Устройство Вселенной

15 октября 2003 года — знаменательный день в истории Китая. Поднебесная успешно запустила свой первый пилотируемый космический корабль "Шэньчжоу-5", на борту которого находился тайконавт Ян Ливэй. Этот полет, продолжавшийся 21 час, стал одним из самых загадочных событий в космонавтике.

В ходе полета Ян Ливэй услышал странный стук. Точнее — серию стуков. Он описывал их как удары деревянного молотка по металлической поверхности. Звуки то появлялись, то исчезали без какой-либо строгой периодичности. Тайконавт не смог определить их источник, хотя был уверен, что стуки доносятся снаружи корабля.

Просто представьте: один человек внутри небольшого космического корабля, парящего в вакууме космической пустоты. И снаружи раздается громкий стук. Потом еще и еще. Можно лишь представить, насколько жуткими были эти часы полета.

Космический стук

Это был не единственный случай. Тайконавты миссий "Шэньчжоу-6" в 2005 году и "Шэньчжоу-7" в 2008 году стали свидетелями похожих звуков, источник которых находился снаружи космических аппаратов. И снова никто не смог объяснить их природу.

Китайские космонавты не одиноки в своих странных "акустических переживаниях". Например, во время миссии NASA "Аполлон-10" в 1969 году астронавты слышали жуткий свист над обратной стороной Луны — его даже записали бортовые системы корабля. А совсем недавно астронавты Бутч Уилмор и Сунита Уильямс, застрявшие в космосе из-за проблем с кораблем Boeing Starliner, услышали странный пульсирующий шум из своего аппарата.

Во многих случаях ученым удавалось найти причину странных звуков. Шум Boeing Starliner объяснили акустическим взаимодействием между кораблем и Международной космической станцией. Свист "Аполлона-10" оказался радиопомехами между лунным и командным модулями.

Однако стуки всех трех миссий "Шэньчжоу" по сей день остаются загадкой.

Наибольшую тревожность вызывает тот факт, что звуковым волнам нужна среда для распространения.

"Для распространения звука требуется среда — будь то частицы воздуха, молекулы воды, металлы, атомы твердых тел, — поясняет профессор Национального университета Сингапура Го Чер Хианг. — Если вы слышите стук, это может означать, что нечто физически ударяет по космическому кораблю".

Возможные объяснения

В попытках объяснить аномалию "Шэньчжоу" ученые выдвинули три гипотезы:

Космический мусор

Звук мог быть вызван крошечными фрагментами космического мусора, которые периодически сталкивались с внешней обшивкой корабля.

Температурное расширение

Резкие перепады температур между освещенной и затененной сторонами планеты могли привести к расширению или сжатию элементов корабля, что порождало слышимые звуки.

Выход воздуха

Системы корабля могли выпускать потоки воздуха, которые во время полета вызывали небольшие вибрации, переходящие в постукивание.

Все три гипотезы технически обоснованы. И странно, что за более чем два десятилетия так и не удалось точно определить источник звука, который тогда напугал Яна Ливея.

В сравнении с человеческой жизнью и даже с целыми цивилизациями Солнце кажется вечным и неизменным. Однако наше светило непрерывно теряет массу, и каждую секунду оно становится легче на миллионы тонн — и это медленно меняет орбиты всех объектов Солнечной системы, включая Землю.

Почему Солнце "худеет"?

В ядре Солнца протекают термоядерные реакции: водород превращается в гелий, выделяя колоссальную энергию. Часть массы при этом превращается в энергию по формуле Эйнштейна E=mc² — в среднем около четырех миллионов тонн в секунду. Эта масса не исчезает в никуда, а рассеивается по космическому пространству в виде тепла и света, часть из которых достигает Земли, делая ее пригодной для жизни.

Кроме того, наша звезда постоянно испускает солнечный ветер — поток заряженных частиц, который на огромной скорости разлетается по всей Солнечной системе. Этот процесс уносит еще примерно 1–2 миллиона тонн вещества в секунду. Таким образом, Солнце "худеет" примерно на 5–6 миллионов тонн в секунду, то есть порядка 430–520 миллиардов тонн в сутки.

Для нас, живущих на пылинке в бескрайней Вселенной, это может показаться каким-то невообразимым числом. Но на самом деле — это ничтожно мало. За миллиард лет Солнце лишится всего около 0,01% своей массы, так что для звезды такие потери — капля в море. Но даже эта "капля" имеет последствия.

Гравитация Солнца удерживает объекты Солнечной системы на орбитах. Чем меньше масса звезды, тем слабее притяжение — и орбиты начинают медленно, но необратимо расширяться. Земля, например, отдаляется от Солнца со скоростью около 1–2 сантиметра в год.

Спасет ли это планету?

Примерно через пять миллиардов лет, когда запасы водорода в солнечном ядре подойдут к концу, звезда начнет превращаться в красного гиганта, стремительно расширяясь и сбрасывая свои внешние оболочки. Может показаться, что миграция Земли должна обеспечить спасение от столь катастрофических изменений, но... к сожалению, это не поможет.

Раздувающееся Солнце поглотит Меркурий, Венеру и, вероятно, достигнет земной орбиты, которая к тому времени "уползет" всего на 50–100 тысяч километров от ее нынешнего положения.

Что будет с Землей?

Даже если Земля физически не будет поглощена умирающим Солнцем, условия на ней станут адскими задолго до финала.

Примерно через миллиард лет океаны начнут испаряться, атмосфера разрушится, поверхность раскалится. Практически вся жизнь — кроме каких-нибудь экстремофилов, живущих глубоко под поверхностью — исчезнет намного раньше, чем Солнце достигнет максимального размера.

"Ничто не вечно, немногое долговечно, конец у вещей различный, но все, что имеет начало, имеет и конец", — писал римский философ Луций Анней Сенека.

На расстоянии около 5 200 световых лет от Земли раскинулась величественная туманность Розетка (NGC 2237) — одна из самых впечатляющих звездных "фабрик" нашей Галактики. Здесь, в огромном облаке газа и пыли диаметром 130 световых лет, рождаются настоящие звездные гиганты.

Изображение было получено 12 апреля 2010 года космической обсерваторией Европейского космического агентства (ESA) "Гершель", и на нем запечатлен один из самых активных регионов звездообразования в туманности Розетка.Наиболее яркие области на снимке — это своеобразные "коконы" из газа и пыли, где развиваются массивные протозвезды. Каждый такой зародыш эволюционирует в звезду, которая будет как минимум в десять раз массивнее нашего Солнца. В верхней части изображения (отмечена на снимке ниже) видны небольшие светящиеся пятна — это звездные зародыши меньшей массы, находящиеся на раннем этапе развития.

Короткая, но яркая жизнь

Судьба таких космических гигантов предопределена их массой. В отличие от солнцеподобных звезд, живущих миллиарды лет, эти титаны проживут "всего" несколько миллионов лет. Объясняется это просто: чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует свое термоядерное топливо. Когда оно закончится, каждая из этих звезд встретит свой конец в грандиозном взрыве сверхновой.

Однако гибель этих звезд станет началом нового цикла звездообразования. Вспышки сверхновых обогатят окружающее пространство тяжелыми элементами и создадут ударные волны, которые сожмут соседние облака газа и пыли, запуская формирование следующего поколения звезд. Так, в бесконечном танце созидания и разрушения, Вселенная поддерживает вечный круговорот звездной жизни.

Недавняя оценка данных, полученных с помощью космического телескопа NASA "Кеплер", запущенного 6 марта 2009 года специально для поиска экзопланет (планет вне Солнечной системы), рисует впечатляющую картину: в Млечном Пути могут существовать сотни миллионов планет, которые попадают в категорию "потенциально обитаемых" — то есть похожих на Землю по размеру и находящихся в обитаемой зоне своих звезд. По наиболее консервативным подсчетам число таких миров составляет 300 миллионов.

Как именно считали астрономы?

Во-первых, расстояние до родительской звезды. Обитаемая зона (ее часто называют "зоной Златовласки") — это диапазон орбит, где при подходящих условиях на поверхности небесного тела может стабильно присутствовать жидкая вода. Но важно понимать, что нахождение в этой зоне не гарантирует, что жидкая вода там действительно есть. Все решают детали — атмосфера, давление, состав самой планеты, облачность, геологические особенности. Яркий пример — Марс. Он находится на внешней границе зоны обитаемости Солнечной системы, но жидкой воды на поверхности давно нет.

Во-вторых, тип звезды. Особое внимание уделяется звездам класса G, похожим на наше Солнце. Связано это с тем, что они демонстрируют продолжительную — даже по космическим меркам — стабильность, а значит, обеспечивают более устойчивый климат на планетах. Плюс у нас есть готовый "эталон" для сравнения: мы точно знаем, что при таких условиях жизнь однажды уже возникла. Наблюдения вкупе с моделированием показывают, что около 18–22% солнцеподобных звезд располагают "землеподобными" планетами в обитаемой зоне.

"Зачем астрономы вообще охотятся за водой? Может быть, жизнь способна зародиться и существовать без нее", — скажет диванный эксперт широкого профиля.

Нафантазировать можно многое, но в поисках полезно учитывать реальный опыт (жизнь на Земле). Исходя из него, вода — ключевой фактор для жизни, потому что это универсальный и самый распространенный во Вселенной растворитель: в жидкой воде проще всего протекают химические реакции, из которых могут складываться сложные органические структуры.

Но даже факт обнаружения землеподобной экзопланеты с морями и океанами, вращающейся в обитаемой зоне вокруг солнцеподобной звезды, не будет означать, что "там точно кто-то живет". Такой объект будет рассматриваться лишь как "потенциально обитаемый".

Самое приятное в исследовании то, что часть таких миров может быть на относительно небольшом расстоянии от нас: оценки допускают несколько кандидатов в пределах примерно 30 световых лет. И именно они станут главными целями для телескопов будущего, которые смогут детально анализировать химический состав их атмосфер и, возможно, даже построить карты распределения температур и облачности.

Представьте себе объект, который был свидетелем рассвета мироздания, когда первые звезды только начинали зажигаться, "прорезая" своими лучами кромешную тьму. И это не какая-то очень далекая галактика, которую можно разглядеть только с помощью самых продвинутых космических телескопов, а древнейший звездный сгусток — из таких когда-то собирались галактики.

Речь идет о шаровом скоплении M 15 (NGC 7078), расположенном в Млечном Пути, на расстоянии около 36 000 световых лет от нас в направлении созвездия Пегаса. Данное скопление — космическая капсула времени, несущая в себе секреты юной Вселенной, которые до сих пор не дают покоя астрономам.

M 15 — одно из самых плотных и древних скоплений в нашем галактическом окружении. Его возраст составляет примерно 13 миллиардов лет. Для сравнения: возраст Вселенной — 13,8 миллиарда лет. В сферическом объеме скопления, имеющего средний диаметр 175 световых лет, сосредоточены сотни тысяч звезд (по некоторым оценкам, около миллиона). Столь чудовищная плотность приводит к частым взаимодействиям между светилами и создает уникальные условия для изучения звездной эволюции.

Одна из самых интригующих загадок M 15 скрывается в ядре скопления. Наблюдения за движением звезд в центральной области указывают на присутствие массивного, но при этом очень компактного объекта. Ведущая гипотеза гласит, что это черная дыра промежуточной массы — "недостающее звено" между черными дырами звездной массы и сверхмассивными монстрами в "сердцах" галактик. Если это подтвердится, то последующие исследования могут пролить свет на механизм формирования и роста сверхмассивных черных дыр.

Кроме того, в M 15 обнаружено уже девять пульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд-маяков) — для шарового скопления это очень много, и прямое следствие высокой частоты тесных гравитационных взаимодействий в плотном ядре, где часто формируются и "перетасовываются" двойные системы.

M 15 движется по крайне вытянутой (эллиптической) орбите вокруг центра Млечного Пути. Скопление периодически "ныряет" в плотный галактический диск, а затем уносится высоко в разреженное гало — сферическую область, где обитают древнейшие звездные популяции нашей Галактики. Каждое такое прохождение сквозь диск — испытание на прочность, способное вырывать звезды из внешних областей скопления приливными силами.

Химический состав скопления, бедный тяжелыми элементами ("металлами"), говорит о том, что оно сформировалось из первозданного газа ранней Вселенной. Изучая M 15, астрономы обретают возможность заглянуть в эпоху рождения первых звездных систем. Поэтому скопление является ценным объектом для наблюдений, в том числе для таких космических телескопов, как NASA/ESA "Хаббл" и NASA "Джеймс Уэбб".

NGC 6872 — самая большая известная спиральная галактика в наблюдаемой Вселенной, раскинувшаяся на 717 000 световых лет. Для сравнения: наш Млечный Путь имеет диаметр около 100 000 световых лет.

Эта галактика находится в созвездии Павлина на расстоянии примерно 212 миллионов световых лет от Земли. Ее гигантские размеры — результат гравитационного взаимодействия с соседней галактикой IC 4970 (сверху), которая растянула спиральные рукава NGC 6872, придав им нетипичную форму.

Поэтому, несмотря на колоссальные размеры, по массе NGC 6872 не выделяется на фоне крупных спиральных галактик вроде нашей. Большая часть ее "объема" приходится на чрезвычайно разреженные газовые потоки и области молодых звезд.

Изображение было получено 1 октября 2014 года наземным Очень большим телескопом (VLT), находящимся под управлением Европейской южной обсерватории (ESO).

Внеземная жизнь — если она существует — может не только выглядеть совершенно иначе, но и мыслить, и воспринимать реальность способами, принципиально непостижимыми для нас, бросающими вызов самому понятию "сознание".

Размышления об этой возможности часто выводят к панпсихизму — философской концепции, согласно которой сознание не "возникает" лишь тогда, когда мозг достигает определенного уровня сложности, а является фундаментальным свойством Вселенной, сопоставимым по статусу с такими физическими величинами, как масса или заряд.

Идея, уходящая корнями в античную философию, сегодня вновь привлекает внимание исследователей — во многом потому, что нейронауки по-прежнему не дают удовлетворительного ответа на вопрос о субъективном опыте. Отсюда и формулировка так называемой "трудной проблемы сознания": почему физические процессы в материи — все то, что происходит в мозге, — вообще порождают внутреннюю точку зрения, переживания и ощущение "Я".

Множество сценариев

Сам факт множества конкурирующих объяснений показывает, насколько неопределенной остается природа сознания.

Одна из версий предполагает, что сознание может "возникать" в любой достаточно сложной системе — биологической или небиологической, — даже если для человека его форма будет трудно узнаваемой или вовсе неуловимой.

Согласно другой точке зрения, сознание действительно может быть следствием усложнения мозга — но у людей и у гипотетических разумных инопланетян оно способно различаться настолько радикально, что, даже глядя в одну и ту же сторону, мы будем видеть разные картины. Наши способы интерпретации реальности могут оказаться столь несопоставимыми, что какое-либо взаимопонимание станет попросту невозможным.

Третья гипотеза допускает, что внеземной разум может иметь искусственное происхождение: он мог появиться благодаря прогрессивным предшественникам, которые не просто приняли роль моста между биологической и синтетической жизнью, но и сыграли ее блестяще. Тогда искусственное сознание могло бы принимать формы, совершенно не похожие на живые организмы: от независимых друг от друга единиц до распределенных "нетвердых" структур — своего рода модернизированной нервной системы планетарного масштаба. И в этом случае одним из немногих инструментов для контакта могла бы остаться математика — универсальный язык самой Вселенной.

Иногда в этот ряд добавляют и более спекулятивные идеи — телепатию и другие "пси"-феномены. В рамках стандартного физикализма сознание рассматривают как продукт физических процессов в мозге, поэтому любые "необычные" способы обмена информацией, не сводимые к известным каналам и механизмам, встречают максимальный скепсис. Панпсихизм же — по крайней мере на уровне допущения — оставляет таким сценариям больше теоретического пространства, хотя это само по себе не делает их истинными и не заменяет эмпирических доказательств. Но если во Вселенной действительно возможны формы разума, взаимодействующие через нечто вроде "телепатии", то контакт с ними для нас, вероятно, окажется принципиально недостижимым.

Скептическая позиция

Более осторожный подход предполагает, что сознание, вероятно, появилось не потому, что оно "вшито" в ткань реальности, а потому, что повышало шансы на выживание и улучшало принятие решений.

С этой точки зрения, для возникновения интеллекта, способного к устойчивой коммуникации, все равно потребуется организованный механизм обработки информации — мозг или его функциональный аналог. И даже если во Вселенной существует огромное число носителей сознания, обнаружить мы сможем лишь тех, кто оставляет считываемые для нас следы: строит радиотелескопы, создает техносигнатуры вроде радиопередач или возводит крупномасштабные структуры наподобие сферы Дайсона.

В конечном счете ключевым может оказаться не вопрос "одни ли мы во Вселенной", а то, располагаем ли мы концептуальными и технологическими средствами, чтобы распознавать и понимать формы сознания, радикально отличные от человеческого опыта. Представьте такой сценарий: мы годами получаем сигналы от внеземной цивилизации — но либо не умеем распознать в них "разумность", либо предпочитаем считать их "природным явлением", потому что так проще и спокойнее.

В XIX веке астрономы столкнулись с проблемой, которая выглядела как мелкая погрешность, но вела к далеко идущим выводам. Наблюдения показывали, что орбита Меркурия медленно поворачивается в пространстве: точка перигелия смещается примерно на 574 угловые секунды за столетие. Однако ньютоновская (классическая) механика предсказывала смещение на 531 угловую секунду, связанное с гравитационным влиянием других планет Солнечной системы.

Оставшийся "хвостик" в 43 угловые секунды за столетие некоторые ученые того времени связали с еще одним источником тяготения, который пока никому не удавалось наблюдать напрямую. Так родилась гипотеза о планете Вулкан — невидимом теле между Солнцем и Меркурием. Объяснение звучало довольно убедительно: планета небольшая, наблюдать ее трудно из-за яркости Солнца, но когда появятся новые телескопы и более чувствительные инструменты, существование Вулкана непременно будет подтверждено.

Впрочем, далеко не все пытливые умы человечества разделяли эту концепцию. Появилась более смелая мысль: возможно, проблема не в "скрытой планете", а в том, что наша теория гравитации в ее классическом виде может быть неполной.

Ответ был найден уже в XX веке. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна дала естественное объяснение аномалии: возле массивного тела (Солнца) пространство-время искривляется, и орбита планеты (Меркурия) прецессирует сильнее, чем предсказывает ньютоновская модель. Те "лишние" 43 угловые секунды за столетие оказались не доказательством существования еще одной планеты, а прямым эффектом релятивистской гравитации, в рамках которой гравитация рассматривается не как сила, а как результат кривизны пространства-времени, вызванной массой-энергией.

Что между Солнцем и Меркурием на самом деле

Планеты Вулкан не существует, но это не значит, что пространство между Солнцем и Меркурием должно быть абсолютно стерильным. Теоретически внутри орбиты Меркурия есть область динамической устойчивости, где могли бы существовать "вулканоиды" — небольшие астероиды, вращающиеся на относительно безопасном расстоянии от светила.

Их искали в данных космических аппаратов и специализированных солнечных обсерваторий, но ничего массивного не нашли. Современная астрономия исключает существование вулканоидов диаметром более шести километров, поэтому если между Меркурием и Солнцем что-то и вращается, то это очень малые небесные тела, которые просто теряются в солнечной засветке.

История Вулкана — важное напоминание: если наблюдения не сходятся с расчетами, не нужно торопиться с радикальными объяснениями. Иногда это говорит о том, что теория, находящаяся у нас на вооружении, описывает реальность не полностью и требует пересмотра.

Яркий пример — наблюдения космического телескопа NASA "Джеймс Уэбб", который обнаружил "невозможные" зрелые галактики в ранней Вселенной. Это не доказательство того, что Большого взрыва не было, но серьезный аргумент в пользу того, что наше понимание зарождения и эволюции галактик нуждается в уточнении.

NGC 346 — одна из самых активных "звездных колыбелей" в наших окрестностях: скопление молодых звезд подсвечивает и выдувает окружающий газ, формируя специфические нити, дуги и полости.

Эта самосветящаяся за счет ионизации собственного газа туманность, включающая рассеянное скопление, находится в Малом Магеллановом Облаке — карликовой галактике-спутнике Млечного Пути, на расстоянии около 200 000 световых лет от Земли.

На изображении хорошо виден "строительный мусор", оставшийся после вспышки звездообразования: пыль и газ, которые разогреваются, фрагментируются и расшвыриваются ударными волнами, уступая место новым светилам.

Изображение было получено космическим телескопом NASA "Джеймс Уэбб" в среднем инфракрасном диапазоне; релиз снимка — 10 октября 2023 года. Именно благодаря наблюдениям в инфракрасном диапазоне мы можем видеть множество звезд, недоступных для оптических инструментов из-за чрезвычайно плотных облаков пыли, блокирующих их свет.

В созвездии Киля, на расстоянии примерно 7 500 световых лет от Земли, находится система Эта Киля — одна из самых массивных и ярких звездных систем нашей Галактики. Масса главной звезды этой пары превышает массу Солнца более чем в 100 раз, а масса меньшего компаньона составляет около 50 масс Солнца. Светимость системы превосходит солнечную примерно в пять миллионов раз.

В 1840-х годах Эта Киля пережила так называемую "Великую вспышку" — мощнейший выброс вещества. Из-за этого система на короткое время стала второй по яркости звездой на ночном небе, уступая только Сириусу. В ходе извержения было выброшено столько газа и пыли, что этого хватило бы на формирование как минимум 20 солнечных систем. Сейчас продукты вспышки образуют характерную биполярную туманность Гомункул — два гигантских "пузыря" вещества, расходящихся в противоположных направлениях.

Этот звездный "чих" связан с тем, что доминирующим компонентом системы является сверхмассивная звезда на поздней стадии эволюции, пребывающая в режиме крайней неустойчивости. В любой момент она может завершить жизнь коллапсом ядра и взрывом сверхновой, а в одном из сценариев — даже гиперновой (например, если коллапс приведет к образованию черной дыры). Когда это произойдет, вспышка может быть настолько яркой, что ее можно будет заметить даже днем.

Изображение получено космическим телескопом NASA/ESA "Хаббл" в ультрафиолетовом диапазоне (камера WFC3); релиз — 1 июля 2019 года.