Во время солнечного затмения в течение нескольких мгновений мы можем увидеть, что Солнце – вовсе не спокойная звезда: оно кипит и клокочет, как волшебный котелок на кухне у ведьмы. Но есть и еще кое‐что не менее магическое: во время больших и не очень больших взрывов на поверхности Солнца образуются и выбрасываются в космос мельчайшие частицы-призраки. Это осколки атомов, которые появляются при распаде атомов на части под воздействием солнечной температуры, а затем проносятся на высокой скорости сквозь Солнечную систему.
Атомное ядро состоит из тяжелых положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов почти той же массы. Ядра окружены одной или несколькими электронными оболочками. Электроны заряжены отрицательно, и они гораздо легче.
Эти вылетающие частицы с высокими энергиями не очень корректно называют космическими лучами. Когда космические лучи – лучше назвать их космическими частицами – входят в атмосферу, они вызывают, кроме всего прочего, северное сияние, которое иногда появляется в темном небе над Лапландией или Аляской, и, по рассказам наблюдателей, эти мерцающие и танцующие зеленые сполохи – совершенно фантастическое зрелище. Однако поток частиц, вызванный наиболее интенсивными солнечными бурями, важен для нас, людей, также и по другим причинам. Эти бури могут разрушить чувствительную электронику спутников, изменить магнитное поле Земли и помешать передаче радиосигналов. Особо сильные бури могут даже поднять напряжение в наших электросетях и нарушить электроснабжение целых городов. К счастью, подобные события случаются редко, и регулярный мониторинг погоды в открытом космосе позволяет заранее принимать меры предосторожности.
Только во время солнечного затмения мы можем невооруженным глазом увидеть, откуда берутся эти космические частицы. Зрелище оказывает на меня особое воздействие. По своей работе я знаю, что элементарные частицы, движение которых мы с дочерью наблюдали на краю Солнца, подчиняются тем же физическим законам, что и элементарные частицы на краях черных дыр, только последние находятся в гораздо более экстремальных условиях. Совместное воздействие магнитных полей и огромной турбулентности превращает эти мельчайшие заряженные частицы в подобие мячиков для пинг-понга, перебрасываемых туда-сюда, в результате чего они приобретают все большую энергию. Электроны, которые ускоряются в этих процессах и отклоняются магнитным полем, заставляют как Солнце, так и ближайшие окрестности черной дыры светиться в радиочастотном диапазоне. Космические частицы, образующиеся при взрывах звезд и вблизи черных дыр, могут достигать еще более высоких энергий, чем те частицы, которые образуются на Солнце. Они проносятся через неспокойные магнитные поля нашего Млечного Пути и открытого космоса.
Некоторые из них врезаются в нашу атмосферу, и их можно поймать и измерить. В крупномасштабных экспериментах, подобных эксперименту, проводимому в аргентинской обсерватории Пьера Оже, в котором я до сих пор участвую, ведутся исследования таких частиц с помощью множества детекторов, расположенных на тысячах квадратных километров.
Если бы мы не поняли физику Солнца и космических частиц, мы не смогли бы понять и физику черных дыр. Как удивительно, что во всей Вселенной происходят одни и те же процессы и действуют одни и те же законы! Излучение черных дыр, солнечные протуберанцы и северные сияния на Земле подчиняются бесконечным переплетениям действующих во всем космосе законов физики.
Во время солнечного затмения 11 августа у меня возникает чувство, будто я могу видеть все это собственными глазами. Для моей дочери это была увлекательная детская экскурсия, наполненная приключениями и удивительными зрелищами. После нее она сделала специальные очки для всех своих знакомых и пригласила их взглянуть на Солнце. Что должны были подумать о нас соседи?
Когда мы с моим ребенком смотрели на Солнце, я испытывал благоговейный трепет перед могуществом Вселенной. Особенно меня завораживало зловещее красное свечение Солнца, закрываемого тонкой дымкой облаков. В этом клубящемся кольце было что‐то мощное и почти гипнотическое. Это зрелище позже вдохновит меня на выбор цветов для картинки в нашей статье, предсказавшей возможность получения радиоизображения черной дыры.
Конечно, у меня есть преимущество перед многими людьми: ведь я знаю, почему происходит солнечное затмение и какие космические явления его вызывают. Но в каменном веке, да и позже, вплоть до наших дней, это зрелише казалось пугающим и считалось карой божественных сил. Документы, которым более четырех тысяч лет, рассказывают об одном таком затмении. В то время китайские придворные астрономы пытались предсказывать подобные явления, наблюдая за небом, но это не всегда выходило у них удачно. Согласно одной древней легенде двоих ученых мужей даже казнили по приказу императора за то, что они не смогли объявить точное время солнечного затмения и были пьяны, когда затмение все же произошло[15]. Хотя не исключено, конечно, что эта популярная история – просто выдумка. Так или иначе, но сегодня астрономы могут точно и без риска для жизни предсказывать время солнечных затмений. Разумеется, мы тоже иногда ошибаемся, особенно когда проводим исследования в неизведанных областях, однако за эти ошибки нам, к счастью, больше не грозит смертная казнь.
Солнце – такая же звезда, как и любая другая, – конечно, за исключением того, что это наша звезда, а следовательно, она намного-намного ближе к Земле и намного-намного ярче всех остальных звезд. Ни наша Луна, ни какая‐либо планета не были бы видны на небе без этого горячего гиганта – ведь они лишь отражают солнечный свет. Солнце настолько огромно, что в нем заключено более 99 процентов массы нашей Солнечной системы. Его сила тяготения удерживает планеты на своих орбитах, и именно ей мы должны быть больше всего благодарны за наши знания о звездах и гравитации.
Солнце – это массивный и невероятно горячий газовый шар, в ядре которого происходит ядерный синтез. Топливом служит водород – из него в основном и состоит Солнце. В ядре этой горячей звезды атомы легкого водорода сливаются, образуя гелий. Температура в ядре невероятно высокая – примерно 15 миллионов градусов Цельсия, но и на поверхности Солнца она все еще весьма значительна: 5 500 градусов. Тепло, излучаемое Солнцем, является единственным источником всей энергии на Земле, и оно не могло бы быть произведено без гравитации и, значит, высокого давления в солнечном ядре. Без солнечного света растения не могут расти: ведь они получают свою энергию с помощью фотосинтеза. Да и все мы тоже – и веганы, и вегетарианцы, и мясоеды – можем добывать еду только благодаря Солнцу, поскольку животные питаются растениями, которые, в свою очередь, не могут обойтись без солнечного света.
Когда мы сжигаем дрова, мы высвобождаем энергию, полученную от Солнца. Нефть, газ и уголь появились в результате биологических процессов, протекающих с момента рождения Земли, то есть они представляют собой накопленную солнечную энергию. Однако мы с такой скоростью уничтожаем наши природные запасы, сжигаем вещества, которые откладывались миллионы лет, что не нужно быть климатологом, чтобы понять: если мы продолжим в том же духе, добром это не кончится.
Кроме того, без Солнца мы не могли бы производить электричество. Понятно, что не была бы изобретена солнечная энергия, но и гидроэлектростанции также функционируют только потому, что Солнце постоянно заставляет воду испаряться и она потом проливается дождями, наполняющими наши озера и реки. Даже ветряки работают только потому, что Солнце нагревает нашу атмосферу неравномерно и в разных точках Земли создаются разные температуры, что и приводит к возникновению ветра. И хотя приливные электростанции получают энергию от Луны, а атомные станции – от элементов, которые были созданы в космосе при рождении черных дыр и нейтронных звезд, эти элементы попали к нам лишь благодаря гравитации Солнца. Ну, а исходным источником всей энергии Солнца, Луны, звезд и элементов является Большой взрыв – первичный источник энергии Вселенной.
Солнце ускорило процесс нашего превращения в двуногих существ, способных мыслить абстрактно. Солнечные космические частицы, попадая на Землю, увеличивают скорость мутаций в клетках организмов. Именно Солнцу мы обязаны тем, что эти клетки смогли видоизменяться, что эволюция пошла вперед, что мелкие млекопитающие эволюционировали в человека. Мы в некотором смысле космические мутанты. Однако повышенный уровень мутаций приводит и к образованию раковых клеток, а значит к смерти и распаду. Наше существование как людей было буквально выстрадано, заработано ценой глубоких страданий. Но без этих потенциально опасных генетических изменений мы все еще были бы одноклеточными организмами.
По сравнению с другими, более буйными, звездами Солнце имеет довольно спокойный темперамент. Оно по всем параметрами среднее – не особенно большое, не особенно массивное и даже не особенно активное[16]. Его возраст – 4,6 миллиарда лет, и оно находится в расцвете сил. Учитывая его общую массу, термоядерный реактор в ядре Солнца горит медленно. Количество энергии, вырабатываемой в его единице объема, значительно ниже, чем при метаболизме человека. Наш организм – это отлаженный механизм, который постоянно работает на полную мощность. Если бы мы все встали очень близко друг к другу, мы могли бы стать маленькой звездой[17].
Однако Солнце – благодаря своим размерам – затмевает абсолютно все. Население Земли должно было бы увеличиться почти в квадриллион раз, чтобы производить столько энергии, сколько производит Солнце.
Солнце практически сжигает себя. При синтезе гелия из водорода материя частично превращается в энергию. В результате наша звезда становится легче примерно на четыре миллиарда килограммов в секунду. И хотя Солнце излучает огромную энергию, оно использует лишь ничтожную часть собственной массы, то есть демонстрирует невероятную эффективность. На сегодняшний день ни одна машина, созданная человеком, не может произвести так много энергии при таком небольшом расходе топлива. Если бы наши тела были такими же эффективными и экономичными, как Солнце, каждому человеку понадобилось бы менее половины грамма пищи в течение всей его/ее жизни. Когда речь заходит об эффективности преобразовании массы в энергию в космосе, звезды уступают только черным дырам.