Яркие огни, большая галактика
Зимним вечером вы идете по улице и поднимаете взгляд к небу. Созвездия на севере и востоке рассказывают историю о героическом Персее, которого царь Кефей и царица Кассиопея послали спасти деву Андромеду от морского чудовища Кита. Вы, возможно, усмехнетесь, думая, что две изгибающиеся цепочки звезд не очень-то похожи на юную деву, прикованную к скале и ожидающую смерти в пасти монстра, но, если вы приглядитесь, ваш взгляд различит что-то размытое сбоку от Андромеды. Его сложно разглядеть, но оно определенно там: слегка вытянутое пятно света.
Кажется, что оно висит в пространстве, маленькое и скромное, целую вечность в небесах. Но, как и многое другое на ночном небе, это иллюзия. Вы смотрите на большую галактику Андромеды — массивную спиральную галактику, похожую на наш Млечный Путь. И она направляется к нам.
Если бы вы могли ускорить время в несколько триллионов раз, так, чтобы миллионы лет прошли всего за несколько секунд, вы бы увидели, как галактика Андромеда раздувается и увеличивается у вас на глазах. С каждым мгновением она становилась бы все больше и больше, и через несколько минут вам показалось бы, что сейчас все небо рухнет на вас. Вы видите, как звезды вокруг внезапно рванули вверх, прочь, образуя длинную тонкую линию, уходящую в космос, как щупальце, протянувшееся ко второй галактике: странно, но на небе не видно других звезд, Солнце также влилось в этот звездный поток, растянувшийся на бессчетные световые годы, уходящий в пространство между галактиками, где звезды редки.
Внезапно галактика Андромеды проплыла мимо, несколько уменьшаясь на расстоянии, пройдя сквозь нашу Галактику, буквально как привидение сквозь стену. Однако в течение следующих ускоренных минут — на самом деле миллионов и миллионов лет — вы увидите, как она замедляет движение, останавливается, а потом возвращается к вам. Яркая вспышка! Она заполняет собой небо, еще раз проходя сквозь нас, и снова улетает. Но в этот раз, не так далеко. Андромеда вырастает еще один последний раз. Над головой вы видите, как яркое ядро этой галактики сливается с ядром нашей собственной. Над вами висит огромный облачный шар, остатки двух когда-то мощных галактик, слившихся в единую, более крупную галактику.
Через несколько минут небеса успокаиваются. Теперь все кажется безмятежным. Вы вздыхаете с облегчением, довольные, что пережили эту космическую встречу. Но вы и не подозреваете, что из сердца новой галактики к вам направляется пучок материи и энергии, и, когда он достигнет Земли, хаос слияния покажется мирной пасторальной картиной, как весенний лужок.
Нет ничего лучше дома
Вы когда-нибудь слышали, что галактика похожа на большой город? В городе есть центр и пригороды вокруг, плотно населенные районы, места, где нет ничего интересного, и, разумеется, какая-нибудь неспокойная округа. Галактики тоже такие. В них есть более и менее оживленные районы, интересные места, более скучные места. Мы даже рассуждаем об их населении — но вместо людей, галактики населены звездами, газом и пылью.
И, как и в городе, разумеется, есть места, куда вам лучше не соваться.
Да, вы можете догадаться, к чему я клоню.
Если вы живете вдали от цивилизации, там, где небеса по-настоящему темные, тогда вы наверняка выходили на улицу ясной, безлунной ночью. Сначала, пока ваши глаза медленно адаптируются к темноте, вы различаете на небе всего несколько звездочек. Но через некоторое время, когда ваши зрачки расширятся, а в глазах начнет автоматически вырабатываться специальный белок, повышающий их чувствительность, вы постепенно начнете различать более тусклые звезды. Небо окажется усыпано ими, в вышине над вами будут мягко мерцать тысячи звезд.
Кроме звезд, вы можете увидеть слабо светящуюся ленту, раскинувшуюся в небе. Она может показаться дымом или инверсионным следом самолета. Эта туманная полоса называется Млечный Путь, потому что похожа на разлитую в небе молочную реку. Люди знают Млечный Путь тысячи лет, с тех пор как впервые взглянули на ночное небо. В начале 1600-х гг. Галилео Галилей направил на Млечный Путь свое новое устройство, телескоп, и был поражен, когда увидел, что это не облако, а тысячи звезд, очень тусклых и по отдельности неразличимых.
Это был первый ключ к пониманию того, что мы живем в галактике. О ее форме можно догадаться, разглядывая минутку самые яркие звезды на небе и поняв, что они, похоже, держатся поблизости от этой молочной ленты. Вне ленты звезд меньше, и они более тусклые.
В XVIII в. великие астрономы Уильям и Каролина Гершель развили эту идею: используя телескоп, они подсчитали количество звезд в разных направлениях, чтобы попытаться определить форму Галактики.
Идея заключается примерно в следующем: представьте, что вы стоите в поле. С наступлением ночи вокруг вас появляются светлячки. Если вы стоите посередине поля, вы увидите одинаковое количество светлячков во всех направлениях, куда ни посмотрите. Но, если вы находитесь ближе к кромке поля, со стороны кромки вы увидите меньше светлячков, чем по направлению к противоположной стороне поля. Чем дальше вы можете видеть, тем больше светлячков вы видите.
Также и со звездами. Гершели полагали что, если они видели больше звезд в одном направлении, чем в другом, это означает, что Галактика должна быть длиннее в том направлении. Они обнаружили, что Галактика имеет форму сплющенной сигары, а Солнце находится очень близко к центру.
В 1906 г. еще один великий астрономом, Якобус Каптейн, также воспользовался этим методом, но с помощью фотографии, а не визуальных наблюдений. Он начал подсчитывать звезды и в конце концов определил, что по форме Галактика похожа на сигару, примерно 45 000 световых лет в поперечнике, а Солнце находится очень близко к центру.
Идея Каптейна была блестящей, но, к сожалению, не подтверждается. Оба раза полученные данные по количеству звезд и положению Солнца были совершенно неверными. Почему?
Они не знали про пыль. В воздухе городов есть загрязнения, а в галактиках есть пыль.
Это не та пыль, которая скапливается комками у вас под диваном или делает экран телевизора мутным. Галактическая пыль состоит из сложных молекул, содержащих углерод. Эта пыль создается звездами и уносится с них в космос звездным ветром. Когда пыли достаточно много, она становится непрозрачной и задерживает свет звезд.
Это внесло путаницу в метод подсчета количества звезд. Теперь представьте, что вы находитесь не в поле, полном светлячков, а в большой задымленной комнате. Дым настолько густой, что вы можете видеть лишь на метр вокруг себя (представьте себе бар). Так как видимость столь ограничена, вы понятия не имеете ни о форме, ни о размерах помещения. Возможно, вы в квадратной комнате, а ее стены находятся сразу за стеной дыма, или, может быть, вы на футбольном стадионе. Так как ваше поле зрения ограничено, это невозможно определить.
Спустя много лет после работы Каптейна было обнаружено, что Галактика гораздо больше, чем он думал. Это удалось определить, используя наблюдения в инфракрасном диапазоне и радиодиапазоне, поскольку эти виды излучения способны проникать сквозь пыль, задерживающую видимый свет. Работы по определению точного положения газовых облаков, звезд и пыли дали истинную картину Галактики Млечный Путь, и это, безусловно, великолепное место.
Знакомство с новым городом неплохо начать с обзорной экскурсии. Так что давайте пройдемся по Галактике, начиная с нынешнего положения Солнца и двигаясь дальше, осматривая достопримечательности. Помните, иногда даже в хорошо освещенной округе могут обитать опасные типы, поэтому не обманывайтесь красотой и кажущейся безмятежностью окрестностей.
Пригороды
Самый очевидный признак Млечного Пути — его сплющенный диск, состоящий из звезд, газа и пыли, обращающихся вокруг центра самой Галактики (как планеты обращаются вокруг Солнца). Диаметр диска — 100 000 световых лет, а толщина примерно 1000 световых лет. Он не разлетается благодаря собственным силам тяготения. У диска Галактики есть грандиозные, округлые спиральные ветви, как у детской вертушки на палочке. Спиральные галактики достаточно распространены во Вселенной. Некоторые — маленькие и довольно тусклые, другие — величественные и огромные, с четко оформленными ветвями. Млечный Путь относится ко вторым. В действительности, Млечный Путь — одна из самых больших известных галактик.
Спиральные ветви представляют интерес. Так как чем ближе звезды к центру Галактики, тем быстрее они движутся (так же, как планеты в Солнечной системе), вы, возможно, предположите, что со временем спиральные ветви смотаются, как пряжа наматывается на веретено. Но нет. Они не постоянные, неизменные элементы, как, например, ветки дерева. Напротив, астрономы считают, что они больше похожи на небесные дорожные пробки. На городской магистрали дорожная пробка — также не статичная структура: автомобили въезжают и выезжают из пробки, но пробка остается на месте. Также и звезды, обращаясь вокруг центра Галактики, заходят в спиральные ветви и выходят из них, но сами ветви остаются на месте благодаря причудливым гравитационным особенностям диска.
Газовые облака обращаются вокруг центра Галактики так же, как и звезды. Когда газовое облако заходит в спиральную ветвь, оно попадает в ту гравитационную дорожную пробку и замедляет движение. Если вслед за ним в ветвь зайдет еще одно облако, оно столкнется с первым. При таком незначительном ДТП оба облака сжимаются, а когда облака сжимаются, в них образуются звезды. Звезды, родившиеся таким образом, имеют самые разные массы, от очень малых до очень больших. Звезды с самой большой массой яркие и освещают ветви Галактики. Однако эти звезды имеют наименьшую продолжительность жизни (см. главу 3 «Сверхновые») и умирают, не успевая выйти из спиральных ветвей. Так как яркие звезды остаются в ветвях, ветви кажутся яркими. Более того, по сравнению с количеством тусклых звезд с низкой массой, массивных, ярких звезд очень мало, поэтому общее количество звезд внутри спиральных ветвей не сильно отличается от количества звезд между ветвями. Просто между ветвями очень мало ярких звезд или их нет совсем. Именно поэтому ветви более заметны.
Итак, они хорошо освещены, красивы, полны жизни и движения. И, как и в оживленном районе города, там также есть свои опасности.
Прежде всего основную опасность представляет сама толпа. Но не из-за столкновений: вероятность столкновения двух звезд в Галактике невероятно мала. Если предположить, что звезды распределены по диску равномерно (справедливое предположение), шансы на то, что Солнце подойдет достаточно близко к другой звезде, так, чтобы почувствовать взаимное притяжение, по сути, равны нулю! Среднее расстояние между звездами в диске Млечного Пути огромно: несколько триллионов километров, а сами звезды меньше 2 млн км в поперечнике. Представьте двух мух в пустой кубической коробке со стороной в 8 км — каковы шансы на то, что они подлетят друг к другу хотя бы на несколько метров, уж не говоря о том, чтобы сблизиться настолько, чтобы столкнуться? Для звезд справедливы такие же соотношения. В человеческих масштабах Млечный Путь — невероятно пустое место.
Поэтому звездные столкновения в диске будут крайне редкими. Тем не менее, как мы уже видели, звезда может воздействовать на нас и с очень большого расстояния. Кто угодно скажет, что сверхновая на расстоянии несколько световых лет — это плохо. Всплеск гамма-излучения причинит нам вред, даже если он в тысячах световых лет от нас.
Звезды — маленькие по сравнению с огромными расстояниями между ними в Галактике. Но некоторые объекты больше, гораздо больше. Это существенно повышает шансы на встречу с ними. Такие космические наезды омрачили бы наши дни на Земле... в буквальном смысле.
Облачное будущее
Когда Каптейн подсчитывал звезды, пытаясь определить форму Галактики, он и не подозревал, что в его статистические данные вмешается пыль.
Он определенно не подозревал, что она может всех нас убить.
Звезды составляют примерно 90% нормальной массы Млечного Пути. Остающаяся масса приходится на газ и пыль, рассеянные между звездами. Может показаться, что это немного, но в сумме это в 20 млрд раз больше массы Солнца! Это масса мусора, плавающего во мраке пространства.
Она называется межзвездной средой, и большей частью это вещество на самом деле темное. Оно холодное — сотни градусов Цельсия ниже нуля — и состоит главным образом из водорода вперемешку с более тяжелыми элементами, такими как гелий, углерод и кислород. Частично это пыль, смешанная с газом, выбрасываемая гигантскими звездами и сверхновыми.
Множество этого вещества размазано по Галактике, как слой грязи на ветровом стекле автомобиля. Оно разреженное, как эфир, на 16 см3 околачивается всего несколько атомов — это эквивалентно чистейшему лабораторному вакууму. Но космос большой, и даже такое малое количество вещества в сумме дает значительную массу. Выйдя на улицу в безлунную летнюю ночь в северном полушарии, вы можете увидеть над головой ленту Млечного Пути. Если присмотреться повнимательнее, вы увидите, что вдоль созвездия Лебедя рассеянное свечение Галактики разорвано по длине темной полосой, которая называется Большой провал. Это пыль в Млечном Пути: она заслоняет звезды, не пропуская к нам свет. Галактический смог, если хотите.
Однако не вся межзвездная среда рассеянная, встречаются и комки. Полюбовавшись на Большой провал в созвездии Лебедя, подождите шесть месяцев и выйдите на улицу зимней ночью. Обратите свой взгляд на Ориона, охотника. Под всем известными тремя звездами, образующими его пояс, вы увидите три тусклые, тесно расположенные звезды — кинжал, свисающий у него с пояса. Средняя звезда кинжала — вовсе и не звезда, даже в бинокль она выглядит размыто. В телескоп средних размеров вы можете увидеть, что это газовое облако, а на подробных изображениях, полученных с помощью больших телескопов, проявляется ее истинная природа: Большая туманность Ориона — одно из крупнейших скоплений газа и пыли в Галактике; по оценкам, ее общая масса в тысячи раз превышает массу Солнца.
Она находится на расстоянии 1500 световых лет от нас, и все же ее видно невооруженным глазом — она яркая. А все потому, что это — «звездные ясли», место рождения тысяч звезд. Многие из этих звезд массивные, горячие и яркие. Более того, целая дюжина звезд в этой туманности в один прекрасный день взорвется сверхновыми (и тогда туманность станет очень яркой). Звезды, обитающие в туманности, освещают ее, делая сверкающей и ослепительной, как огни Бродвея освещают облака над Нью-Йорком.
Такие звездные фабрики разбросаны по всей Галактике, но так уж получилось, что туманность Ориона, одна из крупнейших, находится довольно близко к нам по галактическим меркам. Если бы Млечный Путь был футбольным полем, туманность Ориона была бы всего на расстоянии одного метра от нас.
Итак, насколько близко к нам могут подойти туманности? Все в Галактике обращается вокруг ее центра, с немного отличающимися скоростями и траекториями. Солнце может пройти очень близко от подобного облака, и это еще более вероятно, когда Солнце входит в одну из спиральный ветвей; как уже упоминалось, там скапливаются газовые облака. Когда Солнце заходит в ветвь, это, как если бы вы ехали по шоссе и внезапно попали в густой туман.
Что бы с нами произошло, если бы мы врезались в такое облако?
Последствия столкновения довольно неоднозначные и зависят от многих факторов: например, сколько звезд находятся в процессе образования, на какое расстояние Солнце приблизится к ним, сколько времени Солнце проведет в туманности, — и от нюансов структуры туманности в более мелких масштабах.
Однако мы можем немного обобщить. Ядро туманности Ориона — это место, где происходят основные события: несколько очень массивных новорожденных звезд интенсивно изливают свет во всем электромагнитном спектре и в огромных количествах. Одно скопление массивных звезд в самом сердце туманности выдает на-гора столько энергии в одном лишь рентгеновском диапазоне, сколько Солнце во всех диапазонах! Тем не менее эти звезды должны были бы пройти очень близко от нас, чтобы мы на Земле ощутили последствия; даже на расстоянии один световой год или два их рентгеновское излучение повлияло бы на нас гораздо меньше, чем средняя вспышка на Солнце.
Ультрафиолетовое излучение также не слишком большая проблема. Самая яркая молодая звезда в сердце туманности Ориона называется θ1c Ориона, и ее масса равна 40 массам Солнца, а температура на поверхности в семь раз выше. Такая звезда заливает все вокруг ультрафиолетовым светом; мощность ультрафиолетового излучения от θ1c в миллионы раз превосходит ультрафиолетовое излучение от Солнца. Но на расстоянии в один световой год это излучение сильно рассеивается, и до нас дошло бы лишь чуть больше ультрафиолета, чем мы получаем от Солнца.
От θ1c также дует звездный ветер, и ветер мощнейший: звезда испускает в 100 000 раз больше вещества, чем уносится солнечным ветром, и в два раза быстрее. Однако повторюсь, на расстоянии в один световой год этот ветер стихнет настолько, что магнитное поле Солнца защитит нас от его порывов.
Но самый потрясающий эффект был бы визуальным: ярчайшие звезды в туманности Ориона выглядели бы невероятно красивыми на расстоянии в один световой год — θ1c излучает энергию в 200 000 раз быстрее, чем Солнце! На расстоянии в один световой год она сверкала бы столь же ярко, как полная Луна. Другие звезды в туманности, разбросанные по небу, также были бы невероятно яркими; ночи уже никогда не были бы по-настоящему темными. Это, возможно, затронуло бы некоторые виды ночных животных (см. главу 3), но в целом большой проблемой не стало бы.
Но это совсем не значит, что туманность — уютное место. Вероятно, самый опасный фактор прохождения близко к центру туманности Ориона заключается в том, что на это уйдет много времени. Такие звезды, как θ1c, имеют неприятную склонность взрываться, со всеми вытекающими из этого неприятными последствиями (опять см. главу 3). Сверхновые опасны на расстоянии 25 световых лет или около того — если взрыв происходит ближе, озоновый слой Земли будет серьезно поврежден, что чревато возможным массовым вымиранием. Прохождение сквозь сердце туманности означает, что Солнце будет находиться в опасной зоне практически 100 000 лет. У массивных звезд более короткая жизнь, всего несколько миллионов лет, после чего они взрываются, поэтому вероятность того, что, пробираясь через такую туманность, как Орион, мы попадем в опасную близость к какой-нибудь взрывающейся звезде, очень велика. Это просто еще одна интересная информация к размышлению.
У такого тесного сближения есть и два других опасных момента, и оба невидимые. Или не столь невидимые, сколь темные.
До сих пор я рассказывал только о прекрасных туманностях, освещаемых новорожденными звездами. Но не все туманности таковы, в некоторых звезды еще не образовались. Это темные, холодные облака, которые могут называться по-разному, например молекулярные облака, глобулы Бока или попросту темные туманности.
Некоторые из них — довольно плотные космические объекты, до 6 млн частиц пыли на см3. Конечно, это все равно не столь ужасная плотность: атмосфера Земли на уровне моря в сто миллиардов раз плотнее! Но эти облака могут быть очень большими, несколько световых лет в поперечнике, и в сумме получается много. Как и густой туман, они способны настолько поглощать звездный свет, попадающий в них, что многие выглядят совершенно как дыры в пространстве.
Интересно, но точные последствия для Земли в ситуации, если бы Солнечная система погрузилась в такое облако, сложно спрогнозировать. Разумеется, количество солнечного света, достигающего Земли, существенно сократилось бы; а при уменьшении солнечного света даже на несколько процентов может начаться ледниковый период. В Галактике, несомненно, есть темные туманности достаточно плотные, чтобы задерживать столько солнечного света.
А что насчет пыли, которая физически смешивается с атмосферой Земли, когда мы погружаемся в плотную туманность? Группа ученых исследовала, что произошло бы с Землей в таком случае, и они обнаружили, что в атмосфере Земли может накопиться столько пыли, что небо станет темнее, и температура на Земле значительно снизится. Это может даже привести к очередному ледниковому периоду. Они также определили, что менее плотные облака, с которыми мы сталкиваемся немного чаще, могут приводить к умеренным ледниковым периодам. По их оценкам, каждые 100 млн ‒ 1 млрд лет или около того мы сталкиваемся с таким облаком, а это означает, что в истории Земли подобное явление наверняка случалось не один раз. Вероятно, это происходило несколько раз уже и после того, как на Земле появились сложные формы жизни, хотя со стопроцентной вероятностью сказать, что столкновение с темным облаком послужило толчком какому-то конкретному ледниковому периоду на Земле, нельзя.
Тем не менее есть и другая опасность от слишком сильного сближения с туманностью, и в этот раз характеристики облака не так важны. Все вещество — это, вот именно, вещество.
Некоторые межзвездные облака невероятно массивны, в сотни тысяч или даже миллионов раз больше массы Солнца. Приближение к ним означает, что на нас будет действовать притяжение всей той массы. Для Земли, вообще-то, прямые последствия минимальны, потому что мы находимся так близко к Солнцу, что его силы тяготения будут преобладать.
Но не все объекты Солнечной системы надежно покоятся во внутренней области. Вокруг Солнца, далеко за орбитой Плутона, находится так называемое облако Оорта (названное по имени голландского астронома, который высказал идею о его существовании), обширное скопление гигантских глыб из льда и камней, часть из них — сотни километров в поперечнике. У некоторых из тех айсбергов такие орбиты, что каждые несколько десятков тысячелетий они заходят во внутреннюю Солнечную систему, и, когда один из них прилетает к нам, мы наблюдаем его как прекрасную комету.
Объекты в облаке Оорта обычно держатся на приличном расстоянии от Солнца — сотни миллиардов километров. Чтобы завести их во внутреннюю Солнечную систему, требуется некоторое возмущающее воздействие, своего рода толчок, который изменит их орбиту. Такое воздействие может оказать, например, проходящая на расстоянии нескольких световых лет звезда; обычный объект облака Оорта находится так далеко от Солнца, что при легчайшем дуновении он полетит внутрь системы.
Если Солнце забредет туда, где окажется слишком близко к гигантской туманности, такое дуновение может превратиться в ураган. По некоторым оценкам, на орбитах в облаке Оорта живут триллионы айсбергов. Откройте снова главу 1 и прочитайте о разрушениях, которыми грозит столкновение с кометой или астероидом. Теперь умножьте их на десять, или на 100, потому что, когда мы пройдем вблизи массивной туманности, кометы просто посыплются с неба.
Ох. Сложно представить, к какому опустошению приведет подобное событие. Биосфера Земли, возможно, только-только начнет восстанавливаться через несколько столетий после одного столкновения, а тут новая комета врезается в нас. Сколько эпизодов массового вымирания в смутной истории нашей планеты было спровоцировано тем, что Солнце прошло вдоль кромки гигантского газового облака?
Ирония судьбы — практически наверняка Солнце родилось в таком газовом облаке 4,6 млрд лет назад. Когда-то оно, возможно, было окружено массивными звездами, разбросанными по небу, а их звездные ветра создавали огромные ударные волны в газовом облаке, сжимающие его в листы и нити, светившиеся как перекрещивающиеся в небе неоновые вывески.
Зайти в такое газовое облако, возможно, даже и стоило того. Какое зрелище!
Но повторюсь, наблюдать красивое темное небо, усеянное всеми теми туманностями с безопасного расстояния в несколько тысяч световых лет не менее интересно.
Полет на плоскости
Как уже упоминалось, звезды в диске Млечного Пути обращаются вокруг центра точно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Однако есть несколько важных отличий. В масштабах Солнечной системы (с диаметром в миллиарды километров) Солнце — маленькое (меньше 1,6 млн км диаметром). Для планет вся гравитация в Солнечной системе сконцентрирована в одной точке. Так как источник сил тяготения находится в центре, орбита планеты может иметь лишь определенную форму, которая называется коническим сечением. Сюда входят круги, эллипсы, параболы и гиперболы. Все это плоские фигуры. Если сильно ударить по планете, ее орбита изменит форму или наклон, но все равно останется коническим сечением и по-прежнему будет плоской.
Но звезды, обращающиеся вокруг центра галактики Млечный Путь, находятся в другой ситуации, потому что масса размазана, распределена по всему диску. Звезда, движущаяся в нем по орбите, ощущает притяжение от окружающих ее масс, а не только из одной точки в центре Галактики. Следовательно, орбиты звезд могут иметь самые разные причудливые формы. Скажем, у вас есть звезда с идеально круглой орбитой точно в средней плоскости диска галактики. Если бы вы придали звезде немного вертикальной скорости — перпендикулярно диску — звезда начала бы подниматься и опускаться относительно диска, как пробка на воде (продолжая по-прежнему обращаться вокруг центра).
Это немного похоже на то, что происходит, когда вы подбрасываете камень: силы тяготения замедляют его полет, и он падает на землю. Благодаря вертикальной скорости звезда поднимается над плоскостью, но силы тяготения диска тянут ее назад. Однако диск не однородный, он состоит из звезд, разделенных большими расстояниями. Остановить нашу звезду нечему, поэтому она проходит прямиком сквозь плоскость и погружается под нее. И снова силы тяготения замедляют ее до полной остановки, и звезда поворачивает обратно. При подходящих обстоятельствах этот цикл будет повторяться бесконечно. В комбинации с круглой орбитой звезды получаем форму, похожую на синусоиду, бегущую по кругу.
Существует масса причин, по которым звезда может начать колебаться таким образом. Она может пройти мимо другой звезды, и гравитационное взаимодействие может подтолкнуть ее кверху или книзу — но, как мы обсуждали раньше, звездные встречи крайне редки, поэтому это маловероятно. В свою очередь, звезды образуют скопления (см. ниже), где они гораздо ближе друг к другу, и гравитационные взаимодействия более распространены. Массивная звезда в скоплении, проходя рядом с менее массивной, может легко подбросить звезду меньших размеров так, что она совсем вылетит из скопления, или может заставить ее двигаться как поплавок.
Еще одна причина — звезда может пройти мимо гигантского газопылевого облака. Ранее мы видели, что прямое столкновение с туманностью имеет ряд отрицательных последствий, но еще одно заключается в том, что из-за притяжения массы этого облака звезда может приобрести вертикальную составляющую скорости, и ее орбита деформируется так, что она начнет совершать колебательные движения.
Оказывается, что очень близкая и дорогая нам звезда демонстрирует именно такое движение: Солнце! Тщательные измерения скорости Солнца относительно окружающих его звезд показывают, что оно на самом деле поднимается над плоскостью Галактики и опускается под нее. Это смещение не очень большое: может быть, максимум 200 световых лет или около того, по сравнению с диаметром диска, который составляет 100 000 световых лет. Кроме того, толщина диска примерно 1000 световых лет, поэтому Солнце также не выходит за пределы вещества диска.
Период колебания орбиты Солнца — от максимальной высоты над диском до максимальной глубины под плоскостью, а затем снова до максимальной высоты — составляет примерно 64 млн лет.
Ну что ж, кажется, все круто: за несколько миллионов лет нас бесплатно довезут туда, где у нас будет (немного) лучший вид на Галактику, и ничего страшного, так?
Так?
Может быть, и не так. Но чтобы понять почему, вместо того чтобы смотреть вверх, нам придется посмотреть вниз, в слои отложений на Земле.
В течение многих лет существует предположение, что палеонтологическая летопись жизни на Земле свидетельствует о периодических эпизодах массового вымирания, как если бы жизнь на Земле следовала какому-то графику повальных вымираний, после которых разнообразие видов снова восстанавливалось. Не все такие события попадают в этот график, и для многих из них был найден настоящий виновник; самое известное — это исчезновение динозавров, и у нас есть вполне надежное доказательство того, что оно было вызвано столкновением с астероидом. Но причины других (за исключением, возможно, ордовикского массового вымирания, см. главу 4) не так ясны.
Периодичность массовых вымираний, конечно, подразумевает некую циклическую причину. Несмотря на то что такие события, как эпизодические извержения вулканов или какие-либо иные внутренние причины, исключить невозможно, цикличность в очень продолжительных временных масштабах подразумевает действие внеземных сил.
До недавнего времени у нас были лишь подозрения по поводу такой циклической смертельной жатвы, поскольку ископаемые свидетельства были не очень внятные. Но новые исследования существенно укрепили догадку. Математически анализируя ископаемые свидетельства, исследователи обнаружили четко выраженную периодичность в истории массовых вымираний. Они изучили разнообразие видов — буквально сколько разных видов находится в разных геологических слоях, соответствующих разным моментам времени, — и обнаружили, что количество видов, похоже, увеличивается и уменьшается с четко просматриваемым периодом.
Продолжительность этого периода, по их оценкам, составляет около 62 млн лет.
Ой-ой.
Такое тесное соответствие между циклами вымираний и периодом колебаний Солнца в диске Млечного Пути — всего лишь совпадение? Есть способы проверить, статистические методы, которые можно применить, чтобы попробовать сопоставить два разных цикла и посмотреть, есть ли между ними связь. Еще одна группа исследователей, Михаил Медведев и Адриан Мелотт из Канзасского университета, тщательно провели такой анализ, и их ответ — «возможно».
Ну, это не очень-то успокаивает. Однако перед нами новая область исследований, и мы лишь начинаем заниматься ею. Данных не так много, а результаты так новы, что сложно сказать, насколько прочные основания у сделанных выводов.
Но они определенно провокационные.
В этом случае виновником может быть наш старый знакомый — космическое излучение. Насколько вы помните по предыдущим главам, это маленькие субатомные частицы, разогнавшиеся до невероятных скоростей в космическом пространстве. Когда они врываются в атмосферу Земли, это приводит к ряду последствий. Прежде всего, когда космические лучи ударяют по молекуле в воздухе на скорости, близкой к скорости света, молекула разбивается на множество субатомных частиц меньших размеров, называемых мюонами. Они обрушиваются дождем с неба и, если попадают по молекуле ДНК в клетке, могут изменить или разрушить ее. На самом деле такое происходит постоянно, но в целом ткани организма способны устранять или отторгать повреждения. Но если с неба проливается достаточное количество мюонов, последствия для жизни могут быть не мгновенными, но отдаленными — например, массовое вымирание. Как уже отмечалось ранее, мюоны могут проникать в воду на глубину почти 2 км и до 800 м в скальные породы! Поэтому пострадала бы практически вся жизнь на Земле.
У космического излучения есть и другие последствия. Оно может разрушать молекулы озонового слоя в верхних слоях атмосферы, подвергая жизнь на поверхности опасным уровням УФ-излучения от Солнца. Кроме того, оно может приводить к образованию двуокиси азота в воздухе, которая затем прольется кислотным дождем. С годами такое может разрушить растительную жизнь, и этот эффект распространится по всей пищевой цепочке.
И последнее — возможно, менее четко установленный фактор — частицы, из которых состоит космическое излучение, могут становиться зародышевыми центрами конденсации при образовании облаков, поэтому рост интенсивности космического излучения может привести к увеличению облачности на Земле, отчего изменится климат, так как больше солнечного света будет отражаться в космос. Хотя это может и не повлечь за собой полномасштабный ледниковый период, но падение температуры даже на несколько градусов может быть разрушительно для биосферы.
Но откуда к нам приходят все эти космические лучи? И как это связано с поплавковым движением Солнца на орбите в Галактике? Если такая связь на самом деле существует, Медведев и Мелотт, возможно, обнаружили ее.
Источник большинства космических лучей — взрывы сверхновых или ветер от пульсаров. Вещество, испускаемое этими источниками, может врезаться в медленнее движущееся вещество и генерировать массивные ударные волны, разгоняющие субатомные частицы, такие как протоны и электроны, практически до скорости света. Так как источником этих космических лучей являются события, происходящие внутри Млечного Пути, такие лучи называются галактическими космическими лучами.
Но есть и космические лучи, которые приходят извне Галактики. Млечный Путь входит в небольшое скопление галактик, называющееся Местная группа, включающее нашу Галактику, галактику Андромеды (массивная спираль, схожая с нашей по размерам) и горстку меньших галактик. Местная группа находится на окраинах гораздо более крупного и массивного скопления Девы, состоящего из тысяч галактик, — мы как будто пригород крупной метрополии. С притяжением скопления Девы не забалуешься: оно крепко держит нас (и другие галактики Местной группы) в кулаке и притягивает с умопомрачительной скоростью 257 км/с.
А ведь мы движемся не в вакууме. Помните о межгалактической среде? Млечный Путь врезается в это разреженное вещество на высокой скорости, создавая ударную волну, которую практически невозможно представить: она сотни тысяч световых лет в ширину и генерирует огромные количества энергии. Они настолько велики, что создают космические лучи, но в этом случае лучи возникают вне Галактики, поэтому это межгалактические космические лучи. Космические лучи уносятся от фронта ударной волны, и многие из них направляются в нашу сторону, обратно в Галактику.
Галактика, как и Солнце, имеет магнитное поле. Кроме того, как и у Солнца, галактическое магнитное поле — это мешанина переплетенных, скрученных петель. Они сильнее всего посередине, в средней плоскости диска, где магнитное поле прекрасно отражает прилетающие галактические космические лучи. Однако при удалении от средней плоскости их сила быстро снижается. Если звезда придерживается плоскости Галактики, она защищена от этих высокоэнергетических частиц. Но если она забредает слишком далеко, то подвергается их действию.
И вот тут приобретает значение колебательное движение Солнца. Поднимаясь и опускаясь относительно плоскости при движении вокруг центра Млечного Пути, каждые 64 млн лет Солнце оказывается высоко над ней и выходит из-под защиты магнитных полей. Именно со стороны приходящей космической ударной волны Солнце оказывается относительно незащищенным от облучения космическими лучами. Это все равно что смотреть в лицо торнадо, швыряющему в вас камни. Медведев и Мелотт обнаружили, что количество межгалактических космических лучей, которые могут достигать Солнца в те периоды, может увеличиваться в пять раз по сравнению с более спокойными периодами, когда Солнце уходит глубоко в плоскость Галактики (которая также действует как щит, потому что между нами и прилетающими космическими лучами находится основная масса Галактики).
Количество межгалактических космических лучей, которые могут достичь Солнца, таким образом, существенно увеличивается и уменьшается с цикличностью 64 млн лет. Далее ученые использовали расчеты движения Солнца, чтобы смоделировать количество космических лучей, добирающихся до нас здесь, на Земле, и наложили эту зависимость на график разнообразия ископаемых остатков за исторические периоды. Они обнаружили, что каждый раз максимумы первого графика совпадали с минимумами второго!
Другими словами, всякий раз, когда Солнце находилось высоко над плоскостью и количество поступающих космических лучей было на пике, количество биологических видов на Земле сокращалось. Каждый раз без исключения, в течение последних девяти циклов за 0,5 млрд лет.
Скажем прямо: это не является точным свидетельством того, что движение Солнца вызывает массовое исчезновение живых организмов. Но это очень веское свидетельство. Когда исследователи учли столкновения с астероидами и иные события, не связанные с космическими лучами, которые вызывают массовое вымирание, корреляция между движением Солнца и теми эпизодами массовой гибели стала еще нагляднее. Между прочим, в исследовании не говорится прямо, что именно космические лучи наносят удар. Имеется ряд доказательств того, что с теми периодами также коррелируют ледниковые периоды, поэтому, возможно, в этом виноваты повышенная облачность и изменение климата. Также имеются интересные исследования, увязывающие космические лучи и вспышки молний на Земле. Неясно, какой из механизмов, описанных выше (мюоны, разрушение озона, образование смога или центров конденсации облаков), виновен в грязных делах, или же это комбинация разных или всех факторов, или может быть что-то, о чем мы пока даже и не догадываемся. Но появляется все больше доказательств того, что космические лучи на самом деле оказывают влияние на живые организмы на Земле.
Отсюда вытекает очевидный вопрос: на каком этапе цикла мы сейчас находимся? В настоящий момент Солнце направляется вверх, поднимаясь над диском. Мы всего на расстоянии 25 световых лет или около того над средней плоскостью, хорошо защищены галактическими магнитными полями, поэтому до опасной зоны нам еще идти и идти. Однако через 20 или 30 млн лет наши потомки могут иметь повод для беспокойства: они будут наблюдать ухудшения в своей округе. Если они смогут избежать постоянно разогревающегося Солнца, сверхновых и пары случайных всплесков гамма-излучения, им, возможно, все равно придется разбираться с межгалактическими космическими лучами. Чтобы избежать их, потомкам нужно найти звезду, похожую на Солнце, с планетами, на которых можно обитать в средней плоскости Галактики (или под ней), и переехать туда. Вероятно, существует множество потенциальных мест для колонии... если звезды подходящие.
Монстр посередине
Кроме межгалактических космических лучей, у наших пра-пра-пра...внуков, возможно, появится и другая проблема. Она будет немного ближе к дому — собственно говоря, прямо в центре города, если продолжить нашу аналогию. Чтобы разобраться в этой проблеме, нам придется сделать небольшой шаг назад во времени и большой скачок в пространстве.
В 1963 г. ученые столкнулись с загадкой. Радиоастрономы обнаружили объект, который был довольно ярким в радиодиапазоне спектра, что всегда приятно. Проблема была в том, что тогдашняя технология не позволяла определить положение этого объекта с высокой точностью, — как и проблема с всплеском гамма-излучения, которую астрономам придется решать через несколько лет.
Помогло космическое совпадение: объект, названный 3C273, находится на участке неба, который перекрывает Луна, обращаясь вокруг Земли. Это означает, что периодически Луна проходит будто бы прямо перед 3C273. Дождавшись того момента, когда четкая кромка Луны преградит путь радиоволнам от объекта, и зная точное положение Луны, они смогли определить местоположение объекта с высокой точностью... но, когда они направили в ту точку оптические телескопы, они увидели всего лишь тусклую голубую звездочку. Это оказалось большим потрясением — как мог объект, излучающий так мало видимого света, иметь такую светимость в радиодиапазоне?
Когда обнаружилось, что объект находится на поражающем воображение расстоянии в 1 млрд световых лет, все стало еще запутанней. Тусклая голубая звездочка 3C273 — совсем не безобидная, а должно быть, самый яркий из известных объектов Вселенной.
Вскоре было найдено еще больше таких объектов, и они получили название квазары, то есть «квазизвездные радиоисточники». Также были обнаружены и другие объекты, получившие названия блазары и сейфертовские галактики. Все они излучают во всем электромагнитном диапазоне, а некоторые — настоящие монстры, излучающие во много триллионов раз больше энергии, чем Солнце, в сотни раз больше, чем суммарная излучаемая энергия всей нашей Галактики!
Со временем стало понятно, что эти объекты были галактиками, подобными нашей, за исключением той энергии, вырывающейся у них из ядра и придающей им невероятную светимость. Что могло излучать такую энергию? Каким бы ни был источник, он должен был быть маленьким и генерировать радио-, оптическое и рентгеновское излучения в колоссальных масштабах.
Астрономы знали только один объект, который удовлетворял бы всем этим характеристикам: черная дыра.
Но даже черные дыры звездной массы не могли бы генерировать такую мощность. Астрономам пришлось признать тот факт, что это должен быть другой тип черной дыры, гораздо более страшный: сверхмассивная черная дыра.
Со временем было обнаружено, что в ядре каждой крупной галактики во Вселенной имеется сверхмассивная черная дыра. Даже в нашем Млечном Пути — она называется Стрелец A* (астрономы говорят «Стрелец А со звездочкой») и на космических весах показывает массу, в четыре раза превосходящую массу Солнца.
И это еще считается легкой весовой категорией. Центральная черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87, которая находится гораздо ближе к нам, чем 3C273, на расстоянии всего 60 млн световых лет (хотя это все равно очень дальний путь), — одна из самых крупных известных сверхмассивных черных дыр, с массой в 1 млрд масс Солнца. Такая светимость этих сверхъярких объектов — в совокупности теперь именуемых активными галактиками — объясняется тем, что черные дыры в их ядре активно «питаются». Вещество, газ, пыль и даже звезды проваливаются в разверзнутую пасть этих монстров. Падая в направлении черной дыры, вещество образует сплющенный аккреционный диск (аналогичный тому, какой образует черная дыра при всплеске гамма-излучения). От трения и сил магнитного поля диск разогревается до миллионов градусов и раскаленное вещество становится очень, очень ярким (см. главу 5). Оно будет излучать невероятное количество света, затмевая весь другой свет, исходящий от галактики. Оно также будет излучать рентгеновские лучи и даже гамма-лучи, самую высокоэнергетическую форму излучения.
Как мы видели в главе 4, кроме этого, черная дыра с диском может создавать струи вещества и энергии, и сверхмассивные дыры тоже способны на такое. Не все сверхмассивные черные дыры в активных галактиках образуют такие струи, но многие. Это похоже на всплеск гамма-излучения в галактических масштабах, но вместо потока энергии, длящегося несколько секунд, эти струи — стабильные, постоянные источники энергии, не затухающие миллионы лет или даже больше. Активные галактики являются крупнейшими источниками энергии во Вселенной.
Внутри такой галактики должно быть очень интересно, если под «интересно» вы подразумеваете «ужасно страшно, до невероятности». Даже без струи их ядро излучало бы энергию во всем электромагнитном спектре. Любая звезда, находящаяся близко к центру, подвергалась бы бомбардировке радиоволнами, оптическим светом, рентгеновским излучением и, может быть, гамма-лучами. Сложно представить, что на планете, обращающейся вокруг звезды неподалеку от центра активной галактики, могла бы возникнуть жизнь.
Другим галактикам тоже может грозить опасность от такого недружелюбного соседа: 3C321 — это пара галактик, одна из которых активная. Активная выстреливает струю прямо в своего напарника, находящегося на расстоянии 20 000 световых лет. Луч приводит к самым разным губительным последствиям в бедной галактике, врезаясь в газовые облака, облучая звезды и в целом разрушая то, что, вероятно, было вполне приятной округой, пока не начался весь этот кошмар.
А это подводит нас к интересному моменту. Может ли Млечный Путь стать активной галактикой? Может ли сама Галактика стать опасной для нас?
Да, может. И, вероятно, она была активной в прошлом.
В настоящее время черная дыра в Млечном Пути дремлет — только очень чувствительные детекторы гамма- и рентгеновских лучей могут зарегистрировать излучение от нее. Чтобы сверхмассивная черная дыра стала активной, в нее должно падать много вещества. Очевидно, либо поглощает очень мало, либо вовсе не поглощает. Мы все равно видим, что из нее исходит какая-то энергия, но эта энергия очень рассеянная и очень слабая. Астрономы не знают наверняка, что вызывает это излучение, и именно неопределенность источника свидетельствует о том, что Млечный Путь не является процветающей активной галактикой (в противном случае источник был бы очевиден). Так что, похоже, нам ничто не грозит.
Но внешность бывает обманчивой. Исследования показали, что рядом с черной дырой имеются довольно большие запасы газа. Ближайшие звезды испускают частицы в виде ветра, подобного солнечному, и это вещество может накапливаться около черной дыры, подпитывая ее. Те же исследования показывают, что поток частиц может стать неравномерным, и, когда в черную дыру проваливается большой комок материи, дыра может внезапно испустить вспышку, превращаясь в активную на непродолжительные периоды. В течение нескольких лет она излучает огромную энергию, после чего вновь успокаивается. Вероятнее всего, эти вспышки не очень опасны для нас; не исключено, что последняя была всего 350 лет назад — ее последствия запечатлелись в газе, который окружает центр Галактики и лучше виден. Наблюдения этих газовых облаков в рентгеновском диапазоне свидетельствуют о том, что энергия, излученная с последней вспышкой, была в 100 000 раз выше, чем когда черная дыра находится в спокойном состоянии. Звучит страшно, но помните, это произошло относительно недавно в астрономических масштабах, но человечество даже не заметило.
Также помните о том, что мы находимся на расстоянии 25 000 световых лет от центра Галактики, то есть между ним и нами полно разного «хозяйства». Так что, похоже, такие вспышки нам совсем не угрожают.
Однако около Стрельца А* есть и другие запасы газа. Рядом таятся обширные темные газовые облака с массой, больше чем в миллион раз превышающей массу Солнца. В настоящее время они стабильно обращаются вокруг центра Галактики... в настоящее время.
Если вы взглянете на изображения активных галактик, возможно, заметите закономерность: многие из них имеют, как бы это сказать, причудливую форму. Это не обычная спираль или эллипс. Астрономы считают, что это может объясняться недавними встречами с другими галактиками, «дорожными авариями» поистине галактических масштабов. При столкновении двух галактик от гравитационного взаимодействия газ и пыль могут устремиться в их центры, где любая сверхмассивная черная дыра будет с удовольствием пожирать эту добычу, что, в свою очередь, «включит» черную дыру, превращая только что бывшую спокойной галактику в активную.
Млечный Путь от такого не застрахован. В прошлом он поглотил много меньших галактик; более того, вероятно, что большинство крупных галактик, или даже все, увеличились в размерах, пожирая своих соседей. Раньше, когда Вселенная была меньше и галактики находились ближе друг к другу, встречи такого рода должны были быть более частыми. На деле, такие объекты, как квазары, находятся очень далеко, то есть мы видим их молодые годы в далеком прошлом. В те времена галактики пожирали галактики, и вероятно — даже возможно, — что все крупные галактики, включая нашу, в молодости были активными.
В последнее время столкновения галактик происходят гораздо реже, но все-таки происходят. Прямо сейчас Млечный Путь поглощает как минимум две малые галактики, но эти события не настолько значительны, чтобы пробудить нашу сверхмассивную черную дыру. В настоящее время около нас нет достаточно больших галактик на близком расстоянии (по крайней мере, в настоящее время; см. ниже), которые были бы способны на такое, поэтому, вероятней всего, угрозы того, что наша собственная Галактика станет активной, сейчас нет.
Разумеется, существует вероятность, что два облака, обращающихся вокруг черной дыры по разным орбитам, могли бы столкнуться, взаимно погасив скорость движения друг друга, и устремиться в пасть монстра. Если такое произойдет, черная дыра может «включиться» и оставаться активной тысячи лет, заливая Галактику колоссальными потоками рентгеновского излучения и субатомных частиц, как из пожарного шланга, но в космических масштабах.
Хорошие новости в том, что такое излучение будет направленным, как всплеск гамма-излучения. Вероятнее всего, эти лучи пойдут вверх и вниз относительно плоскости Млечного Пути, а значит, прочь от нас. В таком случае нам практически ничего не грозит.
Конечно, в некоторых галактиках ось черной дыры наклонена относительно плоскости, поэтому их лучи могут проходить сквозь звезды в диске галактики. Но это редкость, и, даже если бы сверхмассивная черная дыра в Млечном Пути была такой, шансы на то, что лучи попадут по нам, вероятно, составляют 1 к 30 или около того.
Лично я предпочел бы меньшие шансы, но, опять же, последовательность событий, в результате которых поток гамма-лучей от сверхмассивной черной дыры в сердце Млечного Пути направился бы прямиком на нас, сама по себе уже довольно сомнительна. Я думаю, мы в совершенной безопасности.
И прежде, чем у вас появится слишком сильное предубеждение относительно сверхмассивных черных дыр и их разрушительной мощи, подумайте вот о чем: без них жизнь могла бы не зародиться.
Так как в центре каждой галактики находится большая черная дыра, вполне можно предположить, что черные дыры играют роль в образовании галактик. Более того, некоторые характеристики галактик — например, то, как звезды обращаются вокруг центра галактики, — похоже, зависят от массы центральной черной дыры. Вы, возможно, подумаете, что это естественно, учитывая, насколько велика черная дыра в центре, но помните: даже черная дыра с массой в миллиарды масс Солнца — это всего лишь крошечная доля от всей массы галактики! Масса Млечного Пути — не меньше 200 млрд солнечных масс, поэтому в нашей собственной сверхмассивной черной дыре заключается всего 0,002% от общей массы.
Теорий множество, но, вероятно, сверхмассивная черная дыра в каждой галактике возникла одновременно с образованием галактики. Когда появились звезды и материя, составляющая галактику, устремилась к центру, черная дыра начала поглощать массу, становясь активной и выдувая колоссальные ветра из частиц и энергии. Эти ветра, должно быть, оказывали мощное воздействие на галактику вокруг дыры, возможно даже сокращая размеры самой галактики в процессе ее образования. Они также повлияли на процесс образования звезд и их химический состав.
Несомненно, черные дыры могут нас убить, причем самыми интересными и изощренными способами. Но в целом, возможно, мы обязаны им своим существованием.
Помните: когда вы долго смотрите в бездну, иногда она начинает смотреть на вас.
Штамм «Андромеда»
В нашем галактическом турне есть еще одна опасная остановка, и, строго говоря, опасность эта исходит не от нашей Галактики. Но с участием Млечного Пути, и, честно говоря, это слишком круто, чтобы просто пройти мимо.
Как мы обсуждали ранее, наша Галактика не одинока. Как большой город окружен малыми, так и в нашей Местной группе обретаются несколько меньших галактик. Но в Местной группе также есть еще одна крупная галактика — галактика Андромеды. Она чуть массивнее по сравнению с Млечным Путем — как Миннеаполис по сравнению с нашим Сент-Полом. Из нас двоих, мы полностью доминируем в Местной группе.
Оценки разнятся, но, вероятнее всего, Андромеда находится на расстоянии примерно 2,5 млн световых лет от нашей собственной Галактики. Так как каждая из двух галактик примерно 100 000 световых лет в диаметре, с точки зрения масштабов они уникальны: расстояние между ними не намного больше, чем их размеры. Звезды находятся невероятно далеко друг от друга по сравнению с их размерами, и то же можно сказать о планетах. Но галактики большие и могут находиться близко друг к другу... а это означает, что они могут взаимодействовать.
Астрономы измерили относительные скорости движения двух галактик, и похоже, что эту пару связывает взаимное притяжение. Более того, существует четкий признак того, что две галактики исполняют парный танец.
Насколько можно сказать, почти все большие галактики во Вселенной мчатся прочь от нас. Подробности здесь не важны — в следующей главе их в изобилии, — но это означает, что со временем все большие галактики во Вселенной удалятся от нас... кроме одной. Вы догадались: это Андромеда. Ближайшая к нам большая спираль уникальна, потому что она направляется к нам.
По сути, она мчится к нам на всех парах: скорость ее движения по направлению к Млечному Пути составляет примерно 190 км/с, а это довольно быстро (если придерживаться нашей аналогии с городами, пока вы читали это предложение, галактика Андромеды прошла бы расстояние от Нью-Йорка до Бостона). Проблема заключается в том, что ее поперечная скорость, ее боковое смещение относительно нас точно неизвестны. Представьте это так: если вы стоите на улице и на вас мчится машина, дела плохи. Но, если машину достаточно быстро заносит в сторону, она вас не заденет. На том расстоянии от нас, на котором она находится сейчас, поперечная скорость даже в сотни километров в секунду в телескопе выглядит как совершенно крошечное смещение. Однако с большой долей уверенности можно предположить, что ее поперечная скорость примерно такая же, как и скорость движения на нас, и ряд теоретических моделей подтверждает это. Этого недостаточно, чтобы полностью исключить столкновение с нами.
Поэтому со временем Андромеда и Млечный Путь обязательно налетят друг на друга. Что тогда произойдет?
Два астронома решили это выяснить. Томас Кокс и Абрахам Лёб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики смоделировали взаимодействие между двумя гигантами за несколько миллиардов лет. Результаты не сулят нам ничего хорошего.
При сближении две галактики устремляются друг к другу с ускорением. Они начинают сближаться все быстрее и быстрее, пока наконец не столкнутся примерно через 2 млрд лет. Столкновение будет практически призрачным — звезды настолько далеки друг от друга что, по сути, две галактики пройдут прямиком одна сквозь другую. Шансы на то, что какие-то две звезды окажутся достаточно близко и физически столкнутся, практически равны нулю.
При большинстве столкновений галактик, которые мы наблюдаем сегодня, у участников происходит резкий рост числа образующихся звезд. Это объясняется тем, что газовые облака, в отличие от звезд, очень большие, поэтому при обычном столкновении галактик шанс на столкновение облаков — многочисленные столкновения — это фактически реальность. Когда сталкиваются облака, происходит их коллапс и образуются звезды. Многие из этих звезд — массивные и горячие, поэтому они освещают окружающий их газ. Сегодня галактические столкновения во Вселенной объявляют о себе, вспыхивая как неоновые вывески.
Однако из модели Кокса и Лёба следует, что, когда Млечный Путь и Андромеда сольются через несколько миллиардов лет, большая часть газа, существующего сейчас в двух галактиках, уже будет израсходована, из него образуются новые звезды. В отличие от других галактических столкновений, во время нашего никакой вспышки звездообразования не будет. Поэтому для нас это столкновение не будет слишком опасным: отсутствие вспышек звездообразования означает отсутствие гигантских скоплений массивных звезд, облучающих свою округу, и никаких волн от взрывов сверхновых, разрушающих все вокруг.
Тем не менее это не означает отсутствие драматических эффектов. При столкновении искажается форма галактик. В настоящее время как Млечный Путь, так и Андромеда представляют собой огромные спирали с великолепными ветвями. Но представьте, что вы звезда на окраине галактики со стороны Андромеды. По мере приближения другой галактики вы начинаете ощущать действие ее сил тяготения, и в один прекрасный момент ее притяжение сравнивается с притяжением вашей родной галактики. Однако звезда, находящаяся с другой стороны Млечного Пути, будет ощущать гораздо меньшее притяжение, так как она находится гораздо дальше от Андромеды. От этого галактики будут удлиняться, растягиваться как тянучка, образуя длинные щупальца, называемые приливными течениями.
За миллионы лет две галактики пройдут одна сквозь другую, скользя по изогнутой траектории (в зависимости от того, насколько велика поперечная скорость). За ними будут тянуться два длинных хвоста из звезд, газа и пыли, образуя светящиеся щупальца длиной в сотни тысяч световых лет. Из какой-нибудь далекой галактики наши две выглядели бы как странная парочка морских чудищ, сражающихся не на жизнь, а на смерть (или, может быть, спаривающихся).
Галактики будут проходить одна сквозь другую на слишком низкой скорости, поэтому не смогут увернуться от крепкой хватки партнера. Спустя примерно еще 1 млрд лет они вернутся друг к другу, повторив последовательность, и снова, менее чем еще через миллиард лет. Наконец, спустя примерно 5 млрд лет от сегодняшнего дня две галактики окончательно сольются. Их ядра объединятся, а вещество, выброшенное в длинные хвосты, перейдет на устойчивую орбиту. Вместо двух спиралей после слияния образуется единая гигантская галактика эллиптической формы — Кокс и Лёб назвали ее Млекомеда (полагаю, что название Андромепуть было слишком похоже на название какого-то лекарства). Вероятно, многие из гигантских эллиптических галактик, которые мы видим на небе, образовались после таких массивных слияний; это «груды металлолома», оставшегося после космических столкновений.
Но вернемся к Солнцу. Что будет происходить с нами все это время?
Примечательно, что все это событие происходит в течение жизни Солнца. Несмотря на то что к тому времени, когда все закончится, Солнце, возможно, будет красным гигантом (см. главу 8), оно все еще будет существовать. Может быть.
С помощью модели Кокса и Лёба можно сделать некоторые прогнозы о судьбе Солнца. Они обнаружили, что после первого прохода двух галактик у Солнца есть большой шанс остаться в диске Млечного Пути. Однако существует небольшая вероятность (примерно 12%) того, что его выбросит в один из длинных приливных хвостов. Это не страшно, и более того (как мы скоро увидим), для нас это может оказаться самым безопасным местом. А какой вид! Из того выгодного положения мы будем смотреть на столкновение, происходящее под нами, и практически никакая пыль не будет заслонять нам это зрелище. У нас будут места в ложе на одном из колоссальнейших событий во Вселенной.
С каждым следующим проходом двух галактик шанс на то, что Солнце будет выброшено из Млечного Пути, становится выше. К тому моменту, когда ядра галактик сольются, вероятность того, что Солнце будет находиться на расстоянии больше 100 000 световых лет от центра объединившихся галактик, составляет 50% (а шансы на то, что мы будем на расстоянии не менее 65 000 световых лет от центра, выше, чем три к двум). В настоящее время от нас до центра Млечного Пути 25 000 световых лет, так что это существенное изменение.
Более того, во время слияния существует небольшая вероятность (менее 3%) того, что мы окажемся с другой стороны и привяжемся к галактике Андромеды! Хотя вероятность такого очень мала, это поразительная идея. При столкновениях звезды обычно бывают преданными и остаются с теми, с кем пришли, но некоторые при случае оказываются перебежчиками.
Есть и другая возможность: существует небольшой, но реальный шанс (менее 1%), что Солнце сместится к центру системы. Если бы такое произошло, Солнце могло бы оказаться всего в нескольких световых годах от объединившихся ядер двух галактик, и это было бы очень, очень плохо.
Помните, все крупные галактики имеют черные дыры в центре. Андромеда — не исключение: в ее сердце таится черная дыра гораздо больших размеров, чем наша, в 30 млн раз больше массы Солнца (наша всего в 4 млн больше). При объединении ядер две чудовищные черные дыры сольются и возникнет одна черная дыра с массой в 34 млн масс Солнца. Даже 1% вероятности того, что мы окажемся поблизости от такого монстра, — это чуть больше того, что мне бы хотелось. Даже если нам посчастливится и черная дыра не проглотит нас, есть и другая проблема: газ.
Хотя во время и после слияния галактик для образования новых звезд будет слишком мало газа, для «включения» сверхмассивной черной дыры и превращения галактики в активную его требуется гораздо меньше. Несмотря на то что Кокс и Лёб конкретно это не рассчитывали, из их моделей следует, что при слиянии часть массы направится к центру, где может образовать аккреционный диск, который будет поглощаться черной дырой. Как вы, возможно, помните, многие активные галактики, испускающие мощные потоки излучения и материи, имеют необычную форму, что свидетельствует о том, что не так давно они пережили столкновение.
Если бы это было так, тогда наша Галактика — только теперь это будет Млекомеда — вновь станет активной. Сверхмассивная черная дыра в ядре будет испускать потоки материи и энергии, и, если Солнце окажется не в том месте не в то время... ну, вы знаете, что произойдет с нами: в главе 5 мы обсуждали такие лучи, испускаемые черной дырой. Теперь вообразите, что они в тысячи раз мощнее, а мы находимся у них на пути. Если Солнце сместится к ядру новой галактики, а у сверхмассивной черной дыры, находящейся там, вдруг случится припадок, тогда нам предстоит очень неприятная поездка. Тем не менее, если Солнце будет выброшено на расстояние 100 000 световых лет от ядра к периферии, тогда шансы пересечься с одним из тех лучей довольно малы... и работа Кокса и Лёба свидетельствует о том, что вероятность того, что мы направимся прочь, а не к центру, гораздо выше.
Разумеется, мы говорим о том, что произойдет где-то через 5 млрд лет. Говорят, что вся политика — дело локальное, и, если мы все еще будем существовать, вероятно, мы будем заниматься звездой, собирающейся превратиться в красный гигант и белого карлика. Когда в местных делах такой хаос, у кого есть время волноваться о жуликах из большого города и о том, чем они где-то там занимаются?
