Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей — страница 4 из 19

Невидимое – из движения видимого

Маршрут:Тысячи планет из движения. – Планета как объяснение. – Гармония целых чисел. – Тайна девятой планеты. – Тайна первой планеты. – Несогласное вращение.

Главный герой:невидимые причины

Тысячи планет из движения. Вода довольно капризна: она не желает оставаться жидкостью ни в вашем морозильнике, ни в кипящем чайнике – интервал температур между которыми совершенно чепуховый по космическим меркам. Как бы мало мы ни знали о механизмах, благодаря которым зародилась жизнь даже в единственном известном нам варианте, особенно трудно представить себе, как она могла бы возникнуть где-то еще, кроме планеты, похожей на Землю в первую очередь наличием воды. Тут требуется не просто изрядное число молекул H₂O, а именно жидкая фаза. Однако весь наш опыт с планетами до относительно недавнего времени ограничивался Солнечной системой, и не было никакой возможности оценить их распространенность за ее пределами. Задача увидеть планету у другой звезды – маленький и тусклый объект рядом с большим и ярким – представляется довольно безнадежной. А как можно говорить о подходящих для жизни планетах, когда неясно, насколько часто вообще встречаются хоть какие-нибудь планеты?

Способом увидеть невидимое оказалось движение. Взаимность движения притягивающихся тел может быть ключом к тому, чтобы догадываться о существовании доселе неизвестных частей мира. Ситуации, когда «что-то движется не так», – ситуации несоответствия между теоретической картиной мира и наблюдаемыми фактами – могут означать наличие скрытой от глаз причины, но могут, конечно, указывать и на недостаток наших знаний о законах, которым подчинено движение. В одном случае надо искать какую-то невидимую часть мира, а в другом – приводить теоретическое знание в соответствие с миром. Эта дилемма никогда не дает расслабиться.

Если у звезды имеется планета или планеты, то может оказаться, что из-за движения вокруг общего центра масс звезда то приближается к нам, то удаляется от нас, т. е. перемещается вдоль луча зрения (никакого движения вдоль луча зрения мы не обнаружим в том случае, когда смотрим на звезду с планетами перпендикулярно плоскости их орбит; что ж, не повезло с этой звездой, попробуем с другими). Дело в том, что когда звезда движется по направлению к нам, ее свет прибывает несколько более синим – смещенным в синюю часть спектра – по сравнению с тем, какой был испущен, а когда источник удаляется, приходящий от него свет, наоборот, краснеет. Это дает способ обнаружения планет, которые движутся, может, и быстро, но сами практически не видны, через движение звезд, которые «едва ерзают», но зато видны хорошо.

Планеты выдают себя через движение своих звезд

Поскольку звезды во много раз массивнее планет, их движения действительно сравнительно малы; но метод определения скорости по спектру позволил добиться впечатляющей точности. «Более синий» свет означает чуть меньшую длину волны по сравнению с той, что была испущена, а «более красный» – наоборот, несколько бóльшую. Уже в начале 1990-х по изменению длин волн можно было определять скорости до 7 метров в секунду – меньше, чем у бегуна на стометровке. Наблюдая звезду, мы интересуемся тем, как с течением времени изменяется длина волны приходящего от нее света, и таким образом узнаем, не ведет ли она себя так, как полагается звезде с планетой (или планетами). Чем планета массивнее (и чем ближе к звезде), тем сильнее она заставляет шевелиться свою звезду, поэтому легче всего удается обнаружить признаки существования массивных планет типа Юпитера[43]. Первая планета, которую открыли таким способом, и оказалась так называемым горячим юпитером – юпитером из-за своих размеров, а горячим из-за близости к своему светилу (в отличие от нашего Юпитера, который никак не назовешь горячим; существование – и, как со временем выяснилось, в избытке – горячих юпитеров стало неожиданностью для наивных землян, которые до того могли рассуждать о планетных системах только на основе своего единственного опыта знакомства с таковыми). Половину Нобелевской премии по физике 2019 г. получили ученые, внесшие определяющий вклад в развитие этого метода и еще в 1995-м открывшие с его помощью первую экзопланету у звезды типа Солнца. В известном смысле это была премия за умение использовать движение и извлекать из него информацию, чтобы узнать о ранее неизвестных частях мира. Планеты, видимые глазом на нашем небе, названы словом с греческим корнем, обозначающим блуждания, но и те, которые находятся в миллионы раз дальше, тоже выдают себя движением – хотя их самих не видно даже в телескоп. Движение буквально рассказывает нам об устройстве Вселенной в самой, пожалуй, «практической» части – в том, что касается мест, потенциально пригодных для обитания.

Рис. 3.1. В не самом гостеприимном месте нашей планеты расположена обсерватория, где открывают далекие от нас планеты. Обсерватория Ла-Силья (Чили) управляется Европейской организацией астрономических исследований в Южном полушарии, известной также как Европейская южная обсерватория

Техника определения скоростей звезд совершенствовалась и совершенствуется, и спектрограф (прибор, который точно фиксирует спектры, на основе чего вычисляется скорость) в обсерватории Ла-Силья в Чили (рис. 3.1), заработавший в 2003 г., определяет скорости уже с точностью до 30 сантиметров в секунду – грудной ребенок быстрее машет кулачками. И это не предел, причем совершенствуется как технология получения данных, так и методы их обработки, а именно алгоритмы, по которым из изменений скорости мы делаем выводы о числе планет и некоторых их характеристиках. Эта задача – восстановление характера движения по путаным данным наблюдений – достойный XXI столетия вариант той задачи, которой занимался Иоганн Кеплер четыре века назад.

*****

Планета как объяснение. Даже в нашей собственной Солнечной системе не все имеющиеся планеты были известны всегда. Солнце, Меркурий, Венера, Луна, Марс, Юпитер и Сатурн – вот и все (не считая эпизодически появляющихся комет) странники по небосводу, известные нам до времени, когда всерьез развились систематические наблюдения неба в телескоп. Кеплер стремился понять не только каковы орбиты планет по форме, но и чем определяется размер каждой орбиты – расстояния от планет до Солнца. Он, более того, желал ответить на вопрос, почему их шесть (Меркурий Венера Земля Марс Юпитер и Сатурн ). Число планет, обращающихся вокруг Солнца, казалось фундаментальной данностью, для которой так соблазнительно было найти объяснение. Отражения совершенства небес Кеплер искал в нетленном – в математике. Он надеялся, что пять последовательных соотношений между орбитами шести планет определяются тем, что существует в количестве пяти и только пяти, – правильными многогранниками. Кроме всем известного куба, это еще тетраэдр, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр; других нет и никогда не будет (и про планеты тоже, казалось, следовало так считать!). Если один из этих многогранников описать вокруг сферы и одновременно вписать в другую сферу, то отношение радиусов большой и малой сфер окажется однозначно фиксированным (рис. 3.2). Можно ли разместить правильные многогранники в такой последовательности, чтобы они воспроизводили относительные размеры орбит, по которым движутся все шесть планет? После Кеплера едва ли многие занимались подобными геометрическими упражнениями, и даже число планет оказалось в действительности не равным шести. Седьмая планета, сейчас известная как Уран, робко появлялась в поле зрения наблюдателей несколько раз начиная, во всяком случае, с конца XVII в., но четко зафиксированное наблюдение движущегося по небу объекта принадлежит Гершелю (1781), который, правда, воспринял этот объект как комету и некоторое время продолжал считать его кометой, даже когда другие астрономы, извещенные об открытии, стали склоняться к тому, что это нечто «подобное планете» – да, собственно, и есть планета[44].

Рис. 3.2. Конструирование причин (по Кеплеру) того, что орбиты всех шести планет в Солнечной системе имеют именно такие относительные размеры

Через несколько десятков лет после своего открытия Уран (интересный и сам по себе, что мы здесь полностью игнорируем) стал трамплином – можно сказать, батутом – для дальнейшего познания Солнечной системы. Однако способ, каким это случилось, был, видимо, не совсем привычен современникам (зато к нашему времени обрел практически бесконечную популярность, не в последнюю очередь из-за своей относительной дешевизны). У этой планеты есть два массивных соседа, Сатурн и Юпитер, которые не могут не влиять на ее движение. К 1821 г., как раз когда все большее распространение получало название «Уран», движение этой планеты стало предметом значительного внимания. Бувар по результатам своих вычислений опубликовал таблицы орбиты Урана на годы вперед. Это значит, что он решил задачу о движении Урана с учетом притяжения не только к Солнцу, но и к двум большим планетам; такое решение требует начальных условий (см. главу «прогулка 1»), которые Бувар фиксировал по результатам имеющихся наблюдений. Идея вычислений состояла в том, чтобы последовательно находить отклонения от кеплерова эллипса из-за влияния соседей, которые при этом сами не стоят на месте. Со времен «Начал» Ньютона прошло 130 лет, в течение которых методы таких вычислений непрерывно совершенствовались, и не было никаких причин сомневаться, что Уран будет с течением времени виден на небе именно там, где ему «велел» находиться Бувар. Уран, однако, не стал этого делать. Разумеется, он двигался примерно по кеплерову эллипсу, но отклонения не точно соответствовали тем, которые предсказал Бувар. В частности, Уран ускорялся в своем движении сильнее, чем ожидалось.

Соседние планеты слегка искажают кеплеровы эллипсы

Как всегда в таких случаях, возможны варианты; о них легко рассуждать задним числом, когда вы дочитали детектив до конца, но участники расследования (в данном случае – ученые) не могут подсмотреть в конец книги и вынуждены угадывать причину несоответствия, которая вообще-то может оказаться какой угодно. Это могут быть ошибки в вычислениях (а такие ошибки иногда оказываются довольно тонкими, и их нелегко выловить). Вариант более серьезный – используемая теория не совсем правильна. Наконец, вспомним, что познание мира после «Начал» Ньютона было нацелено на причины. Какая причина может приводить к несогласию между предсказанным и наблюдаемым поведением планеты, когда влияния всех известных планет уже учтены? Влияние неизвестной.

Бувар скончался в июне 1843 г. Запущенная им цепочка событий – выразительная иллюстрация того, как работает наука: она публична и открыта, приглашая каждого воспользоваться ее результатами в меру сил (и, не будем наивными, в меру квалификации). Бувар подозревал наличие неизвестного тела довольно значительной массы, которое находилось где-то (точнее говоря, двигалось как-то) и оттуда влияло на Уран. Полезно представлять себе пространственный масштаб: оно могло находиться на расстоянии от трех до пяти миллиардов километров от нас. За математическую охоту на это тело с начала 1840-х гг. со всей серьезностью принялся Адамс, которому тогда едва исполнилось 20 лет (основные участники событий представлены на рис. 3.3). Адамсу нужны были не только таблицы Бувара, но и максимально точные данные наблюдений Урана. Сравнивая табличные значения и данные наблюдений, он надеялся решить обратную задачу: не по известным причинам определить движение, а, наоборот, по наблюдаемому движению восстановить недостающую причину (я думаю, Ньютон должен был бы испытывать полнейший восторг). Адамс написал королевскому астроному сэру Джорджу Эйри, который попросил ответных разъяснений, так что дело шло не быстро. В конце концов Адамс получил некоторые данные и к 1846 г. высказал предположение (собственно, несколько уточняющих друг друга предположений) о том, где может находиться неизвестная «планета X».

Рис. 3.3. Алексис Бувар, Джон Куч Адамс, Урбен Леверье, Джеймс Чэллис, Иоганн Готтфрид Галле, Генрих Луи д'Арре, Уильям Лассел

Наука приглашает к решению проблемы всех заинтересованных и при этом не замыкается в одной стране: независимо от Адамса француз Леверье проделал вычисления с той же целью – узнать, как могла бы двигаться неизвестная планета, чтобы ее влияние отвечало в точности за «аномалии» в движении Урана. Когда французские (!) коллеги отнеслись к его идеям прохладно, Леверье написал директору Кембриджской обсерватории Чэллису. Примерно в этот момент на сцене появляется Джон Гершель, сын первооткрывателя Урана, который с энтузиазмом поддержал необычную идею, что планету можно открыть математически, и убедил Чэллиса приняться за наблюдения, что тот и сделал в августе 1846 г. «Найти» планету на фоне многочисленных звезд означает зафиксировать ее наличие там, где ее определенно не было некоторое время назад. Это не единовременный акт «взглянул, увидел, открыл», и новостей от Чэллиса не поступало. Наука же не только интернациональна, но и конкурентна. Леверье написал еще и директору Берлинской обсерватории Галле, рядом с которым в обсерватории случился быть, выражаясь современным языком, аспирант, предложивший не откладывать дело в долгий ящик, а сравнить сделанную ранее карту ключевого участка неба с тем, что видно в телескоп прямо сейчас. Они вдвоем – Галле и д'Арре – открыли планету (известную нам как Нептун) ночью того же дня, когда Галле получил письмо, 23 сентября 1846 г. Она обнаружилась в 1° в стороне от положения, которое предсказал для нее Леверье, и в 12° от предсказания Адамса. Наука и правда делится своим результатами для того, чтобы их можно было развивать: через 17 дней после открытия планеты Лассел открыл ее спутник (который много позднее получил имя Тритон).

Нептун – планета, предсказанная в вычислениях

Восьмая планета выдала себя движением, но не своим собственным, а чего-то другого, что видно лучше, – почти так же, как сейчас выдают себя экзопланеты, только способом, доступным для технологий XIX в. Постфактум выяснилось, что с «вычислением» Нептуна повезло: большую часть времени между открытием Урана в 1781 г. и серединой следующего столетия Уран и Нептун находились почти максимально близко друг к другу, из-за чего влияние Нептуна и оказалось столь заметным. Если бы ситуация была противоположной – две планеты располагались по разные стороны от Солнца, то никаких заметных аномалий в движении Урана не обнаружилось бы и пришлось бы ждать открытия Нептуна каким-то менее регулярным образом; оно, несомненно, состоялось бы, ведь как опять-таки стало ясно в ретроспективе, его наблюдал (и оставил запись, приняв за неподвижную звезду) уже Галилей, когда изучал Юпитер в свой телескоп. Да и Чэллис, как оказалось, дважды видел Нептун в начале августа 1846-го, но не «открыл» его из-за сочетания двух факторов: у него не было подходящих звездных карт для сравнения, а голова была занята текущим интересом – исследованием комет. Вычисления, проделанные Адамсом и Леверье, позволили неплохо предсказать положение Нептуна на небе, несмотря на то что рассчитанные ими орбиты новой планеты заметно отличаются от истинной, как мы теперь знаем. Из рис. 3.4 видно, что оба вычисления давали близкие к действительности результаты для орбиты в той ее части, где планета находилась в тот период, но неверно оценивали, насколько вытянут эллипс (и, чего не видно из рисунка, ошибались в предсказании массы планеты, причем эта ошибка некоторым образом коррелировала с ошибкой в форме орбиты, что и давало близкое к верному текущее положение планеты). В открытии нового важнее не идеальность с первой же попытки, а сам факт того, что выбранный подход привел к результату.

Рис. 3.4. Орбиты Урана и Нептуна с отмеченными положениями планет в выбранные годы. Уран движется по своей меньшей орбите быстрее, чем Нептун. В первой половине XIX в. две планеты находились в достаточной близости друг от друга. Дополнительно показаны орбиты, построенные по вычислениям Адамса и Леверье, а также предсказанные каждым из них положения новой планеты летом 1846 г.

Наука интернациональна как предприятие, но национальна по действующим лицам: постфактум разгорелось франко-британское соперничество за признание первенства в предсказании новой планеты. Название же установилось относительно быстро, хотя и не с первой попытки: Галле предложил Янус, Чэллис – Океан. Леверье был бы рад названию Леверье (из-за чего во Франции было вспомнили, что Уран – это Гершель), но в конце концов предложил вариант Нептун, и название закрепилось[45].

Рис. 3.5. Вид с «Вояджера-2» примерно через три дня и шесть с половиной часов после его максимального сближения с Нептуном. После этого сближения аппарат движется к окраинам Солнечной системы под углом 48° к плоскости земной орбиты

«Вояджер-2», запущенный 20 августа 1977 г., после промежуточной коррекции траектории приблизился к Нептуну в августе 1989-го. (Перед тем аппарат получил прибавки к скорости за счет гравитационной пращи у Юпитера, Сатурна и менее значительную – у Урана.) Курс был проложен так, чтобы заодно наблюдать и Тритон (рис. 3.5). Для этого потребовалось пройти над северным полюсом Нептуна, из-за чего гравитационная праща вывела «Вояджер-2» из плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты, вблизи которой лежат и орбиты большинства планет), поэтому сейчас его скорость относительно Солнца меньше, чем скорость «Вояджера-1». «Вояджер-2» открыл кольца и новые спутники Нептуна. Эти спутники (все – маленькие) получили имена божеств, связанных с водой: Наяда, Таласса, Деспина, Галатея, Ларисса, Протей и т. д. Кольца оказались сильно разреженными и поэтому с трудом различимы с Земли. Тем не менее они есть, и их несколько. Среди присвоенных им имен – Адамс, Лассел, Леверье и Галле. Больше вблизи Нептуна никто не был. В последние полтора десятка лет название «нептуны» стали использовать для экзопланет примерно такой массы, чтобы отличать их от более массивных юпитеров.

*****

Гармония целых чисел. Притяжение соседей заметно отличает реальную Солнечную систему от набора идеальных эллипсов, а в молодости отличало еще сильнее: эволюция под действием взаимного притяжения происходила так, что серьезные участники событий (планеты) успокоились, только расположившись на подходящих орбитах – таких, которые тем или иным способом обеспечивают подобие стабильности. У каждого своя орбита, на которой больше нет сколько-нибудь крупных и даже средних по размеру тел, кроме как, возможно, в точках Лагранжа L₄ и L₅, а влияние соседних планет никогда не делается слишком сильным. Те комбинации орбит, на которых оно делалось «слишком сильным», перестраивались до тех пор, пока конфликт соседей тем или иным образом не разрешался. Планеты мигрировали, иногда захватывая с собой и тех, кто напрямую в конфликте не участвовал.

Самое наивное решение для прекращения перестройки орбит – разведение планет на достаточное расстояние. Сила притяжения убывает по мере удаления, и орбиты в большинстве случаев действительно разделены значительными расстояниями. Например, минимальное расстояние между легкими Землей и Марсом – 55,76 млн километров, а между массивными Юпитером и Сатурном – 655 млн километров; при этом планеты редко сходятся на эту минимальную дистанцию, а большую часть времени пребывают заметно дальше друг от друга (максимальное расстояние от Юпитера до Сатурна – 2,21 млрд километров). Но есть и менее наивное решение. Орбиты, периоды обращения по которым соотносятся как небольшие целые числа (например, 3: 2), могут быть устойчивыми даже несмотря на тревожащую близость. Орбиты Плутона и Нептуна (рис. 3.6) почти пересекаются: планеты могли бы приблизиться друг к другу на 2 а.е. (астрономическая единица – исторически принятое среднее расстояние от Солнца до Земли, около 149,6 млн километров), но в действительности никогда не сходятся ближе чем на 16 а.е. из-за установившегося резонанса – отношения периодов обращения 3: 2. В их «невстрече» играет роль и наклон орбиты Плутона, но главное – это резонанс. Это в данном случае не музыкальный термин, описывающий, например, возникновение стоячей волны в корпусе скрипки, а именно отношение периодов обращения, выражаемое целыми числами. Внутри скрипки, впрочем, целые числа тоже некоторым образом присутствуют, потому что между стенками должно помещаться как раз целое или полуцелое число звуковых волн; вполне можно сказать поэтому, что резонанс между орбитами – определенный вид гармонии.

Резонанс – целочисленная гармония между орбитами

Рис. 3.6. Орбиты Нептуна и Плутона. Слева: орбита Плутона более вытянута, чем орбита Нептуна, и заметно (на 17°) наклонена к плоскости эклиптики. Справа: в проекции орбита Плутона заходит внутрь орбиты Нептуна. Одни и те же цифры около точек, отмеченных на орбитах, указывают положения планет в один и тот же момент времени

Для Нептуна и Плутона целые числа 2 и 3 работают вот как. Когда какие-то две планеты оказываются примерно на одной линии с Солнцем по одну сторону от него, внутренняя планета тянет внешнюю в сторону Солнца, т. е. прибавляет свое притяжение к притяжению Солнца. Если расстояние между планетами при этом невелико, то внешняя планета может и не остаться на своей орбите. Можно ли избежать выстраивания в линию там, где орбиты близки друг к другу? На первый взгляд нет. Быстрая гоночная машина раз за разом обгоняет медленную на разных участках кольцевой трассы, и если подождать достаточно долго (а для Солнечной системы терпение – не вопрос), то какой-то очередной обгон случится наконец прямо напротив трибун. То же самое и с планетами: если «сейчас» внутренняя обгоняет внешнюю там, где их орбиты заметно разнесены, то в следующий раз это случится в другом угловом положении и так далее, а рано или поздно произойдет там, где расстояние между орбитами мало и планеты могут «зацепиться» друг за друга своим притяжением. Повторение таких встреч приведет к заметной перестройке орбит. Но положение спасают резонансы. Картина в случае резонанса 3: 2 становится ясной при разглядывании рис. 3.6. Одни и те же цифры около точек, отмеченных на орбитах, указывают положения планет в один и тот же момент, а единицей времени выбрана половина периода обращения Нептуна. В момент 0 планеты действительно находятся на одной линии с Солнцем, но там и расстояние между орбитами максимальное, и удаление каждой планеты от Солнца тоже максимально. А когда Нептун подходит ближе всего к Солнцу (моменты 1, 3, 5), Плутон оказывается то впереди, то позади него на изрядном расстоянии. Картина относительного положения двух планет повторяется с периодом 6 в выбранных единицах – каждые два оборота Плутона и три оборота Нептуна; публика понимает, что обгон неизменно происходит в скучной части трассы, и расходится.

Устойчивость близких орбит поддерживается резонансами

«Встраивание» целых чисел в орбиты планет – не знак предустановленной гармонии, а результат эволюции. Орбиты деформировались до тех пор, пока не происходило одно из двух: планеты расходились или периоды их обращения устанавливались в подходящем соотношении. Какие именно резонансы установятся (и установятся ли) в сложной системе нескольких тел, сказать заранее крайне трудно. Сэр Исаак Ньютон управляет этим процессом, так сказать, из-за кулис: и само существование резонансных состояний, и возможная (вовсе не обязательная, конечно) эволюция к одному из них – это следствия все тех же законов движения и тяготения, только ход эволюции крайне чувствителен к деталям текущего состояния, пока оно еще не стало устойчивым. Три из четырех открытых Галилеем спутников Юпитера – Ио, Европа и Ганимед – находятся в резонансе 1: 2: 4. Спутники Нептуна Таласса и Наяда, уже упоминавшиеся чуть выше, быстро обращаются вокруг планеты (три с лишним раза за земной день) и находятся в редком резонансе 73: 69, благодаря которому им удается удерживаться на очень близких орбитах. Две их практически круговые орбиты наклонены под углом 5° друг к другу и «почти пересекаются». Если бы оба небесных тела одновременно оказались вблизи одной из «точек пересечения», то их взаимное притяжение увело бы их с этих орбит. Но резонанс решает задачу невстречи: они проходят опасные точки на расстоянии около 1850 км по радиусу (Наяда внутри) и спасительных 2800 км в направлении, примерно перпендикулярном плоскости орбит. И никогда не подходят друг к другу ближе этого[46].

На какие еще ухищрения способны движение и притяжение, выразительно демонстрируют спутники Сатурна Янус и Эпиметей. Они занимают предельно близкие друг к другу орбиты, которые по радиусу разделяет всего 50 км (!), причем без сколько-нибудь заметного относительного наклона: орбиты буквально лежат рядом на всем своем протяжении, а просвет между ними меньше диаметра каждого из спутников (которые вообще-то небольшие: более крупный Янус – это кусок 203 × 185 × 152,6 км). Поскольку движение по внутренней орбите происходит быстрее, чем по внешней, столкновение кажется неминуемым (поистине безрассудные спутники!). Столкновению, однако, препятствует орбитальная механика – та самая, которую мы обсуждали в главе «прогулка 2» в связи с маневрами космических кораблей. В случае естественных спутников в ней есть дополнительный элемент – взаимное притяжение. Из-за притяжения Янус и Эпиметей, сближаясь, никогда не подходят друг к другу ближе чем на 10 000 км – что выглядит парадоксально, потому что при приближении быстрого к медленному взаимное притяжение начинает тянуть каждый спутник в сторону другого. Сейчас столкнутся? Даже раньше, чем если бы притяжения между ними не было? Смотрим внимательнее: из-за притяжения друг к другу более быстрый – догоняющий – приобретает дополнительную скорость, а более медленный ее теряет. Лучше говорить даже не о скорости, а о количестве движения – это произведение скорости на массу, что в данном случае существенно, потому что один из спутников (Янус) в четыре раза массивнее другого. Два спутника обмениваются количеством движения: сколько прибавляется у одного, столько же вычитается у второго[47]. Если бы это были автомобили с растянутой между ними пружиной, которая норовит сжаться, то столкновение произошло бы только скорее, чем без пружины. Но на орбите все ровно наоборот. Прибавка количества движения у быстрого спутника означает прибавку к энергии, а мы помним, что добавленная на орбите энергия не идет в энергию движения. В действительности энергия движения делается даже меньше, а увеличивается энергия в поле притяжения. Из-за этого более быстрый (догоняющий) спутник переходит на более высокую орбиту и замедляется, не успев догнать своего компаньона. Тот же, наоборот, отдав некоторое количество движения, а потому и энергии, переходит на более низкую орбиту и ускоряется, убегая «вперед» от своего преследователя. Нестрого можно сказать, что два спутника меняются орбитами, – нестрого потому, что массы у них все-таки разные и орбита более легкого изменяется сильнее (если бы их массы были одинаковы, они бы буквально менялись орбитами)[48]. Понятно, что происходит потом: тот, который стал более быстрым, рано или поздно начинает подбираться «сзади» к более медленному и обмен орбитами повторяется (или происходит в обратном направлении, если вам так больше нравится). Интересно было бы наблюдать такое в земном небе – мифология разных народов наверняка интерпретировала бы эту картину очень изощренными способами.

Рис. 3.7. Система TRAPPIST-1 в видении художника. Размеры звезды и планет показаны не в масштабе в сравнении с расстояниями

Чемпион по резонансам – не Солнечная система, а звезда TRAPPIST-1 и ее планеты. Эта звезда – ультрахолодный красный карлик, имеющий пять планет размером почти как Земля и еще две несколько меньшие, хотя и превосходящие по размеру Марс (рис. 3.7). Все эти планеты находятся существенно ближе к своей звезде, чем наш Меркурий к Солнцу, но из-за того, что звезда светит очень слабо, целые три планеты (e, f и g) расположены в зоне, потенциально пригодной для жизни[49]. При этом самая близкая к звезде планета обращается вокруг звезды за время около полутора земных суток, а самая дальняя – за неполные 19 суток, так что картина в небе каждой из планет выглядит оживленно. Планеты b и c обращаются по таким близким орбитам, что одна должна быть практически постоянно видна с другой, временами становясь даже больше, чем Луна в земном небе. И все вместе – это пир резонансов: планеты c, d, e, f, g, h находятся с самой внутренней планетой b в резонансах 8: 5, 8: 3, 4: 1, 6: 1, 8: 1 и 12: 1. Гармонии в этом оказалось достаточно для того, чтобы положить ее на музыку (см. литературные комментарии к этой прогулке).

Командовать естественными спутниками нам не под силу, но мы в состоянии распорядиться целочисленными отношениями для собственной пользы, если речь идет об орбитах космических аппаратов в системе нескольких тел. 18 апреля 2018 г. ракета «Фалькон-9» компании SpaceX вывела в космос сменщика «Кеплера» в деле поиска экзопланет – космический телескоп TESS[50]. Он отправился к ранее никогда не использовавшейся орбите в резонансе 2: 1 с Луной. Для этого телескоп сначала дождался свидания с Луной, летая по сильно вытянутым эллипсам (рис. 3.8). Лунная гравитационная праща отправила его на переходную орбиту, откуда он в конце концов перебрался на орбиту вокруг Земли с периодом обращения 13,7 суток – это ровно половина периода обращения Луны; такая пара орбит и называется резонансной в отношении 2: 1. Максимальное удаление от Земли на этой орбите на 11 000 км меньше среднего расстояния до Луны. Неконтролируемого (различного от витка к витку) влияния Луны удается в этом случае избежать потому, что в момент наибольшего удаления телескопа от Земли Луна при взгляде с земной поверхности находится под углом 90° к нему. Начав с этого положения, стоит попробовать «анимацию для бедных»: поводить пальцами по рис. 3.8, следя за правилом 2: 1 – делая два оборота спутника на каждый оборот Луны вокруг Земли (у меня это получилось в варианте «половина оборота Луны на каждый полный оборот спутника»). Картина полностью повторяется с каждым следующим оборотом Луны – ничего нового не происходит, чего, собственно, и хотелось. Как видно, половину своего периода обращения Луна находится по одну сторону от орбиты TESS, а половину – по другую, в результате чего ее усредненное влияние на орбиту телескопа оказывается близким к нулю. И заодно диск Луны не мешает наблюдениям.

Рис. 3.8. Путешествие телескопа TESS к орбите в резонансе 2: 1 с Луной

TESS ищет планеты в основном не дальше 200 световых лет – намного ближе, чем это делал «Кеплер», который обнаружил основную массу своих планет на расстояниях от 300 до 3000 световых лет (пожалуй, чем ближе, тем интереснее). В начале января 2020 г. TESS, счет которого на планеты к этому моменту уже перевалил за 1500, обнаружил свою первую планету, близкую по размеру к Земле (лишь немного ее превосходящую) и, главное, обращающуюся на таком расстоянии от своей звезды, что там может существовать жидкая вода (правда, год там примерно в десять раз короче нашего – звезда тусклая, из-за чего подходящий температурный режим и оказался возможным на планете, обращающейся совсем близко к звезде). Находится этот мир (TOI 700 d) всего в сотне световых лет отсюда. По итогам первых трех лет работы, подведенным в январе 2022 г., телескоп обнаружил пять с лишним тысяч кандидатов в экзопланеты; мы ждем от него новых экзопланет земного типа еще ближе к нам.

*****

Тайна девятой планеты. Резонанс – не обязательно демократическое мероприятие с примерно равными партнерами (скажем, двумя планетами или двумя спутниками). Большие планеты во главе с Юпитером командуют тем, в каком резонансе с ними двигаться более мелким телам – в первую очередь астероидам; примеров в Солнечной системе в избытке. Юпитер, собственно говоря, не дал сформироваться планете там, где сейчас находится пояс астероидов (это не обломки того, что когда-то развалилось, а строительный материал, который не пошел в дело). Но что, если «подчиненное» положение нескольких тел усмотреть можно, а причины его не видно? «Нептун наших дней» то ли угадан, то ли нет по признакам более тонким, чем несоответствие кеплерову эллипсу. Наоборот, потребовалось несколько эллипсов. Эта детективная история развивается в той области, которая была открыта и осознана как неотъемлемая и интересная часть Солнечной системы только в конце XX в.

Солнечная система состоит не только из планет и вовсе не заканчивается последней планетой – Нептуном, находящимся на расстоянии около 30 а.е. от Солнца. Далеко за его орбиту простирается мир из тысяч каменно-ледяных кусков разного размера, которые неспешно летают вокруг Солнца и все вместе называются транснептуновыми объектами. (Еще дальше расположено – строго говоря, гипотетическое – облако Оорта, о котором мы говорить здесь не будем.) Подавляющее большинство из них значительно меньше километра в диаметре, но есть и карликовые планеты; впрочем, статус некоторых объектов может меняться по мере их изучения, которое в целом представляет собой сложную задачу из-за того, что они и достаточно малы, и далеко находятся, и медленно движутся (последнее означает трудности с определением их орбит). Самые большие из идентифицированных транснептуновых тел показаны на рис. 3.9. «Вояджер-1» и «Вояджер-2» не исследовали это собрание, потому что о его существовании перед их стартом еще не подозревали. На рис. 3.10 показано, как космический телескоп «Хаббл» видит некоторые карликовые планеты.

Рис. 3.9. Сравнительные размеры Земли, Луны и самых крупных транснептуновых объектов, включая пару Плутон/Харон. У некоторых других занептунных тел тоже установлено наличие спутников

Рис. 3.10. Как космический телескоп «Хаббл» видит карликовые планеты: Седна, Макемаке и Эрида со своим спутником Дисномия

Те транснептуновые объекты, на движение – т. е. на орбиты – которых тем или иным способом повлияла последняя из планет (Нептун, разумеется), относят к так называемому поясу Койпера. Некоторые из этих замерзших кусков состоят в разнообразных резонансах с Нептуном. Те, которые устроились в резонансе 3: 2, называются плутино (мн. ч.) по той причине, что именно в таком резонансе с Нептуном пребывает и сам Плутон, который относится не к «настоящим», а к карликовым планетам и по характеру своего движения тоже представляет собой плутино (ед. ч.). По мере удаления от Солнца встречаются тела и в других резонансных соотношениях, наиболее широко из которых представлены 5: 3 и (еще дальше от Солнца) 2: 1. А между ними (в интервале больших полуосей примерно от 42 до 48 а.е.) лежат орбиты большинства нерезонансных обитателей пояса Койпера: они «просто» летают, не приближаясь слишком сильно к Нептуну, который поэтому оказывает на них эпизодическое, нерегулярное воздействие. По этой причине параметры их орбит – если смотреть на весь этот класс в целом – распределены довольно хаотическим образом. А из-за того, что суммарная масса объектов пояса Койпера очень невелика – всего около 2 % массы Земли, друг на друга они влияют слабо. В целом в транснептуновом мире картина орбит, большие полуоси которых лежат в пределах 100 а.е., понятна в том отношении, что так или иначе отражает известное нам влияние больших планет Солнечной системы.

Тела на орбитах, проходящих еще дальше от Солнца, за пределами пояса Койпера, распределены более редко и составляют так называемый рассеянный диск; они максимально приближаются к Солнцу на расстояния в интервале от 30 до 38 а.е., но их наибольшее удаление составляет многие десятки и первые сотни астрономических единиц. Карликовые планеты, кстати, встречаются в разных категориях: например, Хаумеа и Макемаке относятся к поясу Койпера, Эрида – представитель рассеянного диска, а Седна лежит в отдельном подклассе «обособленных объектов» – тех, которые даже при своем максимальном приближении к Солнцу остаются на расстоянии не менее 40 а.е. от него. Кроме обособленных объектов, имеется и «смешанный класс» тел, названных по этому поводу кентаврами: их орбиты сильно вытянуты, из-за чего они время от времени ныряют в область влияния планет (на расстояния около 30 а.е. от Солнца), но потом надолго уходят очень далеко, до расстояний, измеряемых первыми тысячами астрономических единиц. Эти обособленные и «почти обособленные» объекты – встречающиеся, хотя и не очень широко распространенные в далекой занептунщине – и оказались главными свидетелями в развивающейся детективной истории.

Обособленные объекты и отчасти кентавры имеют «незагрязненные» орбиты: воздействие Нептуна на них слишком слабо и для того, чтобы установить резонансы, и для того, чтобы «хаотизировать» общую картину орбит, которые в резонанс не попали. Поэтому если в орбитах обособленных объектов удается усмотреть какую-то регулярность, то стоит задуматься о ее причине. В 2016 г. – когда гипотезы о неизвестных телах, оказывающих влияние на занептунщину, уже несколько лет обсуждались научным сообществом – Браун (среди прочего первооткрыватель Седны) и Батыгин собрали вместе несколько наблюдаемых примеров таких регулярностей и предложили им единое объяснение. Вообще-то все эти орбиты имеют только один гарантированно общий элемент – Солнце в фокусе – и при этом раскиданы в пространстве самыми разными способами: они вовсе не лежат в плоскости эклиптики, линии пересечения орбит с плоскостью эклиптики имеют различные ориентации, а каждый эллипс в большей или меньшей степени «повернут на бок» в своей плоскости по отношению к плоскости эклиптики. Однако шесть транснептуновых объектов (Седна, 2012 VP₁₁₃, 2004 VN₁₁₂, 2010 GB₁₇₄, 2007 TG₄₂₂ и 2013 RF₉₈) – достаточно далеких, летающих по вытянутым эллипсам с большими полуосями не менее 250 а.е. – демонстрируют интригующую согласованность: если плоскость каждой орбиты мысленно совместить с плоскостью эклиптики, поворачивая вокруг линии пересечения двух плоскостей, то неожиданно близкими друг к другу окажутся направления от Солнца на перигелии – точки максимального приближения каждого тела к светилу. И это не все! Эллипсы, по которым летают объекты из частично другой шестерки (Седна, 2012 VP₁₁₃, 2004 VN₁₁₂, 2010 GB₁₇₄, 2000 CR₁₀₅ и 2010 VZ₉₈), сходны в том, в какой степени они «повернуты на бок» по отношению к плоскости эклиптики: двигаясь от точки пересечения с эклиптикой до перигелия, каждое из этих тел совершает поворот на примерно один и тот же угол, если смотреть от Солнца. Конечно, никто еще не видел эти объекты в перигелиях (для этого пришлось бы ждать сотни или даже тысячи лет), но, как только несколько последовательных наблюдений позволяют определить эллипс, большого выбора не остается – мы знаем про этот эллипс все, в том числе и скорость движения по нему. Имеются, кроме того, и другие признаки сходства между рядом орбит, включая их наклонение к плоскости эклиптики.

Некоторые транснептуновые орбиты организованы неожиданно регулярно

Беспричинные совпадения такого рода не просто маловероятны; например, концентрация направлений на перигелии не может сохраняться даже в течение времени в одну десятую возраста Солнечной системы: за такой период времени перигелии «разбредутся» кто куда по всем 360 градусам из-за прецессии. Прецессия орбиты – это (медленный) поворот самого эллипса, в данном случае вызванный наличием больших планет в Солнечной системе. Да, планеты оказывают на обособленные объекты только усредненное воздействие, но создаваемая ими добавка к притяжению Солнца, пусть численно и небольшая, качественно меняет движение: кеплеровы эллипсы начинают поворачиваться[51]. Скорость поворота каждого эллипса зависит от того, каков в точности этот эллипс, поэтому для каждого тела скорость «ухода» перигелия получается своя собственная, и за время существования Солнечной системы от концентрации перигелиев, если она когда-то и имела место, не останется и следа – если только тут нет какого-то постоянно действующего механизма, поддерживающего эту концентрацию. И еще одна загадка обособленных тел связана с их орбитами как таковыми: как они, эти орбиты, получились такими «обособленными»? Наши представления об образовании и эволюции Солнечной системы подсказывают, что сформироваться эти тела должны были не там, где они находятся сейчас, а ближе к Солнцу, но в таком случае какое-то гравитационное взаимодействие должно было «закинуть» их на такие далекие орбиты, а Нептун на эту роль не подходит именно из-за того, насколько далеко за орбитой Нептуна находятся их перигелии.

Рис. 3.11. Орбиты нескольких транснептуновых тел и возможная орбита Планеты 9, которая их «выстраивает» (P9, показана более толстой линией). Полезно представлять себе масштаб: характерное расстояние от Солнца до Планеты 9 превышает расстояние от Солнца до Земли в полтысячи раз; орбиту Земли показать здесь в масштабе невозможно. Максимальное удаление объекта 2015 KG₁₆₃ от Солнца – около полутора тысяч расстояний от Земли до Солнца

Браун и Батыгин предложили механизм для ответа на весь этот набор вопросов в виде неизвестной планеты (рис. 3.11), которая определила особенности этих орбит своей гравитацией. Она – ничем более не известная Планета 9 – должна для этого улетать на максимальное расстояние от 400 до 800 а.е. от Солнца и иметь массу около пяти масс Земли. «Предложили» означает построили компьютерную модель, внутри которой сэр Исаак Ньютон распоряжается совместным поведением группы тел в далекой области Солнечной системы, из чего в результате видно, что при некоторых предположениях об орбите Планеты 9 ее гравитационное влияние примерно так и выстраивает орбиты этих тел, даже если вначале они были распределены каким-то случайным образом. Орбита самой «девятки» извлекается отсюда в довольно приблизительном описании; а в какой части этой орбиты планета находится сейчас, не может быть известно в принципе – поэтому неизвестно, куда смотреть, чтобы ее обнаружить. Этим ситуация, развивающаяся на наших глазах, отличается от истории с открытием Нептуна. Отличаются, кроме того, постановка задачи и метод рассуждений: ищется не причина аномалии, а, наоборот, причина «повышенной регулярности». И доверие к математическому подходу для поиска причины несравнимо с тем, которое только пробивало себе дорогу во времена Леверье: гипотеза Брауна и Батыгина широко обсуждается, предлагаются (как и полагается в науке, где скепсис – основа долгосрочного здоровья) альтернативные модели разной степени успешности, а планету тем временем ищут. Слабость отраженного света, испускаемого таким небольшим телом на столь большом расстоянии от Солнца, делает задачу его нахождения на фоне звезд поистине сложным испытанием для инструментов и методов наблюдательной астрономии. Дальнейшие вопросы возникнут, когда (если) Планету 9 найдут: каким образом такая планета смогла оказаться на такой далекой орбите? Как/где она сформировалась, притом что строительного материала в такой далекой области, судя по всему, недостаточно? (Пришла от другой звезды? Мигрировала из внутренних областей Солнечной системы? …?) На вопросы о причинах различных совпадений придется отвечать как-то иначе, если Планету 9 так и не найдут. И ее, наверное, перестанут активно искать, если появится радикально лучшая гипотеза, объясняющая «излишнюю упорядоченность» далеких орбит.

Мне бы хотелось, чтобы Планета 9 была обнаружена примерно в момент выхода этой книги из печати.

*****

Тайна первой планеты. Не все аномалии или другие особенности в наблюдаемом движении объясняются влиянием гипотетических новых тел, таких как Нептун или Планета 9. Очередное расхождение между наблюдениями и теорией возникло в середине XIX в. не на дальних рубежах Солнечной системы, а в непосредственной близости к Солнцу. В 1859 г. не кто иной, как Леверье, анализируя наблюдения за прошедшие полтора века, заметил, что Меркурий – первая планета от Солнца – движется по кеплерову эллипсу с небольшой неувязкой: сам этот эллипс медленно поворачивается, как это с огромным преувеличением показано на рис. 3.12. Причина или причины? Некоторые были известны Леверье: влияние других планет и несферичность Солнца. Самый точный, какой только был возможен, учет этих факторов сократил неувязку, но не убрал ее. Оставались лишние – никак не объясненные – 43′′ (угловые секунды) в столетие. Я боюсь и пытаться вообразить, как должен был себя чувствовать человек, чуть более десяти лет перед тем уже выследивший неизвестную планету на самом краю (как тогда считалось) Солнечной системы, когда теперь ему в руки верно шла еще одна, на этот раз в тесном соседстве с Солнцем; с каким замиранием сердца он должен был проверять свои вычисления, по которым предстояло обнаружить планету Вулкан! По удивительному стечению обстоятельств такие вычисления хорошо «сходятся» к вполне определенному результату, подсказывая массу планеты около трех масс Земли и период ее обращения вокруг Солнца в трое суток. Быстрая и горячая планета[52].

Орбита Меркурия – не эллипс, а поворачивающийся эллипс

Рис. 3.12. Прецессия перигелия Меркурия – медленный поворот самого эллипса, представляющего собой орбиту Меркурия. Эффект показан с колоссальным преувеличением

Но испытанный прием – невидимая масса, которая сама движется таким образом, что вызывает наблюдаемую аномалию в движении Меркурия, – не сработал. Ничего похожего на планету или даже на рассеянные в близкой окрестности Солнца более мелкие тела обнаружено не было. Но что еще может портить прекрасную общую картину лишь для одной планеты, причем без внешнего вмешательства? Откровенно говоря, далее я рассуждаю не очень честно – задним числом, зная ответ. И тем не менее: самая близкая к Солнцу планета автоматически и самая быстрая, и в качестве виновницы аномалии можно было бы заподозрить скорость – достаточно большую, чтобы закон тяготения Ньютона требовал каких-то поправок. Правда, данных маловато. Если бы быстрых планет в Солнечной системе было несколько, то, вероятно, можно было бы сопоставить скорости поворота их эллипсов и скорости движения самих планет и отсюда сделать какое-то предположение о характере зависимости одного от другого. Получилось бы что-то вроде законов Кеплера – выжимка из наблюдений без углубления в механизмы, говорящая, что в зависимости от скорости планеты эллипс поворачивается вот на столько. Удалось ли бы внести зависимость от скорости в формулу собственно закона тяготения – большой вопрос. Как бы то ни было, других быстрых планет в Солнечной системе не нашлось, а никакие иные эксперименты по быстрому движению в гравитационном поле доступны не были. Разрешение загадки пришло не из наблюдений, а из очень концентрированных рассуждений, в результате которых ньютоновский закон тяготения (1.1) подвергся модификации, причем серьезной. Это случилось через 40 лет после смерти Леверье, для которого тайна Меркурия так и осталась неразгаданной. Новая, более изощренная теоретическая схема называется «общая теория относительности» (она же – теория гравитации Эйнштейна). Мы отложим подробности до позднейших прогулок; сейчас нам важно, что Меркурий, в отличие от Урана, нельзя было «спасти» неизвестным Вулканом и вместо этого пришлось серьезно модифицировать наши представления о том, как работает гравитация.

*****

Несогласное вращение. Идея о наличии во Вселенной невидимого вещества, которое выдает себя движением видимого, заявляла о себе на протяжении большей части XX в., только от нее долго отмахивались. На этот раз речь идет о расстояниях, в миллионы раз превышающих размер Солнечной системы, да и масштабы происходящего – не пара планет. Невидимая материя присутствует не в каком-то одном месте, а практически везде, где есть что-то видимое, причем неведомой и невидимой материи раз в пять больше, чем ведомой и видимой. Это поучительный момент в истории нашего открытия мира. Первые наблюдения в телескоп (Галилей) обнаружили подробности устройства небес, до того даже не предполагавшиеся (спутники Юпитера, например). Инерция человеческого восприятия и деления явлений на «естественные» (понятные) и «неестественные» (непонятные) даже породила в тот момент дискуссии, в какой степени наблюдаемое в телескоп можно отнести к свойствам самого телескопа. Далее выяснилось (Ньютон), что и яблоко, и Луна – вещь обыденная и вещь небесная – подчиняются одним и тем же законам движения и тяготения. После этого средства наблюдений за «небом» (Вселенной, как с этого момента лучше говорить) безостановочно совершенствовались, сообщая нам о многообразии структур и явлений, которые иногда не видны в обычный оптический телескоп, но ярко проявляют себя в других частях электромагнитного спектра. Дискуссии о том, до какой степени наблюдаемое с помощью радиотелескопа «является свойством радиотелескопа», уже не затевались, даже в связи с широко распространившейся «фотографией» черной дыры (рис. 3.13)[53]. Казалось бы, мы научились неплохо видеть, что происходит во Вселенной, и при этом нам в общем понятно, чем она наполнена; в результате трехсотлетнего развития науки вся Вселенная выглядит доступной наблюдению и изучению (про сложные объекты в ней понятно, конечно, далеко не все, но по крайней мере ясно, что это за объекты и в каком направлении надо их изучать дальше). И тем не менее Вселенная в подавляющей степени состоит из того, что увидеть нельзя в принципе. «Небесное» в основной своей массе состоит не из того же, что и вещи вокруг нас, и даже не из того, что звезды или более диковинные, но так или иначе видимые объекты.

Рис. 3.13. «Фотография» гигантской черной дыры в центре галактики M87, полученная путем обработки результатов наблюдений с помощью системы синхро-низированных радиотелескопов

По крайней мере, мы так думаем, пытаясь объяснить движение того, что наблюдать можно и что мы научились наблюдать. Ключ к происходящему – галактики. Та материя, которую мы в состоянии видеть в телескопы (включая радио- и другие виды телескопов), не распределена во Вселенной равномерно, а собрана гравитацией в гигантские острова – галактики. В нашей галактике Млечный Путь находится Солнце; кроме него, там еще сотня (или несколько сотен) миллиардов звезд. Все это образование имеет плоскую форму (с разнообразными подробностями, которые мы опускаем) и в первом приближении представляет собой диск диаметром около 100 000 световых лет. Стоит представить себе, во сколько раз это больше Солнечной системы. Если провести границу Солнечной системы не там, где «Вояджер-1» недавно вышел из сферы доминирования солнечного ветра в спину и начал встречать галактический ветер в лицо, а взять, например, расстояние, на которое уходит от Солнца орбита транснептунового тела 2014 FE₇₂ – куда «Вояджеру-1» лететь еще 700 лет, – то Галактика окажется больше Солнечной системы примерно в миллион раз.

Рис. 3.14. Спиральная (Вертушка, она же NGC 5457, она же Мессье 101) и линзовидная (NGC 5308) галактики

Галактик много. Сравнительно близкая Андромеда находится от нас на расстоянии 2,5 млн световых лет, а одна из очень далеких – галактика MACS0647-JD – на расстоянии 13,3 млрд световых лет. Число галактик в наблюдаемой Вселенной оценивается в два триллиона (примерно десятая часть которых в принципе доступна наблюдению с помощью космического телескопа типа «Хаббл»). Среди галактик есть дисковые (их больше всего) – те, в которых в качестве основной структуры усматривается относительно плоский диск. Дисковые галактики не обязательно спиральные, как наша, бывают еще линзовидные (рис. 3.14). Но как бы то ни было, в дисковых галактиках звезды «организованным образом» обращаются вокруг центра масс всей галактики. С этим-то и проблема.

Как всегда, чтобы что-то обращалось вокруг центра, а не улетало прочь, требуется сила, направленная к центру. В космосе нет других вариантов для такой силы, кроме гравитации – в данном случае притяжения ко всему тому веществу (звездам и газу), которое в галактике имеется. Для какой-нибудь выбранной звезды или группы звезд притяжение «к центру» примерно обеспечивают все остальные звезды, находящиеся ближе к центру/оси вращения, чем данная звезда. Величина этой силы на разных расстояниях от центра определяется поэтому распределением вещества по галактике. Не сразу, но постепенно в течение XX в. появились средства измерения двух разных величин: скоростей, с которыми звезды участвуют во вращении, и количества вещества в галактиках на разных расстояниях от центра. Определяя их независимо, разумно проверить, всё ли сходится с законами Ньютона: действительно ли массы столько, что ее суммарного притяжения как раз хватает, чтобы поддерживать обращение с наблюдаемой скоростью. Результат: не сходится, причем сильно. Звезды движутся слишком быстро. Можно еще сказать, что наблюдается «нехватка гравитации»: ее недостаточно для поддержания наблюдаемого движения. И происходит это не в одной или нескольких галактиках, исследуемых на одном и том же телескопе (где могли бы закрасться какие-то систематические ошибки), а во множестве галактик. И не только внутри галактик: еще до того, как появилась возможность сопоставлять одно с другим внутри галактик, наблюдались слишком большие скорости самих галактик в скоплениях – слишком большие в том же смысле, что для поддержания такой скорости недостаточно видимого вещества. Движение в космосе упорно демонстрирует аномалию.

Звезды в галактиках обращаются быстрее, чем это могут обеспечить видимые причины

Со времен аномалии Урана наука стала более искушенной в оценке возможных способов разрешения таких ситуаций, но базисных вариантов все равно три: неправильные наблюдения, невидимые части мира, неправильная теория. Временно назовем эти варианты «ошибка», «нептун» и «меркурий». С «ошибкой» все понятно. В отношении обращения звезд вокруг центров галактик слишком много независимых данных говорит не просто о несоответствиях, но и о том, что они наблюдаются повсеместно, и возможную ошибку в наблюдениях уже несколько десятилетий едва ли кто обсуждает. Вариант «нептун» – это разрешение аномалии за счет угадывания того, какая часть или особенность мира, доселе невидимая или неизвестная, является ее причиной. В данном случае речь идет не об одной пропущенной планете в одной звездной системе, а о чем-то, проявляющем себя систематически и повсюду. Поэтому требуется угадать такое неизвестное, которое широко распространено, но – вот же чудо! – никак иначе себя не проявляет. Наконец, вариант «меркурий» – это признание неадекватности теории. Ведь в данном случае мы усматриваем несоответствие, не просто сравнивая наблюдения, одно из которых говорит, что предмет синий, а другое – что он красный; нет, сопоставляя наблюдения разных величин, мы опираемся на теоретическое знание о связи между ними. Что, если это знание требует уточнения?

Вообще-то, как уже было сказано мимоходом, на смену закону тяготения Ньютона пришла более общая схема – общая теория относительности. Но некоторая ирония состоит в том, что построенная там теория гравитации практически неотличима от ньютоновской для таких гравитационных полей, которые создаются совокупной массой галактики ближе к ee периферии, где и наблюдаются основные несоответствия. В тех физических условиях, которые применимы к обращению звезд в галактиках, закон гравитации Ньютона не подвергся сколько-нибудь значимому уточнению в рамках общей теории относительности. Если с теорией гравитации все-таки предстоит что-то сделать для разрешения проблемы со скоростями звезд в галактиках, то это будет заход с несколько иной стороны, чем общая теория относительности.

Выбор между двумя возможностями для приведения знаний в соответствие с наблюдениями – новая, неизвестная материя или модификация теории гравитации на больших расстояниях – не решен «окончательно окончательно», но все более склоняется в сторону неизвестной материи. С одной стороны, модификация теории гравитации оказалась делом сложным – и вообще сложным, и особенно сложным ввиду того, что в масштабе Солнечной системы, от Меркурия до облака Оорта, никакая починка имеющихся воззрений не требуется; наоборот, надо оставить все как есть, потому что там ничего не сломано – все работает очень хорошо. Улучшать же работающую теорию непросто, потому что делать это надо систематически (подправленная теория не может по нашему выбору действовать в этих двух галактиках и не действовать в трех других), но при этом нельзя испортить колоссальное число случаев, где никакого улучшения не требуется[54]. С другой стороны, свидетельства в пользу неизвестной материи изобильны. С этой гипотетической материей имеется, по существу, только одна, но зато серьезная проблема: она должна из чего-то состоять и это что-то должно быть обнаружено напрямую – не по косвенным данным обо всех наблюдаемых аномалиях, а примерно так, как обнаруживают элементарные частицы, рождающиеся в ускорителях или космических лучах. Этого сделать пока не удается. Мы продолжаем считать, что эта неизвестная материя сложена из принципиально иных типов элементарных частиц, чем все нам известные.

Темная материя отделена от света

Она получила название «темная материя» – не самое удачное, но тут уж ничего не поделаешь. Смысл названия не в том, что она «имеет черный цвет», а в том, что эта материя (если угодно, вещество) не взаимодействует со светом. Она не поглощает и не излучает (и тем самым не отражает) свет. Скорее можно было бы назвать ее «прозрачной», хотя о прозрачном на бытовом уровне мы думаем как о чем-то, что в целом видно, но хорошо пропускает свет. Впрочем, я подозреваю, что многие хоть раз наталкивались на стеклянную дверь или стену; но на темную материю и натолкнуться нельзя, потому что твердость твердых тел вокруг нас имеет электромагнитную природу, а как раз в электромагнитном взаимодействии темная материя не участвует. Темная материя полностью «отвязана» от света – ее ни в каком смысле, кроме гравитационного, не «видно» и не «ощущается». Слегка парадоксально, но ближайший пример чего-то хорошо известного, что ведет себя похожим образом, – это сам свет. Два луча света проходят один сквозь другой не взаимодействуя (если не рассматривать случаи колоссальной интенсивности, которые все-таки представляют собой некоторую экзотику). Нельзя посветить прожектором и по отраженному или поглощенному свету узнать, что луч по дороге пересек луч другого прожектора или, скажем, радиоволну. В точности та же ситуация – никакого отклика – имеет место, если вместо луча второго прожектора в пространстве находится темная материя.

Кстати, что она делает, когда где-то «находится»? Только что приведенную аналогию со светом (смысл которой был в отсутствии взаимодействия) не надо воспринимать буквально: частицы темной материи не летают как свет. Судя по ряду косвенных данных, их скорости (относительно видимого вещества) сравнительно невелики. На своем жаргоне физики выражают это словом «холодная». Именно модель эволюции Вселенной, в которой с очень ранних пор имеется холодная темная материя, лучше всего объясняет, как происходило развитие от плотной горячей расширяющейся Вселенной (Большой взрыв) к современному состоянию. «Холодная» – это жаргон в квадрате, потому что темная материя, по всей видимости, как раз лишена возможности остывать. Когда облака обычного газа в космосе нагреваются – скажем, от гравитационного сжатия или внутреннего трения, – они могут остывать, излучая свет (электромагнитные волны), буквально как любая железка, которую вы захотите нагреть докрасна или даже добела на огне. Материя, оказавшаяся достаточно близко к черной дыре, разогревается за счет трения и светится (рис. 3.13 – это картина радиоволн, испущенных такой нагретой материей). Но то обычная материя. Темная же материя, по-видимому, лишена возможности тереться сама о себя и соединяться в какие-либо структуры, потому что все эти процессы основаны на взаимодействиях, в которых она не участвует. Заодно с «отвязанностью» от электромагнитных волн/света она, скорее всего, лишена и сколько-нибудь значимого взаимодействия сама с собой – кроме, разумеется, гравитационного. Темная материя – это облака проходящих друг через друга частиц, собранных вместе собственным притяжением. Частицы долетают до периферии облака, пока его общая гравитация не возвращает их обратно. Картина получается малоинтересной для нас, избалованных разнообразным структурированием материи (протоны и нейтроны, атомные ядра, атомы и бесчисленные их соединения), но, как выясняется, она совершенно необходима для существования структур, милых нашему глазу. Каждая (почти каждая) галактика, светящаяся в оптическом, и/или радио-, и/или рентгеновском диапазоне, окружена сферическим «облаком» примерно в десять раз большего размера, состоящим из темной материи. Это облако обеспечивает притяжение, позволяющее звездам в галактиках обращаться вокруг центра с должной быстротой. Оно называется гало темной материи. Для ряда галактик даже удается экспериментально определить форму гало, например степень его эллиптичности. Гало изображено на рис. 3.15; я хочу подчеркнуть, что этот рисунок по смыслу (и, само собой, по предмету) существенно отличается от рис. 3.13: там невидимое глазом восстановлено по результатам (радио)наблюдений, здесь же изображено то, чего нельзя увидеть в принципе ни радио-, ни оптическим, ни рентгеновским телескопом (а то, что можно увидеть, – светлое вещество галактики, наоборот, показано лишь условно).

Организация темной материи определяется движением и гравитацией

Изменение наших взглядов на состав Вселенной оказалось вполне драматическим: основными элементами, из которых «собрана» наблюдаемая Вселенная, являются не видимые галактики – космические острова из гигантского числа протонов, нейтронов и электронов в виде звезд или газа, а именно гало темной и, по-видимому, бесструктурной материи, подчиняющейся только одному – гравитации. Когда мы говорим о предстоящем столкновении Млечного Пути и Андромеды, и не просто говорим, а пытаемся моделировать процесс этого столкновения, мы, конечно, принимаем в расчет темную материю, которая движется вместе с каждой из галактик. Еще правильнее постепенно привыкать высказываться так, чтобы сначала называть главное: это два скопления темной материи движутся навстречу друг другу, прихватив с собой немного видимого вещества; по этому последнему мы и определяем скорость любой галактики относительно нашей.

Существенная поддержка идеи о наличии темной материи пришла из нашего понимания эволюции Вселенной. Как и всё во Вселенной, галактики существовали не всегда, а собрались под действием притяжения – по сути, собственного притяжения: случавшиеся неоднородности в виде скоплений вещества притягивали к себе больше вещества, отчего притягивали сильнее и т. д. Увы – или, наоборот, не увы, – моделирование такого процесса не очень согласуется с наблюдаемой картиной: для собирания обычной, светлой материи в галактики просто недостаточно времени, прошедшего после Большого взрыва. Для того чтобы за отведенный срок галактики успели собраться примерно так, как это наблюдается, необходима «лишняя» материя в дополнение к той, которую мы тем или иным образом видим. Более того, чтобы «уложиться в график», эта дополнительная материя должна начать гравитационное «кучкование» еще до того, как видимую материю перестало распирать высокое давление (как удачно, что темную материю ничто не распирает!). Обычная материя затем «падает» в гравитационные ямы, уже подготовленные темной материей, – собирается к центрам притяжения, заодно дополнительно усиливая их притяжение.

Рис. 3.15. Гало темной материи в видении художника. Более ярким показано ожидаемое распределение темной материи, а в центре для масштаба условно изображена «светлая», видимая часть галактики

Без темной материи не успели бы сформироваться галактики

И это еще не все. Не только вещество (как мы только что выяснили: видимое и невидимое) не распределено во Вселенной равномерно, а собрано в галактики, но и галактики не распределены равномерно: скопления галактик собраны в «нити» длиной в несколько сотен миллионов световых лет. Их разделяют самые уединенные места во Вселенной – гигантские пустоты, где почти нет галактик. Нити (красивее звучит калька с английского «филаменты») – это факт наблюдательной астрономии[55], но их образование неплохо моделируется в рамках имеющихся представлений о холодной темной материи. Наши идеи об организации Вселенной на самых больших масштабах представлены на рис. 3.16, и темная материя играет определяющую роль в формировании изображенной там структуры. Если все же окажется, что причина немалого числа явлений, указывающих на наличие темной материи, – не какая-то неизвестная материя, то я бы ожидал сопутствующую этому радикальную смену парадигмы (научную революцию, сравнимую с появлением специальной и общей теории относительности). Обычно такие изменения в фундаменте нашего понимания природы начинаются откуда-то «сбоку». Но в любом случае эта история погружения в глубину мира (вот уж буквально в невидимое) началась с наблюдения за движением.

Рис. 3.16. Крупно-масштабную структуру Вселенной определяют гигантские, составленные в первую очередь из темной материи нити, которые видны благодаря светлому веществу скапливающихся там галактик

Добавления к прогулке 3

Кеплер и вселенные. Сейчас мы знаем, что «четвертого закона Кеплера», который определял бы размеры орбит планет в Солнечной системе, не просто нет, но и быть не может. Но Кеплер встретился лицом к лицу с Солнечной системой в тот момент, когда не вполне ясны были сами правила игры: какие из наблюдаемых свойств мира непосредственно отражают первопринципы и потому подлежат угадыванию, а какие нет? Успехи человечества в поиске законов природы опираются среди прочего на способность людей видеть закономерности даже там, где их нет; иначе не найти те, которые есть. Кеплер пытался протянуть нить от математики к известному ему миру, начав с пяти правильных многогранников (рис. 3.17). Взятые в каком-то порядке и вписанные между шестью сферами, они задают относительные радиусы этих сфер по неоспоримым, неотменяемым математическим причинам (см. рис. 3.2). Не проявляют ли себя эти же причины – некоторая математическая гармония, находящая свое выражение в существовании Пяти платоновых тел, – в орбитах Шести планет?

Рис. 3.17. Платоновы тела – правильные многогранники в трехмерном пространстве. Их только пять (изображены в порядке, соответствующем вычерчиванию буквы М): куб, тетраэдр, додекаэдр, октаэдр и икосаэдр. Это неизменяемый факт. Во времена Кеплера планет было шесть, но то была лишь неполнота знания

В действительности конкретные расстояния от планет до Солнца и соотношения между этими расстояниями не определяются напрямую фундаментальными принципами, а устанавливаются под действием многих случайных факторов в ходе эволюции планетной системы. Со времен Кеплера довольно сильно сместилась граница между «проявлением фундаментальных первопринципов» и (в том или ином варианте) «игрой случайностей». Сейчас она проходит в нескольких местах, одним из которых стал вопрос, почему мировые константы – скорость света (см. главу «прогулка 5»), постоянная Планка (см. главу «прогулка 9»), гравитационная постоянная (см. главу «прогулка 1»), заряд электрона и другие – именно таковы, а массы элементарных частиц в точности такие, как наблюдаются (этот вопрос «слегка некорректен» в отношении размерных величин, вроде только что перечисленных, но никак уже нельзя придраться к постановке того же вопроса про их безразмерные комбинации). Существует ли математика – посложнее платоновых тел, но в некотором роде такая же, – которая могла бы их фиксировать? Или их значения – дело случая в том смысле, что они как-то распределены по очень большому числу разных вселенных, а мы просто возникли в одной из них? Напрашивается параллель с временами Кеплера: пока познание было заперто в пределах одной планетной системы, а действующие в ней механизмы причин и следствий были неясны, все ее отличительные черты можно было принимать за единственно возможные. Однако взгляд «наружу» (как и взгляд «вглубь», в причины и следствия) быстро показывает, что детали каждой из планетных систем достаточно случайны и не могут однозначно определяться фундаментальными законами природы. Но эта аналогия небезобидна, ведь мы заперты внутри одной-единственной вселенной, и способов выглянуть из нее наружу и познакомиться с другими вселенными не просматривается. Аргументы, вовлекающие другие вселенные, при всей своей способности будоражить воображение, опасно близки к традиционно понимаемым границам науки, которая имеет дело с тем, что воспроизводимо, и выводы которой должны допускать принципиальную возможность опровержения при столкновении с наблюдениями. За неимением взгляда «наружу» остается взгляд «вглубь», в теоретические построения по поводу самых фундаментальных механизмов, но состояние наших знаний на данный момент не позволяет прийти к сколько-нибудь однозначным выводам; интерпретации теоретических схем неизбежно смешиваются тут с некоторым философским выбором.

Орбиты-подковы. Механизм обмена количеством движения, который с завидным постоянством демонстрируют Янус и Эпиметей, должен был проявлять себя в молодой Солнечной системе, пусть и не с установившейся регулярностью, но в ситуациях иного масштаба и с намного более серьезными последствиями: большие планеты могли исходно сформироваться не на тех орбитах, которые они занимают сейчас, а потом мигрировать, обмениваясь количеством движения. Для небесных тел сравнимой массы изменения их орбит при этом взаимны; но если подобное происходит с двумя телами, одно из которых массивное, а другое – очень легкое, то вся «суета» выпадает на долю легкого.

Наша собственная планета, например, управляется своей гравитацией с несколькими астероидами, заставляя их менять орбиту. Происходящее иногда описывают словами «подковообразная орбита»; такая орбита показана на рис. 3.18. Хотя орбита такого астероида, очевидно, некеплерова, из рисунка ни в коем случае не следует заключать, что он летает вокруг Солнца «то вперед, то назад», реально описывая контур подковы. Всю картину надо рассматривать так же, как рис. 2.4: она вращается против часовой стрелки вокруг Солнца. Астероид догоняет Землю, находясь на орбите меньшего радиуса вокруг Солнца, и в точке A притяжение Земли делается существенным, из-за чего, как мы уже не раз обсуждали, астероид переходит (B) на более далекую от Солнца орбиту (C) и замедляется. При этом, конечно, он продолжает вращение вокруг Солнца и никогда не движется буквально в радиальном направлении A – C: радиальным это направление выглядит только с точки зрения астронома на Земле, в действительности же, пока астероид добирался из A в C, вся картинка повернулась как целое и астероид вместе с Землей пролетел заметный участок орбиты вокруг Солнца. Выбравшись на более далекую орбиту, астероид начинает отставать от Земли: оба продолжают, разумеется, вращаться вокруг Солнца, но астроном на Земле видит, что астероид удаляется от него, пройдя точку C и отставая все сильнее: его расстояние от Земли увеличивается, что с точки зрения астронома выглядит как возвратное движение по подкове. Это удаление от Земли происходит медленно, потому что оно определяется разностью двух скоростей, и оба тела успеют сделать немало оборотов вокруг Солнца (другими словами, успевает пройти много лет), пока астероид отстанет на почти полный оборот. Астроном на Земле (или, скорее, его внук) обнаружит астероид в точке D, начиная откуда события будут развиваться противоположно тому, как это описано в мемуарах деда: Земля, в действительности догоняя астероид, тянет его к себе, отчего тот переходит на более близкую к Солнцу и более быструю орбиту и, пройдя точку E, получает прибавку в скорости и начинает удаляться от Земли. Скорость удаления – это снова разность скоростей астероида и Земли. Обгоняя Землю в ее движении, астероид в конце концов обгонит ее почти на целый оборот, сменившиеся поколения астрономов обнаружат его в точке A относительно Земли, и история повторится.

Рис. 3.18. Подковообразная орбита астероида. Такой она выглядит для астронома с Земли, который решил считать себя неподвижным. Вычерчивание астероидом всей подковы может занять пару сотен лет. Параметры подковы показаны с огромным преувеличением по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли: в действительности внутренний и внешний радиусы подковы различаются на несколько тысячных долей радиуса земной орбиты

Подкова описывает переходы между более внешней и более внутренней орбитами

Подобное движение может оказаться более сложным, если орбита астероида наклонена по отношению к плоскости орбиты Земли и/или если эллипс, по которому пытается лететь астероид, пока в дело не вмешивается Земля, более вытянут, чем (почти круговая) орбита Земли; движение определенно оказывается более сложным из-за притяжения Венеры, ведь значительную часть времени астероид находится далеко от Земли, предоставляя соседней планете все возможности влиять на себя настолько, насколько она дотянется своей гравитацией. В результате тела на подобных орбитах могут демонстрировать поведение, которое сочетает несколько элементов и в целом оказывается не очень устойчивым: пробыв на «подкове» какое-то время, астероид может перестать исполнять этот танец. Выявление же небесных тел, реально движущихся подобным образом, – непростая задача, не только наблюдательная, но и вычислительная: не желая ждать пару сотен лет, пока какое-то тело без спешки догонит (или не догонит) Землю на орбите, а потом начнет (или не начнет) отставать, мы просим компьютер узнать, как же будут развиваться события, предварительно сообщив ему (компьютеру) все подробности, которые нам самим известны о ключевых участниках событий. Но для успеха ньютоново-компьютерных предсказаний требуется не только учет притяжения Венеры или даже Марса и Юпитера, но и точные измерения дуги текущей траектории, по которой движется тот или иной астероид. Тел, движущихся по орбитам, близким к земной, известно около двух десятков. Например, астероид 2015 XX₁₆₉ (камень с поперечником едва ли в 20 метров) после своего максимального сближения с Землей в декабре 2015 г. в течение не менее одного года менял свою орбиту в сторону увеличения и собирается совершить обратный переход примерно через 130 лет – неспешная манера рисовать подкову. Заниматься этим он будет, скорее всего, еще несколько тысяч лет. Этот астероид, собственно говоря, «не может определиться» между двумя классами орбитального поведения близких к Земле тел, пересекающих орбиту Земли. Сейчас он переходит в класс тех, чьи орбиты имеют большую полуось, несколько превосходящую земную, но, наоборот, подходят ближе к Солнцу, чем Земля, в точке максимального приближения. Представителем этого класса было и тело, ставшее челябинским метеоритом 15 февраля 2013 г.

Пояс Койпера и мифология. Первый открытый транснептуновый объект, не считая Плутона и Харона, долгое время фигурировал под рабочим названием 1992 QB₁, которое присвоили ему первооткрыватели (энтузиаст исследования занептунщины Дэвид Джуитт и его аспирантка Джейн Лу, работавшие в Обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях). Та часть имени, которая идет после года открытия, читается примерно как «кьюбиван»; нерезонансные транснептуновые объекты иногда называют «кьюбивано» (мн. ч.) – cubiwano, что несколько созвучно с Оби-Ваном (Кеноби). Большинство идентифицированных транснептуновых тел фигурируют под обозначениями типа 2002 TX₃₀₀, которые ближе к C3PO, чем к «настоящему» имени, но некоторые получают и полноценные имена, такие как Хаумеа. Для нерезонансных объектов из пояса Койпера по быстро установившейся традиции имена стали заимствоваться из мифологии коренных народов; например, Квавар (первоначально известный как 2002 LM₆₀) – это бог-творец мира у народа тонгва, исходно обитавшего в районе современного Лос-Анджелеса; Хаумеа происходит из гавайской мифологии, Макемаке – с острова Пасхи. Первый кьюбиван 1992 QB₁ получил также название Альбион по имени изначального (!) человека в мифологии Уильяма Блейка. Все время хочется проделать параллельный экскурс в этнографию. Это упражнение можно превратить в совсем сумасшедшее, если попробовать связать общим сюжетом богов самых разных народов – с довольно разными, наверное, характерами и историями деяний, – руководствуясь тем, что они летают где-то по соседству друг с другом. Троянцы и греки поблекнут.

Признания и литературные комментарии

Видимая материя во Вселенной, в противовес темной, называется барионной, что несколько неуклюже напоминает о том, что ее массу почти целиком составляют протоны и нейтроны. Написание фамилии Эйри, а не чуть более приближенное к английскому звучанию Эри отражает мое воспитание: «функция Эйри» Ai постоянно на слуху. Впрочем, редакторам русского перевода книги [19] точно такая же осведомленность о функции Ai не помешала проявить принципиальность, и у них везде [сэр Джордж] Эри. После системы звезды TRAPPIST-1 был найден еще один замечательный пример резонансных орбит: пять из шести планет TOI-178 движутся в резонансе 12: 9: 6: 4: 2 [86] (это, кстати, одно из дополнений, сделанных научным редактором Владимиром Сурдиным, который заодно решительно не одобряет моего «Эйри»). Взаимоотношения Януса и Эпиметея обсуждались в статье [104], а Талассы и Наяды – в [48]. Астероид 2015 XX₁₆₉, орбита которого близка к орбите Земли, описан вместе с двумя другими астероидами в [73]. Рисунок 3.15 взят с сайта https://medium.com/starts-with-a-bang/dark-matter-rises-to-its-biggest-challenge-6aa4991572f6, где он приведен со ссылкой на NASA, ESA, T. Brown and J. Tumlinson (STScI). Уникальный набор резонансов, установившихся среди планет TRAPPIST-1, положен на музыку, которую можно услышать здесь: https://youtu.be/WS5UxLHbUKc (а на сайте https://system-sounds.com можно найти музыкальные интерпретации и других частей Вселенной). Схема на рис. 3.4 позаимствована из [44]. Из той же работы взято замечание о массе и периоде обращения Вулкана, на которые мог бы указывать поворот перигелия Меркурия.

Наблюдательные данные о прецессии перигелия Меркурия, приведенные в [58], показывают, что полный эффект составляет 574,10′′ ± 0,65′′ (угловых секунд) в столетие. Из них 532,3035′′ и в самом деле удается объяснить влиянием других планет, 0,0286′′ – несферичностью Солнца и небольшие –0,0020′′, как известно сейчас, но не в XIX в., – эффектами специальной теории относительности. Не хватает упрямых 43 угловых секунд (42,9799′′). Они и описываются теоретическим выражением, которое нельзя вывести из ньютоновской теории (см., например, [4], где не только приведен вывод, но и обсуждаются разнообразные сопутствующие аспекты): за один оборот планеты ее эллипс поворачивается на

Здесь v – скорость планеты в точке максимального приближения к Солнцу, c – скорость света, а ε – эксцентриситет орбиты, равный для Меркурия 0,2056. Числовая дробь (третий множитель) поэтому равна 2,064. Скорость v составляет 58,98 км/с, так что отношение скоростей в квадрате дает не очень большое число 3,87 × 10^–8. Чтобы найти поворот орбиты за один земной год, надо еще умножить все выражение на 4,15 – отношение периодов обращения Земли и Меркурия. Когда Эйнштейн получил из теории в точности ту поправку, которой и не хватало, он, по его собственным словам, «несколько дней был вне себя от восторга».

Движение на прогулке 3

Движение видимых частей Вселенной – способ систематического получения информации о невидимых и неизвестных частях. Планета Нептун в Солнечной системе была предсказана, а затем открыта в середине XIX в. исходя из аномалий в движении известной планеты – Урана. В XXI в. планеты у других звезд открывают по наблюдаемому движению самой звезды, вызванному существованием планет; из этого движения иногда удается узнать даже о существовании планет, похожих на Землю.

Обращение звезд вокруг центра масс своих галактик во множестве случаев оказалось аномально быстрым для наблюдаемого в этих же галактиках количества вещества, притяжение которого должно обеспечивать движение звезд. Наблюдения такого рода привели к идее о существовании во Вселенной невидимого вещества (темной материи) в количестве, в несколько раз превышающем количество известной материи. Предположительные гало темной материи в несколько раз превосходят по размерам видимую часть галактик и образованы частицами, связанными между собой только гравитационно. Прямое обнаружение частиц, из которых состоит темная материя, или какой-либо другой способ разрешения загадки вращения звезд в галактиках – один из современных вызовов, стоящих перед наукой о Вселенной.

Планеты, карликовые планеты, астероиды и кометы, движущиеся вокруг Солнца, испытывают воздействие наиболее массивных участников этого движения. Из-за этого возникают регулярности в организации ряда орбит: они оказываются в резонансе друг с другом, т. е. периоды обращения по ним соотносятся как целые числа. Резонансы возникают и в орбитах ряда спутников больших планет; спутники, кроме того, могут периодически «обмениваться» орбитами. Резонансы в организации планетных систем обнаруживаются и у других звезд. Набор регулярностей (корреляций) в орбитах, по которым движутся некоторые транснептуновые тела в Солнечной системе, весьма вероятно, служит указанием на ранее никак не предполагавшееся существование Планеты 9, движущейся по неожиданно далекой от Солнца орбите.

Прогулка 4