюдения планет в других звездных системах показали, что строение Меркурия не является уникальным. У двух самых маленьких экзопланет, Kepler-10 b и COROT-7 b, измерили плотность. Они оказались гораздо плотнее, чем можно было ожидать. Значит, у них большие сердцевины, как и у Меркурия. Вдобавок они также располагаются неподалеку от своих солнц.

В 2013 году в Университете Дуйсбурга – Эссена (Германия) высказали гипотезу, позволяющую объяснить наличие большого ядра у планет такого рода. Герхард Вурм с коллегами предложили следующий механизм. Излучение от звезды нагревает крупинки пыли, которые затем сталкиваются с молекулами газа и отдают им часть своего тепла. Молекулы газа будут отскакивать от пылевых гранул быстрее, чем приближались к ним, сообщая пылинкам небольшой импульс. Расчеты Вурма с коллегами показали, как эта сила, названная фотофоретической, заставляет крупинки пыли кружиться вокруг звезды.

Так как металлические гранулы обладают хорошей теплопроводностью, у них у всех будет одинаковая температура. Такие металлические гранулы будут испытывать толчки со всех сторон и не смогут улететь от звезды далеко. Другие гранулы, из которых впоследствии образуются скальные породы, такие как силикаты, являются диэлектриками. Со стороны, обращенной к Солнцу, улетающие молекулы газа будут толкать их сильнее, чем с противоположной стороны. Этот эффект отсортирует гранулы металлов от неметаллических гранул при рождении Солнечной системы: плотные металлы останутся на небольших расстояниях от звезды, а легкие силикаты будут вышвырнуты прочь. Этот процесс может объяснить большую плотность таких ближайших к своим солнцам планет, как Меркурий, Kepler-10 b и COROT-7 b.

Следующую экспедицию к Меркурию, «БепиКоломбо», организовали в рамках совместной миссии Европейского космического агентства (ЕКА) и Японского агентства аэрокосмических исследований. Модуль с двумя орбитальными станциями должен приблизиться к Меркурию в конце 2025 года, тогда и смогут ученые ответить на эти и другие вопросы, заданные железной планетой.

Что случилось с Венерой?

Иногда Венеру называют близняшкой Земли, но по сути наша родная планета и ее ближайшая соседка по планетарной семье больше похожи на доктора Джекила и мистера Хайда[3 - Персонажи известного романа Р. Стивенсона «Странная история доктора Джекила и мистера Хайда», в котором описана история раздвоения личности ученого на две субличности: благовоспитанного джентльмена и демонического злодея.]. Размеры и химический состав Венеры примерно такие же, как у Земли; освещенность ее Солнцем лишь ненамного превышает земную. В принципе, Венера находится в так называемом поясе жизни Солнечной системы, в котором вода может существовать в жидком состоянии. Возможно, когда-то Венера была покрыта океанами, и в них была жизнь. Почему же она стала такой негостеприимной?

Все попытки исследовать Венеру увязали в плотных облаках из серной кислоты, совершенно непроницаемых для первых летательных космических аппаратов. Из всех космических аппаратов, которые мы отправили исследовать поверхность планеты, при жесткой посадке уцелело менее половины, а остальные не выдержали удручающего давления атмосферы Венеры. Те, которые уцелели, вскоре прекратили свою работу. Общая длительность их наблюдений за поверхностью планеты не превышает одних суток.

Картина, полученная посадочными модулями, оказалась безрадостной: туманная необитаемая пустыня, орошаемая бесконечными сернокислотными дождями и продуваемая клейкими ветрами, резво дышащими на закате и рассвете, но умеряющими свой пыл в жаркую пору дня. Если даже вам удастся выжить в удушающей атмосфере, состоящей в основном из углекислого газа, то окружающая жара с температурой 460 °C, способная расплавить свинец, обязательно вас доконает.

Своеобразие венерианского ландшафта обычно объясняют тем, что планета находится немного ближе к Солнцу, чем нужно для создания комфортных условий. Из-за этого вся вода с поверхности в свое время испарилась, образовалась густая атмосфера, которая улавливает тепло и создает самоподдерживающийся парниковый эффект – отсюда и поистине адские условия, царящие на планете.

Однако наблюдения космического аппарата «Венера-экспресс», проведенные в 2007 году, поставили этот простой сценарий под сомнение. Были обнаружены потоки ионов, утекающие из атмосферы под действием солнечного ветра, который свободно проплывает через слабое магнитное поле Венеры. Кроме того, из-за ветра плазма регулярно взрывается и вырывает из атмосферы планеты огромные клочья.

Из-за этих непрерывных атак не так уж много воды могло сохраниться в атмосфере с прежних времен. Испарение влаги могло посодействовать первоначальному формированию парникового эффекта, но для поддержания удушливой сегодняшней атмосферы должно быть еще кое-что – и это «кое-что» могло оказаться тем фактором, который сыграл свою немаловажную роль и в прошлом.

Наиболее вероятные кандидаты в ключевые факторы формирования состава атмосферы – сера и углекислый газ, появившиеся в результате извержения вулканов на поверхности. На сегодняшний момент активной вулканической деятельности на планете не зафиксировано, но найдены улики такой деятельности в прошлом. Данные зонда «Венера-экспресс» указывают на то, что 80 % поверхности Венеры сформировано под действием вулканических потоков. Возраст некоторых из них – десятки тысяч лет.

Раскрыв тайну формирования атмосферы Венеры, мы сможем исключить подобные тупиковые планеты из наших поисков землеподобных миров вокруг других звезд. И, возможно, прошлое Венеры поведает нам, какая судьба уготована нам самим. Ученые строят модели будущего Земли, из которых следует, что через 2 миллиарда лет, по мере «взросления» Солнца и постепенного увеличения его светимости, земной климат начнет приобретать сходство с венерианским. А вдруг мы ошибаемся в оценках и подобный бесславный конец уже не за горами? Может быть, существует неучтенный фактор, который поставит нас на грань выживания гораздо раньше? Эти вопросы вызвали целый ряд инициатив, направленных на планирование новых полетов к Венере в надежде выяснить, действительно ли она такая безжизненная и всегда ли такой была.

Но давайте приглядимся внимательнее – так ли уж враждебна Венера? На высоте 70 км над адской поверхностью планеты плавают облака, на которых установилась поистине превосходная погода: много солнечного света, изобилие воды, давление и температура почти неотличимы от земных. При таких условиях можно жить и на облаках! Для разведки понадобится «атмосфероход». Аэрокосмическая компания Northrop Grumman разработала проект автономного надувного космоплана, который сможет дрейфовать у планеты в течение года, прощупывая ее окрестности на предмет наличия жизни. Еще более амбициозный проект предложила Лаборатория реактивного движения НАСА – по ее задумке, нужно создать дирижабль, который доставит ученых непосредственно в мягкие объятия венерианских облаков.

Потерянный рай

Результаты компьютерного моделирования указывают на то, что в незапамятные времена Венера могла быть очень похожа на нашу родную планету. Более того, вплоть до недавнего времени она могла быть обитаемой!

Дэвид Гринспун из Планетологического института в Тусоне (Аризона, США) и его коллеги использовали климатическую модель и воссоздали четыре возможные версии развития событий на Венере. Сценарии несколько различались в деталях, таких как количество энергии, получаемое планетой от Солнца, или долгота венерианских суток. Там, где ученым недоставало объективных данных, они восполняли пробелы с помощью правдоподобных допущений. Необычайно высокое соотношение атомов дейтерия к атомам водорода, найденное на Венере, – верное свидетельство того, что когда-то планета не могла пожаловаться на отсутствие воды. Поэтому ученые включили в свою модель неглубокий океан.