В Образовательном центре «Сириус» с рассказами о черных дырах, атомах звезд и Вселенной выступил Сергей Анатольевич Ламзин, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова, доктор физико-математических наук. В первой лекции он поведал слушателям о… Сириусе, планетах Солнечной системы, зародышах звезд и судьбах галактик.
Совиные звезды, собачьи каникулы
Лекция началась с того, что участникам ближе всего: с созвездия Большого Пса. Нет, не потому, что звезды в его составе территориально приближены к Солнцу, а потому, что самая яркая из них носит название Сириус (от греческого «Seirios» – «ярко горящий» или «пылающий»). А вот у римлян она известна как Canicula – «маленькая собачка». От этого слова и пошло слово «каникулы» – буквально «собачьи дни». Так называли дни, когда Сириус становился виден в лучах восходящего солнца (что как раз и происходило летом, в период с 22 июля по 23 августа).
Гораздо позже, в 1844 году, немецкий математик и астроном Фридрих Бессель, ученик самого Гаусса, предложит объяснение для еще одного свойства звезды – непонятных «вихляний» в его траектории. По мнению Бесселя, отклонения в движении Сириуса вызывает небольшая и неяркая звезда-компаньон, гравитация которой и заставляет Сириус вести себя так странно. Поначалу ему не поверили, но менее чем через 20 лет открытие «на кончике пера» было подтверждено. Звезда-компаньон оказалась белым карликом размером примерно с Землю, а по массе почти равным Солнцу. «Собачий» спутник Сириус B получил второе название Щенок.
Ученый показал гипотетическую картину ночного неба глазами совы: поскольку у этого животного глаза больше наших и адаптированы к темноте, оно должно ярче и четче видеть звезды. Подобная возможность у людей появилась около 400 лет назад, когда Галилео Галилей изобрел телескоп. Этот маленький шаг открыл большой путь для человечества, позволив узнать намного больше о планетах Солнечной системы и заглянуть дальше. Теперь, благодаря телескопам и аппаратам, мы можем видеть спутники планет, углекислотные снега на Марсе, дневные полярные сияния и кольца Юпитера, структуру колец Сатурна, увидеть систему Плутона с его спутниками, большим Хароном и четырьмя поменьше – Никтой, Гидрой, Стиксом и Кербером.
Космические масштабы
Размер Солнечной системы – целые световые сутки. Если свет от Солнца до Земли идет 8,5 минут, то его путь с одного конца нашей системы до другого займет примерно 24 часа. На ее задворках, за орбитой Нептуна, находится пояс Койпера, состоящий из астероидов и комет, и (предположительно) гигантский сферический «пузырь» из комет – Облако Оорта.
В отличие от «каменных» и металлических астероидов (например, объектов Пояса астероидов между Марсом и Юпитером), кометы – глыбы запыленного льда. В них может содержаться замерзшая углекислота, аммиак, даже органические молекулы (как показал анализ миссией «Розетта» образцов с кометы Чурюмова-Герасименко, когда Европейское космическое агентство совершило первую в истории человечества посадку аппарата на комету). Тунгусский метеорит, согласно довольно правдоподобной версии, тоже был кометой: это объясняет и его взрыв в атмосфере, еще до контакта с поверхностью нашей планеты, и отсутствие обломков.
Но космос за пределами планетных систем часто гораздо более пуст. Между звездами, пылевыми облаками и другими интересными объектами находятся большие пространства, заполненные лишь вакуумом. Мы ощущаем как «пустоту» окружающий воздух, однако на деле он заполнен частицами газов. Их плотность составляет 10^19 частиц на кубический сантиметр. В кубическом сантиметре межзвездного вещества будет всего одна частица.
Звездная колыбель
Однако не все поглощающие свет пятна среди ярко светящихся звезд и галактик представляют собой пустоту. Темные «прожилки» на фоне галактик (их можно различить и у Млечного Пути) на самом деле представляет газопылевые облака, состоящие из микронных частичек пыли, которые поглощают свет. Некоторые из них настолько темные, что могут выглядеть как «дыры» на небе, но их научное название – не черные дыры, а глобулы. Глобулы считают «зародышами» звезд.
Вся жизнь газопылевого облака – борьба противоречий. С одной стороны, газ хочет разлететься и занять как можно больший объем. С другой – гравитация тянет частицы к друг к другу. Баланс этих сил и держит глобулу вместе. Вращение облака вокруг своей оси создает центробежную силу, которая отвечает за сжатие облака. Как фигуристка, подняв руки вверх, может ускорить свое вращение, так и более сжатое облако будет вращаться быстрее.
Уменьшаясь в объеме, глобула медленно рождает звезду. Если движение слишком ускорится, облако разорвется на несколько частей, которые продолжат вращаться вокруг общего центра масс. Так появляются двойные звезды, как Сириус или Алголь. Однако это совсем не предел: Мицар (дзета Большой Медведицы), которая невооруженным глазом видится как двойная, на самом деле является шестерной (точнее, тройной двойной) звездой. А если пыли и газа останется еще, то вокруг звезды могут сформироваться и планеты.
Кстати, те же механизмы, по которым люди открывают небольшие незаметные звезды в системах, помогают искать и экзопланеты, которых на сегодня известно около 3500, причем у 614 звезд их более одной. По оценкам ученых, в нашей Галактике 100 млрд экзопланет, и примерно 3% из них сходны по размерам и массе с Землей. Примерно 1 млрд из этого числа находится в «зоне жизни» – на таком расстоянии от родной звезды, при котором может существовать вода в жидком виде. Правда, на воодушевленные вопросы о том, скоро ли переезд, ученый ответил: «Поэтому я верю, что где-нибудь на этих экзопланетах должна существовать разумная жизнь. Так что перед тем, как решать, куда переезжать, надо у хозяев спросить».
Светить – и никаких гвоздей?
Конечно, эволюция звезд на этом этапе не заканчивается. Вообще же у них есть два основных сценария жизни и «смерти». Если звезда небольшая, вроде нашего Солнца, со временем главное ее топливо (водород) будет заканчиваться, она станет переходить на гелий и раздуваться, и однажды резко разбухнет до гигантского размера, становясь красным гигантом. Так, Солнце через 4-5 миллиардов лет увеличит свой диаметр настолько, что захватит орбиты ближайших планет. Затем оно сбросит оболочку, а центральная часть сожмется, превратившись в белого карлика. Это будет маленькая звезда колоссальной плотности – один наперсток вещества белого карлика весит около тонны.
Второй сценарий подходит для больших, массивных звезд. Они тоже постепенно раздуваются, но под воздействием гравитации центральная область сжимается сильнее, порождая мощнейший взрыв. Для звезд с массой в 100 раз больше солнечной это будет означать, что их буквально разорвет в клочья. Если центральная часть сожмется еще сильнее, то целая масса Солнца будет сосредоточена в шарике диаметром всего 10 км, и звезда станет нейтронной. Плотность нейтронной звезды больше плотности белого карлика в сотни миллионов раз.
Но и это еще не предел: при более сильном сжатии звезда может превратиться в черную дыру. Сергей Анатольевич подбрасывает флешку: «Смотрите, она падает обратно. А если я подброшу ее со скоростью 11,2 км/с, со второй космической скоростью, то она улетит навсегда. Но это работает только на Земле. Чтобы преодолеть гравитацию Солнца, мне пришлось бы кидать со скоростью 617,7 км/с. Но есть и объекты, для которых даже скорость света недостаточна, чтобы преодолеть их притяжение. Образно говоря, объект, у которого вторая космическая скорость больше скорости света, это и есть черная дыра».
Черные дыры, белые пятна
Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах многих галактик, включая и нашу – Млечный Путь. Несмотря на это и многие другие сходства, галактики бывают самых разных форм и размеров. Скопления звезд могут быть дискообразными, эллиптическими, иметь или не иметь спиральные рукава или даже кольца, а также отличаться по количеству темных газопылевых облаков, а могут составлять клочковатую структуру неправильной формы. Большинство галактик, и наша в том числе, входит в небольшие группы, которые образуют скопления, объединяемые в сверхскопления. Поэтому крупномасштабная структура Вселенной предстает как чередование «нитей»-сверхскоплений с лежащими между ними пустотами.
Расстояние от нас до ближайших галактик (например, до Туманности Андромеды) измеряется в миллионах световых лет. Это означает, что мы видим их в прошлом – такими, какими они были миллионы лет назад. Сегодня астрономы знают, что галактики со временем становятся еще дальше друг от друга из-за расширения Вселенной. Наблюдая отдельные звезды в ближайших галактиках, Эдвин Хаббл сформулировал закон, описывающий эту закономерность.
Поначалу астрономам казалось, что все галактики разбегаются в разные стороны от нас. Чем дальше галактика от Млечного Пути, тем быстрее она удаляется. Однако попытки поместить человека в центр Вселенной, как всегда, не увенчались успехом. На самом деле галактики разлетаются не от нас, а друг от друга. «Берем шарик, на нем рисуем бегемота. Начинаем надувать шарик. Сядем на нос бегемота. Все точки бегемота будут от него удаляться. Сядем на хвост бегемота – все точки бегемота будут от него тоже удаляться», – привел аналогию лектор.
Но если все галактики убегают, то они, скорее всего, когда-то были вместе. Рассчитав скорость их удаления и используя данные о самых древних и дальних галактиках, которые мы видим с запаздыванием на миллиарды лет, ученые выстроили и развили теорию Большого взрыва, с которого началась наша Вселенная 13,8 миллиардов лет назад – и которым закончилась эта лекция.
