Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

открыть системы двойных звезд, где одна звезда видимая, а другая, чрезвычайно компактная, невидимая в оптическом диапазоне, – выбрасывала очень мощный поток рентгеновских лучей. Согласно высказанному предположению, этот мощный поток рентгеновского излучения возникает в результате превращения в энергию вещества (например, из атмосферы звезды-компонента), падающего на массивную звезду, например нейтронную звезду или черную дыру. После того как массу невидимого компонента удалось установить, знание пределов Чандрасекара и Оппенгеймера – Волкова позволило сделать вывод о том, что это действительно может быть либо нейтронная звезда, либо черная дыра. Количество кандидатов того и другого вида, найденных в нашей Галактике, непрерывно увеличивается. Мы вернемся к этому вопросу в главе 20.

В галактических масштабах тоже обнаружились объекты (например, сейфертовские галактики и квазары), излучающие гораздо больше энергии, чем нормальные галактики во всем волновом диапазоне. В данном случае мы можем иметь дело с черными дырами порядка миллиарда солнечных масс, ежегодно поглощающими газ и пыль массой, равной многим звездным массам. Для проверки этой идеи необходимо использовать еще не испытанные технические приемы, самым многообещающим из которых является, возможно, детектор гравитационных волн. Эти волны, если верить теории, должны излучаться в процессе падения вещества на черную дыру14.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Убеждение Эддингтона, выраженное им в 1920 г., заключалось в следующем: Солнце снабжается энергией, сосредоточенной в атомных ядрах, и ее «достаточно… для поддержания выхода тепла в течение 15 миллиардов лет». К концу десятилетия сложилось общепринятое убеждение, что звезды – это газовые шары, находящиеся в лучистом равновесии, каким-то образом эволюционирующие вдоль диаграммы ГР в ходе электронно-протонной аннигиляции, превращающей их массы в энергию излучения на протяжении не десятков, а вполне вероятно что и тысяч миллиардов лет. Однако в середине 1930‐х гг. это мнение быстро поменялось. В течение десяти лет накапливались доказательства в пользу чрезвычайно высокой распространенности водорода, и это способствовало росту убежденности в том, что энергия выделяется в процессе формирования элементов. Новые данные наблюдений приходили из нескольких направлений, и астрофизики, пытавшиеся интерпретировать эти данные, в итоге открыли для себя, что они не всегда хорошо их понимают, однако ложный след в одном исследовательском направлении часто оказывается результативным в другом.

Мы уже сталкивались с множеством случаев, начиная с данных, полученных Хёггинсом, Фогелем и Корню (с. 694), когда астрономов застигала врасплох очевидно высокая распространенность водорода, о чем свидетельствовали спектры Солнца и звезд. Вскоре проблема относительной распространенности различных химических элементов вышла из-под контроля и зажила своей жизнью, но у нее были очевидные смычки с теоретическими рассуждениями о главных источниках звездной энергии, и эти теории постоянно подвергались пересмотру, чему способствовала быстрая эволюция фундаментальной физики. Однако с середины 1920‐х до середины 1940‐х гг. был долгий период, когда эти два направления исследований не объединялись, хотя могли бы это сделать на взаимовыгодной основе. Причина отсутствия такого взаимодействия отчасти заключалась в неопределенности того, насколько много информации для объяснения процессов и относительной распространенности элементов в солнечных недрах можно почерпнуть из наблюдений поверхности Солнца. Точно так же сильно упрощается проблема, которую вряд ли можно игнорировать, когда речь идет о результатах изучения Земли, являющейся частью Солнечной системы; и здесь воспроизводятся те же трудности, которые возникают у нас с Солнцем (то есть проведение различия между тем, что мы знаем о его внутренних областях и о фотосфере).

Чем доступная часть земной коры и поверхность Земли, контактирующая с космическим пространством, отличается от ее недоступного ядра? Такого рода вопросы последовательно ведут нас в направлении космогонии и формирования самой Земли. Сейчас уже почти никто не помнит: пока в 1770‐х гг. группой британских ученых под руководством Невила Маскелайна не были произведены гравиметрические измерения шотландской горы Шихоллион, многие незаурядные физики верили, что Земля полая внутри. Среди них Эдмонд Галлей, утверждавший, будто Земля содержит внутри себя три полые концентрические сферы. И все же это стало шагом вперед по сравнению с представлениями Афанасия Кирхера об огненных гигантах, обитающих в земных недрах. В Америке XIX в. существовала даже религиозная секта корешанства, основанная неким Сайрусом Тидом, согласно которому все мы живем внутри такой полой сферы и наши головы направлены к ее центру, без каких бы то ни было доказательств этого. Впрочем, более современные гипотезы полой Земли вообще не лечатся. Смеяться легко, но как доказать обратное? Наиболее важная веха на этом пути была пройдена, когда в мае 1778 г. математик Чарльз Хаттон представил результаты обширных вычислений, основанных на Шихоллионских измерениях, которые привели его к выводу, что внутри наша планета не только твердая, но и, скорее всего, состоит из металлов с плотностью в два раза превышающую среднюю плотность Земли, согласно его оценке равную 4,5 г/см3. С того времени гравитационные, метеоритные, сейсмические, магнитные и термические свидетельства пролили дополнительный свет на проблему строения Земли.

Крайне важное значение имеет состав метеоритов. Около 10 процентов из них состоят в основном из железоникелевого сплава. Другие представляют собой смесь силикатных материалов и железоникелевого сплава примерно в равных частях. Каменные метеориты во многом напоминают земные скальные породы, особенно перидотит, являющийся главным компонентом земной мантии. Около девяти десятых всех каменных метеоритов содержат округлые силикатные зерна, хондры, откуда и происходит их название – «хондриты». Некоторые из хондритов («углистые») содержат углерод, углеводородные составляющие и аминокислоты. Возраст самого знаменитого метеорита, взорвавшегося в 1969 г. над мексиканской деревней Пуэблито-де-Альенде, был определен (по содержанию радиоактивных изотопов) в 4,6 миллиарда лет, а это примерно равняется возрасту Солнечной системы или одной трети возраста всей Вселенной. Его состав, очевидно, чрезвычайно актуален для решения вопроса распространенности элементов. Мы можем обследовать метеориты непосредственно, но для более глубокого обоснования утверждений Хаттона, для понимания физических свойств вещества мантии и коры и их распределения в недрах требуется общая картина отражений и преломлений сейсмических волн, распространяющихся внутри Земли после землетрясений и взрывов, с учетом особенностей, присущих доступной части континентальной и океанической коры. В настоящее время признано: ядро состоит главным образом из железа, кремния, серы и никеля, и у него есть жидкая наружная и твердая внутренняя части. Его плотность примерно 12 или 13, при среднем значении этого показателя для всей Земли около 5,5 г/см3. Интуиция Хаттона была весьма похожа на правду, но современные доказательства железоникелевого состава ядра, хотя и выходят далеко за пределы доступного этому исследователю, по-прежнему основаны на столь же дедуктивных умозаключениях.

Понимание того, что подобные земные данные о распространенности элементов могут иметь отношение ко Вселенной в целом, достигалось медленными темпами. Когда во второй и третьей четвертях XX в. наступило осознание этого, возникла некая разновидность физической космологии, которая существовала параллельно с релятивистскими космологическими моделями и могла быть успешно в них вплетена. Ситуация сложилась таким образом, что реализация этого предприятия оказалась полезной, но не вполне корректной. В какой-то момент получило широкое распространение понятие однопараметрической «космической распространенности», однако, как мы увидим далее, в конечном счете его полностью отвергли. Более половины атомов земной коры представляют собой кислород. Каким образом состав Земли может, хотя бы предположительно, быть сходным с составом Солнца, особенно если Солнце, судя по всему, состоит в основном из водорода? Что общего Солнце может иметь с метеоритами, которые сами являются членами Солнечной системы, но с очевидно завышенным содержанием железа? Если обратиться к звездам, то их спектры зачастую создают еще более удручающее впечатление. Однако со временем, с учетом соответствующих вторичных процессов, таких как потеря метеоритами летучих материалов при