Солнечная система. Галактики

Солнечная система. Галактики

Туманность

Давайте перенесемся в далекое прошлое, примерно на 7
миллиардов лет назад. Современная наука, как говорят ученые, с достаточной
степенью вероятности позволяет нам представить происходившие тогда события.
Одним словом мы висим в космосе и наблюдаем за жизнью одной из газово-пылевых,
водородно-гелиевых (с примесью тяжелых элементов) туманностей. Той, которая в
будущем даст начало нашей Солнечной системе, Солнцу, Земле и нам с вами.
Туманность темна и непрозрачна, как дым. Зловещей невидимкой медленно ползет
она на фоне чёрной бездны, и о ее рваных, размытых очертаниях можно только
догадываться по тому, как постепенно тускнеют и гаснут за ней далекие звезды.
Через некоторое время мы обнаруживаем, что туманность медленно поворачивается
вокруг своего центра, еле заметно вращается. Мы замечаем так же, что она
постепенно съеживается, сжимается, очевидно, уплотняясь при этом. Действует
тяготение, собирая к центру частицы туманности. Вращение туманности при этом
ускоряется. Если вы хотите понять механику этого явления, вспомните простой
земной пример — вращающегося на льду спортсмена-фигуриста. Не делая никакого
добавочного толчка, он ускоряет свое вращение лишь тем, что руки, до этого
распахнутые в стороны, прижимает к телу. Работает Закон сохранения количества
движения. Идет время. Туманность вращается все быстрее. А от этого возникает и
увеличивается центробежная сила, способная бороться с тяготением. Центробежная
сила нам хорошо знакома. Она, например, работает в любом автобусе, когда на
крутом завороте валит стоящих пассажиров. Борьба двух сил, тяготения и
центробежной, начинается в туманности при ускорении её вращения. Тяготение
сжимает туманность, а центробежная сила стремится раздуть её, разорвать. Но
тяготение тянет частицы к центру со всех сторон одинаково. А центробежная сила
отсутствует на полюсах туманности и сильнее всего проявляется на её экваторе.
Поэтому именно на экваторе она оказывается сильнее тяготения и раздувает
туманность в стороны. Туманность, продолжая вращаться все быстрее, сплющивается,
из шара превращается в плоскую лепешку, похожую на спортивный диск. Наступает
момент, когда на наружных краях диска центробежная сила уравновешивает, а потом
и пересиливает тяготение. Клочья туманности здесь начинают отделяться.
Центральная часть её продолжает сжиматься, все ускоряя свое вращение, и от
внешнего края продолжают отходить все новые и новые клочья, отдельные
газо-пылевые облака.

Солнечная система: состав и особенности

Мы рады той таинственности, которая находится за пределами
нашей досягаемости…

Харлоу Шепли

туманность межзвездный поле галактика вселенная

В Солнечную систему входит Солнце, 9 больших планет вместе с
их 34 спутниками, более 100 тысяч малых планет (астероидов) , порядка 10 в 11
степени комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных
тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок) . Центральное
положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750
раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в систему. Гравитационное
притяжение солнца является главной силой, определяющей движение всех
обращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до
самой далекой от него планеты — Плутон 39,5 а. е., т.е. 6 миллиардов
километров, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звёзд.
Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 100 тысяч а. е. и подвергаются
воздействию притяжения звезд. Двигаясь в Галактике, Солнечная система время от
времени пролетает сквозь межзвездные газопылевые облака. Вследствие крайней
разреженности вещества этих облаков погружение Солнечной системы в облако может
проявиться только при небольшом поглощении и рассеянии солнечных лучей.
Проявления этого эффекта в прошлой истории Земли пока не установлены. Все
большие планеты — Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и
Плутон обращаются вокруг солнца в одном направлении (в направлении осевого
вращения самого Солнца) , по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к
другу (и к солнечному экватору) . Плоскость земной орбиты — эклиптика
принимается за основную плоскость при отсчёте наклонений орбит планет и других
тел, обращающихся вокруг Солнца. Расстояния от планет до Солнца образуют
закономерную последовательность — промежутки между соседними орбитами
возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в
сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то,
что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а
возникла в едином процессе (см. главу 1) . Благодаря почти круговой форме
планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных
сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять своё
движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное
существование планетной системы. Планеты вращаются так же вокруг своей оси,
причём почти у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в том же
направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение
Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку.
Большинство спутников обращаются вокруг своих планет в том же направлении, в
котором происходит осевое вращение планеты. Орбиты таких спутников обычно
круговые и лежат вблизи плоскости экватора планеты, образуя уменьшенное подобие
планетной системы. Таковы, например, система спутников Урана и система
галилеевских спутников Юпитера. Обратными движениями обладают спутники,
расположенные далеко от планеты. Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных
спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы
сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, настолько
близко расположенным к планете, что её приливная сила не позволяет им
объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых
планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Все малые
планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты,
но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы
движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы
обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров — в десятки и
сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые
движения, т.е. движения в направлении обращения планет. Будучи вращающейся
системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД) .
Главная часть его связана с орбитальным движение планет вокруг Солнца, причём
массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в
себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса самого Солнца
составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и
планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной
системы — её поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. МКД
планеты приобрели в процессе своего образования он перешел к ним из того
вещества, из которого они образовались (см. главу 1) . Планеты делятся на две
группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях
их плотности) , скорости вращения и количеству спутников. Четыре планеты,
ближайшие к Солнцу, планеты Земной группы, невелики, состоят из плотного
каменистого вещества и металлов.

Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — гораздо массивнее, состоят в
основном из лёгких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их
недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы
составляют водород и гелий. В них содержится так же до 20% каменистых веществ и
легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких
температурах концентрироваться в льды. Недра планет и некоторых спутников
находятся в раскалённом состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие
малой теплопроводности наружных слоёв внутреннее тепло очень медленно
просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру
поверхности. У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному
потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый им от Солнца. Венера,
Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их
недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное
продолжение их недр эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении
внутрь атмосферные газы постепенно переходят в конденсированное состояние.
Девятую планету — Плутон, по-видимому, нельзя отнести ни к одной из двух групп.
По химическому составу он близок к группе планет-гигантов, а по размерам к
земной группе. Ядра комет по своему химическому составу родственны
планетам-гигантам они состоят из водяного льда и льдов различных газов с
примесью каменистых веществ

Плутон

В конце 1929 года молодой астроном Томбо (Я.И. Перельман,
"Занимательная астрономия", Гостехиздат М.-Л. 1952) извлек из мрака
окраин Солнечной системы новый член нашей планетной семьи — Плутон (Аид),
получивший название по имени бога мрачного подземного царства, куда попадают
умершие души. Эту планету нельзя отнести к планетам — гигантам ни по размерам,
ни по строению. Ее нельзя отнести и планетам земной группы, настолько она не
похожа ни на одну из этого семейства планет. Это самая далекая планета. Ее
среднее гелиоцентрическое расстояние 39,430 а.е., тогда как у Нептуна 30,058
а.е. Тем не менее Плутон не вписывается в правило Тициуса-Боде для расстояний
планет от Солнца. Кроме того, эксцентриситет орбиты Плутона очень большой: он
равен 0,250, тогда как все планеты, за исключением Меркурия, имеют
эксцентриситет от 0,007 (Венера) до 0,093 (Марс). У Меркурия он достаточно
велик и достигает величины 0,206, хотя и остается меньшим, по сравнению с
эксцентриситетом орбиты Плутона.

Другой особенностью Плутона, выделяющей его из семьи планет
— это наклонность орбиты к плоскости эклиптики. Она составляет величину 17,°2.
В момент своего открытия Плутон находился вне плоскости эклиптики, причем его
высоты над плоскостью эклиптики составила 8 а.е.

Размер Плутона был установлен сравнительно недавно. Еще
полстолетия назад Я.И. Перельман писал: "Можно лишь подозревать, что
Плутон сравнительно невелик: по размерам Плутон близок к Земле". По
последним данным его экваториальный радиус составляет 1400 км. Кстати, у Луны
средний радиус составляет 1738 км. Следовательно, наш спутник больше планеты
Плутон.

Солнечный год Плутона составляет приблизительно 250 лет.
Солнце на его небе светит в 1600 раз слабее, чем на Земле. Тем не менее, оно
освещает планету как 275 полных Лун (по подсчетам Я.И.Перельмана), то есть днем
на Плутоне в 30 раз светлее, чем в самую светлую белую ночь в Ленинграде.
Правда, Я.И. Перельман считает, на Плутоне нет атмосферы, что неверно. Однако
верно то, что "дом" бога мертвых душ совсем не царство вечного мрака,
хотя холод на этой планете, безусловно, царствует. Считают, что средняя
температура на поверхности планеты составляет 52К (-221°С). По сравнению с
температурой Плутона на Марсе — невыносимый зной!

Еще в 50-60 годах минувшего столетия было установлено, что
блеск этой планеты периодически меняется. Период изменения блеска равен 6 сут 9
час 17 мин. Это значение и было принято в качестве периода вращения Плутона.
Оставалось выяснить: почему его блеск изменяется. На астрономических
фотографиях даже в самые сильные телескопы Плутон выглядит расплывчатым пятном,
разглядеть что-нибудь на его поверхности невозможно. Правда, внимательный
взгляд на фотографию мог разглядеть вытянутость изображения планеты, которая
ориентирована на разных снимках по-разному. С 1978 года стали говорить о
Плутоне, как о двойной планете. На снимках с космического телескопа Хаббл виден
и Плутон, и его спутник, который назвали Хароном, по имени перевозчика мертвых
душ через реку Стикс в царство Плутона. Астрометрические наблюдения показали,
что расстояние между планетой и ее спутником около 20 тысяч километров (Луна
отдалена от Земли в 20 раз дальше) Орбиты каждой из компонент этой двойной
планеты почти круговые, масса Плутон не более 0,25% масс Земли.

Атмосфера на Плутоне есть, причем не очень тонкая. На это
указали наблюдения покрытия Плутоном звезды, которая ослабляла свой блеск в
течении несколько секунд. Спектрофотометрические исследования показали, что в
атмосфере присутствует метан, что роднит его с планетами-гигантами.
По-видимому, основной компонентой атмосферы Плутона является азот. Средняя
плотность планеты оказалась близкой к 2 г/смСолнечная система. Галактики.

По последним оценкам расстояние между компонентами равно
19640 км, диаметр Плутона 2284 км, Харона — 1192 км, полная масса двойной
системы Солнечная система. Галактики г, причем на Харон
приходится 8-10% этой массы. Более подробно о физике Плутона мы узнаем, только
после того, как космические аппараты посетят и эту планету.

Исследованы почти все малые планеты по своему современному
составу относятся к каменистым планетам земной группы. Сравнительно недавно
открытый Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно,
подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далёких от Солнца планет.
Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда
выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствие их малых
размеров, недра подогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и
поэтому их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со времени их
образования. Измерения возраста метеоритов (по содержанию радиоактивных
элементов и продуктов их распада) показали, что они, а следовательно вся
Солнечная система существует около 5 миллиардов лет. Этот возраст Солнечной
системы находится в согласии с измерениями древнейших земных и лунных образцов.

Солнце

Солнце — центральное тело Солнечной системы — представляет
собой раскалённый плазменный шар. Солнце — ближайшая к Земле звезда. Свет от
него до нас доходит за 8,3 мин. Солнце решающим образом повлияло на образование
всех тел Солнечной системы (см. главу 1) и создало те условия, которые привели
к возникновению и развитию жизни на Земле (см. главу 2) . Его масса в 333 000
раз больше массы Земли и в 750 раз больше массы всех других планет, вместе
взятых. За 5 миллиардов лет существования Солнца уже около половины водорода в
его центральной части превратилось в гелий. В результате этого процесса
выделяется то количество энергии, которое Солнце излучает в мировое
пространство. Мощность излучения Солнца очень велика около 3,8 410 520 0
степени МВт. На Землю попадает ничтожная часть Солнечной энергии, составляющая
около половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии
земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоёмы, даёт энергию ветрам и
водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной
энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и других полезных
ископаемых. Видимый с Земли диаметр Солнца незначительно меняется из-за
эллиптичности орбиты и составляет, в среднем, 1 392 000 км. (что в 109 раз
превышает диаметр Земли) . Расстояние до Солнца в 107 раз превышает его
диаметр. Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в
равновесии. Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические
условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру.
Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением
вышележащих слоёв. Следовательно, температура также растёт по мере приближения
к центру. В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить
на несколько концентрических слоёв, постепенно переходящих друг в друга. В
центре Солнца температура составляет 15 миллионов градусов, а давление
превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат здесь до плотности около 150 000
кгм. Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом
примерно 13 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия
передаётся наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная
зона. Причина возникновения перемешивания (конвекции) в наружных слоях Солнца
та же, что и в кипящем чайнике количество энергии, поступающее от нагревателя,
гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество
вынужденно приходит в движение и начинает само переносить тепло. Ядро и
конвективная зона фактически не наблюдаемы. Об их существовании известно либо
из теоретических расчётов, либо на основании косвенных данных. Над конвективной
зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его
Атмосферой. Они лучше изучены, т.к. об их свойствах можно судить из наблюдений.

Солнечная атмосфера так же состоит из нескольких различных
слоёв. Самый глубокий и тонкий из них фотосфера, непосредственно наблюдаемая в
видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы приблизительно около 300 км. Чем
глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних более холодных слоях
фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются Фраунгоферовы линии
поглощения. Во время наибольшего спокойствия земной атмосферы можно наблюдать
характерную зернистую структуру фотосферы. Чередование маленьких светлых
пятнышек — гранул размером около 1000 км, окруженных тёмными промежутками,
создаёт впечатление ячеистой структуры — грануляции. Возникновение грануляции
связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы на
несколько сотен градусов горячее окружающего их газа, и в течение нескольких
минут их распределение по диску Солнца меняется. Спектральные измерения
свидетельствуют о движении газа в гранулах, похожих на конвективные в гранулах
газ поднимается, а между ними — опускается. Это движение газов порождают в
солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе.
Распространяясь в верхние слои атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне
и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и
производят нагревание газов последующих слоёв атмосферы — хромосферы и короны.
В результате верхние слои атмосферы с температурой около 4500К оказываются
самыми холодными на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов
быстро растёт. Расположенный над фотосферой слой называют хромосферой, во время
полных солнечных затмений в те минуты, когда Луна полностью закрывает
фотосферу, виден как розовое кольцо, окружающее тёмный диск. На краю хромосферы
наблюдаются выступающие язычки пламени — хромосферные спикулы, представляющие
собой вытянутые столбики из уплотнённого газа. Тогда же можно наблюдать и
спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных
линий водорода, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые
внезапно вспыхивают во время полной фазы затемнения. Выделяя излучение Солнца в
этих линиях, можно получить его изображение. Хромосфера отличается от фотосферы
значительно более неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа
неоднородностей — яркие и темные. По своим размерам они превышают фотосферные
гранулы. В целом распределение неоднородностей образует так называемую
хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии ионизированного кальция.
Как и грануляция, она является следствием движения газов в подфотосферной
конвективной зоне, только происходящих в более крупных масштабах. Температура в
хромосфере быстро растёт, достигая в верхних её слоях десятков тысяч градусов.
Самая верхняя и самая разряжённая часть солнечной атмосферы — корона,
прослеживающаяся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов
и имеющая температуру около миллиона градусов. Корону можно видеть только во
время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа. Вся солнечная
атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и
горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят
резонансный характер и происходят с периодом около 5 мин. В возникновении
явлений происходящих на Солнце большую роль играют магнитные поля. Вещество на
Солнце всюду представляет собой намагниченную плазму. Иногда в отдельных
областях напряженность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс
сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной активности в
различных слоях солнечной атмосферы. К ним относятся факелы и пятна в
фотосфере, флоккулы в хромосфере, протуберанцы в короне. Наиболее замечательным
явлением, охватывающим все слои солнечной атмосферы и зарождающимся в
хромосфере, являются солнечные вспышки (см. Солнечная активность)

Солнечная активность

Солнечная активность — совокупность явлений, периодически
возникающих в солнечной атмосфере. Проявления солнечной активности тесно
связаны с магнитными свойствами солнечной плазмы. Возникновение активной
области начинается с постепенного увеличения магнитного потока в некоторой
области фотосферы. В соответствующих местах хромосферы после этого наблюдается
увеличение яркости в линиях водорода и кальция. Такие области называют
флоккулами. Примерно в тех же участках на Солнце в фотосфере (т.е. несколько
глубже) при этом также наблюдается увеличение яркости в белом (видимом) свете —
факелы. Увеличение энергии, выделяющейся в области факела и флоккула, является
следствием увеличившихся до нескольких десятков экстред напряженности
магнитного поля. Затем в солнечной активности наблюдаются солнечные пятна,
возникающие через 1-2 дня после появления флоккула в виде маленьких чёрных точек
— пор. Многие из них вскоре исчезают, и лишь отдельные поры за 2-3 дня
превращаются в крупные тёмные образования. Типичное солнечное пятно имеет
размеры в несколько десятков тысяч километров и состоит из тёмной центральной
части — тени и волокнистой полутени. Важнейшая особенность пятен — наличие в
них сильных магнитных полей, достигающих в области тени наибольшей
напряжённости в несколько тысяч экстред. В целом пятно представляет собой
выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля, целиком заполняющих
одну или несколько ячеек хромосферной сетки (см. Солнечная атмосфера) . Верхняя
часть трубки расширяется, и силовые линии в ней расходятся, как колосья в
снопе. Поэтому вокруг тени магнитные силовые линии принимают направление,
близкое к горизонтальному. Полное, суммарное давление в пятне включает в себя
давление магнитного поля и уравновешивается давлением окружающей фотосферы,
поэтому газовое давление в пятне оказывается меньшим, чем в фотосфере Магнитное
поле как бы расширяет пятно изнутри. Кроме того, магнитное поле подавляет
конвективные движения газа, переносящие энергию из глубины вверх. Вследствие
этого в области пятна температура оказывается меньше примерно на 1000К. Пятно
как бы охлаждённая и скованная магнитным полем яма в солнечной фотосфере.
Большей частью пятна возникают целыми группами, в которых, однако, выделяются
два больших пятна. Одно, наибольшее, — на западе, а другое, чуть поменьше, — на
востоке. Вокруг и между ними часто бывает множество мелких пятен. Такая группа
пятен называется биополярной, потому что у обоих больших пятен всегда
противоположная полярность магнитного поля. Они как бы связаны с одной и той же
трубкой силовых линий магнитного поля, которая в виде гигантской петли
вынырнула из-под фотосферы, оставив концы где-то в ненаблюдаемых, глубоких
слоях.

То пятно, которое соответствует выходу магнитного поля из
фотосферы, имеет северную полярность, а то, в области которого силовые линии
входят обратно под фотосферу, южную.

Самое мощное проявление фотосферы — это вспышки. Они
происходят в сравнительно небольших областях хромосферы и короны, расположенных
над группами солнечных пятен. По своей сути вспышка — это взрыв, вызванный
внезапным сжатием солнечной плазмы. Сжатие происходит под давлением магнитного
поля и приводит к образованию длинного плазменного жгута или ленты. Длина
такого образования составляет десятки и даже сотни тысяч километров.
Продолжается вспышка обычно около часа. Хотя детально физические процессы,
приводящие к возникновению вспышек, ещё не изучены, ясно, что они имеют
электромагнитную природу. Наиболее грандиозными образованиями в солнечной
атмосфере являются протуберанцы — сравнительно плотные облака газов,
возникающие в солнечной короне или выбрасываемые в неё из хромосферы. Типичный
протуберанец имеет вид гигантской светящейся арки, опирающейся на хромосферу и
образованной струями и потоками более плотного и холодного, чем окружающая
корона, вещества.

Иногда это вещество удерживается прогнувшимся под его
тяжестью силовыми линиями магнитного поля, а иногда медленно стекает вдоль
магнитных силовых линий. Имеется множество различных типов протуберанцев.
Некоторые из них связаны со взрывоподобными выбросами вещества из хромосферы в
корону.  Общая активность Солнца, характеризуемая количеством и силой проявления
центров солнечной активности, периодически изменяется. Существует множество
различных удобных способов оценивать уровень солнечной активности.

Обычно пользуются наиболее простым и введённым раньше всех
способом — числами Вольфа. Числа Вольфа пропорциональны сумме полного числа
пятен, наблюдаемых в данный момент на Солнце, и удесятерённого числа групп,
которые они образуют. Период времени, когда количество центров активности
наибольшее называют максимумом солнечной

Видимое распределение галактик очень неоднородно. Они, как и
люди, не любят одиночества и предпочитают объединяться в пары, группы и
скопления с себе подобными. Еще в конце XVIII в. В.Гершель обнаружил, что
многие туманности, которые он совершенно правильно считал подобными Млечному
Пути звездными островами, входят в состав двойных и кратных систем. Некоторые
туманности оказались даже связанными слабосветящимися перемычками. В первой
половине нашего века Э.Хаббл и В.Бааде держали пари на 20 долларов, кто первый
докажет, что найденная им галактика — одиночная. Пари никто не выиграл, так как
всегда по соседству оказывалась другая, которая могла быть физически связанным
спутником.

Взаимодействующие галактики начали систематически наблюдать в
50-е годы Э.Хольмберг, Б.А.Воронцов-Вельяминов, Ф.Цвикки и Х.Арп. Однако вплоть
до 70-х годов, когда развитие теории и компьютерной техники позволило создать
реалистические модели гравитационного взаимодействия галактик, эти объекты не
привлекали широкого внимания.

Интересно отметить, что первая успешная попытка моделирования
тесного сближения галактик была осуществлена еще в 1941 г. Шведский астроном
Э.Хольмберг, воспользовавшись тем, что освещенность от источника уменьшается,
как и гравитационная сила, обратно пропорционально квадрату расстояния до
наблюдателя, рассмотрел относительное движение двух галактик, каждая из которых
была представлена набором подвижных лампочек. Измеряя в разных точках модельной
галактики освещенность с помощью фотоэлемента, Хольмберг перемещал лампочки в
соответствии с неоднородностями такого "гравитационного" поля. С
помощью столь нестандартного подхода он предвосхитил некоторые результаты,
полученные гораздо позднее с помощью компьютерного моделирования.

В 1972 г. появилась работа братьев Тумре, в которой было
наглядно показано, что морфологические особенности галактик естественным
образом могут быть объяснены гравитационным взаимодействием между ними. Эта
работа послужила основой для нового подхода к проблеме формирования структуры
современных галактик. Согласно этому подходу, не начальные условия, а
последующая эволюция галактики, в ходе которой она активно взаимодействует со
своим окружением (другими галактиками, карликовыми спутниками, межгалактической
средой), определяет ее характеристики. Один из братьев — А.Тумре — даже высказал
предположение, что все эллиптические галактики возникли при слиянии спиральных
(это предположение получило название "гипотеза слияний"). Сейчас
считается, что и начальные условия, и последующая эволюция влияют на свойства
галактик, однако соотношение между этими факторами остается пока неизвестным.

В близкой к нам области Вселенной взаимодействующие галактики
довольно редки. Если основываться на видимых признаках взаимодействия,
говорящих о сильном внешнем гравитационном возмущении (заметной асимметрии структуры,
наличии протяженных линейных образований — "хвостов" и перемычек, —
оболочек и т.п.), то к таким объектам можно отнести лишь каждую десятую или
двадцатую галактик. В более ранние эпохи, однако, процессы взаимодействия между
ними могли быть гораздо более интенсивными.

Основные сведения

Физику космических лучей принято считать частью физики
высоких энергий и физики элементарных частиц.

Физика космических лучей изучает:

процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических
лучей;

частицы космических лучей, их природу и свойства;

явления, вызванные частицами космических лучей в космическом
пространстве, атмосфере Земли и планет.

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных
космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими
экспериментальными задачами.

Примеры взаимодействующих и сливающихся галактик

Солнечная система. Галактики

 

Классификация по происхождению космических лучей:

вне нашей Галактики

в Галактике

на Солнце

в межпланетном пространстве

Первичными принято называть внегалактические и
галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц,
проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации
(фоновой радиации) на поверхности земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили
единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и
мюон были впервые найдены в космических лучах.

Химический спектр космических лучей в пересчете энергии на
нуклон более чем на 94 % состоит из протонов, ещё на 4 % — из ядер гелия
(альфа-частиц). Есть также ядра других элементов, но их доля значительно
меньше. В пересчете энергии на частицу доля протонов составляет около 35 %,
доля тяжёлых ядер соответственно больше.

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие
группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые).
Особенностью химического состава первичного космического излучения является
аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий,
бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное
явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического
магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем
достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго
провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более
легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень
высокой степенью изотропии.

История физики космических лучей

Открыты австрийским физиком Р. Гессом в 1912. На аэростате с
ионизационной камерой обнаружил поток излучения возрастающий с высотой.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном
космическом пространстве

В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают
несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить
галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К
нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ)

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер
различных химических элементов с кинетической энергией Е более
нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е>10
МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды.
Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно,
однако, что в области Е<100 МэВ/нуклон частицы образуются за счет
ускорения в межпланетной среде частиц солнечного ветра и межзвездного газа.
Дифференциальный энергетический спектр ГКЛ носит степенной характер.

Вторичные частицы в магнитосфере Земли: частицы
альбедо, радиационный пояс

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть
области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше
критической. Те же частицы с энергией E<Eкр,
которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти
запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата
дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные
потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

В околоземном пространстве можно выделить две торообразные
области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300
км (в зоне БМА) до 6000 км (внутренний РПЗ) и от 12000 км до 40000 км (внешний
РПЗ). Основным наполнением внутреннего пояса являются протоны с высокими
энергиями от 1 до1000 МэВ, а внешнего — электроны.

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на
расстояниях L~3 радиусов Земли от её центра. Малоэнергичные электроны
заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний
пояса. Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Процесс
взаимодействия ядер первичного космического излучения с атмосферой
сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли
(нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли.
Поскольку нейтроны нестабильны (среднее время распада ~ 900 с), часть из них
распадается в зонах, недоступных для заряженных частиц малых энергий. Таким
образом, продукты распада нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в
зонах захвата. В зависимости от энергии и pitch-углов эти протоны и электроны
могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.

Частицы альбедо — это вторичные частицы, отраженные от
атмосферы Земли. Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с
энергией до 10³ МэВ и электронами с энергией до
нескольких МэВ.

Солнечные космические лучи

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные
заряженные частицы — электроны, протоны и ядра, — инжектированные Солнцем в
межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до
нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами
высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие
солнечных вспышек.

Космические лучи ультравысоких энергий

Энергия некоторых частиц превышает Предел
Грайзена-Зацепина-Кузьмина — теоретический предел энергии для космических лучей
6×1019 эВ. Несколько десятков таких частиц за год было
зарегистрировано обсерваторией AGASA. Эти наблюдения ещё не имеют достаточно
обоснованного научного объяснения.

Регистрация космических лучей

Долгое время после открытия космических лучей, методы их
регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще
всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии,
поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не
позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как
они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может
вести наблюдения, ограничено его размерами. Современные обсерватории работают
на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу она,
взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые
в свою очередь рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц
который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью превышающей
скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение,
регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба
площадью в сотни квадратных километров.

Значение для космических полётов

Длительное воздействие космической радиации способно очень
негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии
человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную
защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения
этой проблемы

Межзвездное магнитное поле

Межзвездное поле, одна из составляющих межзвездной
среды
. Напряженность и структура межзвездного поля может быть оценена
из астрономических наблюдений различного типа. Одним из них является
исследование радиоизлучения Галактики, образующегося в результате движения
релятивистских электронов (то есть электронов, имеющих скорости, близкие к
скорости света). Для получения надежных результатов необходимо знать количество
таких электронов, но оно не известно с достаточной точностью. Другой метод
оценки основан на измерении поляризации света звезд в межзвездной среде,
обусловленной тем, что межзвездные пылевые частицы вытянутой формы под влиянием
межзвездного поля ориентируются в пространстве определенным образом и
по-разному поглощают свет с различной поляризацией. Поскольку свойства пылевых
частиц изучены недостаточно, такие исследования приводят к приближенным
результатам, но позволяют определить направления силовых линий в проекции на
небесную сферу. Третий метод оценки поля основан на Фарадея эффекте,
вследствие которого плоскость поляризации поляризованного радиоизлучения,
проходящего через плазму с полем, поворачивается на угол, пропорциональный
длине пути, электронной концентрации и средней проекции напряженности поля на
луч зрения. Поскольку многие радиоисточники имеют поляризованное
радиоизлучение, этот метод позволяет оценить радиальную компоненту поля для
многих направлений в Галактике. Четвертый, самый непосредственный метод
измерения напряженности

Межзвездное поле применимо только к сравнительно
плотным массивным газовым облакам, которые проектируются на мощные источники
радиоизлучения. Такие облака порождают в спектре источника линию поглощения с
длиной волны 21 см, у которой можно измерить Зеемана эффект
и оценить таким образом продольную составляющую напряженности поля в облаке. В
некоторых случаях напряженность поля можно оценить по его динамическому
действию на газ, которое обусловливает вытянутую форму некоторых газовых
туманностей, способствует образованию тонких волокон, наблюдаемых в
отражательных туманностях. Наконец, межзвездное поле в значительной степени
влияет на толщину газового диска Галактики.  Сопоставление всех методов
позволило получить следующее представление о межзвездном поле Галактики.
Величина поля составляет несколько мкгс, причем в разных областях
Галактики она несколько различна. Между рукавами она имеет, по-видимому,
порядок 1 мкгс, в рукавах — приблизительно в 2 раза больше, и еще больше
— в облаках, особенно плотных. В галактическом диске силовые линии в среднем
близки к окружностям. Однако в отдельных участках размером в несколько сотен пс
структура поля бывает довольно сложной.  Происхождение галактического поля пока
недостаточно ясно. Оно могло быть уже в среде, из которой образовалась
Галактика. Однако более вероятно, что оно образовалось в результате процессов,
турбулентных движений проводящей среды. С другой стороны, поле могло быть
образовано в ходе формирования первых звезд. Последующие взрывы могли выбросить
поле в межзвездное пространство, где оно усиливалось турбулентными движениями и
дифференциальным вращением Галактики. Межзвездное поле играет
существенную роль в звездообразовании.

Пространственное распределение галактик

Обычно галактики встречаются небольшими группами, содержащими
по десятку членов, часто объединяющимися в обширные скопления сотен и тысяч
галактик. Наша Галактика входит в состав так называемой Местной группы,
включающей в себя три гигантские спиральные галактики (наша Галактика,
туманность Андромеды и туманность в созвездии Треугольника), а также более 15
карликовых эллиптических и неправильных галактик, крупнейшими из которых
являются Магеллановы Облака. В среднем размеры скоплений галактик составляют
около 3 Мпс. В отдельных случаях диаметр их может превышать 10-20 Мпс. Они делятся
на рассеянные (неправильные) и сферические (правильные) скопления. Рассеянные
скопления не обладают правильной формой и имеют нерезкие очертания. Галактики в
них весьма слабо концентрируются к центру. Примером гигантского рассеянного
скопления может служить ближайшее к нам скопление галактик в созвездии Девы. На
небе оно занимает примерно 120 кв. градусов и содержит несколько тысяч
преимущественно спиральных галактик. Расстояние до центра этого скопления
составляет около 11 Мпс. Сферические скопления галактик более компактны, чем
рассеянные, и обладают сферической симметрией. Их члены заметно концентрируются
к центру. Примером сферического скопления является скопление галактик в
созвездии Волос Вероники, содержащее очень много эллиптических и линзообразных
галактик (рис. 242). Его диаметр составляет почти 12 градусов. В нем содержатся
около 30 000 галактик ярче 19 фотографической звездной величины. Расстояние до
центра скопления составляет около 70 Мпс. С многими богатыми скоплениями
галактик связаны мощные протяженные источники рентгеновского излучения, природа
которого, скорее всего, связана с наличием горячего межгалактического газа,
подобного коронам отдельных галактик.

Есть основания полагать, что скопления галактик в свою
очередь также распределены неравномерно. Согласно некоторым исследованиям,
окружающие нас скопления и группы галактик образуют грандиозную систему —
Сверхгалактику. Отдельные галактики при этом, по-видимому, концентрируются к
некоторой плоскости, которую можно называть экваториальной плоскостью
Сверхгалактики. Только что рассмотренное скопление галактик в созвездии Девы
находится в центре такой гигантской системы. Масса нашей Сверхгалактики должна
составлять около1015 масс Солнца, а ее диаметр порядка 50 Мпс. Однако
реальность существования подобных скоплений галактик второго порядка в
настоящее время остается спорной. Если они и существуют, то лишь как слабо
выраженная неоднородность распределения галактик во Вселенной, так как
расстояния между ними немногим могут превышать их размеры. Об эволюции галактик
Соотношение общего количества звездного и межзвездного вещества в Галактике со
временем изменяется, поскольку из межзвездной диффузной материи образуются
звезды, а они в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвездное пространство
только часть вещества; некоторая его часть остается в белых карликах. Таким
образом, количество межзвездного вещества в нашей Галактике должно со временем
убывать. То же самое должно происходить и в других галактиках. Перерабатываясь
в звездных недрах, вещество Галактики постепенно изменяет химический состав,
обогащаясь гелием и тяжелыми элементами. Предполагается, что Галактика
образовалась из газового облака, которое состояло главным образом из водорода.
Возможно даже, что, кроме водорода, оно никаких других элементов и не
содержало. Гелий и тяжелые элементы образовались в таком случае в результате
термоядерных реакций внутри звезд. Образование тяжелых элементов начинается с
тройной гелиевой реакции ЗНе4 ® C 12, затем С12 соединяется с a-частицами,
протонами и нейтронами, продукты этих реакций подвергаются дальнейшим
преобразованиям, и так появляются все более и более сложные ядра. Однако
образование самых тяжелых ядер, таких как уран и торий, постепенным
наращиванием объяснить нельзя. При этом неизбежно пришлось бы пройти через
стадию неустойчивых радиоактивных изотопов, которые распадутся быстрее, чем
успеют захватить следующий нуклон. Поэтому предполагается, что самые тяжелые
элементы, стоящие в конце менделеевской таблицы, образуются при вспышках
сверхновых звезд. Вспышка сверхновой представляет собой результат быстрого
сжатия звезды. При этом температура катастрофически возрастает, в сжимающейся
атмосфере идут цепные термоядерные реакции и возникают мощные потоки нейтронов.
Интенсивность нейтронных потоков может быть столь велика, что промежуточные
неустойчивые ядра не успевают разрушиться. Прежде чем это произойдет, они
захватывают новые нейтроны и становятся устойчивыми. Как уже упоминалось,
содержание тяжелых элементов в звездах сферической составляющей много меньше,
чем в звездах плоской подсистемы. Это объясняется, по-видимому, тем, что звезды
сферической составляющей образовались в самой начальной стадии эволюции
Галактики, когда межзвездный газ был еще беден тяжелыми элементами. В то время
межзвездный газ представлял собой почти сферическое облако, концентрация
которого увеличивалась к центру. Такое же распределение сохранили и звезды
сферической составляющей, образовавшиеся в эту эпоху. В результате столкновений
облаков межзвездного газа их скорость постепенно уменьшалась, кинетическая
энергия переходила в тепловую и менялась общая форма и размеры газового облака.
Расчеты показывают, что в случае быстрого вращения такое облако должно было
принять форму сплющенного диска, что мы и наблюдаем в нашей Галактике. Звезды,
образовавшиеся в более позднее время, образуют поэтому плоскую подсистему. К
тому времени, как межзвездный газ сформировался в плоский диск, он прошел
переработку в звездных недрах, содержание тяжелых элементов значительно увеличилось
и звезды плоской составляющей поэтому тоже богаты тяжелыми элементами. Часто
звезды плоской составляющей называют звездами второго поколения, а звезды
сферической составляющей — звездами первого поколения, чтобы подчеркнуть тот
факт, что звезды плоской составляющей образовались из вещества, уже побывавшего
в звездных недрах. Аналогичным образом протекает, вероятно, эволюция и других
спиральных галактик. Форма спиральных рукавов, в которых сосредоточен
межзвездный газ, по-видимому, определяется направлением силовых линий общего
галактического магнитного поля. Упругость магнитного поля, к которому
"приклеен" межзвездный газ, ограничивает уплощение газового диска.
Если бы на межзвездный газ действовала только сила тяжести, его сжатие
продолжалось бы неограниченно. При этом вследствие большой плотности он быстро
сконденсировался бы в звезды и практически исчез бы. Есть основания полагать,
что скорость образования звезд приблизительно пропорциональна квадрату
плотности межзвездного газа.

Если галактика вращается медленно, то межзвездный газ
собирается под действием силы тяжести в центре. По-видимому, в таких галактиках
магнитное поле слабее и меньше препятствует сжатию межзвездного газа, чем в
быстро вращающихся. Большая плотность межзвездного газа в центральной области
приводит к тому, что он быстро расходуется, превращаясь в звезды. В результате
медленно вращающиеся галактики должны иметь приблизительно сферическую форму с
резким увеличением звездной плотности в центре. Мы знаем, что как раз такие
характеристики имеют эллиптические галактики. По-видимому, причина их отличия
от спиральных заключается в более медленном вращении. Из сказанного выше
понятно также, почему в эллиптических галактиках мало звезд ранних классов и
мало межзвездного газа.

Таким образом, эволюцию галактик можно проследить начиная со
стадии газового облака приблизительно сферической формы. Облако состоит из
водорода, оно неоднородно. Отдельные сгустки газа, двигаясь, сталкиваются друг
с другом, — потеря кинетической энергии приводит к сжатию облака. Если оно
вращается быстро, получается спиральная галактика, если медленно —
эллиптическая. Естественно задать вопрос, почему вещество во Вселенной
разбилось на отдельные газовые облака, ставшие потом галактиками, почему мы
наблюдаем разлет этих галактик, в какой форме находилась материя во Вселенной
до того, как образовались галактики.

Расширение Вселенной

Вселенная

Звездное небо над головой долгое время было для человека
символом вечности. Лишь в Новое время люди осознали, что
"неподвижные" звезды на самом деле движутся, причем с огромными
скоростями. В ХХ в. человечество свыклось с еще более странным фактом:
расстояния между звездными системами — галактиками, не связанными друг с другом
силами тяготения, постоянно увеличиваются. И дело здесь не в природе галактик:
сама Вселенная расширяется! Естествознанию пришлось расстаться с одним из своих
основополагающих принципов: все вещи меняются в этом мире, но мир в целом
всегда одинаков. Это можно считать важнейшим научным событием ХХ в.  Все
началось, когда Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности. В ее
уроках описаны фундаментальные свойства материи, пространства и времени.
("относительный" по-латыни звучит как relativus, поэтому теории
основанные на теории относительности Эйнштейна, называются релятивистскими).
Применив свою теорию ко Вселенной как целой системе, Эйнштейн обнаружил, что
такого решения, которому соответствовала бы не меняющаяся со временем
Вселенная, не получается. Этот не удовлетворил великого ученого.  Чтобы
добиться стационарного решения своих уравнений, Эйнштейн ввел в них
дополнительное слагаемое — так называемый ламбда-член. Однако до сих пор никто
не смог найти какого-либо физического обоснования этого дополнительного члена.
В начале 20-х годов советский математик А. А. Фридман решил для Вселенной
уравнения общей теории относительности, не накладывая условия стационарности.
Он доказал, что могут существовать два состояния для Вселенной: расширяющийся
мир и сжимающийся мир. Полученные Фридманом уравнения используют для описания
эволюции Вселенной и в настоящее время. Все эти теоретические рассуждения никак
не связывались учеными с реальным миром, пока в 1929 г. американский астроном
Эдвин Хаббл не подтвердил расширения видимой части Вселенной. Он использовал
при этом эффект Доплера. Линии в спектре движущегося источника смещаются на
величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления, поэтому
скорость галактики всегда можно вычислить по изменению положения ее
спектральных линий. Еще во втором десятилетии ХХ в. американский астроном Весто
Слайфер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у большинства из
них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало, что они
удаляются от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в секунду.  Хаббл
определил расстояние до небольшого числа галактик и их скорости. Из его
наблюдений следовало, что чем дальше находится галактика, тем с большей
скоростью она от нас удаляется. Закон, по которому скорость удаления
пропорциональна расстоянию, получил название закона Хаббла.  Означает ли это,
что наша Галактика является центром, от которого и идет расширение? С точки
зрения астрономов, такое невозможно. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен
увидеть ту же картину: все галактики имели бы красные смещения,
пропорциональные расстояния до них. Само пространство как бы раздувается.  Вселенная
расширяется, но центр расширения отсутствует: из любого места картина
расширения будет представляться той же самой.
Если на воздушном шарике
нарисовать галактики, и начать надувать его, то расстояния между ними будут
возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга и
разница лишь в том, что нарисованные галактики сами увеличиваются в размерах,
реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем. Это
объясняется тем, что составляющие их звезды связаны между собой силами
гравитации. Факт постоянного расширения Вселенной установлен твердо. Самые
далекие из известных галактик и квазаров имеют такое большое красное смещение,
что длины волн всех линий в спектрах оказываются больше, чем у близких
источников в 5 — 6 раз! Но если Вселенная расширяется, то сегодня мы видим ее
не такой, какой она была в прошлом. Миллиарды лет назад галактики располагались
значительно ближе друг к другу. Еще раньше отдельных галактик просто не могло
существовать, а еще ближе к началу расширения не могло быть даже звезд. Эта
эпоха — начало расширения Вселенной — удалена от нас на 12 — 15 млрд лет.
Оценки возраста галактик пока слишком приближенны, чтобы уточнить эти цифры. Но
надежно установлено, что самые старые звезды различных галактик имеют примерно
одинаковый возраст. Следовательно, большинство звездных систем возникло в тот
период, когда плотность вещества во Вселенной была значительно выше
современной. На начальной стадии все существо Вселенной имело настолько высокую
плотность, что ее даже невозможно было себе представить. Идею о расширении
Вселенной из сверхплотного состояния ввел в 1927 г. бельгийский астроном Жорж
Леметр, а предложение, что первоначальное вещество было очень горячим, впервые
высказал Георгий Антонович Гамов в 1946 г. Впоследствии эту гипотезу
подтвердило открытие так называемого реликтового излучения. Оно осталось как
эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим Взрывом. Но
остается множество вопросов. Что привело к образованию ныне наблюдаемой
Вселенной, к началу Взрыва? Почему пространство имеет три измерения, а время
одно? Как в стремительно расширяющейся Вселенной смогли появиться стационарные
объекты — звезды и галактики? Что было до начала Большого Взрыва? Над поисками
ответов на эти и другие вопросы работают современные астрономы и физики.

Модель горячей вселенной. Эволюция Вселенной

Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году
заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии —
модели "горячей Вселенной". В этой модели основное внимание
переносится на состояние вещества и физические процессы, идущие на разных
стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние
было необычным. С построением моделей "горячей Вселенной" в
космологии наряду с законами тяготения активно применяются законы
термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает
релятивистская астрофизика. Модель горячей Вселенной получила эмпирическое
подтверждение в 1965 году в открытии реликтового излучения американскими
учеными Пензиасом и Уилсоном. Реликтовое излучение — одна из составляющих
общего фона космического электромагнитного излучения. Реликтовое излучение равномерно
распределено по небесной сфере и по интенсивности соответствует тепловому
излучению абсолютно черного тела при температур около 3К. Согласно модели
горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях
расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе
космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении
температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после
чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением
нарушилось — кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации
вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду.
Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе
составила около 3К. Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как
реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия.
Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим
взрывом. В основе современной космологии лежат представления об однородности и
изотропности Вселенной: во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и
направлений, т.е. все точки и направления равноправны. Это утверждение об
однородности и изотропности Вселенной часто называют космологическим постулатом.
В теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели
Вселенной: открытая и замкнутая. В открытой модели кривизна трехмерного
пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в
такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно
возрастают. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная
конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели
расширение со временем сменяется сжатием.

На основании имеющихся наблюдательных данных нельзя сделать
никакого выбора между открытой и замкнутой моделями. Эта неопределнность никак
не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет
на возраст Вселенной (длительность расширения) — величину не достаточно
определенную по данным наблюдений. В моделях однородной изотропной Вселенной
выделяется ее особое начальное состояние — сингулярность. Это состояние
характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С
сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение.
Значение постоянной Хаббла (вернее, параметра Хаббла) определяет время,
истекшее с начала расширения Вселенной, которое сейчас оценивается в 10-20
млрд. лет. Современная космология рисует картину Вселенной вблизи
сингулярности. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не
могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра;
существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц. Уравнения
современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной
Вселенной и описать изменение ее физических параметров в процессе расширения.
Из этих уравнений следует, что начальные высокие плотность и температура быстро
падали. Общие законы физики надежно проверены при ядерных плотностях, а такую
плотность Вселенная имеет спустя 10-4с от начала расширения. Следовательно, с
этого времени от состояния сингулярности физические свойства эволюционирующей
Вселенной вполне поддаются изучению (в ряде случаев эту границу отодвигают
непосредственно к сингулярности). В последние десятилетия развитие космологии и
физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную
сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая завершилась уже к моменту t
около 10-36 с. Эту стадию расширения Вселенной назвали инфляционной. На этой
стадии, когда температура была невероятно высока (больше 1028 К), Вселенная
расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной. До
момента рекомбинации, который наступил примерно через миллион лет после начала
расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью
электромагнитного излучения нельзя заглянуть в эпоху, предшествующую
рекомбинации. На сегодняшний день это можно сделать с помощью теоретических
моделей.

Вначале расширения Вселенной ее температура была столь
высока, что энергии фотонов хватало для рождения пар всех известных частиц и
античастиц. При температуре 1013 К во Вселенной рождались и гибли
(аннигилировали) пары различных частиц и их античастиц. При понижении
температуры до 5х1012 К почти все протоны и нейтроны аннигилировали,
превратившись в кванты излучения; остались только те из них, для которых
"не хватило" античастиц. Фотоны, энергия которых к этому времени стала
меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы. Наблюдения реликтового
фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами
составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих
"избыточных" протонов и нейтронов в основном состоит вещество
современной наблюдаемой Вселенной. При температуре 2х1010 К с веществом
перестали взаимодействовать нейтрино — от этого момента должен был остаться
"реликтовый фон нейтрино", обнаружить который, возможно, удастся в
будущем. Спустя несколько секунд после начала расширения Вселенной началась
эпоха, когда образовались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия — эпоха
первичного нуклеосинтеза. Продолжалась эта эпоха приблизительно 3 минуты. Ее
результатом в основном стало образование ядер гелия. Остальные элементы, более
тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества. Определение
химического состава (особенно содержание гелия, дейтерия и лития) самых старых
звезд и межзвездной среды молодых галактик является одним из способов проверки
выводов теории горячей Вселенной. После эпохи нуклеосинтеза (t около 3 мин.) и
до эпохи рекомбинации (t около 106 лет) происходило спокойное расширение и
остывание Вселенной.

В статье Новый вариант большого взрыва и новый 1000 вопрос
рассматривается очень красивая и интересное, но по своей сущности весьма
фантастическая идея.

Состав и структура галактики

. Млечный Путь и структура Галактики. Уже к началу нашего века
было известно, что те звезды, которые наблюдаются невооруженным глазом или в
телескоп, образуют в пространстве сплюснутый звездный диск громадного
размера. Мы находимся внутри этого диска и поэтому вблизи его плоскости видим
очень много далеких звезд. Совокупность этих звезд сливается для нас в
светящуюся полосу Млечного Пути. Раньше думали, что Солнце расположено
вблизи центра звездной системы — Галактики, потому что яркость Млечного Пути
примерно одинакова во всех направлениях, хотя в нем и существуют отдельные
более яркие участки. Сейчас мы знаем, что свет самой яркой центральной области
Галактики сильно ослабляется из-за поглощения межзвездной пылью. Лишь
наблюдения в инфракрасных лучах, которые испытывают меньшее поглощение,
позволили "увидеть" наиболее плотную центральную область нашей
Галактики. Она расположена в созвездии Стрельца.

Эта центральная, наиболее компактная область Галактики
называется ее звездным ядром. Солнце расположено очень далеко от ядра
Галактики — на расстоянии 25- 30 тыс. световых лет (8-10 кпк) — вблизи
плоскости симметрии звездного диска, толщина которого составляет несколько
тысяч световых лет. Ядро находится в центре звездного, диска Галактики.

Часть звезд нашей Галактики не входит в состав диска, а
образует сферическую составляющую. Эти звезды концентрируются не к
плоскости диска, к ядру Галактики. Диск и сферическая составляющая — основные
элементы структуры нашей Галактики.

Полное число звезд в Галактике можно оценить только
ориентировочно. Оно составляет несколько сотен миллиардов. Лишь незначительная
доля всех этих звезд доступна наблюдениям даже при помощи крупнейших
телескопов.

Галактика — это огромный звездный остров, диаметр
которого превышает 100000 св. лет, объединяющий многие миллиарды самых
различных звезд.
Помимо звезд, в Галактике содержится много тел небольшой массы
(например, планет) и очень неоднородная по плотности межзвездная среда
(разреженный газ, пыль, космические лучи). Несмотря на большую массу. Галактика-очень
разреженная система: расстояния между соседними звездами, как правило,
измеряются световыми годами.



Разумная
жизнь во Вселенной. Общие замечания

В первой части этой книги мы рассказывали о строении
Вселенной и об эволюции составляющих ее различных космических объектов. Задачей
этой части было установление самых общих условий, при которых во Вселенной
может (но не обязательно должна) возникнуть жизнь. Было показано, что такая
"деликатная" форма движения материи, как жизнь, зависит от большого
числа совершенно не связанных между собой явлений. Так, например, явление
"красного смещения" в спектрах далеких галактик оказывается,
по-видимому, обязательным условием для возникновения и развития жизни на
какой-нибудь планете. Так же необходимы для этого вспышки сверхновых звезд, в
процессе которых образуются тяжелые элементы, без которых немыслима живая
субстанция. Кроме того, образующиеся после такой вспышки ударные волны в
межзвездной среде могут стимулировать процесс образования звезд (см. гл. 4).
Наконец, необходимо, чтобы в достаточно большом количестве образовывались
"подходящие" планеты. Этому вопросу в первой части было уделено
особое внимание. Вся первая часть построена на основе надежно установленных
фактов и вполне обоснованных теорий и гипотез.

Значительно сложнее обстоит с центральной проблемой
возникновения живой субстанции из неживой, которой посвящена вторая часть книги.
Эта проблема решается совместными усилиями молекулярной биологии, кибернетики и
космогонии. "Штурм" этой твердыни непознанного, по существу,
начинается только сейчас. Тем не менее уже в настоящее время намечаются пути
решения этой проблемы. Во второй части проведен также анализ возможности жизни
на соседних с нами планетах Солнечной системы. Увы, выдающиеся успехи
космонавтики позволили получить данные о планетах, практически исключающие
возможность каких бы то ни было форм жизни на них. Между тем планеты около
других звезд пока еще недоступны для наших исследований.

Переходя к обсуждению вопросов, связанных с возможностью тех
или иных проявлений разумно й жизни во Вселенной, мы сталкиваемся с очень
большими трудностями.

Жизнь на какой-нибудь планете должна проделать огромную
эволюцию, прежде чем стать разумной. Движущая сила этой эволюции — способность
организмов к мутациям и естественный отбор. В процессе такой эволюции организмы
все более и более усложняются, а их части — специализируются. Усложнение организмов
идет как в качественном, так и в количественном направлении. Например, у червя
имеется всего лишь около 1000 нервных клеток, а у человека около десяти
миллиардов. Развитие нервной системы существенно увеличивает способности
организмов к адаптации, их пластичность. Эти свойства высокоразвитых организмов
являются необходимыми, но, конечно, недостаточными для возникновения разума.
Последний можно определить как адаптацию организмов для их сложного социального
поведения.

На протяжении этой части книги мы неоднократно будем
применять термин "разумная жизнь", считая его элементарным, т. е. не
требующим специального определения. Между тем это далеко не так. В самом деле,
что такое "разумное существо"? На этот вопрос можно попытаться ответить
так: разумным мы называем такое существо, которое обладает способностью к
мышлению . Ну, а что такое мышление? Здесь мы сталкиваемся с теми же
трудностями в определении этого понятия, что и в случае определения понятия
"жизнь". Ведь единственно известной нам формой мышления является
мышление человека. Определение понятий "мышление" и "разумная
жизнь" неявно всегда сводилось к описанию конкретных особенностей
человеческого мышления, представляющего собой специфическую деятельность мозга.

Но, как подчеркивал А. Н. Колмогоров, в настоящее время такое
определение уже не является удовлетворительным по двум причинам. Во-первых, в
наше время интенсивного развертывания космических исследований имеется
принципиальная возможность встречи с такими формами существования высокоорганизованной
материи, которые обладают всеми основными свойствами не только живых , но и
мыслящи х существ и которые могут существенно отличаться от земных форм.
Во-вторых, бурное развитие кибернетики открыло в принципе ничем не ограниченную
возможность моделирования любых, сколь угодно сложных материальных систем.

По этим двум причинам в настоящее время имеется острая
необходимость дать такое определение понятия "мышление" , которое
было бы связано с какими бы то ни было конкретными представлениями о физической
природе процессов, лежащих в основе мышления. Следовательно, так же как и в
случае понятия "жизнь", необходимо функциональное определение понятия
"мышление".

Последовательное развитие "функциональной" точки
зрения на жизнь и мышление приводит к удивительному выводу, имеющему, на наш
взгляд, исключительно большое значение для проблемы развития разумной жизни во
Вселенной. Как указывает А. Н. Колмогоров, "…моделирование способа
организации материальной системы не может заключаться ни в чем ином, как в создании
из других материальных элементов новой системы, обладающей в существенных
чертах той же организацией, что и система моделируемая. Поэтому достаточно
полная модель живого существа по справедливости должна называться живым
существом, модель мыслящего существа — мыслящим существом". Таким образом,
кибернетика обосновывает принципиальную возможность создания искусственных
живых и даже мыслящих существ.

Этот вопрос настолько важен, что мы на нем остановимся
немного подробнее. Лучше всего будет, если мы процитируем соответствующие
высказывания А. Н. Колмогорова:

"Общеизвестен интерес к вопросам:

Могут ли машины воспроизводить себе подобных и может ли в
процессе такого самовоспроизведения происходить прогрессивная эволюция,
приводящая к созданию машин, существенно более совершенных, чем исходные?

Могут ли машины испытывать эмоции? Могут ли машины хотеть
чего-либо и сами ставить перед собой новые задачи, не поставленные перед ними
их конструкторами?

Иногда пытаются обосновать отрицательный ответ на подобные
вопросы при помощи: а) ограничительного определения понятия "машина",
б) идеалистического толкования понятия "мышление", при котором легко
доказывается неспособность к мышлению не только машин, но и человека…

…Однако важно отчетливо понимать, что в рамках материалистического
мировоззрения не существует никаких состоятельных принципиальных аргументов
против положительного ответа на наши вопросы. Этот положительный ответ является
современной формой положения о естественном возникновении жизни и материальной
основе создания…

Принципиальная возможность полноценных живых существ,
построенных полностью на дискретных (цифровых) механизмах переработки
информации и управления, не противоречит принципам материалистической
диалектики. Противоположное мнение может возникнуть у специалистов по философии
математики лишь потому, что они привыкли видеть диалектику лишь там, где
появляется бесконечное. При анализе явлений жизни существенна не диалектика
бесконечного, а диалектика большого (чисто арифметическая комбинация большого
числа элементов создает и непрерывность и новые качества)".

Мы привели эту длинную цитату из работы выдающегося
математика только потому, что, на наш взгляд, нельзя лучше выразить суть дела.
Вместе с тем А. Н. Колмогоров предупреждает против упрощенческих трактовок
принципиальной проблемы возможности создания искусственных разумных существ.
Пока еще кибернетика осмыслила лишь малую часть деятельности человеческого
сознания. В какой-то степени поняты лишь механизм условных рефлексов и механизм
формально-логического мышления. Предстоит еще огромная работа по объективному
изучению в "терминах кибернетики" всех тонких видов творческой
деятельности человека и других аспектов высшей нервной деятельности, пока еще
во многих отношениях загадочной. А. Н. Колмогоров указывает, что
"…серьезное объективное изучение высшей нервной деятельности человека во
всей ее полноте представляется необходимым звеном в утверждении
материалистического гуманизма. Развитие науки многократно приводило к
разрушению привычных для человека иллюзий, начиная с утешительной веры в личное
бессмертие. На стадии полузнания и полупонимания эти разрушительные выводы
науки становятся аргументами против самой науки, в пользу иррационализма и
идеализма. Дарвиновская теория происхождения видов и павловское объективное
изучение высшей нервной деятельности неоднократно изображались как принижающие
высшие стремления человека к созданию моральных и эстетических идеалов.
Аналогично, в наше время страх перед тем, как бы человек не оказался ничем не лучше
"бездушных автоматов", делается психологическим аргументом в пользу
витализма и иррационализма" .

Итак, принципиально возможно создание искусственных мыслящих
существ, способных к самоусовершенствованию. Современная фантастическая
литература изобилует образами механических искусственных людей — роботов.
Обычно их изображают в виде карикатурно сходной по внешнему виду с человеком
совокупности шарниров, электронных ламп и прочих "индустриальных"
атрибутов. Однако еще замечательный чешский писатель Карел Чапек, придумавший
само слово "робот" в пьесе "Рур", изображал их вполне
человекоподобными существами, изготовленными из белков… Очень вероятно, что,
когда человечество до конца разгадает тайны сложного химического производства —
синтеза белков из аминокислот при помощи и "под управлением"
нуклеиновых кислот ДНК и РНК, живые искусственные организмы (в том числе и
разумные) будут иметь вполне "естественный" внешний вид…

Впрочем пока еще преждевременно гадать, как они будут
выглядеть. Нужно ясно понимать, что современная нам наука и техника пока еще не
могут синтезировать даже сравнительно простые живые организмы. Однако мы сейчас
находимся на пороге этого важнейшего этапа в развитии биологии. Следует также
помнить, что принципиальная возможность создания живого мыслящего существа —
это еще не есть реальная, практическая возможность. На этом пути несомненно
встретятся огромные трудности. Некоторые из таких трудностей намечаются уже
сейчас. В частности, А. Н. Колмогоров, хотя и считает, что для моделирования работы
человеческого мозга, связанной непосредственно с проявлениями высшей
человеческой культуры (науки, искусства, социальных чувств), достаточно
оперировать со сравнительно небольшим количеством информации порядка 107-109
двоичных единиц (в то время как обычно считают, что число таких единиц должно
быть порядка 1012-1015), однако указывает на одну
фундаментальную трудность. Эта трудность будет состоять в большой сложности той
программы, которая должна привести в действие автомат, моделирующий
человеческий мозг. Конечно, в принципе сложную программу, которая обеспечивает
достаточно быстрое решение некоторой задачи автоматом, можно получить при
помощи другого автомата, куда будет вводиться простая программа.

Однако такой автомат будет вычислять сложную программу очень
долго. Пока неясны пути преодоления этой, а также и других трудностей,
возникающих в проблеме создания искусственной разумной жизни.

Имеются, однако, основания полагать, что бурное развитие
кибернетики в гармоническом сочетании с развитием молекулярной биологии и наук
о высшей нервной деятельности в конечном итоге позволит создать искусственные
разумные существа, принципиально не отличающиеся от естественных, но
значительно более совершенные, чем они, и способные к дальнейшему
самоусовершенствованию. Очень, например, вероятно, что такие существа будут
значительно более долгоживущими, чем естественные. Ведь старение организмов
вызвано, по-видимому, постепенным накоплением различного рода нарушений в
"печатающей" схеме ДНК клеток. Эта "схема" с течением
времени как бы "стирается". Но вполне вероятно, что искусственные
"матрицы" ДНК можно сделать гораздо более "прочными" и
"стабильными".

Искусственный разум как новый, фундаментальной важности
космический фактор был предметом обсуждения на Бюраканском симпозиуме по
внеземным цивилизациям. Автор этой книги подчеркивал, что возникновение
искусственного разума, по-видимому, является высшим этапом развития материи .во
Вселенной. Основные этапы этого развития можно представить в виде
последовательности: неживая эволюционирующая материя -> живая материя ->
естественные разумные существа -> искусственные разумные существа. Похоже,
что эра естественных разумных существ может быть сравнительно кратковременным,
переходным этапом в развитии материи во Вселенной. Например, уже сейчас
очевидно, что они малопригодны (или, точнее, совсем непригодны) для серьезной
колонизации космоса и весьма длительных космических полетов.
"Нормальная" эволюция жизни на Земле такие ситуации, конечно, не
могла предусмотреть. Ничего "обидного" для живых мыслящих организмов
в этом факте мы не усматриваем.

Нашу точку зрения полностью поддерживал известный
американский кибернетик Минский. Он подчеркнул, что за прошедшие 15 лет
"разум" наших электронных вычислительных машин улучшился в миллион
раз (под "разумом" понимается некоторая комбинация объема памяти и
быстродействия). В течение нескольких последующих десятилетий следует ожидать
увеличения характеристики "разума" машин еще по крайней мере в
несколько десятков тысяч раз. "Разум" таких машин по основным
параметрам будет заведомо превосходить разум человека.

Минский особенно подчеркивал тот момент, что искусственные
разумные существа (машины) могут быть очень маленькими и компактными. Они могут
длительно существовать в космическом пространстве, эффективно осваивая и
преобразуя его. Вернемся, однако, к проблемам естественного разума.

Возникновение разума должно быть теснейшим образом связано с
коренным улучшением и усовершенствованием способов обмена информацией между
отдельными особями. Поэтому для истории возникновения разумной жизни на Земле
возникновение языка имело решающее значение. Язык стал средством регулирования
социального поведения внутри сообщества индивидуумов, что имело огромное
значение для социальной эволюции и последующей истории человеческого общества.

Можем ли мы, однако, такой процесс считать универсальным для
эволюции жизни во всех уголках Вселенной? Скорее всего — нет! Ведь в принципе
при совершенно других условиях средством информации между особями могли бы
стать не продольные колебания атмосферы (или, скажем, гидросферы), в которой
живут эти особи, а нечто совершенно другое. Почему бы не представить себе
способ обмена информации, основанный не на акустических эффектах, а, скажем, на
оптических или магнитных? И вообще — так ли уж обязательно, чтобы жизнь на
какой-нибудь планете в процессе ее эволюции стала разумной?

Между тем эта тема с незапамятных времен волновала
человечество. Говоря о жизни во Вселенной, всегда, прежде всего, имели в виду
разумную жизнь. Одиноки ли мы в безграничных просторах космоса? Философы и ученые с
античных времен всегда были убеждены, что имеется множество миров, где
существует разумна я жизнь. Никаких научно обоснованных аргументов в пользу
этого утверждения не приводилось. Рассуждения, по существу, велись по следующей
схеме: если на Земле — одной из планет Солнечной системы — есть разумная жизнь,
то почему бы ей не быть на других планетах?

Только в наше время под впечатлением запуска первых
искусственных спутников Земли и космических ракет появились серьезные
исследования, посвященные научном у анализу этой увлекательнейшей проблемы,
остававшейся до этого только сюжетом научно-фантастических произведений. Само
собой разумеется, что доказательств существования разумной жизни на других
мирах пока еще нет. Вряд ли они так скоро появятся — слишком трудна проблема.
Нельзя, наконец, исключить неутешительную возможность того, что разумная жизнь
во Вселенной — редчайшее (хотя, по-видимому, не уникальное) явление. Может
быть, например, что наша планета как обитель разумной жизни единственная в
Галактике, причем далеко не во всех галактиках имеется разумная жизнь. Так,
например, в радиогалактиках типа Лебедь А вряд ли может быть
высокоорганизованная жизнь. С другой стороны, можно полагать, что проявления разумной
жизни могут быть довольно широко распространены во Вселенной.Сейчас мы еще не
можем сделать выбор между этими крайними случаями. Казалось бы, при таком,
мягко выражаясь, неопределенном положении стоит ли заниматься сейчас этой
проблемой, тем более посвящать ей целую часть в книге? Можно ли вообще называть
работы о разумной жизни во Вселенной научными?.

При таком анализе необходимо, естественно, выдвинуть
гипотезу, что наша человеческая цивилизация — одна из очень многих и не
представляет собой уникального явления во Вселенной. Более того, можно в первом
приближении считать, что наша земная цивилизация — довольно типичное проявление
разумной жизни во Вселенной.

Выше мы обратили внимание на то, что это основная гипотеза,
вообще говоря, может быть неверной. Нельзя исключить возможности того, что
разумная жизнь во Вселенной — явление очень редкое, как это, в частности. Таким
образом, сформулированная основная гипотеза носит вероятностный характер. В
естествознании, однако, можно привести ряд примеров, когда такой метод
исследований был очень плодотворным.

Мощность такого метода была остроумно продемонстрирована на
одном примере немецким астрономом фон Хорнером. Хорошо известно, что древние
греки не имели правильного представления ни о размерах Солнечной системы, ни о
расстояниях до звезд, природа которых была им не известна.

Но если бы они пользовались гипотезой, аналогичной
сформулированной, то составили бы себе правильное представление о масштабах
Вселенной. Применительно к этой задаче гипотезу можно формулировать следующим
образом: Земля — типичная "средняя" планета, а Солнце — типичная
"средняя" звезда. Далее они должны были рассуждать так. Коль скоро
Земля — "средняя" планета, ее диаметр, расстояние до Солнца и
способность отражать солнечные лучи (так называемое "альбедо") также
являются "средними". Сравнение видимой яркости пяти известных в то
время планет с видимой яркостью Солнца позволило бы им оценить расстояние от
Земли до Солнца, выраженное в долях земного диаметра. Так как древние греки уже
имели правильное представление о размерах земного шара (знаменитое измерение
длины дуги части меридиана, выполненное Эратосфеном), то расстояние от Земли до
Солнца было бы им известно и в линейных единицах. Оказывается, что значение
астрономической единицы, полученной таким методом, превышает истинное всего
лишь в два раза, хотя метод, конечно, очень груб. Вспомним, например, что
истинные размеры планет значительно отличаются друг от друга, а расстояния их
от Солнца меняются в довольно широких пределах. Сравнение видимой яркости
Солнца с яркостью 10 ярчайших звезд на небе позволило бы уже в античное время
оценить среднее расстояние между звездами. Для этого нужно было бы знать
расстояние от Земли до Солнца, которое могло быть определено описанным выше
методом, и считать, что Солнце — это "средняя" звезда. Полученное
таким методом среднее расстояние между ближайшими к Солнцу звездами всего лишь
на 10% меньше истинного.

Конечно, по тем временам при отсутствии других методов такие
оценки могли иметь только вероятностный характер. Дальнейшее развитие науки
лишь подтвердило бы их правильность и тем самым продемонстрировало бы мощность
метода.

Следует обратить внимание на философскую и
историко-социологическую сторону вопроса. Если предполагается, что во Вселенной
могут находиться цивилизации на самых различных уровнях развития, необходимо
иметь хотя бы самое общее представление о путях развития общества разумных
существ. Учитывая, что наша цивилизация, безусловно, является очень молодой и
что разумная жизнь на Земле еще не вышла из младенческого возраста, следует
считаться с тем, что большинство гипотетических внеземных цивилизаций
продвинулось на пути социального, научного и технического прогресса неизмеримо
дальше нас. Казалось бы, дать прогноз развитию общества на сроки, исчисляемые
по крайней мере тысячелетиями,- безнадежная трудность. История вообще никогда
никаких прогнозов не делает… Все же о некоторых тенденциях и основных
закономерностях развития цивилизаций говорить, по нашему мнению, можно.

Например, вполне может обсуждаться такой вопрос: будет ли
общество разумных существ развиваться в течение космогонических сроков (порядка
миллиардов лет) или шкала времени его существования много меньше? Такой
бесспорный и решающий для рассматриваемой проблемы фактор, как неограниченная и
все нарастающая "экспансия" разумной жизни в окружающее космическое
пространство, может сыграть определяющую роль в оценке возможностей обнаружить
проявление разумной жизни. Сюда же следует несомненно отнести важнейшую
особенность этой экспансии: стремление к активном у воздействию на Космос. Уже
сейчас, на заре космической эры, человек активно воздействует на космос, делает
первые, пусть пока робкие, шаги по перестройке Солнечной системы. Миллиарды лет
Земля имела только одного спутника — Луну. Сколько же их сейчас?

Они, конечно, малы, но все же, по-видимому, больше, чем
маленькие спутники Сатурна, образующие его знаменитое кольцо. В конце концов,
устроить искусственное кольцо вокруг Земли — задача, которая может быть решена
современными техническими средствами. Технически обоснованные проекты этого
грандиозного предприятия уже имеются сейчас. Если такое кольцо нужно будет
создать (пока неясно, так ли это), оно вполне может быть создано в течение
ближайших десятилетий.

Благодаря деятельности человека такая основная характеристика
планеты Земли, как яркостная температура в диапазоне метровых волн, увеличилась
за последние два-три десятилетия в миллионы раз. Разумные существа сделали
маленькую планету — Землю третьим по мощности источником радиоизлучения в
Солнечной системе. Вполне возможно, что в ближайшие десятилетия наша планета
как источник радиоизлучения по мощности превзойдет Солнце (в периоды, когда на
нем почти нет пятен).

Ниже будет показано, что аналогичную ситуацию в принципе
можно создать и в оптическом диапазоне частот. Применение квантовых генераторов
оптического излучения — лазеров — открывает возможность посылки направленных
пучков света в очень узком спектральном интервале на огромные космические
расстояния, причем в этом спектральном интервале и в данном направлении
интенсивность пучка значительно превысит солнечное излучение.

Описанные примеры (число которых можно было бы при желании
увеличить) — это только первые, робкие попытки "космического"
проявления разумной жизни. Что же будет дальше? Конечно, конкретные пути
активного воздействия разумной жизни на космос сейчас представить нелегко, но
тенденция развития совершенно очевидна.

К сожалению, при прогнозе самых общих аспектов развития
общества разумных существ на "астрономические" или, вернее,
"почти астрономические" сроки мы не могли опираться на исследования
философов. Это объясняется, конечно, некоторым отставанием философской науки,
не всегда справляющейся с задачами, представляющими значительно больший
практический интерес, чем наша. Хочется надеяться, что философы, опираясь на
великое учение Маркса, Энгельса и Ленина, заинтересуются этой частью проблемы и
существенно продвинут ее вперед своими исследованиями. Но, поскольку таких
исследований пока еще нет, автор, не будучи специалистом, вынужден касаться в
третьей части книги отдельных проблем философского характера. Он заранее просит
извинения за те ошибки, которые при этом могут быть им допущены. Может быть,
анализ этих ошибок положит начало плодотворной философской дискуссии, которая
будет весьма полезна.