"Краткая история почти всего на свете" - читать интересную книгу автора (Брайсон Билл)

3 ВСЕЛЕННАЯ ПРЕПОДОБНОГО ЭВАНСА

Когда небо чистое и Луна не слишком яркая, преподобный Роберт Эванс, спокойный неунывающий мужчина, тащит громоздкий телескоп на заднюю веранду своего дома в Голубых горах Австралии, примерно в 80 км от Сиднея, и предается необычному занятию. Он вглядывается в глубины прошлого и находит умирающие звезды.

Вглядываться в прошлое, конечно, самая простая часть дела. Взгляните на ночное небо, и перед вами предстанет история, множество историй — не такие звезды, какие они есть сейчас, а такие, какими они были, когда их покинул дошедший до нас теперь свет. Откуда нам знать, цела ли наша верная спутница, Полярная звезда, не сгорела ли она дотла в январе прошлого года, или в 1854 году, или в любое время с начала четырнадцатого века, и просто эта новость еще не дошла до нас. Самое большее, что мы можем — всегда можем — утверждать, что она еще светила в этот день 680 лет назад. Звезды умирают все время. Что получается у Боба Эванса лучше всех, кто пробовал этим заниматься,[36] так это засекать моменты звездных прощаний.

Днем Эванс — добродушный и теперь почти отошедший от дел священник Объединенной церкви Австралии, иногда подменяющий коллег и изучающий историю религиозных движений XIX века. Но вот по ночам он становится скромным титаном небес. Он охотится за сверхновыми звездами.

Сверхновая появляется, когда какая-нибудь гигантская звезда, намного больше нашего Солнца, коллапсирует, а затем эффектно взрывается, в один момент высвобождая энергию сотни миллиардов солнц, и некоторое время горит ярче всех звезд в своей галактике, вместе взятых. «Это подобно одновременному взрыву триллиона водородных бомб», — говорит Эванс. По его словам, если бы взрыв сверхновой произошел в нашем уголке космоса, нам бы был конец. «Он бы испортил все представление», — жизнерадостно заключает астроном. Но Вселенная безбрежна и сверхновые обычно слишком далеко, чтобы причинить нам вред. На самом деле большинство их так невообразимо далеки, что свет от них доходит до нас лишь в виде едва заметного мерцания. Примерно в течение месяца, пока они видны, они отличаются от других звезд только тем, что занимают на небе место, которое не было заполнено прежде. И вот эти аномальные, очень редко появляющиеся крошечные точки отыскивает на полном звезд ночном небосводе преподобный Эванс.

Чтобы понять, какое это мастерство, представьте обычный обеденный стол, покрытый черной скатертью с рассыпанной по ней горстью соли. Рассеянные по скатерти крупинки соли можно принять за галактику. Теперь вообразите 1,5 тысячи таких столов — достаточно, чтобы выстроить их в ряд длиной три километра, — и на каждом наугад рассыпана соль. Добавьте крупинку соли на один из этих столов и дайте возможность Бобу Эвансу пройти вдоль них. Он отыщет ее с первого взгляда. Эта крупинка и есть сверхновая.[37]

Эванс обладает до того исключительным талантом, что Оливер Сакс[38] в книге «Антрополог на Марсе» упоминает о нем в главе, посвященной аутизму среди крупных ученых, и сразу добавляет: «Нет никаких признаков того, чтобы он страдал аутизмом». Эванс, никогда не встречавшийся с Саксом, смеется над предположениями о том, что он ученый или страдает аутизмом, но он не в состоянии объяснить, откуда у него этот талант.

«Просто у меня есть способность запоминать звездные поля», — говорил он мне, как бы оправдываясь, когда я посетил его и его супругу Элейн в их словно вышедшем из детской книжки с картинками домике на тихой окраине деревни Хейзелбрук, где кончается Сидней и начинается бескрайний австралийский буш. «Я не очень силен в других вещах, — добавляет он. — Плохо запоминаю имена».

«И забывает, где оставил вещи», — кричит с кухни Элейн.

Он согласно кивает и, широко улыбаясь, спрашивает, не хотел бы я посмотреть телескоп. Я представлял, что позади дома у Эванса настоящая обсерватория — уменьшенный вариант Маунт Вильсон или Маунт Паломар, с раздвигающимся куполом и механизированным креслом, манипулировать которым такое удовольствие. А он повел меня не наружу, а в набитый вещами чулан позади кухни, где держит свои книги и бумаги и где на самодельной вращающейся фанерной подставке покоится его телескоп — белый цилиндр, размером и формой похожий на титан для кипячения воды. Когда он собирается наблюдать, то в два захода выносит его на небольшую веранду рядом с кухней. Между выступом крыши и перистыми верхушками растущих ниже по склону эвкалиптов открывается кусочек неба величиной со щель почтового ящика, но Эванс утверждает, что ему этого более чем достаточно. И здесь, когда небо чистое, а Луна не слишком яркая, он отыскивает свои сверхновые.

Термин «сверхновая» придумал в 1930-х годах запомнившийся своими чудачествами астрофизик Фриц Цвикки. Родившийся в Болгарии и выросший в Швейцарии, Цвикки пришел в Калифорнийский технологический институт в 1920-х годах и сразу выделился сумасбродством и несносным характером. Нельзя сказать, что он обладал блестящими способностями, а многие коллеги относились к нему как к «надоедливому паяцу». Будучи страстным приверженцем здорового образа жизни, он частенько падал на пол в столовой Калтеха или еще где-нибудь на публике и отжимался на одной руке, демонстрируя свою силу любому, кто был склонен сомневаться. Он был вызывающе задирист, и со временем его поведение стало настолько пугающим, что его ближайший коллега Вальтер Бааде, очень мягкий по характеру человек, не решался оставаться с ним наедине. Среди прочего Цвикки обвинял Бааде, немца по национальности, в том, что тот нацист, каковым он никогда не был. По крайней мере однажды Цвикки угрожал убить Бааде, работавшего в обсерватории на Маунт Вильсон, если тот появится в кампусе Калифорнийского технологического института.

Но при всем этом Цвикки был способен на самые поразительные и блестящие озарения. В начале 1930-х годов он обратился к вопросу, долгое время волновавшему астрономов: появлению время от времени на небосводе непонятных ярких точек, новых звезд. Невероятно, но он задал себе вопрос: не может ли оказаться в основе всего этого нейтрон — субатомная частица, только что открытая в Англии Джеймсом Чедвиком и бывшая в то время модной новинкой. Его осенила мысль, что если звезда коллапсирует до плотности, сравнимой с атомным ядром, то в результате образуется невообразимо компактный объект. Атомы буквально раздавят друг друга, их электроны вдавятся в ядра, образуя нейтроны. Получится нейтронная звезда. Представьте миллион увесистых пушечных ядер, сжатых до размеров игрушечного стеклянного шарика, — и это еще не совсем точное сравнение. Ядро нейтронной звезды настолько плотно, что одна ложка его вещества весила бы 90 млрд кг. Одна ложка! Но это еще не все. До Цвикки дошло, что при коллапсе такой звезды выделится огромное количество энергии — достаточное, чтобы произвести величайший взрыв во Вселенной. Он назвал такие взрывы сверхновыми. Они должны были оказаться — и оказались — крупнейшими событиями в мироздании.

15 января 1934 года в журнале Physical Review появилось очень краткое резюме сделанного в предыдущем месяце в Стэнфордском университете сообщения Цвикки и Бааде. Несмотря на предельную краткость — один абзац в двадцать четыре строчки, — это резюме содержало огромное количество новых научных сведений: в нем были первые упоминания сверхновых и нейтронных звезд, убедительно объяснялся процесс их образования, верно оценивалась сила взрыва, и в заключение, как дополнительный бонус, взрывы сверхновых увязывались с загадочным новым явлением, получившим название космических лучей, которые, как незадолго до того обнаружили, буквально кишат во Вселенной. Эти идеи были революционными, если не сказать больше. Подтверждения существования нейтронных звезд пришлось ждать 34 года. Гипотеза о космических лучах, хотя и считающаяся правдоподобной, пока еще не подтверждена окончательно. В целом это резюме, по словам астрофизика из Калифорнийского технологического института Кипа Торна, оказалось «одним из наиболее прозорливых документов в истории физики и астрономии».

Интересно, что Цвикки почти не понимал, почему все эти вещи должны происходить. Согласно Торну, «он недостаточно хорошо разбирался в законах физики, чтобы обосновать свои идеи». Цвикки обладал способностью выдвигать масштабные идеи. Другим — главным образом Бааде — оставалась их математическая доводка.

Цвикки также первым осознал, что во Вселенной остро не хватает видимого вещества, чтобы удерживать галактики вместе, и что должен существовать какой-то еще источник гравитационного воздействия — то, что теперь мы называем темной материей.[39] Он упустил только одну вещь — если нейтронную звезду достаточно сильно сжать, то она становится настолько плотной, что даже свет не может освободиться от чудовищного гравитационного притяжения. Получается черная дыра. К сожалению, большинство коллег до того не любили Цвикки, что его идеи практически остались без внимания. Когда спустя 5 лет великий Роберт Оппенгеймер[40] в эпохальной статье обратил внимание на нейтронные звезды, он ни разу не упомянул о работах Цвикки, хотя тот много лет занимался той же проблемой в кабинете немного дальше по коридору. Выводы Цвикки относительно темной материи не привлекали серьезного внимания почти 40 лет. Можно только предположить, что за это время он выполнил очень много отжиманий.

Поднимая голову к небу, мы видим на удивление малую часть Вселенной. Невооруженным глазом с Земли видно всего 6 тысяч звезд, и лишь около 2 тысяч из них можно увидеть за раз. С помощью бинокля количество звезд, видимых из одной точки, возрастает до 50 тысяч, а с маленьким двухдюймовым телескопом оно подскакивает до 300 тысяч. С 16-дюймовым телескопом, как у Эванса, счет идет уже не на звезды, а на галактики. Эванс полагает, что со своей веранды он может видеть от 50 до 100 тыс галактик, каждая из десятков миллиардов звезд. Числа, конечно, внушительные, но все равно сверхновые остаются чрезвычайно редким явлением. Звезда может гореть миллиарды лет, но умирает всего раз, причем очень быстро, и лишь немногие умирающие звезды взрываются. Большинство гаснет тихо, как костер на рассвете. В типичной галактике, состоящей из сотни миллиардов звезд, сверхновая в среднем вспыхивает раз в 200–300 лет. Поэтому искать сверхновые — все равно что, стоя на смотровой площадке Эмпайр Стейт билдинг, разглядывать в телескоп окна Манхэттена в надежде, скажем, обнаружить, как кто-то зажигает свечи на праздничном торте в день своего совершеннолетия.

Так что, когда полный надежд обходительный священник стал расспрашивать, нет ли подходящих звездных карт для поиска сверхновых, астрономическая братия сочла, что он выжил из ума. В то время у Эванса был 10-дюймовый телескоп — весьма приличный размер для любительского разглядывания звезд, но вряд ли пригодный для серьезной космологии, — и с помощью этого инструмента он намеревался обнаружить одно из самых редких явлений во Вселенной. За всю историю астрономии, до того как Эванс в 1980 году принялся за это дело, было найдено менее 60 сверхновых.[41] (Когда в августе 2001 года я побывал у него, он только что зафиксировал свое тридцать четвертое визуальное открытие;[42] тридцать пятое последовало через 3 месяца, а тридцать шестое — в начале 2003 года.)

У Эванса, правда, были определенные преимущества. Большинство наблюдателей, как и вообще большинство людей, находится в Северном полушарии, так что значительная часть неба находилась почти полностью в его распоряжении, по крайней мере поначалу. На его стороне также были быстрота и поразительная память. Большие телескопы — это довольно громоздкие штуки, и значительная часть их рабочего времени тратится на то, чтобы навести их на нужный объект. Эванс же вертит своим небольшим, 16-дюймовым телескопом, как хвостовой стрелок пулеметом в воздушном бою, затрачивая не более пары секунд на тот или иной участок неба. В результате за вечер он мог отнаблюдать, пожалуй, сотни четыре галактик, тогда как в большой профессиональный телескоп, если повезет, сможет обследовать штук 50 или 60.

Искать сверхновые — значит, как правило, их не находить. С 1980 по 1996 год он в среднем делал два открытия в год — не слишком большая награда за сотни ночей напряженного вглядывания в небо. Однажды он обнаружил 3 за 50 дней, но в другой раз прошло 3 года, прежде чем он отыскал одну.

«В сущности, в отсутствии находок есть известная польза, — говорит он. — Это помогает космологам определить темп эволюции галактик. Это одна из редких областей, где уже само отсутствие фактов является фактом».

На столе рядом с телескопом стопки фотографий и бумаг, относящихся к его занятиям, и он показывает мне одну из них. Если вы когда-нибудь заглядывали в популярные астрономические издания, то должны знать, что они обычно полны ярких цветных снимков далеких туманностей или чего-либо подобного — залитых волшебным светом облаков небесных огней, величественно движущихся и переливающихся тончайшими оттенками. Рабочие изображения Эванса не имеют с ними ничего общего. Это всего лишь расплывчатые черно-белые снимки с маленькими точками, окруженными ореолом. На том, что он мне показал, был изображен рой звезд, внутри которого притаился пустячный проблеск; чтобы разглядеть его, мне пришлось поднести снимок к глазам. Это, пояснил мне Эванс, звезда из созвездия, называемого Печью, в галактике, известной в астрономии как NGC1365. (NGC означает New General Catalogue — Новый общий каталог, в который занесены галактики. Когда-то он был увесистой книгой у кого-то на столе в Дублине; теперь, разумеется, это база данных.) Свет, свидетельствующий о впечатляющей кончине этой звезды, безостановочно несся сквозь пространство 60 млн лет, пока однажды ночью в августе 2001 года не достиг Земли в виде проблеска света, крошечного просветления на ночном небе. И, разумеется, заметил его Роберт Эванс на своем напоенном запахом эвкалиптов холме.

«Это приносит особое удовлетворение, — говорит Эванс, — когда думаешь, что летевший сквозь космос миллионы лет свет достигает Земли как раз в тот момент, когда кто-то рассматривает нужный участок неба. Кажется важным, чтобы событие такого размаха было засвидетельствовано».

Роль сверхновых вовсе не ограничивается тем, чтобы вызывать чувство удивления и восхищения. Они делятся на несколько типов, один из которых, кстати, открыл Эванс, а другой, известный как сверхновые типа Iа, важен для астрономии, поскольку сверхновые этого типа взрываются всегда одинаково, имея одну и ту же критическую массу. Поэтому их можно использовать в качестве «стандартных свечей» — эталонов, измеряя яркость которых (а тем самым и относительные расстояния), можно определять скорость расширения Вселенной.

В 1987 году астрофизику Солу Перлмуттеру из Лоуренсовской лаборатории в Беркли, штат Калифорния, потребовалось больше сверхновых типа Iа, чем давали обычные визуальные наблюдения, и он задался целью найти более систематичный метод для их поиска. Перлмуттер разработал остроумную систему с использованием сложнейших компьютеров и приборов с зарядовой связью[43] — по существу, прекрасные цифровые фотокамеры. Тем самым поиск сверхновых был автоматизирован. Телескопы теперь могут делать тысячи снимков, давая возможность компьютеру отыскать характерные яркие точки, свидетельствующие о взрывах сверхновых.[44] За 5 лет с использованием новой технологии Перлмуттер с коллегами обнаружили в Беркли сорокдве сверхновых. Теперь даже любители находят сверхновые с помощью ПЗС-матриц. «С ПЗС можно направить телескоп в небо, а самому сидеть у телевизора, — с долей тревоги говорил Эванс. — Это уничтожает всю романтику этого занятия».

Я спросил, не испытывает ли он соблазна взять на вооружение новую технику. «О нет, — ответил он. — Я слишком люблю работать по-своему. Кроме того, — он кивнул на снимок своей последней сверхновой и улыбнулся, — иногда мне все же удается их обойти».[45]

Естественно, возникает вопрос: что будет, если звезда взорвется поблизости? Как мы уже знаем, наша ближайшая звездная соседка альфа Центавра находится в 4,3 светового года от нас. Я представил себе, что если бы произошел взрыв, то у нас было бы 4,3 года, чтобы следить, как свет этого величественного явления разливается по небу, словно выплеснувшись из гигантского бидона. Что будет, если придется четыре года и четыре месяца наблюдать надвигающийся на нас роковой конец, зная, что, когда он наступит, от нас ничего не останется? Будут ли люди по-прежнему ходить на работу? Будут ли фермеры выращивать урожай? Будет ли кто-нибудь доставлять его в магазины?

Много недель спустя в Нью-Гэмпшире, в городке, где я тогда жил, я задал эти вопросы астроному из Дартмутского колледжа Джону Торстенсену. «О нет, — рассмеялся он. — Новость о таком событии распространяется со скоростью света, но с такой же скоростью распространяется и разрушительное действие, так что вы узнаете о ней и погибнете в один и тот же момент. Но не беспокойтесь, потому что этого не случится».

Чтобы волна взрыва сверхновой вас погубила, пояснил он, нужно, чтобы вы находились «смехотворно близко» — скажем, в пределах приблизительно десяти световых лет. «Опасность представляли бы различные виды излучений — космические лучи и тому подобное». Они вызвали бы поразительные полярные сияния, переливающиеся по всему небу занавесы призрачного света. К добру бы это не привело. Все, что в силах создать такое зрелище, может с тем же успехом смести магнитосферу — находящийся высоко над Землей магнитный пояс, который в обычных условиях защищает нас от ультрафиолетовых лучей[46] и других космических атак. Не будь магнитосферы, всякий, с кем случилось несчастье оказаться на открытом солнце, довольно скоро стал бы похож на подгоревшую пиццу.

Причина, по какой мы можем быть более или менее уверены в том, что такое не случится в нашем уголке Галактики, говорит Торстенсен, состоит в том, что для появления сверхновой прежде всего требуется определенный вид звезды. Претендующая на это звезда-кандидат должна быть раз в 10 или 20 массивнее нашего Солнца, а «у нас поблизости нет ничего нужных размеров. Вселенная, к счастью, достаточно большое место». Ближайшая возможная кандидатура, добавил он, это Бетельгейзе, чьи всевозможные выбросы и всплески на протяжении многих лет свидетельствуют о том, что там имеют место какие-то интересные неустойчивости. Однако Бетельгейзе находится от нас в 500 световых годах.

Лишь полдюжины раз в пределах документально засвидетельствованной истории сверхновые вспыхивали достаточно близко, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Один из этих взрывов в 1054 году привел к образованию Крабовидной туманности. Другой раз, в 1604 году, образовалась звезда настолько яркая, что ее три недели было видно днем. Самая последняя была в 1987 году, тогда сверхновая загорелась в районе космоса, известном как Большое Магелланово Облако,[47] но она была с трудом видна только в Южном полушарии и находилась от нас на вполне надежном расстоянии в 169 тысяч световых лет.

Сверхновые имеют для нас принципиальное значение и еще в одном важном смысле. Без них нас бы здесь не было. Вспомните о космологической загадке, которой заканчивается первая глава, — о том, что Большой Взрыв привел к обилию легких газов, но не тяжелых элементов. Последние появились позже, но долгое время никто не представлял, как это произошло. Дело в том, что требуется нечто действительно жаркое — даже жарче середины самых горячих звезд, — чтобы выковать углерод, железо и другие элементы, без которых мы были бы, к великому нашему огорчению, абсолютно бесплотны. Объяснение пришло в виде сверхновых, и додумался до этого один английский космолог, во многом похожий по своим манерам на Фрица Цвикки.

Им был йоркширец по имени Фред Хойл. Журнал Nature[48] в некрологе (он умер в 2001 году) называет Хойла «космологом и полемистом», и он действительно был тем и другим. Он, говорилось в некрологе, «большую часть жизни был вовлечен в споры» и «ставил свою подпись под всяческой чепухой». Например, он утверждал, без каких-либо доказательств, что хранимый как сокровище в Музее естественной истории ископаемый археоптерикс является подделкой вроде пилтдаунской мистификации,[49] к великому гневу музейных палеонтологов, которым пришлось много дней отбиваться от телефонных звонков газетчиков со всего мира. Он также считал, что на Землю из космоса была занесена не только жизнь, но и множество болезней, таких как грипп и бубонная чума, а однажды высказывал предположение, что в процессе эволюции у людей появился выступающий вперед нос с обращенными вниз ноздрями, чтобы в него не падали космические патогенные организмы.

Именно он, будучи в игривом настроении во время радиопередачи в 1952 году, придумал термин «Большой Взрыв». Он отмечал, что наши физические представления никак не могут объяснить, почему все сущее, собранное в точку, должно так внезапно и эффектно начать расширяться. Хойл предпочитал теорию стационарного состояния, по которой Вселенная постоянно расширяется и по мере расширения непрерывно создает новую материю. Он также понимал, что если звезда катастрофически сжимается, то она высвобождает огромное количество тепла, разогревшись до 100 млн градусов и даже больше, а этого достаточно, чтобы запустить образование тяжелых элементов — процесс, называемый нуклеосинтезом.[50] В 1957 году, работая совместно с другими учеными, Хойл показал, как во время взрывов сверхновых образуются тяжелые элементы. За эту работу один из сотрудничавших с ним ученых, У. А. Фаулер, получил Нобелевскую премию. А Хойл, к нашему общему стыду, не получил.

Согласно теории Хойла, взрывающаяся звезда выделяет достаточно энергии для создания всех новых элементов и распыления их в космосе, где они образуют газовые облака — межзвездную среду, которая в конечном счете конденсируется в новые солнечные системы. С появлением этих новых теоретических выкладок стало наконец возможным создать правдоподобный сценарий нашего появления здесь. Теперь считается, что мы знаем следующее.

Около 4,6 млрд лет назад в том месте космического пространства, где мы сейчас находимся, образовался и стал сжиматься огромный вихрь газа и пыли поперечником 24 млрд км. Почти всё — 99,9 % массы Солнечной системы — ушло на создание Солнца. Из оставшегося свободно плавать вещества две микроскопические частицы сошлись достаточно близко, чтобы быть притянутыми друг к другу электростатическими силами. Это был момент зачатия нашей планеты. То же самое происходило по всей зарождающейся Солнечной системе. Сталкивавшиеся частицы пыли образовывали все более крупные комки. В конце концов комья выросли до таких размеров, чтобы называться планетезималями. Без конца сталкиваясь друг с другом, они распадались на части и вновь соединялись в самых разнообразных сочетаниях, но в каждом столкновении был победитель, и некоторые из них становились достаточно большими, чтобы господствовать на той орбите, по которой они двигались.

Все это произошло удивительно быстро. Чтобы крошечное скопление частиц выросло в зародыш планеты поперечником в сотни километров, потребовалось лишь несколько десятков тысяч лет. Всего за двести миллионов лет, а возможно, и быстрее, Земля, по сути, полностью сформировалась, хотя и находилась еще в расплавленном состоянии, подвергалась непрерывной бомбардировке плавающими кругом остатками строительного мусора.

В этот момент, примерно 4,4 млрд лет назад, с Землей столкнулся объект размером с Марс, выбросив достаточно вещества для создания сопутствующего шара — Луны. Полагают, что выброшенное вещество за несколько недель собралось в один рыхлый ком, а за год сформировалось в сферическое каменное тело, которое с тех пор и сопровождает нас. Большая часть лунного вещества происходит из внешних слоев Земли, а не из ядра, поэтому на Луне так мало железа, тогда как у нас его много. Кстати, эту теорию всегда преподносят чуть ли не как самую новую, тогда как на самом деле она была впервые выдвинута Реджинальдом Дейли в Гарварде в 1940-х годах. Единственное действительно новое тут — это люди, которые уделяют ей какое-то внимание. Когда Земля была лишь около трети своих окончательных размеров, она, возможно, уже стала формировать атмосферу, главным образом из углекислого газа, азота, метана и серы. Вряд ли это те вещества, которые у нас ассоциируются с жизнью, и тем не менее именно из этого ядовитого варева образовалась жизнь. Углекислый газ обладает мощными парниковыми свойствами. Это оказалось очень кстати, потому что в то далекое время Солнце светило значительно слабее. Не будь парникового эффекта, Земля вполне могла постоянно оставаться замерзшей, и жизни, возможно, было бы просто не за что зацепиться. Но, так или иначе, жизни это удалось.

В следующие 500 млн лет юная Земля по-прежнему неослабно обстреливалась кометами, метеоритами и всякими другими космическими обломками, которые принесли воду, чтобы заполнить океаны, и компоненты, необходимые для успешного возникновения жизни. Окружающая среда была исключительно враждебна, но жизнь каким-то образом развивалась. Крошечный комочек химических веществ дернулся и ожил.

4 млрд лет спустя люди стали задавать вопросы, как все это произошло. Об этом и пойдет дальше наш рассказ.