Благодаря отважным исследователям, поднявшимся высоко в небо, чтобы провести свои опыты в 1911–1912 годах, мы узнали, что чем выше вы поднимаетесь, тем сильнее становится электропроводность воздуха. Отважный Виктор Гесс из Института исследований радия Венской Академии наук отнес этот эффект на счет того, что он называл «высотной радиацией», die Höhenstrahlung. Роберт Милликен из Чикагского университета ошибочно полагал, что это гамма-лучи, и переименовал виновника, то есть космические лучи, в «сверхрентгеновские», по аналогии с уже открытым радиоактивным излучением. Вскоре выяснилось, что это заряженные частицы, в том числе и некоторые виды, неизвестные ранее.

В течение сорока лет космические лучи находились в авангарде фундаментальной физики, щедро одаривая ученых Нобелевскими премиями. Когда почти все субатомные частицы, полученные с помощью ускорителей, были открыты, эстафетная палочка по изучению космических лучей перешла к тем исследователям космоса, у которых была возможность «перехватить» их в первозданном виде за пределами атмосферы. За изучение происхождения и роли этих частиц на космической кухне взялись астрономы. Наконец-то появилась возможность с большой долей уверенности описать полную историю приключений космических лучей, начиная с взрывного рождения первичных лучей до того момента, когда вторичные космические лучи пройдут сквозь воздух и наши тела и «растворятся» в геологических породах.

Поиски космических гнездовий

В 2003 году на одной широкой африканской равнине около города Виндхук (Намибия) близилась к завершению работа по созданию группы из четырех необычных телескопов. Но даже до того, как был готов последний из них, телескопы, работающие попарно, смогли увидеть, как происходит образование заряженных частиц на космических «фабриках» — в остатках взорвавшихся звезд. Ученые давно это предполагали, но, пока не появились новые результаты из Африки, подтверждений тому было недостаточно.

Трудность в том, что космические лучи — это заряженные частицы. Магнитные поля в Галактике и в непосредственной близости от Солнца и Земли заставляют их отклоняться от первоначального пути. И к тому времени, когда мы можем обнаружить эти частицы по соседству с нами, они поступают равномерно с разных сторон. Направление их движения говорит нам не больше о том, откуда они начали свой путь, чем полет мясной мухи.

Астрономы все же не теряли надежды отыскать места зарождения космических лучей. Когда частицы сталкиваются с атомами в космическом пространстве, они в том числе производят гамма-лучи. То есть там, где сконцентрировано много космических лучей, там гамма-излучение должно быть сильнее. И так как гамма-лучи — это форма света, они летят из своего источника к Земле по прямой, как и любой другой видимый свет.

Обычное космическое гамма-излучение, испускаемое радиоактивными элементами, могут зафиксировать наши спутники. В отличие от него гамма-лучи, выходящие из «фабрик по производству космических лучей», должны быть в тысячу раз сильнее. Чтобы их обнаружить, нужны большие телескопы, способные уловить отблески излучения в небе. Когда космические лучи вонзаются в атмосферу, они разгоняют электроны до скорости большей, чем скорость света в воздухе, и те в свою очередь производят ударные световые волны.

Телескоп обсерватории «Уиппл» (Аризона) был специально сконструирован для обнаружения таких ударных волн, и в 1989 году он первым уловил высокоэнергетические гамма-лучи, идущие от остатков сверхновой. Это была хорошо известная Крабовидная туманность в созвездии Тельца, где в 1054 году взорвалась сверхновая звезда. Но тогда телескоп не смог определить направление, откуда пришли космические лучи, во всяком случае, он определил его недостаточно точно, и астрономы так и не смогли сказать, в какой конкретно части увеличивающегося облака Крабовидной туманности образуются гамма-лучи.

Это открытие воодушевило специалистов, но так как они надеялись добиться большего, ученые взялись за усовершенствование своих инструментов. Одним из таких инструментов и стал четырехзеркальный телескоп в Намибии, названный «ГЕСС» в честь открывателя космических лучей. Над проектом трудились ученые из Германии, Франции, Англии, Чехии, Ирландии, Армении, Южной Африки и Намибии.

Когда часть зеркал была завершена, их направили на остатки сверхновой в созвездии Скорпиона, предположительно такого же возраста, что и Крабовидная туманность. Так как сейчас много астрономических объектов, остаток сверхновой в созвездии Скорпиона получил имя, похожее на номер автомобиля: RXJ1713.7–3946,— если его расшифровать, оно укажет на положение объекта в небе. После десяти часов наблюдений астрономам удалось получить снимок небесного тела, впервые обнаруженного при помощи высокоэнергетических гамма-лучей.

Изображение остатков сверхновой получилось очень отчетливым. При этом их форма, размер и другие детали совпадали с тем, что можно было увидеть на сделанных ранее рентгеновских снимках. В частности, гамма-лучи были более интенсивными на одной стороне оболочки, где она сталкивается с относительно густым облаком межзвездного газа. Именно там теоретики предсказывали наличие наибольшего количества заряженных частиц.

RXJ1713.7–3946 — довольно крупное образование, и хотя оно лежит в 3000 световых лет от нас, с Земли этот объект «выглядит» больше, чем Луна.

Пола Чадвик из университета Дарема с восторгом рассказывала о первых результатах, добытых «ГЕССом»:

«Полученная фотография — это действительно большой шаг по направлению к гамма-лучевой астрономии, а остатки сверхновой — самый восхитительный для фото-сессии объект. Если бы ваши глаза были чувствительны к гамма-излучению, то, находясь в Южном полушарии, вы бы смогли видеть огромное кольцо, ярко пылающее в небе каждую ночь».

А мы добавим, что, если бы вы также были способны видеть космические лучи, а не просто представлять их себе, вы бы увидели, как они выстреливают из светящегося кольца во всех направлениях и, вибрируя, прокладывают свой путь через Галактику, послушно следуя всем указаниям ее магнитных полей. Но так как этому объекту исполнилась всего лишь тысяча лет, RXJ1713.7–3946 едва лишь приступил к образованию космических лучей.

Из пепла

Хотя «сверхновая» вроде бы означает, что звезда «новая», на самом деле она уже давно существует на небе, просто в один прекрасный момент звезда внезапно вспыхивает и становится более заметной для наблюдателей. Звезда разрушается в процессе катаклизма, о чем говорит ее необыкновенно мощное сияние. Существует много разных видов сверхновых, но главные «поставщики» космических лучей — звезды типов II и lb, масса которых намного превышает массу Солнца. В глубине Солнца ядерная печка переплавляет водород в гелий и тем самым вырабатывает энергию, поддерживающую жизнь на Земле. Когда большая часть водорода в ядре Солнца будет сожжена, начнет гореть гелий, синтезируя углерод и кислород. Так ведет себя любая звезда размером с Солнце. Сбросив свою оболочку в виде красивейшей планетарной туманности, само ядро превратится в белого карлика — маленькую, мертвую, медленно затухающую звезду.

В более массивных звездах ядерное горение — в виде реакции синтеза — идет дальше. Сильная гравитация приводит к сжатию ядра, его температура возрастает так, что начинают «гореть» углерод и кислород, производя на свет — или, правильнее сказать, «в свете ядерного пламени» — более тяжелые элементы. В конечном итоге слияние ядер кремния порождает железо, и на этом энергия ядерной печки достигает своего предела. Тепло больше не выделяется, у звезды не остается сил, чтобы сопротивляться давлению гравитации, железное ядро коллапсирует, и все остальное звездное вещество рушится на него.

Поскольку внезапно высвобождается огромное количество энергии, верхние слои звезды отбрасываются наружу. Армии призрачных частиц, называемые нейтрино, взрывным манером выталкивают большую часть звездного вещества в окружающее пространство. А тем временем реакция синтеза, подстегнутая высвобожденной энергией, создает химические элементы тяжелее железа — по всей линейке, вплоть до золота, урана и даже далее.

Несколько недель сверхновая светит с силой миллиардов солнц. В этом случае мертвое ядро становится не белым карликом, а более плотным объектом, нейтронной звездой. Небо усеяно нейтронными звездами, и каждая означает смерть своей крупной предшественницы. Когда эти звезды молоды, они часто заявляют о своем существовании, посылая пульсирующие радиосигналы, поэтому они называются пульсары. Крабовидная туманность, самый известный остаток сверхновой, все еще хранит свой пульсар среди звездных обломков. Во многих других случаях пульсар получает легкий толчок в бок и ускользает, оставив развалины звезды позади, — как поджигатель, покидающий место преступления.

Распыленное до отдельных атомов вещество взрывной волной свободно расходится в космосе со скоростью в тридцать раз меньшей, чем скорость света, то есть 10 тысяч километров в секунду. В результате оно обладает колоссальной кинетической энергией, и приблизительно одна пятая этого вещества в конце концов будет преобразована в космические лучи, путешествующие со скоростями, близкими к скорости света. Но этот процесс требует времени.

По-настоящему образование космических лучей начинается только тогда, когда распыленное до атомов вещество становится таким же разреженным, как межзвездный газ, и встречает сопротивление с его стороны. Тогда вещество взорвавшейся звезды притормаживает и смешивается с атомами межзвездного вещества. Ударные волны становятся более интенсивными, а магнитные поля, связанные с ними, — более сильными.

Вот так в пределах разлетевшихся обломков сверхновой звезды и формируются «фабрики космических лучей». Немецкий и швейцарский астрономы, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, еще в 1934 году впервые выдвинули предположение, что источником космических лучей могут быть сверхновые звезды. Спустя 15 лет физик итальянского происхождения Энрико Ферми из Чикагского университета предположил, что заряженные частицы в космосе могут набирать энергию, если они отскакивают от движущегося магнитного поля. Представьте себе, как медленно летит резиновый мячик, когда его небрежно бросит ребенок, и как он отлетает на огромной скорости, стукнувшись о лобовое стекло проезжающей мимо машины.

Другие теоретики вскоре поняли, что ударная волна в остатках сверхновой создает особенно мощный ускоритель, так как неравномерные магнитные поля впереди и сзади ударной волны действуют как зеркало. Заряженные частицы, будущие космические лучи, отражаются то вперед, то назад и, каждый раз проходя сквозь ударную волну, постоянно накапливают энергию. Магнитные «зеркала» не дают частицам выйти, в то время как их ускорение продолжается. Когда они окончательно выберутся из остатков сверхновой, их скорость будет соответствовать той, какую могут придать частицам ускорители на Земле. Есть и такие, что двигаются в сотни раз быстрее, чем частицы, ускоренные в самых современных машинах, но таких относительно немного.

Так как водород самый распространенный элемент во Вселенной, большинство космических заряженных частиц — это протоны, ядра атомов водорода. Среди них, конечно, присутствуют и другие элементы: гелий, углерод, кислород и прочие — приблизительно в таких же пропорциях, в каких они представлены в Галактике, хотя излишек железа напоминает нам о том, что родина космических лучей — сверхновые звезды. Несмотря на такие нюансы, космические лучи — это всего лишь звездный мусор, быстро летящий через космическое пространство. Скорость даже самых медленных протонов составляет 90 процентов от скорости света. Впрочем, более быстрые их коллеги иногда приближаются к пределу скорости, но никогда не достигают его. Вместо этого их кинетическая энергия выражается в дополнительной массе.

В Институте астрономии Венского университета Эрнст Дорфи пытался выяснить, в какой степени временной режим событий, происходящих в сверхновой, зависит от силы взрыва и плотности окружающего ее газа. Расчеты Дорфи показывают, что обычно остатки прекращают расширяться приблизительно через двести лет после взрыва. Половина кинетической энергии идет на подогрев газа в остатках сверхновой в течение двух тысяч лет. К этому времени образование космических лучей уже идет полным ходом, и оно продолжает набирать обороты, пока не достигнет своего пика через тысячу столетий, после чего продолжается уже сотни тысяч лет.

Приблизительно через миллион лет остаток сверхновой, растратив большую часть энергии, теряет и свои уникальные черты, и лишь блуждающая нейтронная звезда напоминает о некогда сверкнувшем огромном голубом бриллианте. Меж тем многим другим уготована такая же судьба. Единовременно тысячи остатков сверхновых заняты тем, что раздают свои подарки в виде химических элементов и осыпают Млечный Путь галактическими космическими лучами.

Определение «галактические», кстати, позволяет отделить их от других высокоскоростных частиц, о которых вы, возможно, слышали. Космические лучи сверхвысоких энергий довольно редки и, вероятно, зарождаются в других галактиках. Солнечные космические лучи относительно слабы и появляются вследствие взрывов на Солнце. Их часто называют солнечными протонами, и они опасны для астронавтов и космических кораблей, но на земной поверхности вряд ли имеют какое-либо значение. Аномальные космические лучи также незначительны. Они исходят от дальних ударных волн в магнитном поле Солнца и представляют интерес только для ученых в области космонавтики.

Когда бы ни появлялись космические лучи в нашей истории, мы подразумеваем обычный галактический вид. Они прибывают из внешнего космоса как первичные космические лучи и, бомбардируя нашу атмосферу, производят частицы, называемые вторичными космическими лучами. Именно они — представители галактических гостей со взорвавшейся звезды — проносятся сквозь вас дважды в секунду даже сейчас, когда вы читаете этот абзац.

Не просто бесполезная добавка

Долгое время большинство астрономов смотрели на космические лучи как на любопытный, но малозначительный побочный продукт смерти звезд, все равно что мусор, оставшийся после похорон. К концу двадцатого века появилась совершенно иная концепция, которая в 2001 году получила свое отражение в манифесте Кати Ферье из Обсерватории Миди-Пиренеи (Тулуза). Во вступительных строках автор отводит космическим лучам достойное место в схеме астрономического порядка вещей:

«Звезды нашей Галактики — традиционно обозначаемой с прописной буквы, чтобы отличить ее от бесчисленного количества других галактик, — расположены в чрезвычайно разреженном пространстве, так называемой „межзвездной среде“ (МЗС), состоящей из обычного вещества, релятивистских заряженных частиц, известных как космические лучи, и магнитных полей. Эти три важнейшие составляющие — по давлению, ими оказываемому, — вполне сопоставимы, и они тесно связаны друг с другом электромагнитными силами».

Космические лучи покидают свои пенаты в остатках сверхновой и разгоняются до скорости, близкой к световой, так что можно было бы ожидать, что они быстро покинут нашу Галактику и унесутся дальше во Вселенную. Наиболее энергичные из них так и поступают, но большинство заряженных частиц путешествуют туда-сюда в пределах Галактики на протяжении миллионов лет, подобно рыбам, плавающим в широком, но очень мелком озере.

Диск ярких звезд, который мы видим с ребра и называем Млечным Путем, стиснут с обеих сторон гравитацией. Силовые линии сплющенного растянувшегося магнитного поля прокладывают себе путь через весь диск. По сравнению, скажем, с геомагнитным полем оно очень слабое, но трудится на протяжении многих тысяч световых лет и вынуждает блуждающие заряженные частицы следовать вдоль силовых линий в пределах диска. Напряженность поля и количество сопутствующих ему космических лучей — величины не постоянные, все зависит от конкретной области Галактики. Солнце и Земля вечно находятся в движении, поэтому и показания «счетчика» космических лучей также все время меняются.

Если космические лучи пытаются вырваться, поле почти всегда возвращает их назад, в Галактику. Как они в конечном итоге просачиваются в межгалактическое пространство — пока неясно. Обитателям нашей планеты сильно повезло, что многим частицам, собственно, и составляющим космические лучи, удается сбежать, — иначе их накопилось бы столько, что жизнь на Земле была бы невозможна. Средняя продолжительность существования космических лучей — от 10 до 20 миллионов лет. Их запас обновлялся сотни раз, с тех пор как родилась наша планета, но количество заряженных частиц не оставалось постоянным в течение этого времени. Меняется число взрывающихся звезд — меняется поток космических лучей, и мы можем связать всплески звездной рождаемости с экстремальными переменами климата в долгой истории Земли.

Космические лучи находятся рядом так давно, что они не могли не стать активным участником в том алхимическом действе, в процессе которого непрерывно формируются новые звезды и планеты. Благодаря своей многочисленности и кинетической энергии заряженные частицы оказывают давление на газ, распределенный в пространстве между звездами. И еще они помогают галактическому магнитному полю сопротивляться силе гравитации, пытающейся прижать межзвездный газ к срединной линии диска, и если бы ей это удалось — она сделала бы его таким же плоским, как кольца Сатурна.

Межзвездный газ, магнитное поле и космические лучи — все они действуют сообща, но их содружество столь ненадежно, что иногда члены этого «коллектива» остаются беззащитными перед гравитацией, и та может локально изменять форму магнитного поля, а следовательно, направление космических лучей. В результате гравитации удается загнать около половины межзвездного газа в относительно плотные облака. Однако нельзя сказать, что космические лучи и магнитное поле сопротивлялись напрасно — именно благодаря этому сопротивлению газовое облако получается небольшим и достаточно плотным, чтобы впоследствии из него образовалась звезда.

В Галактике есть темные острова, которые не дают рассмотреть звезды, скрывающиеся за ними. Это облака пыли, где межзвездный газ состоит из каменных, ледяных и смолоподобных частиц. Такие облака служат родильными палатами для новых звезд и сопутствующих им планет. Но прежде чем роды состоятся, химическим реакциям предстоит проделать большую работу, и здесь космические лучи вновь начинают играть жизненно важную роль.

На открытых, прозрачных участках Галактики химическими реакциями дирижирует ультрафиолетовое излучение звезд. К первоначальному сырью в виде водорода и гелия присоединяются элементы, выпущенные умирающими звездами или донесенные волной со сверхновых. Они соединяются и становятся различными веществами: от воды до молекул углерода в форме футбольного мяча, называемых «бакиболы». Но у ультрафиолетовых лучей есть неприятная привычка быстро разрушать то, что было так же быстро создано.

Только под охраной пылевого облака, где вуаль из камней, льда и смолоподобных частичек защищает продукты химических реакций от ультрафиолета, элементы становятся более устойчивыми и разнообразными по составу. И здесь космические лучи, как главные химики облаков, принимают от ультрафиолета бразды правления. Они отбирают электроны у молекул водорода и атомов гелия, и те начинают активно «общаться» с другими элементами, причем эти процессы длятся десятки тысяч лет. Возбужденный атом водорода, например, взаимодействует с атомами углерода и кислорода и создает одного из ведущих игроков космической химии — моноокись углерода.

Теми или иными способами, слишком запутанными, чтобы приводить их здесь, космические лучи поделили полученный кредит, чтобы хватило и на создание Солнца и Земли, и на обогащение нашей планеты водой и углеродными компонентами из межзвездного пространства. Вот так оказалось, что космические лучи — это не просто побочный продукт смерти сверхновых или сторонний наблюдатель в жизненном цикле звезд, а активный участник событий.

От открытия Виктора Гесса до манифеста Кати Ферье прошло девяносто лет — столько времени понадобилось астрономам, чтобы очень не спеша прийти к высокой оценке роли космических лучей и осознать, что они участвуют в формировании галактик. Так что, возможно, надо быть терпеливыми с теми учеными, кто все еще воображает, что третья планета какой-то непримечательной звезды слишком значительна для того, чтобы на нее хоть сколько-нибудь ощутимо могли влиять никчемные маленькие частицы из внеатмосферного пространства.

Как матерь-звезда нас защищает

Рои космических лучей активно вторгаются в окрестности Солнечной системы, их совокупная мощность примерно в два раза превышает силу всего звездного света, который мы видим с Земли. Но, повторим, мы — счастливчики. Цепляясь, как дети, за материнскую юбку Солнца, планеты находят укрытие внутри огромного магнитного поля, которое отбивает около половины космических лучей назад, к звездам.

Открытие и исследование солнечного ветра помогло нам понять, как звезда-родительница защищает нас. Солнечный ветер — это непрерывные потоки заряженных частиц, именно они обеспечивают материальную связь между Солнцем и средой, окружающей Землю в космическом пространстве. Любое представление о том, что Солнце — это всего лишь далекий светящийся шар в небе, окончательно устарело. Мы живем внутри его далеко простирающейся атмосферы, стянутой магнитным полем. В 1958 году молодой физик из Чикагского университета Юджин Паркер впервые предсказал существование солнечного ветра, замечательно угадав многие детали. Ведущие специалисты, как он вспоминает, отнеслись к его идее с насмешкой.

 

«Они сказали мне: „Паркер, если бы вы хоть сколько-нибудь разбирались в предмете, вы никогда даже не предположили бы такого. Нам давно доподлинно известно, что межпланетное пространство — это глубокий вакуум, лишь иногда пронзаемый лучами высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем“».

 

Однако прошло не более четырех лет, как данные, полученные космическим аппаратом, полностью подтвердили еретическую теорию Паркера о солнечном ветре и многие предугаданные им характеристики. С 1960-х годов изучение солнечного ветра прочно вошло в основные задачи космических исследований, кульминацией которых стал запуск в 1990 году космического аппарата «Улисс» совместного производства Европейского космического агентства (ЕКА) и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). «Улисс» — впервые в истории — дважды обошел Солнце по большой орбите над полюсами нашего светила. Благодаря этому полету ученые смогли скорректировать одни представления о солнечном ветре и обосновать другие.

Так как Солнце состоит в основном из водорода, в составе солнечного ветра преобладают протоны. Там также присутствуют положительно заряженные ионы многих других элементов и отрицательно заряженные электроны в количестве, достаточном для того, чтобы сохранить газ электрически нейтральным. Солнечный ветер тащит с собой магнитное поле Солнца, и таким образом межпланетное пространство наполнено вечно движущимся магнетизмом, готовым сразиться с космическими лучами.

Солнечный ветер «дует» со скоростью приблизительно 350 или 750 км в секунду, это зависит от того, из какой области Солнца он исходит. Даже самый быстрый воздушный поток намного медленнее, чем космические лучи. Частицы солнечного ветра пересекают земную орбиту через несколько дней после того, как покинут солнечную атмосферу. А затем они продолжают свой полет прочь от Солнца, летят и год, и два, раздувая в межзвездном пространстве огромный пузырь, называемый гелиосферой.

Наконец солнечный ветер, распространившись вдаль и вширь, настолько истощается, что межзвездный газ может успешно сопротивляться ему. Тогда солнечный ветер останавливается. Это происходит на расстоянии, приблизительно равном пяти расстояниям до Нептуна, самой далекой из основных планет. Граница Солнечной империи так удалена, что свету или любой свободной заряженной частице нужно около двадцати часов, чтобы добраться до нее, в то время как путь от Солнца до Земли занимает всего восемь минут.

Размер гелиосферы зависит от того, как сильно или, напротив, слабо солнечный ветер дул в течение предыдущих двух лет. Когда на Солнце мало темных пятен, портящих его светлый лик, это говорит о том, что оно находится в относительно спокойном состоянии. В такие времена плотность солнечного ветра падает, но, поскольку его средняя скорость возрастает, ударное давление проталкивает внешнюю границу гелиосферы немного дальше.

На протяжении миллионов лет Солнечная система иногда сталкивается с облаками межзвездного газа, в сто раз более плотного, чем тот, что окружает ее сегодня. Тогда возросшее давление сжимает и сжимает гелиосферу до тех пор, когда она уже не может раздуться даже до внешних планет. С другой стороны, когда Солнце было еще в младенческом возрасте, солнечный ветер был намного сильнее нынешнего, и гелиосфера простиралась много дальше.

Империя Солнца простирается далеко за пределы планетных орбит, образуя огромный пузырь, который именуется гелиосферой. Этот пузырь «надувается» беспрестанными потоками солнечного ветра. В силу того, что этот ветер «дует» по-разному, магнитное поле Солнца неоднородно, однако оно отбрасывает множество космических лучей, приходящих из Галактики. Когда этот солнечный щит ослабевает, на Землю попадает больше космических лучей.

Солнце совершает оборот вокруг своей оси за четыре недели, и в результате магнитное поле, влекомое солнечным ветром, наполняет гелиосферу движущимися силовыми линиями спиральной формы. Около Земли они отклоняются от направления на видимое Солнце на 30–45 градусов к востоку. Однако основную работу по отклонению и зачастую отражению космических лучей выполняют не эти регулярные силовые линии. На Солнце иногда возникают интенсивные, но маломасштабные возмущения магнитного поля, которые рассеивают космические лучи и дают возможность солнечному ветру увлечь их с собой — в определенной степени, разумеется.

Одна из причин ударных волн, создающих эти возмущения, — столкновения между быстрыми и медленными потоками солнечного вещества, идущими из различных областей нашего светила. Еще одна причина — магнитные взрывы в солнечной атмосфере, которые выбрасывают гигантские клубы газа — их именуют «выбросы вещества», — проявляющиеся в виде сильных и внезапных «порывов» солнечного ветра. На Солнце бывает штормовая погода, которая порой длится годами, — о ней говорят многочисленные области высокой магнитной активности, иначе говоря, пятна на Солнце; в эти периоды ударных волн бывает много, и они очень сильны.

У Джона Симпсона из Чикагского университета, «серого кардинала» проекта «Улисс» (точнее, той его части, которая отвечает за прохождение аппарата по околосолнечной полярной орбите), была любимая аналогия для описания того, как трудно космическим лучам попасть внутрь Солнечной системы:

 

«Представьте, что вы скатываете теннисные мячики вниз по эскалатору, движущемуся вверх. Некоторые из них отскочат от ступеней. Теперь разгоните эскалатор побыстрее, чтобы изобразить возрастающую солнечную активность, и вы увидите, что к вам вернется гораздо больше теннисных мячей, — а до нижней ступени эскалатора доберется гораздо меньше».

 

И только около половины космических лучей проникнет внутрь Солнечной системы, туда, где Земля обращается вокруг Солнца. Большая часть того, что отсеивается, когда Солнце находится в своей наиболее активной фазе, — это частицы относительно низких энергий, так что они в любом случае были бы отброшены геомагнитным полем. Наземная станция, основанная Симпсоном в Клаймаксе (штат Колорадо), регистрировала поток космических лучей на протяжении половины прошедшего столетия, вычисляя среднемесячные значения. И согласно этим данным количество заряженных частиц умеренных энергий сокращается на 25–30 процентов, после того как ученые фиксируют максимумы солнечных пятен. Между максимумом солнечных пятен и минимумом космических лучей обычно проходит год или два, так как необходимо какое-то время, чтобы ударные волны прошли сквозь границу гелиосферы.

Последняя линия обороны

Проведя день или два в зигзагообразных движениях, пробравшись через все магнитные заслоны, поставленные на их пути солнечным ветром, некоторые заряженные частицы наконец достигают Земли. Предпоследняя трудность на их пути — это геомагнитное поле, служащее Земле щитом от незваных галактических гостей. Динамо-машина в расплавленном железном ядре нашей планеты отвечает за большую часть магнитного поля Земли, которое можно уподобить большому пузырю, существующему «внутри» солнечного ветра, или магнитосферы. «Порывы» солнечного ветра деформируют магнитосферу и вызывают магнитные бури на Земле, когда стрелки компасов кружатся в неистовом танце, а в небесах полыхают полярные сияния.

С 1868 года ученые наблюдают за изменениями магнетизма на противоположных концах Земли — в Гринвиче и Мельбурне. Регистрация усредненных данных по геомагнитному полю, так называемого аа-индекса, продолжается по сей день, теперь уже с использованием обсерваторий в Хартленде (Англия) и Канберра (Австралия). Попутно первопроходцы измеряли мощь солнечного ветра, и благодаря этим ученым у нас есть замечательные данные о связи между Землей и Солнцем, начиная со времен королевы Виктории. Однако в этих данных довольно много путаницы, в результате чего роль нашего магнитного поля в деле защиты планеты от космических лучей получается сильно преувеличенной.

Когда большой выброс с Солнца проходит мимо Земли, магнитосфера действует как зонтик. Количество заряженных частиц может внезапно снизиться на 20 процентов меньше чем за день и вернуться к норме лишь через несколько недель. Скотт Форбуш из Института Карнеги в Вашингтоне впервые открыл такие спады и считал, что их причина кроется в возмущениях магнитного поля Земли, тогда как на самом деле эти спады — единовременные побочные продукты тех самых выбросов на Солнце. Резкое понижение интенсивности космических лучей во время вспышек на Солнце получило название Форбуш-эффекта. Космические станции, посещающие другие области Солнечной системы, время от времени регистрируют такие явления, подтверждая, что Форбуш-эффекты — результат работы отдельных ударных волн в гелиосфере.

Добравшись до земного магнитного поля, частицы все еще движутся беспорядочно, как если бы они были мячи-нами в автомате для игры в пинбол. Но пройти через магнитный фильтр удается немногим. Высокоэнергетические частицы могут прорвать заслон в любом месте над Землей, но над Юго-Восточной Азией им понадобится больше энергии, чем над Бразилией и Южной Атлантикой, потому что магнитное поле распределено неравномерно. Слабым космическим лучам допуск в экваториальную зону не разрешен, поскольку именно там магнитное поле параллельно поверхности Земли. Частицам с наименьшей энергией либо вовсе отказывают в доступе, либо вынуждают их спускаться ближе к магнитным полюсам, где силовые линии круто искривляются и направляют космические лучи вовнутрь.

Жизнь первичных космических лучей, прибывающих из звездного пространства, обрывается внезапно — в тот момент, когда они вонзаются в земную атмосферу. Для них столкнуться с атмосферой равносильно тому, как если бы они врезались в массивную стену замка. Любому обитателю Земли воздух на высоте 25 километров покажется чрезмерно разреженным, однако он намного плотнее той среды, с которой частицам приходилось иметь дело в ходе длительного путешествия по Галактике, — иначе они не продержались бы так долго.

Когда высокоэнергетическая частица из племени космических лучей вонзается в земную атмосферу, она порождает целый ливень субатомных частиц разного вида. Почти все они задерживаются нашим воздушным щитом, и лишь немногие достигают низких высот. (По вычислениям, сделанным Фабианом Шмидтом с помощью программы «КОРСИКА», университет Лидса)

Марс — яркий пример того, насколько эффективно предохраняет нас атмосфера от космических лучей. Более бедная и разреженная атмосфера Марса защищает свою планету не лучше, чем земная на высоте свыше двадцати километров. Если космонавты выйдут на поверхность Марса, они окажутся беззащитными перед потенциально очень опасной космической радиацией и получат за один день дозу, какую жители нашей планеты получают за год. Космические агентства уже научились защищать электронику космического корабля от вредоносных космических лучей, и в 2005 году группа ученых НАСА, делая доклад о том, какому риску подвергнется здоровье человека на поверхности Марса, высказала свое сожаление следующим образом:

 

«Наиболее успешные примеры противодействия радиации — это исследовательские вездеходы, проработавшие на поверхности Марса более года… Мы намного лучше понимаем и умеем предотвращать воздействие радиации на электронику, чем на живые организмы».

 

Земная атмосфера останавливает практически все частицы — и высокоскоростные протоны, и ядра тяжелых атомов — задолго до того, как они приблизятся к земной поверхности. В результате атомных и ядерных взаимодействий, происходящих в воздухе, рождаются тучи вторичных космических лучей. Частицы продолжают сталкиваться между собой, и таким образом высокоэнергетические зачинщики могут производить ливень из миллионов или даже миллиардов заряженных частиц. Физики получают огромное удовольствие, наблюдая за сложным ходом событий, в котором участвуют гамма-лучи и множество субатомных частиц различных видов, но лишь очень немногим из этих частиц удастся попасть в нижние слои атмосферы.

Если судить по их поведению в контрольно-измерительных приборах, после первых ударов интенсивность космических лучей даже возрастает, так как рождается колоссальное количество вторичных частиц. В 15 километрах над землей интенсивность достигает своего пика, и частиц становится приблизительно в два раза больше, чем было первичных космических лучей, перед тем как они врезались в воздух. Воздушная преграда настолько эффективна, что до уровня моря дойдет лишь одна двенадцатая часть. Когда Виктор Гесс проводил свои исследования, поднимаясь на аэростате, он понял, что космические лучи, должно быть, поступают на Землю сверху, так как, чем выше он оказывался, тем больше их становилось.

Женщин, членов летного экипажа, часто освобождают от полетов, если они беременны, — чтобы защитить плод от возможного вредного воздействия межзвездного вещества. Самолеты несут своих пассажиров на высоте 10 километров над уровнем моря, а это в два раза выше, чем поднимался Гесс, проводя свои опыты. Те, кому приходится пролетать над полюсами, особенно беззащитны перед космическими частицами, съезжающими вниз по загнутой вниз горке земного магнитного поля.

Людям, живущим на высокогорьях, приходится мириться с повышенным радиационным фоном. На высоте 3600 метров над уровнем моря находится самая высотная столица в мире — Ла-Пас (Боливия), и там интенсивность космических лучей в двенадцать раз выше, чем в окрестностях Лимы в Перу, расположенной всего лишь в 150 метрах над уровнем моря. Около восьми миллионов людей обитают на высоких плато в Андах; инки и их предшественники безбедно жили там за тысячи лет до того, как туда пришли европейцы. Получается, что высокая радиация не всегда очень опасна.

Если говорить о мире в целом, то среднее значение космической радиации едва ли выше радиоактивности пищи или воды. И ее доля в общем диапазоне атомной радиации естественного происхождения, которой подвергаются люди, составляет лишь 16 процентов. Помимо того, что космические лучи усиливают естественную радиоактивность, нагревают планету и изменяют ее химический состав, они еще могут вызывать генетические мутации, что приводит к врожденным порокам и развитию опухолей, но вместе с тем делает возможной эволюцию видов. В последующих главах вы увидите, что космические лучи, изменяя климат, играют важную роль в эволюции.

«Кто это заказывал?»

В субатомной толчее, царящей в верхних слоях атмосферы, рождается всего лишь один вид заряженных частиц, способных в большом количестве достигать земной поверхности и терять при этом совсем немного энергии. Эти частицы именуются мюонами, и, что удивительно, физики не подозревали об их существовании до 1937 года. После неожиданного обнаружения новой частицы физик Исидор Раби из Колумбийского университета в Нью-Йорке озадаченно воскликнул: «Кто это заказывал?»

До той поры ни один атомный теоретик не догадался, что электрон, легчайшая заряженная частица, должен иметь старшего брата. Но мюон именно таков — он во всем похож на электрон, кроме двух параметров: его масса превышает массу электрона в двести раз, и это нестабильная частица. Мюоны возникают в результате распада пиона — ядерной частицы, образующейся в воздухе при самых первых ударах космических лучей. Мюон живет лишь две микросекунды, пока не сбросит два призрачных нейтрино и не станет обычным электроном.

Если бы вам было нужно изобрести субатомную частицу, чтобы она могла проскользнуть с секретным донесением от звезд через преграду земной атмосферы, вы не нашли бы лучшей кандидатуры, чем мюон. Обычные электроны не справились бы. Хотя электроны представлены и в первичных, и во вторичных космических лучах, они слишком легки, чтобы войти в воздушное пространство и затем склонить молекулы воздуха к обычному химическому взаимодействию. С другой стороны, протоны, намного более тяжелые частицы, и их нейтральные братья нейтроны с излишней готовностью вступают в связи с атомными ядрами в молекулах, быстро теряют энергию и увязают в бесконечных ядерных реакциях. Из полутора тысяч протонов и нейтронов, свободных на высоте 15 километров, только один достигает уровня моря.

Что касается лазутчика, вам нужна частица, не склонная вступать в реакции с чем-либо, довольно легкая в той мере, чтобы энергетика реакций в атмосфере производила такие частицы в массовых количествах, и обладающая достаточным количеством движения, чтобы выполнить миссию до конца и миновать молекулы воздуха, накидывающиеся на нее, словно гарпии. Мюон удовлетворяет всем требованиям. Пробираясь через атмосферу, он отвлекается только на атомы углерода, водородные соединения и молекулу воды, то есть «общается» лишь с избранной группой продуктов вещественной Вселенной, ее шедеврами, играющими ведущую роль в жизни планеты.

Чтобы окончательно вступить в законные права, мюонам потребуется помощь Альберта Эйнштейна. Их жизнь так коротка, что они успели бы пробежать лишь шестьсот метров по атмосфере без какой-либо надежды достичь Земли, если бы не релятивистская уловка, растягивающая время для высокоскоростных путешественников. Мюон двигается с околосветовой скоростью, но его внутренние часы идут так медленно, что позволяют растянуть чисто номинальную жизнь, длящуюся две микросекунды, в сто раз и даже больше. Благодаря этой поблажке мюоны уверенно продвигаются к уровню моря, где они составляют 98 процентов всех вторичных космических лучей. Остальные — это немногие уцелевшие протоны и нейтроны.

Мюоны продолжают свой путь сквозь воду и почву Земли. Когда физики отправляются на поиски наиболее неуловимых субатомных частиц, им необходимо избегать прямого облучения, поэтому ради своих экспериментов они спускаются в глубокие шахты и туннели. И там они находят некоторые устойчивые мюоны, которые дают о себе знать, издавая шум, регистрируемый приборами.

Для Свенсмарка мюоны — это космические частицы, сильнее всего воздействующие на климат. Ведь они достигают самых нижних слоев атмосферы и могут влиять на образование облаков, охлаждающих мир. Так что, когда Свенсмарк решил опровергнуть заявление, что космические лучи не могут быть виновниками изменений климата, он сосредоточил свое внимание на происхождении мюонов.

Подтверждение предчувствия

Предшествующая глава заканчивалась аргументом, который выдвинул Юрг Бер: значительное увеличение потока космических лучей не всегда приводит к изменению климата, доказательством чего служат данные об углероде-14 и бериллии-10. В качестве основного примера Бер привел событие Лашамп, произошедшее 40 тысяч лет назад, когда магнитное поле Земли почти исчезло и количество космических лучей резко возросло.

Этот парадокс воодушевил оппонентов Свенсмарка. И хотя в течение нескольких лет парадокс оставался червоточиной, подтачивающей саму суть гипотезы о космических лучах и климате, сам Свенсмарк догадывался, в чем тут может быть дело.

Он подозревал, что космические лучи, оставляющие позади себя изотопы углерода-14, бериллия-10 и другие «визитки», в каком-то важном аспекте отличаются от лучей, достигающих самых нижних слоев атмосферы. Это могло бы объяснить, почему отмеченные Бером колебания не вызывают увеличения количества низких облаков и, следовательно, перемен климата.

Это была довольно странная идея, больше похожая на молитву о спасении, а Свенсмарк, как мы увидим в следующей главе, был слишком поглощен осуществлением своего лабораторного эксперимента, и у него не было времени, чтобы прерваться и обосновать эту мысль. Только в 2006 году он смог уделить внимание этому вопросу, занимаясь исследованиями урывками, у себя дома. Ему даже пришлось привлечь к этой работе в качестве неоплачиваемого помощника своего сына Якоба, студента-физика.

Их семейному проекту помогло то обстоятельство, что как раз в эту пору начали возрождаться исследования космических лучей, включавшие в себя поиск частиц сверхвысоких энергий, которые прибывают из нашей или даже из других галактик. Космические лучи гигантских энергий щедро льются в атмосферу ливнем вторичных субатомных частиц. В западной Аргентине на огромной площади в 3000 квадратных километров расположилась мощная обсерватория «Пьер Оже», состоящая из многочисленных детекторов, и в 2005 году многонациональный коллектив обсерватории уже праздновал первые полученные результаты.

Другие страны разместили у себя более скромные обсерватории для изучения широких атмосферных ливней частиц. К их числу относится «КАСКАД» в Германии — решетка из 252 станций, оборудованных измерительной аппаратурой. Его название представляет собой аббревиатуру и означает: «Матричный детектор для изучения атмосферных ливней в Карлсруэ». В 1989 году научно-исследовательский центр в Карлсруэ разработал компьютерную программу, позволяющую отслеживать поведение космических лучей в атмосфере, и с тех пор Дитер Хек постоянно ее совершенствует. У этой программы есть собственный акроним — «КОРСИКА». Предназначение «КОРСИКИ» — рассчитывать сложные изменения на субатомном уровне и реакции, происходящие после того, как первичные космические лучи вонзятся в земную атмосферу. В расчет берется и то, что по мере продвижения частицы к земной поверхности увеличивается плотность воздуха, и то, что на частицу воздействует земное магнитное поле.

Более ста лет физики собирали сведения о десятках различных видов субатомных частиц, и теперь эти данные были заложены в компьютерную программу. В поведении частиц есть большой элемент непредсказуемости — когда, например, они распадаются или когда взаимодействуют с другими частицами. «КОРСИКА» тщательно проверяет большое количество разнообразных возможностей, используя случайные числа, генерируемые компьютером. Неудивительно, что статистики называют этот метод «методом Монте-Карло».

Поскольку задача «КОРСИКИ» заключается в том, чтобы вычислить, какие частицы в конце концов дойдут до наземных детекторов, связь тут с метеорологией совершенно прямая.

Свенсмарк также интересовался теми относительно немногими заряженными частицами, которые способны дожить до нижнего слоя атмосферы. Наиболее важные из них — это мюоны, рождающиеся, как мы помним, в верхних слоях атмосферы и путешествующие достаточно быстро, чтобы благодаря эйнштейновскому растяжению времени успеть добраться до уровня моря.

Для того чтобы дать мюонам необходимую продолжительность жизни, их родителями должны быть высокоэнергетические космические лучи. Таких среди первичных лучей относительно немного, но это с лихвой окупается их большой эффективной массой, когда релятивистский эффект увеличивает ординарную массу высокоэнергетического протона (ядра водорода) в сто раз. При этом выделяется энергия, достаточная для создания широких ливней вторичных частиц, где среди прочих будет и большое количество стремительных мюонов. В какой мере недостаток первичных заряженных частиц компенсируется изобилием рожденных ими атомов — это был вопрос, на который, как считал Свенсмарк, могла ответить именно «КОРСИКА».

«КОРСИКА» оказалась очень большой и тяжеловесной программой, так что Свенсмарку понадобилась помощь, чтобы установить и запустить ее, и тогда к работе подключился его сын, Якоб Свенсмарк. В мае 2006 года отец и сын, исследуя судьбу космических лучей различных энергий, раз за разом запускали «КОРСИКУ». Каждый запуск программы требовал больше часа, и это отнимало у исследователей все их свободное время. Но результаты стоили того.

Расчеты сосредоточились на активности космических лучей в слоях атмосферы, находящихся не выше 2000 метров от уровня земли, то есть там, где образуются низкие облака, главные участники климатических действий. Поразительно, что целые 60 процентов крайне важных мюонов — это «дети» тех космических лучей, чья энергия столь грандиозна, что магнитный щит Солнца не в силах отклонить их. Перемены в солнечном настроении, приводящие к колебаниям климата, не отражаются на них. На протяжении миллионов лет Земля вместе с Солнцем путешествуют по бескрайним галактическим просторам, и вместе с изменением пейзажа меняются и потоки высокоэнергетических лучей. Позже мы увидим, к каким весомым последствиям для климата Земли приводят эти изменения.

Наиболее важные частицы, которые участвуют в образовании облаков в нижних слоях атмосферы, — это мюоны. Они порождаются прилетающими от звезд частицами с очень высокими энергиями. Магнитная оборона Солнца и Земли почти не оказывает им противодействия. Магнитное поле Солнца еще может воздействовать на относительно небольшое количество мюонов, однако совсем немногие из них подчиняются переменам в магнитном поле Земли.

Оставшиеся 40 процентов заряженных частиц, вызывающих определенные события в нижних слоях атмосферы, подчиняются приказам солнечного магнитного поля. Этого количества лучей вполне достаточно, чтобы объяснить переключения между уже описанными потеплениями и похолоданиями. Но земное магнитное поле оказывает на них слабое влияние. По результатам подсчетов, из всех мюонов, попадающих в нижние слои атмосферы и создающих там облака, только три процента — «дети» частиц настолько слабых энергий, что геомагнитное поле может воздействовать на них. С другой стороны, большую часть «визиток» — к ним относятся, например, изотопы бериллия (бериллий-10) — оставляют на большой высоте космические лучи средних энергий, подчиняющиеся магнитному полю Солнца. Во многих случаях на них так же сильно влияет и земное поле. Ослабьте резко мощность земного магнитного поля, как случилось во время событий Лашамп, и число изотопов бериллия-10 и хлора-36, как показывают подсчеты Бера и его коллег, возрастет больше чем на 50 процентов. Однако количество мюонов, меняющих климат, увеличится не больше, чем на 3 процента, даже если магнитное поле исчезнет совсем. Таким образом, догадка Свенсмарка о различных видах заряженных частиц из космоса сейчас полностью подтверждена.

Еще раз о Лашампе

Хотя Свенсмарк верит, что результаты программы «КОРСИКА» отмели главное возражение против его «облачной» гипотезы, все же поведение космических лучей во время экскурса Лашамп требует детального изучения. Потепление, о котором сообщал Бер, совпавшее с быстрым образованием его «разговорчивых» атомов, может означать, что солнечная активность усиливалась, приостанавливая деятельность космических лучей в нижнем слое атмосферы и, следовательно, сокращая облачность, в то время как земное поле ослабевало, и образование углерода-14, бериллия-10 и других изотопов ускорялось.

Такое вполне могло быть. В общей картине состояния климата эпизод Лашамп относится к событиям Дансгора-Ошгера, неоднократно случавшимся в течение последнего ледникового периода. Для этих событий характерен существенный рост температур, безусловно, связанный с увеличивавшейся солнечной активностью. Но активное Солнце также отталкивало от Земли космические лучи низких энергий, в противном случае во время экскурса Лашамп, когда земное магнитное поле действовало нерешительно, радиоактивных атомов могло бы образоваться гораздо больше.

Тем археологам, которые пытались установить возраст некоторых находок середины последнего ледникового периода, приходилось нелегко. Тот факт, что геомагнитное поле ослабло, привел к увеличению количества радиоактивного углерода, и ошибки археологов в датировке находок могли доходить до пяти тысяч лет. В 2004 году группа ученых во главе с Конрадом Хугеном из Океанографического института Вудз Хоул (Массачусетс) систематизировала данные об углероде-14, полученном с морского дна у берегов Венесуэлы.

Они увидели, что во время экскурса Лашамп количество углерода-14 росло. Быстрое образование радиоактивного углерода продолжалось до момента, отстоящего от нас во времени на 40,5 тысячи лет, а потом, после небольшой паузы, последовало резкое и почти непрерывное падение уровня радиоактивного углерода, закончившееся 37 тысяч лет назад. Согласно данным Бера, именно тогда совпали максимально высокие температуры и минимум образования бериллия-10 и хлора-36. Возможно, последние несовпадения между космическими лучами и климатом исчезнут, когда мы получим более точные данные.

Но, коснувшись темы Лашампа, наша история забежала вперед. С тех пор как Свенсмарк в 1996 году впервые предположил, что космические лучи напрямую воздействуют на климат, возражение Бера было самым убедительным с научной точки зрения. Нам показалось, что будет предусмотрительным пораньше разобраться с вызовом экскурса Лашамп, чтобы не отпугнуть хорошо информированного читателя от дальнейшего обсуждения теории. А сейчас самое время вернуться к открытиям, касающихся других важных персонажей в нашей космической драме — облаков.