Страница:
До этой эпохи разлетались только галактики, размеры которых сравнительно мало менялись, так что расстояния между звездами были такими же, как в нашу эпоху, т. е. несколько световых лет. Теперь же расстояния между соседними звездами будут в начале этой эпохи превышать много мегапарсек и дальше будут неограниченно расти. Расстояния между соседними звездами станут превосходить нынешние расстояния до квазаров, исчисляемые миллиардами парсек. Если учесть, что к тому времени все звезды будут белыми карликами весьма низкой светимости, то на воображаемом небосклоне какого-нибудь ничтожного такого карлика никаких светил ни в какой телескоп обнаружить будет нельзя. До чего же эти звезды будут изолированы - страшно даже представить. И какая там будет царить черная ночь...
Переходя к неизмеримо более удаленному будущему, мы должны учитывать качественно новые изменения в самой структуре материи. Прежде всего, нельзя исключить возможность того, что с материей могут произойти "крупные неприятности". Дело в том, что нельзя гарантировать стабильность протонов основных "кирпичей", из которых построена вся материя. Существующие экспериментальные данные гарантируют, что период радиоактивного распада протона во всяком случае превышает 1030 лет. Но где гарантия, что протон останется стабильным в течение неизмеримо больших промежутков времени? Существуют, например, теории, согласно которым протоны самопроизвольно распадаются на Y-кванты и нейтрино за время ~ 1032 лет. Сейчас уже планируются эксперименты, имеющие целью обнаружить самопроизвольный распад протонов. Если эти эксперименты дадут положительный результат, то Вселенная через ~ 1032 лет будет представлять совокупность разлетающихся квантов и нейтрино с непрерывно убывающей (по мере расширения Вселенной) энергией. Хочется, однако, верить (сейчас речь может идти только о вере), что протон абсолютно стабильная частица и такой мало интересный финал нашей Вселенной не угрожает...
Имеется еще одна серьезная проблема: где гарантия того, что законы природы, действующие во Вселенной в современную эпоху, будут действовать в чудовищно отдаленном будущем? Гарантий, конечно, нет, но обнадеживающее обстоятельство все же имеется. Одним из удивительнейших открытий последних десятилетий является обнаружение естественного уранового реактора в Габоне (Западная Африка). По причине высокого уровня выделения нейтронов за последние пару миллиардов лет изотопный состав в окрестных минералах там сильно изменен. И вот оказывается, что из анализа относительного содержания изотопов самария следует, что в этих ядрах баланс электромагнитных и ядерных сил поддерживается на постоянном уровне по крайней мере миллиарды лет! Это и доказывает неизменность законов природы но крайней мере в течение миллиардов лет!
Итак, для дальнейшего анализа мы будем придерживаться гипотез об абсолютной стабильности протонов и неизменности законов природы. В таком случае следует считаться с тем, что через ~ 1065 лет любое твердое тело становится даже при абсолютном нуле жидким. Значит, все остывшие белые карлики, некогда бывшие звездами - "хорошими и разными", станут сферическими жидкими каплями! Еще через чудовищный промежуток времени ~ 101500(!) лет любое вещество становится радиоактивным. Дело в том, что за такие промежутки времени легкие ядра будут "сливаться" в более тяжелые, а тяжелые станут делиться. В результате этих процессов все жидкие капли - бывшие звезды - станут железными.
Но что произойдет с другой компонентой Вселенной - бывшими массивными звездами и ядрами галактик, ставшими черными дырами? Для дальнейшего анализа очень существен вывод, полученный несколько лет тому назад выдающимся английским теоретиком Хокингом. Он показал, что черные дыры отнюдь не являются "вечными образованиями" (как это считалось раньше). Через промежутки времени, пропорциональные кубам их масс, они "испаряются", излучая электромагнитные волны с длиной порядка размеров черной дыры. Например, черная дыра с массой, равной 10 солнечным массам (что близко к массе подозреваемой черной дыры Лебедь X-1) "испарится" через 1067 лет, излучая радиоволны длиной около 30 км. А сверхмассивная черная дыра (M ? 109 M? - бывшее ядро какой-нибудь галактики) испарится через 1091 лет, излучая сверхдлинные волны длиной порядка десяти астрономических единиц. Итак, все черные дыры - "звездные" и "ядерно-галактические" в конце концов превратятся в сверхдлинноволновое электромагнитное излучение. Останутся от Вселенной только плотные, жидкие, холодные железные капли. Но это еще не все! Оказывается, что когда истечет больше, чем 1010000000000000000000000000 (!!!) лет, эти железные капли превратятся либо в нейтронные звезды (которые потом превратятся в черные дыры), либо прямо в черные дыры. Последние же, практически мгновенно (всего за "какие-нибудь" 1067 лет), испарятся.
Итак, в открытой модели, при всех вариантах (даже если протон нестабилен!) в конечном итоге Вселенная превратится в совокупность разлетающихся сверхдлинноволновых квантов, а также нейтрино малых энергий. Остается только утешаться тем, что это будет, мягко выражаясь, ох, как не скоро! Имеется огромное количество проблем, неизмеримо более актуальных, от решения которых зависит будущее человечества и его отдельных представителей. Все же согласитесь, любопытно знать, что будет со Вселенной в необозримо далеком будущем. Такова уж природа человека...
В заключение этой главы остановимся на очень интересном и, по-видимому, важном вопросе о соотношениях между "мировыми константами" макро- и микромиров. Мы увидим, что для интересующей нас проблемы жизни во Вселенной эти соотношения играют решающую роль.
Из современной физики известно, что все закономерности мира управляются четырьмя типами взаимодействий: 1) электромагнитными, 2) гравитационными, 3) слабыми и 4) сильными. Первый тип взаимодействия определяет структуру атомов, а следовательно, описывает всю картину явлений в химии и физике (за исключением ядерных процессов). Он характеризуется "константой взаимодействия" - зарядом электрона e, связанной с известной безразмерной постоянной тонкой структуры
? = e2 / hc ? 1/137
(h = h / 2 ? - постоянная Планка, c - скорость света).
Гравитационное взаимодействие достаточно массивных тел имеет решающее значение для планетной, галактической и метагалактической астрономии. Оно может характеризоваться своей константой взаимодействия - гравитационной постоянной G и связанной с ней безразмерной
?G = Gm2p / hc ? 5 10-39.
Сильные взаимодействия доминируют в области атомных ядер и элементарных частиц, в то время как слабые описывают такие процессы, как ?-радиоактивность. Для сильных и слабых взаимодействий также можно ввести свои константы взаимодействия, по смыслу аналогичные ?. Они обозначаются как ?G и ?W и имеют определенные значения.
Несомненно, приведенная выше классификация взаимодействий отражает современный уровень физической науки. Вполне возможно, что в будущем (может быть, и недалеком) взаимодействия будут либо полностью объединены, либо их останется меньше. (Это означает, что между константами взаимодействия может быть какая-то связь.) Но это обстоятельство не должно уменьшить наше удивление тому факту, что между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то странная зависимость. Например,
Rb ? C t0 ? (? / ?G) ?0 , где
Rb и t0 - радиус и возраст Вселенной,
? = h / m0 c2 = 0,53 10-8 см - радиус первой орбиты боровской модели водородного атома.
Другими словами, отношение радиуса Вселенной (Rb,? 1028 см, так как возраст Вселенной t0 ? 1010 лет = 3 1017 секунд) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами!
Для объяснения этого удивительного обстоятельства знаменитый английский физик Дирак еще в 1937 г. предложил гипотезу, что гравитационная постоянная G меняется обратно пропорционально возрасту Вселенной t, в то время как остальные константы (c, h, e) остаются неизменными. Однако современные наблюдения метагалактических объектов исключают такую возможность.
Совершенно другую гипотезу развил в 1961 г. выдающийся американский физик и астроном Дике. Эту гипотезу по праву можно назвать "антропной". Суть ее состоит в следующем. Для того чтобы где-нибудь во Вселенной возникла жизнь, необходимо, чтобы были тяжелые элементы, которые образуются при вспышках сверхновых. Об этом мы уже говорили раньше (см. гл. 5). Но отсюда следует, что возраст познаваемой разумными наблюдателями Вселенной должен быть не меньше возраста звезд, вспыхивающих как сверхновые. Если масса последних ~ 1,5 солнечной (что соответствует сверхновой 1 типа - см. гл. 5), то этот возраст t порядка нескольких миллиардов лет. Из теории внутреннего строения и эволюции звезд можно получить соотношение:
t1 ? ?G-1 tp, где
tp ? rp / c ? 10-23 сек,
rp = h / mp c ? 10-13 см - радиус протона.
С другой стороны, возраст Вселенной (о не может быть много больше t1, так как в этом случае почти все звезды превратились бы в белые карлики и нейтронные звезды, о чем речь уже шла выше. Поскольку мы такой Вселенной не наблюдаем, то
t0 ~ t1 ? ?G-1 tp,
ct0 ? ?G-1 rp = ( ? / aG ) ?0.
Таким образом, соотношение между размерами Вселенной и атома есть простое следствие из условия наблюдаемости Вселенной разумными существами!
Между константами гравитационного и слабого взаимодействий имеется соотношение:
?G ? ?W 4, где
?W ? gm2e / h3.
Возможно, что, это соотношение также выражает "антропный" принцип. Как оказывается, это соотношение объясняет, почему во время первичного синтеза ядер, когда возраст Вселенной исчислялся немногими минутами, 25% всех образовавшихся ядер (по массе) были гелиевыми. Если бы ?W было чуточку меньше, все образовавшиеся ядра были бы гелиевыми. В такой "гелиевой" Вселенной жизнь, конечно, невозможна (например, не было бы воды). С другой стороны, если бы ?W было бы чуточку больше, гелия во Вселенной не было бы совсем и эволюция звезд шла бы совсем по-другому. Небезынтересно также отметить, что если бы ?W даже незначительно отличалось от своего наблюдаемого значения, не было бы вспышек сверхновых, так как условия взаимодействия нейтрино с веществом были бы совершенно другими.
Остановимся теперь на другом обстоятельстве. Выше мы уже отмечали, что во Вселенной на каждые S ? 108 фотонов приходится один протон. Ни физика, ни космология не дают объяснения этому надежно установленному факту. И вот выясняется, что "антропный" принцип ограничивает значение S. Оказывается, это предельное значение S ? ?G-1/4 ? 109. В противном случае ни галактики, ни звезды не могли бы образоваться путем конденсации газа под действием силы тяготения.
Для возникновения где-нибудь во Вселенной жизни, как оказывается, решающее значение имеют соотношения между массами элементарных частиц. Отношения масс элементарных частиц удивительным образом связаны с константами сильного и электромагнитного взаимодействий. Например,
f 2 = 2mp / mn,
? = (mn - mp) / mn , где
f 2 = 15, mp и mn- массы нейтронов и ?-мезонов.
Если бы эти соотношения не выполнялись, в процессе нуклеосинтеза элементы, необходимые для жизни, не образовывались бы. Следовательно, эти соотношения могут также иметь "антропный" смысл. Заметим в этой связи, что условие me << mp необходимо для образования сложных многоатомных молекул, являющихся основой жизни.
Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней жизни. Если бы, например, первичный набор масс элементарных частиц, формировавшийся в первые секунды после "Большого Взрыва", был бы другой (а это, в принципе, в тех условиях вполне было возможно!). Вселенная была бы совсем другой и уже во всяком случае безжизненной. Точно так же решающее значение имеет и первичная удельная энтропия вещества Вселенной, определяемая величиной S (см. выше).
Вопрос о том, существуют ли другие Вселенные, представляется отнюдь не праздным. Современная наука не в состоянии даже подойти к этой проблеме. Пока сделаны только первые попытки к первому шагу в этом фантастически трансцендентном направлении. Мы имеем в виду чисто абстрактные конструкции американцев Уиллера и Эверетта. Последний пытался связать этот вопрос с фундаментальной для квантовой механики проблемой измерений. Согласно Эверетту при каждом таком измерении Вселенная "разветвляется" на ряд параллельных Вселенных, каждая из которых соответствует определенному результату измерений. Пока это, конечно, игра ума. Но - кто знает, чем такая игра кончится? Не является ли идея Эверетта "безумной" в высоком "Боровском" смысле этого слова? Придется, увы, подождать, по крайней мере до XXI века... А пока, вместе с Вольтеровским Панглосом мы имеем все основания считать, что живем в лучшем из миров, так как практически все "Вселенные Эверетта" должны быть "мертворожденными". Как же мог Вольтер предвидеть такую ситуацию?..
Необходимо подчеркнуть следующее обстоятельство. До последнего времени молчаливо принималось, что возникновение и развитие жизни на Земле есть строго локальный феномен. Другими словами, в возникновении и эволюции жизни на Земле Галактика и Метагалактика никакой роли не играют. (Если, конечно, не говорить о гипотезе панспермии). Считалось, что если бы ничего, кроме Солнечной системы, во Вселенной не было, жизнь развивалась так, как мы это знаем. Предполагалось, что Солнечная система изолирована. Теперь ясно, что это не так. Вся эволюция Вселенной от момента ее возникновения при "Большом Взрыве" как бы подготовила возникновение в отдельных ее малых частях очагов жизни. Нельзя понять возникновение и эволюцию жизни на Земле без понимания процесса возникновения и развития всей Вселенной.
8. Кратные звездные системы
В гл. 2 мы рассматривали некоторые основные характеристики звезд: диаметр, светимость, цвет и др. К этим характеристикам следует добавить еще одну кратность. Значительное число звезд (от 30 до 50 %) образует двойные, тройные и другие кратные системы. Явление кратности, очевидно, является фундаментальным свойством огромного количества звезд.
Наблюдается большое разнообразие свойств кратных систем. В ряде случаев звезды, образующие систему (или, как говорят астрономы, "компоненты системы"), находятся на довольно большом расстоянии (рис. 35, не сканировался). Систематические наблюдения позволяют установить орбитальное движение таких звезд друг относительно друга.
На рис. 36 приведены последовательные положения одной из компонент двойной системы ? Большой Медведицы относительно другой. Периоды обращения в отдельных случаях меняются от нескольких лет до тысячелетий. Применение известных законов небесной механики позволяет делать оценки масс звезд.
В большом числе случаев, однако, компоненты двойных систем расположены настолько близко, что их нельзя наблюдать раздельно; при таком положении двойственность системы доказывается спектральными наблюдениями. Благодаря орбитальному движению звезд друг относительно друга их скорости по лучу зрения неодинаковы. Например, одна звезда может в данный момент к нам приближаться, другая - удаляться. Из-за эффекта Доплера это приведет к небольшому сдвигу спектральных линий одной звезды относительно соответствующих линий другой. Так как из-за орбитального движения скорости по лучу зрения периодически меняются (очевидно, период изменения скоростей равен периоду обращения одной звезды относительно другой.), то и смещение соответствующих линий тоже будет периодически меняться. Систематически наблюдая такое смещение и установив его зависимость от времени, можно совершенно надежно вычислить основные характеристики орбиты и получить некоторое представление о массах компонент тесной двойной системы. Такие тесные двойные системы называются астрономами "спектрально-двойными".
В тех сравнительно редких случаях, когда плоскость орбиты тесной пары звезд образует небольшой угол с лучом зрения, можно наблюдать как бы "затмение" одной звезды другой. Так как обе компоненты такой системы раздельно не видны ни в один даже самый мощный телескоп, то во время такого "затмения" можно наблюдать только уменьшение блеска звезды. Когда затмение кончается (обычно оно длится несколько часов), звезда восстанавливает свой первоначальный блеск. Построив по возможности точную зависимость блеска звезды от времени (так называемую "кривую блеска" звезды), можно совершенно уверенно определить не только основные параметры орбиты, но и диаметры звезд и даже установить, как спадает яркость их дисков от центра к краю. Схема орбиты затменной переменной звезды Алголь и соответствующая ей кривая блеска приведены на рис. 37.
Компоненты спектрально-двойных и затменных переменных звезд бывают расположены очень близко друг к другу - иногда они почти соприкасаются своими поверхностями. В таких случаях наблюдаются интересные и сложные явления вытекания материи из звезд, вызванные мощными приливными силами. Часто такие звезды погружены в общую протяженную, сильно разреженную газовую оболочку. Схема одной такой тесной пары приведена на рис. 38. Следует напомнить, что вся картина явления получается только из анализа спектров и блеска звезд. Разумеется, в телескопы изображения, подобные приведенному на рис. 38, никогда не наблюдаются; для этого недостаточна разрешающая способность даже самых крупных инструментов.
Периоды обращения тесных пар, как это следует из известного закона Кеплера и непосредственно подтверждается наблюдениями, очень малы. Самый короткий из известных периодов принадлежит затменной переменной AM Гончих Псов. Он близок к 18 мин.
Как уже упоминалось в гл. 5, весьма вероятно, что все так называемые "новые" звезды представляют собой очень тесные двойные системы. Несколько таких звезд, согласно наблюдениям, являются затменными переменными. Оказывается, наличие "звезды-соседки", расположенной слишком близко, "мешает" нормальной эволюции звезды, в частности, переходу ее в стадию красного гиганта (см. ниже). При этом может возникнуть некоторая неустойчивость, приводящая к регулярно повторяющимся (через сотни и тысячи лет) вспышкам. Во время таких вспышек светимость новых хотя и велика, но в тысячи раз меньше, чем у сверхновых. Масса газа, выбрасываемого при каждой вспышке, составляет 10-3-10-5 массы Солнца.
Массы компонент двойной системы (в тех случаях, когда их можно найти порознь, а это возможно далеко не всегда) обычно меняются не в очень широких пределах. Часто массы их почти одинаковы или, во всяком случае, близки. Бывает, однако, и так, что масса одной компоненты в 10 раз меньше другой, а светимости отличаются в тысячи раз и более. Среди компонент двойных систем наблюдаются белые карлики. Примером может служить спутник Сириуса. Для интересующей нас проблемы особое значение имеет тот факт, что некоторые компоненты кратных систем обладают настолько малой массой, что их светимость совершенно ничтожна. Их нельзя наблюдать ни в какие телескопы, хотя они иногда находятся на довольно значительном расстоянии от "главной" массивной и яркой звезды. В таких случаях говорят о "невидимых спутниках" звезд. Классическим примером такой системы является одна из ближайших к нам звезд 61 Лебедя, особенно тщательно исследовавшаяся пулковским астрономом А. Н. Дейчем. Факт двойственности у этих звезд устанавливается путем изучения ничтожно малых периодических колебаний в движении главной звезды. Излишне подчеркивать, что такие наблюдения требуют большой точности и тщательности. В настоящее время известно уже несколько "невидимых" спутников. Их массы очень малы, приблизительно 0,01 солнечной массы, что всего лишь в 10 раз превышает массу планеты-гиганта Юпитера! И все же такие небесные тела являются звездами, т. е. самосветящимися газовыми шарами, а не холодными планетами, светящими (в видимой части спектра) отраженными лучами звезды.
Впрочем, следует подчеркнуть, что разница между планетами-гигантами и невидимыми спутниками звезд не принципиальна. Во-первых, химический состав у них должен быть сходен; как те, так и другие состоят в основном из водорода и гелия. В последние годы на орбитальных станциях обнаружено много "рентгеновских звезд", оказавшихся тесными двойными системами (см. ниже). Если бы масса Юпитера была раз в 10 больше, температура в его центральных частях повысилась бы настолько, что он стал бы излучать (хотя и слабо) в видимой части спектра. Юпитер стал бы весьма слабой звездой - красным карликом с температурой поверхности 1-2 тыс. К.
Обращает на себя внимание большая распространенность невидимых спутников звезд. Так как условия их наблюдений очень трудны, они могут быть обнаружены только у очень близких к нам звезд. И вот оказывается, что в сфере радиусом в 10 пк, окружающей Солнце, из 53 звезд 5 имеют невидимые спутники! Вполне естественно возникает вопрос: не имеются ли у некоторых звезд еще меньших размеров спутники, которые в силу своей относительно ничтожно малой массы не вызывают заметных колебаний в движении этих звезд? Но такие "ультраневидимые" спутники уже не отличаются практически от больших планет типа Юпитера и Сатурна. Тем самым мы подходим к основному вопросу: имеются ли основания полагать, что у многих звезд существуют планетные системы, в той или иной степени напоминающие нашу?
К этой центральной проблеме мы вернемся в следующей главе. Здесь же мы рассмотрим более узкий вопрос: можно ли в настоящее время средствами современной наблюдательной астрономии доказать наличие планет у ближайших к нам звезд? Ограничим рассмотрение только большими планетами-гигантами. Ясно, что если, например, в настоящее время не существует возможности наблюдать даже около самых близких к нам звезд большие планеты, то не может быть и речи о непосредственных наблюдениях, особенно интересных для нас планет типа Земли или Марса.
Допустим, что на расстоянии 10 пк от нас (около 33 световых лет) находится звезда, похожая на Солнце. Вокруг этой звезды на таком же расстоянии, что и Юпитер от Солнца (в 5,2 большем, чем расстояние от Солнца до Земли), обращается планета-гигант. Пусть эта планета будет "двойником" Юпитера, т. е. имеет такие же размеры и массу. Предположим еще, что мы находимся почти точно в плоскости орбиты этой планеты. В принципе обнаружить наличие такой планеты около звезды можно тремя способами (рис. 39). Первый из них заключается в следующем. Очень медленное прямолинейное перемещение звезды по небу, обусловленное ее движением относительно Солнца, должно дополняться "волновыми" колебаниям. (Такое перемещение называется "собственным движением" звезды. Для близких звезд оно достигает нескольких секунд дуги в год. Период "волны" будет, очевидно, равен периоду движения планеты, т. е. в нашем случае 11,9 года.
Такое "волновое" движение объясняется тем, что звезда из-за притяжения планетой движется по эллиптической орбите вокруг общего центра тяжести звезды и планеты. Это орбитальное движение складывается с пространственным движением. Так как масса звезды в 1000 раз больше, чем масса планеты, центр масс системы находится близко от центра звезды. Поэтому амплитуда "волны" в собственном движении звезды очень невелика.
Расчеты, выполненные в свое время известным американским астрономом О. Л. Струве, показывают, что отклонение собственного движения от прямолинейного не превышает 0,0005 сек. дуги в год, т. е. ничтожно мало и находится за пределами точности современных астрономических наблюдений. Заметим, что, если бы масса спутника звезды была в 10-20 раз больше, чем у Юпитера, такие колебания в собственном движении уже можно было бы (правда, с трудом) обнаружить. Именно этим способом были открыты и изучаются невидимые спутники некоторых близких звезд, о которых шла речь.
Другой способ - спектроскопический. Движение звезды по орбите вокруг центра масс системы "звезда - планета" должно вызывать периодические колебания составляющей скорости звезды по лучу зрения. В самом деле, легко убедиться, что будут такие промежутки времени, когда орбитальная скорость направлена к нам и от нас. Период колебаний лучевых скоростей должен быть равен периоду обращения планеты. Однако этот эффект ничтожно мал. Расчет О. Л. Струве показывает, что периодические изменения лучевой скорости звезды не превышают 10 м/с, что составляет примерно тысячную долю полной лучевой скорости звезды. Скорости 10 м/с соответствует смещение длины волны спектральной линии примерно на 0,0001? (напомним, что 1 ? = 10-8 см, а длина волны видимого света лежит в пределах 4-7 тыс. ?). Такие ничтожно малые изменения длины волны измерить невозможно, особенно если учесть, что спектральные линии не бесконечно узки, а имеют конечную ширину порядка десятых долей ангстрема и больше.
Третий способ - фотометрический, т. е. сводится к систематическому, по возможности точному, измерению блеска звезды. Так как по условию земной наблюдатель находится в плоскости орбиты планеты, то периодически каждые 11,9 года планета будет проектироваться на диск звезды. Подобное явление наблюдается и в Солнечной системе. Мы имеем в виду прохождение планет Венеры и Меркурия по диску Солнца. Так как планета - темное, не самосветящееся тело, то в случае, когда она проектируется на звезду, некоторая (малая) часть диска последней будет закрыта. Поэтому блеск звезды будет несколько уменьшен. Это аналогично явлению затменных переменных звезд (см. рис. 37).
Переходя к неизмеримо более удаленному будущему, мы должны учитывать качественно новые изменения в самой структуре материи. Прежде всего, нельзя исключить возможность того, что с материей могут произойти "крупные неприятности". Дело в том, что нельзя гарантировать стабильность протонов основных "кирпичей", из которых построена вся материя. Существующие экспериментальные данные гарантируют, что период радиоактивного распада протона во всяком случае превышает 1030 лет. Но где гарантия, что протон останется стабильным в течение неизмеримо больших промежутков времени? Существуют, например, теории, согласно которым протоны самопроизвольно распадаются на Y-кванты и нейтрино за время ~ 1032 лет. Сейчас уже планируются эксперименты, имеющие целью обнаружить самопроизвольный распад протонов. Если эти эксперименты дадут положительный результат, то Вселенная через ~ 1032 лет будет представлять совокупность разлетающихся квантов и нейтрино с непрерывно убывающей (по мере расширения Вселенной) энергией. Хочется, однако, верить (сейчас речь может идти только о вере), что протон абсолютно стабильная частица и такой мало интересный финал нашей Вселенной не угрожает...
Имеется еще одна серьезная проблема: где гарантия того, что законы природы, действующие во Вселенной в современную эпоху, будут действовать в чудовищно отдаленном будущем? Гарантий, конечно, нет, но обнадеживающее обстоятельство все же имеется. Одним из удивительнейших открытий последних десятилетий является обнаружение естественного уранового реактора в Габоне (Западная Африка). По причине высокого уровня выделения нейтронов за последние пару миллиардов лет изотопный состав в окрестных минералах там сильно изменен. И вот оказывается, что из анализа относительного содержания изотопов самария следует, что в этих ядрах баланс электромагнитных и ядерных сил поддерживается на постоянном уровне по крайней мере миллиарды лет! Это и доказывает неизменность законов природы но крайней мере в течение миллиардов лет!
Итак, для дальнейшего анализа мы будем придерживаться гипотез об абсолютной стабильности протонов и неизменности законов природы. В таком случае следует считаться с тем, что через ~ 1065 лет любое твердое тело становится даже при абсолютном нуле жидким. Значит, все остывшие белые карлики, некогда бывшие звездами - "хорошими и разными", станут сферическими жидкими каплями! Еще через чудовищный промежуток времени ~ 101500(!) лет любое вещество становится радиоактивным. Дело в том, что за такие промежутки времени легкие ядра будут "сливаться" в более тяжелые, а тяжелые станут делиться. В результате этих процессов все жидкие капли - бывшие звезды - станут железными.
Но что произойдет с другой компонентой Вселенной - бывшими массивными звездами и ядрами галактик, ставшими черными дырами? Для дальнейшего анализа очень существен вывод, полученный несколько лет тому назад выдающимся английским теоретиком Хокингом. Он показал, что черные дыры отнюдь не являются "вечными образованиями" (как это считалось раньше). Через промежутки времени, пропорциональные кубам их масс, они "испаряются", излучая электромагнитные волны с длиной порядка размеров черной дыры. Например, черная дыра с массой, равной 10 солнечным массам (что близко к массе подозреваемой черной дыры Лебедь X-1) "испарится" через 1067 лет, излучая радиоволны длиной около 30 км. А сверхмассивная черная дыра (M ? 109 M? - бывшее ядро какой-нибудь галактики) испарится через 1091 лет, излучая сверхдлинные волны длиной порядка десяти астрономических единиц. Итак, все черные дыры - "звездные" и "ядерно-галактические" в конце концов превратятся в сверхдлинноволновое электромагнитное излучение. Останутся от Вселенной только плотные, жидкие, холодные железные капли. Но это еще не все! Оказывается, что когда истечет больше, чем 1010000000000000000000000000 (!!!) лет, эти железные капли превратятся либо в нейтронные звезды (которые потом превратятся в черные дыры), либо прямо в черные дыры. Последние же, практически мгновенно (всего за "какие-нибудь" 1067 лет), испарятся.
Итак, в открытой модели, при всех вариантах (даже если протон нестабилен!) в конечном итоге Вселенная превратится в совокупность разлетающихся сверхдлинноволновых квантов, а также нейтрино малых энергий. Остается только утешаться тем, что это будет, мягко выражаясь, ох, как не скоро! Имеется огромное количество проблем, неизмеримо более актуальных, от решения которых зависит будущее человечества и его отдельных представителей. Все же согласитесь, любопытно знать, что будет со Вселенной в необозримо далеком будущем. Такова уж природа человека...
В заключение этой главы остановимся на очень интересном и, по-видимому, важном вопросе о соотношениях между "мировыми константами" макро- и микромиров. Мы увидим, что для интересующей нас проблемы жизни во Вселенной эти соотношения играют решающую роль.
Из современной физики известно, что все закономерности мира управляются четырьмя типами взаимодействий: 1) электромагнитными, 2) гравитационными, 3) слабыми и 4) сильными. Первый тип взаимодействия определяет структуру атомов, а следовательно, описывает всю картину явлений в химии и физике (за исключением ядерных процессов). Он характеризуется "константой взаимодействия" - зарядом электрона e, связанной с известной безразмерной постоянной тонкой структуры
? = e2 / hc ? 1/137
(h = h / 2 ? - постоянная Планка, c - скорость света).
Гравитационное взаимодействие достаточно массивных тел имеет решающее значение для планетной, галактической и метагалактической астрономии. Оно может характеризоваться своей константой взаимодействия - гравитационной постоянной G и связанной с ней безразмерной
?G = Gm2p / hc ? 5 10-39.
Сильные взаимодействия доминируют в области атомных ядер и элементарных частиц, в то время как слабые описывают такие процессы, как ?-радиоактивность. Для сильных и слабых взаимодействий также можно ввести свои константы взаимодействия, по смыслу аналогичные ?. Они обозначаются как ?G и ?W и имеют определенные значения.
Несомненно, приведенная выше классификация взаимодействий отражает современный уровень физической науки. Вполне возможно, что в будущем (может быть, и недалеком) взаимодействия будут либо полностью объединены, либо их останется меньше. (Это означает, что между константами взаимодействия может быть какая-то связь.) Но это обстоятельство не должно уменьшить наше удивление тому факту, что между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то странная зависимость. Например,
Rb ? C t0 ? (? / ?G) ?0 , где
Rb и t0 - радиус и возраст Вселенной,
? = h / m0 c2 = 0,53 10-8 см - радиус первой орбиты боровской модели водородного атома.
Другими словами, отношение радиуса Вселенной (Rb,? 1028 см, так как возраст Вселенной t0 ? 1010 лет = 3 1017 секунд) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами!
Для объяснения этого удивительного обстоятельства знаменитый английский физик Дирак еще в 1937 г. предложил гипотезу, что гравитационная постоянная G меняется обратно пропорционально возрасту Вселенной t, в то время как остальные константы (c, h, e) остаются неизменными. Однако современные наблюдения метагалактических объектов исключают такую возможность.
Совершенно другую гипотезу развил в 1961 г. выдающийся американский физик и астроном Дике. Эту гипотезу по праву можно назвать "антропной". Суть ее состоит в следующем. Для того чтобы где-нибудь во Вселенной возникла жизнь, необходимо, чтобы были тяжелые элементы, которые образуются при вспышках сверхновых. Об этом мы уже говорили раньше (см. гл. 5). Но отсюда следует, что возраст познаваемой разумными наблюдателями Вселенной должен быть не меньше возраста звезд, вспыхивающих как сверхновые. Если масса последних ~ 1,5 солнечной (что соответствует сверхновой 1 типа - см. гл. 5), то этот возраст t порядка нескольких миллиардов лет. Из теории внутреннего строения и эволюции звезд можно получить соотношение:
t1 ? ?G-1 tp, где
tp ? rp / c ? 10-23 сек,
rp = h / mp c ? 10-13 см - радиус протона.
С другой стороны, возраст Вселенной (о не может быть много больше t1, так как в этом случае почти все звезды превратились бы в белые карлики и нейтронные звезды, о чем речь уже шла выше. Поскольку мы такой Вселенной не наблюдаем, то
t0 ~ t1 ? ?G-1 tp,
ct0 ? ?G-1 rp = ( ? / aG ) ?0.
Таким образом, соотношение между размерами Вселенной и атома есть простое следствие из условия наблюдаемости Вселенной разумными существами!
Между константами гравитационного и слабого взаимодействий имеется соотношение:
?G ? ?W 4, где
?W ? gm2e / h3.
Возможно, что, это соотношение также выражает "антропный" принцип. Как оказывается, это соотношение объясняет, почему во время первичного синтеза ядер, когда возраст Вселенной исчислялся немногими минутами, 25% всех образовавшихся ядер (по массе) были гелиевыми. Если бы ?W было чуточку меньше, все образовавшиеся ядра были бы гелиевыми. В такой "гелиевой" Вселенной жизнь, конечно, невозможна (например, не было бы воды). С другой стороны, если бы ?W было бы чуточку больше, гелия во Вселенной не было бы совсем и эволюция звезд шла бы совсем по-другому. Небезынтересно также отметить, что если бы ?W даже незначительно отличалось от своего наблюдаемого значения, не было бы вспышек сверхновых, так как условия взаимодействия нейтрино с веществом были бы совершенно другими.
Остановимся теперь на другом обстоятельстве. Выше мы уже отмечали, что во Вселенной на каждые S ? 108 фотонов приходится один протон. Ни физика, ни космология не дают объяснения этому надежно установленному факту. И вот выясняется, что "антропный" принцип ограничивает значение S. Оказывается, это предельное значение S ? ?G-1/4 ? 109. В противном случае ни галактики, ни звезды не могли бы образоваться путем конденсации газа под действием силы тяготения.
Для возникновения где-нибудь во Вселенной жизни, как оказывается, решающее значение имеют соотношения между массами элементарных частиц. Отношения масс элементарных частиц удивительным образом связаны с константами сильного и электромагнитного взаимодействий. Например,
f 2 = 2mp / mn,
? = (mn - mp) / mn , где
f 2 = 15, mp и mn- массы нейтронов и ?-мезонов.
Если бы эти соотношения не выполнялись, в процессе нуклеосинтеза элементы, необходимые для жизни, не образовывались бы. Следовательно, эти соотношения могут также иметь "антропный" смысл. Заметим в этой связи, что условие me << mp необходимо для образования сложных многоатомных молекул, являющихся основой жизни.
Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней жизни. Если бы, например, первичный набор масс элементарных частиц, формировавшийся в первые секунды после "Большого Взрыва", был бы другой (а это, в принципе, в тех условиях вполне было возможно!). Вселенная была бы совсем другой и уже во всяком случае безжизненной. Точно так же решающее значение имеет и первичная удельная энтропия вещества Вселенной, определяемая величиной S (см. выше).
Вопрос о том, существуют ли другие Вселенные, представляется отнюдь не праздным. Современная наука не в состоянии даже подойти к этой проблеме. Пока сделаны только первые попытки к первому шагу в этом фантастически трансцендентном направлении. Мы имеем в виду чисто абстрактные конструкции американцев Уиллера и Эверетта. Последний пытался связать этот вопрос с фундаментальной для квантовой механики проблемой измерений. Согласно Эверетту при каждом таком измерении Вселенная "разветвляется" на ряд параллельных Вселенных, каждая из которых соответствует определенному результату измерений. Пока это, конечно, игра ума. Но - кто знает, чем такая игра кончится? Не является ли идея Эверетта "безумной" в высоком "Боровском" смысле этого слова? Придется, увы, подождать, по крайней мере до XXI века... А пока, вместе с Вольтеровским Панглосом мы имеем все основания считать, что живем в лучшем из миров, так как практически все "Вселенные Эверетта" должны быть "мертворожденными". Как же мог Вольтер предвидеть такую ситуацию?..
Необходимо подчеркнуть следующее обстоятельство. До последнего времени молчаливо принималось, что возникновение и развитие жизни на Земле есть строго локальный феномен. Другими словами, в возникновении и эволюции жизни на Земле Галактика и Метагалактика никакой роли не играют. (Если, конечно, не говорить о гипотезе панспермии). Считалось, что если бы ничего, кроме Солнечной системы, во Вселенной не было, жизнь развивалась так, как мы это знаем. Предполагалось, что Солнечная система изолирована. Теперь ясно, что это не так. Вся эволюция Вселенной от момента ее возникновения при "Большом Взрыве" как бы подготовила возникновение в отдельных ее малых частях очагов жизни. Нельзя понять возникновение и эволюцию жизни на Земле без понимания процесса возникновения и развития всей Вселенной.
8. Кратные звездные системы
В гл. 2 мы рассматривали некоторые основные характеристики звезд: диаметр, светимость, цвет и др. К этим характеристикам следует добавить еще одну кратность. Значительное число звезд (от 30 до 50 %) образует двойные, тройные и другие кратные системы. Явление кратности, очевидно, является фундаментальным свойством огромного количества звезд.
Наблюдается большое разнообразие свойств кратных систем. В ряде случаев звезды, образующие систему (или, как говорят астрономы, "компоненты системы"), находятся на довольно большом расстоянии (рис. 35, не сканировался). Систематические наблюдения позволяют установить орбитальное движение таких звезд друг относительно друга.
На рис. 36 приведены последовательные положения одной из компонент двойной системы ? Большой Медведицы относительно другой. Периоды обращения в отдельных случаях меняются от нескольких лет до тысячелетий. Применение известных законов небесной механики позволяет делать оценки масс звезд.
В большом числе случаев, однако, компоненты двойных систем расположены настолько близко, что их нельзя наблюдать раздельно; при таком положении двойственность системы доказывается спектральными наблюдениями. Благодаря орбитальному движению звезд друг относительно друга их скорости по лучу зрения неодинаковы. Например, одна звезда может в данный момент к нам приближаться, другая - удаляться. Из-за эффекта Доплера это приведет к небольшому сдвигу спектральных линий одной звезды относительно соответствующих линий другой. Так как из-за орбитального движения скорости по лучу зрения периодически меняются (очевидно, период изменения скоростей равен периоду обращения одной звезды относительно другой.), то и смещение соответствующих линий тоже будет периодически меняться. Систематически наблюдая такое смещение и установив его зависимость от времени, можно совершенно надежно вычислить основные характеристики орбиты и получить некоторое представление о массах компонент тесной двойной системы. Такие тесные двойные системы называются астрономами "спектрально-двойными".
В тех сравнительно редких случаях, когда плоскость орбиты тесной пары звезд образует небольшой угол с лучом зрения, можно наблюдать как бы "затмение" одной звезды другой. Так как обе компоненты такой системы раздельно не видны ни в один даже самый мощный телескоп, то во время такого "затмения" можно наблюдать только уменьшение блеска звезды. Когда затмение кончается (обычно оно длится несколько часов), звезда восстанавливает свой первоначальный блеск. Построив по возможности точную зависимость блеска звезды от времени (так называемую "кривую блеска" звезды), можно совершенно уверенно определить не только основные параметры орбиты, но и диаметры звезд и даже установить, как спадает яркость их дисков от центра к краю. Схема орбиты затменной переменной звезды Алголь и соответствующая ей кривая блеска приведены на рис. 37.
Компоненты спектрально-двойных и затменных переменных звезд бывают расположены очень близко друг к другу - иногда они почти соприкасаются своими поверхностями. В таких случаях наблюдаются интересные и сложные явления вытекания материи из звезд, вызванные мощными приливными силами. Часто такие звезды погружены в общую протяженную, сильно разреженную газовую оболочку. Схема одной такой тесной пары приведена на рис. 38. Следует напомнить, что вся картина явления получается только из анализа спектров и блеска звезд. Разумеется, в телескопы изображения, подобные приведенному на рис. 38, никогда не наблюдаются; для этого недостаточна разрешающая способность даже самых крупных инструментов.
Периоды обращения тесных пар, как это следует из известного закона Кеплера и непосредственно подтверждается наблюдениями, очень малы. Самый короткий из известных периодов принадлежит затменной переменной AM Гончих Псов. Он близок к 18 мин.
Как уже упоминалось в гл. 5, весьма вероятно, что все так называемые "новые" звезды представляют собой очень тесные двойные системы. Несколько таких звезд, согласно наблюдениям, являются затменными переменными. Оказывается, наличие "звезды-соседки", расположенной слишком близко, "мешает" нормальной эволюции звезды, в частности, переходу ее в стадию красного гиганта (см. ниже). При этом может возникнуть некоторая неустойчивость, приводящая к регулярно повторяющимся (через сотни и тысячи лет) вспышкам. Во время таких вспышек светимость новых хотя и велика, но в тысячи раз меньше, чем у сверхновых. Масса газа, выбрасываемого при каждой вспышке, составляет 10-3-10-5 массы Солнца.
Массы компонент двойной системы (в тех случаях, когда их можно найти порознь, а это возможно далеко не всегда) обычно меняются не в очень широких пределах. Часто массы их почти одинаковы или, во всяком случае, близки. Бывает, однако, и так, что масса одной компоненты в 10 раз меньше другой, а светимости отличаются в тысячи раз и более. Среди компонент двойных систем наблюдаются белые карлики. Примером может служить спутник Сириуса. Для интересующей нас проблемы особое значение имеет тот факт, что некоторые компоненты кратных систем обладают настолько малой массой, что их светимость совершенно ничтожна. Их нельзя наблюдать ни в какие телескопы, хотя они иногда находятся на довольно значительном расстоянии от "главной" массивной и яркой звезды. В таких случаях говорят о "невидимых спутниках" звезд. Классическим примером такой системы является одна из ближайших к нам звезд 61 Лебедя, особенно тщательно исследовавшаяся пулковским астрономом А. Н. Дейчем. Факт двойственности у этих звезд устанавливается путем изучения ничтожно малых периодических колебаний в движении главной звезды. Излишне подчеркивать, что такие наблюдения требуют большой точности и тщательности. В настоящее время известно уже несколько "невидимых" спутников. Их массы очень малы, приблизительно 0,01 солнечной массы, что всего лишь в 10 раз превышает массу планеты-гиганта Юпитера! И все же такие небесные тела являются звездами, т. е. самосветящимися газовыми шарами, а не холодными планетами, светящими (в видимой части спектра) отраженными лучами звезды.
Впрочем, следует подчеркнуть, что разница между планетами-гигантами и невидимыми спутниками звезд не принципиальна. Во-первых, химический состав у них должен быть сходен; как те, так и другие состоят в основном из водорода и гелия. В последние годы на орбитальных станциях обнаружено много "рентгеновских звезд", оказавшихся тесными двойными системами (см. ниже). Если бы масса Юпитера была раз в 10 больше, температура в его центральных частях повысилась бы настолько, что он стал бы излучать (хотя и слабо) в видимой части спектра. Юпитер стал бы весьма слабой звездой - красным карликом с температурой поверхности 1-2 тыс. К.
Обращает на себя внимание большая распространенность невидимых спутников звезд. Так как условия их наблюдений очень трудны, они могут быть обнаружены только у очень близких к нам звезд. И вот оказывается, что в сфере радиусом в 10 пк, окружающей Солнце, из 53 звезд 5 имеют невидимые спутники! Вполне естественно возникает вопрос: не имеются ли у некоторых звезд еще меньших размеров спутники, которые в силу своей относительно ничтожно малой массы не вызывают заметных колебаний в движении этих звезд? Но такие "ультраневидимые" спутники уже не отличаются практически от больших планет типа Юпитера и Сатурна. Тем самым мы подходим к основному вопросу: имеются ли основания полагать, что у многих звезд существуют планетные системы, в той или иной степени напоминающие нашу?
К этой центральной проблеме мы вернемся в следующей главе. Здесь же мы рассмотрим более узкий вопрос: можно ли в настоящее время средствами современной наблюдательной астрономии доказать наличие планет у ближайших к нам звезд? Ограничим рассмотрение только большими планетами-гигантами. Ясно, что если, например, в настоящее время не существует возможности наблюдать даже около самых близких к нам звезд большие планеты, то не может быть и речи о непосредственных наблюдениях, особенно интересных для нас планет типа Земли или Марса.
Допустим, что на расстоянии 10 пк от нас (около 33 световых лет) находится звезда, похожая на Солнце. Вокруг этой звезды на таком же расстоянии, что и Юпитер от Солнца (в 5,2 большем, чем расстояние от Солнца до Земли), обращается планета-гигант. Пусть эта планета будет "двойником" Юпитера, т. е. имеет такие же размеры и массу. Предположим еще, что мы находимся почти точно в плоскости орбиты этой планеты. В принципе обнаружить наличие такой планеты около звезды можно тремя способами (рис. 39). Первый из них заключается в следующем. Очень медленное прямолинейное перемещение звезды по небу, обусловленное ее движением относительно Солнца, должно дополняться "волновыми" колебаниям. (Такое перемещение называется "собственным движением" звезды. Для близких звезд оно достигает нескольких секунд дуги в год. Период "волны" будет, очевидно, равен периоду движения планеты, т. е. в нашем случае 11,9 года.
Такое "волновое" движение объясняется тем, что звезда из-за притяжения планетой движется по эллиптической орбите вокруг общего центра тяжести звезды и планеты. Это орбитальное движение складывается с пространственным движением. Так как масса звезды в 1000 раз больше, чем масса планеты, центр масс системы находится близко от центра звезды. Поэтому амплитуда "волны" в собственном движении звезды очень невелика.
Расчеты, выполненные в свое время известным американским астрономом О. Л. Струве, показывают, что отклонение собственного движения от прямолинейного не превышает 0,0005 сек. дуги в год, т. е. ничтожно мало и находится за пределами точности современных астрономических наблюдений. Заметим, что, если бы масса спутника звезды была в 10-20 раз больше, чем у Юпитера, такие колебания в собственном движении уже можно было бы (правда, с трудом) обнаружить. Именно этим способом были открыты и изучаются невидимые спутники некоторых близких звезд, о которых шла речь.
Другой способ - спектроскопический. Движение звезды по орбите вокруг центра масс системы "звезда - планета" должно вызывать периодические колебания составляющей скорости звезды по лучу зрения. В самом деле, легко убедиться, что будут такие промежутки времени, когда орбитальная скорость направлена к нам и от нас. Период колебаний лучевых скоростей должен быть равен периоду обращения планеты. Однако этот эффект ничтожно мал. Расчет О. Л. Струве показывает, что периодические изменения лучевой скорости звезды не превышают 10 м/с, что составляет примерно тысячную долю полной лучевой скорости звезды. Скорости 10 м/с соответствует смещение длины волны спектральной линии примерно на 0,0001? (напомним, что 1 ? = 10-8 см, а длина волны видимого света лежит в пределах 4-7 тыс. ?). Такие ничтожно малые изменения длины волны измерить невозможно, особенно если учесть, что спектральные линии не бесконечно узки, а имеют конечную ширину порядка десятых долей ангстрема и больше.
Третий способ - фотометрический, т. е. сводится к систематическому, по возможности точному, измерению блеска звезды. Так как по условию земной наблюдатель находится в плоскости орбиты планеты, то периодически каждые 11,9 года планета будет проектироваться на диск звезды. Подобное явление наблюдается и в Солнечной системе. Мы имеем в виду прохождение планет Венеры и Меркурия по диску Солнца. Так как планета - темное, не самосветящееся тело, то в случае, когда она проектируется на звезду, некоторая (малая) часть диска последней будет закрыта. Поэтому блеск звезды будет несколько уменьшен. Это аналогично явлению затменных переменных звезд (см. рис. 37).