Наконец, расскажу о некоторых подводных камнях в уравнении Дрейка. Зона обитаемости может быть гораздо уже, нежели мы рассчитали. Если бы Земля находилась от Солнца дальше, чем находится сейчас, то на планете стало бы холоднее и полярные льды образовывались бы активнее; в таком случае отражательная способность планеты увеличилась бы и Земля стала бы остывать еще сильнее. Мог бы начаться лавинообразный ледниковый период. Если бы Земля находилась ближе к Солнцу, то льды растаяли бы, отражательная способность планеты снизилась и на ней стало бы еще жарче. Стал бы выделяться метан, заключенный в торфе, и парниковый эффект продолжал бы усиливаться.
В ходе жизненного цикла Солнце разгорается и становится все жарче. Чтобы компенсировать этот процесс, должен ослабнуть парниковый эффект либо должна возрасти отражательная способность – только так планета удержится в рамках температурного режима, от которого полностью зависит существование нашей цивилизации. Если звезда в процессе развития разгорается, то зона обитаемости отодвигается от нее, и планета должна оставаться в этой зоне достаточно долго, чтобы на ней успела развиться разумная жизнь. Как я уже упоминал, считается, что планета должна быть непрерывно обитаема на протяжении миллиардов лет – лишь при таком условии на ней успеет развиться разумная жизнь.
Интересно, что и жизнь как таковая может влиять на этот баланс. Если звезда относится к главной последовательности (принадлежит к классу M) и практически не меняется за 10 миллиардов лет, то поначалу планета может быть пригодна для примитивной жизни; но потом, когда жизнь превращает атмосферу из углекислотной (CO2) в кислородную, парниковый эффект ослабевает, и на планете может начаться вечный ледниковый период. Вот вам еще одна причина, по которой система звезды спектрального класса M не лучший вариант для формирования разумной жизни.
Жизнь может влиять на зону обитаемости и иным образом. Атмосферный диоксид углерода может связываться в виде карбоната кальция в раковинах морских животных и при отмирании этих организмов откладываться в виде осадочных пород (известняка); таким образом, парниковый эффект будет ослабевать. Вулканы могут насыщать атмосферу углекислым газом, усиливая парниковый эффект. Разумеется, и живые существа вроде людей могут добывать ископаемое топливо, например уголь и нефть веками лежавшее в земле (где оно сформировалось из останков древних организмов). Далее это топливо сжигается и насыщает атмосферу с углекислым газом. Следовательно, примерные характеристики зоны обитаемости для конкретной планеты теснейшим образом связаны с ее геологией, метеорологией и даже биологией.
Часть 2Галактики
Глава 11Межзвездная среда
Автор: Майкл Стросс
Теперь перейдем от изучения отдельных звезд и планет к более широкой перспективе: обсудим, как расположены звезды в нашей галактике Млечный Путь и как они взаимодействуют друг с другом в так называемой межзвездной среде. До сих пор мы рассуждали об этом пространстве так, словно оно практически пустое, но в этой главе я собираюсь убедить вас, что в огромных объемах межзвездного пространства на самом деле содержится немало вещества – просто оно очень разреженное. Слово «межзвездный» понятно без пояснений, а слово «среда» в данном случае означает «наполнитель». Итак, межзвездная среда – это межзвездная материя.
Давайте присмотримся к межзвездной среде, благодаря которой удалось снять некоторые красивейшие фотографии в истории астрономии.
На рис. 11.1 – изображение, составленное из разнообразных фотографий Млечного Пути. На нем показана вся небесная сфера, хитроумным образом спроецированная на плоскость. Светлая полоса под названием Млечный Путь, которая иногда простирается яркой дугой через ночное небо, на самом деле описывает на небесной сфере полный круг; Млечный Путь пролегает по так называемому галактическому экватору. Наша галактика Млечный Путь – это диск, усеянный звездами, и, поскольку мы находимся в пределах диска, при взгляде на него мы видим яркую полосу, опоясывающую небо. Самая яркая часть Млечного Пути (расположенная ближе к галактическому центру, в середине этой картинки) плохо просматривается из средних широт Северного полушария. Если вам когда-либо доведется побывать в Южном полушарии в ясную безлунную ночь вдали от городских огней, посмотрите вверх! Южная панорама Млечного Пути, особенно с марта по июль, невероятно захватывает; там Млечный Путь выглядит гораздо ярче, чем привыкли видеть его мы, северяне.
Поскольку мы находимся на полпути от края до центра диска, по картинке может показаться, что мы смотрим на Млечный Путь из-за ее пределов, с ребра. Когда рассматриваешь Млечный Путь, сразу видишь, что он окрашен неровно, на нем словно просматриваются черные пятна или заплатки. Если посмотрите на Млечный Путь через телескоп, то заметите (как и Галилей в свое время), что рассеянный свет Млечного Пути на самом деле исходит от мириад звезд. Однако на Млечном Пути попадаются и такие области (темные полосы), где не видно никаких звезд. Около 100 лет назад астрономы спорили, какова может быть природа этих полос. Рассматривалась возможность расположения звезд «кучками», и темные полосы – просто такие зоны, где звезд почти не оказалось. Была и альтернативная (правильная) точка зрения: звезды распределены в пространстве равномерно, просто что-то их заслоняет. Такое «нечто» в самом деле удалось обнаружить, это и была межзвездная среда.
Одно из явных доказательств существования межзвездной среды заключается в том, что она практически непрозрачна. Она разреженная, но занимает в пространстве очень большой объем. В земной атмосфере даже слабое марево или небольшой дым может скрыть из виду отдаленные объекты. Межзвездная среда наполнена крошечными пылинками – примерно такими, из которых состоит дым. Астрономы именуют эти частички «пылью», но, вероятно, правильнее было бы говорить не «пыль», а «дым». Это вещество сильно разрежено, но на больших расстояниях воздействие «пыли» накапливается и пыль полностью поглощает свет далеких звезд. В некоторых направлениях суммарный эффект пыли столь выражен, что звезд за облаками этой пыли совершенно не видно. Именно из-за пыли самый центр Млечного Пути совершенно непроницаем для видимого света.
Оказывается, что пыль тем сильнее заслоняет свет, чем короче длина его волны. Пыль поглощает длинные инфракрасные волны значительно слабее, чем видимый свет, и в инфракрасном диапазоне Млечный Путь можно заснять практически полностью. На рис. 11.2 крупным планом показана центральная часть нашей Галактики, снимок сделан в рамках проекта «Обзор всего неба на длине волны 2 микрометра» (сокращенно 2MASS – удачная аббревиатура, ведь это исследование провели ученые из Массачусетского университета). Как понятно из названия, в проекте 2MASS использовалось инфракрасное излучение с длиной волны около 2 микрон (2 × 10–6 метра), что значительно длиннее волн видимого света (0,4–0,7 микрона). Как видите, на картинке ярко сияют отдельные звезды.
Рис. 11.1. Панорама всего неба, на которой виден Млечный Путь. Далекие звезды Млечного Пути образуют яркую полосу, опоясывающую Галактику по экватору. В данном случае она пересекает карту прямо по центру. Обратите внимание: вдоль Млечного Пути разбросаны темные участки и пятна: там далекие звезды заслоняет пыль. Иллюстрация сделана по материалам, предоставленным Дж. Ричардом Готтом и Робертом Дж. Вандербеем (статья Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011). По данным программы Main Sequence Software
Рис. 11.2. Центр Млечного Пути. Пыль, наполняющая Млечный Путь, сильнее затмевает коротковолновое излучение, нежели длинноволновое, поэтому звезды, сияющие за слоем этой пыли, имеют характерный красноватый оттенок. На этом изображении около 10 миллионов звезд, а в поперечнике оно достигает примерно 4000 световых лет. Самый центр Млечного Пути – это наиболее «густое» красное пятно в верхнем левом углу. Источник снимка: фотография из астрономического атласа получена в рамках проекта «Обзор всего неба на длине волны 2 микрометра», совместно выполненного учеными из Массачусетского университета и Центра обработки и анализа инфракрасных изображений при Калтехе, под эгидой NASA и Национального научного фонда
Рис. 11.3. Туманность Угольный Мешок. Это часть Млечного Пути, звезды которой полностью заслонены густым облаком пыли. Снимок предоставлен Vic Winter и Jen Winter
Пыль по-прежнему заметна, но она мешает далеко не так сильно, как в видимом диапазоне. Если отсечь голубую часть спектра света, исходящего от объекта, то объект покажется красноватым. Следовательно, все звезды на картинке кажутся «покрасневшими», не такими, каковы они в реальности. Самое яркое красное пятно, заметное за облаками пыли в верхнем левом углу, – это и есть центр Галактики, тесная группа звезд, в гуще которых скрывается черная дыра в 4 миллиона раз тяжелее Солнца.
На рис. 11.3 показана темная туманность под названием Угольный Мешок, это большое пылевое облако, полностью затмевающее расположенные за ним звезды. В небе остается «дыра», которую довольно легко заметить невооруженным глазом. Звездочеты австралийских аборигенов знали туманность Угольный Мешок уже около 40 тысяч лет назад. Она образует голову Эму – это темная область в Млечном Пути, широко известная в сказаниях аборигенов.
Следовательно, межзвездная среда далеко не однородна, в ней много довольно плотных сгустков или облаков. Кроме пыли там есть газовая смесь, состоящая из водорода, кислорода и других элементов. Разнообразные небесные объекты, напоминающие дымку или облака, мы называем туманностями (тем самым противопоставляя их «точечным» звездам). Эти газовые облака не просто скрывают из виду звезды. На рис. 11.4 изображена туманность Ориона, видимая невооруженным глазом. Она находится у кончика меча, что свисает у Ориона с пояса. Даже в бинокль эта туманность кажется довольно нечеткой, а не столь резкой, как звезда. Ультрафиолетовый свет жарких звезд может возбуждать межзвездный газ. Фотоны горячих и ярких молодых звезд могут забрасывать его атомы на высокие энергетические уровни. Падая на нижние энергетические уровни, атомы излучают фотоны со строго определенной длиной волны (об этом шла речь в главе 4), поэтому туманности кажутся такими цветистыми. Точно по такому же принципу флуоресцируют неоновые лампы. Кстати, неон – один из элементов, присутствующих в межзвездной среде.