Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Тайсон

А теперь настал черед величайшей тайны мироздания: невскрытая жестяная банка диетической пепси-колы плавает в воде, а невскрытая жестяная банка обычной пепси-колы тонет.

Если удвоить количество стеклянных шариков в коробке, плотность их, само собой, останется прежней, поскольку удвоятся и масса, и объем, а в сочетании это не оказывает никакого воздействия на плотность. Однако во Вселенной есть объекты, сравнение плотности которых с их массой и объемом приводит к неожиданным результатам. Если бы у вас в коробке были мягкие пушистые перышки и вы удвоили их количество, те, что ближе ко дну, оказались бы примяты. Вы удвоили бы массу, но не объем, и в результате общая плотность увеличилась бы. Так ведут себя все сжимаемые тела под воздействием собственного веса. И атмосфера Земли – не исключение: половина всех ее молекул упакована в нижние пять километров у самой поверхности. Астрофизики недолюбливают земную атмосферу, она дурно влияет на качество наблюдательных данных, вот почему вы, наверно, частенько слышите, как мы сбегаем вести исследования высоко в горы, чтобы оставить как можно больше атмосферы внизу.

Атмосфера Земли кончается там, где она смешивается с крайне разреженным газом межпланетного пространства так, что и не отличишь. Обычно эта смешанная область лежит в нескольких тысячах километров над поверхностью Земли. Обратите внимание, что и космический шаттл, и телескоп имени Хаббла, и прочие спутники, которые вращаются по орбите в пределах всего нескольких сотен километров над поверхностью Земли, рано или поздно свалились бы с орбиты из-за сопротивления остатков атмосферного воздуха, если бы периодически их не подпитывали энергией. Однако во время пиков солнечной активности, то есть каждые 11 лет, верхние слои земной атмосферы получают повышенную дозу солнечного излучения и от этого волей-неволей нагреваются и расширяются. В этот период атмосфера может раздаться на лишние полторы тысячи километров в космос, и спутники на ближних орбитах станут тормозиться и снижаться сильнее обычного.

Пока в лабораториях не научились создавать вакуум, ближе всего к пустоте был просто воздух – ничего другого никто и вообразить не мог. Воздух вместе с землей, огнем и водой входил в число четырех аристотелевых стихий – составляющих всего известного мира. Была, правда, и пятая стихия – ее называли квинтэссенцией, то есть «пятой сущностью». Предполагалось, что эта потусторонняя разреженная стихия, легче воды и эфирнее огня, составляет ткань небес. Очень изысканно.

Искать разреженные среды не обязательно на небесах. Достаточно верхних слоев атмосферы. На уровне моря воздух давит с силой примерно в 1,013 кг на квадратный сантиметр. Так что если вы возьмете малюсенькую формочку для печенья и вырежете из атмосферы столб толщиной в квадратный сантиметр и высотой во всю атмосферу от уровня моря, а потом взвесите этот столб на весах, окажется, что этот столб весит всего 1,013 кило. Для сравнения, колонна воды с сечением в квадратный сантиметр будет весить 1,013 кило при высоте всего чуть больше 10 метров. На горных вершинах и на самолетах высоко в небе эта вырезанная колонна воздуха становится короче и поэтому меньше весит. На вершине Мауна-Кеа, гавайского вулкана высотой в 4200 метров, где обретаются самые мощные телескопы на свете, давление падает до 704 граммов на квадратный сантиметр. Когда астрофизики ведут там наблюдения, они время от времени прикладываются к кислородным баллонам, чтобы сохранить ясность мысли.

Выше 150 километров, где астрофизики не водятся, воздух так разрежен, что молекулы газа пробегают достаточно большие расстояния, прежде чем столкнутся друг с другом. Если между столкновениями в молекулу попадет прилетевшая из космоса частица, молекула на время перейдет в возбужденное состояние и до следующего столкновения будет излучать уникальный спектр. Если попадающие в молекулу частицы – это составляющие солнечного ветра, например протоны и электроны, то в результате излучения получаются колеблющиеся завесы света, которые мы называем северным сиянием. Когда ученые только начали изучать спектр северного сияния, оказалось, что у него нет аналогов, которые можно было получить в лабораторных условиях. И мы так и не могли установить личность сияющих молекул, пока мы не узнали, что во всем виноваты самые обычные молекулы кислорода и азота, просто в возбужденном состоянии. На уровне моря они сталкиваются друг с другом так часто, что избыток энергии поглощается задолго до того, как у молекулы появляется возможность испустить собственный свет.

Загадочный свет порождают отнюдь не только верхние слои земной атмосферы. Астрофизики долго не могли разобраться в некоторых спектральных особенностях короны Солнца. Корона – крайне разреженная – это тот самый прекрасный пылающий ореол вокруг Солнца, который видно во время полного солнечного затмения. Новооткрытую черту приписали еще не открытому элементу, которому дали условное название «короний». И лишь когда мы узнали, что солнечная корона раскалена до миллионов градусов, мы выяснили, что загадочный элемент – это всего-навсего сильно ионизированное железо, просто раньше мы не видели его в таком состоянии, когда большинство электронов из его оболочки вырвались и свободно двигаются в газе.

Разреженными обычно называют именно газы, однако я позволю себе смелость применить его к знаменитому поясу астероидов в Солнечной системе. Из кино и других повествований можно заключить, что это место опасное, где постоянно рискуешь столкнуться лоб в лоб с булыжниками размером с дом. Каков же настоящий рецепт пояса астероидов? Возьмите всего 2,5 % массы Луны (которая сама по себе составляет 1/81 массы Земли), растолките на тысячи обломков разного размера, однако сделайте так, чтобы три четверти всей массы были сосредоточены всего в четырех астероидах. Теперь распределите получившиеся крошки по поясу шириной в 150 миллионов километров, который тянется по траектории длиной примерно в 2,5 миллиарда километров вокруг Солнца.

Хвосты комет при всей своей скудности и разреженности превышают по плотности окружающую межпланетную среду в тысячу раз. Хвост кометы отражает солнечный свет и испускает поглощенную энергию Солнца – и благодаря этому виден на удивление хорошо, если учесть, что состоит он практически из ничего. Отцом современной науки о кометах по праву считается Фред Уиппл из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. По его лаконичному выражению, хвост кометы – это максимум, что можно сделать из минимума.

И в самом деле, если весь объем кометного хвоста длиной в 80 миллионов километров сжать до плотности обычного воздуха, весь газ из кометы займет объем куба со стороной меньше километра. Когда в составе комет открыли очень часто упоминаемый в астрономии, однако смертельно ядовитый газ циан (CN), а после этого стало известно, что в 1910 году Земле предстоит пройти сквозь хвост кометы Галлея во время ее очередного визита в Солнечную систему, легковерная публика массово скупала у шарлатанов от фармакологии противокометные пилюли.

Недра Солнца, где генерируется вся термоядерная энергия, – не то место, где можно найти вещество с низкой плотностью. Однако само ядро составляет всего 1 % от объема Солнца. Средняя плотность всего Солнца составляет всего четверть плотности Земли и лишь на 40 % плотнее обычной воды. То есть чайная ложка солнечного вещества утонет у вас в ванне, но не очень быстро. Тем не менее, за ближайшие 5 миллиардов лет ядро Солнца пережжет почти весь свой водород в гелий, а вскоре после этого начнет пережигать гелий в углерод. Яркость Солнца будет при этом увеличиваться в тысячи раз, а температура на поверхности упадет до половины нынешней. Законы физики учат нас, что тело может светиться ярче и при этом остывать только в одном случае – если оно увеличится в размерах. Как мы увидим в части V, в конце концов Солнце раздуется в исполинский шар разреженного газа, который захватит пространство далеко за орбитой Земли, а средняя плотность Солнца упадет при этом меньше чем до одной десятимиллиардной нынешнего значения. Океаны и атмосфера Земли к тому времени, конечно, испарятся в космос, все живое тоже, однако нас это тревожить не должно. Внешняя атмосфера Солнца, пусть и разреженная, будет тормозить движение Земли по орбите и вынудит нас мало-помалу устремиться по спирали к гибели в термоядерном котле.

Мы уже заглядываем за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство. Человечество отправило туда четыре космических аппарата, скорости которых хватит для подобного путешествия: это «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Самый быстрый из них – «Вояджер-2» – примерно за 25 000 лет улетит на расстояние, равное расстоянию до ближайшей к Солнцу звезды.