/
Автор: Голдсмит Д. Оуэн Т.
Теги: солнечная система космогоническая астрономия вселенная астрономия астрофизика тайны вселенной
Год: 1983
Текст
ДГолдсмит/Т.Оугк i
ПОИСКИ
жизни
ВСЕЛЕНЫ
ЭИ
II им ь.и ли коми. 4 —БОШХЮО. 1982 г. ЛГ 087-01-589.
Hvii.i О р. Ь8 К. «а 100 UJT.
Москва
Мир
Д.Голдсмит/Т.Оуэи
11к ui sh or Life in the Uni IkMr DONAL GOLDSMITH Ij _rst( ar Media California TOBIAS < >WEN Earth ar Space Siencs epartment Si^t^Riiversity oi New York Stony Bro , jNew York • • The Benjamin/ Cummings Publish :njf Company, Inc. Menlo Park, California/Reading, Massachusetts London/Amster- dam/Don Mills. Ontario/Sydney I • В •
юиск
жизнг
Перевод с английского
канд. физ.-мат. наук
В.Д. НОВИКОВА
Под редакцией д-ра
физ.-мат. наук,
профессора
М.Я. МАРОВА
НОИ
Москва
Сччкт-Пстеэбургское
государственное бюджетное учреждение культуры
•UeH(paiM3c"?w> би& пол* ы с ск» i К[«кнсе» ют (W •>
Би&лиотс*шэ*'1!кфорыацл*№" iLM Ш‘
Мир/1983 «ИНТЕЛЛЕКТ.
r IЬ| Ул- Маршма г с8/
ББК 22.68
Г.60/>
УДК 523/7
Голдсмит Д., Оуэн Т.
Г.60 Поиски жизни во Вселенной: Пер. с англ. В.Д. Но-
викова/Под ред. и с предисл. М.Я. Марова-М.: Мир,
1983, 488 с., ил.
Одиноки ли мы во Вселенной или существуют другие цивилизации? Где их искать? Как
установить контакт с ними? Что принесет человечеству общение с внеземным разумом?
Авторы книги, американские астрофизики, пытаются дать ответы на эти вопросы, опи-
раясь на современные достижения науки, в том числе на результаты прямых исследований
планет-Солнечной системы с помощью межпланетных космических аппаратов.
Рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся проблемами жизни во Вселенной.
_ 1705050000-055 _ м
Г-----------------67-83, ч. 1
041(01)-83
ББК 22,68
Редакция литературы по космическим исследованиям,
астрономии и геофизике
Доналд Голдсмит, Тобайес Оуэн
Поиски жизни во Вселенной
Ст. научн. редактор М.Я. Рутковская. Художник И.Б. Кравцов. Художественный редактор Ю.Л. Максимов.
Технические редакторы И.М. Кренделёва, <Т. А. Максимова. Корректор С. А. Денисова.
, • ’ ИБ № 3427
Сдано в набор 22.04.82. Подписано к Печати 29.10.82. Формат 60 х 84*/1б = 15,25 бум. л. Бумага офсетная № 1.
Гарнитура тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 28,37. Усл. кр.-отт. 57,57. Уч.-изд. л. 32,6. Изд. № 27/2007.
Тираж 16000 экз. Зак. 485. Цена 3 р. 30 коп.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР». Москва, 1-й Рижский пер., 2.
Можайский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли, г. Можайск, ул. Мира, 93.
© 1980 by The Benjamin/Cummings Publishing
Company, Inc. Philippines copyright 1980 by The
Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.
© Перевод на русский язык, «Мир», 1983.
От редактора перевода
Как возникла жизнь на Земле? Есть ли жизнь где-нибудь еще в Солнеч-
ной системе или за ее пределами? Всегда ли эволюция жизни приводит
к появлению разумных существ, и сколько цивилизаций, подобных нашей
пни находящихся в иных фазах развития, может быть сейчас в нашей Га-
нак гике и других бесчисленных галактиках во Вселенной? И наконец, мож-
но ли и как именно, установить с ними контакт, какие трудности необхо-
димо для этого преодолеть?
Вряд ли кого-нибудь оставят равнодушными эти волнующие вопросы.
() гветцть на них совсем не просто, больше того, однозначных ответов по-
ка не существует. Но означает ли это, что над этими проблемами вообще
нс стоит думать? Конечно нет, ибо только ценой громадных усилий, путем
всестороннего анализа фактов, надежно установленных современной нау-
кой, и трезвого рассмотрения кажущихся порой фантастическими идей
можно рассчитывать приблизиться к истине.
Исследования в этом направлении уже ведутся. Так, неоднократно, хотя
и эпизодически делались попытки прослушивать космический эфир
с целью обнаружить сигналы внеземных цивилизаций, но пока безрезуль-
татно. Наша земная цивилизация также дала знать о своем существовании,
отправив из обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, где находится самый
крупный в мире радиотелескоп, послание по направлению к шаровому
звездному скоплению М13. Были установлены пластинки с посланиями
гипотетическим цивилизациям на борту космических аппаратов «Пио-
пср-10 и И» и диски с записью изображений и звуков Земли на ап-
паратах «Вояджер-1 и 2», которым предстоит покинуть Солнечную систему.
Интерес к поискам внеземного разума в сильной степени стимулирова-
ла книга известного советского астрофизика И. С. Шкловского «Вселенная,
жизнь, разум», вышедшая в 1962 г. и к настоящему времени выдержавшая
уже четыре издания. В ней впервые были научно обоснованы вопросы су-
ществования и эволюции внеземных цивилизаций и стратегии их поиска.
В сентябре 1971 г. в Бюраканской астрофизической обсерватории состоя-
лась первая советско-американская конференция по проблемам связи
с внеземными цивилизациями *. На конференции большое внимание было
♦ Труды конференции были изданы: Проблема CETI (Связь с внеземными
цивилизациями).-М.: Мир, 1975.
6
От редактора перевода
уделено обсуждению соотношения, предложенного американским радио-
астрономом Ф. Дрейком для оценки числа N высокоразвитых цивилизаций
в Галактике, достигших такого же, как и мы, или более высокого уровня
технологического развития, и анализу входящих в него сомножителей:
N = nfpfefJJcL/T.
Здесь п- общее число звезд в Галактике, f - доля звезд, обладающих пла-
нетными системами, fe-доля планет в планетной системе, пригодных для
жизни, ft-доля планет, на которых возникла жизнь,/;.-доля планет, на ко-
торых развились разумные формы жизни, fc -доля планет, на которых ра-
зумная жизнь достигла стадии развития, на которой она способна устано-
вить контакт с другими мирами, L-средняя продолжительность существо-
вания технологической цивилизации, Т-возраст Галактики. Таким обра-
зом, оценка числа разумных цивилизаций в Галактике и возможности
установления контакта с ними затрагивает самые различные области науч-
ного знания: астрономию, физику, химию, биологию, палеонтологию, ар-
хеологию, антропологию, историю, философию и т.д. И не случайно спе-
циалисты практически всех этих направлений присутствовали в Бюракане
и активно участвовали в дискуссиях. В соответствии с рекомендациями
конференции была разработана согласованная программа исследований по
обнаружению сигналов искусственного происхождения.
Дальнейшему развитию работ в этой области во многом способствова-
ли семинар по проблеме CETI, проходивший в 1975 г. в Специальной
астрофизической обсерватории АН СССР в станице Зеленчукской ♦, и со-
стоявшийся в самом конце 1981 г. в Таллине симпозиум, посвященный
этой же проблеме. Оба этих форума не просто подвели итоги примерно
десятилетнего периода исследований, но и стимулировали развитие ряда
новых направлений, выдвижение свежих идей. Одновременно наметился
более осторожный подход к оценке перспектив установления контактов из-за
тенденции к уменьшению сомножителей в формуле Дрейка.
Такой подход отличает, в частности, работу И. С. Шкловского, опубли-
кованную в 1976 г. в журнале «Вопросы философии». Анализируя
с логически-философских позиций отсутствие каких-либо проявлений суще-
ствования внеземного разума, Шкловский пришел к выводу об уникально-
сти земной цивилизации и, следовательно, вместо представлений
о множественности обитаемых миров к идее о цивилизации как о «косми-
ческом чуде». Подобная точка зрения разделяется, однако, сравнительно
немногими учеными, и сторонники более оптимистических взглядов обо-
снованно считают, что имеющиеся пока негативные результаты следует
скорее отнести на счет недостаточно разработанной стратегии поиска и не-
* Труды семинара опубликованы: Проблема поиска внеземных цивилизации-
М.: Наука, 1981.
От редактора перевода
7
высокой эффективности технических средств. Всех специалистов вместе
< гем объединяет понимание чрезвычайной сложности проблемы, необхо-
димости перехода к целенаправленной практической проверке гипотез с ис-
пользованием двух методов: астрофизического (поиск «астрономических
признаков» существования внеземных цивилизаций различного уровня раз-
inn ия) и коммуникативного (поиск радиосигналов искусственного происхо-
ждения). Важное значение приобретает также задача прямого обнаружения
п ланетных систем у других звезд, так как от этого непосредственно зави-
сит получение обоснованной оценки числа внеземных цивилизаций.
В целом оптимистичный взгляд на перспективы обнаружения внеземно-
lo разума характеризует и выходящую в русском переводе книгу амери-
канских астрофизиков Д. Голдсмита и Т. Оуэна «Поиски жизни во Вселен-
ной». Авторы поставили перед собой задачу проанализировать сомножите-
ли формулы Дрейка и методы контакта как бы на новом витке спирали
познания, опираясь на огромный прогресс естественных наук-физики, хи-
мии, астрономии, биологии. Благодаря стремительному развитию ракетно-
космической техники, последовавшему за запуском в Советском Союзе
и октябре 1957 г. первого искусственного спутника Земли, удалось многое
узнать о Солнце и планетах Солнечной системы, о многих удивительных
объектах в бескрайних просторах космоса. Вынос астрономических инстру-
ментов за пределы земной атмосферы сделал астрономию всеволновой,
а это позволило проникнуть в тайны сложнейших процессов превращения
материи. Космические аппараты, созданные с учетом новейших достиже-
ний механики, оптики, электроники, кибернетики, исследовали Луну, Мер-
курий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн с системами их спутников. Люди
побывали на Луне и обжили околоземное космическое пространство: рабо-
та одной из экспедиций на борту «Салюта-6» продолжалась полгода. На
Землю были доставлены образцы лунного грунта для всесторонних лабо-
раторных исследований. Автоматическая станция «Венера-4» в 1967 г. поло-
жила начало исследованиям планет прямыми геофизическими методами,
впервые измерив параметры атмосферы Венеры, а на «Марсе-6» в 1973 г.
были измерены параметры атмосферы Марса. Посадочные аппараты
станций «Венера-9 и 10» и «Викинги-1 и 2» передали на Землю панорамы
поверхностей Венеры и Марса. Были созданы искусственные спутники
этих планет. Телевизионные изображения поверхности Марса позволи-
ли получить представление о его геологической истории, особенностях
климатической эволюции, вероятно включавшей благоприятные периоды,
когда атмосфера была более плотной и имелись обширные водные
резервуары на поверхности. Были осуществлены прямые биологические
эксперименты на Марсе, не давшие, однако, положительных результатов.
Перспективы обнаружить жизнь на других планетах Солнечной системы
несравненно меньше, и вряд ли вообще такие надежды обоснованны.
Итак, нам пока известен лишь один пример жизни-земная жизнь
8
От редактора перевода
и единственный пример планетной системы-Солнечная система. Где же
искать братьев по разуму и как искать? Ведь только в нашей Галактике
свыше 400 млрд, звезд! Книга Д. Голдсмита и Т. Оуэна содержит научно
обоснованное руководство к систематическому поиску. Последовательно
рассматривая с учетом последних достижений науки проблемы ядерной
и химической эволюции вещества во Вселенной, различные типы звезд
и их эволюцию, происхождение планетных систем и природные условия на
планетах Солнечной системы, химические основы жизни, возможное раз-
нообразие ее материальной структуры и пути биологической эволюции, ав-
торы постепенно ограничивают круг объектов, подходящих для жизни и,
значит, наиболее перспективных для поиска внеземных цивилизаций.
Особое внимание они уделяют параметру L в формуле Дрейка-про-
должительности существования технологической цивилизации. Если под
технологически развитой понимать цивилизацию, которая владеет сред-
ствами радиосвязи, то наша цивилизация находится на этой стадии менее
100 лет. За этот ничтожный по космическим масштабам срок научный
и технический потенциалы земной цивилизации неизмеримо выросли. Но
одновременно человечество столкнулось со сложнейшими проблемами, та-
кими, как истощение сырьевых ресурсов, загрязнение окружающей среды,
стремительный рост народонаселения. В результате неконтролируемой
гонки ядерных вооружений в современном мире сложилась такая си-
туация, что поставлено под угрозу само существование человечества.
Невольно напрашивается вопрос: уж не означает ли это, что любая
цивилизация сталкивается с вопиющим парадоксом, состоящим в том, что
развитие интеллекта приводит к самоуничтожению? Мы убеждены, что
это не так, и не разделяем предположения о ничтожной вероятности обна-
ружения других цивилизаций из-за ограниченной продолжительности их
существования, в результате чего они просто не успевают вступить в кон-
такт друг с другом. Попытка уподобить возникновение и гибель цивилиза-
ций пузырям на воде во время дождя не отвечают диалектической концеп-
ции развития, рассматривающей прогресс разума в русле противоречий,
свойственных социальной форме движения материи. Поэтому встречаю-
щиеся иногда рассуждения о возможной цикличности возникновения и ги-
бели цивилизаций в глобальном масштабе не кажутся сколько-нибудь обо-
снованными. Подобных прецедентов не было в земной истории, актив-
ность и сплоченность прогрессивных сил способны и дальше обеспечить ее
поступательный ход. Вместе с нарастающим движением против ядерного
самоуничтожения растет и осознание того, что потребовались бы тысяче-
летия, чтобы потомки современного человечества (неизвестно с какими ге-
нетическими изменениями) смогли вновь достичь современного уровня
развития (если это вообще окажется возможным). Наверное, они стали бы
умнее, но не слишком ли дорогой будет цена за то, чтобы поумнеть?
На фоне острейших социальных проблем другие из перечисленных вы-
От редактора перевода
9
ше проблем выглядят значительно менее критичными. Рациональное ис-
пользование природных ресурсов, повсеместное внедрение замкнутых тех-
нологических циклов способны предотвратить катастрофические послед-
ствия вредных в экологическом отношении воздействий на природу
и обеспечить необходимые условия для дальнейшего развития цивилиза-
ции на такой период, в течение которого будут найдены новые
энергетические ресурсы, в том числе и за пределами Земли. Что касается
роста народонаселения, то, как свидетельствуют данные Комиссии по на-
родонаселению ООН, в последние годы темп роста замедлился и ожидает-
ся, что примерно к концу следующего столетия число людей на Земле
должно стабилизироваться на уровне примерно 10-11 млрд, человек.
Книга поможет читателю разобраться в том, что из относящегося
к волнующей проблеме поиска внеземной жизни действительно составляет
предмет науки и имеет реальные обоснования, а что является досужим вы-
мыслом или просто спекуляциями на подлинном интересе и легковерии
людей. К этим последним относятся часто излишне раздуваемые непрове-
ренные сообщения о неопознанных летающих объектах (НЛО) и ничем не
подкрепляемые бездоказательные рассуждения о посещавших нашу плане-
ту внеземных пришельцах - гуманоидах.
Наука в наши дни развивается такими быстрыми темпами, что и эта
книга потребовала добавлений и уточнений. За время, прошедшее с момен-
та ее выхода в свет, были получены новые важные результаты: измерена
масса покоя нейтрино, космические аппараты «Вояджер-1 и 2» передали на
Землю много важной информации о Сатурне, его кольцах и спутниках. Ав-
томатические станции «Венера-13 и 14», продолжая планомерную програм-
му исследований ближайшей планеты, выполнили новый широкий комплекс
экспериментов, включающий передачу цветных телевизионных изображе-
ний поверхности и анализ элементного состава поверхностных пород.
С любезного разрешения авторов эти научные достижения прокомменти-
рованы в подстрочных примечаниях редактора перевода. Авторы написали
также предисловие к русскому изданию и существенно переработали гл.
16. За это сотрудничество редактор и издательство выражают авторам
глубокую признательность.
Благодаря всестороннему охвату рассматриваемой проблемы, высоко-
му профессионализму и доступности изложения насыщенного современны-
ми данными материала, смелости и объективности суждений книга пред-
ставляет интерес для широкого круга читателей. Она доступна лицам со
средним образованием и может использоваться в качестве учебного посо-
бия студентами вузов, обучающихся по специальности астрономия.
Март 1982 г.
М. Я. Маров
Предисловие к русскому изданию
Первым научным обсуждением на современном уровне возможности
существования разумной жизни за пределами Земли была книга советско-
го астронома И. С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум», вышедшая
в свет в 1962 г. И. С. Шкловский написал свою книгу в ознаменование 5-й
годовщины запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого в мире
искусственного спутника Земли.
Эта пионерская работа стимулировала другую: в 1966 г. вышла в свет
книга Intelligent life in the Universe-результат плодотворного сотрудниче-
ства И. С. Шкловского и американского астронома Карла Сагана. Эта кни-
га очень популярна на Западе. Она вызвала многочисленные дискуссии
и способствовала началу энергичных научно обоснованных поисков вне-
земной жизни.
И вот уже не за горами 25-я годовщина запуска первого советского ис-
кусственного спутника Земли. За прошедшую четверть века мы очень
много узнали о Солнечной системе, межзвездной среде, звездах и далеких
галактиках. По мере накопления знаний исследовались возможности обна-
ружения внеземной жизни, но безуспешно. К примеру, когда Шкловский
и Саган писали свою, ставшую ныне классической, книгу, люди еще надея-
лись, что на Марсе существует жизнь, и даже что один из спутников Мар-
са может быть искусственным, запущенным на орбиту ныне исчезнувшей
цивилизацией. Но теперь почти не осталось сомнений в том, что планета
Земля, вероятно, единственный приют жизни в Солнечной системе.
Это разочаровывающий результат, однако мы можем утешать себя
осознанием того факта, что на многих телах Солнечной системы химичес-
кая эволюция шла таким же путем, как на первичной Земле. Последним
был исследован спутник Сатурна Титан, в атмосфере которого были обна-
ружены (среди многих прочих составляющих) синильная кислота и циан-
два химических соединения, признанных «общими предками» многих био-
логически важных молекул. В плотных межзвездных облаках содержится
богатый ассортимент таких простых молекул, а в некоторых метеоритах
найдены основания нуклеиновых кислот и несколько аминокислот. Если
первый шаг к зарождению жизни так легок, то трудно удержаться от мыс-
ли, что жизнь должна быть широко распространена во Вселенной.
Предисловие к русскому изданию
11
Но чтобы добиться успеха в наших поисках, необходимо твердо следо-
вать научным принципам. Нужно спросить, почему жизнь явно отсутствует
на других планетах Солнечной системы, и попытаться понять, почему Зем-
ля составляет исключение. А отсюда определить, какова вероятность того,
что по орбитам вокруг далеких звезд обращаются подобные Земле пла-
неты, населенные живыми существами, которые пытаются разгадать те же
самые загадки, что и мы.
В этой книге мы опираемся на научные открытия, сделанные на протя-
жении последних 15 лет, чтобы заново ответить на все эти вопросы. Наш
окончательный вывод мало отличается от точки зрения И. С. Шкловского.
Мы по-прежнему считаем, что внеземные разумные цивилизации, вероят-
но, есть, но у нас пока нет свидетельств того, что внеземная жизнь
существует.
Эксперименты, необходимые для того, чтобы найти эти свидетельства,
уже осуществляются в Советском Союзе, США, Канаде и ряде других
стран. Международные конференции, посвященные этой проблеме, состоя-
лись в Советском Союзе (в Бюракане и в Таллине), Канаде и США. На них
обсуждались методы обнаружения радиосигналов от технологически раз-
витых цивилизаций, населяющих другие планетные системы. Участники
этих конференций пришли к выводу, что отрицательных результатов по-
исков, предпринятых до сих пор, пока еще слишком мало, чтобы считать
их надежными, и необходимы дальнейшие усилия исследователей в раз-
личных странах, чтобы получить достаточно надежный результат. Такая
постановка вопроса предоставляет цивилизациям нашей планеты прекрас-
ную возможность объединенными усилиями разработать и построить тре-
буемую аппаратуру и организовать действенный поиск. Именно в этом
и состоит цель нашей книги.
Февраль 1982 г.
Предисловие
Человек появился как один из множества биологических видов несколь-
ко миллионов лет назад. Наши предки не были заметно подвижнее или
сильнее, или хитрее своих соперников, они были лишь более сообрази-
тельны. Благодаря своим умственным способностям они изобрели орудия
труда. Чрезвычайно остроумные открытия и изобретения следовали волна
за волной и дали человечеству скорость, силу и власть над природой, о ко-
торых и не мечтали наши предки. Единственный вид-homo sapiens (человек
разумный)-приобрел вполне реальное господство на планете Зем-
ля. Став умнее и приобретя склонность к размышлениям, люди
задумались о своем происхождении и предназначении, о покрытых мраком
неизвестности первых шагах человека и о том, нет ли где-нибудь в далеких
краях других существ, более или менее похожих на них.
Быстрыми темпами планета Земля была полностью исследована. Каж-
дая цивилизация обнаружила много других, с ее точки зрения экзотичес-
ких, культур. Но по мере технологического прогресса, развития транспорта
и средств связи различия между культурами стирались. Сегодня на нашей
планете не осталось белых пятен на суше. Поэтому естественно, что поиски
других разумных существ и других цивилизаций переместились от Земли
к звездам.
Целый ряд условий обеспечил развитие технологической цивилизации
на Земле. Но насколько общими являются эти условия? Существуют ли
другие планетные системы с условиями, пригодными для жизни; с на-
чальным химическим составом, ведущим к ее возникновению; со средой
обитания, имеющей подходящий баланс между устойчивостью и изменчи-
востью, способствующий биологической эволюции; с зарождающимся
разумом и техническим прогрессом; с временем жизни, достаточным для
развития технологической цивилизации; с желанием вступить в контакт
с другими разумными существами? Наша планета удовлетворяет всем
этим условиям. И если учения Коперника и Дарвина справедливы всюду
во Вселенной, то подобные условия вполне могут существовать в бесчис-
ленных других мирах нашей Галактики.
Гипотеза о существовании жизни и разума в других мирах будит в нас
склонность к фантазии, тягу к необычному, желание узнать побольше
Предисловие
13
о природе, стремление к поиску разгадки происхождения человека, нашед-
шее отражение в мифах и легендах разных народов. Для ответа на этот
вопрос необходимы познания в космологии, астрофизике, планетологии,
органической химии, эволюционной биологии, радиофизике, психологии,
социологии и политике. Одно из достоинств рассматриваемой проблемы
состоит в том, что в ее рамках требуются исследования практически во
всех областях научного знания.
На протяжении всей истории человечества вплоть до последних десяти-
летий поиски жизни во Вселенной сводились к абстрактному теоретизиро-
ванию, относились к области вымысла, теологии или фантастики. Но не-
давно, буквально в последнее мгновение по космической шкале времени,
люди впервые вооружились приборами и разработали методы для серьез-
ного изучения этой проблемы. Были созданы межпланетные космические
аппараты, которые приступили к разведке в пределах Солнечной системы.
Доставлена аппаратура на Марс и сделаны первые попытки обнаружить
живые микроорганизмы на его поверхности. Запущены космические зонды
к Меркурию, Юпитеру и Сатурну, а также в горячую, химически активную
атмосферу Венеры. Обнаружены органические молекулы в метеоритах
и кометах, в атмосферах внешних планет Солнечной системы и в безбреж-
ной тьме межзвездного пространства. Снабжены посланиями, содержащи-
ми некоторые сведения о нашей планете и о нас самих, четыре космичес-
ких аппарата: «Пионер-10 и 11» и «Вояджер-1 и 2», в настоящее время
находящиеся на траекториях, которые уведут их за пределы Солнечной
системы,-первые посланцы человечества в царство звезд и живых существ,
которые, быть может, там обитают. Построены гигантские радиотелескопы
и с их помощью начаты предварительные попытки обнаружить напра-
вленные сигналы, возможно, посланные разумными существами с планет,
обращающихся вокруг других звезд, к предполагаемым обителям жизни,
к которым, как мы надеемся, они относят и нашу Землю.
Попытки найти внеземную жизнь пока не увенчались успехом, но ведь
то были лишь первые шаги. Мы только приступаем к грандиозной про-
грамме исследований, и можно ожидать больших успехов уже в недалеком
будущем. Данная книга представляет собой плод успешного сотрудничест-
ва двух известных астрономов, наделенных даром популяризаторов. Это
прекрасное современное введение в экзобиологию в целом, в котором по
понятным причинам особое внимание уделено астрофизике. Чтение этой
книги позволяет оценить, в чем состоит привлекательность поиска жизни
во Вселенной: серьезный подход к этой проблеме требует знакомства
с очень многими дисциплинами, каждая из которых сама по себе чрезвы-
чайно интересна.
Если после длительных систематических исследований планет Солнеч-
ной системы и их спутников с помощью космических аппаратов и далеких
звезд с помощью больших радиотелескопов нам не удастся обнаружить
14
Предисловие
признаков внеземной жизни, то мы сможем лучше оценить исключитель-
ность и драгоценность того, что обычно принимаем как должное на нашей
родной уютной планете. Если же мы обнаружим жизнь-даже очень прос-
тые ее формы,-то это будет поворотным пунктом в истории человечества,
и мы уже больше никогда не будем такими, как прежде: наши наука, тех-
нология, философия, наш взгляд на самих себя сделают огромный скачок
вперед. Поиски внеземной жизни недороги с точки зрения современной
технологической цивилизации. Они таят в себе многие дополнительные
преимущества. Если у нас хватит мудрости продолжить поиски, трудно во-
образить другую программу, которая независимо от того, какой результат
будет получен, имела бы столь колоссальное значение для будущего всего
человечества.
Карл Саган,
профессор астрономии и
космических исследований,
директор лаборатории
планетных исследований
Корнеллского университета
Рейчел и Джонатану и Дэвиду
Предисловие авторов
В этой книге мы попытались ответить на следующие вопросы: как
и где можно надеяться обнаружить во Вселенной живых существ, по-
добных нам? Содержит ли наша Галактика миллионы более высокораз-
витых цивилизаций, чем наша? Или в ней в лучшем случае есть лишь не-
сколько планет с относительно простыми формами жизни?
В книге дан обзор этих вопросов, рассчитанный на читателей-неспециа-
листов со средним образованием и студентов первого и второго курсов
колледжей, выпускники которых не специализируются в области есте-
ственных наук. Мы избрали форму изложения без использования матема-
тического аппарата, чтобы сделать книгу доступной более широкой ауди-
тории. Книга может быть полезной для традиционных курсов биологии,
геологии и астрономии, поскольку в ней рассмотрены новые аспекты ряда
фундаментальных проблем. Но основное ее назначение-служить учебным
пособием для полусеместрового или односеместрового курса астрономии,
в программу которого включен вопрос о поисках внеземной жизни.
Поскольку нам часто придется обращаться к идеям, наблюдениям
и экспериментам буквально с передовых рубежей науки, читатель не дол-
жен настраиваться на то, что найдет здесь изложение устоявшихся взгля-
дов. Напротив, мы надеемся передать то чувство возбуждения, которое
овладевает человеком, пытающимся перешагнуть границу неведомого,
оставаясь при этом в рамках современного научного мышления. Конфликт
между строгим доказательством и свободным полетом мысли представ-
ляет собой один из наиболее привлекательных аспектов научного исследо-
вания. Нам хотелось бы, чтобы читатель получил удовольствие от знаком-
ства с разнообразными загадками, с которыми постоянно сталкиваются
искатели жизни во Вселенной.
Чтобы ответить на вопрос о происхождении жизни и ее распростране-
нии в Галактике, необходимо подытожить сначала наши знания о Вселен-
ной: пространстве и времени, происхождении химических элементов, усло-
виях на различных небесных телах и химических процессах, которые
определяют распространение жизни. Для ответа на вопрос: «Что такое
жизнь?»-у нас есть лишь один пример-жизнь на Земле. Необходимо при-
16
Предисловие авторов
звать на помощь воображение, чтобы представить себе возможные формы
жизни на планетах и спутниках Солнечной системы, где мы можем прове-
рить свои предсказания с помощью тщательных исследовании, а также
среди мириад звезд Галактики и за ее пределами.
Основная цель этих усилий-попытка познать самих себя, понять, кто
мы, каково наше происхождение и каково наше будущее как потен-
циальных членов галактического сообщества. В детстве каждый считает се-
бя существом уникальным; подрастая, ребенок делает для себя открытие,
что он такой же, как другие дети, и постепенно приобретает новое
представление об индивидуальности. Став взрослым, человек должен ми-
риться с конфликтом между желанием сохранить свою индивидуальность
и общность с другими людьми и со всей жизнью на Земле.
Подобно тому как взрослеют дети, человечество преодолело путь от
первобытной веры в Землю как в центр Вселенной до осознания ее доволь-
но скромного места в системе мироздания. Теперь мы обращаемся к воп-
росу о том, уникальны ли человеческий разум и самосознание (или почти
уникальны), или сочетание условий, обеспечивших развитие разумных су-
ществ на Земле в результате химических взаимодействий, могло бы повто-
ряться во Вселенной вновь и вновь.
Несмотря на «заурядность» Солнца как звезды, человеческое ощущение
собственной уникальности исчезает медленно. Затянувшаяся вера в нашу
уникальность проявляется в некоторых сообщениях о неопознанных ле-
тающих объектах (НЛО), а также в исключительном интересе к гипотезе
о том, что человечество порождено или обучено пришельцами из космоса,
посетившими Землю в далеком прошлом.
Чтобы продвинуться вперед, не полагаясь лишь на слепую веру и жела-
ние, нужно следовать научному методу и проверять гипотезы с помощью
экспериментов. Но, поскольку мы располагаем в качестве объекта исследо-
вания единственным примером жизни, наши обобщения не могут быть
бесспорными. Приходится экстраполировать известные фактические
данные в допустимых пределах, чтобы посмотреть, что нового дает такой
метод: одни возможности представляются при этом более вероятными,
чем другие. Решающим экспериментом была бы попытка (причем успеш-
ная!) установить контакт с внеземной цивилизацией. И, если в результате
такого контакта эта книга окажется ненужной, никто не будет более сча-
стлив, чем ее авторы.
Ни одна книга, посвященная рассматриваемой проблеме, не может из-
бежать влияния книги И. С. Шкловского и К. Сагана «Intelligent Life in the
Universe»; Мы отдаем себе полный отчет в ее влиянии на нас, поскольку
восхищаемся этой; книгой с момента ее выхода в свет в 1966 г. и много-
кратно-цитировали ее в читаемых нами курсах лекций. Последующие от-
крытйя^^вл,областиастрономии/ биолбгии и Теологии побудили нас взя-
ться за перо, нет основные положений превосходной книги Шкловского
и Сагана остаются в силе..
Предисловие авторов
17
Мы благодарны Джону Аронсу, Элсо Баргхорну, Уильяму Бауму,
Клаусу Бьеманну, Джону Биллингхэму, Виктору Бланко, Джеффри Бригг-
су, Элофу Карлсону, Карлу Камперу, Джеймсу Лолессу, Михаилу Марову,
Эллисон Палмер, Мишелю Папагианнису, Уильяму Робертсону, Тому
Скаттергуду, Дж. Уильму Шопфу, Фрэнку Шу, Мишелю Суле, Джилл Тар-
тер, Уильяму Уорду, Джеймсу Уорвику, Ричарду Янгу, Бену Цукерману,
и особенно Фрэнку Дрейку и Линн Маргулис за их замечания по раз-
личным разделам рукописи и помощь в подготовке книги и подборе ил-
люстраций. Большая часть описанных здесь планетных исследований
финансировалась НАСА. Генри Мариен оказал нам большую помощь
в чтении корректур, а Патти Розен-в работе над рукописью. Но за все
ошибки отвечаем только мы; как шекспировский Кассио, мы должны при-
знать, что «виноваты не наши звезды, а мы сами».
Доналд Голдсмит,
Тобайес Оуэн
Са н кт- Пете р 5 у р гс к о е
государственное бюджетное учреждение культуры
Централизованная библиотечная с'истегла Краснове г-от п района
Библиотечко-мифсрмаияш-гшй центн
«ИНТЕЛЛЕКТ»
СПо. ул. Маршала Кагахрйа, г. 63/1. тел.; 952-59-07
ЧАСТЬ I
Почему
мы ведем
поиск?
II одном мгновенье видеть вечность,
'Иромный мир-в зерне песка,
II единой горсти-бесконечность
И небо в чашечке цветка.
Уильям Блейк*
История познания Вселенной человеком породила у него все усиливаю-
щееся желание постичь истоки своего существования и осознать свое мес-
к> и картине мироздания. Мы теперь близки к пониманию того, как возни-
ь на жизнь на нашей планете, и к использованию полученных знаний при
поисках жизни на планетах, обращающихся вокруг других звезд. Но стоит
in думаться и спросить себя: почему мы ведем поиск? Как проводились по-
IU к и истоков нашего происхождения и наших космических братьев в про-
IIIном? И что могут сказать нам о нашем месте во Вселенной поиски вне-
и миой жизни?
* Перевод С. Я. Маршака.
Эта карта Марса, составленная Ловеллом в начале 1900-х годов, показывает «ка-
налы», по мнению Ловелла, покрывавшие красную планету.
Глава 1
Поиск
с точки зрения
человечества
Поиски истоков жизни
Чуть больше ста лет назад, в мае 1876 г., английский корабль «Чел-
пспджер» вернулся в родной порт на Темзе после более чем трехлетнего
и цапания вдали от родных берегов. Во время кругосветного плавания
ученые, находившиеся на борту судна, впервые систематически день за
цнем брали пробы воды и ила из придонных слоев в самых глубоководных
частях Мирового океана. В пробах были обнаружены удивительные мор-
ские организмы, ранее не известные человеку. Ученых на борту «Челленд-
жера» экспедиция особенно привлекала тем, что они надеялись найти
«живые ископаемые»-ранние формы жизни на Земле, которые укрылись
о г глаз человека в морской пучине, где условия почти не изменились со
времени возникновения жизни. Но ученые ожидали даже большего. Когда
цссятью годами раньше прокладывался первый трансатлантический теле-
। рафный кабель, на дне океана был обнаружен студенистый ил, который,
по мнению ряда ведущих ученых того времени, представлял собой первич-
ную протоплазму, от которой произошло все живущее на Земле. Полага-
||ц, что тщательное изучение этих первобытных отложений (Urschleim) от-
кроет секрет происхождения жизни на Земле.
Увы! «Челленджер» не обнаружил никаких живых ископаемых, а таин-
( I венный ил оказался совершенно безжизненным. Хотя в нем происходили
химические изменения, напоминающие процессы жизнедеятельности, эти
изменения легко воспроизводились при добавлении концентрированного
раствора спирта к обычной морской воде. На дне океана правит химия,
а нс биология.
Столетие спустя после экспедиции «Челленджера» мы знаем значитель-
но больше о Земле и ее океанах; мы установили, что следы первичной жиз-
ни на нашей. планете безвозвратно исчезли. Геологические отложения,
образовавшиеся в первый миллиард лет существования Земли, были разру-
шены эрозией и движением гигантских литосферных плит. По мере мед-
испного, но неумолимого движения плит породы, которые ранее обра-
тны вали земную поверхность, оказывались погребенными под нынешней
22
Глава 1
Рис. 1.1. Литосферные плиты, которые образуют земную кору, медленно напол-
зают друг на друга, частично перекрываясь. Эти тектонические процессы
со временем переносят то, что принадлежало к земной коре, в мантию,
которая занимает примерно 7/8 полного объема Земли, окружая богатое
железом ядро.
земной корой (рис. 1.1). Таким образом, самые непосредственные свиде-
тельства ранней истории Земли были уничтожены за 4,6 млрд, лет эрозией
и тектонической активностью по границам столкновения плит. Мы видим
вокруг поразительное разнообразие живых организмов и можем изучать
ископаемые отложения, относящиеся к последним трем миллиардам лет.
Но мы не можем проникнуть в более далекое прошлое, вплоть до момен-
та, когда жизнь возникла из неживой материи.
Несмотря на недостаток надежной информации, человечество всегда
волновала тайна происхождения жизни. Каждая цивилизация прошлого
создала мифы о сотворении мира и человека, и даже наша «умудренная
опытом» цивилизация проявляет неиссякаемый интерес к своему
происхождению. Мы находим этот всеобъемлющий интерес в основе раз-
личных религиозных верований; мы находим также, что человечество всег-
да было заинтриговано возможностью существования жизни где-нибудь
Поиск с точки зрения человечества 23
в Солнечной системе или за ее пределами, среди мириад звезд. Идея вне-
земных пришельцев также имеет древнюю историю и встречается уже
в ранних памятниках письменности, расшифрованных учеными.
Все домыслы и гипотезы об иных формах жизни и о возможных по-
сланцах других цивилизаций наталкиваются на два ключевых вопроса, свя-
занных с происхождением жизни на Земле. Как зародилась жизнь? Какова
вероятность такого процесса при наличии соответствующих условий и ис-
ходных материалов? Лишь в последние годы мы оказались в состоянии
наметить пути для нахождения научно обоснованных ответов на оба воп-
роса, хотя полностью разгадать заключенную в них тайну мы еще не
можем.
Возможны два совершенно различных подхода к ответу на эти воп-
росы. Первый заключается в построении теории процессов, участвовавших
в зарождении жизни, и попытках моделировать эти процессы в лабора-
торных экспериментах. Второй состоит в поисках подходящих для изуче-
ния природных объектов в надежде, что в них содержится ключ к объясне-
нию возникновения жизни. Первый метод, который оказался довольно
успешным, рассмотрен в гл. 9. Мы уже отмечали, что второй метод мало
пригоден на Земле, поскольку следы ее ранней истории канули в Лету.
Л на других планетах? С наступлением космической эры наши научные го-
ризонты чрезвычайно расширились. Мы можем теперь исследовать другие
планеты, проводить эксперименты в их атмосферах и на их поверхностях,
чтобы получить ответы на вопросы, которые занимали людей с тех пор,
как они обрели способность мыслить.
Роль Марса
Различные народы в разные времена по-разному представляли себе ко-
личество и уровень цивилизаций, которые могут существовать во Вселен-
ной. Даже в рамках европейской цивилизации эти оценки со временем под-
вергались значительным изменениям. В XVII в., когда экспериментальную
науку стали рассматривать как своеобразный способ наслаждаться приро-
дой, довольно широкое распространение получила идея обитаемости всех
без исключения планет Солнечной системы. Христиан Гюйгенс, известный
выдающимися работами в области оптики, написал трактат о множествен-
ности обитаемых миров, на страницах которого он рассуждал о свойствах,
которыми должны обладать организмы обитателей различных планет,
чтобы выдержать влияние силы тяжести и химического состава атмосфер,
но его мнению, господствовавших на этих планетах. Полвека спустя вели-
кий сатирик Вольтер красочно описал гигантского жителя Сатурна,
прибывшего на Землю и пожиравшего за завтраком горы. В течение сле-
дующих двух столетий вера в возможность внеземной жизни претерпевала
подъемы и спады, по мере того как новые открытия, объясняющие приро-
24
Глава 1
Рис. 1.2. Когда Скиапарелли делал зарисовки Марса, он видел многочисленные
линии или «каналы» (слева). Антониади изобразил ту же область Марса,
но он не увидел на ней каналов (справа). Теперь мы знаем, что каналы
были лишь оптической иллюзией, а не созданием разумных марсиан.
ду жизни на Земле и условия на соседних планетах, следовали из новых
достижении в научных исследованиях.
Все эти представления обладали одной общей чертой: наиболее подхо-
дящим пристанищем для внеземной жизни считался Марс. Причины всеоб-
щего увлечения Марсом очевидны. Красноватый цвет планеты и ее петле-
образные движения по небу издавна привлекали особое внимание и даже
вселяли страх в тех, кто ее наблюдал. Тщательные наблюдения Марса,
выполненные Тихо Браге, позволили Иоганну Кеплеру сформулировать
и опубликовать в 1609 и 1619 гг. три закона движения планет. Еще при
жизни Кеплера изобретение телескопа позволило ученым обнаружить по-
стоянные детали на его красноватом диске. Следовательно, наблюдатели
видели твердую поверхность планеты, а не меняющиеся облачные полосы,
как на Юпитере, или сплошной облачный покров, как на Венере. Наблюде-
ния Марса в течение двух последующих столетий позволили обнаружить
полярные шапки, облака, сезонные изменения размеров шапок и контраст-
ности светлых и темных областей на поверхности планеты.
В последние десятилетия XIX в. к загадкам Марса прибавилась еще од-
на. Несколько европейских астрономов, и в их числе Джованни Скиапарел-
ли из Милана, открыли слабо различимые прямые линии на поверхности
Марса-знаменитые марсианские «каналы»*. Теперь мы знаем, что ника-
* Скиапарелли использовал итальянское слово canali, которое можно перевести
как «проливы» или «каналы».
Поиск с точки зрения человечества
25
ких каналов не существует, это лишь оптическая иллюзия, которая застав-
ляет глаз видеть непрерывные линии там, где на самом деле имеются
только точки. «Каналы» вызвали горячую полемику, в которую включи-
лись столь опытные наблюдатели, как Барнард в США и Антониади во
Франции, твердо убежденные, что каналы не существуют, в то время как
другие утверждали, что каналы не только видны при визуальных наблюде-
ниях, но и могут быть сфотографированы (рис. 1.2).
Но сильнее всех в реальности марсианских каналов был убежден Пер-
сиваль Ловелл, который построил собственную обсерваторию во Флаг-
стаффе, штат Аризона, где он провел тщательные наблюдения Марса с по-
мощью 24-дюймового телескопа и составил карту сети каналов, покры-
вающих всю поверхность планеты, за исключением ледяных полярных
шапок. Казалось, что эта сеть подвергается сезонным изменениям одно-
временно с изменениями в обширных темных областях Марса. Каналы
всегда темнели, а иногда раздваивались с началом марсианского лета. Ло-
велл предположил, что каналы построили разумные марсиане, чтобы под-
вести воду от тающих полярных шапок для орошения темных областей,
которые иначе не дали бы урожая. Сезонное увеличение контрастности
между светлыми и темными областями, утверждал Ловелл,-это прямое
следствие роста растений в темных областях в летнем полушарии. Он по-
лагал, что наблюдаемое потемнение (и раздвоение) каналов происходит
потому, что растительность вдоль них бурно разрастается с наступлением
марсианской весны, а это улучшает видимость каналов для удаленного
наблюдателя.
Отсутствие доказательств Ловелл возмещал увлеченностью. В первые
десятилетия нашего века астрономы разработали мощные астрофизичес-
кие методы, применение которых к изучению Марса нанесло тяжелый удар
гипотезам Ловелла. Радиометрические наблюдения показали, что средняя
температура на Марсе значительно ниже точки замерзания воды, а во вре-
мя марсианской ночи еще почти на 100°С ниже. Астрономам не удалось
обнаружить пары воды или кислород в марсианской атмосфере, и они все
больше утверждались во мнении, что атмосфера должна быть чрезвычайно
разреженной.
Несмотря на научные свидетельства непригодности Марса для жизни
и на отрицательные результаты поиска радиосигналов от Марса в 1924 г.,
идея существования развитой цивилизации на планете настолько укорени-
иась в общественном мнении, что 31 октября 1938 г. в США возникла на-
стоящая паника во время трансляции радиоспектакля Уэллеса по роману
I Уэллса «Война миров». Сотни тысяч радиослушателей покинули свои
дома и поспешили на улицы, одни-чтобы встретить марсиан, другие-
•I гобы бежать от орды марсианских завоевателей, которая, по сообщению
Уэллеса, надвигалась на Нью-Джерси.
26
Глава 1
Конечно, разъяснение, что это был всего лишь радиоспектакль, вскоре
успокоило всех, и через несколько месяцев трудно было найти человека,
который признался бы, что поверил в выдумку Уэллеса. Будь этот спек-
такль повторен сегодня (разумеется, теперь пришлось бы изобразить мар-
сиан на экранах телевизоров), наверняка миллионы телезрителей восприня-
ли бы его всерьез-не потому, что люди вообще легковерны, а потому, что
в них живет настойчивое желание поверить в существование других циви-
лизаций. Передача Уэллеса напоминает также о настороженном отноше-
нии людей к внеземным пришельцам. Ведь мы ожидаем, что они гораздо
умнее, сильнее и искушеннее нас, но не можем решить, будут ли они доб-
рожелательны и приветливы или воинственны и жестоки. Люди всегда
боялись и почитали придуманных ими богов, поэтому неудивительно, что
подобные чувства возникают у них при мысли о высокоорганизованных
формах внеземной жизни.
Через 60 лет после Ловелла и через 25 лет после радиоспектакля Уэлле-
са человечество послало первый космический аппарат к Марсу. Полет
«Маринера-4», впервые осуществившего фотографирование красной пла-
неты с близкого расстояния, последующие полеты космических аппаратов
серии «Маринер» и посадка «Викингов» на поверхность Марса описаны
в гл. 14. Багодаря полетам этих и других космических аппаратов за какой-
нибудь десяток лет люди превратились из сторонних наблюдателей в ак-
тивных исследователей других планет, и одним из основных направлений
этих исследований были поиски жизни на Марсе.
Однако остается непреложным фактом, что пока отсутствуют убеди-
тельные свидетельства существования каких бы то ни было форм жизни
где-либо во Вселенной, кроме Земли. Таким образом, по крайней мере
в настоящее время мы должны продолжать исследования нашей Солнеч-
ной системы и поиски в окрестностях звезд, чтобы открыть секрет своего
происхождения и признаки существования других форм жизни.
Научная картина мира
В этой книге рассмотрена Вселенная от момента ее рождения до на-
стоящего времени, причем мы все время пытаемся найти ключ к разгадке
двух тайн. Поскольку у нас пока нет определенных ответов, мы должны
попытаться понять те факты, которые нам известны о земной жизни, и на
их основе сделать вывод о возможности обнаружения других форм жизни
где-либо во Вселенной. Мы увидим, как человечество не только, накаплива-
ло знания о Вселенной, но и развивало в себе способность проникать в до-
селе неизведанное. Этот процесс был нелегким. Даже сегодня многие люди
считают Вселенную за пределами Земли настолько чуждой восприятию,
Поиск с точки зрения человечества
27
что либо никогда не думают о ней, либо полагают, что, возможно, суще-
ствуют самые невероятные формы жизни или что еще неизвестные законы
природы проявляются во всем-от телепатии до Бермудского треуголь-
ника.
Научный подход к познанию мира подразумевает, что нужно исходя из
понятых явлений осторожно, с помощью многочисленных наблюдений
и экспериментов стараться объяснить пока еще непонятое. Каждый от-
дельный факт должен в большей или меньшей степени укладываться
в рамки принятой научной картины мира. Если что-то новое и необычное
противоречит этой мысленной картине, то ученые не спешат ее изменить
до тех пор, пока не убедятся, что не могут найти разумного объяснения
в ее рамках. Поэтому, например, большинство ученых не будут рассматри-
вать сообщения о неопознанных летающих объектах (НЛО) как свидетель-
ства прилета на Землю космических кораблей инопланетян, пока не исклю-
чат к своему удовлетворению объяснения этих сообщений ошибками
наблюдателей, психическими отклонениями, природными явлениями или
фальсификацией.
Разумеется, наряду с научной картиной мира есть и другие. Далеко не все
люди постоянно придерживаются научного мировоззрения, поскольку оно
Рис. 1.3. Нашим пониманием физики движения мы обязаны главным обра-
зом трем великим ученым: Галилео Галилею (слева), Исааку Нью-
тону (в центре) и Альберту Эйнштейну (справа). Ньютон создал систему
научных представлений на основе идей Галилея, а Эйнштейн распро-
странил законы движения Ньютона на случай скоростей, близких к ско-
ростям света.
28
Глава 1
часто на первый взгляд кажется противоречащим представлениям, ко-
торые сформировались задолго до того, как наука входит в нашу жизнь.
Наука как способ восприятия окружающего мира привлекательна тем, что
она приносит реальные результаты: модель физического мира, которой
пользуются ученые, успешно объясняет наблюдения и позволяет точно
предсказать будущие события. Более того, эту модель можно модифици-
ровать по мере новых открытий. Когда возникает потребность в таких из-
менениях, это всегда порождает жаркие споры среди ученых, однако
ученые выработали принципы, писаные и неписаные, руководствуясь ко-
торыми они вносят изменения в систему научного знания (рис. 1.3). Основ-
ная тема этой книги включает многие области знаний, в которых происхо-
дят глубокие изменения, поэтому читатель будет постоянно встречать
места, где цитируются далеко не всегда совпадающие мнения специали-
стов. Это наиболее волнующая особенность науки-попытка на основе
имеющейся системы знаний обрести новые знания, которые изменяют наш
взгляд на Вселенную и на самих себя.
Размышления о внеземной жизни
Наши рассуждения о взглядах ученых и далеких от науки людей имеют
прямое отношение к поискам жизни за пределами Земли. Когда ученые
рассматривают возможность существования других цивилизаций
и установления контакта с ними, они исходят из уже имеющейся суммы
знаний, чтобы оценить трудность передачи или приема сообщений или
межзвездных путешествий. Большинство неспециалистов с большей лег-
костью, чем ученые, готовы поверить в то, что другие цивилизации «знают
то, чего мы не знаем», могут создавать любые устройства, нарушать лю-
бой известный нашей науке закон, появляться и исчезать, когда им взду-
мается, и вообще посеять панику на всю Вселенную. Если мы проанализи-
руем эту точку зрения, то увидим, что она основывается на человеческой
традиции рассматривать Вселенную как таинственное место, полное
могущественных существ, знающих то, чего не знаем мы. Связана ли эта
традиция с посещениями Земли космическими пришельцами в далеком
прошлом? Единственным «свидетельством» таких визитов (гл. 21) служат
сказания о таинственных существах, сошедших с неба. Некоторые считают
такие свидетельства достаточными, но для ученых они совершенно неубе-
дительны. Мы можем продолжать поиски новых свидетельств, но давайте
сначала обсудим, как возникла эта традиция.
В давние времена люди верили, что вездесущая сила управляет всем
происходящим на Земле. На протяжении последних тысячелетий люди по-
степенно отказывались от этой точки зрения и стали считать, что человек
Поиск с точки зрения человечества
29
сам отвечает за свои поступки, даже если боги есть. Это изменение точки
зрения, путь к которому часто указывали ученые, стремилось подчеркнуть
значение человечества, поскольку чем больше было сознание власти людей
над собственными судьбами, тем сильнее становилась уверенность в их
власти над миром. В самом деле, как только люди видят малейшую воз-
можность, они энергично берутся за преобразование своей планеты.
Но цена, которую мы заплатили за эту власть над природой, велика,
это одиночество, ощущение, что мы одни-один на один со своим самосоз-
нанием, и больше не являемся частью чудесного космического механизма,
который раньше, казалось, поддерживал наше существование как части
природы без всяких усилий. Хотя это ощущение одиночества не имеет ре-
альной основы (ведь в любом случае мы остаемся частью Вселенной), но
само ощущение весьма распространено. Пытаясь постичь мир с помощью
философских категорий и логики, люди как бы отделили свое внутреннее
самосознание от остальной Вселенной и обречены на отчужденность до
тех пор, пока не смогут однажды вновь осознать себя ее частью.
Цель нашей книги-помочь этому процессу, но мы хотели бы сначала
напомнить путь, который прошло человеческое сознание с момента, когда
люди начали изучать устройство мира. По мере того как чувство отчуж-
денности от Вселенной росло, люди испытывали подлинный страх при мы-
сли о том, что когда-то на Земле не было человека. Наиболее известные
религиозные тексты лишь крошечные отрывки посвящают периоду до воз-
никновения человека, хотя в действительности этот период охватывает бо-
лее 99,9% всей истории Земли.
В прошлом веке Чарлз Дарвин предложил теорию эволюции
органического мира Земли, чтобы объяснить, как на планете в процессе
эволюции появился человек. Широкая оппозиция учению Дарвина показа-
ла, в частности, сколь многие разделяли мысль о том, что люди всегда жи-
ли на Земле. Но теория Дарвина постепенно получала признание, по мере
того как ученые открывали следы ископаемой жизни на Земле, уходящие
в прошлое на миллиард лет и более.
Сегодня, когда мы ищем жизнь за пределами Земли, усилия астроно-
мов в этом направлении иногда считают напрасными: как можно изучать
то, о чем мы ничего не знаем? Ответ на этот вопрос состоит в том, что
мы знаем довольно много об общих принципах жизни во Вселенной, если
считать жизнь на Земле достаточно типичным примером жизни вообще.
Если в процессе эволюции мы стали такими, какие мы теперь, то пример-
но такие же условия в другом месте могли привести к развитию примерно
таких же форм жизни. Таким образом, изучение эволюции Вселенной обо-
бщает представления о множестве различных форм жизни на Земле и ее
ископаемых следов на еще более многообразные возможности жизни
в других местах сейчас, в прошлом или в будущем.
30
Глава 1
Чтобы понять, как может развиваться жизнь вдали от Земли, мы дол-
жны изучить, как сама Вселенная достигла современной стадии развития.
Тогда мы сможем найти наиболее подходящее место для возникновения
жизни и рассмотреть возможность того, что в нашей Галактике насчиты-
ваются миллионы других цивилизаций, которые, быть может, уже устано-
вили контакт друг с другом. Астрономическая цель наших поисков-срав-
нить условия, при которых возникла жизнь на Земле, с условиями, которые
преобладают в различных местах Галактики и за ее пределами.
Выводы
С тех пор как люди убедились, что эволюция человека проходит по тем
же законам, что и других видов на Земле, они стали искать в прошлом
и настоящем признаки более ранних форм жизни на нашей планете и раз-
мышлять о возможности обнаружения живых существ на других планетах.
Сейчас мы стоим на пороге эпохи, когда мы сможем установить контакт
с другими цивилизациями, если они относительно многочисленны в нашей
Галактике. В этих условиях ученые будут руководствоваться методом, ко-
торый уже зарекомендовал себя в прошлом, уточняя систему знаний
и проводя эксперимент за экспериментом для ее проверки. Из эксперимен-
тов мы многое узнали об условиях, в которых развилась жизнь на Земле
и в которых она могла возникнуть в других средах. Если с помощью науч-
ного метода оценить вероятность других форм жизни и других цивилиза-
ций, то это позволит нам больше узнать о самих себе и о нашем месте во
Вселенной.
Вопросы
1. Почему следы геологических процессов, происходивших на Земле в первый
миллиард лет ее существования, полностью исчезли?
2. Как объяснить то большое воздействие, которое оказывал Марс на челове-
ческое воображение в течение последних столетий? Объясняют ли это предсказания
астрологов?
3. Что представляют собой марсианские каналы? Существуют ли они на
самом деле и переносят ли воду от марсианских полярных шапок в более теплые
экваториальные области?
4. Сопоставьте научный подход к оценке вероятности внеземной жизни с дру-
гими подходами: библейским, религиозным и астрологическим. В чем коренное от-
личие научного подхода?
5. Появляется ли у вас чувство одиночества при созерцании безбрежных про-
странств, отделяющих планеты и звезды друг от друга? Как вы представляете себе
чувства, которые возникали у ваших предков, когда они думали о планетах
и звездах?
Поиск с точки зрения человечества 31
6. Считаете ли вы, что человек постепенно развился из других видов живых ор-
ганизмов или же человек появился сравнительно недавно, скажем, несколько сотен
тысяч лет назад? Какие аргументы вы можете привести в пользу научной точки
зрения?
Литература
Berendzen R., ed. Life beyond earth and the mind of man, U. S. Government Printing
Office, Washington, D.C., USA.
Hoyle F. Ten faces of the universe, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1977.
Jevons W.S. The principles of science, Dover Books, New York, 1958.
Krupp E. In search of ancient astronomies, Doubleday and Co., New York, 1978.
Ley W. Watchers of the skies, Viking Press, New York, 1963.
Lowell P. Mars as the abode of life, Macmillan, New York, 1908.
Neyman J. The heritage of Copernicus, The M. I.T. Press, Cambridge, Mass., 1974.
Sagan C. The cosmic connection: An extraterrestrial perspective, Dell Publ. Co., New
York, 1975.
ЧАСТЬ II
Вселенная
в целом
И порождают разум
Вспышки звезд.
Уильям Блейк*
Чтобы систематизировать наши представления о возможностях жизни
во Вселенной, мы должны познакомиться с тем, как устроена сама Вселен-
ная, начиная от необъятных скоплений галактик, которые удалены от нас
на расстояния в миллиарды световых лет. Мы познакомимся с тем, как
рождаются, живут и умирают звезды, как они образуют скопления раз-
личных размеров, такие, как наша Галактика, и как их распределение
в пространстве и эволюция могут влиять на вероятность существования
жизни в пространстве между ними. Эволюция Вселенной включает хими-
ческую эволюцию вещества, которая, по-видимому, началась с протонов,
электронов, ядер гелия и примеси дейтронов. Лишь позднее незначитель-
ная доля этих частиц превратилась в ядра углерода, азота и кислорода, ко-
торые важны для возникновения жизни где бы то ни было. Последователь-
но знакомясь с процессом химической эволюции, мы сможем понять, что
происходит не только с самими звездами, но и с тем «сырьем» для возник-
новения жизни, которое в них содержится и которое изменяется по мере
старения звезд.
* Цитируется по сборнику стихотворений Уильяма Батлера Йитса «Crossways»,
эпиграфом к которому служат эти строки.
3-485
Эта карта звезд в созвездии Андромеды была помещена в первом опубликованном
звездном атласе Иоганна Байера «Уранометрия» в 1603 г. Знаменитая туман-
ность Андромеды, не показанная на карте Байера, попала бы на часть цепи
под правым локтем Андромеды.
Пространство,
время
и история Вселенной
Глава 2
Если вы посмотрите на ночное небо в ясный вечер, то сможете увидеть
примерно тысячу звезд нашей Галактики. Каждая из этих звезд, подобных
нашему Солнцу, сияет миллионы или миллиарды лет, а свет, который вы
видите, путешествовал в межзвездном пространстве от четырех лет до
двух тысяч лет, прежде чем достиг ваших глаз.
Хотя мы начали исследовать нашу планетную систему наземными
средствами и с помощью космических аппаратов, наше знакомство с Все-
ленной за пределами Солнечной системы основывается на изучении света,
радиоволн, рентгеновского, инфракрасного и ультрафиолетового излуче-
ния небесных тел. Поразительно, что нам все же удалось сделать важные
выводы о наблюдаемой Вселенной лишь на основе детального изучения
этих излучений.
То, что мы называем Вселенной (все наблюдаемое пространство и всю
содержащуюся в нем материю), расширяется в течение последних 15 или
20 млрд, лет из сверхплотного и сверхгорячего (сингулярного) состояния.
Современная Вселенная состоит из сгустков вещества, называемых звезда-
ми, а скопления многих миллиардов звезд образуют галактики, которые
в свою очередь группируются в скопления галактик. Вокруг нашей
звезды-Солнца-обращается семья планет-малых сгустков газа и твердо-
го вещества, которые в отличие от звезд светятся не за счет реакций тер-
моядерного синтеза, а отраженным светом. Помимо звезд, образующих
галактики, и планет, которые, как мы считаем, обращаются вокруг многих
звезд, подобных нашему Солнцу, мы находим во Вселенной диффузное ве-
щество-газ и пылевые частицы, рассеянные по галактикам и даже между
ними в скоплениях галактик.
Расстояния до звезд
История познания человеком Вселенной свидетельствует о непрерывно
растущем осознании колоссальности расстояний во Вселенной. Древние
мыслители, которые размышляли о расстояниях до звезд, пришли к выво-
ду, что звезды должны быть очень далеки от нас. Это их убеждение было
з*
36
Глава 2
основано на том, что Земля, которая состоит из изменяющегося вещества,
должна быть изолирована от неизменных, вечных звезд. Хотя они ошиба-
лись, считая звезды вечными, они были правы, говоря об огромных рас-
стояниях до них.
Точные измерения расстояний до звезд основываются на эффекте па-
раллакса -кажущегося смещения объекта по отношению к более далеким
объектам при движении наблюдателя. Если смотреть из окна автомобиля,
мчащегося по шоссе, то ближайшие объекты, например дома и теле-
графные столбы, изменяют свое положение относительно более удаленных
объектов, например холмов и облаков. Аналогичным образом, поскольку
Земля обращается вокруг Солнца, можно ожидать, что ближайшие звезды
изменяют свое видимое положение относительно более далеких звезд в те-
чение года (рис. 2.1). Параллактическое смещение трудно измерить, по-
скольку все звезды так далеки от Солнца, что диаметр земной орбиты,
равный 300 млн. км, составляет ничтожную долю расстояния между Солн-
цем и ближайшими звездами. Поэтому видимое угловое смещение бли-
жайших звезд по отношению к фону далеких звезд так мало, что в про-
шлом астрономы вообще не могли его измерить.
До изобретения телескопа в 1609 г. астрономы могли зафиксировать
положения звезд на небе с точностью около одной угловой минуты (Г),
т.е. ^^-под таким углом видна десятикопеечная монета с расстояния 60
м. При столь ограниченной точности измерения углов они могли обнару-
жить и измерить параллакс ближайшей звезды, лишь если изменение ее
положения на небе превышало Г. Чем больше расстояние, тем меньше
угловое смещение (рис. 2.1), поэтому до изобретения телескопа астрономы
могли бы определить параллакс лишь у достаточно близких звезд, у ко-
Рис. 2.1. В результате движения Земли вокруг Солнца ближайшие звезды изме-
няют свои видимые положения относительно фона значительно более
далеких звезд. Чем больше расстояние до звезды, тем меньше ее парал-
лактическое смещение, поэтому чем дальше звезда, тем труднее астро-
номам измерить ее параллакс. Если звезда удалена от нас на 1 пс, то ее
положение изменяется на 1" (в обе стороны от среднего положения)
в течение года. (Масштаб произвольный.)
Пространство, время и история Вселенной
37
торых он больше 1'. Из тригонометрии следует, что при этом рас-
стояния до звезд не должны превышать расстояние от Земли до Солнца
(астрономическую единицу) более чем в 3600 раз.
К великому сожалению, ближайшая звезда, а Центавра, находится от
нас на расстоянии, в 260000 раз превышающем расстояние Земля-Солнце,
т.е. в 60 с лишним раз превосходящем то, которое дает параллакс около Г.
Поэтому пришлось построить мощные телескопы и специальные измери-
тельные приборы к ним в первой половине XIX в., прежде чем удалось из-
мерить параллаксы ближайших звезд.
Для описания огромных расстояний до звезд потребовалось ввести
новые единицы измерения, чтобы избежать использования громоздких чи-
сел. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет около 150 млн.
км, оно кажется фантастическим по земным масштабам. Если умножить
это число на 260000, то мы получим расстояние до а Центавра, равное 40
триллионам км, или 4 -1013 км; Ясно, что нам нужны новые единицы изме-
рения, чтобы избежать постоянного повторения триллионов и квадрильо-
нов при обсуждении Межзвездных расстояний.
Вследствие важности эффекта параллакса для измерения расстояний до
ближайших звезд астрономы ввели единицу расстояния, называемую пар-
секом. Один парсек равен расстоянию до звезды, годичный параллакс ко-
торой составляет 1". (Слово парсек образовано из слов параллакс и секун-
да.) Один парсек (пс) равен 206265 астрономическим единицам, или 30
триллионам километров. Даже свет, который распространяется со ско-
ростью 300000 км/с, проходит расстояние в 1 пс за 3,26 года (около
100 млн. с). Иначе говоря, 1 пс равен 3,26 светового года, так как «световой
год»-это расстояние, которое свет проходит за 1 год. Астрономы измеряют
расстояния почти исключительно в парсеках, килопарсеках (тысячах пар-
сек) и мегапарсеках (миллионах парсек), световой год используется редко.
Из того факта, что килопарсек (кпс) и мегапарсек (Мпс) часто исполь-
зуются в астрономии, легко заключить, что даже огромного числа
километров, заключенного в парсеке, недостаточно для измерения неко-
торых важных астрономических расстояний. Ближайшая к Солнцу звезда
а Центавра находится на расстоянии 1,3 пс, а Сириус, самая яркая звезда
на небосводе,-на расстоянии 2,5 пс. Поскольку параллакс уменьшается
с увеличением расстояния (рис. 2.1), нам приходится измерять все меньшие
параллаксы для все более далеких звезд. Яркая звезда Вега находится на
расстоянии 8 пс, ее годичный параллакс равен лишь 1/3". Сегодня мы не
в состоянии измерить параллактические смещения звезд, если они меньше
7зо", поскольку земная атмосфера размывает изображения звезд на фото-
пластинках, на которых производятся измерения. Поэтому для звезд, уда-
ленных более чем на 30 пс (100 световых лет), приходится использовать
другие методы. Однако эти методы базируются в основном на изме-
ренных расстояниях до самых ярких из 30 тысяч звезд, расположенных
в пределах 30 пс от Солнца.
38
Глава 2
Расстояния до очень далеких звезд, параллакс которых невозможно из-
мерить, находят косвенным методом. Он основан на важном физическом
факте: наблюдаемая яркость источника света уменьшается обратно про-
порционально квадрату расстояния. Например, автомобильные фары ка-
жутся на расстоянии 100 м в четыре раза ярче, чем на расстоянии 200 м от
нас.
Метод состоит в сопоставлении видимого блеска звезд. Таким образом,
если мы знаем, что абсолютный блеск (или светимость) двух звезд одина-
ков (или если мы знаем, что два автомобиля имеют одинаковые фары
и условия наблюдения не меняются), то можем заключить, что звезда, ко-
торая кажется в сто раз более слабой, чем другая, находится в 10 раз даль-
ше. Трудность состоит в том, что истинный блеск (светимость) звезд раз-
личен, поэтому иногда наши действия напоминают сопоставление яркос-
тей велосипедного фонаря и прожектора пожарной машины. Однако
благодаря многолетним тщательным исследованиям астрономы преодоле-
ли эту трудность и научились распознавать звезды с одинаковой свети-
мостью независимо от их расстояния.
Спектры звезд
Ключ к распознаванию звезд лежит в их спектрах излучения, т. е. в рас-
пределении фотонов по энергиям (рис. 2.2).
Свет-это электромагнитные волны, излучаемые порциями (квантами),
несущими определенную энергию, поэтому свет можно рассматривать как
поток частиц-фотонов,-не имеющих массы покоя. Фотоны распростра-
няются в вакууме со скоростью 300000 км/с. Энергии рентгеновских или
гамма-квантов в триллионы раз выше, чем энергия квантов радиоизлуче-
ния (рис. 2.3), но природа всех типов излучения одинакова. Частота элек->
тромагнитных колебаний (число колебаний в секунду) прямо пропорцио-
нальна их энергии. Длина волны колебаний (расстояние между гребнями
соседних волн) обратно пропорциональна частоте (или энергии) (рис. 2.3).
Можно охарактеризовать излучение, указав его энергию, частоту или дли-
ну волны, поскольку, если одна из этих величин известна, можно вычис-
лить две другие. Наш глаз воспринимает энергию фотона как цвет. Фо-
тоны видимого света с большими энергиями и частотами вызывают
ощущение голубого цвета, а фотоны с меньшими энергиями и частотами
(т.е. с большими длинами волн)-красного.
Интересный эффект возникает, когда фотоны пролетают среди атомов,
например во внешних слоях звезды. Лишь некоторые фотоны, имеющие
определенную энергию, взаимодействуют с атомами (рис. 2.4). Фотоны, не
обладающие энергией, способной перевести один из электронов атома на
более высокую орбиту, вообще не взаимодействуют с атомом. Фотоны
с подходящими энергиями переводят электроны на новые, более высокие
Пространство, время и история Вселенной
39
Рис. 2.2. Спектр излучения звезды можно иллюстрировать графиком числа
фотонов с определенным значением энергии как функции энергии
фотона.
ЛЛЛЛЛЛЛЛЛ/*
Фотон более высокой
энергии
Фотон более низкой
энергии
Длина волны
Риг. 2.3. Фотон можно представить себе как сгусток электромагнитной энер-
гии, распространяющийся в пространстве со скоростью света (300000
км/с). Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, а его длина
волны обратно пропорциональна частоте и энергии. Различные типы
фотонов (гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрас-
ное и радиоизлучение) характеризуются разными энергиями (или часто-
тами и длинами волн).
40
Глава 2
Атом Атом
До столкновения
Неподходящая
энергия
фотона
После столкновения
Подходящая
энергия
фотона
О Атом с электроном
на более высокой
орбите
Рис. 2.4. При встрече с атомами фотоны взаимодействуют с ними лишь
тогда, когда энергия их такова, что может заставить один из элек-
тронов в атоме перескочить на более высокую орбиту. Такое возбужде-
ние атома сопровождается поглощением фотона.
орбиты, а сами при этом поглощаются (рис. 2.4). Таким образом, атомы
действуют на световое излучение как фильтр, поскольку они поглощают
фотоны с некоторыми определенными энергиями, а на остальные фотоны
никак не реагируют. Разные виды атомов-разные элементы-действуют
как различные фильтры.
Десятилетия наблюдений научили астрономов распознавать различные
виды атомов (или молекул, состоящих из комбинаций атомов) по «авто-
графам», оставляемым ими в процессах поглощения. Разлагая луч света
в спектр цветов, каждый из которых соответствует определенной энергии,
астрономы могут сказать, является ли его источником звезда, химический
состав которой близок, например, к составу нашего Солнца. При достаточ-
но тщательном анализе астрономы по количеству фотонов с различными
энергиями, т.е. по спектру звезды, могут судить не только о содержании
того или иного элемента в звезде, но и о температуре на ее поверхности
и плотности вещества в ее поверхностных слоях. Вся эта информация из-
влекается из анализа поглощения, которое оказывают внешние слои
звезды на излучение, поступающее из ее недр.
Изучая спектры звезд, астрономы научились определять, какие звезды
подобны друг другу по содержанию химических элементов, поверх-
ностным температурам и плотностям вещества. Следующий шаг, осно-
ванный на многочисленных наблюдениях и длительных размышлениях (см.
гл. 5), состоит в том, чтобы принять, что у двух звезд, у которых почти
одинаковы поверхностные температуры, плотности в поверхностных слоях
Пространство, время и история Вселенной
41
и относительные содержания различных элементов, можно считать почти
совпадающими и другие физические характеристики. В частности, можно
предположить, что их светимости почти одинаковы. А если мы достаточно
уверены, что светимости двух звезд равны, то можем сопоставить их ви-
димый блеск и сделать вывод о соотношении расстояний до них.
В качестве примера рассмотрим две звезды-Альтаир и Альдерамин,—
которые являются ярчайшими звездами в созвездии Орла и Цефея со-
ответственно*. Исследование спектров этих звезд показывает, что они
должны быть почти одинаковы. Альтаир, десятая звезда на небе по види-
мому блеску, примерно в девять раз ярче Альдерамина. Отсюда следует,
что Альдерамин в три раза дальше от нас, чем Альтаир, поскольку ви-
димый блеск обратно пропорционален квадрату расстояния. Расстояние до
Альтаира, равное 5 пс, легко определить методом тригонометрического
параллакса (см. с. 36). Следовательно, расстояние до Альдерамина должно
составлять 15 пс. Можно проверить этот вывод, измерив параллакс Альде-
рамина (0,067"), который составляет А/3 параллакса Альтаира (0,2"). Если
(>ы нам пришлось изучать звезду х расположенную в три раза дальше Аль-
церамина, то ее параллакс был бы слишком мал для прямого измерения.
Поэтому мы вынуждены полагаться на сопоставление видимого блеска
цвух звезд с практически совпадающими спектрами как на средство для
измерения расстояний до более далеких звезд.
Этот метод, пригодный для отдельных звезд, можно с некоторыми из-
менениями применить и для целых галактик. Если наблюдаются две галак-
1ики, которые характеризуются одинаковыми формой и составом звезд
различных классов, то можно предположить, что они практически одина-
ковы (рис. 2.5). Это предположение не столь надежно, как для спектров от-
дельных звезд, но астрономы все же вынуждены им пользоваться. Если бы
удалось каким-то образом непосредственно измерить расстояние до отно-
сительно близкой галактики, то можно было бы оценить и расстояния до
похожих, но значительно более далеких галактик, сравнивая их видимые
яркости. Пусть одна галактика кажется в сто раз ярче другой, тогда слабая
। алактика должна быть в 10 раз дальше, если эти две галактики
одинаковы.
Паше сопоставление видимых яркостей галактик с целью найти рас-
< Юннин до них будет бесполезным, если мы не знаем расстояние хотя бы
* Следуя традиции, которая насчитывает две тысячи лет, астрономы обозна-
чают самую яркую звезду созвездия греческой буквой а, вторую по яркости буквой
|1 и г.д. Поскольку эти обозначения всегда относятся к видимому блеску, Альтаир
можно иначе назвать а Орла, а Альдерамин-а Цефея. Заметим, что латинские на-
1ШН1ИЯ созвездий (Aquila, Cepheus) употребляются в родительном падаже (a Aqulae,
t Cephei). Альтаир и Альдерамин-арабские названия, данные более тысячи лет
пи шд.
Рис. 2.5. Если наблюдения показывают, что строение двух галактик почти оди-
наково, то можно предположить, что их истинные яркости тоже
одинаковы.
Пространство, время и история Вселенной
43
до одной из них (скорее всего, ближайшей). Поскольку расстояния до га-
лактик составляют от 50000 до нескольких миллиардов парсек, оценка
расстояний до них оказалась поистине трудной задачей. Метод
тригонометрического параллакса, очевидно, непригоден, поскольку галак-
тики расположены в тысячи раз дальше, чем самые далекие звезды, еще
доступные этому методу.
Переменные звезды
как индикаторы расстоянии
Ключ к тайне расстояний до других галактик и завершению шкалы
космических расстояний был найден в результате открытия переменных
звезд в ближайших галактиках. Переменная звезда изменяет свой блеск,
нередко строго регулярно, причем периоды этих изменений составляют
часы, сутки, недели или месяцы. Определенный класс переменных звезд,
цефеиды, изменяет свой блеск особенно регулярно с периодами, состав-
ляющими у разных звезд этого класса от двух суток до двух месяцев.
В начале нашего века американский астроном Генриетта Ливитт от-
крыла у цефеид связь между их абсолютным блеском и периодом его из-
менения: чем больше абсолютный блеск, тем больше период его
изменения (рис. 2.6). Как только этот факт был установлен, цефеиды стало
Рис. 2.6. Связь между средними светимостями и периодами изменения бле-
ска для цефеид в близкой галактике, которая носит название Малое Ма-
гелланово Облако и является спутником нашей Галактики.
44
Глава 2
возможно использовать как индикаторы расстояний до галактик, в ко-
торых можно выявить эти звезды по характерным изменениям блеска.
Поскольку ближайшая цефеида в нашей Галактике удалена от нас бо-
лее чем на 200 пс, нельзя определить расстояние до какой-либо из цефеид
методом тригонометрического параллакса. Поэтому астрономы были вы-
нуждены долго ждать, прежде чем удалось оценить расстояния до цефеид
и определить их светимость. Метод определения расстояния заключается
в тщательном изучении собственного движения звезды в пространстве; та-
кие наблюдения ведутся долгие годы и позволяют лишь приближенно оце-
нить расстояния до звезд. Но для сравнения расстояний нам нужно знать
лишь то, что чем больше период цефеиды, тем больше ее светимость,
и что цефеиды с одинаковыми периодами изменения блеска имеют одина-
ковые светимости.
В 1923 г. американский астроном Эдвин Хаббл в результате дли-
тельных наблюдений галактики в созвездии Андромеды открыл, что эта
близко расположенная звездная система содержит несколько цефеид.
Хаббл сразу же сравнил видимый блеск этих цефеид с блеском цефеид на-
шей Галактики, обладающих такими же периодами изменения блеска. Та-
ким образом Хаббл продемонстрировал, что цефеиды в галактике Андро-
меды, а значит, и сама галактика находятся от нас на расстоянии
300000 пс, в 10 раз превышающем диаметр всей нашей Галактики. Впос-
ледствии более тщательный анализ цефеид показал, что это расстояние со-
ставляет 600000 пс.
Расширяющаяся Вселенная
Вершиной в научной карьере Хаббла и началом современной космоло-
гии явилось открытие, которое он сделал более 50 лет назад, в 1929 г.,
в том самом году, когда разразился кризис на американской фондовой
бирже. Шли 20-е годы; кумирами толпы в США были Чарлз Линдберг,
Бэйб Рут и Келвин Кулидж *, а Хаббл продолжал измерять расстояния до
галактик. Ночь за ночью Хаббл и его сотрудник Хьюмасон фотографиро-
вали далекие галактики, чтобы определить вариации блеска возможных це-
феид в них. Когда они получали надежную оценку расстояния до близкой
галактики, они сравнивали это расстояние с движением галактики в целом
по направлению к нам или от нас.
* Чарлз Линдберг-американский летчик, совершивший в 1927 г. беспоса-
дочный полет через Атлантический океан из США во Францию; Келвин Кулидж —
президент США (1928-1932); Бэйб Рут-знаменитый американский игрок в бейс-
бол -Прим. ред.
Пространство, время и история Вселенной
45
Это движение можно выявить по эффекту Доплера, который изменяет
спектр источника излучения, если источник движется к наблюдателю или
от него (рис. 2.7). Фотоны, испущенные источником, который движется от
пас, будут иметь меньшие энергии (а следовательно, меньшие частоты
и большие длины волн), чем фотоны от неподвижного по отношению
к нам точно такого же источника. Эффект Доплера наблюдается и у зву-
ковых волн. Он проявляется в понижении высоты звука, или частоты, си-
рены автомобиля скорой помощи, когда он движется от нас. Не имеет зна-
чения, движемся ли мы от источника или источник от нас; расстояние
между источником и наблюдателем также не играет роли в эффекте Доп-
лера. Удаление источника от наблюдателя приводит к уменьшению энер-
। ий фотонов по сравнению со стационарным случаем. Величина этого
уменьшения энергии, или красного смещения, т.е. сдвига частот фотонов
к красному концу спектра видимого излучения, тем больше, чем больше
относительная скорость источника и наблюдателя.
Аналогичным образом если мы движемся к источнику излучения, или
Рнс. 2.7. Эффект Доплера увеличивает видимую частоту фотонов от источ-
ника, движущегося к нам, и уменьшает частоту фотонов от удаляющего-
ся источника по сравнению с частотой фотонов от неподвижного
источника.
46
Глава 2
источник движется к нам, то мы будем наблюдать фотоны с большими
энергиями (а значит, с большими частотами и меньшими длинами волн),
чем фотоны от точно такого же источника, неподвижного относительно
нас. Если скорость источника по отношению к наблюдателю, обозначае-
мая v, много меньше скорости света с = 300000 км/с, то доплеровский
сдвиг пропорционален величине v/c. Если источник приближается к нам
или мы к источнику, то мы видим фиолетовое смещение, т. е. частоты фо-
тонов смещаются к фиолетовому концу спектра видимого излучения. Если
источник удаляется от нас, или мы удаляемся от источника, то наблюдает-
ся красное смещение.
Галактики состоят из миллиардов звезд, большинство которых очень
похожи на наше Солнце (хотя их светимость может быть в несколько ты-
сяч раз больше или меньше). Поверхностные температуры звезд могут
быть в несколько раз больше или меньше, чем у Солнца, но размеры, по-
ток энергии и химический состав большинства звезд в галактиках в общем
близки друг другу. Поэтому спектр излучения галактики в целом, которое
представляет собой суммарный поток излучения миллиардов звезд, можно
исследовать так же, как излучение отдельной звезды. Действительно,
спектры галактик обладают теми же особенностями, что и спектры боль-
шинства звезд, например линиями излучения кислорода или линиями по-
глощения ионов кальция (т. е. атомов кальция, в оболочках которых отсут-
ствует часть электронов).
В спектрах излучения галактик энергии, при которых, например, ионы
кальция поглощают фотоны, не равны соответствующим энергиям, изме-
ренным в лабораторных условиях на Земле. Основные особенности спек-
тров повторяются от галактики к галактике, за исключением того, что их
частоты слегка отличаются. Отсюда можно сделать вывод, что движение
галактики в целом по отношению к нам вызывает изменение наблю-
даемых энергий фотонов, обусловленное эффектом Доплера. Если линия
поглощения кальция появляется на меньшей частоте, чем следовало ожи-
дать, значит, имеет место красное смещение и галактика удаляется от нас
(или мы от нее); если линия поглощения появляется на более высоких час-
тотах, чем обычно, то мы имеем дело с фиолетовым смещением и галакти-
ка приближается к нам (рис. 2.8).
Обнаружив цефеиды в других галактиках и оценив по ним расстояния,
Хаббл перешел к анализу измерений доплеровских смещений в спектрах
ближайших галактик, выполненных Слайфером. Сопоставив эти наблюде-
ния движений галактик вдоль луча зрения (т. е. по направлению к нам или
от нас) с собственными оценками расстояний до галактик, Хаббл сделал
следующий вывод : все галактики удаляются от нас, и чем дальше галакти-
ка, тем с большей скоростью она удаляется (рис. 2.8). Сегодня мы назы-
ваем это соотношение законом Хаббла.
Поскольку Хаббл был осторожным и серьезным исследователем, его
Пространство, время и история Вселенной
47
Скопление
в созвездии
Расстояние,
световые годы
Красное смещение
Девы
Большой
Медведицы
Северной
Короны
Волопаса
Г идры
Рис. 2.8. Галактики в пяти различных скоплениях характеризуются красными
смещениями, которые тем больше, чем дальше галактика. Для каж-
дой из этих галактик (ошибочно называемых туманностями) мож-
но измерить красные смещения двух спектральных линий поглоще-
ния ионов кальция, обозначенных буквами Н и К.
48
Глава 2
вывод о том, что скорости убегания галактик прямо пропорциональны
расстояниям галактик от нас, был быстро принят всеми астрономами.
В течение двух лет после первой публикации в 1929 г. Хаббл и Хьюмасон
провели оценки расстояний до еще более далеких галактик и определили
отношение скорость-расстояние (рис. 2.9). Эта работа убедила тех, кто
еще сомневался: за исключением ближайших галактик, все наблюдаемые
галактики удаляются от нас, причем скорости убегания пропорциональны
расстояниям галактик от нас.
Что это значит? Почему все галактики удаляются? Ответ на эти воп-
росы был найден быстро и произвел впечатление разорвавшейся бомбы:
Вселенная расширяется!
Может быть, это выглядит самоуверенно-утверждать, что Вселенная,
т.е. все, что существует, расширяется просто потому, что почти все галак-
тики движутся от нас. Но если считать наши взгляды на Вселенную спра-
Рис. 2.9. Этот график, построенный Хабблом и Хьюмасоном в 1931 г., показы-
вает пропорциональность между расстояниями до галактик и их скоро-
стями удаления от нас.
Пространство, время и история Вселенной
49
Рис. 2.10. Можно использовать в качестве грубой модели трехмерной Вселенной
двумерную поверхность расширяющегося шара. При это мы долж-
ны вообразить, что свет распространяется только по поверхности
и что внутри или вне ее ничего нет. Когда мы надуваем шар,
все его точки удаляются друг от друга; относительная скорость удале-
ния любых двух точек пропорциональна расстоянию между ними. Обра-
тите внимание, что скопление С дальше от скопления Л, чем скопление
В, и движется от А быстрее, чем В.
педливыми, то любой наблюдатель в любой галактике должен видеть то
же самое: галактики движутся от наблюдателя, причем скорости их убега-
ния растут с увеличением расстояния. А если галактики удаляются от лю-
бого наблюдателя, значит, вся Вселенная расширяется.
Мы не знаем, как выглядят недоступные наблюдениям области Вселен-
ной, поэтому у нас нет полной уверенности, что наш взгляд на Вселенную
правилен в целом. Однако астрономы предпочитают гипотезу Хаббла
шобым другим, поскольку иные гипотезы должны были бы основываться
на предположении о том, что мы занимаем какое-то избранное положение,
а не являемся типичной частью Вселенной как единого целого. Поэтому
астрономы считают, что все галактики удаляются друг от друга (за исклю-
чением, может быть, ближайших соседей) всюду во Вселенной.
Но как это возможно? Ведь если галактики в одном месте удаляются
друг от друга, то в каком-то другом месте они должны сближаться? Нет,
I 4X5
50
Глава 2
не должны. Если Вселенная в целом расширяется, то все галактики (точнее,
все скопления галактик) должны удаляться друг от друга. В качестве на-
глядной, хотя и несовершенной, модели этого процесса рассмотрим разду-
вающийся шар, точки на поверхности которого изображают скопления га-
лактик (рис. 2.10). При расширении шара все точки удаляются друг от
друга. Если измерить расстояния по поверхности шара, то скорости взаим-
ного удаления окажутся прямо пропорциональны расстояниям между точ-
ками. Поверхность шара не имеет центра расширения и из каждой точки
можно видеть все другие точки, удаляющиеся друг от друга в соответ-
ствии с двумерной формулировкой закона Хаббла: большим расстояниям
соответствуют большие скорости убегания*.
Первые мгновения Вселенной
Поскольку вещество во Вселенной расширяется, можно сделать вывод,
что когда-то оно было сжато. Иными словами, средняя плотность веще-
ства в прошлом была выше; если двигаться назад во времени, то плотно-
сти будут все больше и больше. (Модель стационарной Вселенной предпо-
лагает, что по мере расширения в ней рождается новое вещество, поэтому
плотность остается неизменной во времени. Эта модель была опровергну-
та наблюдениями, описанными на с. 55.) Если продолжить это мысленное
движение назад во времени, то мы достигнем момента, когда плотность
станет бесконечно большой (рис. 2.11). Этот момент, называемый началь-
ной сингулярностью, представляет собой начало расширения, а для всех
астрономических рассмотрений и начало Вселенной. Мы просто не можем
точно сказать, какой была Вселенная перед началом расширения. Может
быть, она сжималась до этой колоссальной плотности, а может, не суще-
ствовала вообще в известном нам виде.
Рассмотрим Вселенную, какой она могла быть в первые минуты после
начала расширения. На рис. 2.11 видно, что плотности вещества были ко-
лоссальными. При этих фантастических плотностях существовали совер-
шенно иные физические условия, чем теперь. Не было ни галактик, ни
звезд, ни планет или каких-либо других отдельных объектов, была лишь
* Заметим, что шар имеет центр, но этот центр не лежит на его поверхности.
В качестве модели Вселенной мы используем поверхность шара, и нам легко это
сделать, поскольку мы можем наглядно представить себе эту двумерную поверх?
ность в трехмерном пространстве. Если пространство искривлено (см. с. 56), то его
можно представить в виде некоторой «сферической поверхности», но «центр» ее ле-
жит в четвертом измерении (при этом мы рассматриваем Вселенную как погружен-
ную в гипотетическое 4-мерное пространство). В трехмерном пространстве никакого
центра Вселенной не было бы.
Пространство, время и история Вселенной
51
Рис. XII. Средняя плотность вещества во Вселенной уменьшалась в результате
расширения Вселенной от сингулярного состояния. Кубический санти-
метр вещества Вселенной мог выглядеть как эти квадратики.
однородная бурлящая, кипящая смесь частиц, при бесчисленных столкно-
вениях которых возникали и разрушались все типы частиц и античастиц.
По мере расширения Вселенной плотность вещества постепенно умень-
шалась, столкновения частиц происходили все реже, а энергия частиц сни-
жалась. Через полчаса после начала расширения возникла основная смесь
частиц. Вселенная тогда, как и теперь, состояла преимущественно из про-
тонов, нейтронов, электронов и ядер гелия, а также большого числа фото-
нов, нейтрино и антинейтрино. Последние три типа частиц не обладают
массой покоя *, хотя при своем движении со скоростью света они перено-
сят энергию.
♦ Согласно последним экспериментальным данным, нейтрино, вероятно,
имеют массу покоя. Окончательное установление этого факта имело бы колоссаль-
ное значение для космологии-Прим. ред.
4*
52
Глава 2
Вещество и антивещество
Каждая элементарная частица имеет соответствующую античастицу
с такой же массой, но противоположным знаком заряда. При столкнове-
нии частицы с античастицей вся энергия, эквивалентная их массе, превра-
щается в энергию движения. Например, протон и антипротон с одинаковы-
ми массами т и энергиями тс2, где с-скорость света, при столкновении
аннигилируют. При этом выделяется энергия 2тс2, которую уносят жест-
кие фотоны, нейтрино и антинейтрино.
Преобладание вещества в нашей Галактике является следствием про-
цессов аннигиляции античастиц с соответствующими частицами. Мы не
можем сказать, состоят ли другие галактики преимущественно из вещества
или антивещества, поскольку фотоны от галактик обоих типов совершенно
одинаковы. Фотоны и антифотоны-это одно и то же, поэтому мы назы-
ваем те и другие фотонами: они не несут информации о том, пришли ли
они от звезд, состоящих из вещества или антивещества. Но если бы жите-
ли планеты, состоящей из антивещества, посетили Землю, то встреча мо-
гла бы оказаться чрезвычайно разрушительной: при встрече мужчины, со-
стоящего из вещества, и женщины из антивещества в результате
аннигиляции выделится энергия как при взрыве самой мощной водород-
ной бомбы!
На ранней стадии существования Вселенной в результате аннигиляции
частиц и античастиц остались, насколько мы можем судить, главным обра-
зом протоны, нейтроны, ядра гелия и электроны, а также не обладающие
массой покоя фотоны, нейтрино и антинейтрино. Однако свободные ней-
троны, не вошедшие в состав ядер гелия (каждое ядро гелия состоит из
двух протонов и двух нейтронов), вскоре распались или превратились
в другие частицы (рис. 2.12). В результате этих процессов распада обра-
зовывались новые протоны, электроны и антинейтрино. Потребовалось
всего лишь несколько дней, чтобы исчезли все нейтроны, не входившие
в состав ядер гелия. После этого 75% массы Вселенной было заключено
в протонах и 25% в ядрах гелия. Масса электронов составляла лишь около
0,05% общей массы вещества, поскольку масса электрона в 1836 раз мень-
ше массы протона.
Нейтрон
Протон
• Электрон
Антинейтрино .
Рис. 111 Каждый нейтрон, который не входит в атомное ядро, распадается при-
мерно через 15 мин (900 с) на протон, электрон и антинейтрино.
Пространство, время и история Вселенной
53
Образование тяжелых элементов
В бурные первые мгновения существования Вселенной образовались
ядра гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтро-
нов. А что можно сказать о более крупных ядрах, чем гелий, которые
астрономы называют тяжелыми ядрами? К ним относятся, в частности,
ядра самых распространенных на Земле элементов: углерода, азота, кисло-
рода, алюминия, кремния и железа. Возникли ли они в* первые моменты
после начала расширения одновременно с ядрами .водорода й гелия?
Оказывается-нет! В суматохе первых мгновений времени для образо-
вания ядер было очень мало, поскольку плотность вещества уменьшалась
так быстро, что успело образоваться лишь незначительное число тяжелых
ядер. Расчеты эволюции Вселенной показывают, что в значительных коли-
чествах образовались лишь протоны, дейтроны (ядра изотопа водорода
дейтерия, состоящие из протона и нейтрона), ядра гелия-3 (два протона
и нейтрон) и гелия-4 (обычного гелия-два протона и два нейтрона). Со-
держание более тяжелых ядер составляло менее 1/5000% числа протонов
(см. табл. 2.1).
Чтобы объяснить, откуда же все-таки взялись тяжелые ядра, нам надо
обратить свой взор к звездам. Как будет показано в гл. 6, в звездах по ме-
ре их старения ядра водорода и гелия превращаются в ядра все более тя-
желых элементов. Некоторые звезды в конце своего жизненного пути
взрываются, разбрасывая тяжелые ядра по своей галактике. Родившиеся
впоследствии звезды и планеты, которые образуются вместе с ними, могут
захватить некоторое количество этого переработанного в звездах веще-
ства. Поэтому 1% массы Солнца приходится на долю более тяжелых ядер,
чем гелий; Земля тоже получила свою долю тяжелых элементов. Короче
говоря, «звезды умирают, чтобы мы могли жить», поскольку наши тела
и среда нашего обитания состоят главным образом из элементов, которые
возникли не в первые минуты после начала расширения Вселенной, а в ре-
зультате взрывов бесчисленных давно угасших звезд.
Реликтовое излучение
Наиболее распространенными частицами во Вселенной с первых мгно-
вений после начала расширения являются фотоны. На каждый протон во
Вселенной приходится 100 млн. фотонов; но нас больше интересует веще-
ство, а не излучение, поэтому в нашей книге излучение рассматривается
лишь вкратце.
Огромное число фотонов возникло в первые полчаса после начала рас-
ширения в результате аннигиляции частиц и античастиц, главным образом
электронов и позитронов. По мере расширения Вселенной фотоны,
Таблица 2.1
Образование ядер тяжелых элементов в первые минуты после начала расширения Вселенной
Элемент Атомный номер (число протонов) Число ядер (на 1012 протонов), образо- вавшихся в первые минуты после начала расширения * Число атомов (на 1012 атомов водорода) в настоящее время в Солнечной системе и в звездах, подобных Солнцу
Водород 1 1000000000000 1 000 000 000 000
Гелий 2 80000 000000 80 000 000 000
Углерод 6 1600000 370000 000
Азот 7 400000 115000 000
Кислород 8 40000 670000 000
Неон 10 180 110000000
Натрии и все более тя- желые элементы 11 и более 2 500 140 000 000
♦ Различные модели начальной стадии Вселенной дают разные числа ядер тяжелее водорода в первые минуты после начала расширения. В третьем столбце
приведены максимальные числа ядер, которые могли возникнуть при наиболее благоприятных с точки зрения космологов условиях. Содержание элементов тя-
желее гелия в первые минуты было ничтожным.
Пространство, время и история Вселенной
55
шпникшие в первые полчаса, продолжали путешествовать в космическом
пространстве со скоростью света. Если продолжить нашу аналогию Все-
|Ц‘||ной с раздувающимся шаром, то можно представить себе, что фотоны
появились повсюду на поверхности шара, когда она была еще относитель-
но невелика. Фотоны, которые достигают любого наблюдателя в любой
момент времени, были испущены источником (какой-либо другой частью
Вселенной), удаляющимся от наблюдателя в результате расширения
Вселенной.
Поскольку Вселенная расширяется, любой наблюдатель заметит, что
по достигают фотоны все меньших энергий. Все первичные фотоны появи-
инеь примерно в одно и то же время, в первые полчаса после начала рас-
ширения. В результате расширения Вселенной в течение 15 или 20 млрд,
пег эти фотоны испытали сильнейшее красное смещение. Поэтому фотоны
о г гой далекой эпохи, которые мы теперь регистрируем, обладают значи-
iciibHO меньшей энергией, чем в момент своего рождения.
Астрофизик Джордж Гамов первым осознал, что должно произойти
< (ротонами высоких энергий, возникшими вскоре после начала расшире-
ния Вселенной. Он предсказал, что вся Вселенная должна быть заполнена
морем фотонов сравнительно низких энергий, подвергшихся сильному
красному смещению-реликтовому остатку первых 30 мин эволюции Все-
исииой. Через десять лет после предсказания Гамова Пензиас и Уилсон
открыли с помощью радиоантенны, построенной в «Белл телефон лабора-
юрис», море фонового излучения, окружающее нашу Землю на протяже-
нии всей ее истории. Открытие этого реликтового излучения и его после-
дующее подтверждение вооружило нас наиболее прямым свидетельством
юго, что теория расширяющейся Вселенной имеет под собой солидные
основания.
Реликтовое микроволновое излучение служит хорошим напоминанием
о том, что мы находимся внутри непрерывно расширяющейся Вселенной,
не имеющей какого-бы то ни было центра расширения. Откуда приходят
фотоны? Со всех направлений, причем в равных количествах с каждого на-
правления, демонстрируя, что Вселенная на начальном этапе имела всюду
одинаковую плотность вещества и генерировала одинаковые количества
фотонов. Таким образом, Вселенная на начальном этапе была однородной.
Откуда же взялись эти фотоны? Их породила ранняя Вселенная. А почему
фотоны характеризуются таким сильным красным смещением? Потому
ч го эта канувшая в Лету ранняя Вселенная расширялась во всех направле-
ниях с огромной скоростью. Если мы вообразим, что находимся на по-
верхности расширяющегося шара, то фотоны» возникшие раньше, будут
приходить к нам вдоль поверхности со всех направлений, но из все более
удаленных областей, а значит, с все большим красным смещением. Чем
Польше расстояние между двумя объектами на поверхности шара, тем
Польше относительная скорость их удаления друг от друга (рис. 2.10).
56
Глава 2
Конечна или бесконечна Вселенная?
Мы не можем сегодня сказать, конечны или бесконечны размеры нашей
Вселенной, т.е. всего пространства вместе с находящимися в нем объекта-
ми, и конечно или бесконечно количество вещества в ней. Эта проблема
тесно связана с другой, а именно, будет ли Вселенная расширяться вечно.
По-видимому, следующее поколение астрономов сможет решить обе эти
проблемы.
Каков смысл утверждения, что наша Вселенная конечна? Может ли она
иметь границы? Конечно, нет: любые границы и все, что находится за ни-
ми, входит во Вселенную. В конечной Вселенной пространство искривлено
таким образом, что любые «прямые» линии возвращаются обратно в точ-
ку, из которой они вышли, после прохождения очень большого, но все же
конечного расстояния. (Такая кривизна называется положительной.) Полет
ракеты по «прямолинейной» траектории в конечной Вселенной в конце
концов приведет в точку, откуда ракета стартовала.
Поверхность Земли можно рассматривать как наглядную, хотя и очень
приближенную, модель конечной Вселенной. Сегодня мы все знаем, что
живем на сфероиде и что, путешествуя по Земле, движемся по искривлен-
ной поверхности этого сфероида. Если путешествовать достаточно долго,
Рис. 2.13. Если бы мы были двумерными существами, скользящими по поверхно-
сти гладкой сферы, мы не в состоянии были бы вообразйть, что значит
«кривизна» нашей Вселенной. Однако если бы после движения по боль-
шому кругу мы обнаружили, что вернулись в начальную точку, то при-
шли бы к выводу, что наша Вселенная-двумерная сферическая поверх-
ность, имеющая лишь ограниченную площадь.
Пространство, время н история Вселенной
57
io мы вернемся в точку отправления. Поверхность Земли имеет лишь два
измерения: на север (или на юг), на восток (или на запад). Путешествие
в третьем измерении, вверх или вниз, уведет нас с этой поверхности, что
затрудняет сравнение поверхности Земли с Вселенной в целом. Если про-
странство искривлено, то это не просто кривизна двумерной сферической
поверхности; пространство искривлено во всех направлениях. У нас нет
возможности физически или мысленно удалиться от какой-либо части про-
странства во Вселенной, как мы можем удалиться от изолированной
сферы, подобной Земле, чтобы как следует рассмотреть ее. Поэтому труд-
но интуитивно представить себе кривизну трехмерного пространства. Но
мы знаем, что пространство искривлено, и его кривизну можно измерить.
Предположим, что мы сами-двумерные существа и живем на поверх-
ности гладкой сферы (рис. 2.13). Если бы возник вопрос о кривизне про-
странства, мы бы сказали: «Не понятно, как пространство может замк-
нуться само на себя», поскольку не могли бы убедиться в том, что
/и»умерное пространство (единственное доступное нам) обладает кривиз-
ной. Однако мы могли бы это обнаружить: если бы мы начали переме-
щаться по большому кругу, не меняя направления, то вернулись бы в на-
чальную точку и поняли бы, что произошло что-то странное, хотя было
Ьы не ясно, как нам удалось вернуться в ту же точку. Таким образом, не-
смотря на всю непостижимость, факт кривизны в конце концов стал бы
известен.
Если вам трудно вообразить конечную Вселенную, то давайте рассмо-
|рим другую возможность-бесконечную Вселенную. Представьте себе
пространство без конца и края, совершенно безграничное, заполненное бес-
конечно большим числом звезд, галактик, планет, атомов и элементарных
частиц. Посмотрим, что может содержать бесконечная Вселенная. При бес-
конечном наборе ситуаций нет ничего невозможного, может произойти
шобое событие, и не один, а бесконечное число раз! Другие формы жизни
могли бы дублировать нашу, как и любые другие, снова и снова во всевоз-
можных вариантах, причем каждая отдельная возможность повторялась
ьы бессчетное число раз. Существовали бы всевозможные версии этой кни-
III на всех человеческих (и не человеческих) языках, набранные всевоз-
можными типографскими шрифтами, иллюстрированные разными фото-
। рафиями и отпечатанные на всевозможных сортах бумаги. Любой
читатель мог бы оказаться ее автором. Иногда эти книги отличались бы
о г нашего текста лишь одним словом, иногда двумя, иногда несколькими,
и каждая возможность реализовалась бы не в одном месте или в несколь-
ких местах, а в бесконечном числе мест*.
* Читателю может показаться, что это шутка, но это вовсе не шутка. Каким
ьы невероятным ни казалось событие, в бесконечной Вселенной сам факт бесконеч-
ности подразумевает, что оно должно произойти не один раз, и не тысячу раз, и не
58
Глава 2
Мы рассказали об этих возможностях жизни в бесконечной Вселенной,
чтобы проиллюстрировать колоссальные трудности, с которыми сталки-
вается наше воображение при мысли о бесконечной Вселенной. Мы нахо-
димся в пределах нашей Вселенной, но попытка наглядно изобразить ее
требует выхода за ее пределы, физического или мысленного, а это нам ни-
когда не удастся.
Если мы ведем поиск других форм жизни, то можем быть уверены, что
в бесконечной в пространстве и во времени Вселенной не просто суще-
ствует жизнь, а имеется бесконечное разнообразие форм жизни, любые
возможные ее формы и виды. Конечная Вселенная может показаться менее
интересной, но поскольку известно, что она содержит по крайней мере 100
млрд, галактик с миллиардами звезд в каждой, то и в конечной Вселенной
остается огромное разнообразие возможностей*.
Три миллиона лет эволюции человека на Земле привели нас к понима-
нию нашего положения во Вселенной. Мы стоим на пороге открытия того,
каков будет дальнейший ход истории Вселенной, в 7000 раз более продол-
жительной, чем период эволюции человека на Земле: начнется ли в конце
концов сжатие или расширение будет бесконечным. В один прекрасный
день с помощью больших телескопов, выведенных на орбиты за пределы
неспокойной атмосферы Земли, мы, наконец, выясним, конечна или беско-
нечна Вселенная и будет ли она расширяться вечно, измерив расстояния
и видимые яркости самых далеких галактик, доступных наблюдениям, га-
лактик, настолько слабых, что их невозможно наблюдать сквозь толщу за-
щищающего нас воздушного океана.
Расширение Вселенной в будущем
Как только люди узнали, что Вселенная в целом расширяется, немед-
ленно возникли два вопроса: как это расширение влияет на нас, и будет ли
оно продолжаться вечно?
Мы уже давали ответ на первый вопрос, когда говорили об истории
конечное число раз, а бесконечное число раз. Однако нам доступна, даже в принци-
пе, лишь конечная область Вселенной, т.е. мы можем наблюдать лишь бесконечно
малую часть этого бесконечного многообразия. [В данном случае авторы рассма-
тривают абстрактную ситуацию, которая могла бы реализоваться в ньютоновой
модели Вселенной (бесконечность отождествляется с безграничностью, время рас-
сматривается как бесконечно протяженное).-Ред.]
* Поскольку с начала расширения прошел лишь конечный отрезок времени,
мы можем взаимодействовать лишь с конечным объемом Вселенной независимо от
того, сколь велика Вселенная в целом. В любой момент после начала расширения
мы можем знать лишь о тех областях Вселенной, расстояние до которых не превы-
шает скорости света, умноженной на возраст Вселенной.
Пространство, время и история Вселенной
59
Вселенной, в первые минуты существования которой образовалась основ-
ная смесь частиц, наблюдающихся и поныне. Затем образовались галакти-
ки и звезды. Некоторые из звезд взрывались, рассеивая тяжелые ядра,
в том числе и необходимые для жизни, по галактикам, подобным нашей.
Хотя содержание тяжелых ядер не превышает 1% от числа ядер водорода
и гелия, многие из них абсолютно необходимы для жизни. Следовательно,
можно с уверенностью утверждать, что для появления жизни были необхо-
димы как ранняя стадия эволюции Вселенной, когда образовались водо-
род, гелий и электроны, так и взрывы звезд в последующий период. Меж-
ду прочим, наши окрестности не расширяются с той же скоростью, что
и Вселенная. Математические расчеты показывают, что расширение Все-
пснной по закону Хаббла проявляется лишь для больших характерных
расстояний, таких, как расстояния между скоплениями галактик. Более
мелкие объекты: люди, Земля, Солнечная система и даже наша Галакти-
ка-не испытывают заметного расширения.
Мы сможем определить, конечна или бесконечна Вселенная, если уста-
новим, будет ли она расширяться вечно. Космологические расчеты, осно-
ванные на теории относительности, дают ключ к этой проблеме: если Все-
пснная бесконечна, она будет расширяться вечно. Если же Вселенная
конечна, то ее расширение в конце концов прекратится и сменится сжа-
। нем *. Загадка расширения Вселенной связана с ее размерами. В конечных
моделях Вселенной расширение сменяется сжатием, а бесконечные модели
расширяются непрерывно.
Вопрос о том, что ожидает Вселенную в будущем-вечное расширение
или попеременное расширение и сжатие-один из важнейших вопросов,
стоящих перед современными астрономами. Наступление на эту загадку
опирается на тот факт, что если Вселенная когда-нибудь начнет сжиматься,
ю это будет вызвано силой гравитации. Гравитационные силы, насколько
нам известно, таят в себе единственную возможность остановить расшире-
ние Вселенной, которое началось с момента ее рождения и продолжается
до сих пор. Любая часть вещества во Вселенной притягивает любую дру-
। ую часть с помощью гравитационных сил, и это взаимное притяжение по-
* В теориях, которые предусматривают связь между конечностью и сжатием
модели мира или бесконечностью и отсутствием сжатия, принимается, что космоло-
гическая постоянная равна нулю. Немногие космологи верят в теории с ненулевой
космологической постоянной: в этом случае не все типы конечных вселенных в кон-
це концов начали бы сжиматься. Космологическая постоянная-это член, который
впервые ввел Эйнштейн в свои уравнения, описывающие поведение Вселенной. Из
уравнений Эйнштейна следовало, что Вселенная должна расширяться; поскольку
нн да еще не было известно, что она действительно расширяется, он ввел космоло-
И1ческую постоянную, представляющую собой новый тип силы, которая удержи-
НИСТ Вселенную в постоянных размерах. Позднее, когда Эйнштейн узнал о расши-
рении Вселенной, он назвал этот член «великой ошибкой».
60
Глава 2
стоянно стремится преодолеть тенденцию к расширению. В результате
расширение замедляется: время, за которое расстояния между скопления-
ми галактик удваиваются, постепенно возрастает. Но прекратится ли ког-
да-либо рост и начнется ли уменьшение этих расстояний?
Сменится ли когда-либо расширение сжатием, зависит от величины
силы гравитации по сравнению с начальной скоростью, которую приобре-
ли все части Вселенной в момент начала расширения. Есть два пути реше-
ния вопроса о том, прекратится ли расширение Вселенной. Первый, более
прямой путь состоит в определении средней плотности вещества во Все-
ленной. Если эта плотность превышает в настоящее время некоторое кри-
тическое значение (близкое к 10“ 29 г/см3), то расширение в конце концов
сменится сжатием. С другой стороны, если современная средняя плотность
ниже критической, то Вселенная будет расширяться вечно*.
Второй подход к «предсказанию будущего» заключается в обращении
к прошлому в попытке заглянуть в пространство как можно дальше. По-
скольку свет распространяется с конечной скоростью (300000 км/с), наблю-
дения все более и более далеких объектов уводят нас все дальше в про-
шлое к моменту рождения фотонов. Такой взгляд в прошлое позволяет
нам сегодня судить о том, что было миллиарды лет назад, если мы видим
объекты, которые удалены от нас на миллиарды световых лет. Если удаст-
ся определить скорости расширения Вселенной в прошлом и сейчас, то
можно будет экстраполировать эти результаты и установить, уменьшится
ли когда-либо скорость расширения до нуля. Для этого необходимо изме-
рить расстояния до далеких скоплений галактик и скорости их удаления от
нас. Обе величины, измеренные для различных расстояний (т.е. для раз-
личных моментов времени в прошлом), могут сказать, будет ли Вселенная
расширяться вечно или нет.
Оба упомянутых метода решения вопроса о расширении Вселенной
в будущем пока дают несколько противоречивые результаты. Когда мы
пытаемся определить среднюю плотность вещества во Вселенной, мы мо-
жем локализовать те объекты, которые излучают в видимой области или
в радиодиапазоне. Если эти известные нам объекты-звезды в галактиках
и скоплениях галактик-заключают в себе большую часть вещества Все-
ленной, то Вселенная, по-видимому, обречена на вечное расширение, по-
скольку средняя плотность излучающего вещества меньше критического
значения примерно в 20 раз. С другой стороны, второй метод, заключаю-
* Значение критической плотности уменьшается по мере расширения Вселен-
ной, но по точно такому же закону, как и сама плотность. Следовательно, если
плотность превышает критическую в какой-либо момент времени, это будет иметь
место всегда. С другой стороны, если действительное значение ниже критического
в какой-то момент времени, то оно будет ниже всегда. [Если подтвердится, что
нейтрино имеет массу покоя, то средняя плотность вещества во Вселенной пре-
вышает критическую-Прим, ред.]
Пространство, время и история Вселенной
61
|цийся в попытке заглянуть как можно дальше в прошлое, свидетельствует
о том, что количество вещества во Вселенной достаточно для обращения
процесса расширения (рис. 2.14). Но этот метод нельзя считать достаточно
надежным, поскольку он требует очень точного определения расстояний
до далеких скоплений галактик. Наилучшие доступные нам сейчас резуль-
таты показывают, что средняя плотность вещества не превышает критиче-
скую, но в несколько раз превышает значение, определенное из наблюде-
ний только звезд в галактиках.
Другое указание на низкую среднюю плотность вещества во Вселенной
следует из измерений содержания ядер дейтерия. Каждое ядро дейтерия
состоит из протона и нейтрона. Это редкий изотоп водорода, самого рас-
Рнс. 2.14. Если построить зависимость красных смещений галактик, определяющих
скорости их удаления, от расстояний до галактик, которые можно оце-
нить по их видимому блеску, возможно, удастся определить, будет ли
расширение продолжаться вечно или сменится сжатием. По совре-
менным данным в конце концов должно начаться сжатие, но время нача-
ла этого процесса определено недостаточно точно. Точки-наблюдаемые
скопления. Если большинство скоплений лежит выше прямой, то Вселен-
ная замкнута, если ниже, то Вселенная не замкнута.
62
Глава 2
пространенного элемента. Расчеты показывают, что современная распро-
страненность дейтерия должна существенно зависеть от средней плотности
Вселенной, которая определяет, сколько ядер дейтерия возникло в первые
минуты после начала расширения. Если исходить из этих расчетов, то на-
блюдаемая распространенность ядер дейтерия свидетельствует о том, что
средняя плотность вещества значительно ниже значения, которое приведет
к сжатию Вселенной в далеком будущем.
С другой стороны, если наши расчеты или измерения распространенно-
сти дейтерия окажутся неверными, то средняя плотность Вселенной доста-
точна для сжатия. В этом случае мы должны сделать вывод, что большая
часть вещества во Вселенной не излучает в отличие от звезд. Такое неизлу-
чающее вещество может существовать в виде диффузных облаков газа,
слишком слабых звезд или черных дыр (см. гл. 7).
Выводы
Из астрономических наблюдений и их логического анализа можно за-
ключить, что Вселенная в целом расширяется в течение 15 или 20 млрд,
лет из сингулярного состояния. Почти все галактики удаляются от нас со
скоростями, которые растут пропорционально расстояниям до галактик.
Если мы обитаем в типичной части Вселенной, то для всех галактик дол-
жна наблюдаться та же постоянная пропорциональности между расстоя-
ниями и скоростями удаления скоплений галактик, в которые они входят
(закон Хаббла). Следовательно, вся Вселенная расширяется, и мы можем
определить, хотя и приблизительно, ее возраст из наблюдений этого
расширения.
Чрезвычайно высокие плотности и температуры в первые минуты рас-
ширения Вселенной и огромное число столкновений частиц высоких энер-
гий обеспечили рождение всех разновидностей элементарных частиц. Спу-
стя полчаса от начала расширения образовалась основная смесь элемен-
тарных частиц, которая существует до настоящего времени. В эти же
полчаса образовалось огромное число фотонов, так как многие реакции
между частицами сопровождались рождением фотонов. С точки зрения на-
блюдателя, эти фотоны постоянно теряли энергию в результате красного
смещения, вызванного расширением Вселенной; сейчас они образуют ре-
ликтовое излучение, заполняющее всю Вселенную.
Чтобы определить, прекратится ли расширение Вселенной, мы должны
проникнуть как можно дальше в прошлое, наблюдая все более далекие га-
лактики, свет от которых распространяется до нас все дольше. Из этих на-
блюдений можно вывести, как изменялось со временем соотношение меж-
ду расстояниями до галактик и скоростями их удаления и как будет
протекать в будущем расширение Вселенной. Кроме того, измерение сред-
ней плотности вещества во Вселенной скажет нам, сменится ли расшире-
Пространство, время н история Вселенной
63
ние сжатием Вселенной. Если средняя плотность превосходит некоторое
критическое значение, то Вселенная в конце концов начнет сжиматься.
В настоящее время как определения средней плотности вещества, так и на-
блюдения далеких галактик остаются слишком неопределенными, чтобы
ответить на вопрос, сменится ли расширение сжатием. Точно так же эти
наблюдения пока не могут сказать нам, конечна или бесконечна Вселенная.
Вопросы
1. Почему из простых наблюдений удаления скоплений галактик мы делаем
вывод, что Вселенная расширяется?
2. Почему параллактическое смещение уменьшается по мере увеличения рас-
стояний до звезд?
3. Предположим, что две галактики почти одинаковы по своему строению, но
наблюдаемая яркость одной из них в 400 раз ниже, чем другой. Которая из этих
двух галактик дальше от нас и насколько?
4. Предположим, что энергия фотона недостаточна, чтобы выбить электрон из
атома водорода. Больше или меньше должна быть длина волны фотона, чтобы
обеспечить ионизацию атома водорода? А частота фотона?
5. Как изменяет эффект Доплера энергию фотонов, возникших в первые полча-
са после начала расширения Вселенной? Как будет меняться энергия этих фотонов
в будущем?
6. Откуда приходят фотоны реликтового излучения? С каких направлений?
Что это говорит нам о существовании центра Вселенной?
7. Какие области Вселенной состоят из антивещества? Почему трудно ответить
па этот вопрос?
8. Что означает утверждение о конечности Вселенной? Если в качестве модели
Вселенной рассмотреть поверхность раздувающегося шара, откуда берется новое
пространство на поверхности при расширении шара?
9. Почему средняя плотность вещества во Вселенной определяет, будет ли Все-
пепная расширяться вечно? Должна ли плотность быть больше или меньше, чем
обеспечивают звезды в галактиках, чтобы расширение сменилось сжатием?
10. Как можно узнать, будет ли Вселенная расширяться вечно или нет? Какая
нозможность представляется сегодня более правдоподобной?
И. Галактики в скоплении Волосы Вероники удаляются от нас со скоростью
/ООО км/с, а галактики в скоплении Северная Корона-со скоростью 21 000 км/с. Ко-
юрое из скоплений дальше от нас? Насколько?
12. Допустим, что самые яркие галактики в скоплениях Волосы Вероники и Се-
верная Корона имеют одинаковые светимости. Какая из них будет выглядеть ярче?
Насколько?
Литература
llonnor W. The mystery of the expanding universe, Macmillan, New York, 1964.
Charon J. Cosmology: Theories of the universe, McGraw-Hill Book Co., New York,
1973.
64 Глава 2
Davies Р. С. W. Space and time in the modem universe, Cambridge Univ. Press,
Cambridge, Mass., 1977.
Ferris T. The red limit, William Morrow and Co., New York, 1977.
Gingerich O., ed. Cosmology + 1, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1977.
Goldsmith D., Levy D. From the black hole to the infinite universe, Holden-Day, San
Francisco, 1974.
Kaufmann W. Relativity and cosmology, 2nd ed., Harper and Row, New York, 1974.
Weinberg S. The first three minutes, Basic Books, New York, 1977. (Имеется перевод:
Вейнберг С. Первые три минуты-М.: Атомиздат, 1981.)
Научная фантастика
Asimov A. The gods themselves, Fawcett Crest Books, New York, 1972. (Имеется пере-
вод: АзимовА. Сами боги.-М.: Мир, 1976.)
Глава 3
Галактики
Галактики, каждая из которых состоит из многих миллионов звезд,
представляют собой основной тип видимых объектов за пределами нашего
Млечного Пути, гигантской спиральной галактики, содержащей по совре-
менным данным около 400 млрд, звезд. В пределах нескольких миллиар-
дов парсеков вокруг Галактики, т.е. в области наблюдаемой Вселенной,
находятся миллиарды отдельных галактик, обычно группирующихся в скоп-
ления и образовавшихся из некогда бесструктурной почти однородной сре-
ды. В наших поисках жизни во Вселенной возрасты галактик и образующих
их звезд имеют первостепенное значение, потому что для развития жиз-
ни нужны время и более или менее стабильные условия в течение эво-
люции.
Таким образом, когда мы изучаем образование и дальнейшую эволю-
цию галактик, мы должны тщательно проанализировать различные типы
галактик и входящих в них звезд, чтобы выбрать места, где можно искать
жизнь. Хотя ближайшие к нам цивилизации (как мы надеемся!) находятся
в пределах Млечного Пути, мы не должны забывать, что наша Галакти-
ка-это лишь одинокая песчинка в почти не изученном океане, который мы
называем Вселенной. Чтобы правильно оценить вероятность жизни во Все-
ленной, следует рассмотреть соотношения между различными типами га-
лактик и различными типами звезд в них и решить, насколько типична на-
ша Галактика. Точно так же мы должны тщательно изучить соседние
планеты, чтобы решить, насколько типичной планетой является Земля.
( пиральные галактики
Солнечная система находится на периферии Галактики, гигантской спи-
ральной системы, состоящей из звезд, газа и пыли и похожей на галактику
NGC6744 (рис. 3.1). Поскольку современный технологический уровень не
позволяет нам совершить путешествие за пределы нашей Галактики, мы
пс можем взглянуть на нее со стороны, но можем попытаться изобразить
структуру нашей Галактики изнутри, несмотря на трудность увидеть «лес»
из-за окружающих нас звездных «деревьев». В течение последних 60 лет
«I 4К5
Рис. 3.1. Спиральная галактика NGC6744, расположенная на расстоянии 15 Мпс
от нас.
Рис. 3.2. Спиральные галактики, подобные нашей Галактике, представляют собой
тонкие диски, состоящие из звезд и газа, с небольшим ядром в центре
(вид с ребра). Солнце находится на расстоянии 10 кпс от ядра Галактики.
астрономы установили место Солнца в Галактике: оно расположено вбли-
зи плоскости ее симметрии, но далеко от галактического центра-мы жи-
вем на окраине Галактики (рис. 3.2).
В течение нашего столетия астрономы наблюдали видимое излучение
галактик и анализировали их спектры. В последние десятилетия начаты на-
блюдения во всех областях спектра электромагнитного излучения, включая
радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, а совсем недав-
но рентгеновское и гамма-излучение. Новые наблюдения принесли новые
открытия: например, в рентгеновском диапазоне мы можем заглянуть го-
раздо глубже внутрь галактики в созвездии Андромеды, чем с помощью
фотоснимков, сделанных в видимом свете (рис. 3.3). Эти новые сведения
позволяют лучше понять строение и эволюцию галактик.
Общая структура спиральных галактик, к которым относится и наша
Галактика, обладает двумя удивительными особенностями. Во-первых, они
по форме напоминают мелкую тарелку, поскольку их толщина не превы-
шает 1% диаметра (рис. 3.2). Во-вторых, вещество в спиральных галакти-
ках, по-видимому, сосредоточено преимущественно в спиральных рукавах
(рис. 3.1). Но это преобладание вещества в рукавах выглядит несколько
преувеличенным по сравнению с тем, что есть на самом деле. В спи-
ральных рукавах находятся самые яркие и самые молодые звезды, которые
начали светить лишь недавно-несколько десятков миллионов лет назад.
Но эти ярчайшие звезды совершенно непригодны как центры, около ко-
торых может развиться жизнь, потому что они сгорают за значительно бо-
лее короткое время, чем требуется для развития жизни на какой-либо из
планет, которые могли бы обращаться вокруг них. Более старые звезды
в спиральной галактике, подобные нашему Солнцу, располагаются как
в рукавах, так и между ними, создавая довольно равномерное распределе-
ние звезд по диску.
5*
Галактики
69
сжатии газа
Рис. 3.4. Спиральная волна плотность при своем вращении вокруг центра
галактики непрерывно сжимает облака газа, вызывая образование
нового поколения звезд из межзвездного вещества. Таким образом,
спиральная структура галактики, обозначенная самыми молодыми звез-
дами, отражает недавнее прохождение волны плотности. Вещество про-
ходит через волну плотности в направлении, указанном стрелкой. Волна
плотности вращается медленнее, чем звезды и газ.
Гази пыль
Яркие молодые
звезды
Слабые старые
звезды
Почему же самые молодые звезды появляются только в спиральных
рукавах галактик? Эти галактики обладают спиральными рукавами благо-
даря волновой структуре (волне плотности), существующей вокруг их
центров (рис. 3.4). Волновая структура состоит из чередующихся областей
с высокой (рукава) и низкой плотностью (области между рукавами). Этот
вращающийся спиральный узор, в котором плотность в рукавах лишь не-
много выше, чем в пространстве между ними, напоминает рябь на поверх-
ности воды, правда, место воды занимают звезды и диффузный меж-
звездный газ. Другое отличие заключается в том, что волны на воде
Рнс. 3.3. Центральные области большой спиральной галактики в созвездии
Андромеды, сфотографированные в видимом свете (вверху), пред-
ставляют собой плотную смесь звезд, газа и пыли. Рентгеновское
излучение способно проникнуть сквозь эту массу вещества и дать
изображение рентгеновских источников в самом сердце галактики (вни-
зу). Фотография в рентгеновских лучах показывает пятую часть области,
изображенной на верхнем снимке, причем видны объекты, расположен-
ные глубоко внутри этой области.
70
Глава 3
разбегаются во все стороны от источника возмущения, а волны плотности
в галактике совершают много оборотов вокруг центра Галактики.
Хотя плотность вещества в спиральных рукавах лишь незначительно
превышает плотность между рукавами, этот небольшой избыток оказы-
вает существенное влияние на облака газа в плоскости галактики. Увеличе-
ние плотности в рукавах означает, что возрастает среднее давление на
облака газа, находящиеся в межзвездном пространстве. Когда газовое
облако входит в более плотную часть спирального рукава, вследствие вне-
запного повышения давления облако делится на более мелкие сгустки ве-
щества, которые могут конденсироваться в звезды (см. с. 113). В результате
этого процесса внутри спиральных рукавов рождаются звезды, так что ру-
кава представляют собой как бы гигантский космический инкубатор, в ко-
Рис. 3.5. Когда газовое облако проходит через наиболее сжатый участок спи-
ральной волны плотности, оно может распасться на сгустки, которые
становятся протозвездами. На увеличенном участке волны плотности
показаны последовательные этапы образования звезд:
1-волна плотности сначала сжимает газ;
2-неоднородности в газе сжимаются в облака, которые начинают сжи-
маться под действием собственной силы гравитации; .
3-по мере сжатия облака распадаются'на сгустки;
4-образуется скопление молодых звезд.
Вещество проходит через волну плотности в направлении, указанном
стрелкой. Кружки-старые звезды, образовавшиеся во время предыду-
щих прохождений волны плотности.
Галактики
71
Рис. 3.6. Большинство звезд в спиральной галактике движутся вокруг ее цент*
ра по почти круговым орбитам, отклоняясь при каждом обороте
несколько раз вверх и вниз на несколько сотен парсеков. Некото-
рые звезды движутся по сильно вытянутым орбитам.
юром молодые звезды располагаются вблизи передней границы рукавов
(рис. 3.5).
Звезды и облака газа, из которых они образуются, обращаются вокруг
центра спиральной галактики подобно тому, как планеты в нашей Солнеч-
ной системе обращаются вокруг Солнца (рис. 3.6). Орбита каждой
1всзды-это результат равновесия между притяжением со стороны веще-
ства, расположенного ближе к центру галактики, и импульсом звезды, т.е.
ее стремлением двигаться в пространстве по инерции, прямолинейно.
Большинство звезд в спиральных галактиках движутся по почти круговым
орбитам вокруг галактического центра подобно тому, как наше Солнце
обращается вокруг центра нашей Галактики.
' Глиптические галактики
Другой основной тип галактик-это эллиптические галактики. У этих
ылактик нет плоского диска, состоящего из звезд: распределение звезд
и них имеет почти сфероидальную конфигурацию, а иногда форму эллип-
соида (рис. 3.7). Поскольку эллиптические галактики в отличие от спи-
ральных не имеют спирального узора, они очень похожи друг на друга.
72
Глава 3
Рис. 3.7. Гигантская эллиптическая галактика М87, крупнейшая в соседнем
скоплении галактик в Деве, содержит больше звезд (около трех
триллионов), чем любая другая известная нам галактика. Она находится
на расстоянии 15 Мпс от нас.
Эллиптические галактики почти так же многочисленны, как и спиральные,
и гигантская эллиптическая галактика может содержать столько же звезд,
сколько крупнейшая спиральная галактика, или даже больше.
Эллиптические и спиральные галактики отличаются не только строе-
нием, но также количеством межзвездного газа и пыли. Межзвездный газ,
главным образом атомы и молекулы водорода, представляет собой остат-
ки первичного вещества, из которого сконденсировались звезды, непрерыв-
но обогащаемого веществом, выбрасываемым при взрывах звезд. Однако
в эллиптических галактиках образование звезд, по-видимому, завершилось,
поскольку эти галактики почти не содержат межзвездного газа. Нет в эл-
липтических галактиках и молодых звезд, ровесниц самых молодых звезд
в спиральных системах. В спиральных галактиках 5 или 10% их полной
массы приходится на облака межзвездного газа, и даже сейчас в них рож-
даются (или только что родились) звезды из межзвездного газа в спи-
ральных рукавах, подобных рукавам нашей Галактики.
Рис. 3.8. Большое Магелланово Облако (вверху)-неправильная галактика, один из
двух спутников нашей Галактики, расположена на расстоянии 60 кпс от
нас. В неправильной галактике М 82 (внизу), удаленной на 4 Мпс, имеется
состоящая из звезд перемычка, но содержатся большие скопления газа
и пыли, типичные для неправильных галактик.
74
Глава 3
Неправильные галактики
Помимо спиральных и эллиптических существует третий тип галак-
тик-неправильные галактики. Как следует из их названия, они не входят
ни в одну из двух основных категорий, насчитывающих вместе 90% всех
известных нам галактик. Неправильные галактики не обладают ни диском,
свойственным спиральным системам, ни однородностью структуры, свой-
ственной эллиптическим галактикам. Два примера хорошо изученных не-
правильных галактик показаны на рис. 3.8: веретенообразная М 82 и спут-
ник нашей Галактики, называемый Большое Магелланово Облако*.
Подобно спиральным, неправильные галактики содержат много облаков
межзвездного газа и пыли, причем от 20 до 50% их общей массы заключе-
но в межзвездном газе, из которого еще не сформировались звезды.
Образование галактик
Астрономы полагают, что все эти системы, за исключением, может
быть, некоторых неправильных, существуют как галактики уже миллиарды
лет. Образование галактик, по-видимому, началось через несколько мил-
лиардов лет после начала расширения Вселенной, т.е. 15-20 млрд, лет на-
зад. Таким образом, галактики скорее всего возникли на ранней стадии
эволюции Вселенной, хотя сейчас мы не можем сказать, произошло ли это
через 1, 3 или даже 5 млрд, лет после начала расширения. Ясно лишь то,
что эллиптические галактики всегда были эллиптическими, а спиральные-
спиральными (или по крайней мере дискообразными).
Галактики в стадии образования называются протогалактиками (при-
ставка «прото» означает первичность, первооснову). Они рождаются при
сжатии огромных облаков газа и пыли. Мы не знаем, как началась конден-
сация облаков в протогалактики, но знаем, что если конденсации появи-
лись, то они будут сжиматься под действием гравитационных сил. По мере
сжатия протогалактика может приобрести заметное вращательное движе-
ние, которое заставляет каждую ее часть вращаться вокруг центра сжатия
(рис. 3.9). Таким образом, вместо того чтобы стянуться в единый цент-
ральный сгусток, отдельные части протогалактики становятся звездными
скоплениями и звездами, обращающимися вокруг галактического центра.
Сгущения, которые выделились на раннем этапе сжатия, приобретают бо-
лее вытянутые орбиты, а более поздние сгущения, появившиеся в ходе
дальнейшего сжатия протогалактики, имеют почти круговые орбиты (рис.
3.9).
* Самые яркие галактики и звездные скопления имеют номера, присвоенные
им Шарлем Мессье, который составил каталог галактик, туманностей и звездных
скоплений в 1780-х годах. Галактики, обозначенные буквами NGC, входят
в «Новый общий каталог» (New General Catalogue), составленный в 1890-х годах.
Галактики
75
Рис. 3.9. Сгущения, которые образовались, когда протогалактика имела раз-
меры значительно большие, чем современные размеры галактики,
имеют большие и сильнее вытянутые орбиты (слева), чем сгущения,
образовавшиеся позднее (справа).
Звездные скопления
Первыми объектами, которые образовались по мере сжатия протога-
лактик до нынешних размеров, были шаровые звездные скопления-группы,
насчитывающие многие тысячи звезд, расположенных на расстояниях не-
скольких парсеков друг от друга (рис. 3.10). Шаровые скопления принадле-
жат к галактикам, но, поскольку они начали формироваться, когда раз-
меры протогалактики были много больше, чем современные размеры
Галактики, эти скопления вращаются вокруг центра Галактики по очень
вытянутым орбитам, временами удаляясь от центра на огромные расстоя-
ния (рис. 3.11). Газ в протоскоплениях, породивших шаровые скопления,
подвергся дальнейшей фрагментации на отдельные протозвезды: сегодня
шаровые скопления содержат только звезды и не содержат газа. Большин-
ство звезд в шаровых скоплениях относятся к категории самых старых из
известных объектов (см. с. 115); среди них нет таких молодых звезд, как
яркие звезды, очерчивающие рукава спиральных галактик. Все же у многих
из этих звезд светимость выше, чем у Солнца. Если бы мы жили на плане-
те, обращающейся вокруг звезды в шаровом скоплении, то из-за высокой
концентрации звезд на небе были бы десятки светил, каждое из которых
сияло бы, как Луна в полнолуние!
В пределах плоского диска спиральной галактики, окруженного паути-
ной шаровых скоплений (рис. 3.11), встречается другой тип звездных скоп-
лений -рассеянные скопления. Их размеры близки к размерам шаровых
Рис. 3.10. Это шаровое звездное скопление М13, расположенное на расстоя-
нии 8000 пс от Солнца, содержит около миллиона звезд и имеет диа-
метр 10 пс. Возраст всех звезд в нем около 10 млрд. лет. Послание вне-
земным цивилизациям из Аресибо (с. 449) было передано по направле-
нию к М13 в 1974 г. и достигнет его примерно через 25 000 лет.
Рис. 3.11. Распределение шаровых скоплений (кружки) в Галактике показывает, что
многие из них расположены гораздо дальше от центра Галактики, чем
другие звезды. Кроме того, скопления не концентрируются к плоскости
симметрии Галактики.
Галактики
77
скоплений (диаметр несколько парсеков), но они содержат сотни или в луч-
шем случае тысячи звезд по сравнению с сотнями тысяч звезд в шаровых
скоплениях. Как можно судить по их расположению, рассеянные скопления
образовались после того, как галактика сжалась и приобрела форму диска.
(Эллиптические галактики не содержат рассеянных скоплений, хотя вокруг
них много шаровых скоплений.) Рассеянные скопления не сохраняются
в течение всего времени жизни галактики (12 млрд, лет в случае нашей Га-
лактики). В отличие от шаровых скоплений, масса которых достаточна,
чтобы они сохранялись в виде отдельных образований многие миллиарды
лет, рассеянные скопления содержат слишком мало звезд, чтобы оставать-
Рис. 3.12. Плеяды-рассеянное скопление, содержащее около сотни звезд, на рас-
стоянии примерно 120 пс от Солнца. Межзвездная пыль отражает часть
света самых ярких звезд. Диаметр скопления около 4 пс.
78
Глава 3
ся компактными образованиями на протяжении всей жизни галактики. По-
сле десятка галактических оборотов, каждый из которых длится несколько
сотен миллионов лет, звезды рассеянного скопления смешиваются с други-
ми звездами диска галактики. Например, наше Солнце, вероятно, образо-
валось вместе с несколькими сотнями других звезд, составлявших около
4,6 млрд, лет назад неплотную ассоциацию, но мы сегодня не знаем о ны-
нешнем местонахождении «братьев и сестер» Солнца; очевидно, они те-
перь гораздо дальше от нас, чем наши ближайшие звездные соседи.
Типичное рассеянное скопление, которое можно наблюдать в настоя-
щее время, такое, как Плеяды (рис. 3.12), «проживет» десятки миллионов
лет и будет еще содержать остатки газа и пыли, из которых сконденсиро-
вались отдельные звезды. Поскольку мы полагаем, что для возникновения
и развития жизни нужно несколько сотен миллионов или даже несколько
миллиардов лет, молодые рассеянные звездные скопления, по-видимому,
не представляют интереса для поисков жизни. Все звезды в Плеядах, по
нашему мнению, слишком молоды, чтобы на какой-либо из планет, ко-
торые, возможно, обращаются вокруг этих звезд, возникла жизнь. Наши
надежды связаны не с молодыми яркими членами звездного населения, но
с более «спокойными» и более старыми звездами, которые распростра-
нены в галактиках, подобных нашей.
Радиогалактики
Среди миллионов и миллионов галактик, доступных нашим телеско-
пам, обнаружено несколько необычных, излучающих мощные потоки ра-
диоволн. Поскольку звезды излучают лишь небольшую долю своей тер-
моядерной энергии в виде радиоволн и поскольку галактики состоят
главным образом из звезд, мы, по-видимому, имеем дело с необычными
галактиками. Астрономы назвали радиогалактиками такие объекты, ко-
торые испускают в единицу времени столько же энергии (или даже боль-
ше) в виде радиоволн, сколько в виде света. Упомянем для сравнения, что
Млечный Путь, типичная гигантская спиральная галактика, излучает в еди-
ницу времени в миллион раз меньше энергии в виде радиоволн, чем в виде
света,-вот сколь необычны радиогалактики.
По-видимому, огромные потоки радиоизлучения обусловлены бурными
процессами, происходящими внутри радиогалактик. Подробно исследовав
излучение этих галактик, астрономы пришли к выводу, что радиоволны
в большинстве радиогалактик генерируются синхротронным процессом.
Название, заимствованное из области ускорителей элементарных частиц,
в которых ученые впервые тщательно изучили этот процесс, показывает,
что заряженные частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости
света, в магнитном поле, излучают при изменении скорости или направле-
ния движения, или того и другого вместе. Излучение уменьшает энергию
Галактики
79
Рис. 3.13. Распределение радиоизлучения от радиогалактики Лебедь А (см. рис.
3.15) показывает, что наиболее интенсивное излучение исходит из обла-
стей, расположенных далеко за пределами галактики, которую мы на-
блюдаем в видимом свете (она выделена прямоугольником в центре
рисунка).
заряженных частиц; если энергия не будет добавляться извне, то ско-
рость частиц быстро снизится и синхротронное излучение прекратится. Из
того факта, что в радиогалактиках происходит этот процесс, можно за-
ключить, что они содержат много заряженных частиц (скорее всего, элек-
тронов), которые движутся со скоростями, близкими к скорости света,
в магнитном поле. Следовательно, какие-то возмущения внутри радиога-
лактик разгоняют частицы до колоссальных скоростей, хотя мы и не знаем
природы этих возмущений.
Когда мы детально изучаем излучение радиогалактик, обычно оказы-
вается, что оно приходит из обширных областей, расположенных далеко
от центра галактики, а часто даже за пределами ее видимых очертаний
(рис. 3.13). Наиболее распространенная теория радиогалактик предпола-
гает, что ускорение частиц происходит в центрах таких галактик. Неко-
торые необычные галактики выбрасывают быстрые частицы в противопо-
। южных направлениях. Тот факт, что максимум синхротронного радиоиз-
лучения часто наблюдается у внешних границ радиооблаков, как показано
на рис. 3.13, обусловлен столкновениями частиц с межгалактическим га-
зом. Быстрым частицам постепенно становится все труднее пронизывать
газ, их движение замедляется в результате «эффекта бульдозера», поэтому
частицы скапливаются вблизи внешней кромки облака.
80
Глава 3
Квазары
Квазары, или квазизвездные радиоисточники, стали астрономической
сенсацией 1963 г., в очередной раз опровергнув любые предположения
о том, что мы можем объяснить все, что видим на небе. Квазары могут
быть либо наиболее удаленными из известных нам объектов и наиболее
мощными источниками излучения, либо спутниками довольно обычных га-
лактик и тогда их излучение не удается объяснить с помощью известных
механизмов. Мы рассмотрим сначала свойства квазаров, а затем данные,
свидетельствующие в пользу каждой из двух гипотез о расстояниях до них.
По мере накопления данных наблюдений большинство астрономов при-
шли к выводу, что квазары дальше от нас, чем любые другие объекты, до-
ступные наблюдениям. Но небольшая часть астрономов утверждала, что
наиболее убедительные данные наблюдений говорят о пространственной
близости квазаров и не очень далеких галактик.
Большинство квазаров интенсивно излучают радиоволны. Когда астро-
номы точно определили положения этих радиоисточников на фотографиях,
полученных в видимом свете, они обнаружили звездообразные объекты
(рис. 3.14). Спектры излучения этих квазизвездных изображений поразили
астрономов, потому что они не содержали ни одной спектральной линии,
известной в спектрах других звезд. После временного замешательства
астронома М. Шмидта осенила догадка: свет от двух первых обнару-
женных квазаров имеет такое большое красное смещение, что все линии
в их спектрах сдвинулись из желтой области в красную! Красное смещение
для этих двух квазаров, если оно имеет доплеровскую природу, дает ско-
рости удаления, составляющие от 15 до 30% скорости света!
С помощью закона Хаббла астрономы рассчитали, что эти скорости
соответствуют расстояниям 900 Мпс до одного квазара и 1,8 Гпс до друго-
го. Такое положение квазаров соответствует наиболее далеким галактикам,
однако их видимая яркость равна яркости некоторых крупных галактик,
находящихся в 100 раз ближе к нам. Еще более таинственным является тот
факт, что по своим размерам квазары явно меньше галактик: ведь они вы-
глядят как точечные источники света, в то время как даже самые далекие
галактики похожи на размытые светящиеся кляксы (рис. 3.15).
В последние годы астрономам удалось зарегистрировать инфракрасное
и рентгеновское излучение квазаров; они обнаружили, что мощность излу-
чения некоторых объектов в этих областях спектра даже больше, чем в ви-
димой области и радиодиапазоне. Если просуммировать энергии излуче-
ния во всех областях спектра, то оказывается, что некоторые квазары
генерируют в 100000 раз больше энергии в секунду, чем гигантские галак-
тики при условии, что наши оценки расстояний до квазаров верны. Еще
одна загадка квазаров заключается в том, что некоторые из них меняют
свою яркость с периодом в несколько суток, недель или лет, тогда как
обычные галактики не обнаруживают таких вариаций.
Галактики
81
ЗС48 ЗС147
ЗС 273 ЗС196
Рис. 3.14. Четыре хорошо известных квазара похожи на звезды на фотоснимке
в видимом свете, хотя на снимке квазара ЗС 273 виден выброс вещества
(справа внизу).
6 485
82
Глава 3
Рис. 3.15. Даже столь удаленная галактика, как Лебедь А, которая отстоит от нас
более чем на миллиард световых лет, выглядит при значительном увели-
чении как размытая светящаяся клякса. Квазар, находящийся на таком
же расстоянии от нас, выглядит скорее точечным, чем протяженным
объектом, и должен быть поэтому много меньше, чем Лебедь А.
Никто не знает, каков механизм излучения квазаров и почему их
мощные потоки энергии могут изменяться за относительно короткое вре-
мя. Не исключено, что они представляют собой ранние стадии образова-
ния галактик, поскольку гигантские расстояния до них означают, что мы
видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. (Самые далекие
из известных квазаров находятся на расстояниях около 12 млрд, световых
лет!) Быть может, в молодых галактиках вспыхивает много сверхновых
звезд и эти вспышки способны обеспечить колоссальные потоки энергии
на протяжении нескольких миллионов лет, но это пока лишь гипотеза.
Галактики
83
Некоторые астрономы считают, что потоки энергии от квазаров значи-
тельно ниже, поскольку расстояния до них сильно преувеличены. Если ква-
зары, скажем, в 100 раз ближе к нам, чем мы думаем, то мы завышаем
в 10000 раз их светимость при расчетах мощности излучения по их наблю-
даемой яркости. Астрономы, которые придерживаются этой точки зрения,
исходят из того факта, что квазары часто видны на небе рядом с пеку-
лярными (необычными) галактиками (рис. 3.16). Эти галактики, хотя и не-
сколько необычны по своей структуре, имеют обычные красные смещения,
которым соответствуют скорости удаления, равные нескольким процентам
от скорости света. А квазары, расположенные на небе поблизости от них,
имеют красные смещения в 10-20 раз больше!
Как можно объяснить это явное противоречие? Уж не в результате ли
случайного совпадения значительно более далекие квазары видны почти
в тех же направлениях, что и галактики? Статистические оценки показы-
вают, что это невозможно. Но если квазары находятся по соседству с до-
вольно близкими галактиками, чем объяснить их огромные красные сме-
Рис. 3.16. Негативный отпечаток, на котором изображены несколько необычная (пе-
кулярная) спиральная галактика и квазар неподалеку от нее (отмечен
стрелкой). Возможно, квазар и значительно более близкая галактика слу-
чайно оказались почти на одном луче зрения, или же они действительно
расположены близко друг к другу в пространстве.
6*
84
Глава 3
щения? Единственное разумное объяснение-эффект Доплера, но почему
мы всегда наблюдаем лишь красное смещение (удаление) и никогда-фио-
летовое (приближение)? И как вещество могло быть выброшено (всегда
в направлении от нас!) с такими огромными скоростями и сохранить при
этом форму единого объекта?
Ответ гласит: это никому неизвестно. За 15 лет не удалось определить
ни расстояния до квазаров, ни их природу и источники их колоссальной
энергии. Может быть, загадка квазаров таит в себе ключ к какой-то новой
области астрофизики, какие-то новые возможности возникновения боль-
ших красных смещений в неизвестных нам ситуациях или новые способы
генерации гигантских энергий, если квазары находятся очень далеко, на
расстояниях, соответствующих их красным смещениям. Будем надеяться,
что в следующие 15 лет-или раньше, если нам повезет,-удастся преодо-
леть эти трудности в объяснении природы удаленных областей Вселенной,
в которых расположены квазизвездные объекты. А сейчас мы можем толь-
ко сказать: по-видимому, это естественные, а не искусственные астрономи-
ческие объекты, поскольку нам пока не понятно, как цивилизация могла
бы «сделать» квазар.
Выводы
Вещество в настоящее время уже не распределено равномерно в про-
странстве, как на ранней стадии эволюции Вселенной, а собрано в сгустки,
называемые звездами, которые в свою очередь сгруппированы в галактики
и скопления галактик. Эти сгустки образовались благодаря силам гравита-
ции на ранней стадии эволюции Вселенной, а затем сжались до нынешних
размеров, в то время как Вселенная в целом продолжала расширяться.
В спиральных галактиках, которые составляют около половины всех
галактик, вещество распределено в форме диска, причем самые молодые
и яркие звезды очерчивают спиральные рукава. Другой основной тип га-
лактик, эллиптические галактики, гораздо более однородны, чем спи-
ральные, и, по-видимому, в них первичные газ и пыль полностью превра-
тились в звезды. Межзвездный газ все еще составляет в спиральных
галактиках от 5 до 10% их массы, а в неправильных галактиках без какой-
либо четко выраженной структуры от 20 до 50%.
Небольшая часть звезд образует звездные скопления двух различных
типов. Шаровые скопления движутся по вытянутым орбитам значительно
дальше от центров галактик, чем большинство звезд, и представляют ста-
рейшие образования галактик, так как они возникли первыми при сжатии
протогалактик. Рассеянные скопления обнаружены только в спиральных
и неправильных галактиках, но их нет в эллиптических галактиках. Они
всегда располагаются вблизи плоскости симметрии спиральных галактик
и обычно состоят из молодых звезд, как, например, скопление Плеяды.
Галактики
85
Число звезд в них не превышает нескольких сотен, в то время как в ша-
ровых скоплениях оно может достигать миллиона и более.
Квазизвездные радиоисточники, или квазары, на фотоснимках имеют
вид светящихся точек в отличие от размытых клякс, изображающих галак-
тики; кроме радиоизлучения, они испускают мощные потоки инфракрасно-
го, видимого и рентгеновского излучения. Спектры видимого излучения
квазаров характеризуются самым большим красным смещением из всех
известных источников. Если это красное смещение обусловлено расшире-
нием Вселенной, то квазары должны быть самыми удаленными из из-
вестных объектов и наиболее мощными источниками фотонов. Однако
многие квазары наблюдаются на небе по соседству с пекулярными галак-
тиками. Если квазары действительно как-то связаны с этими галактиками,
то они примерно в сто раз ближе, чем мы думали, и их необычное красное
смещение представляет собой тайну, еще не разгаданную астрофизиками.
Вопросы
1. Почему галактики удерживаются как единое целое, а не размазаны равно-
мерно по пространству? Почему звезды объединены в галактики?
2. Каковы основные различия между спиральными и эллиптическими галакти-
ками? Чем они похожи друг на друга?
3. Какова роль волн плотности в образовании звезд в спиральных галактиках?
4. Почему самые молодые звезды спиральных галактик всегда появляются
в спиральных рукавах?
5. Почему все звезды галактики не скапливаются в ее центре и не разлетаются
во все стороны?
6. Каковы различия между двумя основными типами звездных скоплений в на-
шей Галактике? Встречаются ли подобные скопления в эллиптических галактиках?
7. Галактики М 87 и NGC 7793 имеют почти одинаковые видимые яркости, но
М 87 в четыре раза дальше, чем NGC 7793. В каком отношении находятся их
светимости?
8. Почему большинство астрономов считают квазары наиболее удаленными из
всех известных объектов? Почему некоторые астрономы не согласны с этим?
9. Спектр видимого излучения квазара ЗС 147 характеризуется красным смеще-
нием равным 0,55; это означает, что все длины волн в спектре на 55% длиннее, чем
они были бы в лабораторных условиях на Земле. Как изменились частоты и энер-
гии световых фотонов в спектре этого квазара?
10. Соотношение между наблюдаемой энергией фотона и его первоначальной
энергией (эффект Доплера) имеет вид
Наблюдаемая энергия
Начальная энергия
” 1 — (у/с) 1/2
1 + (»/с)
где v-скорость удаления, с-скорость света. Какова скорость удаления квазара
ЗС 147, если предположить, что его красное смещение обусловлено эффектом
Доплера?
86
Глава 3
11. Крупнейшая из известных радиогалактик, 3C236, имеет две области ра-
диоизлучения, разделенные расстоянием 5 Мпс. Предположим, что это радиоизлу-
чение вызывают частицы, выбрасываемые галактикой, которая расположена между
указанными областями. Каков минимальный интервал времени между выбросом
частиц из галактики и генерацией радиоволн, которые мы наблюдаем?
Литература
Burbidge G., Hoyle F. The problem of the quasi-stellar objects. In Frontiers in astronomy,
ed. O. Gingerich, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1970.
Field G., Arp H., Bahcall J. The redshift controversy, W. A. Benjamin, Menlo Park, Calif.,
1973.
Golden F. Quasars, pulsars, and black holes, Charles Scribner’s Sons, New York, 1976.
Hubble E. The realm of the nebulae, Dover Books, New York, 1936.
Sandage A. The Hubble atlas of galaxies, Carnegie Institution of Washington, Washi-
ngton, D.C., 1960.
Shapley H. Galaxies, 3rd ed., Rev. by Paul Hodge, Harvard Univ. Press, Cambridge,
Mass., 1972. (Имеется перевод 1-го издания: X. Шепли, Галактики-М.: Госте-
хиздат, 1947.)
Глава 4
Межзвездные газ
и пыль
Рассеянные между звездами в спиральных (и неправильных) галактиках
огромные количества газа и пыли, часто образующие межзвездные облака,
и представляют собой материал, из которого возникли звезды и планеты.
Даже сейчас в нашей Галактике продолжают рождаться звезды, и астро-
номы иногда наблюдают инфракрасное излучение протозвезд в стадии
окончательного формирования.
Недавно обнаружено, что межзвездные облака содержат разнообразные
молекулы, вплоть до сложных, состоящих из десяти и более атомов. Сле-
довательно, сложные молекулы могут образовываться в этих областях
подобно тому, как они возникали на первичной Земле. Некоторые астро-
номы даже выдвинули предположение, что жизнь зародилась в меж-
звездных облаках, а потом оттуда попала на планеты. Хотя эта гипотеза
не получила широкого признания, все астрономы согласны, что меж-
звездные газо-пылевые облака представляют собой наилучшее место для
изучения рождения звезд, а также для образования разнообразных моле-
кул (рис. 4.1).
Исследование межзвездной среды
Астрономы впервые обнаружили межзвездное вещество, наблюдая
Млечный Путь-полосу диффузного свечения, опоясывающую все небо
(рис. 4.2). Это туманное свечение складывается из суммарного света мил-
лионов звезд нашей Галактики, слишком далеких и неразличимых без по-
мощи телескопа. После того как Галилей доказал, что Млечный Путь со-
стоит из звезд, астрономы убедились, что наша Солнечная система
расположена внутри звездной системы, получившей название Галактика,
а светящаяся полоса-это срединная плоскость Галактики. Но в некоторых
местах (это особенно заметно в созвездии Лебедя) полоса Млечного Пути
раздваивается (рис. 4.3). Однако Млечный Путь на самом деле вовсе не
раздваивается в этих местах; кажущееся раздвоение обусловлено поглоще-
нием света звезд невидимыми пылевыми частицами. Таким образом, меж-
звездные частицы выдают себя отсутствием свечения в некоторых частях
Млечного Пути.
88
Глава 4
Рис. 4.1. Спиральная галактика, видимая с ребра, пересечена темной полосой, обус-
ловленной поглощением света звезд. Такие темные «разводья» свиде-
тельствуют о присутствии межзвездной пыли, сконцентрированной в ди-
ске галактики.
Межзвездные пыль и газ
89
Более детальное изучение поглощения света от звезд позволило разде-
ии гь действие частиц пыли, состоящих из миллионов атомов, и отдельных
атомов или молекул. Пылинки поглощают излучение всех цветов, хотя ro-
ti убой свет они поглощают эффективнее, чем красный; атомы и молекулы
поглощают свет только на отдельных частотах. Поэтому анализ спектров
излучения звезд, прошедшего сквозь облака межзвездного вещества, помо-
жет распознать различные типы атомов и молекул в облаках, а также
определить количество частиц разных сортов и общие характеристики
межзвездных пылинок.
Некоторые межзвездные газо-пылевые облака расположены не столь
удобно между нами и яркими звездами. Другие облака так плотны, что из-
учение даже от самых ярких звезд не может проникнуть сквозь них. Для
изучения таких облаков астрономы используют тот факт, что межзвездное
вещество само может испускать фотоны различных типов, а это позволяет
нести прямые наблюдения облаков. Например, межзвездный газ, располо-
женный вблизи молодых горячих звезд, освещается ими и излучает за счет
поглощения их излучения. Еще более существенно, что многие типы мо-
||скул, а также атомы водорода могут сами испускать радиоволны без вся-
кого притока энергии от соседних звезд.
Иллюстрация первого примера-межзвездный газ вокруг молодых, го-
рячих звезд, образующий гигантские светящиеся облака, называемые обла-
стями НИ*. В этих облаках все атомы газа ионизованы интенсивным по-
юком ультрафиолетового излучения от горячих звезд, вкрапленных
и облака (рис. 4.4). Когда электроны рекомбинируют с ионами, каждый
игом может испустить один или несколько фотонов видимого света, так
как электрон «перескакивает» с более высоких орбит (электронных уров-
ней) на более низкие. Таким образом, все облако газа, атомы которого
многократно ионизуются, рекомбинируют и вновь ионизуются, может из-
учать за счет фотонов, испускаемых в процессах рекомбинации. Звезды,
которые обеспечивают энергией весь цикл, могут быть относительно
слабыми в видимой области спектра, поскольку максимум их энергии при-
ходится на ультрафиолетовую область. Именно такие энергии нужны для
ионизации водорода и других атомов, окружающих звезду.
Вторая возможность-исследование межзвездной среды по радиовол-
нам, которые могут испускаться молекулами многих типов. Среди атомов
редко встречаются такие, которые способны испускать радиоволны, одна-
ко существенно то, что атомы водорода, наиболее распространенные в на-
шей Галактике и во Вселенной, обладают такой способностью. Атом водо-
рода, состоящий из одного протона и одного электрона, может испускать
* Символом НИ обозначается ионизованный водород, т.е. атомы водорода,
но терявшие свой единственный электрон. Нейтральные, или неионизованные,
Hi омы водорода обозначаются в астрономии символом HI.
Рис. 4.2. Эта мозаичная картина составленная из большого числа фотоснимков ночного неба, изображает светящуюся
полосу Млечного Пути, которая опоясывает все небо.
Межзвездные пыль н газ
91
Рис. 4.3. Вблизи созвездия Лебедя Млечный Путь как бы
раздваивается. На самом деле частицы пыли,
расположенные между нами и далекими звезда-
ми, поглощают излучение звезд, создавая види-
мое раздвоение.
92
Глава 4
Рис. 4.4. Молодые горячие звезды внутри межзвездных газовых облаков ис-
пускают мощный поток ультрафиолетового излучения, которое мо-
жет ионизовать атомы водорода в окрестностях звезд. При ре-
комбинации электронов с ионами рождаются фотоны видимого излуче-
ния, поэтому вся ионизованная область светится видимым светом.
радиоволны, потому что каждая из этих частиц напоминает крошечный
вращающийся магнит (рис. 4.5). Согласно законам атомной физики, эти
вращающиеся магнитики могут быть ориентированы лишь параллельно
или антипараллельно друг другу.
Когда спины* протона и электрона параллельны, атом обладает не-
сколько большей энергией, чем в случае противоположной ориентации.
* Спином называют собственный момент количества движения, которым обла-
дают все элементарные частицы и атомные ядра-Прим. ред.
Межзвездные пыль и газ
93
Протон Электрон Протон Электрон
Рис. 4.5. Электрон, который обращается вокруг протона в атоме водоро-
да, обладает спином, параллельным (вращение в том же направлении)
или антипараллельным (вращение в противоположном направлении)
спину протона.
В атоме с параллельными спинами электрон может скачком изменить на-
правление спина на противоположное (рис. 4.5). При этом он испускает
квант радиоизлучения, энергия которого равна разности энергий атомов
с различной ориентацией спинов. Частота такого фотона всегда равна 1420
МГц (пожалуй, это самая замечательная частота, на которой «вещает»
Вселенная), а соответствующая длина радиоволн равна 21,1 см.
В межзвездном пространстве триллионы и триллионы атомов водоро-
да испускают радиоволны на частоте 1420 МГц. После того как ориента-
ция спинов в атоме станет антипараллельной, слабые соударения между
атомами могут изменить ориентацию спина электрона на противополож-
ную, так что атом опять способен излучать на частоте 1420 МГц. С по-
мощью тщательно сконструированных антенн и приемников радиоастро-
номы могут «сосчитать» число атомов водорода в заданном направлении,
измерив интенсивность радиосигнала на частоте 1420 МГц с этого напра-
вления. Кроме того, по доплеровскому смещению частоты радиоволн
можно оценить расстояния до различных групп атомов водорода. Зная ха-
рактер вращения нашей спиральной Галактики (кривую вращения), можно
затем связать смещение частоты радиоизлучения со скоростями атомов
относительно наблюдателя, а следовательно, и с их расстояниями от нас.
По результатам наблюдения радиоволн на частоте 1420 МГц удалось
построить распределение атомов водорода в нашей и других спиральных
галактиках (рис. 4.6). Поскольку водород-самый распространенный эле-
мент во всех галактиках, такие карты многое говорят нам о распределении
межзвездного вещества. Однако не следует забывать и о межзвездных пы-
левых частицах, а также о достаточно плотных межзвездных облаках, в ко-
торых атомы могут объединяться в молекулы.
Пылевые частицы состоят из миллионов атомов; их диаметры соста-
вляют миллионные доли сантиметра. Эти пылинки образуются в атмосфе-
рах холодных звезд и постепенно выносятся в межзвездное пространство.
Химический состав пылинок, хотя и остается отчасти загадкой, но извест-
но, что они включают в себя главным образом атомы кремния, углерода
и кислорода, возможно, окруженные оболочками из молекул водорода
и воды.
69h45mS
63h55m
9h 54m
gh 4g m
Рис. 4.6. Можно построить карту распределения атомов водорода в спираль**
ных галактиках, таких, как изображенная здесь М81, наблюдая ин-
тенсивность радиоизлучения на частоте 1420 МГц от различных
частей галактики. Самые темные участки - области наиболее интенсив-
ного радиоизлучения.
Межзвездные пыль и газ
95
Межзвездные молекулы х
Молекулы, которые образовались в межзвездной среде, представляют
особый интерес для поисков жизни, поскольку первые стадии формирова-
ния живых существ должны начинаться с образования молекул из основ-
ной смеси атомов. В межзвездных газо-пылевых облаках наиболее распро-
ггранены молекулы водорода Н2. Каждая из них состоит из двух атомов
водорода-самого распространенного элемента.
Образование молекул водорода происходит в результате процесса, ко-
юрый может показаться окольным путем, но тем не менее представляется
вполне реальным. Отдельные атомы водорода, налетая на частицы пыли
в межзвездных облаках, прилипают на некоторое время к поверхности пи-
кники (рис. 4.7). За это время атомы могут объединиться с другими атома-
ми водорода, также захваченными поверхностью пылинки. Образовавшие-
ся молекулы отрываются от поверхности (рис. 4.7). По расчетам
вс грономов этот процесс весьма эффективен для образования молекул во-
цорода, однако реакции на поверхности, по-видимому, не приводят к обра-
юванию значительного числа молекул других типов.
Другие распространенные межзвездные молекулы, такие, как окись
углерода СО, аммиак NH3 и формальдегид Н2СО, вероятно, образуются
говеем другим путем. Сначала объединяются два атома, затем к ним при-
соединяется третий и т.д., без захвата атомов поверхностью межзвездных
пылинок (рис. 4.8). Однако для образования молекул указанным способом
Рис. 4.7. Наилучший способ образования молекул водорода Н2 в межзвезд-
ных облаках, по-видимому, заключается в столкновениях атомов во-
дорода с пылинками и их прилипании к поверхности пылинок. Нахо-
дясь на поверхности, атом блуждает по ней и может встретиться с дру-
гим атомом, также прилипшим к поверхности. Два атома Н с большой
вероятностью образуют молекулу водорода Н2, которая затем отры-
вается от поверхности пылинки и возвращается в общую смесь атомов
и молекул облака.
96
Глава 4
Электрон
Быстро движущийся
протон
Протон
Быстро движущийся
протон
Протон
Рис. 4.8. Образование молекулы воды в межзвездной среде. Более сложные,
чем Н2, молекулы образуются в результате довольно длинной це-
почки реакций, которая часто начинается с ионизации атома во-
дорода быстрыми частицами (не совсем правильно называемыми
«космическими лучами»). Протон может «похитить» электрон у атома
кислорода. Ионизованный кислород может вступить в реакцию с одним
из атомов в молекуле водорода и образовать ион гидроксила ОН. Ион
ОН с большой вероятностью взаимодействует с атомом водорода,
образуя ионизованную молекулу воды. В результате дальнейшего взаи-
модействия с атомами водорода и электронами эти ионизованные моле-
кулы воды могут превратиться в нейтральные молекулы воды или ОН.
Подобные цепочки реакций между атомами и молекулами, уже суще-
ствующими в межзвездной среде, могут приводить к образованию
и других молекул.
Межзвездные пыль и газ
97
требуется довольно высокая концентрация вещества, т. е. достаточно боль-
шое число атомов в кубическом сантиметре. Иначе столкновения между
атомами будут столь редкими, что даже за миллиарды лет существования
газо-пылевых облаков смогут образоваться лишь немногочисленные моле-
кулы.
И действительно, распределение межзвездного вещества в Галактике
подтверждает эту гипотезу образования молекул. В пределах общего рас-
пределения вещества, имеющего форму диска, образуются межзвездные
газо-пылевые облака, в которых плотность вещества намного превосходит
среднее значение. В Галактике в целом в кубическом сантиметре содержит-
ся в среднем лишь один атом межзвездного вещества, но в межзвездных
облаках концентрация вещества по крайней мере в 10 раз выше. Кроме то-
го, существует важное различие между двумя типами межзвездных обла-
ков: обычными и плотными, или молекулярными, облаками.
В обычных межзвездных облаках концентрация вещества колеблется от
десятка до нескольких сотен атомов в кубическом сантиметре. Такие обла-
ка обычно содержат также пылевые частицы, общая масса которых соста-
вляет около 1% массы облаков. Зная способ образования молекул водоро-
да, можно ожидать, что их много в обычных облаках. Такие облака
доступны изучению по поглощению света (см. стр. 87). Тщательно измерив
поглощение, создаваемое различными сортами атомов, можно установить,
что температура в этих облаках лежит в диапазоне от 40 до 250 К, т. е. ни-
же температуры поверхности Земли, но заметно выше абсолютного нуля—
температуры, которая имела бы место, если бы вещество в облаках не по-
лучало энергию за счет фотонов из других областей пространства.
Полная масса газа и пыли в каждом обычном межзвездном облаке
равна нескольким сотням масс Солнца. Такие облака могут простираться
на несколько парсеков, а крупные-на десятки парсеков. Таким образом,
размеры обычных межзвездных облаков примерно равны среднему рас-
стоянию между звездами или несколько превосходят его. С другой сто-
роны, средняя плотность вещества в таких облаках меньше средней плот-
ное ги вещества в звездах в 1022 раз! Очевидно, что вещество межзвездных
облаков должно пройти долгий путь, прежде чем из него образуется
столь плотный объект, как звезда.
Плотные межзвездные облака
Другой тип межзвездных облаков - плотные, или молекулярные, обла-
ка-представляют собой смесь иного химического состава, свидетельство
важности более высокой плотности вещества в облаке. Масса молекуляр-
ного облака равна по крайней мере нескольким тысячам, а часто и сотням
тысяч масс Солнца, т. е. такие облака намного массивнее обычных. Однако
7-485
98
Глава 4
плотность вещества в молекулярных облаках много выше, чем в обычных,
а потому их объемы примерно одинаковы (рис. 4.9). В молекулярном обла-
ке типичное значение концентрации составляет около 1 млн. частиц в
1 см3, т.е. примерно в 10000 раз выше, чем в обычном облаке. Поэтому
молекулярное облако, несмотря на большую массу, занимает примерно та-
кой же объем, как и обычное-несколько парсеков в поперечнике.
Благодаря повышенной плотности вещества в молекулярном облаке
у атомов имеется больше шансов встретиться и образовать молекулу, вот
почему в этих частях межзвездного пространства мы обнаруживаем высо-
кое содержание молекул. Таким образом, молекулярные облака прошли
первый, быть может, самый трудный этап на пути от атомов к жизни:
в них из отдельных атомов уже образовалось множество разнообразных
молекул.
Рассмотрим типичное плотное облако, которое изучено лучше всего —
молекулярное облако в Орионе. Это скопление газа и пыли в мече * Орио-
на имеет массу, равную миллиону солнечных масс. Большая часть веще-
ства в облаке имеет температуру несколько десятков градусов выше
абсолютного нуля. Но в части облачного комплекса, носящей название ту-
манности Ориона, плотность вещества так велика, что в ней образовались
и недавно начали светить звезды (рис. 4.10). Возраст этих звезд всего не-
сколько сотен тысяч лет, т. е. они несравненно моложе типичных звезд вро-
де нашего Солнца, возраст которого измеряется несколькими миллиарда-
ми лет.
В туманности Ориона мы находим не только звезды, но и области, где
звезды еще не образовались; они рождаются сейчас или «появятся на свет»
в ближайшие десятки или сотни тысяч лет. В этих областях концентрации
вещества составляют миллиарды частиц в 1 см3; такие концентрации го-
раздо благоприятнее для образования молекул, чем в обычных меж-
звездных облаках. В молекулярных облаках комплекса туманности Ориона
астрономы обнаружили десятки различных типов молекул-от простых
молекул окиси углерода и циана CN до таких сложных, как молекула эти-
лового спирта С2Н5ОН.
Наше внимание привлекают крупные молекулы, хотя они не так рас-
пространены, как простые, поскольку они гораздо ближе к сложным моле-
кулам, встречающимся в живых организмах. Такие молекулы, как метила-
мин CH3NH2, являются звеном в формировании простейших аминокислот
(см. стр. 176). Конечно, аминокислоты, основные структурные элементы мо-
лекул белка,-это еще не живые организмы, к тому же они пока не обнару-
* В созвездии, названном по имени легендарного охотника Ориона, его меч
отождествляется со звездой 0, которая лежит ниже пояса Ориона, образованного
тремя яркими звездами: 6, £ и С,-Прим. ред.
Межзвездное пыль и газ
99
Разреженное межзвездное облако
Концентрация 50атом/см3
Масса 100 солнечных масс
Плотное межзвездное облако
Концентрация 10е молекуп/см3
Масса 5-10® солнечных масс
Рис. 4.9. Плотные молекулярные облака, которые содержат много тысяч ато-
мов или молекул в 1 см3, могут превосходить по массе обычные
межзвездные облака, которые имеют почти такой же объем, но концен-
трацию-всего несколько десятков атомов в 1 см3.
жены в плотных межзвездных облаках (поиски аминокислот фактически
еще и не начаты). Однако открытие молекул, состоящих из большого чис-
ла атомов (до И), наводит на мысль, что в плотных межзвездных облаках
могут образовываться и молекулы аминокислот.
Простейшая аминокислота, глицин, содержит 10 атомов; следующая по
сложности, аланин,-13 атомов; другие аминокислоты содержат от 14 до 26
атомов. Большинство атомов в них-это водород, углерод, азот или кисло-
род, хотя встречается и сера. Особенно плотные облака, такие, как в ком-
плексе туманности Ориона и в центральных областях нашей Галактики,
являются первыми кандидатами для поисков межзвездных молекул амино-
кислот. Если эти молекулы действительно существуют в плотных меж-
звездных облаках, то можно ожидать образования аминокислот во многих
областях нашей и других галактик.
В табл. 4.1 перечислены 50 различных молекул, которые уже обнару-
жены в плотных межзвездных облаках. Эти молекулы состоят из наиболее
распространенных во Вселенной элементов (за исключением гелия и неона,
которые практически не образуют устойчивых соединений с другими ато-
7*
Межзвездные пыль и газ
101
мами): водорода, кислорода, углерода и азота, а также кремния и серы.
Осо.бо отметим, что во многие молекулы входят один или несколько ато-
мов углерода. Атомы углерода играют ключевую роль в жизни на Земле,
являясь основой молекулярной структуры живых организмов. Каждый
атом углерода способен соединяться с четырьмя другими атомами и обра-
зовывать длинные цепочки, в которых вереница атомов углерода является
«скелетом» всей молекулы. Можно поручиться, что в плотных меж-
звездных облаках существуют более крупные молекулы, построенные на
цепочках атомов углерода, однако возможность существования очень
больших молекул, состоящих из многих десятков или сотен атомов, пока
остается под вопросом.
Открытие этих 50 простых молекул в плотных межзвездных облаках
имеет большое значение для поисков жизни. Прежде всего эти молекулы
образовались в условиях, сильно отличающихся от условий на поверхно-
стях планет, и тем не менее мы находим в межзвездных облаках те же мо-
лекулы, которые, как мы полагаем, существовали и на поверхности Земли
на раннем этапе ее эволюции.
Обнаружение этих молекул в облаках, которые, хотя мы и называем их
плотными, значительно более разрежены, чем атмосфера Земли, показы-
вает, что можно ожидать широкого распространения таких молекул в кос-
мосе, поскольку должно существовать много более благоприятных мест
для них. Можно заключить, что было бы неправильным ограничивать по-
иски жизни только поверхностями планет и следует рассмотреть хотя бы
в принципе возможность зарождения жизни в плотных межзвездных
облаках.
Далее, отметим, что разные типы молекул, найденные в плотных меж-
звездных облаках, в той или иной степени связаны с жизнью на Земле. На-
пример, молекулы метиламина CH3NH2 тесно связаны с молекулами,
имеющимися в земных организмах, в то время как молекулы двуокиси
серы SO2 значительно дальше от земной жизни.
Мы рассмотрим сущность различия между биологически важными и не
имеющими отношения к жизни молекулами в гл. 8 и 11. Пока же нас инте-
ресует лишь значение существования многих молекул в плотных меж-
звездных облаках для происхождения жизни.
Во-первых, как следует из табл. 4.1, все молекулы, кроме шести, обнару-
Рнс. 4.10. Туманность Ориона, находящаяся на расстоянии от нас примерно
тысяча парсеков, содержит массу газа, равную нескольким тыся-
чам солнечных масс, и освещается яркими молодыми звездами, распо-
ложенными внутри облака. Большое количество поглощающей свет
пыли скрывает от нас области, расположенные ниже центра туманности.
Эти области, испускающие интенсивное инфракрасное излучение, содер-
жат звезды, находящиеся сейчас в процессе формирования.
102
Глава 4
Таблица 4.1
Молекулы, обнаруженные в плотных межзвездных облаках
Название молекулы Химическая формула Год открытия
Метилидин сн 1937
Циан CN 1940
Гидроксил ОН 1963
Аммиак NH3 1968
Вода Н2О 1968
Формальдегид Н2СО 1969
Окись углерода СО 1970
Цианистый водород HCN 1970
Цианацетилен HC3N 1970
Водород н2 1970
Метиловый спирт СН3ОН 1970
Муравьиная кислота нсоон 1970
Ионизованный радикал муравьиной
кислоты нсо+ 1970
Формамид hconh2 1971
Сероуглерод CS 1971
Окись кремния SiO 1971
Сероокись углерода ocs 1971
Метилциан CH3CN 1971
Изоциановая кислота HNCO 1971
Метил ацетилен CH3C2H 1971
Ацетальдегид CH3CHO 1971
Тиоформальдегид H2CS 1971
Изоцианистый водород HNC 1971
Сероводород H2S 1972
Метили мин h2cnh 1972
Окись серы so 1973
Протонизированный азот n2h+ 1974
Этинил C2H 1974
Метиламин ch3nh2 1974
Диметиловый эфир CH3OCH3 1974
Этиловый спирт C2H5OH 1974
Двуокись серы so2 1975
Сульфид кремния SiS 1975
Акрилонитрил h2cchcn 1975
Метиловый эфир муравьиной кислоты HCOOCH3 1975
Сульфид азота NS 1975
Цианамид nh2cn 1975
Цианодиацетилен hc5n 1976
Формил HCO 1976
Ацетилен c2H2 1976
Цианогексатетрен hc7n 1977
Карбонитрил C3N 1977
Межзвездные пыль и газ
103
Продолжение табл. 4.1
Название молекулы Химическая формула Год открытия
Карбоимид ch2nh 1977
Кетен Н2С2О 1977
Пропионитрил ch3ch2cn 1977
У глерод С2 1977
Цианооктатетрен hc9n 1978
Метан сн4 1978
Окись азота NO 1978
Бутадинил c4n 1978
жены в межзвездной среде в течение минувшего десятилетия. Поэтому раз-
умно предположить, что многие молекулы еще ждут своего открытия. Нет
сомнений, что простые молекулы значительно шире распространены, чем
более сложные; например, молекулы водорода в 1000 с лишним раз более
многочисленны, чем остальные. Однако ясно, что молекулы непрерывно
образуются (и распадаются) в межзвездных облаках, т. е. продолжается хи-
мическая эволюция молекулярных облаков. Следовательно, химические ре-
акции распространены всюду в нашей Галактике, даже если они происхо-
дят преимущественно в локализованных областях, называемых плотными
межзвездными облаками.
Во-вторых, мы должны признать, что нам пока не известно, как далеко
зашла эта химическая эволюция в молекулярных облаках, т. е. какие типы
действительно сложных молекул могут в них возникнуть. Чем больше чис-
ло атомов в молекуле, тем труднее ее обнаружить, особенно если ее содер-
жание много ниже, чем у менее сложных молекул. Химическая эволюция
в плотных облаках, таких, как в комплексе облаков туманности Ориона
или облака в центре нашей Галактики, могла бы привести к образованию
значительно более сложных молекул, чем молекулы, перечисленные
в табл. 4.1.
В-третьих, мы не знаем, как существование межзвездных молекул свя-
зано с существованием молекул на поверхностях планет. Например, на по-
верхности нашей планеты имеется огромное разнообразие типов молекул,
причем одни из них, по-видимому, возникли в результате неорганических
процессов в течение 4,6 млрд, лет существования Земли, другие являются
продуктом ранних стадий тех процессов, которые мы называем жизнью.
Наконец, есть молекулы, которые созданы человеком в сложных химиче-
ских реакциях и вряд ли могли бы появиться где-либо без преднамеренно-
го вмешательства в естественные процессы. Вопрос, какие молекулы могли
существовать до образования Земли, пока не получил полного ответа.
104
Глава 4
Зародилась ли жизнь
в межзвездных облаках?
Два известных астронома Хойл и Викрамасингх предположили, что
большие количества сложных молекул могли образоваться в плотных
межзвездных облаках. Они имели в виду такие молекулы, как полисаха-
риды, длинные цепочки которых состоят преимущественно из углерода,
кислорода и водорода. Наиболее известный пример полисахаридов-моле-
кула целлюлозы, основная структурная единица высших растений. Хойл
и Викрамасингх полагают, что межзвездные облака насыщены молекула-
ми целлюлозы и что не следует полностью игнорировать возможность
возникновения жизни в них*. Но что еще более важно, эти астрономы
считают, что кометы, простейшие объекты в Солнечной системе, возмож-
но, также содержат чрезвычайно сложные органические молекулы, и что на
кометах могут существовать живые клетки и вирусы, образовавшиеся из
замерзших межзвездных молекул.
Мы рассмотрим кометы в гл. 12, а сейчас остановимся лишь на значе-
нии этой гипотезы, если она окажется правильной. (Большинство астроно-
мов не считают, что эта гипотеза реалистична, но решающие экспери-
менты по тщательному изучению проб вещества комет еще впереди.) Если
кометы окажутся «сокровищницами» межзвездных органических молекул-
если на них действительно есть примитивные формы жизни, то воз-
можные взаимодействия Земли с кометами, например с кометой Галлея,
могли бы оказаться чрезвычайно важными. Хойл и Викрамасингх считают,
что жизнь возникла в кометных глыбах газа, льда и пыли, которые скон-
денсировались в молекулярных облаках, подобных туманности Ориона.
Затем кометы могли «засевать» планеты живыми организмами или по
крайней мере сложными молекулами при близком прохождении, и каждое
прохождение кометы на близком расстоянии от планеты несет в себе воз-
можность дальнейшего распространения жизни. Хойл высказал даже
мысль, что распространение эпидемий, например гриппа и оспы, возмож-
но, объясняется близким прохождением комет, а вековые поверья, что ко-
меты приносят несчастье, связаны с подобными эпидемиями* **.
Хотя гипотезы Хойла и Викрамасингха требуют проверки, они служат
напоминанием о том, что межзвездные молекулы могут иметь прямое от-
ношение к происхождению жизни. Молекулы, которые позднее попали на
планеты, вряд ли могли бы выдержать процесс формирования планет, они
бы почти наверняка распались на атомы. Но кометы, замерзшие глыбы
♦ См. научно-фантастический роман Фреда Хойла «Черное облако». (М.: Зна-
ние, 1966.)
** См. статью Хойла Astrochemistry, Organic Molecules, and the Origin of Life,
Mercury, 7, 2, Jan./Feb., 1978.
Межзвездные пыль и газ
105
древнего межзвездного вещества; могли сохранить молекулы, возник-
шие в плотных облаках, и впоследствии передать часть этих молекул на
поверхности планет уже после того, как планеты образовались. Если эта
гипотеза окажется правильной, то она будет веским аргументом в пользу
идеи, что жизнь должна иметь примерно одинаковые формы всюду в Га-
лактике, поскольку она возникла из похожих типов молекул В похожих мо-
лекулярных облаках. Если, однако, окажется правильной противоположная
гипотеза, что жизнь зародилась на Земле, то можно ожидать большего
разнообразия типов жизни на разных планетах, поскольку каждая планета
обладает своим особым набором условий для возникновения жизни. В лю-
бом случае межзвездные газ и пыль явились местом рождения звезд
и обращающихся вокруг них планет. Зародилась ли также и жизнь в этих
облаках, остается волнующей тайной, вокруг которой будут вестись споры
до тех пор, пока не наступит время, когда мы сможем их разрешить, уви-
дев собственными глазами, из чего «сделаны» кометы и молекулярные
облака.
Выводы
Спиральные галактики, подобно нашей Галактике, содержат газо-пы-
левые облака, свойства которых можно определить по радиоизлучению не-
которых атомов и молекул, а также по поглощению излучения опреде-
ленных энергий при его прохождении сквозь межзвездные облака. Иссле-
дуя видимое и радиоизлучение от межзвездного вещества, астрономы об-
наружили, что менее плотные облака содержат мало молекул, газ в них
(главным образом, водород и гелий) находится в атомарном состоянии.
Молодые горячие звезды, окруженные газовыми облаками, ионизуют
большую часть атомов в них и создают области НП, которые светятся
благодаря рекомбинации ионов и электронов.
В плотных межзвездных облаках открыто более сорока молекул: от
простейших и наиболее распространенных молекул водорода Н2 до столь
сложных, как HC9N, которые содержат цепочку из девяти атомов углеро-
да. Эти более сложные молекулы во многих случаях напоминают ос-
новные «блоки», из которых строится живое вещество на Земле. То, что
такие молекулы встречаются в «плотных» межзвездных облаках, которые
значительно уступают по плотности нашей атмосфере, свидетельствует
о возможности образования молекул по крайней мере такой же степени
сложности в относительно неблагоприятных естественных условиях. Этот
вывод в свою очередь наводит на мысль, что основные молекулы, необхо-
димые для жизни, могут быть широко распространены в межзвездном
пространстве и на планетах.
106
Глава 4
Вопросы
1. Из чего состоят межзвездные облака? Почему молекулы встречаются толь-
ко в плотных облаках?
2. Какое отношение к происхождению жизни на Земле имеет наличие простых
органических молекул, например формальдегида, в плотных межзвездных облаках?
3. Было ли образование молекул на Земле сопряжено с большими трудностя-
ми, чем в межзвездных облаках? Почему?
4. Угловое разрешение приемника излучения пропорционально отношению
диаметра приемной антенны к длине волны излучения. Считая человеческий глаз
«антенной» диаметром 3 мм, принимающей видимое излучение с длиной волны
5 10” 5 см, сопоставьте его с антенной радиотелескопа в Аресибо диаметром 300 м,
настроенной на длину цолны 50 см. Каковы должны быть размеры антенны радио-
телескопа в Аресибо, чтобы ее угловое разрешение на длине волны 50 см было
сравнимо с разрешением человеческого глаза на длине волны 5-10“ 5 см?
5. Способность любой антенны улавливать излучение для детального анализа
пропорциональна ее площади. Во сколько раз больший поток излучения в секунду
улавливает антенна радиотелескопа в Аресибо, чем человеческий глаз, если ее эф-
фективный диаметр превышает диаметр глаза в 100000 раз?
6. Межзвездная пыль рассеивает видимое излучение всех частот, но голубой
свет она рассеивает эффективнее, чем красный. Какой оттенок-голубой или
красный-приобретает свет звезды, прошедший сквозь тонкое облако межзвездной
пыли? Почему?
Литература
Вок В., Вок Р. The milky way, 4th ed., Harvard Univ. Press, Cambridge, Mass., 1976.
(Имеется перевод: Бок Б., Бок П. Млечный Путь.-М.: Мир, 1978.)
Gammon R. Chemistry between the stars, NASA, U. S. Government Printing Office,
Washington, D.C., 1977.
Lovell B. Out of the zenith, Harper and Row, New York, 1973.
Sanders R. H., Wrixon С. T. The center of our galaxy. In New frontiers in astronomy, ed.
O. Gingerich, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
Turner B. Interstellar Molecules. In New frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich,
W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
Verschuur G. The invisible universe, Springer-Verlag, New York, 1974.
Научная фантастика
Hoyle F. The Black cloud, Signet Books, New York, 1959. (Имеется перевод: Хойл Ф.
Черное облако-М.: Знание, 1966.)
Глава 5
Источники энергии звезд
По мере сжатия протогалактик в галактики, внутри их должны были
возникать сгущения вещества, которые стали скоплениями протозвезд
и протозвездами. Хотя мы не знаем в деталях, как образовались эти более
мелкие сгущения газа и пыли, мы можем видеть результаты этого процес-
са всюду во Вселенной: значительная часть наблюдаемого вещества сосре-
доточена в звездах, сияющих с почти постоянной яркостью миллионы или
миллиарды лет.
Поскольку мы считаем планеты наиболее вероятным прибежищем во
Вселенной для развития жизни и поскольку звезды представляют собой
наиболее распространенный источник энергии для жизни, то, рассматри-
вая, каковы шансы для возникновения жизни в разных местах, мы прежде
всего должны изучить, как эволюционируют звезды. Наиболее важными
характеристиками звезды в свете условий для жизни в ее окрестностях
являются ее светимость и полная продолжительность жизни. Многие
звезды имеют слишком малую светимость, чтобы снабжать теплом свои
планеты, если они обращаются по таким же орбитам, как планеты Солнеч-
ной системы, а некоторые сияют так ярко, что живым организмам было
бы трудно выдержать жар, которым пышут эти звезды. По иронии судьбы
звездная эволюция такова, что звезды с наибольшими светимостями
имеют самую короткую продолжительность жизни. Они сгорают значи-
тельно быстрее, чем требуется для появления жизни на обращающихся во-
круг них планетах.
Изучая светимости и продолжительность жизни различных звезд, мы
приходим к выводу, что наши надежды обнаружения жизни на планетах
связаны с «заурядными» звездами-достаточно яркими, чтобы снабжать
планеты теплом, но не настолько яркими, чтобы сгорать раньше, чем
жизнь возникнет или достигнет существенного развития. Прекрасным при-
мером такой «заурядной» звезды является наше Солнце: оно превосходит
по светимости 80% звезд, а его продолжительность жизни должна состав-
лять по крайней мере 10 млрд. лет. Половина указанного срока уже про-
шла, и за это время на Земле появилась жизнь, достигла невероятной сте-
пени сложности и продолжает развиваться.
108
Глава 5
Продолжительность жизни звезд
Почему одни звезды сияют миллиарды лет, а другие расходуют свои
запасы энергии всего за миллионы лет? Почему некоторые звезды взры-
ваются как сверхновые, в то время как большинство спокойно угасают,
превращаясь в тусклые белые карлики? Астрономы постепенно нашли от-
веты на эти вопросы, терпеливо проводя из поколения в поколение наблю-
дения звезд и разрабатывая теории процессов, происходящих в их недрах.
Наиболее существенный результат этих исследований внутреннего
строения и эволюции звезд заключается в установлении связи между про-
должительностью жизни звезды и ее массой. Звезды с большими массами
сгорают значительно быстрее, чем звезды с меньшими массами. Мас-
сивные звезды напоминают эффектные фейерверки или бенгальские огни;
их продолжительность жизни в тысячи раз короче по сравнению с продол-
жительностью жизни Солнца. Эти массивные звезды, живущие всего не-
сколько миллионов или, может быть, несколько сотен миллионов лет,
являются первыми кандидатами в сверхновые. Вспышки сверхновых-это
катастрофические взрывы, которые гасят звезды одним ударом.
Чтобы понять, почему звезды с разными массами имеют разные време-
на жизни, нам нужно разобраться, как происходит выделение звездной
энергии в реакциях термоядерного синтеза. Мы должны также рассмот-
реть, что ожидает звезду после того, как она израсходует основные запасы
ядерного топлива. В результате мы убедимся, что большинство элементов,
из которых состоит Земля и мы сами, были созданы в огненных звездных
топках, которые позднее взорвались и рассеяли свой пепел по Вселенной.
Как звезды вырабатывают энергию
Все звезды, которые сияют на небе, излучают благодаря энергии, запа-
сенной в самом их веществе. Превращение одной формы энергии (энергии,
связанной с массой покоя) в другую форму (энергию движения, или кине-
тическую энергию) происходит в соответствии со знаменитым уравнением
Эйнштейна:
Е = тс2.
Это уравнение определяет количество энергии Е, которое заключено
в самом теле массы т. Масса здесь умножена на квадрат скорости света с.
Следовательно, в каждом объекте массы т заключена энергия тс2, кото-
рую можно, по крайней мере теоретически, превратить в, кинетическую
энергию. Например, массе пятиграммовой монеты в 5 центов соответ-
ствует энергия 4,5 1021 эрг, равная энергии, потребляемой в США за одну
минуту*. Следовательно, можно было бы обеспечить энергетические по-
♦ Один эрг-это примерно энергия летящей комнатной мухи.
Источники энергии звезд
109
требности США, затрачивая всего лишь полмиллиона пятицентовых монет
в год, если бы удалось найти простой способ превращать без потерь энер-
гию массы покоя тел в кинетическую энергию.
На Земле эта проблема пока не решена. Даже в бескрайней Вселенной
мы редко встречаемся с полным превращением массы покоя в кинетиче-
скую энергию. Однако глубоко в недрах звезд, где температура достигает
десятков миллионов градусов, природа создала миллиарды естественных
реакторов термоядерного синтеза, скрытых от нас многими тысячами ки-
лометров внешних оболочек звезд. Хотя в естественных звездных ядерных
реакторах в энергию превращается лишь 1% массы покоя, этой энергии
хватает для излучения звезд, рассыпанных по всему небу. Один из таких
реакторов, спрятанный в недрах нашего Солнца, и является основным ис-
точником энергии, обеспечившим расцвет жизни на Земле.
Люди еще не построили термоядерный реактор-модель звездных недр.
Разговоры о «ядерной энергии» пока сосредоточены вокруг редкого эле-
П ротон Протон
Дейтрон
Дейтрон
Протон
Протон
Протон
Рис. 5.1. На каждом из трех этапов протон-протонного цикла при слиянии ядер
создаются новые ядра, полная масса (а поэтому и полная энергия) ко-
торых меньше, чем полная масса исходных частиц. В результате каждой
реакции полная кинетическая энергия возрастает как раз настолько, на-
сколько уменьшается масса. Для осуществления одной реакции III реак-
ции I и II должны произойти дважды.
110
Глава 5
мента-урана, некоторые изотопы которого могут распадаться, или де-
литься, освобождая энергию и оставляя опасные радиоактивные отходы.
Уран, который относится к числу самых редких элементов на Земле и во
Вселенной, никогда не мог бы служить основным источником энергии для
всех звезд. Напротив, в звездах основным ядерным топливом является
самый распространенный элемент-водород. Самый легкий и простой из
всех элементов водород обладает замечательным свойством: слияние, или
объединение, его ядер (протонов) сопровождается освобождением энергии,
заключенной в массе покоя. Люди воспользовались этим фактом, чтобы
создать чрезвычайно мощные (по земным масштабам!) водородные
бомбы, но они еще не придумали способ непрерывного извлечения энергии
путем превращения водорода в гелий, который осуществляется в звездах.
Если два протона сольются вместе, то конечный продукт будет иметь
меньшую массу, чем исходные частицы (рис. 5.1). Казалось бы, этот ре-
зультат противоречит нашим представлениям о том, что должно произой-
ти при столкновениях частиц, но он лежит в основе выделения энергии при
термоядерном синтезе: в реакциях синтеза некоторая доля массы покоя
превращается в кинетическую энергию. Эта энергия добавляется к общей
энергии вещества, так что частицы, которые возникают в термоядерных
реакциях, обладают большей кинетической энергией, чем исходные час-
тицы. Возросшая кинетическая энергия путем многократных столкновений
может распределиться между частицами, которые окружают область тер-
моядерного синтеза, что приводит к нагреву недр звезды. Выделившаяся
энергия будет в свою очередь генерировать фотоны, которые в конце кон-
цов покидают звезду в виде ультрафиолетового, видимого и инфракрасно-
го излучений.
Протон-протонный цикл
Основная цепочка ядерных реакций, которые происходят в большин-
стве звезд, называется протон-протонным циклом, потому что в первой из
трех реакций сталкиваются два протона (рис. 5.1). Это столкновение приво-
дит к слиянию протонов с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино.
Дейтрон представляет собой ядро дейтерия, состоящее из протона и ней-
трона, но для нас особенно важно то, что масса дейтрона меньше массы
двух протонов, а также меньше суммарной массы протона и нейтрона.
Сам процесс слияния приводит к тому, что масса дейтрона оказывается
меньше, чем можно ожидать, считая дейтрон простой комбинацией прото-
на и нейтрона.
Сумма масс дейтрона, позитрона и нейтрино (имеющего нулевую массу
покоя*) меньше массы двух протонов, причем разность масс составляет
* См. примечание на с. 51 - Прим. ред.
Источники энергии звезд
111
т = 7 • 10 ” 28 г и соответствует энергии тс2 = 6,3 • 10 ” 7 эрг. Именно такое
количество энергии выделяется и добавляется к кинетической энергии, ко-
торую имели протоны перед столкновением (рис. 5.1).
Позитрон, возникающий в первой реакции протон-протонного цикла,-
это по сути «антиэлектрон», поэтому встреча его с электроном приводит к
аннигиляции: они полностью превращаются в фотоны, нейтрино и антиней-
трино, родившиеся в результате столкновения частицы и античастицы. Ин-
тересно, что нейтрино, образующиеся в первой реакции цикла и при
аннигиляции электрона и позитрона, могут вылететь наружу прямо из цен-
тра звезды! Нейтрино столь неохотно взаимодействуют с веществом, что
большинство их проходит по прямой сквозь сотни тысяч километров ве-
щества столь же легко, как фотоны видимого излучения проходят сквозь
воздух *.
Во второй реакции протон-протонного цикла протон сталкивается
с дейтроном. В результате слияния этих двух частиц образуются ядро ге-
лия-3 (3Не) и фотон (рис. 5.1). В этой реакции масса ядра 3Не меньше сум-
марной массы исходных частиц, так что часть массы переходит в кинети-
ческую энергию.
В третьей, заключительной реакции протон-протонного цикла
высвобождается наибольшее количество энергии. В этой реакции сливают-
ся два ядра гелия-3 и образуются ядро гелия-4 (4Не) и два протона. Общая
масса перед соударением снова превышает общую массу продуктов реак-
ции, а уменьшение массы сопровождается увеличением полной кинетиче-
ской энергии.
Итог трех реакций протон-протонного цикла подведен в нижней части
рис. 5.1. Поскольку каждое ядро 3Не возникает при слиянии протона
и дейтрона, первая и вторая реакции цикла должны произойти дважды,
чтобы третья реакция осуществилась один раз. В трех реакциях цикла
с учетом позитрон-электронной аннигиляции высвобождается 4,25 10”5
эрг энергии. На первый взгляд эта энергия ничтожна, поскольку даже летя-
щий шмель расходует в миллион раз больше энергии. Однако в недрах та-
кой звезды, как наше Солнце, каждую секунду происходит 1038 протон-
♦ Это же свойство нейтрино-«нежелание» взаимодействовать с веще-
ством-чрезвычайно затрудняет их детектирование на Земле. Лучший способ их ре-
гистрации таков: 100000 галлонов (1 галлон = 3,785 л) жидкости в огромном резер-
вуаре помещают под землей на километровой глубине, чтобы исключить помехи от
других частиц. С помощью такой системы физики регистрируют примерно одно со-
лнечное нейтрино в сутки! Это довольно странно, так как Солнце генерирует столь-
ко нейтрино, что, согласно ожиданиям экспериментаторов, должно регистрировать-
ся пять нейтрино в сутки. Причина такого расхождения пока окончательно не
выяснена.
112
Глава 5
протонных реакций и выделяется 4Ю33 эрг энергии, т.е. в 10000 раз
больше, чем человечество израсходовало за последние 5000 лет!
По всей Вселенной от звезды к звезде разбросаны реакторы управляе-
мого термоядерного синтеза такой степени совершенства, на которую спо-
собна только природа, а скорость выделения энергии в них почти не ме-
няется на протяжении большей части жизни звезды. Огромное энерговыде-
ление протон-протонного цикла объясняется огромным числом отдельных
реакций, которое в свою очередь связано с колоссальным содержанием
протонов (ядер водорода) в каждой звезде *. Тот факт, что синтез наиболее
распространенных ядер водорода в следующие по степени распространен-
ности ядра гелия сопровождается превращением энергии, заключенной
в самом веществе, в кинетическую энергию, обеспечивая основной путь ге-
нерации энергии во Вселенной, имеет величайшее значение.
Выделение термоядерной энергии в звездах предоставляет хорошую
возможность рассмотреть взаимодействие четырех типов сил, существую-
щих во Вселенной. Гравитационные силы обеспечивают поддержание
звезды как единого целого. Слабые и сильные взаимодействия ответ-
ственны за реакции распада и слияния ядер, но эти силы действуют только
на чрезвычайно малых расстояниях. На больших расстояниях электромаг-
нитные силы, действующие между одноименно заряженными частицами,
заставляют ядра отталкиваться друг от друга. Рассмотрим, например, два
протона, участвующие в первой реакции протон-протонного цикла. По-
скольку каждый протон положительно заряжен, электромагнитные силы
вызывают их взаимное отталкивание. Лишь если два протона приблизятся
друг к другу на расстояние 10" 13 см, сильные взаимодействия обеспечат
их слияние. Но как же протоны могут сблизиться, если они отталкиваются
друг от друга?
Роль высоких температур
в недрах звезд
Ответ на этот вопрос связан с температурой частиц, поскольку она
является мерой средней энергии хаотического движения, приходящейся на
каждую частицу *♦. При низких температурах кинетическая энергия и скоро-
* В некоторых наиболее массивных звездах превращение протонов в ядра ге-
лия происходит не по протон-протонному циклу, а через другую последователь-
ность реакций, называемую углеродным циклом. Однако обе эти цепочки реакций
имеют один и тот же итог: четыре протона сливаются в ядро гелия и при этом вы-
свобождается энергия.
♦♦ Шкала абсолютных температур Кельвина начинается при абсолютном нуле-
самой низкой возможной температуре. По этой шкале вода замерзает при 273,15 К
и кипит при 373,15 К (при нормальном давлении).
Источники энергии звезд
113
сти частиц малы. При более высоких температурах кинетическая энергия,
а значит, и скорость каждой частицы возрастает. Чтобы преодолеть взаим-
ное отталкивание и слиться, протоны должны обладать огромными
скоростями. По этой причине протон-протонный цикл не может начаться,
пока температура в недрах звезды не достигнет примерно 10 млн. К.
Как же достигаются столь высокие температуры в звездных недрах?
Благодаря наличию гравитационных сил, которые поддерживают звезду
как единое целое. Под действием сил гравитации все части звезды притя-
гиваются друг к другу, а в результате каждая часть звезды испытывает
притяжение к ее центру (рис. 5.2). В ходе сжатия протозвезды сила этого
гравитационного притяжения увеличивается по мере приближения частиц
друг к другу, поскольку гравитационные силы обратно пропорциональны
квадрату расстояния. При движении навстречу друг другу частицы сталки-
ваются все чаще и движутся все быстрее. При уменьшении объема, в кото-
ром находятся частицы, их средняя кинетическая энергия повышается. На-
пример, когда мы накачиваем велосипедную шину, то чувствуем, что
воздух в насосе и сам насос разогреваются; причина этого-сжатие
воздуха.
Звезды представляют собой скопление таких колоссальных масс
вещества, что каждая из них, несмотря на полностью газообразное состоя-
ние, удерживается как единое целое только гравитационными силами. Кро-
ме того, гравитация обеспечивает сжатие протозвезды. По мере сжатия
протозвезды гравитационные силы постепенно нарастают в течение мил-
Рис. 5.2. Внутри звезды каждая ее часть испытывает гравитационное притяжение
со стороны всех остальных частей. В результате сложения сил на ка-
ждую часть действует равнодействующая сила, направленная к центру
звезды. Слева-притяжение областей, расположенных ближе к центру,
создает результирующую силу, направленную к центру. Справа-силы
притяжения областей, расположенных дальше от центра, стремятся
уравновесить друг друга.
8-485
114
Глава 5
лионов лет, вызывая увеличение давления и температуры газа. Несмотря
на то что протозвезды излучают наружу часть дополнительного тепла (т. е.
часть кинетической энергии частиц), которое выделяется при их сжатии,
температура внутри протозвезды непрерывно растет-сначала до тысяч
кельвинов в центре, затем до сотен тысяч и наконец до миллионов кельви-
нов-по мере уменьшения размеров протозвезды. Наконец, когда темпера-
тура в центре протозвезды достигает примерно 10 млн. К, начинаются
ядерные реакции протон-протонного цикла и сжатие прекращается.
Только при температурах в десятки миллионов кельвинов протоны мо-
гут сливаться, несмотря на взаимное электромагнитное отталкивание,
и только при этих условиях часть массы покоя может превращаться
в энергию. Выделившаяся энергия вызывает давление, направленное нару-
жу и противодействующее силе гравитации, направленной внутрь. В ре-
зультате этого противоборства протозвезда перестает сжиматься и стано-
вится звездой, способной противостоять самогравитации благодаря
выделяемой энергии-энергии, которая в конце концов просачивается из
центра звезды на ее поверхность и затем излучается в окружающее
пространство.
Выделение энергии в центральных областях звезды означает, что час-
тицы, возникающие в реакциях термоядерного синтеза, обладают большей
энергией, чем исходные частицы. В результате столкновений частиц вблизи
Область
генерации
энергии
Рис. 5.3. Энергия, выделяющаяся в термоядерных реакциях в центральных обла-
стях звезды, выходит наружу в результате столкновений между протона-
ми, электронами и ядрами гелия. Поскольку энергия распределяется на
все больший объем, количество энергии в кубическом сантиметре стано-
вится все меньше по мере удаления от центра.
Источники энергии звезд
115
центра звезды эта дополнительная энергия перераспределяется между все-
ми частицами звезды, причем частицы вблизи центра получают большую
долю, чем близкие к поверхности (рис. 5.3). Следовательно, температура
внутри звезды постепенно снижается от центра (около 10 млн. К) к поверх-
ности (3000-50000 К). Энергии, высвобождаемой вблизи центра, как раз
достаточно, чтобы заставить частицы двигаться быстрее и предотвратить
дальнейшее сжатие. В противном случае, например, если бы выделяемой
энергии было недостаточно для полного прекращения сжатия, то дополни-
тельное сжатие повысило бы температуру в центре, а значит, и скорость
термоядерных реакций. Чем выше температура, тем больше скорость реак-
ций, поскольку больше кинетическая энергия частиц, и, следовательно, им
легче преодолеть силы отталкивания и ближе подойти друг к другу. Таким
образом, любое повышение температуры в центре сопровождается допол-
нительным выделением энергии, а это в свою очередь предотвращает сжа-
тие звезды.
Зависимость
продолжительности жизни звезд
от массы
Более массивные звезды имеют более высокие температуры в центре
и более короткие времена жизни, чем менее массивные звезды. Например,
звезда с массой, равной 10 массам Солнца, будет существовать лишь 100
млн. лет по сравнению с продолжительностью жизни Солнца 10 млрд. лет.
За это время она израсходует запасы протонов, необходимые для термо-
ядерных реакций. Такие звезды ярко светят, но не обеспечивают благо-
приятной среды для жизни, поскольку мы полагаем (опираясь на пример
Земли), что для возникновения жизни требуется примерно миллиард лет,
и еще миллиарды лет для развития разумной жизни.
Хотя массивные звезды рождаются с большими запасами ядер водоро-
да, энергия высвобождается в их недрах со столь высокими скоростями,
что они довольно быстро сжигают свое ядерное топливо. Весьма прибли-
женно можно считать, что энерговыделение звезды пропорционально кубу
ее массы. Поэтому звезда в 10 раз массивнее Солнца израсходует свои за-
пасы ядерного топлива в 1000 раз быстрее, чем Солнце. Такая звезда, даже
обладая вначале в 10 раз большим запасом протонов, будет жить в 100
раз меньше, чем Солнце. В общем случае времена жизни звезд обратно
пропорциональны квадрату их масс, так что звезда массой, равной полови-
не массы Солнца, будет жить в четыре раза дольше нашего светила.
Почему же более массивные звезды сжигают себя так быстро? Потому
что температура в их центре выше, а, значит, слияние протонов и других
ядер идет быстрее. Если температура в центре звезды удвоится, скажем
с 10 млн. до 20 млн. К, то скорость выделения энергии возрастет не в
8*
116
Глава 5
2 раза, а в 50 раз. Способность частиц преодолевать силы взаимного от-
талкивания повышается, а это приводит к колоссальному ускорению реак-
ции синтеза и в конечном итоге-к выделению гораздо большей энергии
в единицу времени.
А почему у более массивных звезд температуры в центре выше? Прос-
то потому, что общее давление вышележащих слоев сильнее сжимает цент-
ральные области этих звезд. Например, атмосфера Земли оказывает дав-
ление на любой объект, находящийся на земной поверхности, 1 кг/см2. Это
давление обусловлено весом атмосферы, которая удерживается вблизи Зе-
мли силой гравитации. Если бы сила гравитации была меньше, то атмос-
фера была бы более протяженной при том же давлении на поверхности.
Если удвоить полное количество газа в атмосфере, то повысится и давле-
ние на поверхности Земли, поскольку вес газа над каждым ее квадратным
сантиметром будет больше.
Точно так же если удвоить массу звезды, то при этом увеличится коли-
чество вещества, которое стремится сконцентрироваться к ее центру. Воз-
росшая сила самогравитации повысит давление газа, а значит, и его темпе-
ратуру. Чтобы противодействовать этому стремлению к сжатию, более
массивная звезда должна выделять каждую секунду больше кинетической
энергии для предотвращения дальнейшего сжатия большего количества га-
за. Поэтому температура в центре каждой звезды определяется ее массой.
Иными словами, скорость выделения энергии в центре звезды (зависящая
от температуры) обеспечивает как раз такое количество энергии, которое
нужно, чтобы данная звезда могла противостоять сжатию под действием
собственных сил гравитации. В табл. 5.1 приведены расчетные значения
температур в центре, скоростей выделения энергии и продолжительностей
жизни звезд разных масс. Видно, что менее массивные звезды с меньшим
выделением энергии намного переживут своих более массивных и расточи-
тельных «сородичей».
Расчетные массы (в массах Солнца), температуры в центре, Таблица 5.1 светимости (в светимостях Солнца) и времена жизни некоторых звезд
Звезда Масса Температура в центре, К Светимость Время жизни на главной последовательности, годы
Ригель 10 30 000 000 50000 2000000
Сириус 2,3 20 000 000 23 1000000000
Процион 1,8 18 000 000 7,6 2400000000
а Центавра А 1,1 15000 000 1,5 7000000000
Солнце 1,0 13 000000 1,0 10000000000
61 Лебедя А 0,63 8000000 0,079 80000000000
Проксима Центавра 0,1 6000000 0,00006 16000000000 000
Источники энергии звезд
117
Глядя на звезды, мы, конечно, не можем прямо оценить их массы
и температуры в центре. В крупнейшие телескопы звезды, кроме, конечно,
Солнца, видны лишь как точки, что является очевидным подтверждением
колоссальных расстояний даже до ближайших из них. Единственное, что
астрономы могут определить сравнительно легко, это поверхностные тем-
пературы и видимый блеск звезд. Исходя из этих двух измеряемых величин,
астрономы разработали полезную классификацию звезд.
Спектральная классификация звезд
Чтобы определить температуру поверхностных слоев звезды, астро-
номы с помощью спектрографа разлагают свет звезды в спектр, т.е. по
частотам или длинам волн. На рис. 5.4 показан спектр излучения Солнца,
Рис. 5.4. При разложении пучка солнечного излучения в спектр по энергиям (цве-
там) видны темные линии, соответствующие значениям энергии, при ко-
торых испускается относительно мало фотонов. В солнечном спектре
видны две особенно темные полосы (вверху слева), обусловленные .по-
глощением ионами кальция. Указаны длины волн в ангстремах (1 А =
= 10“8 см).
118
Глава 5
пока что лучше всего изученной звезды; частота (а значит, и энергия фото-
нов) убывает сверху вниз и слева направо. Плотность почернения плас-
тинки в том или ином месте характеризует количество фотонов соответ-
ствующей частоты или длины волны в солнечном излучении. Можно сразу
заметить, что на некоторых частотах Солнце совсем не испускает или ис-
пускает мало фотонов. Эти фотоны поглощаются в его поверхностных
слоях, по мере того как излучение из нижележащих областей (в котором
присутствуют фотоны видимого излучения всех частот) просачивается
наружу.
Поверхностные слои Солнца имеют температуру 5800 К. Эта температу-
ра не очень высока, поэтому многие атомы, например водород, гелий,
азот, кислород и натрий, сохраняют все свои электроны. Эти атомы вместе
с множеством однократно или двукратно ионизованных атомов углерода,
кальция, магния, железа и других элементов поглощают излучение на не-
которых точно известных частотах. Только излучение определенной энер-
гии может возбудить атомы или ионы, т. е. перевести их электроны на бо-
лее высокие орбиты. Фотоны других энергий пролетают мимо атомов
и ионов, почти не взаимодействуя с ними, и обеспечивают свечение спек-
тра между линиями поглощения.
Температура в поверхностных слоях Солнца определяет, какие атомы
окажутся ионизованными и сколько электронов они потеряют. Таким
образом, температура прямо связана с видом спектра излучения Солнца
или любой другой звезды, поскольку от присутствия или отсутствия тех
или иных атомов или ионов зависит, будет ли звезда излучать на опреде-
ленных частотах, на которых эти атомы или ионы поглощают.
Астрономы используют звездные спектры, чтобы классифицировать
звезды по их поверхностным температурам. Эти спектральные классы, при-
веденные в табл. 5.2 и на рис. 5.5, получили свои обозначения и определе-
ния раньше, чем астрономы поняли, что различия в звездных спектрах
обусловлены в основном различиями поверхностных температур. Поэтому
может создаться впечатление, что в обозначениях спектральных классов
звезд нет последовательности: самые горячие звезды отнесены к классу О,
за ним следует класс В, а затем A, F, G, К и М. Звезды класса О имеют
поверхностные температуры 30000 К, в 10 раз выше, чем звезды класса М.
В дополнение к этим основным категориям астрономы подразделяют
каждый класс на десять подклассов, обозначая их цифрой от 0 до 9, сле-
дующей за буквой, так что, например, звезда класса G9 имеет несколько
более высокую поверхностную температуру, чем звезда класса КО. Запом-
нить спектральные классы от самых горячих до самых холодных звезд по-
может следующая фраза: “Our Baby Asks for Grandma's Kitchen Matches”;
первые буквы слов в ней соответствуют спектральным классам.
Источники энергии звезд
119
o-Dra ' КО
5 3389 ВИЯМИ М2.
Рис. 5.5. Можно классифицировать звезды по их поверхностным температурам,
которые определяются по спектрам. Различия в спектрах звезд обусло-
влены тем, что степень ионизации атомов во внешних слоях звезд зави-
сит от температуры.
Таблица 5.2
Поверхностные температуры и особенности спектров звезд
различных спектральных классов
Спектраль- Средняя по- Особенности спектров
ный класс верхностная температу- ра, к
О 30 000 Линии поглощения ионизованного гелия; слабые
в 20 000 линии поглощения водорода Линии поглощения нейтрального гелия; более
А 10 000 сильные линии водорода Самые сильные линии поглощения водорода; сла-
F 7000 бые линии поглощения нейтрального гелия В спектре продолжают преобладать линии водоро-
G 5500 да; линии поглощения тяжелых элементов Слабые линии водорода; много линий поглощения
К 4000 однократно ионизованных и нейтральных «тя- желых» элементов Возрастающее число линий поглощения нейтраль-
М 3000 ных атомов тяжелых элементов; линии водоро- да не видны Линии поглощения нейтральных металлов (в част-
ности окиси титана) и молекулярные полосы
120
Глава 5
Шкала звездных величин
Мы описали, как астрономы определяют и классифицируют поверх-
ностные температуры звезд по их спектрам. Другой основной наблю-
даемый параметр-видимый блеск звезды-может быть оценен в соответ-
ствии со шкалой звездных величин, построенной две тысячи лет назад.
Подобно тому как астрономы следуют старой традиции, ставя в спек-
тральной классификации самые горячие звезды на первое место, а самые
холодные-на последнее, они называют самые яркие звезды звездами пер-
вой звездной величины, а самые слабые звезды, видимые невооруженным
глазом, относят к шестой звездной величине. Таким образом, чем слабее
звезда, тем больше ее звездная величина.
В основу шкалы видимых звездных величин положено следующее соот-
ношение: при разности в 5 звездных величин отношение блеска двух звезд
равно 100. Таким образом, видимый блеск звезды первой звездной вели-
чины в сто раз больше, чем звезды шестой звездной величины, и в мил-
лион раз выше, чем звезды шестнадцатой звездной величины. Звезда каж-
дой последующей звездной величины в 2,512 раза (корень пятой степени из
100) слабее звезды предшествующей звездной величины, так что звезда
второй величины в 2,512 раза ярче звезды третьей величины и в 6,310
(2,512 х 2,512) раза ярче звезды четвертой величины.
Когда астрономам удалось измерить расстояния до ближайших звезд,
они определили их истинные (абсолютные) звездные величины, или свети-
мости. Под светимостью мы понимаем блеск звезд, который они имели
бы, если бы все находились на одинаковом расстоянии от нас. Для удоб-
ства астрономы выбрали в качестве стандартного расстояние в 10 пс
и определяют абсолютную звездную величину как видимую величину, ко-
торую имела бы звезда, если бы она находилась на расстоянии 10 пс от
нас.
Измерив расстояния до звезд, астрономы обнаружили, что светимости
звезд меняются в огромных пределах. Абсолютная звездная величина
Солнца, +4,8W, находится примерно в середине полной шкалы. У неко-
торых звезд светимость в 100000 раз выше, чем у Солнца, и даже еще вы-
ше, у других (слабейших белых карликов) она в 100000 раз ниже, чем
у Солнца.
Диаграмма Герцшпрунга-Рессела
Если сопоставить светимости звезд и их поверхностные температуры,
то вырисовывается интересная картина. На рис. 5.6 показана диаграмма
светимость-поверхностная температура. Эту диаграмму называют также
Источники энергии звезд
121
Рис. 5.6. Если построить диаграмму поверхностных температур и светимостей
большого числа звезд, то большинство звезд расположится на этой диа-
грамме вдоль главной последовательности. Звезды выше и правее глав-
ной последовательности-это красные гиганты, ниже и левее-белые
карлики.
диаграммой Герцшпрунга-Рессела в честь ее авторов. На рис. 5.6 видно,
что у большинства звезд поверхностные температуры и абсолютные
звездные величины таковы, что эти звезды располагаются в определенной
части диаграммы, называемой главной последовательностью. Звезды глав-
ной последовательности имеют поверхностные температуры от нескольких
тысяч до 30000 К и выше. Для этих звезд характерна четкая связь между
поверхностными температурами и светимостями: чем выше поверхностная
температура звезды, тем больше ее абсолютная звездная величина, или
светимость. Этого результата следовало бы ожидать, если бы все звезды
главной последовательности имели примерно одинаковые размеры. Более
горячие звезды излучают больше энергии в секунду с каждого квадратного
122
Глава 5
сантиметра своей поверхности, а площади поверхностей звезд были бы
примерно одинаковы*.
На главной последовательности, к которой принадлежит большинство
известных нам звезд, они проводят существенную часть жизни с активным
выделением энергии. Все звезды, которые в соответствии со своими по-
верхностными температурами и светимостями располагаются на главной
последовательности, перерабатывают массу покоя в энергию с постоянной
скоростью. Эти звезды, выделяя энергию, сохраняют почти постоянные
размеры благодаря равновесию между направленными к центру силами
гравитации и направленным наружу давлением, которое создается благо-
даря высвобождению энергии.
Красные гиганты
и белые карлики
А что можно сказать о звездах, которые не принадлежат к главной по-
следовательности на диаграмме Герцшпрунга-Рессела? У этих звезд, как
мы увидим в следующей главе, стадия постоянного выделения энергии за-
кончилась. Они ближе к концу своей жизни, чем звезды главной последо-
вательности, и располагаются на диаграмме выше (красные гиганты) или
ниже (белые карлики) главной последовательности.
Красные гиганты обладают относительно низкими поверхностными
температурами (от 2000 до 6000 К), но очень высокими светимостями.
Чтобы светимость холодной звезды была велика, сама звезда должна
иметь колоссальные размеры, поскольку холодная поверхность излучает
относительно небольшую энергию в секунду с каждого квадратного санти-
метра. Поэтому площадь поверхности, а значит, и радиус звезды должны
быть гигантскими, чтобы обеспечить достаточно высокую светимость, спо-
собную объяснить энерговыделение красных гигантов. Крупнейшие из та-
ких звезд, красные сверхгиганты, превосходят по своим размерам Солнце
в тысячи раз; внутри такой звезды поместились бы орбиты Земли и Мар-
са! Однако массы этих звезд превышают массу Солнца лишь в несколько
раз, поэтому они должны быть чрезвычайно разреженными и состоят
* На самом деле все несколько сложнее: звезды с более высокими поверх-
ностными температурами имеют несколько большие размеры, чем звезды с мень-
шими поверхностными температурами. Однако основным фактором, определяю-
щим светимости звезд, остаются их поверхностные температуры, поскольку более
горячие звезды излучают в секунду значительно больше энергии с каждого квад-
ратного сантиметра поверхности, чем более холодные.
Источники энергии звезд
123
Рис. 5.7. Звезды нижней части главной последовательности (звезды низкой свети-
мости) имеют меньшие массы и поверхностные температуры, чем более
яркие звезды главной последовательности. Эти звезды с малыми масса-
ми живут много дольше звезд верхней части главной последовательно-
сти.
главным образом из сильно разреженной оболочки, которая окружает не-
большое плотное ядро*.
Белые карлики имеют относительно высокие поверхностные темпера-
туры (от 5000 до 15000 К), но чрезвычайно низкие светимости. Следова-
тельно, белые карлики должны иметь крошечные поверхности и радиусы.
Большинство белых карликов по размерам близки размерам Земли, а по
массе-к Солнцу! Поскольку радиус Солнца в 100 раз больше земного,
объем Солнца превышает объем Земли в миллион раз. Следовательно,
белый карлик, который содержит массу Солнца в объеме Земли, должен
ио плотности вещества в миллион раз превосходить Солнце. Стакан веще-
ства белого карлика весил бы на поверхности Земли 100 тонн!
* Астрономы используют также термины «голубые гиганты» и «голубые
сверхгиганты». Это просто самые горячие и яркие из звезд главной последователь-
ности, не выделяемые в отдельную категорию, как красные гиганты и сверхги-
ганты.
124
Глава 5
Классификация звезд по поверхностным температурам и светимостям
помогла выявить их сходства и различия. Рассчитав теоретически эволю
цию звезд, астрономы установили, что во всех звездах главной последова
тельности происходит синтез ядер гелия из протонов с выделением энер
гии. Именно от массы звезды зависит, расположится ли та или иная звезда
в верхней части главной последовательности (большая светимость, высо
кая температура поверхности), в середине (умеренные светимость и темпе
ратура) или в нижней ее части (низкие светимость и температура)
В период сжатия протозвезды, из которых образовались звезды, при
надлежащие теперь к главной последовательности, не занимали те мест
на диаграмме Герцшпрунга-Рессела, которые они занимают сейчас (рис
5.7, 5.8). Но с момента, когда началось выделение энергии, они сохраняю!
почти постоянные поверхностную температуру и светимость, а значит, по
чти не меняют своего положения на главной последовательности. Короче
Звезда главной
последовательности
(Солнце)
Средняя плотность 1 г/см3
1 400 000 км
Рис. 5.8. Когда звезды сжимаются до размеров, которые они затем сохраняю i
в течение времени жизни на главной последовательности, они проходя)
через короткую фазу низкой поверхностной температуры и высокой све-
тимости. В этой фазе, пока размер звезды существенно превосходит с<
размер на главной последовательности, звезда испускает интенсивно»
инфракрасное излучение (см. рис. 5.7).
Источники энергии звезд
125
говоря, звезды в результате эволюции вступают на главную последова-
тельность, а затем покидают ее, но они не перемещаются вдоль главной
последовательности, а остаются почти в одном и том же месте в течение
всей стадии с постоянным выделением энергии.
Большая часть вещества любой звезды главной последовательности-
это ядра водорода (протоны), 25% полной массы приходится на ядра ге-
лия. Все остальные элементы тяжелее водорода и гелия составляют не бо-
лее 1 или 2% массы звезды. Этот факт не должен нас удивлять, если учесть,
что после начала расширения Вселенной существовали преимущественно
водород и гелий и что большая часть физических процессов внутри звезды
сводится к синтезу ядер гелия из ядер водорода. Скорее, следовало бы
спросить, почему звезды содержат так много-1 или 2% их массы-тя-
желых ядер: углерода, азота, кислорода, неона и др.? Как возникли эти
элементы? Ответ на эти вопросы дают заключительные стадии звездной
эволюции, когда известные механизмы выделения энергии уже невоз-
можны. В следующей главе мы познакомимся с тем, что происходит в не-
драх звезд, исчерпавших основные источники энергии и из зрелого возра-
ста вступивших в пору великолепной старости.
Выводы
Большинство звезд, по-видимому, образовались при сжатии газовых
облаков миллиарды лет назад, хотя некоторые звезды в нашей Галактике,
в других спиральных и неправильных галактиках значительно моложе
остальных, и даже сейчас продолжают рождаться звезды. В спиральных
галактиках прохождение волны плотности вызывает всплеск звездообразо-
вания в межзвездных газовых облаках, подобных туманности Ориона.
Звезды светят благодаря превращению части массы покоя в энергию
в соответствии с формулой Эйнштейна Е = тс2. Это происходит в резуль-
тате серии реакций термоядерного синтеза, носящих название протон-про-
тонного цикла. В реакциях цикла происходит слияние четырех протонов
в ядро гелия с выделением энергии, соответствующей разности масс покоя
исходных протонов и образовавшегося ядра. В самых горячих внутренних
областях звезд каждую секунду происходит колоссальное число реакций.
Выделяющаяся энергия, перераспределенная между частицами внутри
звезды вследствие столкновений, сообщает частицам достаточную кинети-
ческую энергию, чтобы звезда могла противостоять сжатию под дей-
ствием собственных сил гравитации. Поскольку поток энергии наружу
уравновешивается действием гравитационных сил, направленных внутрь,
большинство звезд могут регулировать скорость выделения энергии с вы-
сокой точностью. Звезды, у которых устанавливается постоянная скорость
выделения энергии, вступают на главную последовательность на диаграм-
ме Герцшпрунга-Рессела. Чем больше масса звезды, тем больше ее по-
126
Глава 5
верхностная температура и тем выше ее светимость. В результате мае
сивные звезды расходуют свои запасы протонов, превращая их в ядра гс
лия с выделением энергии, значительно быстрее, чем звезды меньших масс
Продолжительность жизни звезды, и в особенности отрезок времени,
в течение которого она остается на главной последовательности, hmcci
важное значение для поисков жизни. Лишь те звезды, времена жизни ко
торых на главной последовательности превышают несколько миллиардов
лет, могут обеспечить условия для развития жизни на планетах, возмож
но обращающихся вокруг них.
Потребовались миллиарды лет, чтобы на Земле появилась жизнь и про
шла путь развития, начиная от одноклеточных примитивных организмон.
Если принять историю нашей планеты за образец, то мы должны уделии.
внимание звездам с умеренными массами не более полутора масс Солнца
Такие звезды имеют длительные времена существования, необходимые для
развития жизни. К счастью, для наших поисков жизни, число таких звезд
значительно превосходит число более эффектных и массивных, но недолго
вечных звезд, которые мы в основном видим при наблюдении неба нево
оружейным глазом.
Вопросы
1. Как происходит генерация энергии в звездах? В какой области звезды темпе
ратура достаточно высока для осуществления этого процесса? Почему необходима
высокая температура?
2. Почему звезды не светят в результате аннигиляции вещества и антивещества
с испусканием постоянного потока излучения? Почему источником энергии звезд нс
может быть деление ядер урана?
3. В какой из реакций протон-протонного цикла рождается античастица? Что
с ней затем происходит?
4. Почему прекращается сжатие протозвезд? Чем вызывается переход от про
тозвезды к настоящей звезде? Почему высвобождение энергии внутри звезд не за
ставляет их взрываться?
5. Почему более массивные звезды быстрее расходуют свое ядерное топливо,
чем менее массивные?
6. Ближайшая к Солнцу звезда а Центавра имеет видимую звездную величину
— 0,2"*, а звезда Wolf359 (пятая по расстоянию от Солнца)-видимую звездную вс
личину +9,8"*. Во сколько раз видимый блеск а Центавра больше, чем звезды
Wolf 359?
7. Звезда Wolf 359 в два раза дальше от нас, чем а Центавра. Во сколько pin
светимость а Центавра выше, чем звезды Wolf 359?
8. Почему большинство звезд располагаются вдоль главной последовательно
сти на диаграмме Герцшпрунга-Рессела? Какие звезды не принадлежат к главной
последовательности ?
9. Почему красные гиганты-красные? Что такое красные сверхгиганты?
Источники энергии звезд 127
10. Антарес и звезда Барнарда (третья ближайшая к Солнцу звезда) имеют
одинаковые поверхностные температуры, но площадь поверхности Антареса в 100
млн. раз больше, чем у звезды Барнарда! В каком соотношении находятся светимо-
сти этих звезд?
Литература
Baade W. The evolution of stars and galaxies, Harvard Univ. Press, Cambridge, Mass.,
1963. (Имеется перевод: Бааде В. Эволюция звезд и галактик-М.: Мир, 1966.)
Вок В. The birth of stars. In New frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich,
W. H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
Gamow G. A star called the sun, Mentor Books, New York, 1961.
Herbig G. The youngest stars. In New frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich,
W. H. Freeman and Co.. San Francisco. 1975.
Jastrow R. Red giants and white dwarfs, New American Library, New York, 1969.
Schatzman E. The structure of the universe, George Weidenfeld and Nicolson, London,
1974.
Page T.t ed. The evolution of stars, Macmillan, New York, 1968.
Глава 6
Как звезды заканчивают
свой жизненный путь
Если судить по опыту нашего земного существования, то именно
звезды поддерживают жизнь на планетах, которые могут обращаться во-
круг них. Следовательно, для нас самих и для наших поисков жизни
огромный интерес представляет судьба звезд после того, как они исчер-
пают свои запасы протонов. «Возрастные» изменения, которым подвер-
гается звезда, столь фантастичны и имеют столь далеко идущие послед-
ствия, что просто не укладываются в привычные земные понятия
В частности, для большинства людей будет неожиданностью узнать, чти
каждая молекула в наших телах включает в себя атомы из взорвавшихся
звезд. Воздух, которым мы дышим, земля, на которой мы живем, моря во
круг нас и весенние цветы-все состоит из пепла давно исчезнувших звезд,
которые сначала сжались, а потом взорвались, после того как завершились
все процессы выделения энергии в их недрах.
Расход ящерного топлива
в звездах
Поскольку силы самогравитации действуют на звезду всегда, любая
звезда должна сжиматься, если она не способна вырабатывать достаточно
энергии в секунду, чтобы преодолеть тенденцию к сжатию, или не в со
стоянии найти иной способ противодействия гравитации. Как только боль
шая часть протонов в центральных областях звезды превратится в ядра гс
лия, она не сможет больше выделять энергию в реакциях протон-протон
ного цикла. Ядра гелия представляют собой естественное сырье дли
дальнейших реакций термоядерного синтеза, но с оговоркой: ядра гелия-4
(4 * * *Не) сливаются чрезвычайно неохотно. Для их слияния нужны темпера
туры не в миллионы, а в сотни миллионов градусов. Лишь при таких ко
лоссальных температурах ядра 4Не могут преодолеть взаимное отталкива
ние и подойти достаточно близко друг к другу, чтобы слиться. В такт
реакциях из двух ядер 4Не сначала образуется ядро берилия-8 (8 * * *Ве) и иену
скается фотон. Затем ядро 8Ве сольется с другим ядром 4Не и породи i
ядро углерода-12 (12С) и фотон (рис. 6.1). В результате этих двух реакции
Как звезды заканчивют свои жизненный путь
129
Перед столкновением
После столкновения
Рис. 6.1. Когда ядра гелия начинают сливаться, сначала из двух ядер гелия-4
образуется ядро бериллия-8 и фотон. На следующем этапе ядро берил-
лия-8 соединяется с ядром гелия-4, и образуется ядро углерода-12
и фотон.
из трех ядер 4Не образуются ядро 12С и два фотона и выделяется энергия
1,2 10" 6 эрг. Отметим, что эта энергия почти в четыре раза меньше, чем
энергия протон-протонного цикла (4,2 10"5 эрг); при слиянии ядер гелия
звезда выделяет значительно меньше энергии, чем при слиянии протонов.
Эволюция звезд
Рассмотрим теперь, что происходит по мере того, как расходуются за-
пасы протонов в центральных областях звезды в результате реакций тер-
моядерного синтеза. Сначала постепенно уменьшающиеся запасы прото-
нов продолжают поставлять достаточно энергии, чтобы предотвратить
коллапс звезд. Звезда может выйти из создавшегося положения благодаря
сжатию центрального ядра-естественному результату действия гравита-
ционных сил, не полностью уравновешенных выделением энергии. Это по-
вышает температуру в ядре и заставляет протоны быстрее вступать в реак-
ции, поэтому скорость выделения энергии и расход протонов возрастают.
Центральные области, в которых заключено около половины массы
звезды, продолжают сжиматься и разогреваться, пока наконец почти все
протоны не превратятся в ядра гелия. Затем сами ядра гелия начинают
вступать в реакции, так как температура в ядре повышается до 200 млн. К.
Начало термоядерных реакций с участием гелия обеспечивает вне-
запный скачок выделения энергии, так что звезда на короткое время стано-
вится значительно ярче. Гелиевая вспышка отмечает пик светимости
9-485
130
Глава 6
Поверхностная температура, К
Рис. 6.2. Когда звезды стареют, они покидают главную последовательность ни
диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Их внешние слои становятся значи-
тельно холоднее, чем у звезд главной последовательности с теми же
светимостями.
звезды; после этого продолжается медленное ее угасание. На рис. 6.2 пока-
заны изменения светимостей и поверхностных температур звезд, располо-
женных в разных точках главной последовательности. Когда большая
часть протонов во внутренних областях звезды превращается в ядра гелия,
звезда покидает главную последовательность, которая символизирует ста-
ционарный протон-протонный цикл. В продолжение этой фазы ядра звезд
почти целиком состоят из гелия, а реакции слияния протонов идут в обо-
Как звезды заканчивают свой жизненный путь
131
дочке, окружающей центральное-ядро (рис. 6.3). Некоторые звезды дей-
ствительно увеличивают свою светимость при сжатии ядра; температура
в их центрах растет, повышая скорость реакций между протонами, остав-
шимися в тонких оболочках, окружающих чисто гелиевые ядра.
При гелиевой вспышке выделяется столь большая энергия за столь ко-
роткое время, что ядро слегка расширяется. Это в свою очередь снижает
температуру и скорость слияния ядер гелия. Тем не менее эти реакции про-
должаются, и в сжавшемся ядре источником энергии являются все мень-
шие запасы ядер гелия. Поскольку скорость реакций термоядерного синте-
за чрезвычайно сильно зависит от температуры, звезда может в течение
короткого времени освобождать в секунду больше энергии, чем прежде,
несмотря на истощение запасов ядерного топлива. При этом количество
выделившейся энергии увеличивается, заставляя расшириться внешние
слои звезды. Расширение сопровождается охлаждением, и вокруг звезды
возникает холодная протяженная внешняя оболочка и одновременно
чрезвычайно плотное и горячее центральное ядро.
Таким образом, звезда становится красным гигантом, более холодным
и разреженным снаружи и более горячим и плотным внутри, чем звезда
главной последовательности. В конце концов внешние слои звезды «испа-
ряются» в окружающее пространство, открывая следующие, более на-
гретые слои. На какое-то время звезда может приобрести высокие свети-
мость и поверхностную температуру-настолько высокие, что она будет
Рис. 6.3. После того как все протоны вблизи центра звезды будут израсходованы
на синтез ядер гелия, протон-протонные реакции продолжаются в обо-
лочке вокруг гелиевого ядра.
9*
Рис. 6.4. После того как красный гигант сбросит свои внешние слои, ранее неви-
димые внутренние слои становятся поверхностью звезды, значительно
меньшей по размеру и более горячей, чем первоначальная. Звезда в цен-
тре этой планетарной туманности в созвездии Водолея излучает в уль-
трафиолетовой области спектра значительно сильнее, чем в видимой,
и обусловливает свечение всей окружающей оболочки.
отдавать большую часть своей энергии в форме ультрафиолетового излу-
чения, невидимого для человеческого глаза. Однако сброшенные внешние
слои могут поглощать ультрафиолетовые фотоны. Эти фотоны будут ио-
низовать атомы в оболочке вокруг звезды. Рекомбинируя, атомы испу-
скают видимое излучение, и мы наблюдаем планетарную туманность,
Как звезды заканчивают свои жизненный путь
133
образовавшуюся из сброшенной звездой оболочки (рис. 6.4). Эти туманно-
сти черпают энергию от почти невидимой (для нас) звезды, которая нахо-
дится в центре сферической газовой оболочки, ранее принадлежавшей
к этой же звезде.
Как долго длятся различные фазы звездной эволюции? Если сопоста-
вить полное время жизни звезды с продолжительностью человеческой жиз-
ни (70 лет), то в этом масштабе времени начальное сжатие и фаза прото-
звезды-это пора «детства» (скажем, до 15 лет), а конечное сжатие
и начало выделения энергии протекают значительно быстрее (1 год). Фаза
главной последовательности длится, вероятно, 50 лет, а эволюция от глав-
ной последовательности до момента гелиевой вспышки занимает еще год.
Сама гелиевая вспышка продолжается миллиардную долю секунды (в ре-
альном масштабе времени-менее 1 с*), а последующая фаза красного ги-
ганта-около трех лет. Фаза планетарной туманности и все дальнейшее за-
нимают менее года, а затем звезда или взрывается, или становится белым
карликом (см. с. 134-135). Мы использовали сопоставление с продолжитель-
ностью человеческой жизни, вместо того чтобы приводить истинные
многозначные числа, потому что продолжительность каждой фазы зависит
от массы звезды. Например, Солнце проведет на главной последователь-
ности 10 млрд, лет, а затем пройдет 100 млн. лет до гелиевой вспышки,
а звезда массой 5 солнечных проведет на главной последовательности все-
го 70 млн. лет и затем пройдет 5 млн. лет до гелиевой вспышки. Эти
цифры являются результатом детальных расчетов и подчеркивают тот
факт, что звезда основную часть своей жизни проводит на главной
последовательности.
Мы проследили эволюцию звезды от начала протон-протонного цикла
через стадии синтеза углерода из гелия. Что произойдет, когда звезда из-
расходует запасы ядер гелия, превратив их в ядра углерода? Каждой звез-
де уготован один из двух совершенно различных жизненных путей в зави-
симости от ее массы. Звезды с малыми массами станут белыми карликами,
массивные же звезды-вероятные кандидаты на взрывы сверхновых.
Принцип Паули
и белые карлики
Белые карлики представляют собой весьма плотные остатки нор-
мальных звезд, которые сбросили свои наружные слои и обнажили ядра,
состоящие к этому времени преимущественно из ядер углерода и электро-
♦ Гелиевая вспышка продолжается менее 1 с в ядре звезды. Диффузия энергии
к поверхности звезды занимает значительно больше времени, поэтому если мы бу-
дем наблюдать звезду в момент гелиевой вспышки, то увидим возрастание блеска,
которое продлится несколько суток.
134
Глава 6
нов. Белые карлики отличаются от других звезд и противостоят сжатию
под действием гравитационных сил благодаря тому, что электроны подчи-
няются принципу Паули. Этим термином ученые называют кажущуюся
фантастической идею: «газ», состоящий из некоторых типов частиц (в
частности, электронов, протонов и нейтронов), просто нельзя сжимать до
бесконечности. Это сопротивление дальнейшему сжатию действует вдоба-
вок (и значительно превосходит) к обычному взаимному отталкиванию,
обусловленному электромагнитными силами. Однако принцип Паули для
электронов становится существенным, лишь если плотность вещества пре-
вышает 1 млн. г/см3, т.е. становится в миллион раз больше плотности во-
ды (наступает вырождение). При более низких плотностях принцип Паули
не оказывает существенного влияния на поведение электронов в звездных
недрах, поэтому мы не сталкивались с этим эффектом до тех пор, пока не
приступили к рассмотрению белых карликов с их огромными плотностями
вещества.
Рассмотрим звезду, центральные области которой продолжают сжи-
маться с соответствующим повышением температуры. Как только основ-
ная часть гелия в ядре звезды превратится в ядра углерода, последние мо-
гут начать в свою очередь сливаться в более тяжелые ядра, также выделяя
энергию. Однако если недра звезды сожмутся до плотности 1 млн. г/см3,
то слияние ядер углерода прекратится. Почему? Потому что электроны,
подчиняясь принципу Паули, воспрепятствуют сжатию до более высоких
плотностей. Если электроны сопротивляются дальнейшему сжатию, то так
же будут вести себя и ядра, потому что электромагнитные силы притяже-
ния между отрицательно заряженными электронами и положительно заря-
женными ядрами не дают ядрам собираться к центру звезды под
действием сил гравитации (рис. 6.5).
Поскольку электроны в белых карликах препятствуют концентрации
ядер углерода к центру звезды, ядра не могут приобрести достаточной
скорости, чтобы преодолеть взаимное электромагнитное отталкивание
и вступить в реакцию. В звездах главной последовательности плотность
вещества в центре ниже, чем в белых карликах, однако в недрах звезд глав-
ной последовательности случайные столкновения протонов вызывают ре-
акции протон-протонного цикла. В белых карликах плотность чрезвычайно
высока, но невозможны ядерные реакции, потому что ядра не могут при-
обрести достаточную кинетическую энергию для слияния.
Белый карлик, ядро-остаток обычной звезды главной последовательно-
сти, имеющее теперь размеры Земли, постепенно передает тепло из недр
на поверхность и излучает его в пространство, но энергия в звезде больше
не выделяется. Как это ни странно, но, поскольку белые карлики излучают
так мало энергии (их светимость в тысячи раз меньше, чем у Солнца), они
могут светить миллиарды лет, медленно и постепенно угасая по мере рас-
ходования своих запасов энергии. Хотя поток энергии таких звезд состав-
Как звезды заканчивают свой жизненный путь
135
Рис. 6.5. Вырождение электронов в белых карликах не позволяет сжать их до
плотности, примерно в миллион раз превосходящей плотность воды. Ес-
ли электроны (черные кружки) нельзя упаковать плотнее некоторого
предела, то нельзя это сделать и с ядрами (белые кружки), так как они
«привязаны» силами электромагнитного притяжения к отрицательно за-
ряженным электронам.
ляет лишь малую долю процента от потока энергии Солнца, они могли
бы служить стабильным источником энергии для живых организмов, нахо-
дящихся на близких орбитах. Однако если вспомнить о предшествующих
фазах красного гиганта и гелиевой вспышки, не говоря уже о сбросе внеш-
них слоев звезды в виде планетарной туманности, то легко заключить, что
жизнь не могла бы продержаться до начала этой стабильной фазы. Любой
цивилизации на планете, обращающейся вокруг старой звезды, пришлось
бы столкнуться с катастрофическими изменениями потока ее энергии.
Лишь если цивилизация сумеет предусмотреть грядущие изменения своего
светила, избежит подъемов и спадов фазы красного гиганта и затем при-
близится к белому карлику, она сможет существовать без особых сюрпри-
зов еще миллиард лет.
Взрывы сверхновых
Таковы многочисленные, но скромные белые карлики. Каков же иной
путь звездной эволюции, ведущий к взрывам сверхновых звезд*, создав-
ших химические элементы, из которых состоит все живое? Почему неко-
торые звезды взрываются, разбрасывая по Вселенной необходимые для
* Астрономы вместо слов «сверхновая звезда» часто пишут и говорят просто
«сверхновая». Само название отражает несравненно большую мощность взрыва
и сопровождающих это событие потоков излучения по сравнению с новыми звезда-
ми, или просто новыми. Но между этими типами есть и принципиальные физические
различия, определяемые начальной массой эволюционирующей звезды-Прим. ред.
136
Глава 6
жизни атомные ядра, а не просто угасают как сверхплотные белые карли-
ки? Если бы небольшая часть звезд не взрывалась в конце своей жизни, то
не было бы нас и мы бы не размышляли сейчас об этих объектах, хотя,
с другой стороны, нам повезло, что наше Солнце не относится к числу бы-
стро эволюционирующих звезд, готовых взорваться как сверхновые, что
столь существенно для жизни.
Звезды по-разному заканчивают свой жизненный путь, потому что они
отличаются друг от друга массами, а значит, и плотностями в их центрах.
Более массивные звезды имеют меньшие плотности в центрах, поскольку
в них данная центральная температура достигается при меньших плотно
стях вещества. Почему? Потому что в более массивных звездах наружные
слои вещества оказывают большее давление на вещество в центральных
областях. В свою очередь центральные области отвечают на увеличение
давления повышением температуры; для этого не требуется особенно вы
сокой плотности вещества. В звездах меньшей массы гравитационным си
лам не так легко поднять давление и температуру, поэтому звезда дости
гает этого (чтобы уравновесить гравитационные силы) за счет увеличения
плотности вещества в своих недрах. Следовательно, менее массивные
звезды всегда имеют более высокую плотность вещества в центре, чем бо
лее массивные на том же этапе эволюции. В менее массивных звездах (i
массами менее 1,4 массы Солнца) электронное вырождение становится су-
щественным тогда, когда из ядер гелия образовались ядра углерода. Вес
белые карлики, насколько нам известно, имеют массы менее 1,4 массы
Солнца, а большинство из них-и менее массы Солнца*.
В недрах более массивных звезд такая высокая плотность никогда нс
достигается, даже после синтеза углерода из гелия, когда вырождение
электронов начинает играть существенную роль. В таких звездах можс!
продолжаться синтез более тяжелых ядер из ядер углерода. При этом вы
деляется дополнительное количество энергии, но в каждом последующем
типе реакций выделяется все меньше и меньше энергии. Если два ядра 12(
сливаются и образуют ядро магния-24 (24Mg), то выделяется в десять pa ।
меньше энергии, чем в реакциях протон-протонного цикла. Но чтобы про
тивостоять сжатию, звезда должна выделять энергию с прежней ско
ростью. Массивные звезды проходят через последовательность реакций
синтеза ядер с все меньшим выделением энергии, в которых образуются
* Детальные расчеты показывают, что звезда с массой более 1,4 массы Солнни
просто не может существовать как белый карлик. Дело в том, что вырождена
электронного газа не может удержать бесконечное количество вещества от каш
строфического сжатия (коллапса) под действием самогравитации. Действительно
ни один из белых карликов, массы которых можно определить, не обладает массой
более 1,4 солнечной, что подтверждает предсказания теории о невозможности суще-
ствования более массивных белых карликов.
Как звезды заканчивают свои жизненный путь
137
элементы от углерода до железа, прежде чем будут полностью исчерпаны
все возможности к высвобождению энергии в реакциях термоядерного
синтеза (т.е. образования тяжелых ядер из более легких).
Эта последовательность заканчивается на железе, поскольку, чтобы
образовалось ядро тяжелее железа-56 (с 26 протонами и 30 нейтронами на
ядро), необходимо затратить энергию. Иными словами, реакции синтеза
ядер легче железа протекают с уменьшением массы и соответствующим
выделением энергии, а реакции синтеза более тяжелых ядер-с увеличением
массы и поглощением энергии *. В звезде, в центре которой основная часть
ядер превратилась в 56Fe, уже не могут происходить новые, хотя бы и ме-
нее эффективные, реакции с выделением энергии. Такая звезда, если она
еще не достигла достаточно высокой плотности для заметного вырожде-
ния электронов, исчерпала все средства, и не может противостоять коллап-
су своего ядра.
Таким образом, ядро звезды коллапсирует под действием самогравита-
ции, уменьшая свои размеры в тысячи раз, возможно, менее чем за секун-
ду. Почему вырождение электронов не предотвращает коллапса? Причина
в том, что при фантастически высокой температуре в центральных обла-
стях коллапсирующей звезды электроны начинают вступать в реакции
с протонами, образующимися при столкновениях ядер. Звезда, в которой
все ядра превратились в железо, имеет температуру в недрах несколько
миллиардов градусов. Когда центральная часть такой звезды коллапси-
рует, сам коллапс служит источником энергии, необходимой для того,
чтобы ядра железа соударялись и распадались на протоны и нейтроны. За-
тем протоны соединяются с электронами с образованием нейтронов и ней-
трино. Эта реакция почти противоположна реакции распада нейтрона (рис.
6.6)**.
Реакции слияния протонов и электронов-это реакции, управляемые
слабыми взаимодействиями. Поскольку электроны не участвуют в сильных
взаимодействиях, они обычно не соединяются с ядрами, как протоны
и нейтроны. Кроме того, электромагнитные силы, благодаря которым про-
* Поскольку мы получаем энергию при синтезе все более и более сложных
ядер вплоть до ядра железа-56, мы должны затратить энергию для расщепления
этих ядер. Напротив, для синтеза ядер тяжелее железа необходимо затратить энер-
гию, поэтому при их расщеплении энергия выделяется (например, при расщеплении
ядер урана).
** Благодаря слабым взаимодействиям изолированный нейтрон распадается
примерно через 15 мин на протон, электрон и антинейтрино. Если представить себе
обратный процесс, то мы должны свести вместе протон, электрон и антинейтрино.
Почти эквивалентно этому обратному процессу слияние протона и электрона
с образованием нейтрона й нейтрино.
138
Глава 6
Перед столкновением
Протон Электрон
После столкновения
Нейтрон Нейтрино
Рис. 6.6. При колоссальных плотностях внутри коллапсирующего ядра звезды
протоны и электроны соединяются в результате слабых взаимодействий
с образованием нейтронов и нейтрино.
тивоположно заряженные электроны и ядра притягиваются друг к другу,
всегда заставляют электроны обращаться вокруг ядер, а не соединяться
с ними. Поэтому лишь слабые взаимодействия могут обеспечить объеди-
нение электронов и протонов (поскольку гравитационные силы между эле-
ментарными частицами очень незначительны). Однако, как следует из
самого названия, слабые взаимодействия обычно почти не вызывают та-
ких реакций. Но если температура в ядрах звезд повышается до миллиар-
дов градусов, а плотность-до значения в сотни тысяч граммов в 1 смл
(еще недостаточно высокого для того, чтобы начало играть важную роль
вырождение), электроны начинают соединяться с протонами. Исчезновение
электронов уносит с собой всякую надежду на то, что вырождение помо-
жет ядру звезды противостоять сжатию. Таким образом, слияние протонов
с электронами открывает путь к дальнейшему бурному коллапсу звездного
ядра, а коллапс в свою очередь обеспечивает высокие температуры и плот-
ности, необходимые для слияния протонов и электронов.
Образование тяжелых элементов
в сверхновых звездах
Коллапс ядра массивной звезды длится примерно 1 с, и эта секунда
важна как для самой звезды, так и для всей Вселенной. Во время коллапса
происходят триллионы реакций, так как ядра, сталкиваясь, вдребезги раз-
бивают друг друга. Столкновения приводят главным образом к распаду
ядер (железа-56 и других подобных ядер) на протоны и нейтроны. Но, кро-
ме того, в таких столкновениях могут рождаться ядра, более тяжелые, чем
железо, такие, как ртуть, серебро, свинец, золото, платина и уран. Фактиче-
ски при коллапсе звезды последний доступный источник энергии-энергия
ядра звезды - используется для создания этих тяжелых элементов.
Если посмотреть, какие элементы содержатся в земной коре и в живых
организмах^ то мы обнаружим важные различия в их распространенности.
Как звезды заканчивают свой зизненный путь
139
Элементы, ядра которых образовались в течение миллионов лет до кол-
лапса звездного ядра, такие, как углерод, азот, кислород, алюминий, крем-
ний и железо, значительно более распространены, чем ядра, возникшие за
единственную секунду коллапса: молибден, серебро, платина, золото
и ртуть. Живые организмы состоят почти исключительно из элементов
легче железа, т. е. из более распространенных элементов, возникших в тече-
ние длительного периода перед коллапсом. Однако слабые примеси эле-
ментов тяжелее железа входят в состав большинства живых организмов на
Земле. Сама Земля также более чем на 99,9% состоит из элементов легче
железа, но ничтожные примеси серебра, золота и урана, образовавшихся
в последнюю секунду жизни звезды, сыграли ключевую роль в истории че-
ловечества отчасти из-за своей редкости, связанной с коротким отрезком
времени, затраченным на их создание.
Как же эти элементы вырвались наружу из коллапсирующей звезды?
Кроме тяжелых ядер стремительная волна реакций внутри коллапсирую-
щей звезды рождает огромное количество нейтронов в результате столк-
новений протонов с электронами при колоссальных энергиях. Нейтроны
быстро заполняют звездное ядро, образуя так называемую нейтронную
звезду-маленький компактный объект, состоящий почти исключительно
из нейтронов. Как и электроны, нейтроны подчиняются принципу Паули
и могут быть сжаты лишь до некоторой плотности, значительно превы-
шающей соответствующую плотность для электронов. Когда нейтроны
сжаты до предела, вещество из внешних слоев звезды падает на поверх-
ность «новорожденной» нейтронной звезды с колоссальной скоростью
и тут же отскакивает обратно с такой же скоростью, как при взрыве секун-
дой раньше. Этот последний выброс энергии может осветить небо внезап-
ной вспышкой, возвещающей, что коллапс внутренних областей звезды по-
родил невероятно плотную нейтронную звезду (рис. 6.7).
Такой взрыв сверхновой звезды, разумеется, оказался бы фатальным
для жизни, если бы она существовала на обращающихся вблизи нее плане-
тах. Даже если предположить, что живые существа на этих гипотетических
планетах уцелели на стадии предсверхновой, когда звезда излучала все
больше и больше энергии, то сам взрыв им бы пережить не удалось. Боль-
шинство сверхновых излучает каждую секунду в сотни миллионов или да-
же в миллиарды раз больше энергии, чем Солнце, причем это продолжает-
ся несколько недель или месяцев. Воздействие такого излучения на
планету, подобную Земле, превзошло бы воздействие Солнца, внезапно
оказавшегося на расстоянии Луны от нас. Но это сравнение слишком мяг-
кое; точнее действие потока энергии сверхновой звезды на близкие пла-
неты равносильно тому, как если бы они оказались в эпицентре взрыва во-
дородной бомбы.
С большого расстояния вспышки сверхновых-эффектное и безопасное
зрелище. В большой спиральной галактике, подобной нашей, вспышки
140
Глава 6
Рис. 6.7. Крабовидная туманность в созвездии Стрельца-остаток вспышки сверх-
новой, которая наблюдалась на Земле в 1054 г., хотя звезда на самом
деле взорвалась на 6500 лет раньше. Вещество было выброшено из
звезды с огромными скоростями; даже сейчас мы наблюдаем газ, дви-
жущийся со скоростью 1000 км/с. Многие заряженные частицы в расши-
ряющемся газе движутся со скоростями, близкими к скорости света,
и испускают фотоны синхротронного излучения.
Как звезды заканчивают свои жизненный путь
141
Рис. 6.8. Взрыв звезды в созвездии Кассиопеи почти не оставил следов в видимой
области спектра, но рентгеновская фотография ясно показывает кольцо
выброшенного наружу вещества. В радиодиапазоне также наблюдается
расширяющаяся оболочка; остаток этой сверхновой-самый мощный
источник радиоизлучения на небе.
сверхновых происходят один раз в 50-100 лет* (рис. 6.8). В этом случае
астрономы видят появление новой звезды там, где раньше ничего не было
видно, потому что предсверхновая звезда обычно обладает слишком низ-
* Оценка частоты вспышек сверхновых по числу пульсаров и времени их ак-
тивной жизни дает примерно одну вспышку в 5-10 лет -Прим. ред.
142
Глава 6
ким блеском. Однако блеск сверхновой может в миллиарды раз превзой i и
блеск звезды, из которой она родилась (рис. 6.9). Через несколько месяцем
сверхновая угасает, перестает быть самой яркой звездой в своей галактик*
и в конце концов становится невидимой. Таким образом, полный вых<>*
энергии от сверхновой, каким бы огромным он ни был, меньше, чем <н
предсверхновой за сотни миллионов или миллиарды лет непрерывном»
стабильного свечения.
Последние вспышки сверхновых в нашей Галактике наблюдали* ।
в 1572 г. (сверхновая Тихо Браге) и в 1604 г. (сверхновая Кеплера). Сверх
новая, изображенная на рис. 6.8, вероятно, вспыхнула в начале XVIII в., и*»
Рис. 6.9. На этой фотографии запечатлен взрыв сверхновой в галактике, удал* ••
ной от нас на 40 Мпс; максимальная светимость сверхновой составлю »
около 0,001 полной светимости галактики.
Как звезды заканчивают свой жизненный путь
143
не была тогда обнаружена, так как поглощение межзвездной пылью силь-
но уменьшило ее видимый блеск. Согласно теории вероятности, мы вскоре
сможем наблюдать ещё одну сверхновую в нашей Галактике. Поскольку
мы, вероятно, находимся в тысячах световых лет от сверхновой, которую
нам предстоит наблюдать (именно на таких расстояниях от нас вспыхнули
три последние сверхновые), можно быть почти уверенным, что она уже
вспыхнула, но ее свет еще не достиг Земли. Каждый год приносит откры-
тия нескольких сверхновых в относительно близких галактиках. Последняя
сверхновая в нашем гигантском соседе-туманности Андромеды-наблю-
далась в 1885 г.
Мы познакомились с тем, как при коллапсе ядер старых звезд вспыхи-
вают сверхновые. При этом часть энергии коллапса (просто та энергия, ко-
торая оказывала сопротивление сжатию) расходуется на взрыв, отбрасы-
вающий вещество от ядра. Взрыв сопровождается излучением, которое
внезапно искажает знакомые очертания созвездий. Прежде чем перейти
к изучению остатков взрывов сверхновых, рассмотрим другие последствия
взрыва. Сверхновые полезны и важны, потому что они снабжают космиче-
ское пространство элементами тяжелее гелия. В галактике, подобной на-
шей, первое поколение звезд сформировалось из вещества, родившегося
в начале расширения Вселённой. Это вещество почти целиком состояло из
ядер водорода и гелия, электронов, нейтрино и антинейтрино. Ядра тяже-
лее гелия составляли менее одной миллионной от общего количества ве-
щества. По-видимому, первое поколение звезд содержало относительно
мало тяжелых элементов. Все эти звезды угасли. Самые старые звезды, ко-
торые мы наблюдаем сегодня, относятся к так называемому населению II
и образовались позднее. Эти звезды содержат значительно меньше тя-
желых элементов (углерода, кислорода, неона и т. д.), чем звезды, подобные
нашему Солнцу, которые относятся к населению I и содержат 1% тяжелых
элементов, а значит, образовались еще позже.
Вероятно, значительная часть ранних звезд имела относительно высо-
кие массы, в несколько раз больше, чем у Солнца. Поэтому их эволюция
быстро (менее чем за несколько миллиардов лет) миновала этап постоян-
ного выделения энергии, и они взорвались как сверхновые, разметав тя-
желые элементы (от углерода до урана и далее) по всей Галактике. Третье
и последующие поколения звезд, к которым относится большинство звезд
в нашей Галактике, по содержанию тяжелых элементов похожи на наше
Солнце. Один или два процента (по массе) этих звезд-это ядра тяжелее ге-
лия, образовавшиеся в других звездах и рассеянные по пространству при
их взрывах. Планеты, подобные Земле, представляют собой скопления пе-
пла этих сгоревших звезд, причем два наиболее распространенных элемен-
та во Вселенной-водород и гелий-улетучились, а остались тяжелые эле-
менты, многие из которых важны для жизни.
144
Глава 6
Космические лучи
Сверхновые, по-видимому, внесли дополнительный вклад в развитие
жизни. Мы уже упоминали, что внешние слои сверхновой с огромными
скоростями рассеиваются по космическому пространству, отброшенные
центральной нейтронной звездой. Поскольку перед вспышкой сверхновой
вещество в звезде распределено так, что его плотность падает с ростом
расстояния от центра, взрывная волна, вызванная катастрофическим паде-
нием и последующим расширением вещества, по мере распространения о i
центра встречает все меньше вещества на своем пути. В результате веще-
ство во внешних слоях звезды приобретает фантастические скорости-до
99,9% скорости света и даже больше. Эти слои быстро рассеиваются на от-
дельные частицы космических лучей: электроны, протоны, ядра гелия и бо-
лее тяжелых элементов, движущиеся со скоростями, близкими к скорости
света. Космические лучи (т.е. потоки быстро движущихся элементарных
частиц) пронизывают нашу Галактику; в верхние слои земной атмосферы
попадают миллиарды таких частиц в секунду. К счастью для нас, атмоефе
ра не пропускает основную часть потока космических лучей к поверхнос i и
Земли, спасая нас от смертоносного дождя, который, как мы знаем, moi
бы уничтожить все живое на протяжении жизни нескольких поколений. Не-
которые космические частицы могут пронизывать молекулярные облака
в межзвездном пространстве, где они ионизуют атомы водорода и стиму
лируют процесс образования молекул, проиллюстрированный на рис. 4.К
Частицы космических лучей, достигающие поверхности Земли, Moryi
играть важную роль в нашем существовании. Такие частицы вместе с ана
логичными быстрыми частицами, образующимися при распаде радиоах
тивных атомов (которые также являются результатом взрывов сверх
новых!), вызывают мутации, т.е. внезапные изменения в отдельных генах
от одного поколения живых существ к другому. Эти изменения лежат в ос
нове эволюции, создавая различия в способностях к воспроизведению срс
ди особей одного вида. Большинство мутаций уменьшает индивидуальньк
способности к выживанию и воспроизведению, поэтому признаки, возни
кающие вследствие мутаций, быстро исчезают из популяции в целом, по
выживание особей отчасти обусловлено определенными мутациями в и*
генах. Если космические лучи способны вызывать мутации, то взрыни
сверхновых не только поставляют сырье, из которого состоят живые opi л
низмы, но и обусловливают изменчивость вида, лежащую в основе биол<»
гической эволюции. Относительно близкая вспышка сверхновой можп
увеличить поток космических лучей, а значит, и скорость мутаций, так ч и»
мы будем эволюционировать быстрее. Некоторые ученые полагают, чн»
как раз такая вспышка около 70 млн. лет назад привела к вымиранию дн
нозавров, побежденных в борьбе за существование новыми видами
млекопитающих.
Как звезды заканчивают свой жзненный путь
145
Выводы
Старея, звезды истощают запасы протонов в центральных областях,
лишаясь возможности генерировать энергию в реакциях термоядерного
синтеза. В течение некоторого времени звезда может компенсировать все
увеличивающийся дефицит протонов сжатием центральных областей, по-
вышая при этом температуру и увеличивая скорость слияния оставшихся
протонов. Дополнительная энергия, полученная таким путем, вызывает
расширение внешних слоев звезды, которое сопровождается некоторым их
охлаждением. Звезда превращается в красный гигант с огромной внешней
поверхностью и небольшим быстро сгорающим внутренним ядром. Более
массивные звезды быстрее расходуют свои запасы протонов, чем менее
массивные, поэтому в скоплении звезд одинакового возраста более мас-
сивные звезды покинут главную последовательность на диаграмме Герцш-
прунга-Рессела и станут красными гигантами раньше, чем менее мас-
сивные. Ядро красного гиганта в конце концов сжимается настолько, что
в нем начинается превращение гелия в углерод. Эта гелиевая вспышка вы-
зывает временное расширение ядра, но по мере превращения ядер гелия
в углерод звездное ядро становится все плотнее, пытаясь предотвратить
гравитационный коллапс.
В звездах с меньшими массами ядра перестают сжиматься, после того
как гелий превратится в углерод. К этому времени недра звезды становят-
ся столь плотными, что принцип Паули препятствует дальнейшему сжа-
тию электронов. Электроны мешают и сжатию ядер благодаря электро-
магнитным силам, так что вырождение электронов предохраняет звезду
в целом от сжатия под действием собственных сил гравитации. После того
как внешние слои испарятся, ядро звезды становится белым карликом, ко-
торый медленно и долго угасает.
Однако масса белого карлика не может превышать 1,4 массы Солнца.
Звезды с большими массами, состарившись, по-видимому, заканчивают
свое существование, вспыхнув как сверхновые. Вспышки сверхновых объяс-
няются тем, что центральные области массивных звезд не могут стать та-
кими плотными, как в менее массивных звездах после превращения ядер
гелия в ядра углерода. В этих звездах углерод превращается во все более
тяжелые ядра, продолжая поставлять энергию. Но ядра, более тяжелые,
чем железо не могут образоваться в реакциях с выделением энергии, по-
этому ядро звезды коллапсирует. В результате коллапса образуется ма-
ленькая невероятно плотная нейтронная звезда. Вещество из внешних
слоев падает на нейтронную звезду и отбрасывается от нее с огромной
скоростью. В результате взрыва звезда на короткое время становится
чрезвычайно яркой. Более существенно то, что вспышки сверхновых обога-
щают свою галактику тяжелыми ядрами и порождают поток космических
10-485
146
Глава 6
лучей, т. е. ядер и электронов, движущихся со скоростями, близкими к ско-
рости света. Возможно, космические лучи ответственны за некоторые му-
тации, лежащие в основе эволюции жизни на Земле.
Вопросы
1. Что происходит с центральной областью звезды, когда основная часть про-
тонов превратилась в ядра гелия? Что происходит с внешними слоями звезды?
2. Что предохраняет белые карлики от коллапса? Как вырождение электронов
удерживает все ядра углерода в белом карлике от сжатия к центру звезды?
3. Происходят ли реакции ядерного синтеза внутри белого карлика? Почему
белый карлик продолжает светить?
4. Какие звезды не кончают свой жизненный путь в виде белых карликов?
Проходят ли эти звезды через стадию главной последовательности быстрее или
медленнее, чем другие звезды? Почему?
5. Что происходит со звездами, которые не стали белыми карликами? Какое
значение имеет их «судьба» для последующих поколений звезд?
6. Масса Веги в 3 раза, а абсолютная звездная величина в 30 раз больше, чем
у Солнца. Сравните времена жизни Веги и Солнца на главной последовательности.
7. Сверхновая, вспыхнувшая в нашей Галактике в 1604 г., находится на рас-
стоянии от нас около 5000 пс. В каком примерно году произошел в действительно-
сти взрыв?
8. Сверхновая, вспыхнувшая в туманности Андромеды в 1885 г., находится на
расстоянии от нас 600000 пс, т.е. примерно в 100 раз дальше чем сверхновая 1604 г.
В каком году взорвалась сверхновая 1885 г.? Если максимальные абсолютные
звездные величины обеих сверхновых были одинаковы, а видимая звездная величи-
на сверхновой в туманности Андромеды была равна + 6т, какова была видимая
звездная величина сверхновой 1604 г.?
9. Почему звезды населения I содержат больше тяжелых элементов, чем звезды
населения II? Почему мы проводим различие между тяжелыми и легкими элемен-
тами? К какому типу населения относится Солнце?
10. Что такое космические лучи? Какая часть сверхновой звезды может слу-
жить их источником?
Литература
Cameron A. G. W. Endpoints of stellar evolution. In Frontiers of astrophysics, ed.
E.H. Avrett, Harvard Univ. Press, Cambridge, Mass., 1976.
Greenstein J, Dying Stars. In Frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich, W. H. Freeman
and Co., San Francisco, 1970.
Oort J. The Crab Nebula. In Frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich, W. H. Freeman
and Co., San Francisco, 1970.
Пульсары,
нейтронные звезды
и черные дыры
Слава 7
В 1972 и 1973 гг. два космических аппарата, «Пионер-10 и И», старто-
вали с мыса Кеннеди и после почти двухлетнего полета прошли вблизи
Юпитера. За семь лет с момента старта каждый из кораблей преодолел
около 3 млрд, км; «Пионер-10» преодолел путь, равный расстоянию от Co-
mma до Урана, а «Пионер-11» в результате маневра в гравитационном по-
пе Юпитера изменил направление полета и в сентябре 1979 г. прошел
около Сатурна. За 100000 лет эти космические корабли пройдут путь,
равный расстоянию от Солнца до ближайшей звезды, хотя они летят вовсе
не к а Центавра, а просто в глубины межзвездного пространства.
Каждый космический аппарат несет на борту позолоченную пластинку
размером 15 х 25 см с выгравированным на ней рисунком (рис. 7.1).
В правой части рисунка, которая привлекала наибольшее внимание на Зе-
мле, нарисованы мужчина и женщина на фоне схематического изображе-
ния космического аппарата (для масштаба). Слева вверху показано изме-
нение ориентации спинов в атоме водорода (см. с. 93), а внизу
схематически изображена траектория космического аппарата от Земли,
третьей планеты Солнечной системы.
А что это за изображение, напоминающее паутину, в левой части ри-
сунка с черточками вдоль паутинок? Таков лучший способ, который при-
думали астрономы Саган и Дрейк, чтобы указать положение Солнца в Га-
лактике в случае, если через миллионы лет далекая цивилизация найдет
пластинку с посланием и заинтересуется, из какого уголка Млечного Пути
опа могла прибыть. Каждая паутинка показывает направление от Солнеч-
ной системы к пульсару, удивительному космическому объекту, который
испускает радиоволны, а иногда и свет в виде импульсов с точными интер-
валами между ними. Интервалы следования импульсов записаны
двоичным кодом вдоль каждой из 14 линий, причем единичный интервал
времени определяется частотой, соответствующей изменению ориентации
спинов в атоме водорода (для этого и служит изображение в левой верх-
ней части рисунка).
Хотя в течение следующих нескольких тысяч веков о пластинках на
борту «Пионеров» будем знать только мы, земляне, они иллюстрируют,
10*
Рис. 7.1. На пластинках, помещенных на космических аппаратах «Пионер-10 и 11», изображены мужчина и женщина на
фоне космического аппарата, внизу-траектория полета в Солнечной системе. Слева показано положение Со-
лнечной системы с помощью 14 пульсаров, причем двоичным кодом указаны интервалы между импульсами во
время запуска. Единичный интервал времени определяется радиочастотой 1420 МГц, излучаемой атомами во-
дорода (соответствующий переход схематически показан слева вверху).
Пульсары, нейтронные звезды и черные дыры
149
кнк можно использовать пульсары в качестве космических маяков, ко-
|орыс отличаются друг от друга интервалом между последовательными
in мышками. Пульсары могут оказаться чрезвычайно полезными в случае,
•тии одна цивилизация захочет сообщить другой свое точное местонахо-
ждение в пространстве, потому что каждый из них характеризуется своим
। iporo определенным интервалом между импульсами, по которому его
можно узнать на больших расстояниях в любом месте Галактики.
Как возникли эти высокоточные маяки, пульсары? Здесь вновь взрывы
• псрхновых выступают в роли, важной для поисков жизни. Пульсары-это
иращающиеся нейтронные звезды, чудовищно сжатые остатки внутренних
«(Властей взорвавшихся звезд. Чтобы понять, как коллапс звезды может
привести к возникновению импульсного источника радиоволн, вспыхиваю-
щего и гаснущего через точные интервалы времени, нужно изучить процесс
коллапса и образования нейтронной звезды в результате этого катастро-
фического процесса.
Коллапсирующие звездные ядра
Когда ядро звезды не может более противостоять собственным силам
фавитации и коллапсирует, частицы внутри ядра с бешеной скоростью
устремляются навстречу друг другу. Отдельные ядра сталкиваются с такой
чудовищной силой, что распадаются на протоны и нейтроны. Сразу после
и ого протоны сливаются с электронами с образованием нейтральных ча-
ггиц: нейтрона и нейтрино. Нейтрино могут ускользнуть из ядра, хотя и
г некоторым трудом из-за огромного возрастания плотности. Оставшиеся
нейтроны образуют нейтронную звезду.
Нейтронный газ, как и электронный, подчиняется принципу Паули: его
нельзя сжимать до бесконечности. Как вырождение электронов в белых
карликах, так и вырождение нейтронов в нейтронных звездах препят-
ствуют их дальнейшему сжатию, но вырождение нейтронов наступает при
значительно более высоких плотностях вещества. Белый карлик с радиу-
сом, близким к радиусу Земли, имеет плотность вещества, в миллион раз
превышающую плотность воды. Нейтронная звезда примерно такой же
массы, как белый карлик (скажем, равной массе Солнца), будет иметь ра-
диус всего 6 км, т.е. в тысячу раз меньше радиуса Земли! Следовательно,
объем нейтронной звезды будет в миллиард раз меньше, чем белого кар-
лика, а плотность вещества (масса, деленная на объем)-в миллиард раз
больше, или 1015 г/см3. Один кубический сантиметр вещества нейтронной
звезды весил бы на поверхности Земли миллиард тонн*!
* Вес объекта измеряется силой притяжения его Землей, а масса - количеством
вещества в нем. В нейтронной звезде вещество столь плотно упаковано, что масса
каждого кубического сантиметра по крайней мере в 1015 раз превышает массу тако*
io же объема воды!
150
Глава 7
Нейтронные звезды и пульсары
Кроме малых размеров и колоссальных плотностей вещества ней-
тронные звезды имеют еще две важные особенности: быстрое вращение
и сильное магнитное поле. Нейтронные звезды вращаются быстро именно
потому, что имеют малые размеры. Любой вращающийся объект, относи-
тельно свободный от внешних воздействий, сжимаясь, вращается все бы-
стрее. Это свойство, которое ученые называют сохранением момента коли-
чества движения, помогает при исполнении акробатических прыжков
с вышки в воду (рис. 7.2). Когда спортсмен складывается, его тело вра-
щается быстрее, чем когда он вытягивается во весь рост, чтобы войти
в воду без вращения. Закон сохранения момента количества движения тре-
бует, чтобы скорость вращения (число оборотов в секунду) была обратно
пропорциональна квадрату размера объекта ♦. Таким образом, объект, раз-
мер которого уменьшился в два раза, начнет вращаться в четыре раза бы-
стрее, чем прежде. В случае нейтронной звезды коллапсирующее ядро мо-
жет сжаться в 20000 раз-от радиуса 120000 км до радиуса 6 км. Если
ядро вращалось, то сжатие увеличит скорость его вращения в 20 0002, или
в 400 млн. раз! Таким образом, нейтронная звезда будет вращаться в 400
млн. раз быстрее, чем ядро звезды до коллапса. Если это ядро делало
Крупный диффузный
объект
Маленький компактный
объект
Быстрое вращение
Медленное вращение
Рис. 7.2. Вращающиеся тела, относительно свободные от внешних воздействий,
при сжатии увеличивают скорость вращения. Это справедливо как для
прыгунов в воду на Земле, так и для коллапсирующих звезд в космосе.
И те и другие увеличивают скорость вращения за .счет уменьшения
своих размеров.
* Точнее говоря, когда речь идет о размере объекта, мы должны принимать во
внимание лишь размер в направлении, перпендикулярном оси вращения. х
Пульсары, нейтронные звезды н черные дыры
151
Рис. 7.3. Магнитное поле Солнца, как и Земли, имеет два магнитных полюса: се-
верный и южный-и в общих чертах напоминает гигантский вращаю-
щийся стержневой магнит. Заряженные частицы стремятся двигаться по
винтовым траекториям вдоль силовых линий, которые указывают на-
правление поля в любой точке вблизи Солнца.
один оборот за сто суток, то сколлапсировавшая нейтронная звезда будет
цслать 46 оборотов в секунду!
Быстрое вращение нейтронных звезд имеет важное следствие, потому
ч го вместе со звездами вращается их магнитное поле. Большинство звезд
имеют некоторое начальное магнитное поле; наше Солнце тоже обладает
магнитным полем, только относительно слабым. У Солнца есть два маг-
нитных полюса-северный и южный, как у обычного стержневого магнита.
Но даже слабое магнитное поле Солнца влияет на движение заряженных
частиц вблизи солнечной поверхности (рис. 7.3), потому что на частицы,
движущиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы. Чем
выше напряженность магнитного поля, тем сильнее его влияние на движе-
ние заряженных частиц.
152
Глава 7
В коллапсирующей звезде напряженность магнитного поля на поверх-
ности возрастает обратно пропорционально квадрату ее радиуса. Таким
образом, если радиус звезды уменьшится в 20000 раз, то напряженность
магнитного поля на поверхности возрастет в 400 млн. раз и нейтронная
звезда в целом станет сверхплотным вращающимся магнитом, который
вместе со своим полем делает 46 оборотов в секунду (рис. 7.4). Любые за-
ряженные частицы, которые остаются вблизи поверхности звезды, будут
ускорены вращающимся магнитным полем и будут двигаться по вин-
товым траекториям вокруг силовых линий. Некоторые из них в конце кон-
цов ускользнут в космическое пространство с весьма внушительными энер-
гиями и вольются в поток космических лучей от первоначального взрыва
сверхновой.
Более важно то, что заряженные частицы, ускоренные вращающимся
магнитным полем, испускают излучение, генерируемое синхротронным про-
Рис. 7.4. Звезда, сколлапсировавшая до размера около 12 км в поперечнике, уве-
личит напряженность своего магнитного поля и скорость вращения
в несколько сотен миллионов раз. Следовательно, звезда в целом будет
напоминать сверхсильный магнит, делающий очень много оборотов
в секунду. Магнитное поле нейтронной звезды при своем вращении раз-
гоняет заряженные частицы вблизи поверхности звезды до колос-
сальных скоростей.
Пульсары, нейтронные звезды н черные дыры
153
цессом, описанным на с. 78. Это излучение, зарегистрированное в види-
мой области и радиодиапазоне, сигнализирует о существовании пульсара.
Вблизи поверхностей нейтронных звезд постоянно появляются заря-
женные частицы в результате распада нейтронов на протоны, электроны
и антинейтрино. (В недрах звезды такие распады сразу же компенсируются
образованием нейтронов и нейтрино из протонов и электронов.) Заря-
женные частицы быстро ускоряются вращающимся магнитным полем по-
чти до скорости света. Такие частицы испускают синхротронное излучение
в ближайших окрестностях нейтронной звезды. Процесс излучения
уменьшает кинетическую энергию вращения звезды, так как эта энергия
передается сначала заряженным частицам, а затем синхротронному излу-
чению. В результате кинетическая энергия нейтронной звезды должна
уменьшаться, поэтому скорость ее вращения постепенно снизится, скажем
до десяти оборотов в секунду, затем до четырех, двух и т.д. Однако замед-
ление вращения происходит очень медленно, возможно на одну тысячную
оборота в год.
Астрономы вполне уверены, что пульсары-это нейтронные звезды.
Каждый пульсар, а их уже обнаружено несколько сотен, излучает в виде
импульсов, которые повторяются с замечательной периодичностью-от
одного импульса в четыре секунды (минимальная наблюдаемая частота
следования импульсов) до 33 импульсов в секунду (максимальная частота).
Эти импульсы обычно принимаются на радиочастотах, но два лучше всего
изученных пульсара испускают также гамма-, рентгеновское и видимое.из-
лучение синхронно с радиоимпульсами. В соответствии с наиболее деталь-
но разработанными теориями пульсар излучает не непрерывно, а импуль-
сами, потому что магнитная ось не совпадает с осью вращения (рис. 7.5).
Синхротронное излучение испускается преимущественно перпендикулярно
силовым линиям магнитного поля, поэтому вследствие вращения нейтрон-
ной звезды мы принимаем то мощный, то слабый поток, причем этот про-
цесс повторяется снова и снова.
Излучение от пульсара происходит с высокой, но не идеальной перио-
дичностью, потому что вращение нейтронной звезды постепенно замед-
ляется. Например, в центре Крабовидной туманности, остатка вспышки
сверхновой 1054 г., обнаружен пульсар, который вспыхивает и гаснет 33
раза в секунду - самый короткопериодический из всех известных пульсаров
(рис. 7.6 и 7.7). По высокой скорости его вращения можно заключить, что
он очень молод. Этот вывод подтверждается тем, что, как мы знаем, он
возник лишь 900 лет назад. Точные измерения времени показывают, что
период между импульсами пульсара возрастает на одну стотысячную
долю секунды в год.
В 1967 г., когда астрономы открыли первый пульсар, они на какое-то
время выдвинули рабочую гипотезу, не является ли он искусственным
межзвездным маяком, построенным другой цивилизацией. Каждый мор-
154
Глава 7
Рис. 7.5. Пульсары, по-видимому, испускают в некоторых направлениях больший
поток излучения, чем в других направлениях. Когда область с повышен-
ной интенсивностью излучения лежит на луче зрения, мы наблюдаем
вспышку. Причина более интенсивного излучения в некоторых направле-
ниях состоит в том, что напряженность магнитного поля различна
в разных направлениях.
ской маяк имеет точно установленную частоту, так что моряки могут сра-
зу определить, какой маяк они видят, просто по интервалам между вспыш-
ками. Пульсары могли бы служить тем же целям, что и демонстрируют
пластинки на борту космических аппаратов «Пионер-10 и И», однако они,
очевидно, являются космическими хронометрами, хотя и поражающими
воображение своей невероятной точностью, но совершенно естественного
происхождения.
Поскольку вращение пульсаров постепенно замедляется, интервал ме-
жду импульсами с каждым годом несколько увеличивается, хотя для суще-
ственного его изменения требуются тысячелетия. Следовательно, если дру-
гая цивилизация найдет пластинку на борту «Пионера» (или если мы
найдем подобный рисунок на борту инопланетного космического корабля),
то сопоставление временных интервалов, указанных для пульсаров на пла-
стинке, с теми же интервалами в момент находки покажет, насколько за-
медлилось вращение пульсаров*. Можно измерить замедление вращения
пульсаров даже за несколько лет (с помощью чрезвычайно точных измере-
* Поскольку вращение пульсаров замедляется постепенно, другая цивилизация
легко узнает, какие пульсары мы имели в виду, хотя интервал между импульсами
увеличится.
Рис. 7.6. В центре Крабовидной туманности находится пульсар, являющийся источником импульсного излучения в
видимой области спектра (и в радиодиапазоне) с частотой 33 импульса в секунду. На правом снимке,
сделанном в момент минимума излучения, пульсар совсем не виден, а на левом, сделанном в момент
максимума, он виден отчетливо.
Рис. 7.7. Рентгеновское изображение пульсара в Крабовидной туманности, усред-
ненное по всему циклу пульсара, свидетельствует о рентгеновском излу-
чении из соседних с ним областей.
нии времени, доступных теперь астрономам) и отсюда определить момент
старта межзвездного корабля; точно так же поступит другая циви-
лизация, которая, быть может, получит наше послание. Таким обра-
зом, пластинка содержит информацию не только о месте, но и о времени
запуска.
Пульсары, нейтронные звезды и черные дыры
157
В 1979 г. астрономы обнаружили странный объект в созвездии Орла.
Звездоподобный источник света, названный SS433, имеет необычный
спектр, с эффектом Доплера такой величины, которая никогда ранее не на-
блюдалась в нашей Галактике. Измерения эффекта Доплера в спектре
SS 433 показывают, что объект, по-видимому, выбрасывает две струи веще-
сгва в противоположных направлениях со скоростью 40000 км/с, т.е. более
10% скорости света! Хотя известно много объектов, испускающих относи-
юльно слабые потоки частиц почти со скоростью света, это первый обна-
руженный объект в Галактике, который разгоняет целые потоки вещества
цо скоростей, составляющих заметную долю скорости света.
Наиболее вероятно, что SS 433-это нейтронная звезда на расстоянии
10000 световых лет от нас, обращающаяся вокруг другого объекта, сила
|равитации которого заставляет ось вращения нейтронной звезды совер-
шать круговое движение в пространстве (прецессировать) с периодом 164
дня. Интересно отметить, что технологически развитая цивилизация, рас-
положенная вблизи нейтронной звезды, могла бы использовать эти выбросы
для ускорения искусственных объектов до 40000 км/с (см. с. 414)! Но пока мы
пс имеем от источника SS433 ни «пользы», ни надежного объяснения того,
почему он выбрасывает струи вещества в противоположных направлениях.
Черные дыры
Одни вспышки сверхновых полностью разрушают звезду, которая их
породила, после других остается нейтронная звезда. Но взрывы сверх-
новых не обязательно приводят к таким последствиям. Некоторые коллап-
сирующие звездные ядра не способны породить нейтронную звезду
и образуют удивительные объекты, называемые черными дырами,-столь
плотные области, что они почти (но не совсем!) исчезают из нашего поля
фения. Черные дыры столь фантастичны с точки зрения нашего повсед-
невного опыта, что в течение десятилетий физики рассматривали их лишь
как теоретическую модель, считая маловероятным их реальное существо-
вание. Однако теперь мы должны учитывать возможность того, что значи-
тельная часть материи во Вселенной может быть заключена в черных ды-
рах и что сама Вселенная может быть своего рода черной дырой.
Черные дыры, конечный продукт действия гравитационных сил,
представляют собой скопления вещества со столь сильным гравита-
ционным полем, что из него ничто не может выйти. Любой объект, обла-
чающий массой, притягивает к себе другие тела, и сила притяжения между
шобыми двумя телами пропорциональна произведению их масс, деленно-
му на квадрат расстояния между их центрами. Рассмотрим объект, находя-
щийся на поверхности коллапсирующей звезды. При коллапсе расстояние
между центрами объекта и звезды катастрофически уменьшается (рис. 7.8).
158
Глава 7
Рис. 7.8. При коллапсе сила тяжести на поверхности звезды катастрофически рас-
тет, поскольку расстояние от поверхности до центра звезды уменьшает-
ся. Сила тяжести на поверхности обратно пропорциональна квадрату
расстояния от центра, так что при уменьшении радиуса в 5 раз сила тя-
жести возрастет в 25 раз.
После коллапса
Еще быстрее уменьшается квадрат этого расстояния и соответственно уве-
личивается притяжение между звездой и объектом. Если, например, размер
звезды уменьшится в 100000 раз (105), то сила тяжести возрастет
в 1000002, или в 10 млрд. (Ю10) раз.
Такое увеличение силы тяжести чрезвычайно затрудняет «побег» любо-
го объекта с поверхности звезды. Все мы хорошо знаем, что людям, чтобы
преодолеть притяжение Земли, приходится строить мощные и дорогостоя-
щие ракетные двигатели, способные генерировать огромные количества
кинетической энергии*. Даже частицы, не имеющие массы покоя, напри-
мер фотоны, также должны затратить некоторую энергию, чтобы поки-
нуть поверхность Земли. Мы сконцентрировали внимание на законе все-
мирного тяготения Ньютона, согласно которому частицы, обладающие
массой покоя, притягиваются друг к другу. Но частицы без массы покоя: фо-
тоны, нейтрино и антинейтрино-также подвержены действию гравита-
ционных сил.
* Для обычного объекта, например для обычной ракеты, количество энергии,
необходимой чтобы покинуть поверхность небесного тела, пропорционально массе
тела, деленной на его радиус.
Пульсары, нейтронные звезды и черные дыры
159
Рис. 7.9. Притяжение Солнца отклоняет световые лучи, проходящие вблизи све-
тила, от прямолинейных траекторий. Мы можем проверить это, сравнив
фотографии звезд, близких к Солнцу, сделанные во время солнечного
затмения, с фотографиями тех же звезд спустя несколько месяцев. (Кре-
стики-истинные положения, кружки-видимые положения.) Справа-вид
сбоку; искривление лучей и масштаб преувеличены.
Знаменитый эксперимент, впервые поставленный в 1919 г. и затем неод-
нократно повторенный со всевозрастающей точностью, показывает, что
сила притяжения Солнца искривляет траектории световых лучей, проходя-
щих вблизи него* (рис. 7.9). Эйнштейн первым предсказал, что гравита-
ционные силы должны отклонять частицы, не имеющие массы покоя, от
прямолинейной траектории. Эксперимент, выполненный на борту космиче-
ского аппарата «Викинг», показал правильность сделанных Эйнштейном
расчетов этого отклонения с ошибкой менее 1%**.
Если фотоны «ощущают» силу гравитации, значит, они должны затра-
1ить некоторую энергию, чтобы преодолеть эту силу, так же как ракета
цолжна затратить энергию на преодоление земного притяжения. Потери
нюргии фотоном (гравитационное красное смещение) были измерены не
юлько на Земле (где сила гравитации много слабее, чем на очень плотных
звездах), но и для фотонов, покидающих Солнце и белые карлики, где эти
потери достигают 1/200% первоначальной энергии. Когда этот эффект был
* Ученые предпочитают говорить, что гравитация искривляет само простран-
I I во, причем это искривление тем сильнее, чем массивнее объект. Тогда фотоны
распространяются по прямолинейным траекториям в искривленном пространстве!
** Этот результат имеет важное значение, потому что после Эйнштейна другие
физики предлагали модификации теории гравитации Эйнштейна, которые пред-
сказывали иные значения отклонения. Таким образом, подтверждена применимость
। сории Эйнштейна к реальной Вселенной.
160
Глава 7
впервые измерен (в 1928 г.), он считался чрезвычайно большим, но он
бледнеет при сравнении с гравитационным красным смещением вблизи
действительно плотных объектов.
Теория гравитации предсказывает, что фотон, покидающий источник
гравитации, должен затратить определенную долю своей первоначальной
энергии. Эта доля одинакова для всего электромагнитного спектра. Напри-
мер, если потери энергии составляют 10%, то радиоизлучение потеряет
10% первоначальной энергии, т.е. столько же, сколько видимое излучение,
обладающее значительно большей энергией. Доля теряемой энергии про-
порциональна массе объекта, деленной на первоначальное расстояние фо-
тона от его центра. Если мы наблюдаем излучение, испущенное с поверх-
ности объекта, то потери определяются отношением массы объекта к его
радиусу. Если это отношение возрастает, излучение должно терять все
большую и большую долю своей энергии, покидая поверхность объекта.
Можно вообразить ситуацию, когда фотон должен потерять всю свою
энергию, т. е. вообще не сможет покинуть объект. Тогда объект по опреде-
лению становится черной дырой-ни один фотон не может его покинуть.
А если фотоны и другие частицы без массы покоя не могут уйти, то части-
цам с массой покоя это тем более недоступно. Объект становится поисти-
не черным, так как он не испускает ни света, ни радиоволн, ни чего-либо
еще.
Легко рассчитать момент, в который свет перестанет излучаться с по-
верхности коллапсирующего звездного ядра. Поскольку потери энергии
определяются отношением массы к радиусу, объект станет черной дырой,
если это отношение превысит некоторое значение*. Для объекта массой,
равной массе Солнца, критический радиус (или радиус Шварцшильда) со-
ставит 3 км, а для объекта в 10 раз массивнее Солнца критический радиус
также увеличится в 10 раз, т.е. составит 30 км. Любой объект, который со-
жмется до размера меньше критического радиуса, становится черной ды-
рой. Но с какими объектами это может произойти?
Ответ гласит, что это коллапсирующие звезды с массами, в несколько
раз превышающими массу Солнца. Мы уже упоминали, что только звезды
с массами менее 1,4 массы Солнца могут существовать как устойчивые
белые карлики. Вычисления показывают также, что только нейтронные
звезды с массами менее 3-5 масс Солнца могут существовать долго. (Из-за
сложности расчетов мы не можем точно указать возможный верхний пре-
дел масс.) Сколлапсировавшие звезды с массами, в 3-5 раз превосходящими
массу Солнца, просто не могут никакими способами противостоять со-
* Если измерять массу в единицах солнечной массы, а радиус в километрах, то
это критическое значение оказывается равным примерно 1/3.
Пульсары, нейтронные звезды и черные дыры
161
I клеенной силе гравитации. Такиезвезды подвергаются катастрофическо-
му гравитационному коллапсу, их вещество падает внутрь, пока они не
станут черными дырами.
Можно ли обнаружить черные дыры?
Черные дыры «появляются» там, где «исчезают» самые массивные
сколлапсировавшие звездные ядра. Следовательно, можно искать черные
дыры на месте вспышек сверхновых, поскольку мы считаем сверхновые ре-
зультатом коллапса звездных ядер. К сожалению, черные дыры очень
трудно обнаружить; сама природа делает их невидимыми. Но не все воз-
можности их обнаружения исчезают при катастрофическом гравитацион-
ном коллапсе под сферу критического радиуса (сферу Шварцшильда). Во-
первых, черные дыры остаются источниками гравитации. Во-вторых,
благодаря силе гравитации вещество, падающее на черную дыру, может
излучать свет, прежде чем оно пересечет поверхность критического радиу-
са и станет невидимым (рис. 7.10).
Рассмотрим сначала тот факт, что черная дыра обладает силой грави-
цщии. Действительно, если масса коллапсирующей звезды не меняется, то
нс изменится и сила притяжения ею объекта, находящегося на фиксирован-
ном расстоянии от ее центра. Солнце почти наверняка никогда не станет
черной дырой, но если бы оно внезапно сколлапсировало до своего крити-
ческого радиуса 3 км (без потери массы), то Земля и другие планеты про-
Рис. 7.10. Когда вещество падает на черную дыру, оно в конце концов теряет воз-
можность излучать свет. Однако, прежде чем вещество достигнет чер-
ной дыры, оно может приобрести значительную кинетическую энергию
и испустить много световых квантов благодаря соударениям между ча-
стицами. Вращающаяся черная дыра стремится увлечь частицы вдоль
закручивающейся спирали, поэтому область, излучающая свет, предста-
вляет собой диск с невидимым центром.
II 485
162
Глава 7
Рис. 7.11. Звезда, расположенная на небе вблизи рентгеновского источника Лебедь
Х-1, обнаруживает периодические изменения скорости вдоль луча зре-
ния. Эти изменения повторяются циклически с периодом 5,5 дня. По
значению периода и пределам изменения скорости можно рассчитать
массу невидимого спутника, которая равна по крайней мере четырем,
а более вероятно восьми массам Солнца.
должали бы двигаться по своим орбитам, «не почувствовав» превращения
Солнца в черную дыру. Массы Солнца и планет, а также расстояния ме-
жду их центрами и центром Солнца при коллапсе остались бы прежними.
Конечно, нам не хватало бы потока солнечной энергии, и мы обращались
бы вокруг новоиспеченной черной дыры, внезапно оказавшись в темноте,
но мы могли бы утешать себя сознанием того, что законы тяготения по-
прежнему верны.
Поскольку черные дыры остаются источниками силы гравитации, они
продолжают притягивать близлежащее вещество. Если, например, они
окружены диффузным газом, то будут притягивать этот газ, ускоряя его ♦.
Частицы газа достигнут внушительных скоростей при своем падении на
черную дыру, следовательно, будут происходить столкновения между ча-
* Если черная дыра вращается (а мы полагаем, что это .так), то падающий газ
образует диск вещества (аккреционный диск) вокруг нее. Чем больше скорость вра-
щения черной дыры, тем тоньше этот диск.
Пульсары, нейтронные звезды и черные дыры
163
пицами с высокими кинетическими энергиями. При таких столкновениях
ьудут рождаться фотоны рентгеновского излучения, которые унесут с со-
вой часть энергии падающих частиц, при условии, что эти фотоны будут
появляться на расстояниях от центра черной дыры, превышающих крити-
ческий радиус.
Если черная дыра является компонентом двойной звезды, то есть две
возможности обнаружить ее существование. Во-первых, движение другой,
•<нормальной», звезды покажет, что по соседству находится какой-то
объект с массой, близкой массе звезды (рис. 7.11). Если мы, изучая движе-
ние звезды в пространстве, сумеем рассчитать массу ее невидимого спут-
ника и если эта масса в 3-5 раз превышает массу Солнца, то с некоторой
уверенностью можно заключить, что невидимый компонент-черная дыра.
Во-вторых, внешняя атмосфера нормальной звезды-это естественный ис-
।очник вещества, которое будет притягиваться черной дырой. Таким обра-
юм, у нас будет значительно больше шансов наблюдать излучение падаю-
щего вещества, чем в случае одиночной черной дыры.
Мы рассмотрели черные дыры, которые могли образоваться при кол-
ит ice звезд и должны поэтому иметь массы, по крайней мере в несколько
раз превосходящие массу Солнца. Могут существовать и черные дыры
меньших масс, но вряд ли можно ожидать их возникновения при совре-
менных условиях во Вселенной. Например, Земля, по-видимому, вполне
способна сохранять свои современные размеры бесконечно долго, удержи-
ваемая от гравитационного сжатия электромагнитными силами, которые
помогают твердым телам сохранить свою форму*. Если, однако, какая-то
ниш могла бы сжать Землю или другой объект такой же массы до радиуса
I см, то объект стал бы черной дырой. Пока Земле это не угрожает.
А что можно сказать о черных дырах массой, намного превышающей
солнечную? Могут ли такие огромные черные дыры существовать? На
рис. 7.12 приведены размеры и массы различных объектов во Вселенной.
Половина диаграммы содержит знакомые объекты: галактики, звезды
и планеты, а другая половина-черные дыры, т.е. все объекты, у которых
отношение массы к радиусу превышает г/3-критическое число, определен-
ное в сноске на с. 160. На линии, отделяющей черные дыры от других
объектов, располагаются тела, у которых отношение массы к радиусу точ-
но равно критическому значению.
Некоторые астрономы полагают, что все гигантские галактики, вклю-
чая и нашу, содержат в центре черную дыру массой не менее нескольких
со тен миллионов солнечных и что вещество непрерывно падает в эту чер-
ную дыру. Такое падение должно сопровождаться интенсивным инфра-
* Этими силами определяется кристаллическая и молекулярная структура ве-
щества- Прим. ред.
н*
164
Глава 7
Рис. 7.12. На диаграмме масса-радиус для различных объектов во Вселенной
имеется критическая линия, которая отделяет черные дыры от всех
остальных объектов. Любой объект, масса и радиус которого соответ-
ствуют положению левее и выше критической линии, должен быть чер-
ной дырой.
красным, видимым, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, часть
которого может проникнуть сквозь завесу из газа и пыли, окружающую
центр Галактики. А мы, спокойно обращаясь вокруг центральной черной
дыры на расстоянии 10000 пс от нее, могли бы наблюдать это излучение.
Изложенная гипотеза пока не получила подтверждения, однако, если такая
черная дыра существует, она вполне может обладать «обычной» плот-
Пульсары, нейтронные звезды и черные дыры
165
костью вещества, но будет при этом иметь огромный горизонт событий*,
ипи поверхность критического радиуса, которую можно пересечь лишь
в одном направлении-внутрь. Интересно, что, наблюдая в течение не-
скольких последних лет движения звезд в гигантской эллиптической галак-
шке М87 (см. рис. 3.7), астрономы пришли к выводу, что центральные
области этой галактики, по-видимому, содержат значительно больше ве-
щества, чем можно было бы объяснить только присутствием звезд, меж-
П1СЗДНОГО газа и чем угодно еще. На основании этих наблюдений высказа-
на гипотеза, что в центре М 87 находится гигантская черная дыра массой,
равной примерно 5 млрд, солнечных! Такая черная дыра лишь в несколько
раз превосходила бы размеры Солнечной системы, но содержала бы боль-
ше вещества, чем любая галактика, кроме самых крупных!
Является ли Вселенная
черной дырой?
Размышляя о сверхмассивных черных дырах, мы вправе задать себе во-
прос: а не является ли сама Вселенная черной дырой? А если так, то, быть
может, мы живем внутри черной дыры и строим догадки о возможности
• vшествования черных дыр внутри черной дыры? Действительно, если Все-
irimaa, по нашему определению, включает все, что существует, то ничто
нс может покинуть Вселенную, так же как ничто не может покинуть чер-
ную дыру. С другой стороны, есть некоторые основания полагать, что Все-
•1Г11пая отличается от наших «обычных» представлений о черной дыре. Во-
нгрвых, средняя плотность вещества во Вселенной удивительно постоянна
«и одной области к другой в большом масштабе (т.е. если сравнивать
ни пасти размером со скопление галактик). Внутри черной дыры мы были
ны вправе ожидать увеличения плотности к центру благодаря гравита-
ционным силам. Во-вторых, отсутствие «центра» Вселенной (см. с. 55) на-
поминает нам о том, что представить себе что-то, находясь снаружи (физи-
чески или мысленно), значительно проще, чем находясь внутри. Вопрос
и юм, является ли объект, называемый нами Вселенной, в действительно-
• hi черной дырой, вероятно, не получит определенного ответа в ближай-
шем будущем.
* Горизонт событий-это замкнутая поверхность, ограничивающая область во-
► |»yi черной дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие
hi налы не могут выйти из-под этой поверхности и достичь далекого наблюдате-
t»i Прим. ред.
166
Глава 7
Выводы
Когда звездные ядра коллапсируют в конце своего жизненного пути,
сколлапсировавший остаток бывшей нормальной звезды иногда может
превратиться в нейтронную звезду. Нейтронные звезды имеют диаметры
чуть более 10 км; столь малые размеры делают их быстро вращающимися
объектами с сильным магнитным полем. Такие вращающиеся магниты,
по-видимому, могут стать пульсарами, т.е. источниками импульсного пе-
риодического излучения. Полагают, что фотоны излучаются заряженными
частицами, разогнанными до скорости, близкой к скорости света, быстро
вращающимся магнитным полем нейтронной звезды.
Если более массивное звездное ядро сожмется слишком сильно, то оно
превратится в черную дыру-объект со столь сильным притяжением, что
ни вещество, ни излучение не в состоянии покинуть его. Вещество может
падать в черную дыру, но ничто, попавшее внутрь сферы Шварцшильда,
уже не может выйти оттуда. Существование черных дыр будет доказано,
если удастся обнаружить их на орбитах вокруг обычных звезд; изучение
собственного движения звезды выявит наличие у нее спутника и позволит
определить его массу. Расчеты показывают, что ни нейтронная звезда, ни
белый карлик не могут иметь массу больше некоторого предельного зна-
чения. Следовательно, если мы найдем невидимый спутник и сможем под-
твердить, что он имеет слишком большую массу для нейтронной звезды
или белого карлика, то это может служить свидетельством существования
черной дыры. Мы можем также обнаружить черные дыры на орбитах
вблизи обычных звезд по рентгеновскому излучению, которое будет испу-
скать газ, падающий в гравитационный «колодец» черной дыры.
Вопросы
1. Что порождает нейтронные звезды? Что порождают нейтронные звезды?
2. Может ли нейтронная звезда расшириться и превратиться в белый карлик?
Может ли белый карлик сжаться настолько, чтобы стать нейтронной звездой? Ста-
новятся ли нейтронные звезды в конце концов черными дырами?
3. Что такое черная дыра? Как она возникает?
4. Если радиус Солнца уменьшился бы примерно в 200000 раз, то оно превра-
тилось бы в черную дыру. Во сколько раз увеличилась бы сила тяжести на поверх-
ности Солнца в результате такого сжатия?
5. Существует ли вероятность, что Солнце станет черной дырой? Для каких
звезд наиболее вероятен катастрофический гравитационный крллапс с образова-
нием черной дыры?
6. Может ли вся «Вселенная» быть черной дырой? Каковы аргументы против
такой точки зрения?
7. Почему пульсары вспыхивают и гаснут, испуская импульсное излучение
с почти постоянными интервалами между импульсами?
Пульсары, нейтронные звезды н черные дыры 167
8. Почему можно отождествить пульсары нашей Галактики, просто определив
им период?
9. Могут ли существовать черные дыры любой массы? Какие массы наиболее
пероятны для черных дыр?
10. Почему некоторые астрономы считают, что в центрах галактик могут нахо-
(нгься черные дыры? Может ли большинство звезд галактики упасть в такую чер-
ную дыру?
Литература
Isimov I. The collapsing universe, Doubleday and Co., New York, 1977.
Hursky H., van den Heuvel E. X-Ray emitting double stars. In New frontiers in
astronomy, ed. O. Gingerich, W. H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
t Striker J. Pulsars. In New frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich, W.H. Freeman and
Co., San Francisco, 1975.
Sofjan C. The cosmic connection, Doubleday and Co., New York, 1973.
Shipman H. Black holes, quasars, and the universe, Houghton Mifflin Co., Boston, 1976.
Stephenson F. R., Clark D. Historical Supernovas, Scientific American, № 235, 6, 100,
1976.
I'aylor J, Black holes, Avon Books, New York, 1974.
I home K. The search for black holes. In New frontiers in astronomy, ed. O. Gingerich,
W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
(iribbin J. White holes: Cosmic gushers in the universe, Delta Books, New York, 1977.
Научная фантастика
Niven L. Neutron star, Ballantine Books, New York, 1962.
Niven L, The borderland of Sol. In Tales of known space, Ballantine Books, New York,
1975.
ЧАСТЬ III Жизнь
Когда он появился на свет,
и взял его в руки
и, склонившись над ним,
вдохнул аромат
сю темных блестящих волос.
Вот так пустота, должно быть,
склонялась над новорожденной планетой,
юленых лугов и хвощей ее запах вдыхая.
Голуэй Киннелл
Жизнь на Земле-это единственный известный нам пример жизни во
Вселенной, пример чрезвычайной сложности, но в основе ее тем не менее
лежит поразительно простая структура. Сложность обусловлена миллиар-
дами лет эволюции, простота-ограниченным числом видов атомов и пра-
вилами, согласно которым они могут соединяться друг с другом. И слож-
ность, и простота жизни заслуживают тщательного изучения, если мы
рассчитываем понять, как могла бы она возникнуть в других местах и ка-
кие этапы эволюции она прошла бы в других условиях. При этом мы вы-
нуждены полагаться на двойную экстраполяцию: во-первых, чтобы опреде-
пить ход эволюции на нашей планете в прошлом, и, во-вторых, чтобы при-
менить эти знания к условиям (пока еще недостаточно известным), ко-
торые могут встретиться во Вселенной. Такая экстраполяция неизбежна,
но мы можем полагаться на хорошо проверенные научные законы при
оценках того, какой была жизнь на Земле в прошлом и какой она может
быть во Вселенной.
Шива, бог разрушения и возрождения, изображен здесь попирающим Асуру,
демона неведения. Поскольку согласно индуизму, смерть-это переход к новой
форме жизни, Шиву часто называют богом радости и счастья.
Основные свойства
жизни на Земле
Г лава 8
Теперь, когда мы в общих чертах познакомились с тем, как устроена
Вселенная, можно осмотреться и попытаться выбрать наиболее подходя-
щие места для поисков жизни. Эти поиски было бы логично начать с изу-
чения различных типов жизни во Вселенной и различных сред обитания.
К сожалению, мы не можем воспользоваться таким подходом, потому что
нам известен только один пример жизни-земная жизнь. Следовательно,
нельзя применить метод сопоставления, столь полезный при изучении
|нсзд и галактик. Мы должны исходить, насколько это возможно, из наше-
10 единственного собственного примера, чтобы попытаться определить,
каково происхождение жизни, почему она такая, какая она есть, и как ча-
гюв нашей Галактике и во Вселенной в целом встречаются условия, обес-
печивающие возникновение и развитие жизни.
Изучая эти проблемы, нельзя забывать, что многие свойства жизни на
Земле, прежде всего наиболее очевидные, такие, как размеры и вес живых
организмов, несомненно, являются результатом конкретных природных ус-
ловий на конкретной планете. Мы будем делать упор на «фундамен-
। ильные» свойства, которые нам удастся выявить и использовать для опре-
деления вероятности того, что жизнь во Вселенной возникала многократ-
но, а не ограничивается единственным примером-жизнью на Земле.
Что такое жизнь?
Поскольку жизнь, по-видимому, является свойством материи, мы мо-
жем исследовать ее так же, как исследуем, скажем, магнетизм. Что это за
шинственное свойство, которое отличает «живое» от всех других комбина-
ций атомов и молекул? Можно ли описать жизнь на языке известных зако-
нов физики и химии, или нам не хватает особых познаний, без которых не-
возможно. отгадать эту загадку? Существует ли некая «жизненная сила»,
погорая делает обычное вещество живым?
Мы не будем углубляться в философский смысл этих вопросов, а ис-
пользуем описательный подход, с тем чтобы выделить свойства, отличаю-
щие живое от неживого. Самым поразительным свойством вещества, кото-
172
Глава 8
рое мы называем живым, является способность к воспроизведению
и эволюции. Пламя может зажечь другое пламя (т. е. «воспроизвести себя»),
но не может вызвать другие виды окислительных процессов, например
ржавчину на железе. Но у нас есть обширные данные, основанные на ис-
следованиях ископаемых остатков и свидетельствующие о том, что жизнь
непрерывно изменялась. Именно поэтому нас сегодня окружают многочис-
ленные виды живых организмов: от кита и секвойи до амебы и синезе-
леных водорослей. Чтобы понять, как произошли такие грандиозные изме-
нения, и вместе с тем ощутить единство, лежащее в основе наблюдаемого
многообразия жизни, мы должны изучить атомы и молекулы, из которых
состоят живые организмы, и основные химические реакции, позволяющие
веществу оставаться живым.
Мы можем начать с вопроса: из чего состоит живое? Этот на первый
взгляд простой вопрос немедленно приводит к полезному выводу: извест-
ная нам жизнь сделана по рецепту, включающему удивительно малое чис-
ло компонентов. В природе существует 92 химических элемента, от водо-
рода (наилегчайшего) до урана (самого тяжелого), из них 85 стабильны.
Лишь четыре из них: водород, кислород, углерод и азот-образуют 95%
вещества, которое мы называем живым. Эти четыре элемента-наиболее
распространенные во Вселенной, если не считать инертных газов (главным
образом, гелия и неона). Иными словами, химический состав живого веще-
ства больше напоминает состав звезд, чем состав планеты, на которой мы
обитаем (табл. 8.1)*.
Большое количество водорода и кислорода в живых организмах обус-
ловлено высоким содержанием воды в них, что также вполне естественно,
потому что вода широко распространена на поверхности Земли. Но угле-
род и азот, хотя их много в звездах, относительно редки в земной коре.
Например, их содержание гораздо ниже, чем кремния или алюминия. По-
вышенное содержание углерода и азота в живых организмах требует до-
полнительного объяснения, которое связано с химическими свойствами
этих элементов.
Благодаря уникальной способности атомов углерода образовывать
сложные молекулы, несущие информацию, необходимую для продолжения
жизни, углерод является важным для биологии элементом. Но сложность
молекул бесполезна, если они нестабильны или слишком стабильны, чтобы
соединяться с другими молекулами. Необычная способность атомов азота
и кислорода иметь несколько общих электронов с атомом углерода приво-
* Любопытно в связи с этим вспомнить представления, бытовавшие в древних
культурах многих народов, что их предки спустились с неба и что после смерти они
вернутся к звездам. Ведь это равносильно тому, что наши атомы как бы стремятся
вернуться в свое изначальное лоно!
Таблица S.1
Наиболее распространенные элементы на Солнце,
в Земле, земной коре, атмосфере и в живых организмах* **
Солнце Земля Земная кора Земная атмосфера Бактерии Тело человека
Водород 93,4% Кислород 50% Кислород 47% Азот 78% Водород 63% Водород 61%
Гелий 6,5 Железо 17 Кремний 28 Кислород 21 Кислород 29 Кислород 26
Кислород 0,06 Кремний 14 Алюминий 8,1 Аргон 0,93 Углерод 6,4 Углерод 10,5
Углерод 0,03 Магний 14 Железо 5,0 Углерод* ♦ 0,011 Азот 1,4 Азот 2,4
Азот 0,011 Сера 1,6 Кальций 3,6 Неон 0,0018 Фосфор 0,12 Кальций 0,23
Неон 0,010 Никель 1,1 Натрий 2,8 Гелий 0,00052 Сера 0,06 Фосфор 0,13
Магний 0,003 Алюминий 1,1 Калий 2,6 Сера 0,13
Кремний 0,003 Кальций 0,74 Магний 2,1
Железо 0,002 Натрий 0,66 Титан 0,44
Сера 0,001 Хром 0,13 Водород 0,14
Аргон 0,0003 Фосфор 0,08 Фосфор 0,10
Алюминий 0,0002 Марганец 0,10
Кальций 0,0002 Фтор 0,063
Натрий 0,0002 Стронций 0,038
Никель 0,0001 Сера 0,026
Хром 0,00004
Фосфор 0,00003
* Распространенности элементов указаны в процентах от общего числа атомов для каждого случая. Значения округлены до двух значащих цифр (по данным
Камерона, Аллена и Мэйсона).
** Из общего количества углерода в атмосфере Земли 99,5% содержится в виде двуокиси углерода и 0,5% в виде молекул метана.
174
Глава 8
дит к возникновению прочных, хотя и разрушимых связей, которые обес-
печивают существование стабильных молекул (рис. 8.1). Атомы азота обла-
дают, кроме того, способностью образовывать стабильные молекулы газа,
что помогает круговороту этого элемента между организмами и окружаю-
щей средой, а атомы кислорода легко вступают в химические реакции
с другими атомами и молекулами с выделением энергии (рис. 8.2). Учиты-
вая необычные химические свойства углерода, азота и кислорода, можно
сказать, что эти атомы вместе с водородом, вероятно, преобладают в жи-
вом не случайно, а благодаря своим особым свойствам.
Указывая на наше родство со звездами, совпадение распространенно-
сти элементов во Вселенной и их содержания в земных организмах вселяет
надежду в успех наших поисков жизни вне Земли. Если бы живые орга-
низмы на Земле состояли преимущественно из таких редких элементов,
как, например, гафний или гольмий, то мы могли бы заключить, что зем-
ной тип жизни чрезвычайно редок. Но в действительности, по крайней ме-
ре химический состав живого вещества, насколько нам известно, не препят-
ствует распространенности жизни во Вселенной.
Продолжим список компонентов, из которых состоит жизнь. Если к на-
шим четырем основным элементам добавить кальций и фосфор, то вместе
они составят 98,6% живого вещества (по массе). Остальные 1,4% приходят-
ся на хлор, серу, калий, натрий, магний, иод и железо, а также ничтожные
Рис. 8.1. Атом кислорода или азота может иметь несколько общих электронов
с атомом углерода. Это создает относительно прочные химические свя-
зи, хотя они могут быть разрушены при поступлении дополнительной
энергии.
Основные свойства жизни на Земле
175
Гис. 8.2. В природе легко осуществляется обмен газообразным азотом между ор-
ганизмами и окружающей средой, а кислород легко соединяется с дру-
гими молекулами, высвобождая энергию при окислении.
иоиичества следовых элементов: марганца, молибдена, кремния, фтора, ме-
чи и цинка. Таков список элементов, из которых состоит типичный живой
• »1 м анизм, однако содержание малых составляющих сильно меняется от
п|накизма к организму, и даже состав отдельной клетки в организме мо-
де г изменяться со временем. Укажем, однако, на одно важное соотноше-
ние: концентрации следовых элементов в бактериях, грибах, растениях
и сухопутных животных тесно коррелируют с их концентрациями в мор-
। кой воде. Эта корреляция не только наводит на мысль, что жизнь нача-
•hici» в морях, но и указывает на то, что известная нам жизнь действитель-
но возникла на Земле, а не занесена из космоса (например, с поверхности
Марса или из межзвездного газо-пылевого облака), где относительные со-
держания следовых элементов были бы совсем другими.
Таким образом, химические элементы, которые дополняют список
чпырех основных, также могут многое сказать нам о живом веществе. Не-
которые из следовых элементов, хотя их содержание в живых организмах
очень мало, жизненно важны для организмов, в которых они содержатся.
< одержание меди значительно повышено у некоторых морских животных,
176
Глава 8
например у устриц и осьминогов ♦. Цинк входит в состав инсулина, а мар-
ганец является важной составной частью некоторых ферментов. От-
дельные виды астрагала, растения семейства бобовых, которое вызывав!
нервные расстройства у животных, съевших его, содержат до 1,5% по весу
редкого элемента селена. Следует помнить, что хотя основу всего живого
составляют четыре химических элемента, более трех десятков других эле-
ментов тоже могут иметь важное значение для столь сложных организмов,
как человеческий. Это доказывает, что жизнь развивалась в сложном взаи-
модействии с окружающей средой.
Биологически важные соединения
Список элементов, содержащихся в живых организмах, говорит нам
о том, что такое жизнь, не больше, чем о торте-продукты, из которых он
приготовлен. Чтобы понять, как работает живой организм, мы должны
знать, как атомы, соединяясь друг с другом, образуют простые молекулы
и как они в свою очередь объединяются в более сложные молекулы.
Изучая различные формы жизни на молекулярном уровне, мы обнару-
живаем, что большинство из них состоит из небольшого числа довольно
простых молекул, называемых мономерами. К наиболее важным мономе
рам относятся аминокислоты, из которых образуются белки; другие хоро-
шо известные типы мономеров-сахара и жирные кислоты. Особый инте-
рес представляет то, что некоторые из этих простых мономеров
существуют в двух формах, которые можно назвать «левой» и «правой»
(рис. 8.3). Обе формы идентичны по химическому составу, но отличаются
расположением атомов, так что одна форма является зеркальным отраже
нием другой. За исключением некоторых белков, обнаруженных в оболочке
клеток ряда бактерий, все аминокислоты, встречающиеся в живых организ
мах, относятся всегда к левой форме. Это отличительное свойство жизни
на Земле, по-видимому, возникло случайно. Использование лишь одной in
двух возможных форм увеличивает эффективность химических реакций, нс
обходимых для поддержания жизни, причем пригодна любая из двух
форм.
Способ образования более крупных молекул из отдельных типов моно
меров в конечном счете устанавливает различие между живой материей
и неживым веществом, преобладающим во Вселенной. Живое вещество со
стоит главным образом из длинных молекул, имеющих.вид цепочек: мо
* В организме этих животных гемоцианин (содержащий медь) играет такую жг
роль, какую гемоглобин (содержащий железо) играет у млекопитающих, например
мыши или человека.
Основные свойства жизни на Земле
177
Рис. 8.3. Типичная молекула аминокислоты имеет структуру, схематически из-
ображенную на рисунке. Каждая аминокислота, например аланин, мо-
жет существовать в двух конфигурациях, которые называются левовра-
щающей (levo- или L) и правовращающей (dextro- или D) формами
одного и того же химического соединения.
померы, связанные друг с другом, образуют полимеры, в которых опреде-
ленная структура повторяется снова и снова с небольшими вариациями
(рис. 8.4). В полимерах часто есть кольцевые структуры и боковые ответ-
вления, да и сами цепочки иногда сворачиваются в хорошо упакованные,
чрезвычайно сложные структуры. Эта способность образовывать специфи-
ческие структуры и изменять их в нужное время позволяет некоторым бел-
ковым полимерам выступать в роли катализаторов, в присутствии ко-
торых химические реакции могут протекать значительно быстрее, чем без
них. Такие катализаторы называются ферментами.
Чрезвычайное многообразие химических соединений достигается обра-
зованием различных полимеров из мономеров и связыванием полимеров
друг с другом различными способами. Средняя молекула белка состоит из
нескольких сотен мономеров-аминокислот; каждый тип белка отличается
от другого типа набором аминокислот и порядком их расположения вдоль
полимерной цепочки. Из огромного числа возможных аминокислот только
20 широко распространены в известных нам живых организмах (табл. 8.2).
СН2ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОН
он он он он он
Рис. 8.4. Гликоген, основной углевод, используемый животными для запасания
энергии, представляет собой длинную полимерную сильно разветвлен-
ную цепочку из молекул глюкозы, каждая из которых содержит лишь 22
атома.
12 485
178
Глава 8
Средняя молекула белка, состоящая, скажем, из 100 аминокислот, можс-i
быть образована по крайней мере 2О100 различными способами. Это иг
вообразимо большое число, намного превышающее число атомов в нашей
Галактике, допускает поистине астрономическое многообразие белков. Од
нако большинство живых организмов синтезируют и используют менсг
100000 типов белковых молекул.
Таблица 8.2
20 аминокислот, обнаруженных в живых организмах
Число
атомов
Аминокислота*
Химическая
формула
L-Аланин (ala) c3h7o,n c6hI562n4 13
L-Аргинин (arg) 27
L-Аспарагин (asn) c4h8o3n2 17
L-Аспарагиновая кислота (asp) c4h6o4n 15
L-Цистеин (cys) c3h7o2ns 14
L-Глутаминовая кислота (glu) c5h8o4n 18
L-Глутамин (gin) c5hi0o3n2 20
Глицин (gly) c2h5o2n 10
L-Гистидин (his) c6h9o2n3 20
L-Изолейцин (ile) c6h13o2n 22
L-Лейцин (leu) c6h13o2n 22
L-Лизин (lys) c6h15o2n2 25
L-Метионин (met) C5HuO2NS 20
L-Фенилаланин (phe) C9HuO2N 23
L-Пролин (pro) c5h9o2n 17
L-Серин (ser) c3h7o3n 14
L-Треонин (thr) c4h9o3n 17
L-Триптофан (try) cuhi2o2n2 27
L-Тирозин (tyr) C9HuO3N 24
L-Валин (val) C5HuO2N 19
* Для аминокислот, имеющих левую (L) и правую (D) конфигурации, мы указали, что только левы»
стереоизомер встречается в живых организмах. Лишь у глицина, простейшей из аминокислот, левая и пр.»
вая формы идентичны по конфигурации, так что обозначение L или D не требуется.
Иными словами, жизнь проявляет необычайную разборчивость при вы
боре молекул, которые она использует. Способность к образованию весь
ма специфических соединений и исключению значительно большего числи
возможных типов молекул-это одна из главных особенностей известной
нам жизни.
Во всех этих сложных молекулах несущим элементом структуры
является углерод; без углерода известная нам жизнь не могла бы возник
нуть. Сложность молекулярных структур необходима для хранения и перс
Основные свойства жизни на Земле
179
дачи такой информации, которая позволяла бы организму воспроизводить
себя или выбирать из многих химических соединений именно те, которые
ему нужны для поддержания жизни.
Способность к воспроизведению
Самое главное свойство жизни, основа ее существования и устойчиво-
сти-это способность к воспроизведению. Клетки делятся; растения дают
семена, из которых вырастают новые растения; птицы и пресмыкающиеся
откладывают яйца; млекопитающие рождают потомство. Несмотря на ка-
жущееся разнообразие, воспроизведение на молекулярном уровне проте-
кает во всех организмах по одному и тому же основному плану. Во всех
живых организмах процессом воспроизведения управляет один и тот же
полимер -дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Более того, молекулы
ДНК вместе со своими близкими родственниками-молекулами РНК (ри-
бонуклеиновой кислоты) снабжают новый организм, так же как и старый,
информацией о том, как ему функционировать. Основные принципы дей-
ствия молекул ДНК и РНК заслуживают внимания, потому что, хотя мы
Рис. 8.5. Молекула ДНК представляет собой спираль из двух цепей, связанных
парами оснований, содержащих азот. Длинные цепи, состоящие из
остатков сахара и фосфата, удерживаются на постоянном расстоянии
друг от друга по всей длине. Из четырех типов оснований аденин (А)
может соединяться только с тимином (Т), а гуанин (G)-только с цито-
зином (С). Поэтому, когда в процессе репликации молекула ДНК разде-
ляется по всей длине на две цепи, каждая цепь при воссоздании недо-
стающей цепи может присоединить лишь вполне определенные основа-
ния. Таким путем генетический код, определяемый последовательностью
оснований вдоль каждой цепи, воспроизводится в каждой из двух «до-
черних» молекул.
12*
180
Глава 8
не думаем, что другие формы жизни имеют точно такие же молекулы
можно с уверенностью ожидать, что у них должны быть молекулы с таки
ми же функциями. Итак, имеет смысл разобраться, как молекулы ДНК
и РНК делают столь много для жизни на Земле.
Молекулы ДНК хранят генетический код, который сообщает следуй»
щему поколению организмов, как поддерживать обмен веществ, рас in
и размножаться. Вся эта важная информация содержится в последователь
ности химических групп, которые располагаются внутри молекулы ДПК
по всей ее длине (рис. 8.5). В живых организмах ДНК состоит из двух ш
пей, которые обвивают друг друга подобно перилам винтовой лестницы
это знаменитая в молекулярной биологии двойная спираль. Две ее цепи с<»
единены между собой парами из малых молекул четырех типов (аденин
цитозин, гуанин, тимин), которые называются основаниями и могут об/>н
зовыватъ лишь вполне определенные пары. Аденин связывается только с in
мином, а гуанин-только с цитозином (рис. 8.5). Порядок следования осн<»
ваний вдоль одной цепи ДНК заключает в себе генетический koi
Рис. 8.6. На этой фотографии показано деление двойной спирали ДНК. В проп<
се деления сначала появляется участок из двух двойных спиралей, а • •
тем полностью формируются две двойные спирали из одной.
Основные свойства жизни на Земле
181
записанный в виде последовательности символов А, Т, G, С, т.е. групп
аденина, тимина, гуанина и цитозина.
Отметим, что порядок расположения кода вдоль одной цепи целиком
определяет код вдоль другой цепи, так как основание каждого типа может
соединяться только с вполне определённым другим основанием. В ходе ре-
пликации, или удвоения, каждая молекула ДНК разделяется на две поло-
вины по всей своей длине. Затем каждая половина формирует себе другую
половину из имеющихся в окружающей среде молекул, причем новые ос-
нования присоединяются к старым в тех же сочетаниях, как и прежде (рис.
8.5). Таким образом, каждая половина молекулы ДНК может точно во-
спроизвести вторую половину, так что возникают две двойные спирали
ДНК, каждая из которых идентична «родительской» молекуле (рис. 8.6).
В дополнение к способности воспроизводить самих себя и таким путем
управлять воспроизведением всего организма молекулы ДНК управляют
также синтезом молекул белка. Синтез протекает в несколько этапов, в ко-
торых участвуют молекулы РНК, очень похожие на ДНК. Молекулы
ДНК, которые управляют всем процессом синтеза, должны обладать спо-
собностью различать, какая из 20 типов аминокислот должна быть выбра-
на на каждом этапе. Для осуществления этого выбора молекулы ДНК ис-
пользуют последовательность оснований вдоль одной из своих цепей-ге-
нетический код.
Как молекулы ДНК определяют ту или иную аминокислоту? Если
каждый раз брать по два основания из четырех А, Т, G, С, то нельзя раз-
личить 20 аминокислот, потому что два основания из четырех можно вы-
брать только 16 различными способами. Но если брать по три основания,
то возможных вариантов будет 64, т. е. больше необходимых 20. Тщатель-
но выполненные эксперименты показали, что ДНК и РНК действительно
программируют синтез белков последовательностью триплетов-групп из
грех оснований. «Буквами» кода служат основания А, Т, G, С, и каждые
три буквы, взятые в определенной последовательности, образуют «слово»,
или кодон. Фактически каждое слово-это как бы название одной из ами-
нокислот (рис. 8.7). Последовательность, состоящая из 100-500 триплетов
вдоль спирали ДНК, кодирует первичную структуру белка или РНК; такая
последовательность называется геном.
Когда живые организмы строят молекулы белка, каждая молекула
ДНК служит своего рода программой. С ДНК информация «переписы-
вается» на молекулы РНК, синтезируемые около одной из цепей ДНК; за-
тем эти так называемые матричные РНК взаимодействуют с молекулами
РНК другого типа-транспортными РНК-небольшими молекулами, к ко-
торым присоединяются аминокислоты; эти транспортные РНК «расста-
вляют» аминокислоты в определенном порядке так, чтобы получился
нужный белок. Таким образом, информация передается от нуклеиновых
кислот к белкам, но никогда-в противоположном направлении.
182
Глава 8
Второе основание
U С A G
UUU phe UCU UAU 1 tyr UGU 1 cys u
UUC ucc UAC 1 UGC 1 c
и UUA UCA UAA Стоп UGA Стоп A
UUG leu UCG UAG Стоп UGG try G
сии ecu CAU I hlS CGU U
CUC ccc CAC 1 CGC C
© с leu pro arg ф
св CUA CCA CAA I Qm CGA A f
й О X CUG CCG CAG 1 9 CGG G |
о g
ф AUU ACU AAU I AGU 1 и j
о asn ser
ф ф А AUC ile ACC thr AAC 1 AGC 1 C 8.
С AUA АСА AAA 1 , AGA 1 A H
AUG met ACG AAG 1 yS AGG 1 i arg G
GUU GCU GAU I asp GGU U
G GUC val GCC ala GAC 1 GGC giy C
GUA GCA GAA 1 GGA A
GUG GCG GAG I 9'U GGG G
Рис. 8.7. Генетический код состоит из 64 возможных триплетов оснований н
последовательности на спирали ДНК. Каждая тройка оснований опр^ »•
ляет тип аминокислоты, за исключением тех троек, которые заверши»•
цепочку. (Полные названия аминокислот, указанные здесь в сокращенн•
перечислены в табл. 8.2.)
Как ни удивительны нуклеиновые кислоты ДНК и РНК, они не веемо
гущи. Сама ДНК, строго говоря, не «живая», потому что для воспрои
дения молекул ДНК необходима соответствующая сложная среда. В пл
стоящее время такая среда встречается в естественных условиях тол пн
внутри живых клеток*. Молекулы ДНК нуждаются в специальных фер
ментах, которые помогают спирали раскрутиться и определяют, каки»’
часть записанной в ней информации будет передаваться РНК.
* Вирусы, которые часто называют простейшими живыми организмами, п«> •
чиняются этому же ограничению. Состоящие только из нуклеиновых кислот, окр\
женных белковой оболочкой, вирусы не могут размножаться вне клетки. (А если ь.
они могли, то мы избавились бы от многих болезней!) То же ограничение спрши -
ливо и для вироидов, еще меньших объектов, состоящих только из молекул Д1II
Основные свойства жизни на Земле
183
Все живое, насколько нам известно, содержит молекулы ДНК и (или)
родственные им молекулы РНК. Эти молекулы обеспечивают основу для
репликации, которая может происходить только внутри клеток. Таким
образом, наименьшие, самые простые системы, которые живут и могут
расти и размножаться,-это клетки. Все формы жизни содержат белки, со-
ставленные из аминокислот в соответствии с информацией, которую пере-
носят нуклеиновые кислоты. Белки ответственны за основную часть струк-
туры и функций живых клеток. Другие полимеры служат для питания
(углеводы), запасания и переноса энергии (жиры) и образуют основные
компоненты мембран - оболочек, организующих молекулы в клетки (ли-
пиды).
Стрела времени
Познакомимся ближе с особенностью всего живого, которую мы назва-
ли наиболее характерной: способностью к размножению и эволюции. На
молекулярном уровне способность к воспроизведению обеспечивается ре-
пликацией двойных спиралей ДНК: из каждой старой спирали образуются
две новые. Иногда в полимере ДНК происходит изменение в последова-
тельности нуклеиновых оснований, называемое мутацией. Это изменение
приводит к изменению в выборе аминокислот и синтезу измененного бел-
ка. Наследуемые изменения в последовательности оснований могут возни-
кать при воздействии на молекулу ДНК излучений высокой энергии, бы-
стрых космических частиц или различных химических соединений, назы-
ваемых мутагенами. Новая конфигурация ДНК может быть столь же
стабильной, как и старая; последующие поколения будут носителями той
же мутации. Дифференциальное размножение, т.е. больший или меньший
успех различных особей у данного вида в создании потомства, определяет,
в какой степени та или иная мутация будет представлена в популяции.
Дифференциальное размножение приводит к явлению, которое мы назы-
ваем эволюцией видов: возникают новые виды, а некоторые старые
исчезают.
Эволюция живых организмов, казалось бы, нарушает известный прин-
цип, состоящий в том, что беспорядок стремится возрастать. Повсюду во-
круг мы видим, что материальные системы переходят от упорядоченности
к беспорядку, от маловероятных состояний к более вероятным. Краски вы-
цветают, скалы разрушаются, железо ржавеет, дерево гниет, звезды через
миллиарды лет истощают запасы своей энергии. Однако на Земле жизнь
продолжает создавать из атомов различных элементов особые молекулы,
из мономеров-длинные полимеры, из простых структур-все более
сложные и из беспорядка-упорядоченность. Единичная молекула ДНК,
длина которой в миллион раз больше толщины (и все же эта длина в луч-
шем случае достигает лишь миллиметра),-это чрезвычайно упорядо-
184
Глава 8
ченный кусочек материи. Такие молекулы хранят огромные запасы инфор-
мации, необходимой для обеспечения жизнедеятельности, информации, ко-
торая может без нарушений передаваться через тысячи репликаций. Следо-
вательно, для поддержания жизни необходима высокая степень упорядо-
ченности. Эта степень упорядоченности не только сохраняется, но факти-
чески увеличивается по мере того, как жизнь на Земле эволюциони-
рует к все более сложным формам.
Как можно объяснить столь явное противоречие-сохранение и даже
возрастание порядка и сложности жизни во Вселенной, неумолимо движу-
щейся в сторону увеличения беспорядка? Чтобы ответить на этот вопрос,
нужно рассмотреть всю систему, в которой жизнь является лишь неболь-
шой частью. Жизнь на Земле не образует замкнутую систему. Напротив,
она поддерживает себя за счет окружающей среды. Иными словами, жизнь
достигает высшей степени организации лишь ценой увеличения беспорядка
в окружающей среде. Беспорядок в системе в целом возрастает, несмотря
на то что в живых организмах он уменьшается.
Энергия
Разнообразные химические реакции, которые протекают в живых орга
низмах, требуют какого-то источника энергии. С точки зрения химии еле
дует затратить энергию, чтобы реакции происходили. Миллиарды лет на-
зад живые организмы могли черпать эту энергию за счет тепла самой
Земли, как поступают до сих пор некоторые организмы, живущие в горя
чих источниках. Но главным источником энергии на протяжении всей ис
тории нашей планеты является Солнце. Таким образом, большинство
форм жизни на Земле обязано своим существованием энергии, выделяю
щейся в реакциях термоядерного синтеза глубоко в недрах нашей звезды
В течение последних нескольких миллиардов лет многие формы жизни
приобрели способность извлекать энергию непосредственно из солнечною
излучения с помощью удивительного процесса -фотосинтеза. В реакциях
фотосинтеза солнечный свет помогает превращать углекислый газ и воду
в органические (углеродсодержащие) молекулы; в качестве побочного про
дукта высвобождается кислород (рис. 8.8)*. Процесс фотосинтеза можно
записать в следующем виде:
Шесть молекул углекислого газа 4- Шесть молекул воды +
4- Энергия солнечного излучения =
= Одна органическая молекула 4- Шесть молекул кислорода.
♦ Бактериальный фотосинтез, который появился раньше известного фотосини-
за растений, не всегда идет с освобождением кислорода (см. с. 214).
Основные свойства жизни на Земле
185
Окисление
Энергия
солнечного
излучения
Фотосинтез
Углеводы
Рис. 8.8. При фотосинтезе в растениях благодаря энергии солнечного света моле-
кулы воды и углекислого газа соединяются и образуют молекулы угле-
водов с выделением молекул кислорода. Углеводы запасают энергию
в химических связях. Эта энергия освобождается при окислении, т.е. со-
единении кислорода с молекулами углеводов.
В химических символах уравнение фотосинтеза записывается следую-
щим образом:
6СО2 “h 6Н2О -----► “Ь 6O2.
При переходе от левой к правой части этого уравнения энергия солнеч-
ного излучения превращается в химическую энергию, которая запасается
в связях органических молекул. В настоящее время на Земле эти процессы
протекают преимущественно в хлоропластах внутри клеток тех организ-
мов, которые мы называем растениями (рис. 8.8), позволяя им запасать
энергию для дальнейшего использования. При фотосинтезе образуются от-
носительно сложные соединения углерода из атмосферного углекислого
газа, а освобождающиеся молекулы кислорода поступают в атмосферу.
Таким образом, жизнь решила задачу накопления и хранения энергии,
позволив некоторым формам жизни существовать за счет энергии, запа-
сенной растениями с помощью процесса, простого в принципе, но сложно-
го по осуществлению. Организация различных видов растений и животных
столь устойчива, что лежащий в их основе порядок сохраняется, в то вре-
мя как вещество, из которого состоят живые организмы, непрерывно изме-
няется. Мы едим, но не превращаемся в то, что съели (в противополож-
ность популярной поговорке). Наши тела усваивают «мертвое» вещество,
186
Глава 8
которое мы поедаем, и используют его компоненты для поддержания жиз-
ни; в этом смысле «мертвая» пища как бы вновь обретает «жизнь». Как
и все живые организмы, мы постоянно заменяем вещество нашего тела
новыми атомами и молекулами и все же в основном остаемся такими же,
как были.
Подобная картина справедлива и для жизни в целом. Мы склонны по-
ражаться хрупкости жизни, потому что нас окружают организмы, проходя-
щие цикл рождения, размножения и смерти. Но если охватить взором бо-
лее длительный период, то вызывает удивление тот факт, что чрезвычайно
маловероятное состояние вещества, которое мы называем жизнью, обла-
дает поразительным постоянством. Жизнь существует на Земле по крайней
мере 3,4 млрд, лет, т.е. значительно дольше продолжительности жизни
многих звезд. Как это достигнуто? При всем многообразии ответов на
этот вопрос одно несомненно: основой непрерывности жизни является по-
стоянный источник энергии. Именно развитие фотосинтеза обеспечило
земной жизни возможность существовать в течение времени, соизмеримо-
го с длительностью космических процессов.
За этот длительный период жизнь изменила лицо нашей планеты. Рас-
смотрим наиболее важный побочный эффект фотосинтеза, осуществляемо-
го растениями,-образование молекул кислорода. Кислород попадает в ат-
мосферу Земли, где он обеспечивает дополнительный источник энергии
для любой формы жизни, которая может использовать его для окисле-
ния-процесса соединения кислорода с другими молекулами. Отсюда по-
нятно, почему мир животных можно назвать паразитическим: без растений
животные не могли бы ни питаться, ни дышать, а значит, не могли бы раз-
виваться и жить. Невозможно ответить на вопрос, что было раньше-кури-
ца или яйцо, но хорошо известно, что в ходе эволюции жизни на Земле ор-
ганизмы, вырабатывающие кислород, возникли раньше потребляющих его
животных.
Взглянем еще раз на уравнение фотосинтеза. Если изменить направле-
ние процесса и двигаться справа налево, то он будет соответствовать окис-
лению, или дыханию, при котором энергия не запасается, а расходуется.
При этом энергия может появиться в форме работы, тепла или даже света.
Наиболее известные примеры окисления-это сжигание растений, древе-
сины, угля или нефти. Во всех этих процессах освобождается солнечная
энергия, запасенная в процессах фотосинтеза. Существование на нашей
планете богатых энергией органических веществ указывает на то, что
в прошлом фотосинтез доминировал над дыханием; следовательно, ре-
зультирующее направление стрелки в нашем уравнении было таким, как
указано, т.е. слева направо. Однако цель человеческой деятельности чаек»
как раз противоположна, вследствие чего мы быстро истощаем богатей-
шие запасы энергии, созданные фотосинтезом, сжигая нефть, природный
газ и уголь.
Основные свойства жизни на Земле
187
I' ЦП1СТВО ЖИЗНИ
Мы перечислили химические элементы, из которых состоит жизнь, важ-
нейшие молекулы, образованные из этих элементов, полимеры, состоящие
и । меньших молекул, и некоторые основные реакции, протекающие в лю-
‘»ой материальной системе, которую мы называем живой. Мы убедились
in нее, что за чрезвычайным многообразием жизни на нашей планете скры-
инс гся единство на молекулярном уровне. Лишь 20 аминокислот из тысяч
возможных участвуют в синтезе белков, и те же 20 аминокислот встре-
•инотся во всех формах жизни. Различные формы жизни используют один
и гот же генетический код с одними и теми же четырьмя основаниями, ко-
юрые, группируясь по три, определяют конкретные аминокислоты. Орга-
низмы отличаются друг от друга последовательностью пар оснований-
ним и определяется разнообразие организмов,-но код остается одним
и гем же.
Биохимическое единство говорит о том, что все проявления жизни, ко-
к>рые мы видим вокруг, возникли в значительной мере одинаковыми путя-
ми. Это утверждение в свою очередь приводит к выводу, что жизнь на
Iругой планете может в корне отличаться от земной, даже если она ис-
пользует те же элементы. Можно ожидать, что эквивалент ДНК внеземной
жизни включает, например другие типы оснований, а в белках использует-
ся другой набор аминокислот. Но жизнь может иметь, конечно, и более
фундаментальные отличия от нашей; возможно, что в основе процессов
размножения, хранения и передачи информации и энергии лежит совер-
шенно иная химическая система.
Мы имели бы значительно лучшие перспективы для оценки этих воз-
можностей, если бы поняли сущность жизни: что заставляет материю под-
ия гься на такой уровень сложности, на котором становится возможным
ноенроизведение. У нас пока нет ответа на этот вопрос; никто еще не со-
тая самовоспроизводящийся спиральный полимер из простых мономеров
|»ез использования продуктов, выработанных живой клеткой. Тогда как же
из неживого вещества сформировались самовоспроизводящиеся струк-
|уры? Мы рассмотрим подробнее фундаментальный вопрос о происхожде-
нии жизни в следующей главе, но не получим точных выводов о кон-
к|ютных шагах, которые привели к началу жизни. Если бы где-то во
Вселенной была открыта жизнь иного типа, то из сопоставления двух при-
меров мы наверняка узнали бы значительно больше о происхождении жиз-
ни из неживой материи, чем из нашего единственного примера.
Выводы
Химический состав живых организмов на Земле больше напоминает со-
пав Солнца и других звезд, нежели Земли. Из этого факта, а также из бо-
ксе детального изучения особенностей жизни можно заключить, что ос-
188
Глава 8
новные элементы, встречающиеся в живых организмах: углерод, кислород,
водород и азот,-по-видимому, играют особую роль и могут быть наибо-
лее важными для жизни всюду во Вселенной.
Однако следует проявлять осторожность, делая выводы на основании
единственного примера-жизни на Земле. Мы говорим о всех формах жиз-
ни как о единственном примере, потому что в основе размножения всех
организмов лежит один и тот же процесс: деление на две части длинных
двойных спиралей ДНК. Молекулы ДНК несут в себе генетическую ин-
формацию, которая определяет, как будет выглядеть следующее поколе-
ние, а также информацию, необходимую чтобы передать различным ча-
стям организма программу того, как им следует функционировать. Когда
молекулы ДНК расщепляются, каждая половина спирали может воссоз-
дать недостающую половину из небольших молекул благодаря следую-
щим двум свойствам: лишь определенные молекулы могут присоединить-
ся на свободные места, образовавшиеся при репликации, а порядок их при-
соединения однозначно задается «родительской» молекулой.
Можно определить живые организмы как системы, способные к само-
воспроизведению и эволюции, но основная деятельность отдельного орга-
низма, когда он не размножается, состоит в поддержании обмена веществ
путем прямого или косвенного использования солнечной энергии. Расте-
ния способны непосредственно использовать солнечное излучение с по-
мощью химических реакций фотосинтеза, который запасает энергию Солн-
ца в химических связях молекул углеводов, образующихся из воды
и углекислого газа. Животные (и некоторые редкие растения) зависят oi
этой запасенной энергии, которую они высвобождают путем переварива-
ния и усвоения вещества растений или других животных, питающихся рас-
тениями. Кроме того, растения вносят и другой важный вклад, освобождая
при фотосинтезе молекулы кислорода. Процесс обмена веществ у жи-
вотных состоит в том, что эти молекулы кислорода соединяются с органи-
ческим веществом растений, поедаемых животными.
Иными словами, растения производят углеводы и кислород (точнее го-
воря, они высвобождают в процессе фотосинтеза молекулы кислорода, ко-
торые поступают в атмосферу), а животные сжигают углеводы, используя
этот кислород. На Земле мы пока имеем избыток произведенных растения-
ми углеводов, а также углеводородов (природный газ, нефть и уголь),
образовавшихся при разложении растений. Мы пришли к пониманию
и оценке жизненного цикла, в котором растения должны были предше-
ствовать животным. Этот цикл дает нам, людям, пйщу, кислород и углево-
дородные топлива, столь для нас необходимые. Однако остается не-
известным (во всяком случае, мы не знаем ни одной достоверной детали),
каким путем огромное многообразие растений и животных начало разви-
ваться из небольшого числа простых молекул.
Основные свойства жизни на Земле
189
Вопросы
1. Как бы вы определили жизнь? Можете ли вы указать какие-либо исключе-
ния из этого определения? Например, можно ли в соответствии с вашим определе-
нием считать «живыми» роботы, запрограммированные для создания других
роботов?
2. Почему мы говорим, что химический состав живых организмов напоминает
состав звезд? Что это дает для теорий возникновения жизни во Вселенной?
3. Почему углерод является столь важным элементом во всех живых организ-
мах на Земле?
4. Что такое полимеры? В какие структуры объединяются меньшие молекулы,
называемые мономерами: в прямолинейные, кольцевые или более сложные?
5. Как молекулы ДНК воспроизводят себя?
6. Какие другие важные функции, кроме процесса воспроизведения, регули-
руются молекулами ДНК?
7. Какова роль белков в живых системах? Какова роль углеводов и молекул,
называемых липидами и жирами?
8. Как животные используют энергию солнечного света, запасенную растения-
ми в процессе фотосинтеза? Опишите химические реакции, которые сначала обеспе-
чили накопление энергии, а позднее-ее выделение в почти обратных реакциях.
9. Откуда нефть, уголь и природный газ получили свою энергию, которая вы-
деляется при их сжигании?
10. Можно ли ожидать, что другая форма жизни в какой-либо иной планетной
системе должна состоять примерно из тех же элементов, что и жизнь на Земле?
Можно ли ожидать, что там будут использоваться такие же виды аминокислот, ка-
кие встречаются на Земле? Должны ли в другой системе появиться молекулы ДНК,
подобные существующим в земных живых организмах? Почему?
Литература
Asimov I. The genetic code, Signet Books, New York, 1962.
Beadle G., Beadle M. The language of life, Doubleday and Co., New York, 1966.
The Biosphere (11 articles), W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1970.
Calvin M. Chemical evolution: Molecular evolution towards the origin of life on the
earth and elsewhere, Oxford Univ. Press, Oxford, 1969. (Имеется перевод: Каль-
вин M. Химическая эволюция: Молекулярная эволюция, ведущая к появлению
живых систем на Земле и на других планетах-М.: Мир, 1971.)
Dawkins R. The selfish gene, Oxford Univ. Press, Oxford, 1976.
Edsall J., Wyman J. Biophysical chemistry, Academic Press, New York, 1958.
Eisely L. The immense journey, Vintage Books, New York, 1946.
Lanham U. The sapphire planet, Columbia Univ. Press, New York, 1978.
Mason B. Principles of geochemistry, 3rd ed., John Wiley and Sons, New York, 1966.
Watson J. D. Molecular biology of the gene, 3rd ed., W. A. Benjamin, Menlo Park, Calif.,
1976. (Имеется перевод: Уотсон Дж. Молекулярная биология гена.-М.: Мир,
1978.)
Глава 9
Происхождение жизни
Жизнь на Земле зародилась по меньшей мере 3,4 млрд, лет назад. Вс
роятно, она появилась через несколько сотен миллионов лет после обраэо
вания Земли, которое произошло 4,6 млрд, лет назад. Чтобы проследить
путь возникновения жизни, мы должны изучить условия на Земле вскоре
после ее образования. В частности, мы должны определить химический со
став первичной атмосферы, поскольку жизненно важные химические реак
ции всегда протекали с участием газовой оболочки Земли.
Рис. 9.1. Двести миллионов лет назад большинство нынешних материков Земли
составляли единый континент Пангею, что давало возможность ра»
личным видам живых организмов легче распространяться по плане н .
чем теперь.
Основные свойства жизни нн земле
191
Вследствие эрозии и движений земной коры геологические следы перво-
го миллиарда лет существования нашей планеты канули в Лету, унесенные
в глубь мантии вместе с кратерами, образованными ударами метеоритов.
Без сомнения, такие кратеры покрывали поверхность Земли, как они до
сих пор покрывают поверхности Меркурия, Венеры, Марса и Луны. Дви-
жения земной коры скорее всего вызываются конвективными потоками
в мантии, источником энергии которых служит распад радиоактивных изо-
топов в недрах Земли. Исчезла не только первичная кора; даже современ-
ная конфигурация материков возникла сравнительно недавно, потому что
всего 200 млн. лет назад все материки были значительно ближе друг к дру-
гу (рис. 9.1).
Однако можно частично реконструировать раннюю историю Земли, ис-
пользуя наши знания (разумеется, ограниченные) об образовании планет.
Первичная Земля, как мы ее представляем, была твердым шарообразным
телом тех же размеров и химического состава, что и современная, но
с большей скоростью выделения тепловой энергии вследствие распада ра-
диоактивных изотопов. Наиболее явные и самые важные для живых орга-
низмов различия между Землей сегодня и 4 млрд, лет назад заключаются
в изменениях ее атмосферы^ Эти изменения труднее поддаются рекон-
струкции.
Как Земля приобрела атмосферу
По-видимому, Земля достигла нынешних размеров путем аккреции, т. е.
слипания друг с другом частиц меньших размеров внутри протопланетно-
го облака, из которого сформировалась Солнечная система. Поскольку ос-
новную часть этого сжимающегося газо-пылевого облака составлял водо-
род, многие ученые полагают, что он должен был составлять значитель-
ную часть первичной атмосферы Земли. Большое число свободных атомов
и молекул водорода, готовых вступить в реакции с другими молекулами,
образуют среду, которую химики называют восстановительной. Тради-
ционная картина первичной атмосферы Земли представляет собой сильно
восстановительную смесь таких газов, как метан, аммиак, пары воды и мо-
лекулярный водород. Такой состав имеют нынешние атмосферы планет-
гигантов Юпитера и Сатурна, где первичные условия сохранились до на-
ших дней. Оценка первичной атмосферы Земли как сильно восстановитель-
ной среды получила широкое признание, но она может потребовать
некоторых уточнений в свете новых открытий.
Благодаря изучению распространенностей инертных газов: неона, арго-
на, криптона и ксенона,-которые составляют ничтожную часть нашей ат-
мосферы, и тщательному исследованию древнейших пород ученые недавно
получили данные о том, что Земля, вероятно, никогда не приобретала ат-
192
Глава 9
мосферу от газо-пылевого облака, из которого сформировались планеты.
Образование планет в процессе аккреции, по-видимому, протекало так, что
последним присоединилось к Земле твердое вещество, богатое летучими
элементами (рис. 9.2). По составу оно, должно быть, напоминало вещество
некоторых метеоритов и комет, которые существуют сегодня в Солнечной
системе (см. гл. 12). Летучие элементы, самые легкие и легче всего испа-
ряющиеся, включают водород, углерод, азот и кислород, которые являю г-
ся составными частями современной атмосферы и самой жизни.
В соответствии с этим представлением о формировании нашей пла-
неты, внешние слои Земли (и других планет земной группы), насыщенные
летучими элементами, содержали большое число атомов или молекул во-
дорода не в чистом, а в связанном виде в составе других молекул, напри-
мер воды. Разогретые при соударениях с формирующейся Землей частицы
вещества на последних стадиях аккреции теряли летучие элементы, из ко-
торых и образовалась первичная атмосфера. Ультрафиолетовое излучение
молодого Солнца разрушало некоторые молекулы. Этот процесс, назы-
ваемый фотодиссоциацией, наряду с химическими реакциями газов с пер
вичной земной корой мог привести к образованию слабо восстановитель
ной атмосферы, состоящей из СО, СО2, N2, Н2О и небольшого количества
Н2. Мы находим данные, свидетельствующие в пользу слабо восстанови-
тельной первичной атмосферы против сильно восстановительной, чрезвы-
чайно богатой водородом, в геологической истории Земли. Даже
древнейшие породы, возраст которых составляет около 3,8 млрд, лет, нс
Образование Земли
путем аккреции
Рис. 9.2. Вещество, богатое летучими элементами-водородом, углеродом, азо
том и кислородом,-присоединялось к Земле в последнюю очередь при
образовании нынешней планеты из протоземли в процессе аккреции
Ранние этапы аккреции происходили при более высоких температурах,
чем поздние.
Рис. 9.3. Вулканы, подобные этому вулкану на Гавайях, поставляют газ в атмос-
феру до сих пор. Выброс в атмосферу газа расплавленной магмой обес-
печил Землю ее первичной атмосферой.
дают свидетельств богатой атомами и молекулами водорода атмосферы,
которая описывается традиционными моделями.
Независимо от того, была ли первичная атмосфера Земли сильно вос-
становительной в соответствии с традиционной точкой зрения или слабо
восстановительной, согласно более современным взглядам, нам кое-что из-
вестно о том, как менялся ее химический состав со временем. Во-первых,
атомы и молекулы водорода должны были покинуть Землю в течение
первых сотен миллионов лет, потому что сила притяжения планеты была
недостаточной для их удержания. Водород, входивший в состав более тя-
желых молекул, например паров воды, должен был остаться, но сво-
бодный водород улетучился на раннем этапе истории Земли. Во-вторых,
какой бы ни была первичная атмосфера Земли, она вскоре изменила свой
химический состав вследствие выделения газов из земной коры, разогретой
за счет распада короткоживущих радиоактивных изотопов, содержавшихся
в недрах планеты. Выделение летучих элементов, которое в значительно
ослабленной форме происходит и теперь из вулканов (рис. 9.3), внесло
в атмосферу большие количества водяного пара, углекислого газа, азота
13-485
194
Глава 9
и окиси углерода. Таким образом, практически вся вода современных океа-
нов выделилась из пород, слагающих ныне кору и верхнюю мантию
Земли.
Вскоре после образования Земли ее атмосфера, по-видимому, состояла
главным образом из водяного пара, азота, соединений углерода и кислоро-
да и малых количеств водорода. После того как улетучилась большая
часть водорода, произошло важное изменение: в атмосфере образовалось
достаточно озона, чтобы экранировать поверхность Земли от ультрафио-
летового излучения Солнца.
Каждая молекула озона состоит из трех атомов кислорода (О3), тогда
как обычная молекула кислорода состоит из двух атомов (О2). Под влия-
нием ультрафиолетового излучения молекулы воды Н2О распадаются на
атомы водорода и кислорода. Однако, пока молекулы водорода остава-
лись в атмосфере, свободные атомы кислорода быстро вступали в реак-
цию с ними. Как только водород улетучился с Земли, образовались моле-
кулы кислорода и озона в количествах хотя и небольших, но достаточных,
чтобы преградить путь ультрафиолетовому излучению к поверхности Зе-
мли. Молекулы озона столь сильно поглощают ультрафиолетовое излучс
ние Солнца, что даже небольшое содержание озона предохраняет нас oi
губительных для жизни потоков этого излучения.
Таким образом, говоря о более поздней атмосфере, наряду с водяным
паром, углекислым газом, азотом и окисью углерода мы должны упомя
нуть малое количество кислорода (может быть, менее 1%) и еще меньшее,
но играющее важную роль количество озона. Но эта атмосфера, по-види
мому, еще далека от современной земной атмосферы, состоящей главным
образом из молекул азота и кислорода с малыми добавками водяного па
ра и следами углекислого газа и почти не содержащей окиси углерода. Что
вызвало эти изменения?
Ответ гласит: появление жизни на Земле. В частности, жизнь обеспечи
ла поступление основной массы кислорода в атмосферу. Она помогла уда
лить большую часть углекислого газа и сохранить азот. Давайте просле
дим историю каждого из основных компонентов нашей атмосферы
и посмотрим, что произошло за последние 4 млрд, лет и как установился
нынешний состав атмосферы.
Прежде всего водяной пар, содержание которого было высоким, в ич
вестном смысле все еще составляет часть оболочки Земли-океаны. Если
бы Земля была значительно теплее, на ней не было бы океанов. Цикл йена
рения и выпадения осадков, которые затем стекают в моря, сохраняет нс
большое количество воды в атмосфере в виде пара, но основная ее час i ь
содержится в жидком виде в огромных резервуарах, покрывающих 7Г„
поверхности Земли. Океаны, которые отличают Землю от всех других пла
нет, вероятно, существовали начиная с раннего периода истории Земли
Углекислый газ, который когда-то занимал второе место по содержа
Происхождение жизни
195
Рис. 9.4. Строматолиты сформировались в условиях, которые сегодня редко
встречаются на Земле. Эти современные строматолиты на западном по-
бережье Австралии представляют собой исключение, но отражают усло-
вия, в которых формировались строматолиты миллиарды лет назад.
нию в атмосфере, оказался Мимически связанным в породах, главным
образом в виде карбоната кальция (мел и известняк). При формировании
этих осадочных пород, образующихся на дне океана, расходуется угле-
кислый газ, растворенный в морской воде; по мере его исчезновения из во-
ды и связывания в твердых породах новые порции углекислого газа рас-
творяются в воде, и так далее. Хотя карбонат кальция образовывался бы
и в отсутствие жизни, существование живых морских организмов резко
ускорило этот процесс. Поскольку морские организмы существуют и ши-
роко распространены уже в течение миллиардов лет, почти весь угле-
кислый газ исчез из атмосферы. Небольшие его количества остаются бла-
годаря процессам выветривания и дыхания животных; разложение
органического вещества также возвращает этот газ в атмосферу.
Кислород, как мы видели, до развития жизни существовал лишь в не-
больших количествах. Фотосинтез зеленых растений увеличил его содержа-
ние в современной атмосфере до 21%. Ископаемые остатки показывают,
что породы, образовавшиеся и погребенные под поверхностью Земли бо-
13*
196
Глава 9
лее 2,5 млрд, лет назад недоокислены, так как они формировались в усло-
виях недостатка кислорода. Полностью окисленные породы имеют воз-
раст менее 2,5 млрд. лет. Об увеличении содержания кислорода именно
в этот период свидетельствуют слоистые породы, называемые стромато-
литами. Они образовались в результате жизнедеятельности колоний сине-
зеленых водорослей, живущих на границе раздела воды и осадочных отло-
жений. Древние строматолиты достигли широкого распространения на
Земле от 2,0 до 2,3 млрд, лет назад, что согласуется с результатами, полу-
ченными по минеральным отложениям. Следовательно, можно сделать вы-
вод, что организмы, выделяющие кислород, появились в больших количе-
ствах несколько менее 2,5 млрд, лет назад. Крупные растения-деревья,
цветы и травы-существуют не более 600 млн. лет, так что за обогащение
атмосферы кислородом мы должны быть благодарны в основном синезе-
леным водорослям (рис. 9.4).
Азот, из которого на 78% состоит современная атмосфера, поступил
в нее при дегазации, но его сохранению помогло существование жизни.
При каждом грозовом разряде в атмосфере часть атмосферного азота со
единяется с кислородом и образует окислы азота, которые благодаря осад
кам попадают в почву и океаны (рис. 9.5). Если бы жизнь на Земле отсу г
ствовала, то лишь медленное выветривание пород возвращало бы азо!
в атмосферу, но в почве живут колоссальные количества денитрифицирую
щих бактерий; эти крошечные организмы разлагают окислы азота
и играют важную роль в его круговороте.
Окись углерода, которая когда-то была важным компонентом земной
Рис. 9.5. Азот в атмосфере соединяется с кислородом, образуя различные окисли
которые вымываются из воздуха в почву и океаны. Денитрифицирую
щие бактерии в почве возвращают его в атмосферу, поддерживая содср
жание азота на уровне 78%.
Происхождение жизни
197
атмосферы, давно соединилась с кислородом и превратилась в углекислый
газ. Как только фотосинтез начал высвобождать большие количества кис-
лорода, этот чрезвычайно активный элемент стремился вступить в реак-
цию с любым не полностью окисленным химическим соединением. Как
мы видели, углекислый газ в основном сконцентрировался в углеродсодер-
жащих породах, большая часть которых является продуктом жизнедея-
тельности некоторых организмов.
Аргон, последний важный компонент современной атмосферы, соста-
вляет в ней около 1%. В данном случае мы имеем дело с газом, не уча-
ствующим в процессах жизнедеятельности, аргон-инертный газ, не обра-
зующий химических соединений. Он возникает при распаде небольших
количеств радиоактивного изотопа калия в земной коре, поэтому можно
ожидать присутствия аргона на любой твердой планете в любой планет-
ной системе при условии, что в период формирования планеты температу-
ра была не слишком высока-иначе калий не мог бы сконденсироваться.
Мы рассмотрели, как первичная атмосфера Земли менялась под дей-
ствием ультрафиолетового излучения, химических реакций, дегазации
и улетучивания водорода. В результате углекислый газ, азот, водород
и окись углерода сменились смесью азота и кислорода-воздухом, ко-
торым мы теперь дышим. Водяные пары (наряду с океанами!), вероятно,
существовали на протяжении всей истории Земли. Попытаемся теперь про-
следить пути развития жизни в изменяющейся земной атмосфере, наиболь-
шие изменения которой, по-видимому, были вызваны самой жизнью.
Ранние гипотезы
о происхождении жизни
Выше мы подчеркивали важность единства жизни на молекулярном
уровне и высказали предположение, что оно указывает на происхождение
от ряда общих предков. Эта проблема подробно рассмотрена в следующей
главе, но сразу же можно признать, что сложность жизни со временем
увеличивалась. Древнейшие породы, содержащие следы жизни, свидетель-
ствуют лишь о существовании бактерий, а еще более старые породы вооб-
ще не несут следов жизни. Нам легко допустить непрерывное усложнение
жизни, но значительно труднее объяснить, как жизнь началась. Как атомы
и молекулы на поверхности и в атмосфере Земли объединились в живые
системы?
Человеческая интуиция при рассмотрении проблемы происхождения
жизни часто склонна предполагать вмешательство извне, что является
198
Глава 9
разумной экстраполяцией наших наблюдений за своим поведением и за
тем, как появляются на свет новые люди. Нам кажется, что некая сила или
носитель силы осуществляет это. Исходя из закона причинной связи в по-
вседневной жизни, многие в глубине души допускают, что нечто «живое»
должно было существовать до появления жизни на нашей планете. По-
добным образом в большинстве религий появление жизни объясняется
вмешательством извне, обычно-божественного всемогущего существа,
Некоторые ученые, все еще верящие в представление о некой силе, счи-
тают, что жизнь возникает повсюду во Вселенной. Так гипотеза панспер-
мии, развитая в 1903 г. Сванте Аррениусом, предполагала, что жизнь пере-
носится спорами через межзвездное пространство и время от времени
попадает на планеты, где начинаются размножение и эволюция. По мере
знакомства с опасностями, подстерегающими в космическом пространстве,
гипотеза панспермии становилась все менее и менее вероятной. Воздействие
высокоэнергичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения и кос
мических лучей в межзвездном пространстве оказалось бы смертельным
для зародышей жизни, в течение миллионов лет блуждающих от одной
планетной системы к другой. Кроме того, гипотеза панспермии не отве
чает на вопрос, ответ на который мы ищем. Если Земля была обсеменена
спорами из космического пространства, то откуда они взялись? Наконец,
относительное содержание редких (следовых) элементов в живых органич
мах столь близко к их концентрациям в морской воде, что это естесз
венным образом наводит на мысль о земном происхождении жизни на на
шей планете.
Модель химической эволюции
Как возникла жизнь? Многочисленные лабораторные эксперименты по
казали, что в богатой кислородом атмосфере, которая окружает нас тс
перь, химические соединения, входящие в состав всех живых систем, не мо
гли бы возникнуть путем спонтанных химических реакций. Если переход
от неживой материи к живой произошел на Земле, то с тех пор условия со-
вершенно изменились. Это требование хорошо согласуется с тем, что мы
знаем или можем предполагать об условиях на древней Земле.
Если принять традиционную точку зрения, согласно которой первичная
атмосфера Земли состояла из молекул метана, аммиака и водорода, а так
же способного конденсироваться водяного пара, то легко показать, чк»
в такой среде образование органических молекул было весьма вероятным
Энергия, необходимая для протекания химических реакций с образованием
органических молекул, могла быть почерпнута из многих источников, н<»
главным образом от Солнца (рис. 9.6). Солнечное ультрафиолетовое излу
чение свободно достигало поверхности первичной Земли, так как еще ш
существовало защитного слоя озона.Таким образом, фотоны высоки»
Происхождение жизни
199
Рис. 9.6. На первичной Земле химические реакции, протекающие с потреблением
энергии, могли получать ее от ультрафиолетового излучения Солнца,
электрических разрядов, местных геотермальных источников, распада
радиоактивных атомов, ударов метеоритов или волн океанского прибоя.
энергий были основным источником энергии, но энергия могла также по-
ступать от грозовых разрядов, местных геотермальных источников (горя-
чих ключей и вулканов), распада радиоактивных изотопов в породах, паде-
ния метеоритов и даже от раскатов грома и океанского прибоя.
По иронии судьбы, солнечное ультрафиолетовое излучение, которое
способствовало зарождению жизни, теперь разрушает многие молекулы,
необходимые для живых организмов. Но этот парадокс лишь кажущийся;
возникнув, органические молекулы могли выпасть из атмосферы с дождем
в водоемы; или они могли образовываться на границе раздела между
водой, сушей и воздухом, а затем уходить глубже в воду. Всего несколько
метров чистой воды или тонкий слой других органических соединений спо-
собны обеспечить надежное экранирование от солнечного ультрафиолето-
вого излучения (рис. 9.7).
Традиционная научная картина возникновения жизни на первичной
Земле включает спонтанное образование сложных молекул из атмос-
ферных газов и последующее накопление этих молекул в водоемах. Неко-
торые химические реакции могли быть ускорены каталитическим дей-
ствием частиц почвы с подходящими активными поверхностями. Дождевая
вода помогала переносить продукты реакций в пруды, озера и запол-
200
Глава 9
Ультрафиолетовое излучение
Рис. 9.7. Слой органических соединений толщиной несколько миллиметров у по-
верхности воды или несколько метров чистой воды поглощают ультра-
фиолетовое излучение Солнца. Сегодня жизнь на Земле существует бла-
годаря «озоновому фильтру» в атмосфере.
ненные водой после прилива углубления на океанских берегах. Эти во-
доемы были богаты органическими соединениями и растворенными мине-
ральными веществами и, вероятно, служили питательной и защитной
средой, где молекулы взаимодействовали случайным образом до тех пор,
пока некоторые реакции не привели к образованию соединений, которые
могли каким-то образом направлять образование других молекул. Ча-
стицы глины на береговых кромках прудов могли способствовать объеди-
нению малых молекул в более крупные (с. 206). Предсказание роли водое-
мов, заполняемых во время приливов смесью важных для зарождения
жизни ингредиентов, содержится в концепции Чарлза Дарвина о «теплом
водоеме», в котором могла возникнуть жизнь. Позднее Дж. Б. С. Холдейн
и А. И. Опарин независимо развили эту модель, рассматривающую пер-
вичные океаны Земли как жидкий органический отвар, первичный пита-
тельный бульон, в котором могли сформироваться более сложные моле-
кулы.
В 1953 г. Миллер и Юри экспериментально исследовали эту модель
возникновения сложных молекул. Схема их эксперимента приведена на
рис. 9.8. В большой колбе моделировалась атмосфера первичной Земли,
т.е. смесь метана, аммиака, водорода и водяного пара. Источником энер-
гии служил электрический разряд, но можно было использовать, ультра-
Происхождение жизни
201
Рис. 9.8. Схема экспериментальной установки Миллера и Юри. Установка со-
стоит из 5-литрового сосуда, который содержит воду, метан, водород
и аммиак, т. е. моделирует атмосферу и океан первичной Земли. В смесь
газов вводится энергия с помощью электрического разряда. На следую-
щий день после включения установки на поверхности воды появился
тонкий слой молекул углеводов, а через несколько недель работы обра-
зовались различные типы аминокислот.
фиолетовое излучение (или источник ударных волн). Вода в нижней колбе
моделирует водоем на поверхности Земли. Нагреватель и холодильник
обеспечивают циркуляцию водяного пара в системе, моделируя водоем,
иода из которого испаряется, попадает в атмосферу, а затем конденсирует-
< н и возвращается на землю в виде дождя вместе с химическими соедине-
ниями, возникшими в атмосфере. Технически этот эксперимент, по-видимо-
му, довольно хорошо воспроизводит условия на первичной Земле, хотя
п схеме нет эквивалента богатой минералами поверхности планеты.
Что происходит, если включить источник энергии и начать экспери-
мент? Спустя несколько дней в колбе с водой образуются органические
202
Глава 9
молекулы. Химический анализ смеси дал волнующий результат: в допол-
нение к большому количеству неотождествленных органических «шлаков»
образовались аминокислоты, в том числе глицин и аланин, а также многие
другие органические соединения.
Можно проиллюстрировать процесс образования глицина следующим
образом:
Одна молекула аммиака + Две молекулы метана +
+ Две молекулы воды + Энергия =
= Одна молекула глицина + Пять молекул водорода,
или с помощью химической формулы:
NH3 + 2СН4 + 2Н2О J* C2H5O2N + 5Н2.
Аналогичным образом в эксперименте происходит образование других
аминокислот. Если вспомнить, что один из основных процессов жизнедея-
тельности заключается в синтезе белков из аминокислот, то можно ска-
зать, что образование аминокислот-большой шаг от неживой материи
к жизни и общее подтверждение идеи о том, что основные соединения,
входящие в состав живых организмов, могут образоваться при.условиях,
существовавших на первичной Земле и подобных ей планетах в других
планетных системах. Еще одной иллюстрацией легкости, с которой эти со-
единения могут возникать в естественных условиях, является обнаружение
аминокислот в метеоритах (см. гл. 12).
Разумеется, в современной жизни аминокислоты не попадают к нам
с метеоритов или в результате лабораторных экспериментов, подобных
опытам Миллера-Юри. Они возникают в живых системах, в чем легко
убедиться путем исследования симметрии молекул аминокислот.
Аминокислоты, обнаруженные в экспериментах Миллера-Юри, содер
жат равные количества левовращающих и правовращающих молекул. Как
мы видели (с. 178), в живых системах аминокислоты в белках относятся
исключительно к L-форме! По-видимому, жизнь на Земле в период своего
становления избрала одну из двух возможных форм и с тех пор придержи
валась этого выбора. Как мы уже указывали, такой выбор дает преимущс
ство, поскольку обеспечивает более точное программирование структур
более сложных молекул из аминокислот.
Следовательно, жизнь, если она использует аминокислоты, всюду дол
жна была бы выбрать одну из форм. Это дает нам хороший способ отли
чить молекулы, возникшие в биологических процессах или небиологичс
ским путем. В последнем случае всегда возникает равная смесь молекул
в L- и D-формах, в то время как молекулы биологического происхождения
предпочитают L-форму.
Происхождение жизни
203
Действительно ли жизнь
возникла таким путем?
Вернемся из химических лабораторий на первичную Землю. Мы рас-
смотрели возможные способы образования белковых строительных бло-
ков. А что можно сказать о компонентах липидов, углеводов и нуклеи-
новых кислот?
Нам известно, что в экспериментах Миллера-Юри образовались неко-
торые простейшие жирные кислоты: уксусная, муравьиная и пропионовая.
Жирные кислоты помогают образованию жиров (липидов), поэтому мы
вновь обретаем уверенность в том, что находимся на правильном пути. Но
после этих триумфов картина становится менее ясной.
Из обсуждения свойств ДНК в предыдущей главе мы знаем, что она
содержит сахар-дезоксирибозу, четыре основания: аденин, гуанин, тимин
и цитозин, а также фосфат-фосфорную кислоту. В РНК место тимина за-
нимает урацил. Ни одно из этих веществ не образовалось в экспериментах
Миллера-Юри, но в принципе можно получить формальдегид, цианацети-
псн, цианистый водород и мочевину. Эти соединения позволяют сделать
еще один шаг по намеченному пути. Если нагреть формальдегид в щелоч-
ном растворе или в присутствии глины, то образуются сахара. Таким
образом, мы получаем углеводы и находимся на пути к созданию одной
из ключевых структур в нуклеиновых кислотах. Дальнейшие реакции с уча-
с гием цианистого водорода могут дать аденин, а мочевина и цианацетилен
реагируют с образованием цитозина. Что же касается фосфатов, то они,
вероятно, поставляются в ходе выветривания пород, а затем выносятся
стоками в водоемы; эти процессы происходят и в настоящее время.
Однако пока никто не нашел способа создать из этой смеси соединений
псе необходимые строительные блоки. Может быть, мы просто не знаем
। оответствующей химической реакции или нам необходимо совсем другое
< очетание особых локальных условий, чтобы завершить картину. С другой
। । ороны, в наших рассуждениях мы могли пойти по неправильному пути,
н нам, возможно, нужна совсем иная химическая система для зарождения
ДИЗНИ.
Как уже упоминалось, основной сценарий эксперимента Миллера-Юри
оспаривался в течение последнего десятилетия учеными, которые считают,
•но атмосфера Земли никогда не содержала так много водорода, как смесь
। азов в их эксперименте. Однако Абельсон с сотрудниками показали, что
• южные органические молекулы могли возникать даже в слабо восстано-
и|псльной атмосфере, содержащей мало свободного водорода. Например,
•» пи облучать ультрафиолетовым излучением смесь углекислого газа, оки-
« и углерода и азота с добавкой небольшого количества водорода, то обра-
тится цианистый водород и вода. Молекулы цианистого водорода, реаги-
руй друг с другом в щелочных растворах (ранних океанах), могут
204
Глава 9
в присутствии ультрафиолетовых фотонов образовать аминокислоты.
В этой реакции вырабатывается также цианамид. Цианамид может связать
аминокислоты друг с другом, что является первым шагом к образованию
белков в слабом растворе смеси цианамида и аминокислот при облучении
ультрафиолетом. На языке химии можно записать:
Три молекулы цианистого водорода 4- Две молекулы воды 4- Энергия =
= Одна молекула глицина 4- Одна молекула цианамида,
или
Энергия
3HCN + 2Н2О -► C2H5O2N + CN2H2.
Из этих экспериментов следует, что чрезвычайно богатая водородом
среда опытов Миллера-Юри не обязательна на первых этапах образова
ния соединений, важных для живых систем. Более существенным требова
нием скорее представляется отсутствие свободного кислорода в атмосфере.
Дальнейшие эксперименты следует проводить с более реалистическими
моделями условий на первичной Земле. Можно до некоторой степени про
верить «реалистичность» этих моделей с помощью математических расчс
тов, моделирующих образование нашей атмосферы и химические реакции
с участием предполагаемых компонентов атмосферы и соединений на по
верхности Земли. Нужно также моделировать преодоление гравитационно
го поля Земли легкими молекулами. Однако эти математические модели,
хотя мы и можем рассчитать их с большой скоростью, хороши лишь на
столько, насколько известен перечень компонентов и возможных химичс
ских реакций с их участием*. Иными словами, вычисления могут дан.
однозначный ответ лишь в том случае, если у нас есть полные исходные
данные, а пока мы просто не знаем всех фактов и условий, относящихся
к жизни на первичной Земле. Это утверждение справедливо и по отношс
нию к попыткам воссоздать происхождение жизни не с помощью матема
тических моделей, а экспериментально. Преимущество эксперимента в том,
что он говорит сам за себя, но как поставить удовлетворительный экспери
мент, не зная всех характеристик окружающей среды? В лучшем случае’
можно показать, что некоторые смеси и некоторые процессы дают правдо
подобные результаты, и в этом ограниченном смысле достигнут опредс
ленный успех.
Чтобы показать огромное разнообразие возможных условий на первич
ной Земле, постулируем совершенно иной сценарий происхождения жизни
Во время первых сотен миллионов лет своей истории все планеты земной
* Специалисты по вычислительной технике выражают это утверждение корей
кой фразой: «Мусор вложишь-мусор и получишь». (Что посеешь, то и пожнешь I
Происхождение жизни
205
। руппы должны были подвергаться интенсивной бомбардировке ме-
। сорными телами всевозможных размеров и даже кометами (см. гл. 12).
Но мы полагаем, что жизнь возникла на Земле именно в этот период!
Могла ли метеоритная бомбардировка сыграть какую-то роль в происхо-
ждении жизни? На Меркурии и Луне отсутствие атмосфер не позволило
оы выжить никаким сложным органическим молекулам, если бы они пахо
цились на бомбардирующих телах. Эти молекулы мгновенно разрушились
оы при ударе метеорита о поверхность планеты. Но первичная Земля имс-
ча достаточно мощную атмосферу, чтобы затормозить движение значи-
цльной части падающих на нее тел. Таким образом, органические соеди-
нения, включая аминокислоты, могли достигнуть поверхности Земли
неповрежденными. Это, несомненно, могло бы послужить началом пред-
ипологических химических процессов на Земле, Венере и в меньшей степе-
ни на Марсе. Можно допустить аналогичный процесс на любой твердой
н пакете при условии, что у нее была первичная атмосфера.
Легко представить себе также возникновение органических молекул
и водоемах, образовавшихся в результате заполнения водой углублений на
поверхности планеты. Сами кратеры, созданные ударами метеоритов, мог-
III послужить местом для дальнейших реакций. Непрерывное поступление
водорода обеспечивалось бы разрушением органических соединений,
принесенных метеоритами. Эти поступления частично компенсировали
уисгучивание водорода из верхней атмосферы Земли. Таким образом, сре-
ia, содержащая свободный водород, могла существовать дольше, чем обы-
чно предсказывается без учета этих соображений.
11олимеризация
Кометный или метеоритный вариант не вносит радикальных изменений
и наш подход к вопросу о возникновении жизни. Этот подход по-прежнему
< водится к рассмотрению спонтанных химических реакций между воз-
»южными соединениями. Но вспомним, на чем мы остановились. Мы об-
• у нили лишь образование компонентов, из которых состоят белки, липиды
и нуклеиновые кислоты. Как же из них собрать эти значительно более
крупные молекулы? Ведь молекулы ДНК и белков-это полимеры, т.е.
(нпппые цепочки, в которых основное сочетание повторяется вновь
и вновь. Таким образом, задача состоит в том, чтобы заставить молекулы
• юьсдиняться в повторяющуюся структуру, т.е. осуществить процесс поли-
черизации. В случае ДНК процесс должен привести к развитию удивитель-
ной двойной спирали (см. с. 179). Как все это произошло? Мы не знаем.
Никто еще не добился полимеризации указанных соединений в есте-
। пенных условиях. Можно поместить ДНК в подходящую среду и она бу-
206
Глава 9
дет воспроизводиться, но пока не удалось осуществить самопроизвольное
появление первичной ДНК, хотя нам известны ее состав и строение.
Первичное формирование ДНК и других полимеров остается одной из
величайших загадок, которую предстоит решить экспериментаторам,
чтобы воспроизвести химические реакции на первичной Земле. Совре-
менные теории предполагают, что решающую роль в поддержании про-
цесса полимеризации, который предшествовал появлению клеток, могли
сыграть глины. Общепринятая модель, которой пользуются биологи, пред-
полагает, что молекулы начали самоорганизовываться на поверхностях
частиц глины вблизи берегов водоемов, которые периодически замерзали
или высыхали (рис. 9.9). Это высыхание или замерзание или то и другое
вместе способствовало повышению концентрации растворов органических
соединений и помогало удалению молекул воды, которые появляются во
время полимеризации. Значение глинистых минералов в том, что они обла-
дают наибольшей суммарной поверхностью слагающих их зерен из всех
известных нам тонкозернистых материалов, а структура кристаллических
решеток в частицах глины хорошо приспособлена для осаждения разно-
образных органических соединений на поверхности зерен. Структуры
атомных решеток в глинистых минералах могли послужить первыми ма-
трицами для упорядочения органического вещества.
Эксперименты показали, что глинистый минерал, называемый монтмо-
риллонитом, действительно может выстраивать в цепочки важные соедине-
ния, например аденозин и гуанин, способствуя их полимеризации. Кроме
того, с этим минералом взаимодействуют сахара, жирные кислоты, амино-
кислоты и белки. Монтмориллонит широко распространен на Земле. Дру-
гой подобный минерал, нонтронит, представляет собой наилучшую модель
марсианского грунта. Минералы типа глин могут также встречаться в пы-
Рис. 9.9. Некоторые типы глин могли служить прекрасным местом для образова
ния молекул. Частицы глины при испарении воды могли способствовал ь
связыванию соединений на их поверхности в длинные цепочки молекул.
Происхождение жизни
207
левых частицах в межзвездной среде, где они помогают образованию ор-
ганических молекул, открытых радиоастрономами (см. с. 102). На Земле
глины встречаются преимущественно на берегах и на дне водоемов, как
раз там, где им следовало бы быть, чтобы помочь процессу полимеризации
на начальном этапе истории нашей планеты.
Вслед за полимерами
Подведем итоги наших попыток понять происхождение жизни на Зем-
ле. Мы рассмотрели следующие этапы:
1. Первичная атмосфера, содержащая несколько процентов водорода
в отсутствие свободного кислорода.
2. Образование жидкого «питательного бульона» из органических со-
единений и фосфатов благодаря энергии солнечного ультрафиолетового
излучения, грозовых разрядов и других источников.
3. Образование в этом «бульоне» новых соединений в результате про-
должения химических реакций, поддерживаемых локальными источниками
тепла, а также обмелением, испарением и(или) замерзанием водоемов.
4. Образование полимеров, вероятно, на поверхности частиц глины.
Эта последовательность не дает однозначной картины происхождения
жизни. Мы даже не уверены в химическом составе первичной атмосферы
Земли. Наша модель неполна, потому что не известно, как образовались
псе химические блоки жизни и как они объединились в полимеры, которые
являются сегодня важными компонентами живого вещества. Однако мы
по крайней мере показали, что некоторые из важных соединений могли
образоваться, если первичная атмосфера содержала хотя бы немного сво-
бодного водорода. Это вселяет в нас надежду, что дальнейшие усилия до-
полнят приведенную здесь основную картину и в конце концов приведут
к решению проблемы полимеризации. В пользу данной модели свидетель-
ствует и тот факт, что природа, по-видимому, очень легко создает органи-
ческие соединения, поскольку мы обнаружили целый набор таких молекул
и межзвездной среде, кометах и метеоритах.
Стадия образования полимеров находится на пороге возникновения
живых систем. Но мы не знаем, как природа преодолела пропасть между
неживой и живой материей. Вполне возможно, что возникло много раз-
чичных структур, и многие из них «преуспели» в своего рода процессе вос-
произведения. Можно дать общее определение «жизни» на этой стадии ее
развития как системы, способной к самовоспроизведению. Но к этому вре-
мени был достигнут значительный прогресс. А раньше мог произойти слу-
чайный синтез белка, обусловленный существованием полимеров, отдален-
но напоминающих современную РНК. Образование полимеразы, т.е. белка,
который способен произвести новую РНК из первичной, могло открыть
путь к успешному развитию жизни. Вероятно, первые попытки воспроизве-
208
Глава 9
дения были случайными и чрезвычайно несовершенными в сравнении с со-
временным механизмом, включающим ДНК. Ранняя форма генетического
кода, вероятно, имела меньше ограничений и просто была способна разли-
чать типы аминокислот, а не выбирать определенные аминокислоты.
Все это происходило не внутри живых клеток, как в современных
живых системах, а в прудах и водоемах, где протекали начальные химиче-
ские реакции. Решающие события, которые привели к развитию клеток,
т.е. ограниченных мембранами областей, внутри которых могут взаимо-
действовать органические молекулы, остаются неясными. Однако мы
знаем, что органические полимеры при высокой концентрации могут объе-
диняться и выделяться из раствора в виде капель. Такие капли, назы-
ваемые коацерватными, могли послужить прототипами клеток (рис. 9.10).
Если существуют подходящие молекулы в виде длинных цепочек, то они
стремятся образовать мембрану, которая окружает коацерватные капли.
Лабораторные исследования коацерватных капель показали, что при
подходящих условиях они могут образовывать системы, внутри которых
протекают простые химические реакции. Но никому еще не удалось со-
здать самоподдерживающуюся систему, которая могла бы служить мо-
делью первых клеток.
При другом подходе к проблеме ученые показали, что в искусственных
«первичных» средах из аминокислот развиваются белковоподобные поли-
меры, которые при нагревании в соответствующем режиме образуют сфс-
Рис. 9.10. Коацерватные капли, содержащие различные органические молекулы
могли бы служить «прототипом» живых клеток.
Происхождение жизни
209
Рис. 9.11. Если нагреть некоторые полимеры, сильно напоминающие молекулы
животных белков, часть длинных цепочек образует сферулы- микрос-
феры, напоминающие клетки.
рулы, размером и видом напоминающие клетки (рис. 9.11). Такие экспери-
менты по крайней мере иллюстрируют возможности’ дальнейшей органи-
зации вещества, даже если они и не отражают точно путь к развитию
клеток. Следующим шагом к современной жизни было бы образование
самовоспроизводящейся системы в границах этих протоклеток, системы,
способной управлять образованием, поддержанием и размножением целой
клетки.
Исходя из этого предположения, можно прийти к тому высочайшему
уровню организации вещества, который реализовался на современной Зем-
ле. Такие первичные организмы напоминают современные вирусы. Это не
означает, что вирус гриппа-«живое ископаемое», каким был бы живой ди-
нозавр, найденный на каком-нибудь затерянном острове (или в глубинах
озера Лох-Несс!). Современные вирусы обнаруживают хорошую приспосо-
бляемость к своим хозяевам, а хозяева эти появились на Земле совсем не-
давно. Действительно, некоторые данные свидетельствуют о том, что все
вирусы произошли от клеток, следовательно, в процессе эволюции жизни
клетки появились раньше вирусов. Но своей структурой и функциями ви-
14 485
210
Глава 9
русы очень напоминают наши гипотетические первичные организмы: и те
и другие состоят из нуклеиновой кислоты в белковой оболочке и могу i
переживать длительные периоды «спячки».
Выводы
Пытаясь установить, как возникла жизнь на Земле, мы должны исхо-
дить из того, что она зародилась по крайней мере 3,4, а может быть,
и 4 млрд, лет назад, когда условия на Земле в корне отличались от совре-
менных. Геологические следы этой ранней эпохи исчезли, поэтому нам
приходится дополнять имеющиеся данные дедуктивными догадками,
чтобы оценить условия на первичной Земле.
Химический состав живой материи свидетельствует о том, что жизнь
началась на Земле в условиях значительно более низкого содержания кис*
порода, чем теперь. Такое предположение представляется разумным, по
скольку основная часть кислорода в нашей атмосфере появилась благода
ря фотосинтезу зеленых растений, который начался примерно 2,5 млрд, ло
назад. Первичная атмосфера Земли могла состоять преимущественно и i
соединений, богатых водородом, таких, как метан и аммиак, или, как сви
детельствуют более поздние данные, могла представлять собой смесь угле
кислого газа, водяного пара, окиси углерода и азота. Эксперименты пока
зали, что если любую из этих смесей газов поместить над сосудом с водой
(имитирующим первичные океаны) и подвергнуть ультрафиолетовому
облучению (имитирующему солнечный свет, достигающий Земли в отсу i
ствие современного слоя озона), то образуются простые органические мо
лекулы. Среди этих молекул встречаются аминокислоты-основные блоки
более сложных белковых молекул. В лабораторных экспериментах возни
кают и другие соединения, также важные для образования малых молекул,
обнаруженных в живых организмах.
Некоторые малые органические молекулы, образовавшиеся таким ну
тем на первичной Земле, могли собираться в прудах и водоемах, где in
них формировались длинные цепочки, типичные для белков и нуклеиновых
кислот. В этих цепочках, или полимерах, основная структура повторяетем
вновь и вновь. Лучшим путем для развития полимеризации, по-видимому,
является оседание малых молекул на частицы глины, которые затем пол
вергаются периодическому замораживанию и оттаиванию или высыхании»
и увлажнению.
По мере того как различные типы молекул проходили через эти стадии,
возникли первые самовоспроизводящиеся молекулярные структуры, спо
собные размножаться делением. Это могло быть результатом естественно
го процесса проб и ошибок, в котором возникали, хотя бы ненадолго,
разновидности молекул. Полимеры, способные к воспроизведению, облп
Происхождение жизни
211
дают колоссальными преимуществами по сравнению со случайно образо-
вавшимися полимерами, поэтому не удивительно, что основной механизм
воспроизведения, заложенный в ДНК, свойствен всем земным организмам.
Вопросы
1. Почему считается, что жизнь на Земле зародилась, когда атмосфера содер-
жала меньше кислорода, чем теперь?
2. Почему нельзя определить, какой была Земля вскоре после своего образова-
ния (4,6 млрд, лет назад), с помощью изучения геологических следов, сохраняющих-
ся в породах с момента их образования?
3. Откуда поступает кислород в атмосферу Земли в настоящее время?
4. Откуда берется азот в атмосфере Земли в настоящее время? Какие процессы
удаляют азот из атмосферы? Какие процессы пополняют его запасы?
5. Как возникла жизнь на Земле несколько миллиардов лет назад? Каковы бы-
ли важные компоненты, необходимые для осуществления этого процесса?
6. Что может сказать об образовании органических молекул на первичной Зем-
ле лабораторное моделирование существовавших в то время условий? Какие труд-
ности встают на пути осуществления точного эксперимента, воспроизводящего ус-
ловия на первичной Земле?
7. Почему глинистые минералы считаются особенно важными с точки зрения
образования сложных органических молекул?
8. Возможно ли, что органические молекулы из космического пространства сы-
грали важную роль в происхождении жизни на Земле? Каким образом?
9. На какой стадии образования все более и более сложных молекул можно
сказать, что возникла жизнь? Почему?
10. Как могли выглядеть первые предки современных клеток? Какие опасно-
сти, подстерегающие их в окружающей среде, они преодолели?
Литература
Dickerson R. Chemical evolution and the origin of life, Scientific American, 239, No. 3,
70, 1978. (Имеется перевод: Эволюция: Сб. статей-М.: Мир, 1981, с. 67.)
Gould S. Ontogeny and phylogeny, Harvard Univ. Press, Cambridge Mass., 1977.
Kenyon D., Steinman G. Biochemical predestination, E. P. Dutton and Co., New York,
1969. (Имеется перевод: Кеньон Д., Стейнман Г. Биохимическое предопределе-
ние-М.: Мир, 1972.)
Miller S. The first laboratory synthesis of organic compounds under primitive earth
conditions. In The heritage of Copernicus, ed. J. Neyman, The M. I. T. Press,
Cambridge, Mass., 1974.
Miller S., Orgel L. The origins of life on Earth, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J.,
1974.
Ponnamperuma C. The origins of life, E. P. Dutton and Co., New York, 1972.
14*
Глава 10
От молекулы к разуму
Мы мысленно проследили за возможным процессом возникнове-
ния жизни на Земле, который включает полимеризацию, т.е. спонтанное
образование молекул в виде длинных цепочек на зернах глины у береговой
линии мелких, периодически пересыхающих водоемов. Используя анало-
гию с известным методом проб и ошибок, мы предположили далее, что
некоторые из полимеров, в том числе и такие, которые могли послужить
матрицами для образования других молекул, оказались изолированными
от первичного органического «бульона» и собрались в капли, окруженные
оболочками из других соединений. Такая модель развития жизни предпо-
лагает, что эти капли, заполненные полимерами, были протоклетками, из
которых развились первые настоящие клетки.
Прокариоты
Поскольку вирусы, по-видимому, произошли от клеток и не могуч
функционировать независимо, биологи обычно считают самыми прими-
тивными живыми организмами с минимальной сложностью структуры
простейшие клетки: бактерии и синезеленые водоросли*. Эти клетки назы-
ваются прокариотами, т. е. клетками без особого «центра» или ядра (от ла-
тинского pro-вперед, вместо и греческого karyon - ядро). Прокариоты содер-
жат длинные нити ДНК, в каждой из которых насчитывается несколько
тысяч генов, т. е. в сотни раз больше, чем в вирусах. В клетках прокарио i
имеются как ДНК, так и РНК, тогда как вирусы содержат либо ДНК, ли
бо РНК. Количество ДНК в клетках прокариот превышает количество
ДНК или РНК в вирусе в 10000 раз, поэтому у прокариот значительно бо
лее сложные процессы размножения, чем у вирусов. Первые клетки, вс
роятно, были типа вирусов (рис. 10.1).
Прокариоты-свободноживущие организмы: они могут размножаться
* Строго говоря, эти организмы-не водоросли, а особый тип бактерий, обла
дающих способностью фотосинтеза. Поэтому их называют «цианобактериями»
От молекулы к разуму
213
Рис. 10.1. Эти невзрачные сферулы-древнейшие ископаемые организмы, их воз-
раст составляет 3,4 млрд. лет. Диаметр сферул менее 0,01 мм.
и вырабатывать белки без помощи «хозяина», т.е. растения или животно-
го. Эти организмы представляют собой простейшие биологические сис-
темы, способные к самостоятельной жизни. Когда прокариоты впервые
возникли, они использовали питательные вещества из окружающей среды,
т.е. органические соединения, создаваемые воздействием солнечного уль-
трафиолетового излучения и других источников энергии на химические
смеси. Когда этот источник питания иссяк вследствие изменений в атмос-
фере нашей планеты (гл. 9), у некоторых микроскопических прокариот вы-
работался главный процесс, который привел к широкому распространению
высокоразвитых форм жизни: преобразование солнечного света в химиче-
скую энергию, запасаемую для будущего использования. Иными словами,
прокариоты «изобрели» фотосинтез. Хотя ранняя форма этого процесса не
приводила к выделению кислорода, фотосинтез означал огромный шаг
вперед для бактерий, которые могли его осуществлять. Потребовался мил-
лиард лет эволюции, чтобы организмы выработали тот тип фотосинтеза,
который ныне снабжает нас кислородом для дыхания.
В нашем описании бактериального фотосинтеза можно заменить слова
«солнечный свет» на «звездный свет»: синезеленые водоросли с таким же
успехом использовали бы свет звезды а Центавра, как они используют
свет нашего Солнца. Это сразу же открывает потенциальную возможность
для превращения чужой планеты около далекой звезды в среду, пригодную
для обитания людей, просто-напросто путем посева подходящих микроор-
214
Глава 10
ганизмов в атмосферу и океаны. Однако нам, возможно, пришлось бы не-
сколько изменить содержание следовых элементов на другой планете,
чтобы эта «направленная панспермия» оказалась успешной.
Пытаясь разобраться в начальной стадии эволюции жизни на Земле,
мы не можем не заметить, что современные прокариоты дают нам свиде-
тельства перехода к среде, богатой кислородом. Некоторые прокариоты
способны жить лишь при полном отсутствии кислорода, другие могут
обойтись без него, а некоторым он совершенно необходим для жизнедея-
тельности. Это разнообразие наводит на мысль, что обогащение атмос-
феры Земли кислородом в результате фотосинтеза, по-видимому, началось
в период, когда впервые появились разнообразные формы прокариот. Если
рассмотреть следующий по сложности этап биологического развития—
клетки с истинными ядрами, то оказывается, что почти все клетки без ис-
ключения нуждаются в газообразном кислороде для своего существования.
Переход к богатой кислородом атмосфере, по-видимому, произошел
в период от 2,5 до 2 млрд, лет назад, но, возможно, начался и раньше. Сна-
чала кислород в атмосфере, очевидно, был гибельным для всех прокариот,
но его доступность как удобного источника энергии для обмена веществ
в живых организмах, несомненно, должна была направить естественный
отбор по пути выживания организмов, которые могли переносить присут-
ствие этого нового газа, а затем и использовать его. Свободный кислород
впервые появился в атмосфере в результате диссоциации молекул водяно»
го пара под действием ультрафиолетового излучения, а не в результате
деятельности живых организмов; мы находим ничтожное количество кис
лорода в атмосфере Марса, обусловленное этим небиологическим процес
сом. Таким образом, не исключено, что организмы сначала лишь «попро
бовали» кислород, а потом, постепенно «научившись» его использовать,
приспосабливались к нему все больше и больше.
Удивительно, что молекулы хлорофилла, с помощью которых растении
освобождают кислород, содержат ту же структурную единицу (называс
мую порфирином), которую мы находим в некоторых важных молекулах,
переносящих кислород внутри организма, например в гемоглобине (желе
зосодержащем пигменте наших красных кровяных телец), гемоцианине (со
держащем медь аналоге гемоглобина в крови многих морских животных)
и цитохромах (химических комплексах, содержащихся во многих высокора
звитых клетках). Это совпадение позволяет предполагать, что живые opia
низмы использовали структуры, которые они ранее создали в ответ на ш
менения в - окружающей среде. Иными словами, процессы отбора
подобные тем, которые действуют на организмы в целом (естественный
отбор), могут также осуществляться на молекулярном уровне. Поэтом)
способность потреблять свободный кислород должна была развиться при
мерно в то же время, что и способность выделять кислород.
От молекулы к разуму
215
Эукариоты
Появление свободного кислорода в атмосфере нашей планеты совпало
с новым этапом эволюции. Мы не можем проследить точный путь эволю-
ции от многих типов прокариот к эукариотам, т.е. клеткам, содержащим
ядра (рис. 10.2). Несомненно, существовали промежуточные стадии эволю-
ции, которые привели к развитию эукариот в период от 2 млрд, до
700 млн. лет назад. Клетки эукариот достигли наивысшей степени сложно-
сти, известной на Земле до настоящего времени. В этих клетках хромо-
сомы-структурные элементы, содержащие ДНК, находятся в ядре, окру-
женном оболочкой-мембраной. Отсюда и название «эукариоты» (от
греческого ей-хорошо, полностью и кагуоп- ядро).
В клетках эукариот хромосомы, как правило, содержат сотни тысяч ге-
нов, а содержание ДНК в 10-1000 раз выше, чем в бактериях. Эукариоты
могут хранить в своих хромосомах значительно больше наследственной
информации, чем прокариоты, и это обусловливает большую сложность
структуры и функций клеток. Клетки эукариот имеют важные внутренние
структуры: они содержат специализированные элементы, называемые ор-
Рис. 10.2. Эукариоты состоят из клеток с настоящими ядрами, т.е. клеток, в ко-
торых содержащие ДНК хромосомы окружены мембраной.
216
Глава 10
ганеллами, которые обладают собственными генами и белоксинтезирую-
щим аппаратом и выполняют специфические функции (рис. 10.2). Напри-
мер, все клетки животных и растений содержат органеллы, называемые
митохондриями и обеспечивающие дыхание, а клетки растений содержа!
хлоропласты для фотосинтеза.
Как же из прокариот развились эукариоты? Традиционный взгляд
предполагает постепенную эволюцию, в ходе которой прокариоты медлен-
но приобретали все более тонкую субструктуру. В противоположность это-
му взгляду гипотеза Линн Маргулис объясняет возникновение внутренне!!
специализации как результат симбиоза - обоюдно полезного сосуществова
ния двух или нескольких клеток прокариот. Мы можем вообразить прока
риоты, которым было бы полезно обладать способностью к фотосинтезу,
но они ею не обладали. Если бы такие прокариоты объединились со столь
же примитивными, но содержащими хлорофилл сородичами, то сразу по
лучили бы такую способность. Такая модель происхождения органелл под
разумевает, что митохондрии развились из бактерий, а хлоропласты-ш
синезеленых водорослей. Более надежные свидетельства такого пути эво
люции заключаются в том, что хлоропласты и митохондрии имеют гене
тический аппарат, напоминающий аппарат, свойственный бактериям*
От стадии первых эукариот эволюция вела к росту специализации клс
ток, их функций и структуры и к их объединению в более крупные
и значительно более сложные единицы, такие, как органы и крупные орга
низмы. Тело человека и других крупных млекопитающих содержит около
тысячи триллионов клеток примерно тысячи разновидностей. Удивитель
ная сложность человеческого организма, по-видимому, обусловлена про
цессами естественного отбора, который представляет собой просто диффе
ренциальное воспроизведение конкурирующих особей.
По мере дальнейшей эволюции эукариот у них в конце концов вырабо
талось половое размножение. Все эукариотические клетки могут размпо
жаться бесполым путем, но половое размножение таит в себе столь боль
шие преимущества, что оно стало важнейшим способом воспроизведен им
наиболее сложных эукариот. Половое размножение позволяет новому но
колению унаследовать примерно по половине общего числа своих генов <н
каждого родителя (рис. 10.3). Вероятно, это ускоряет естественный отбор
по сравнению с бесполым размножением. Утешительно узнать, что, к:п
показал теоретический анализ, наиболее эффективно с точки зрения эволю
ции именно «двуполое» размножение: существование трех или большею
числа полов чрезвычайно затруднило бы размножение, хотя и увеличит-
бы разнообразие потомства.
* Высказано предположение, что прокариоты и эукариоты произошли от оь
щих предков. Биологи изучают эту новую гипотезу.
От молекулы к разуму
217
Хромосома
Рис. 10.3. При половом размножении оплодотворенные яйцеклетки содержат хро-
. мосомы с ДНК от каждого из родителей. При образовании гамет хро-
мосомы спариваются и образуют «перекресты», в результате чего про-
исходит обмен генетическим материалом. Это приводит к дополнитель-
ному перемешиванию хромосомного материала отцовского и материн-
ского происхождения.
До сих пор мы проследили за историей жизни на Земле на протяжении
нескольких миллиардов лет. Земля образовалась 4,6 млрд, лет назад.
Первые известные нам следы жизни имеют возраст 3,4 млрд. лет. Геологи-
ческие данные свидетельствуют, что атмосфера обогатилась кислородом
и период от 2,5 до 2 млрд, лет назад. В это же время образовались строма-
ми юты-ископаемые следы деятельности синезеленых водорослей и других
иактерий, обладавших способностью к фотосинтезу. Первые эукариоты по-
мнились, вероятно, спустя миллиард лет (плюс-минус полмиллиарда лет),
।. с. около миллиарда лет назад. Таким образом, жизнь непрерывно суще-
« । вовала на Земле на протяжении большей части истории планеты, но зна-
чительную часть этого периода-лишь в виде сообществ разнообразных
микроорганизмов, столь крошечных, что они неразличимы невоору-
женным глазом.
Размышляя об эволюции жизни, мы обычно представляем себе проис-
\ождение обезьян и человека от более примитивных млекопитающих или
ке происхождение птиц и рептилий от более ранних позвоночных. Но эти
• обытия, хотя они и важны для нас, отражают лишь самые последние
иапы эволюции, продолжительность которых составляет менее 10% всей
। кюрии жизни на Земле. Длительные медленные изменения, которые при-
цепи к возникновению первых прокариот, а из них в конце концов эука-
риот, составляют основную часть всей эволюции жизни, поэтому не сле-
|ует умалять их значение. Весьма вероятно, что и жизнь на какой-то
।ругой планете в течение длительного периода будет представлена только
мик роскопическими формами.
218
Глава 10
Огромный скачок вперед
Из того, что жизнь миллиарды лет существовала только в виде ми
кроорганизмов, не следует делать вывод, что усложнение биологических
структур всегда требует уйму времени. Наоборот, история жизни на Земле
позволяет предполагать, что ранние этапы эволюции жизни тянутся всегда
значительно дольше, чем поздние, и что первые шаги к сложности труднее,
чем последующее фантастическое усложнение живых существ.
Около 600 млн. лет назад определенное сочетание условий, главным
образом большие количества кислорода, выделенного синезелеными водо
рослями и растениями, и расширение зон, пригодных для жизни, привело
к резкому увеличению распространенности, численности и многообразия
организмов. Это ознаменовало начало кембрия, который последовал за
длительным периодом постепенного развития форм с мягким телом-о i
одноклеточных эукариот до существ, сильно напоминающих современных
медуз. Расцвет таких организмов имел место за 50 или 100 млн. лет до на-
чала кембрия (рис. 10.4). Мы знаем значительно меньше о жизни в докем-
Рис. 10.4. Эти ископаемые остатки перистых коралловых полипов относятся
к эдиакарскому периоду и имеют возраст 700 млн. лет. Они появились
незадолго до взрыва разнообразия видов, ознаменовавшего начало кем-
брия, и относятся к древнейшим известным многоклеточным организ-
мам на Земле.
От молекулы к разуму
219
орийский период, чем о последующей жизни, потому что лишь с началом
м’мбрия организмы приобрели твердые части: раковины, панцири и другие
виды наружных скелетов, хорошо сохранившиеся в осадочных породах
и образовавшие ископаемые остатки, которые мы находим теперь.
В кембрии значительно ускорился рост многообразия крупных,
• ножных организмов. Четыре миллиарда лет минуло от образования Зем-
III до появления трилобитов, многочисленные ископаемые остатки ко-
юрых знаменуют переход к кембрию (рис. 10.5). Эти животные, обладав-
шие двумя сложными глазами, которые могли обеспечить бинокулярное
|рсние, представляли собой значительный шаг вперед в эволюции. И все
к с трилобиты чрезвычайно примитивны по нашим человеческим стандар-
н1м. Вряд ли они смогли бы сконструировать и применить радиотеле-
। копы для связи с другими трилобитами на какой-нибудь удаленной пла-
не ге! Но уже через 600 млн. лет после появления этих далеких
родственников скорпиона какие-то необычные обезьяноподобные существа
переселились из джунглей древней Африки на открытые равнины. А через
каких-нибудь 3 млн. лет после этого переселения мы, их потомки, размыш-
ляем о контакте с другими обитателями Вселенной.
Ускорение эволюции с* каждым новым ее этапом лучше иллюстрирует
анаграмма (рис. 10.6) или аналогия с календарем. Пусть вся история Земли
»квивалентна одному календарному году, начинающемуся 1 января. Тогда
оактерии обогатили атмосферу кислородом в начале лета, а кембрий на-
чался лишь 13 ноября. Наши первые человекоподобные предки-гоми-
ниды-появились к вечеру 31 декабря, а человечество приобрело способ-
ность послать свой новогодний привет на другой конец Галактики
оуквально перед наступлением Нового.года: в 23 часа 59 минут 59,9155 се-
кунды, т.е. располагает такой возможностью менее одной стомиллионной
ноли от общего времени существования Земли!
Эта временная шкала будет нам полезна при наших поисках жизни
и Галактике. Предположим, что развитие жизни на Земле является ти-
пичным примером развития жизни где бы то ни было во Вселенной. Тако-
ио предположение о типичности жизни, высказанное И. С. Шкловским
и Саганом*. Тогда, даже не зная в деталях, как возникла и развилась
аизнь на нашей планете, мы можем предположить, что, где бы она ни за-
родилась, для развития интеллекта потребуется около 4,6 млрд, лет после
образования планеты, скажем от 3 до 6 млрд. лет. Но разумная жизнь, т.е.
цивилизация, способная к галактическим контактам, существует на Земле
чишь одну десятую долю секунды из целого года земной истории. На дру-
юй планете эволюция могла лишь незначительно отличаться от земной,
* В книге «Intelligent Life in the Universe», Holden Day, Inc., 1966; см. также
II.С. Шкловский. «Вселенная, жизнь, разум.».-M.: Наука, 1976. См. также преди-
• иовие редактора перевода-Прим. ред.
Рис. 10.5. Трилобиты, которые распространились в морях в начале кембрия, имели
два глаза и довольно сложное строение тела. На этом снимке показан
ископаемый трилобит, относящийся к более позднему периоду.
От молекулы к разуму
221
Рис. 10.6. Если представить историю Земли как один оборот гигантского колеса,
то жизнь существует по крайней мере три четверти оборота, а много-
клеточные формы жизни-лишь одну шестую оборота. Гоминиды суще-
ствуют менее одной тысячной полного цикла, равного 4,6 млрд. лет.
гак что жизнь достигла бы того же уровня за 4,7 или даже за 6 млрд. лет.
В этом , случае наши попытки установить контакт с другой цивилизацией
были бы обречены на неудачу, если другая планета сформировалась одно-
временно с Землей. С другой стороны, небольшие изменения в скорости
эволюции могли вывести другую планету, сформировавшуюся одновре-
менно с Землей, на наш уровень развития разума еще несколько сотен
миллионов лет назад. Наконец, поскольку другие планеты могут быть на
миллиарды лет старше или моложе, чем Солнце и его планеты, мы сталки-
ваемся еще с одним обстоятельством, которое выводит нас в совсем иной
период развития по сравнению с другой формой жизни. Пока мы не най-
дем жизнь на другой планете и не сравним временную шкалу ее эволюции
с земной, нам придется довольствоваться грубой оценкой: от 3 до 6 млрд,
лет должно пройти от образования планеты до возникновения цивилиза-
ции, способной к межзвездной связи.
Звезды, пригодные для жизни
Это кажущееся тривиальным утверждение сразу же указывает, где луч-
ше всего искать жизнь в нашей Галактике. Очевидно, следует ограничить
поиски планетными системами, времена жизни центральных звезд которых
222
Глава 10
на главной последовательности превышают несколько миллиардов лсч
Причина такого требования заключается в том, что светимость звезды
должна оставаться примерно постоянной в течение всего периода эволю
ции жизни. Когда звезда покидает главную последовательность, увеличс
ние ее светимости драматически и необратимо изменяет условия ни
планетах.
Если потребовать, чтобы время жизни звезды на главной последова
тельности равнялось 4 или 5 млрд, лет, то следует ограничить поиски звс i
дами спектрального класса F5 или более холодными, т.е. звездами от Н
до F9 и далее G, К и М. Это может показаться серьезным ограничением,
поскольку самыми яркими на небе являются звезды классов О, В и А, одна
ко большинство звезд удовлетворяет сформулированному критерию. На
пример, из 25 звезд, ближайших к нашему Солнцу, все, кроме двух, при
надлежат к более позднему спектральному классу, чем F5.
Другое требование к продолжительности жизни звезды, вытекающее и <
нашего земного опыта, заключается в том, что возраст звезды должен
быть по крайней мере 4 или 5 млрд. лет. Иными словами, если мы выбе
рем звезду класса G2, т.е. того же спектрального класса, что и Солнце, н<»
проведшую на главной последовательности только 2 или 3 млрд, лет, и»
можем надеяться в лучшем случае обнаружить на планете, похожей ни
Землю (если у звезды есть такая планета!), популяцию бактерий. Конечно
такое открытие представляло бы для нас интерес, но если бы пришлехч.
отправиться туда, чтобы обнаружить лишь бактерии, космонавты, совср
шившие путешествие, несомненно, были бы разочарованы.
Даже если удастся найти звезду нужного типа, которая провела и.»
главной последовательности по крайней мере 4 или 5 млрд, лет и стабилн
но освещает планету, подобную Земле, какова вероятность того, что мы
обнаружим там разумную жизнь? Что значит, что планета похожа на Зсм
лю? И каковы основные условия, необходимые для развития разумном
жизни?
Жизнь на других планетах
Наш краткий обзор биологической эволюции на Земле, конечно, не oi
ражает чрезвычайной сложности этой области науки. Но для наших целен
достаточно осветить ее в общих чертах, чтобы выяснить те аспекты жизни
и ее эволюции на Земле, которые можно попытаться обобщить на дру| н<
планеты.
Первый и наиболее существенный вывод, который следует из наше!"
изучения жизни,-это важная роль жидкой воды. Земная жизнь возникни
в воде, и вода остается необходимой для ее существования. Крупные opi»»
низмы приспособились к жизни на суше лишь 350 млн. лет назад, т.е. ч<
рез 3 — 3,5 млрд, лет после появления жизни на Земле. Можно вообрази и
От молекулы к разуму
223
другие жидкие среды, например моря из аммиака, но для жизни, по-види-
мому, нужна такая жидкая среда, которая способна переносить и накапли-
вать наиболее важные молекулы. Жидкое состояние нелегко возникает
и природе, поскольку для его существования требуется определенный, до-
нольно узкий интервал температур. А для образования полимеров нужна
пс просто жидкость, а жидкость, которая покрывает твердую поверхность.
>ги два ограничения: наличие твердой поверхности и узкого интервала
юмператур-легко удовлетворяются на планете с почти круговой орбитой
на соответствующем расстоянии от своей звезды, но не исключено, что
и межзвездном пространстве можно найти и другие подобные среды. Ме-
жду тем в нашей Солнечной системе такие условия, очевидно, существуют
1олько на Земле, поэтому не удивительно, что на нашей планете, и, вероят-
но, лишь на ней одной в Солнечной системе, существует очень высокая
। нюлогическая активность.
Нуждается ли жизнь после своего возникновения в больших площадях
«уши для дальнейшего развития? Мы не можем с уверенностью ответить
па этот вопрос. На Земле наиболее развитые формы жизни появились на
»уше. Гораздо большее разнообразие сред обитания и более доступный
кислород, вероятно, увеличивают скорость естественного отбора на суше:
именно здесь обнаружены около 80% всех известных видов растений и жи-
вотных. Более того, требования к форме и функциям жизни в морской сре-
зе, возможно, не столь благоприятны для прогрессивной эволюции ум-
• । венных способностей, как на суше. Например, необходимость иметь
обтекаемую форму препятствует развитию конечностей, способных мани-
пулировать предметами и в конечном итоге создавать орудия труда. Дей-
• нштельно, самые умные обитатели морей-киты и дельфины-это млеко-
ии гающие, чьи предки были сухопутными животными, подобными другим
мнскопитающим. При прочих равных условиях хорошо бы найти планеты,
ни которых вода покрывает не всю поверхность-нам нужны и суша,
и океаны!
Но равны ли прочие условия? Не делаем ли мы ошибки, полагая, что
жизнь в других местах будет сходна с жизнью на нашей планете? В конце
концов осьминоги, морские звезды и раки имеют конечности, способные
манипулировать предметами, и не столь уж обтекаемы. Возможно, на пла-
не i с, покрытой океаном, могли бы развиться разумные морские существа
• и предков, напоминающих скорее моллюсков, нежели млекопитающих.
I гплота моря могла бы заменить для них теплую кровь млекопитающих.
Могли бы такие организмы изучить астрономию и задуматься над воз-
можностью контактов с себе подобными через просторы космоса? Мы вы-
нуждены оставить этот вопрос открытым. Мы не в состоянии ответить на
нею до тех пор, пока не найдем планету, покрытую океаном.
Предположим, что найдена планета, обращающаяся вокруг звезды под-
м’цящего возраста, что на ней есть и моря, и суша и что жизнь прошла
224
Глава 10
здесь такой же путь «ранней» эволюции, как и на Земле. Насколько ве-
роятно появление там разумной жизни? Иными словами, насколько редки
разумная жизнь? Чтобы попытаться это понять, нам сначала нужно под
робнее познакомиться с процессом эволюции.
Эволюция и развитие разума
Выше мы описали процесс на молекулярном уровне, который обеспечи
вает возможность эволюционных изменений и способен в конце концом
привести к появлению у организмов новых приспособительных признаком
Этот процесс состоит в случайных изменениях в ДНК при ее самовоспро
изведении, которые ведут к тому, что новые молекулы ДНК уже не буду i
абсолютно точными копиями исходных (см. с. 183). Почему возникают ли
кие мутации, точно не известно, но молекулы ДНК отличаются порази
тельной устойчивостью против таких изменений. У высокоорганизованных
животных происходит лишь одна мутация на ген на каждые 100000 клс
точных делений. Если такая ошибка появляется в гаметах или их пред
шественниках, то это изменяет признаки потомков. Американский вр;г»
Льюис Томас писал: «Способность ДНК чуть-чуть спотыкаться-настом
щее чудо. Без этого ее особого свойства мы все еще оставались бы анп
эробными бактериями и на свете не было бы музыки».
Одни изменения помогают организму выжить и произвести себе но
добных, тогда как другие могут препятствовать этому, а некоторые вооЬ
ще не оказывают никакого эффекта. Ценность различных изменений про
является со временем благодаря естественному отбору. Если какое-о»
изменение полезно организму, то число его потомков будет тем болы i к
чем полезнее данное изменение, и каждый из потомков унаследует возник
шее изменение. В результате естественного отбора могут появля гы »•
новые виды организмов, так как последующие поколения все сильнее <»•
личаются от своих предков.
Когда мы изучаем следы эволюции, сохранившиеся в ископаем ьи
остатках на Земле, и восстанавливаем недостающие звенья с помощью ио
ображения, то замечаем два важных факта. Во-первых, одни и те же вид| >
не появляются вновь. После исчезновения трилобитов появлялись и исч»
зали другие членистоногие, но трилобиты никогда не «вырастали» внош
на непрерывно разветвляющемся «дереве» биологического многообразии
Во-вторых, пока жизнь развивалась от первых эукариот до человека, нем»
торые виды не испытали существенных изменений. Все еще существую! си
незеленые водоросли и многие другие прокариоты (в частности, апи
эробные бактерии), которые подверглись, по-видимому, лишь очеш
небольшим изменениям со времени своего появления на Земле.
Некоторые виды почти не изменяются, но большинство подвержено и»
От молекулы к разуму
225
менениям. Естественный отбор способствует развитию более сложных
форм. Хотя в остальной части Вселенной увеличивается беспорядок, жизнь
движется в противоположном направлении, причем скорость этого движе-
ния, по-видимому, возрастает одновременно со сложностью. На Луне нет
синезеленых водорослей, но люди побывали там*. Таким образом, люди
достигли уровня развития, когда они способны покидать Землю по своей
воле; такой способностью не обладают синезеленые водоросли!
Неизбежно ли возникновение разума? Чтобы определить, широко ли
распространен разум во Вселенной или это очень редкое явление, мы
должны попытаться понять его роль в эволюции вида. Во всяком случае,
появившиеся опасные тенденции, несущие в себе катастрофы и могущие
привести наш вид к самоуничтожению, тоже есть порождение разума.
Поэтому сейчас трудно оценить направление, в котором мы движемся.
Тем не менее наш пример на Земле, по-видимому, показывает, что
естественный отбор благоприятствует развитию разума и самосознания.
Что произойдет дальше, нам не известно.
Определим сначала, что мы понимаем под разумом. Для наших огра-
ниченных целей поиска жизни во Вселенной будем называть разумным
вид, который приобрел способность к контактам-пассивным или активным
-на межзвездных расстояниях. Это чисто техническое определение имеет
прямое отношение к поискам жизни, поскольку можно надеяться открыть
лишь тот внеземной вид, который обладает такой способностью. При-
няв это определение, мы даем свободу воображению относительно других
вероятных признаков разумного вида, скажем строения его тела, размеров,
музыкальных способностей и воинственности.
В последнее время исследователи земной биологической эволюции
склоняются к мысли, что разум представляет огромную ценность для вы-
живания вида и является неизбежным шагом в развитии жизни. (Биологи
имеют в виду более общее определение разума, чем данное выше техниче-
ское определение.) Кроме (потенциальной) способности покинуть Землю,
человечество располагает средствами предохранить себя от неблаго-
приятных факторов на нашей собственной планете, поскольку мы в состоя-
нии изменять окружающую среду, чтобы поддержать условия, наиболее
подходящие для нашего дальнейшего существования. Мы научились изле-
чивать болезни, утолять голод, свободно перемещаться по всему земному
шару и передавать из поколения в поколение приобретенные знания.
Эта способность накапливать и передавать информацию делает нас ум-
ными в традиционном смысле и имеет колоссальное значение для вы-
живания.
* Но нам следовало бы умерить нашу человеческую гордость за это достиже-
ние, поскольку вместе с каждым космонавтом путешествие совершили свыше мил-
лиарда бактерий.
15-485
226
Глава 10
Скорость, с которой разум развился на Земле, увеличивает надежду на
то, что это удивительное свойство материи многократно проявлялось в на
шей Галактике. Вообразим на мгновение, что человечество внезапно исчез
ло. Сколько понадобится времени на возникновение нового разумного ви
да? Двести миллионов лет назад млекопитающие на Земле были
представлены лишь небольшими существами, похожими на землероек
и мышей (рис. 10.7). Три миллиона лет назад появились первые гоминиды
Эти два периода примерно определяют интервал от появления высокоор
ганизованных животных до развития разумной жизни. Двести миллионов
лет-длительный период, но если случится непоправимое, то через такое
же время на Земле, возможно, появится другой разумный вид. Срок,
необходимый для возникновения разумной жизни на Земле, возрасте i,
следовательно, с 4,6 до 4,8 млрд. лет. Заметят ли звезды это различие?
Но при мысли о цельности земной истории хочется верить в более бла
гоприятные перспективы. Несмотря на гибель многих древних цивилиза
ций на Земле, хотя эти события и представляются лишь незначительными
эпизодами на астрономической шкале времени, развитие разума продол
жалось. Может быть, на пути прогресса возникнут серьезные препятствии
и придется ждать тысячу или даже несколько тысяч лет, но однажды
люди вновь заинтересовались бы звездами, задумались бы о процессе
мышления и о том, как жить в мире со Вселенной.
Если человечество по той или иной причине исчезло бы, но при этом
сохранились бы другие виды, можно даже попытаться предсказать, кто и i
наших «сородичей» наиболее вероятно станет разумным «хозяином» Зем
ли. Некоторые отдадут предпочтение дельфинам, которые могли бы вер
нуться на сушу, где они обитали миллионы лет назад. Или какой-то вид
обезьян спустится с деревьев и подобно первобытным людям приобщитсм
Рис. 10.7. Первые млекопитающие появились на Земле 200 млн. лет назад и ни
поминали современных землероек и мышей. Они охотились за насс
комыми, не забывая об опасности, грозившей им со стороны хищных
динозавров.
От молекулы к разуму
227
► пещерной жизни и примитивному сельскому хозяйству. Но можно во-
। Сразить и другие пути развития интеллекта, например, у будущих потом-
ит енотов или в сообществе таких высокоразвитых моллюсков, как ось-
миноги, освоивших изготовление орудий труда. Мы находим много
примеров параллельной эволюции-одним из них является независимое
развитие зрения у осьминогов. Их глаза отличаются строением от глаз
миекопитающих (они не различают цвета), но в то же время их зрение
инляется бинокулярным. Таким образом, если среда предоставляет какую-
ю возможность, находится вид, который ее использует.
Поэтому если бы даже человечество исчезло, то процесс естественно-
ю отбора, который привел к его появлению, возможно, вновь привел бы
и возникновению разумных существ из огромного генофонда нашей пла-
не гы. Эти новые властелины Земли могут оказаться видом млекопитаю-
щих с бинокулярным зрением, наделенных способностью владеть орудия-
ми груда. Но в остальном они могут быть не похожи на нас. Исчезнувшие
• рилобиты оставили нам весточку: если вид исчезает, он никогда не возро-
ждается. Из этого также следует, что вряд ли мы встретим людей на дру-
। их планетах. Процитируем Лорена Эйсли, который так описывает Вселен-
ную:
«Жизнь, даже клеточная жизнь, быть может существует где-то там, во
мраке. Но каков бы ни был уровень ее развития, она не будет иметь чело-
нсчсского обличья. Эта форма-продукт эволюции, странных, долгих блуж-
ни1ий по верхушкам деревьев; и столь велики были шансы на неудачу, что,
вероятно, никогда и никто не пройдет точно такой же путь и не станет по-
ложим на человека».
будущая эволюция на Земле
Прекратилась ли эволюция с появлением человека? У нас нет основа-
ний так думать. Но люди оказывают влияние на эволюцию, пытаясь со-
шательно управлять ею. Поражающее свидетельство этого влияния-
«нромный рост народонаселения. Одним из факторов, которые впервые
нивсли Чарлза Дарвина на мысль о естественном отборе, были его наблю-
дения, говорящие о том, что последующие поколения данного вида обыч-
но не превышают по численности предыдущие поколения. Поскольку
у большинства организмов число потомков превышает число родителей,
но означает, что основная часть потомства не выживает и не приносит но-
ною потомства. Такая дифференциация выживания и размножения вызы-
иаст увеличение числа «удачливых» индивидов за счет менее «удачливых».
Человечество старается изменить этот процесс. Мы объединяем усилия
и борьбе с болезнями, голодом, генетическими дефектами и стихийными
огдетвиями. В результате этих усилий численность людей растет от поко-
228
Глава 10
ления к поколению. Один скачок численности народонаселения произошел
с появлением сельского хозяйства; другой-когда люди научились побеж
дать наиболее распространенные смертельные болезни. В течение несколь-
ких последних поколений численность человечества удваивалась каждые 35
лет. Эта колоссальная скорость роста создает огромные проблемы. Но ес-
ли удастся установить контроль над дальнейшим ростом народонаселения,
то это будет залогом длительного будущего существования людей на этой
планете. Чего можно ожидать от эволюции, если мы сумеем избежать та-
кого перенаселения, которое начнет угрожать нашему существованию?
Попытаемся понять, к чему мы идем. По мере того как человек познас i
сущность естественного отбора и у него возникает желание управлять им,
он достигает стадии экспериментов по генной инженерии и вегетативному
размножению, добивается увеличения продолжительности человеческой
жизни. Интерес к этим усилиям непрерывно возрастает, подогреваемый
желанием приблизиться к той заветной цели, к которой люди стремились
с тех пор, как они впервые осознали цикличность жизни: к бессмертию.
Хотя некоторые детали пока не ясны, ученые не видят каких-либо при и
ципиальных препятствий к созданию форм жизни по своему выбору и зна
чительному увеличению продолжительности жизни. Если наши далекие по
томки добьются этого, захотят ли они стать бессмертными? Или они
сознательно откажутся от бессмертия и пожелают жить и умирать, как
другие организмы? Некоторые, возможно, сочтут вечную жизнь смертель
но скучной или захотят уступить свое место новым людям. Можно лишь
гадать о последствиях беспредельного увеличения продолжительности
жизни, но ясно одно: если где-либо во Вселенной существуют развитые ци
вилизации, то этот вопрос ставили и пытались дать на него ответ мнок>
раз. Как полагает Дрейк, стремление найти ответы на эти вопросы могло
бы дополнительно повысить интерес к поискам разумной жизни. Где-то
среди звезд, быть может, есть раса бессмертных, которые посвящают врс
мя ритуалам и развлечениям, доставляющим им удовольствие, а можс1
быть, контактам с другими подобными расами и даже (хотя это и кажется
невероятным) попыткам повысить уровень развития менее развитых об
ществ до своего уровня.
Сплетение жизни
Не следует забывать, что, несмотря на свою значительность в собствен
ных глазах, человечество-это лишь крошечная часть живых существ, насс
ляющих нашу планету. Важность других видов становится все более оче
видной по мере более близкого знакомства с экологией-наукой о взаимоо!
ношениях организмов друг с другом и с окружающей средой. Всем извеа
ны примеры зависимости одного организма от другого: вирусы живут в он
ределенных видах бактерий, муравьям необходимы тли, людям-зерновые
От молекулы к разуму
229
Кислород в атмосфере
Углеводы
в мертвом -------------► СО2 + Н2О
органическом
веществе
Рис. 10.8. В отсутствие жизни разлагающиеся органические соединения окислялись
бы молекулами кислорода. В результате почти весь углерод, находив*
шийся ранее в составе органических молекул, перешел бы в углекислый
газ.
культуры. Но сегодня экологи подчеркивают тот факт, что на нашей пла-
нете нет замкнутых экологических систем. Иными словами, нельзя окру-
жить некоторую среду непроницаемой стеной и ожидать при этом, что ор-
ганизмы внутри нее выживут. Все мы зависим друг от друга сложным
образом, хотя сегодня лишь смутно осознаем это.
Такая зависимость может показаться удивительной, но в ней легче убе-
диться, вспомнив наш рассказ о земной атмосфере, дающей хорошую ил-
люстрацию этого сложного взаимодействия. Как выглядела бы Земля, ес-
ли бы на ней не было жизни? Допустим, что первые эксперименты
природы с первичным органическим бульоном оказались неудачными.
Тогда водород продолжал бы улетучиваться, поскольку сила гравитации
нашей планеты не может удержать его атомы. Следовательно, органиче-
ские соединения, разрушаемые солнечным ультрафиолетовым излучением,
постепенно окислялись бы, т.е. соединялись бы с молекулами кислорода,
высвобождающимися при разложении молекул воды под действием уль-
трафиолетового излучения (рис. 10.8). Без новых источников органических
соединений углерод на Земле постепенно перешел бы в состав молекул
углекислого газа.
Можно оценить, сколько углекислого газа появилось бы на безжизнен-
ной Земле, если подсчитать суммарное количество углерода в таких орга-
нических ископаемых как сланцы, уголь, газ, нефть и другие породы, со-
держащие углерод. Например, известняк-это карбонат кальция, состоя-
щий из кальция, углерода и кислорода и возникший благодаря живым
организмам. Если подсчитать, какое количество углекислого газа соответ-
ствует запасам углерода в органических молекулах и карбонатах в недрах
Земли, то получается удивительный результат. Если бы весь этот угле-
кислый газ попал в атмосферу, то ее масса примерно в 70 раз превысила
бы массу современной атмосферы, следовательно, и атмосферное давление
возросло бы в 70 раз. Чтобы получить это максимальное значение, нам
пришлось бы исключить не только процессы жизнедеятельности, но
230
Глава 10
• * * * ’*"**• * * • • • • • y?r
•'••• * л7»-" *
CO2,N2, Ar
Рис. 10.9. Безжизненная Земля была бы окружена плотной атмосферой из угласт
лого газа с примесью азота и аргона, но почти лишенной кислород.»
и образование углеродсодержащих пород при эрозии, вызванной водой
с растворенным в ней углекислым газом. Иными словами, если бы на Зсм
ле не было жизни и воды (по крайней мере, жидкой воды), то ее атмосфера
состояла бы почти целиком из углекислого газа и по толщине многокра i
но превышала бы нынешнюю атмосферу (рис. 10.9). В отсутствие воды
в атмосфере из углекислого газа могло сохраниться некоторое количеств
азота и аргона. Это описание прекрасно соответствует (см. гл. 13) coci ат
атмосферы нашей космической сестры Венеры!
Можно сделать вывод, что судьба, ожидающая внутреннюю плане к
Солнечной системы, зависит от существования или отсутствия жизни ни
ней, и пример Венеры говорит нам о том, что там, по-видимому, сонср
шенно отсутствуют жизнь и жидкая вода. Кроме того, такой подх<» •
является достаточно общим и может быть применен не только к плане! им
Солнечной системы, но и к другим планетам в других планетных система*
поскольку все планетные системы, вероятно, имеют твердые внутренни»
планеты.
Гея
Очевидно, существует тесная связь между химическим составом атм<н
ферм и жизнью на нашей планете. Как мы предполагаем, жизнь начала»»
потому, что первичная атмосфера Земли содержала соединения, необх»»
От молекулы к разуму
231
чимые для генезиса живых организмов. Жизнь продолжается потому, что
(нмосфера представляет собой среду, которая обеспечивает химический об-
мен, тепловую экранировку и защиту от ультрафиолетового излучения
и космических лучей.
Сложность химического взаимодействия между жизнью на Земле и ат -
мосферой навела двух ученых-Маргулис и Лавлока-на мысль, что жизнь
на Земле сама регулирует химический состав нижних слоев атмосферы,
управляя количеством некоторых важных газов в ней, т.е. газов, содержа-
нии элементы, которые необходимы для продолжения жизни. Иными сло-
нами, рост организмов сильно влияет на некоторые химические реакции
и окружающей среде, в том числе на реакции с участием газов, регулирую-
щих среднюю температуру на Земле. Средняя температура в свою очередь
нзияет на рост организмов, и такой тип обратной связи встречается неод-
нократно при изучении различных путей взаимодействия жизни с окру-
жающей средой (рис. 10.10).
Полную систему жизни на Земле-все организмы, а также произио-
шмые и потребляемые ими газы, жидкости и твердые вещества Mapiy-
iiic и Лавлок назвали Геей по имени древнегреческой богини Земли.
I’m, 10.10. Гипотеза Геи утверждает, что жизнь на Земле регулирует колн’кч ню
азота, кислорода и других химических элементов, участвующих и обме-
не между атмосферой и живыми организмами, а также регулируй к-м
пературу путем изменения скорости роста организмов, которая в свою
очередь определяется газообменом с атмосферой. Поскольку poci opia
низмов связан обратной связью с температурой, вся система Геи как бы
охвачена петлей обратной связи и может быть саморегулирующей' я.
232
Глава 10
Гея-это результат 4 млрд, лет эволюции, в течение которых жизнь диффг
ренцировалась, распространялась все шире и достигла современною
многообразия организмов. Согласно этой гипотезе, Гея стремится устано
вить детальное равновесие, которое обеспечивает наиболее благоприятны»
условия для сохранения жизни. В управлении условиями в окружающей
среде могут участвовать многие различные механизмы, подобно тому кщ
пчелы различными способами поддерживают оптимальную температура
и влажность в своих ульях. Например, если бы средняя температура на й
мле упала, скажем, в результате изменения эксцентриситета земной ор
биты вокруг Солнца, Гея могла бы ответить на это изменением роста чж
ленности организмов, ведущим к увеличению содержания углекислого га и»
в атмосфере. Избыток углекислого газа задерживал бы больше инфракрж
ного излучения, испускаемого Землей, и благодаря этому вернул бы темпе
ратуру к прежнему значению.
Идея Геи как живого организма увлекательна и небесспорна. Она нах<»
дит подтверждение в том, что изменения средней температуры Земли ш
последние миллиарды лет были поразительно малы, она не отличалась <н
современных значений более, чем на несколько градусов Цельсия. Гея отчо
ливо демонстрирует нашу относительную ничтожность как одного из пи
дов сухопутных млекопитающих. И хотя мы считаем себя центральной
нервной системой Геи, по отношению к ней самой мы подчас ведем
себя как разрушительный вид. Мы зависим от невероятно сложной
и запутанной живой системы, потому что она обеспечивает нас пищей, во t
духом, которым мы дышим, и, может быть, климатом, в котором мы ж и
вем. Нарушая экологическое равновесие, мы рискуем не просто уничю
жить несколько видов организмов или вызвать какой-то неприятный
с точки зрения эстетики эффект; мы сталкиваемся с опасностью серьезною
нарушения баланса, достигнутого Геей, на что может последовать реакции
пагубная для нас.
Нужно также иметь в виду взаимозависимость жизни при исследовании
других планет Солнечной системы. Отдельные виды почти наверняка н<
населяют бесплодные в других отношениях миры. Мы надеемся найти ор
ганизмы, живущие в полной гармонии с окружающей средой, гармонии
в которой сама жизнь, если она сколько-нибудь напоминает жизнь на Зсм
ле, вызывает изменения в среде, которые нам, быть может, удаскн
обнаружить.
Выводы
Прокариоты, простейшие из организмов, состоят из клеток, лишенны*
ядра, но обладающих молекулами ДНК и РНК, управляющими их функ-
ционированием и воспроизведением. У прокариот, таких, как синезелены»
водоросли, впервые возник фотосинтез, который обеспечил основную
часть кислорода в атмосфере Земли. Когда атмосфера обогатилась кисли
От молекулы к разуму
233
родом, 2,5 или 2 млрд, лет назад развились организмы, способные исполь-
зовать кислород как источник энергии.
От прокариот или от какого-либо общего предка произошли эука-
риоты-клетки с четко выраженным ядром, в котором хранится генетиче-
ский материал. Клетки эукариот содержат органеллы, которые могут вы-
полнять специальные функции. Содержание генетического материала
у эукариот значительно выше, чем у прокариот. Возросшая специализация
функций в пределах эукариотической клетки, а также возникновение клеток
различных типов у более крупных организмов привели к развитию живых
систем, состоящих из многих триллионов клеток. Эти клетки образуют от-
дельные органы и выполняют частные функции, полезные для организма
в целом.
Примерно 600 млн. лет назад, т.е. через миллиард лет или более после
появления эукариот, произошло резкое увеличение разнообразия, размеров
и распространенности растений и животных. С этого времени, т. е. с начала
кембрия, можно датировать развитие крупных наземных растений и всего
многообразия животных, более сложных, чем мягкотелые морские орга-
низмы. Млекопитающие впервые появились 200 млн. лет назад, в расцвет
эры рептилий, а наши человекообразные предки, по-видимому, около
3 млн. лет назад.
Таким образом, на протяжении пяти шестых истории жизни на Земле
ее населяли прокариоты и эукариоты, не более сложные, чем медузы.
Вполне возможно, что планеты, которые находятся на орбитах вокруг дру-
гих звезд, имеют лишь такую форму жизни, если вообще на них возникла
жизнь. Но они могут на несколько миллиардов лет опережать нас и могут
быть населены новыми формами жизни, возможно бессмертными. Если
считать жизнь на Земле типичным примером, то можно заключить, что
жизнь начинается в воде, но, по-видимому, нуждается в суше для развития
сложных форм, обладающих разумом, который мы определяем как спо-
собность вступить в контакт с иными формами жизни на других планетах.
Последним уроком жизни представляется то, что непрерывное существова-
ние всех форм жизни обусловлено их взаимосвязью и что всю поверхность
нашей планеты можно рассматривать как единый организм, Гею, который
стремится использовать свои составляющие наилучшим образом.
Вопросы
1. Почему клетки важны для живых организмов? Почему можно считать,
что первой клеткой был небольшой водоем, заполненный органическими молекула-
ми и водой?
2. Что такое вирус? Почему трудно решить, относится вирус к живым орга-
низмам или нет?
234
Глава 10
3. В чем основное различие между прокариотами и эукариотами? Почему нс
которые прокариоты могут существовать лишь в отсутствие кислорода?
4. Когда эукариоты развились в большое число разнообразных организмом7
Через какое время после зарождения жизни на Земле началась эпоха усиленною
видообразования ?
5. Допустим, что открыта планета, похожая на Землю, но образовавшаяся
лишь 3,6 млрд, лет назад, а не 4,6 млрд, "лет, как Земля. Если пути эволюции ни
обеих планетах примерно одинаковы, можно ли ожидать, что будет обнаружено
много видов сухопутных «животных» на другой планете? Можем ли мы ожидавь.
что обнаружим птиц? Насекомых? Губки?
6. Предположим, что для появления жизни на гипотетической планете, уно
мянутой в предыдущем вопросе, потребовалось 2 млрд. лет. Какого уровня разви
тия достигла там жизнь, если скорость эволюции равна земной?
7. Почему вода была столь важна для жизни на Земле? Следует ли ожидаи..
что жизнь на любой планете нуждается в жидкой воде?
8. Что такое мутация? Почему она важна для эволюции жизни?
9. Почему эволюция ведет к образованию более сложных организмов из мс
нее сложных, а не наоборот?
10. Считаете ли вы, что разум естественным образом появится на любой пли
нете, где есть жизнь? Почему?
11. Какую часть от полного возраста Земли (4,6 млрд, лет) составляет история
человечества, засвидетельствованная в письменных источниках (около 4600 лет)7
Насколько существенно изменило человечество лицо Земли за это время?
12. Какие основные изменения произошли бы в химическом составе атмосферы
и земной поверхности, если бы жизнь на планете исчезла?
Литература
Bronowski J. The ascent of man, Little, Brown and Co., New York, 1972.
Gibor A., ed. Conditions for life, W.H. Freeman and Co., San. Francisco, 1976.
Jastrow R. Until the Sun dies, W. W. Norton and Co, New York, 1977.
Leakey R. Origins, E. P. Dutton and Co., New York, 1977.
Lovelock J.E. Gaia: A new look at life on Earth, Oxford Univ. Press, Oxford, 1979.
Mayr E. Evolution, Scientific American, 239, No. 3, 46, 1978. (Имеется перевод:
Эволюция: Сб. статей-Мир.: 1981, с. 11.)
Sagan С. The dragons of Eden, Random House, New York, 1977.
SchopfJ.W. The evolution of the earliest cells, Scientific American, 239, 110, 1978.
(Имеется перевод: Эволюция: Сб. статей-М.: Мир, 1981, с. 109.)
Thomas L. Lives of a cell, Viking Press, New York, 1974.
Young J.Z. An introduction to the study of man, Oxford Univ. Press, Oxford, 1971.
Какие формы
может принимать жизнь?
Глава 11
Мы проследили за развитием жизни на Земле, чтобы сделать пред-
варительные выводы для оценки вероятности ее существования в других
местах. Хотя на первый взгляд могло бы показаться, что возможно все,
что угодно, а значит, делать выводы на примере земной жизни бессмыс-
ленно, следует помнить, что, согласно законам физики и химии, одни си-
туации гораздо более вероятны, чем другие. Эти законы, т.е. итоги изуче-
ния окружающей Вселенной, справедливы в тех пределах, в которых они
поддаются проверке, включая анализ света звезд и самых далеких галак-
тик. Если принять, что законы физики и химии универсальны, то наши вы-
воды об общей вероятности появления жизни в различных средах будут
иметь смысл. Но мы должны помнить, что имеем дело лишь с вероятны-
ми, а не достоверными событиями. Если же мы забудем об этом, то вооб-
ще не сможем ничего предсказать!
Химия чуждой жизни
История изучения жизни на Земле полна частых неожиданных откры-
тий странных существ, крошечных или крупных, развивающихся в средах,
которые на первый взгляд кажутся совсем непригодными для жизни. На-
пример, мы упоминали, что солнечный свет необходим для фотосинтеза,
но один вид серобактерий может осуществлять фотосинтез в условиях, ко-
торые мы сочли бы тьмой кромешной. Эти бактерии, процветающие
в илистых водоемах в южноамериканских джунглях, содержат пигмент, ко-
торый поглощает энергию дневного света в инфракрасной области-низ-
коэнергетичное излучение, не воспринимаемое человеческим глазом.
Можно возразить: что же тут удивительного? Ведь жизнь нуждается
в воде. Да, нуждается. Так вот, эта вода сравнима по кислотности со
слабым раствором серной кислоты или содержит большие количества рас-
творенной извести, т.е. является практически щелочью! Формы жизни
многообразны: от огромных недвижимых секвой до крошечных, непре-
станно движущихся парамеций. Мы не в состоянии предсказать, какие
236
Глава 11
формы жизни могут встретиться на другой планете, какого рода адапта-
ции к окружающей среде выработаны там живыми организмами. Но мож-
но ли делать какие-либо определенные заключения о химии чуждой жизни,
о молекулах, из которых состоят живые организмы? В отношении Земли
такие выводы носят весьма общий характер. Как гигантские секвойи, так
и микроскопические парамеции живут потому, что молекулы ДНК и РНК
помогают им синтезировать белок. В основе тех и других организмов ле
жат специфические химические процессы, которые оказываются одними
и теми же для всех организмов. Химия в данных случаях используе!
атомы одного элемента-углерода-в качестве основной структурной ед и
ницы для образования сложных молекул и воду в качестве растворителя
Вода обеспечивает жидкую среду с молекулами питательных вещее и»
в ней, она сохраняет химическое равновесие в живых клетках, помогает ре
гулировать температуру в них и составляет значительную часть веса ка
ждого организма (40% в сухих растениях, 70% в теле человека, 95°|(
в медузах).
Чтобы растворитель был в жидком состоянии, температура должна
поддерживаться в довольно узких пределах, для воды от 0 до 100°С. Та
ким образом, к потребностям в одном и том же элементе-углероде
и одном и том же растворителе-жидкой воде автоматически добавляется
третья потребность-в соответствующем диапазоне температур, только
тогда возможно возникновение жизни.
Но должна ли химия иной жизни быть такой же, как и земной? Едва ли
на других планетах живая материя состоит из точно таких же молекул, как
аминокислоты, белки, ДНК и РНК, хотя там должны быть молекулы, вы
полняющие аналогичные функции. Но нам следует рассмотреть ключевой
вопрос: должны ли другие формы жизни базироваться на углероде ка>
структурном элементе и воде как растворителе? Или возможен другой
структурный элемент и другой растворитель?
Попытаемся наметить в общих чертах основные требования к химии
любой чуждой жизни. Она должна быть способна образовывать больпнк
сложные молекулы, ибо только таким путем можно запасти объем инфор
мации, необходимый для правильного функционирования живого орган и i
ма. Она должна использовать какую-то среду в качестве поставщика пи i а
тельных веществ и приемника отходов, в которой происходили бы
химические реакции, обеспечивающие сохранение жизни и размножен иг
Хотя легко вообразить ситуации, в которых такой средой служил бы га т
но жидкость подходит лучше, так как она обеспечивает осуществление хи
мических реакций в локализованных областях, например, в клетках живых
организмов на Земле, и при постоянной температуре, облегчая протекай и<
реакций с почти постоянной скоростью.
Но допустим, что два основных требования : наличие сложных молекуч
и жидкого растворителя-выполнены. Каковы возможности выбора? Чи
Какие формы может принимать жизнь?
237
стая ли это случайность, что в оснбве жизни на Земле лежит углерод, или
этот элемент чем-то предпочтительнее всех других? И почему земная
жизнь так сильно зависит от воды? Почему не от аммиака или спирта, или
другой жидкости?
Преимущества углерода
Рассмотрим сначала углерод. Чтобы заменить его, необходимо найти
относительно распространенный элемент, который может соединяться сра-
зу с четырьмя атомами водорода и образовывать устойчивые молекулы
(рис. 11.1). Первое требование основывается на нашем предвзятом мнении
в пользу таких форм жизни, которые будут широко распространены во
Вселенной, не редких и экзотических форм, которые могли бы существо-
вать в каких-то маловероятных условиях, а скорее жизнь в условиях, преоб-
ладающих в большей части Вселенной. Второе требование, т. е. способность
соединяться с четырьмя атомами водорода, обусловлено необходимостью
сложности молекул. Поскольку каждый атом углерода может присоеди-
нить четыре атома водорода, элемент, который мог бы соревно-
ваться с углеродом за роль основы жизни, должен обладать такой же
способностью.
Это утверждение легко проиллюстрировать. Вспомним различные со-
единения кислорода с водородом, дающие стабильные молекулы. Их два:
вода Н2О и перекись водорода Н2О2 (рис. 11.2). Сколько стабильных мо-
лекул азот образует с водородом? Тоже две: аммиак (NH3) и гидразин
(N2H4). А теперь спросим: сколько молекул углерод может образовать
с водородом? Не знаете ответа? Так вот, ответа не знает никто! Но, чтобы
получить какое-то представление, загляните в справочник Handbook of
Рис. 11.1. Каждый атом углерода может соединиться с четырьмя другими атома-
ми, как, например, в метане СН4.
238
Глава 11
Рис. 11.2. Атомы кислорода могут образовывать с атомами водорода лишь дм<
стабильные молекулы: воду (вверху слева) и перекись водорода (вверху
справа). Зато атомы углерода могут образовывать с атомами водородп
множество сложных молекул, например, такую, как молекула витамипп
А (внизу).
Chemistry and Physics. Там в списке вы найдете самую тяжелую из таких
молекул-эннеафилин, химическая формула которого С90Н154! А ведь
это просто соединение одного только углерода с одним лишь водо
родом. Органическую химию недаром преподают как отдельный предмет
потому что углерод обладает поистине удивительной способностью обра
зовывать всевозможные соединения с другими элементами.
Есть ли какой-либо элемент, не уступающий в этом углероду? Крем
ний, обычный кандидат на роль углерода, расположен как раз под ним
Какие формы может принимать жизнь?
239
в периодической системе элементов^ Поскольку кремний также весьма рас-
пространен во Вселенной и может соединяться с четырьмя атомами водо-
рода, образуя силан SiH4, кремнийорганическая жизнь-весьма распро-
страненный сюжет научно-фантастических произведений. Но если исследо-
вать кремний более тщательно, то оказывается, что связь между двумя
атомами кремния в два раза слабее, чем между двумя атомами углерода.
Следовательно, связи между атомами кремния в два раза легче разорвать
в химических реакциях. Более того, прочность углерод-углеродных связей
почти равна прочности связей углерод-водород и углерод-кислород, а
у кремния связи кремний-водород или кремний-кислород прочнее, чем
связь кремний-кремний. Следовательно, длинные цепочки или кольца ато-
мов, основанные на структуре —Si—Si—Si—, маловероятны, в то время
как углеродные связи такого типа господствуют в органической химии
и выделяют ее как отдельную область химии.
Можно обойти эту трудность, создавая длинные молекулярные цепоч-
ки, или полимеры, на основе кремний-кислородных, а не кремний-крем-
ниевых связей. Такие полимеры-силоксаны-стабильны и в то же время
реакционноспособны. Однако они не очень склонны реагировать с други-
ми молекулами, именно поэтому они используются в косметике и в каче-
стве смазочных материалов в технике. Тем не менее мы, конечно, можем
вообразить особые обстоятельства или специальные катализаторы (фер-
менты), которые способны обеспечить более активные взаимодействия ме-
жду силоксаноподобными полимерами.
Главное, что препятствует кремнию быть основой жизни-это его
сродство к кислороду. Даже если кремний существует в самых «восстанови-
тельных» условиях в атмосфере, богатой водородом, он образует силан
SiH4 только при температурах выше 1000 К. При более низких температу-
рах кремний образует двуокись кремния SiO2. Это подтверждают наблю-
дения атмосферы Юпитера, которая, как мы знаем, состоит преимуще-
ственно из водорода и содержит NH3, РН3, СН4 и Н2О, т.е. полностью
восстановленные (насыщенные водородом) соединения азота, фосфора,
углерода и кислорода. Однако на Юпитере не обнаружено SiH4. Почему?
Потому что кремний, вместо того чтобы образовать силан, соединился
с кислородом и образовал двуокись кремния. Поскольку число атомов
кислорода во Вселенной в 25 раз больше, чем атомов кремния, последние,
вероятно, оказываются в конце концов в составе кремний-кислородных со-
единений (с. 54). А если двуокись кремния уже образовалась, то ее очень
трудно разрушить.
Давайте сравним двуокись углерода СО2, которая остается газообраз-
ной даже при низких температурах (до — 75°С), растворима в воде и до-
вольно легко может быть разложена на составляющие ее атомы углерода
и кислорода, с двуокисью кремния SiO2, которая газообразна лишь при
высоких температурах (выше 800°С), нерастворима (почти ни в чем, кроме
240
Глава 11
фтористоводородной, или плавиковой, кислоты!) и требует больших за
трат энергии для разложения на атомы кремния и кислорода. Первое со
единение обладает преимуществами над вторым в любом отношении, если
речь идет о молекулах, пригодных для живых организмов. Напротив, мс
тан СН4, полностью восстановленная форма углерода, значительно c’iii
бильнее силана, полностью восстановленной формы кремния. Метан суще
ствует даже в нашей сильно окислительной атмосфере, и хотя его времм
жизни в ней невелико (запас метана полностью обновляется примерно за
10 лет благодаря деятельности производящих его бактерий), оно не так ко
ротко, как у силана, который самовоспламеняется при попадании в воздух1
Это дает нам возможность пофантазировать: если бы кремнийорганичс
ские создания действительно существовали и посетили Землю, то средневс
ковые легенды об огнедышащих драконах имели бы естественное объясш
ние. Однако значительно вероятнее, что перечисленные недостатки
кремния как элемента, способного образовывать длинные цепочечные мо
лекулы, исключают возможность жизни на основе кремния почти во всех
ситуациях.
Можно проверить этот вывод, подробнее изучив кремний и углерод
в большом объеме Вселенной. Астрономы не нашли силоксанов или сила
на ни в метеоритах, ни на кометах, ни в межзвездной среде, ни в атмос(|к*
рах планет, ни во внешних слоях холодных звезд. Но они нашли силикаи.1,
т.е. молекулы окисленного кремния, в комбинациях с различными другими
элементами. В сущности планета, на которой мы живем, прекрасный при
мер химии кремния, так как Земля состоит главным образом из силикатом
С другой стороны, сложные молекулы на основе углерода (органические}
встречаются в метеоритах и кометах, в межзвездных облаках, в атмос(|к-
рах планет, на холодных звездах наряду с окисью и двуокисью углерода
В отличие от кремния углерод легко переходит от полностью окисленной
(СО2) к полностью восстановленной (СН4) форме.
Мы можем с полным основанием заключить, что хотя жизнь на основе
кремния возможна, она в лучшем случае чрезвычайно редка. Жизнь на ос
нове углерода предпочтительнее как господствующий тип жизни во Вес
ленной. Это может звучать категорично, но следует помнить, что распро
страненности различных элементов, по-видимому, одинаковы всюду во
Вселенной, где удалось их измерить. Следовательно, элементы, еще более
редкие, чем кремний, имеют чрезвычайно мало шансов на роль основы хи
мии жизни где бы то ни было.
Растворители
Обратимся теперь к растворителям. Почему вода столь удивительна’’
Почему это вещество имеет такое решающее значение для известной нам
жизни? Чтобы быть действительно полезным, любой растворитель должен
Какие формы может приникать жизнь?
241
• н ।икаться жидким в достаточно широком диапазоне температур, тогда
и «мснения условий на планете или спутнике не будут приводить к его за-
мерзанию или испарению. В этот диапазон должны попадать темпера-
। уры, при которых химические реакции протекают с достаточно высокой
♦ яростью, а имеющие важное-значение для жизни молекулы еще не раз-
рушаются при столкновениях. Мы также предпочли бы растворитель, ко-
">рый помогал бы содержащим его организмам регулировать свою темпе-
ра iypy, и (по определению!) растворитель должен быть способен раст-
норять другие химические соединения, чтобы организмы могли использо-
и,| и> его для получения питательных веществ и удаления отходов.
Нетрудно убедиться, как хорошо вода отвечает всем этим требованиям,
। равнив ее с двумя другими возможными растворителями: аммиаком NH3
н метиловым спиртом СН3ОН.
Прежде всего отметим, что вода остается жидкой в широком диапазоне
ц мператур (табл. 11.1).
Таблица 11.1
1и11пазоны температур, и которых растворители остаются жидкими
Г-t* июритель Температуры жидкого Диапазон температур, состояния СС
Пода \ммиак Метиловый спирт От 0 до 100°С 100 От - 78 до - 33°С 45 От - 94 до + 65°С 159
По диапазону температур, в котором вода находится в жидком состоя-
нии, она превосходит аммиак, но метиловый спирт, хотя и имеет более
низкую температуру кипения, не уступает воде.
Теперь сравним растворители по их способности помогать регулирова-
нию температуры организма. Эта способность растворителей зависит как
«и их теплоемкости, т.е. количества энергии, необходимого для повыше-
ния температуры 1 г растворителя на 1°С, так и от теплоты парообразова-
ния, т.е. количества энергии, необходимого для превращения 1 г жидкости
и пар при температуре кипения. Мы ищем растворитель с возможно боль-
шими теплоемкостью и теплотой парообразования, чтобы уменьшить
нкияние внезапных изменений температуры на физические условия внутри
растворителя. Большая теплоемкость означает, что существенные измене-
ния внешней температуры оказывают на организм лишь незначительное
ноздействие. Мы сталкиваемся с этим свойством воды в различных клима-
шческих поясах: области вблизи океана имеют значительно более мягкий
К. 485
242
Глава И
климат, чем области, расположенные на той же широте, но далеко от по
дных бассейнов. Теплоемкость воды равна 1 кал/(г • град), т.е. занимав i
промежуточное место между теплоемкостями аммиака [1,23 кал/(г -град) |
и метилового спирта [0,6 кал/(г -град)]. Однако теплота парообразовании
у воды намного выше, чем у двух ее соперников. Чтобы испарить 1 г воды
требуется 595 кал, 1 г аммиака-300 кал, air метилового спирта-290 кап
Высокая теплота парообразования воды означает, что испарения н<
большого количества воды достаточно для отвода тепла, выделяющей ни
внутри клетки в процессах жизнедеятельности (рис. 11.3). Действительно
то, что мы считаем нормальной температурой человеческого тела 36,6 (
а не 35 или 38°С, является прекрасным примером способности нашего толп
точно регулировать свою температуру. Хотя мы еще до конца не пони
маем, какие условия нужны для существования разума, мы знаем, что м.щ
копитающим необходима точная регулировка температуры, чтобы поддср
живать скорости химических реакций на должном уровне и обеспечила и
благоприятные условия для функционирования различных органов. Млсм»
питающие отличаются от «низших» форм жизни большей сложное! ью
мозга и происходящими в нем химическими реакциями; точная регулироп
ка температуры обеспечивает правильное течение этих реакций.
Поверхностное натяжение воды в два раза выше, чем у аммиака, н
в три раза выше, чем у спирта, оно превосходит поверхностные натяжении
Испарение воды
/протоплазма/
Рис. 11.3. Поскольку вода имеет высокую теплоту парообразования, живая клеи •
может отвечать на повышение температуры испарением сравнительно н<
большого количества воды и поддерживать внутреннюю темпераivp>
примерно постоянной.
Какие формы может принимать жизнь?
243
нсех известных жидкостей. Это свойство, несомненно, играло важную роль
и образовании агрегатов разнообразных органических соединений перед
появлением клеток, поскольку благодаря поверхностному натяжению нско-
юрые соединения притягивались друг к другу и сохранялись границы ме-
жду водными растворами различных органических молекул. В живом ор-
ншизме поверхностное натяжение концентрирует растворы твердых
веществ на поверхностях раздела различных сред, например на граничных
поверхностях клеток.
По теплоемкости, теплоте парообразования и поверхностному натяже-
нию воду трудно превзойти. Но это в известном смысле дополнительные
преимущества, поскольку жизненно важная жидкая среда должна быть
п|южде всего растворителем для множества химических соединений, чтобы
||сгко переносить их в живые системы и из них. И вновь вода вне конку-
ренции: она способна растворять в два с лишним раза больше различных
веществ, чем аммиак или метиловый спирт.
Сравнивая воду с двумя другими жидкостями, мы установили, что она
имеет ряд преимуществ в дополнение к свойствам прекрасного раствори-
1еля. Почему бы нам также не рассмотреть многие другие возможные
жидкости? Другие вещества, например сероводород (H2S) и соляная кисло-
ia (НС1), могут оставаться жидкими в приемлемых диапазонах температур,
по они значительно менее распространены, чем первые три, поскольку
и них входят относительно редкие элементы (сера и хлор) по сравнению
< водородом, азотом, кислородом и углеродом, из которых состоят вода,
аммиак и метиловый спирт. Кроме того, молекулы других жидкостей зна-
чительно менее устойчивы. Таким образом, если уж вода «победила» ам-
миак и метиловый спирт, то она, вероятно, превзойдет любую жидкость,
которая может существовать в других астрономических условиях.
Остановимся вкратце на весьма специфическом свойстве воды, ко-
юрым не обладает почти ни одна другая жидкость. Вода расширяется при
1амерзании, поэтому твердая вода (лед) плавает на поверхности жидкой
поды. Если бы лед тонул, водоемы зимой промерзали бы до дна и боль-
шинство живущих в них организмов погибало бы. Именно такой тип за-
мерзания имел бы место в прудах аммиака (при — 78°С) и метилового
• пирта (при — 95°С). Однако беспокойство о замерзающих водоемах не-
। нюснованно, поскольку значительная часть водоемов на Земле никогда не
вмерзает. Жизнь могла возникнуть и развиться в низких широтах, в неза-
мерзающих водоемах.
Л что можно сказать о другой планете; с иными условиями на поверх-
ности? Нетрудно установить достоинства, которыми обладает жидкость,
не расширяющаяся при замерзании, такая, как аммиак. Растворитель, рас-
ширяющийся при замерзании, вызывает напряжения в стенках резервуара,
•ю содержащего. Вода, замерзшая в трубах, может разорвать стальные
• 1снки, а живые клетки при замерзании будут лопаться, неся гибель орга-
244
Глава И
низму. Если же химия жизни основана на растворителе, который не рас-
ширяется при замерзании, то низкие температуры просто вызвали бы
состояние анабиоза, из которого жизнь легко вышла бы при наступлении
теплой погоды.
Какое колоссальное преимущество для космических путешествий! Ги-
гантские расстояния между звездами-непреодолимое препятствие для кос-
мических полетов в обычных ракетах, поскольку мы хотим, чтобы путеше-
ствие было сравнительно кратковременным (см. с. 416). Необходимость
высокой скорости обусловлена желанием совершить путешествие за время
жизни экипажа. Можно ли во много раз увеличить продолжительность
жизни, просто заморозив экипаж? Человеческий организм не может вы-
держать такое длительное замораживание, ведущее к высушиванию тка-
ней, потому что он состоит главным образом из воды, но представьте себе
космонавтов, химия жизни которых основана на аммиаке в качестве рас-
творителя. Они могут использовать то свойство, что аммиак не расши
ряется при замерзании, для посещения большей части нашей Галактики,
пробуждаясь лишь на короткое время при каждой остановке!
Однако прежде чем слишком восторгаться аммиаком, вспомним рс
шающее преимущество воды над ним. Жидкая вода сама защищает себя
от ультрафиолетового излучения: часть молекул воды диссоциирует, выдс
ляя кислород и водород в атмосферу, а часть атомов кислорода объеди
няется в молекулы озона О3, которые поглощают ультрафиолетовое излу
чение (рис. 11.4). Поскольку большинство звезд испускают интенсивное
ультрафиолетовое излучение, эти «самозащитные» свойства воды имею!
большое значение-без озонового экрана органические молекулы быстро
бы разрушились под действием ультрафиолетового излучения, а сами
океаны медленно диссоциировали бы молекула за молекулой в течешь
Ультрафиолетовое излучение
Моленулы водыНгО л
Молекулы озона О3
Рис. 11.4. Когда ультрафиолетовое излучение разлагает молекулы воды, часть см
вобожденных атомов кислорода образует молекулы озона, которые сл>
жат защитным экраном от ультрафиолетового излучения.
®® ®® ®®
®® ®® ®®
Молекулы водорода II.
Какие формы может принимать жизнь?
245
миллиардов лет. При диссоциации аммиака выделяется азот, который не
образует защитного экрана от ультрафиолетового излучения и не обеспе-
чивает источника химической энергии, подобного окислительным процес-
сам. Следовательно, планете с аммиачными океанами потребовалось бы
специальное средство защиты, например постоянный облачный покров
с большим содержанием пыли, чтобы предотвратить уничтожение океанов
и любых форм жизни на планете ультрафиолетовым излучением. Вода же
содержит это средство самозащиты в каждой молекуле.
Наше рассмотрение возможных растворителей не является исчерпы-
вающим, но оно помогает сделать решающий вывод: жизнь на Земле ос-
новывается на химии углерода с водой в качестве растворителя не случай-
но, а благодаря присущим углероду и воде свойствам. Возможно,
н|юимущества углерода важнее, чем преимущества воды, но едва ли мы
сильно сужаем диапазон возможностей, предсказывая, что химия большин-
сгва внеземных форм жизни будет основываться на том же элементе и том
же растворителе.
11ехимическая жизнь
До сих пор при обсуждении жизни мы ограничивались известной нам
химией с учетом возможных вариаций температуры, плотности и химиче-
«кого состава. Оставаться при наших изысканиях в рамках химии означает
рассматривать взаимодействия между атомами, из которых могут образо-
наться многие типы молекул, таких простых, как вода, или таких сложных,
как ДНК. Атомы взаимодействуют друг с другом благодаря электромаг-
нитным силам, которые обусловлены положительными и отрицательными
шектрическими зарядами в атомах; при объединении атомов в молекулы
именно электромагнитные силы, а не гравитационные или сильные взаи-
модействия обеспечивают связь между атомами.
Но, когда мы пытаемся рассматривать иные, экзотические, формы жиз-
ни, следует отказаться от химических взаимодействий, управляющих
кизнью на Земле. Нам не следует также ограничиваться при поисках жиз-
ни поверхностями планет. Планеты представляют собой наиболее подхо-
опцие места для появления химической жизни, потому что на планетах
нчче найти необходимые условия-относительно высокую плотность ве-
щества и подходящие для химических реакций температуры, которые бла-
ншриятствуют протеканию химических процессов с относительно высокой
• коростью. Если имеются подходящие условия, а также смесь элементов,
iпличная для звезд, то происхождение жизни на планетах вблизи звезд не-
п.зя считать простой случайностью.
Даже если жизнь, основанная на химических реакциях, окажется широ-
м> распространенной на поверхностях планет, не следует пренебрегать
формами жизни, необычными для нас. Интересными вариантами, которые
нс исчерпывают всех возможностей, является жизнь в плотных меж-
246
Глава 11
звездных облаках, на поверхностях нейтронных звезд и в галактиках
в целом.
В этих трех случаях можно рассмотреть возможность живых существ,
характерные размеры которых много больше или меньше, чем у известных
нам форм жизни. Однако при этом нельзя забывать об одной очень важ>
ной особенности жизни на Земле: о многочисленности особей. Нас, людей,
миллиарды, в то время как большинство видов млекопитающих, птиц
и пресмыкающихся представлено миллионами или по крайней мере многи
ми тысячами особей. Лишь виды, близкие к вымиранию, насчитывают ты
сячи или сотни отдельных особей. Этот факт напоминает нам, что жизнь
на Земле развивалась путем взаимодействия друг с другом огромного чис-
ла отдельных животных и растений. Точнее говоря, чтобы в ходе естс
ственного отбора выжили представители популяции, наиболее приспосо
бленные для жизни и продолжения рода, каждый вид должен был состоять
из большого числа особей, которые могли бы производить потомство со
слегка отличающимися признаками. Большинство эволюционных «экспе-
риментов» природы заканчиваются неудачей, так что вид животных или
растений, насчитывающий лишь несколько сотен особей, не может наде-
яться на значительный прогресс эволюции в своей естественной среде
обитания. Такой вид борется за простое выживание.
Можно ли ожидать иного хода событий на другой планете или в меж
звездном пространстве? Вероятно, нет. Легко вообразить условия, в ко
торых некоторым формам жизни не приходилось бы бороться за выживи
ние и продолжение рода, и они никогда не попадали бы в новую среду
обитания, но тогда способность к эволюционным изменениям была бы
значительно ослаблена. Пока существуют межвидовая и внутривидовая
борьба или изменения в окружающей среде и пока происходят мутации
(см. с. 183), можно ожидать, что естественный отбор будет приводи и.
к возникновению новых видов, которые затем будут эволюционировав ь
в течение многих миллионов лет. Ключом к этому процессу остается взаи
модействие большого числа особей внутри вида и большого числа видон,
возникших в результате указанного взаимодействия.
Таким образом, мы приходим к выводу, что сложные формы жизни,
которые прошли путь развития вплоть до возникновения разума, по-види
мому, не могли быть продуктом лишь нескольких событий, приведших
к появлению нескольких отдельных организмов. Наоборот, миллиарды
и триллионы живых организмов являются свидетельством естественной
конкурентной борьбы за продолжение рода на Земле.
Черные облака
В замечательном фантастическом романе известный английский астро
ном Фред Хойл описал появление вблизи Земли гигантского межзвездною
облака, наделенного разумом, способностью к целеустремленному движс
Какие формы может принимать жизнь?
247
нию и бессмертием. Процессы жизнедеятельности в облаке (как и в нашем
организме) определяются в конечном счете электромагнитными силами,
а мыслит оно, посылая радиосигналы от одной своей части к другой
(рис. 11.5). Его визит в окрестности нашего Солнца вызван необходи-
мостью периодически пополнять запасы энергии путем поглощения боль-
шого количества звездного излучения, в данном случае излучения Солнца.
Облако открывает, что на одной из планет Солнечной системы есть ра-
зумные существа, поскольку им удается установить радиосвязь с облаком,
которое сообщает им массу интересных фактов о Вселенной. «Мозг» обла-
ка состоит из сложного набора частиц, число и специализацию которых
оно может менять по своему выбору. Между этими частицами протекают
электрические токи; схема действия мозга облака мало отличается от
схемы действия нашего мозга.
Черное облако Хойла-живой организм размерами с орбиту Венеры
и массой, почти равной массе Юпитера, напоминает нам о тех трудностях
и преимуществах, с которыми сталкивается наш жизненный опыт при рас-
суждениях о других формах жизни. С одной стороны, мы можем вообра-
зить живое черное облако, которое использует энергию света звезд для
перехода к все большему и большему уровню упорядоченности, мыслит
и чувствует с помощью электромагнитных импульсов, посылаемых по со-
ответствующим каналам. С другой стороны, из нашего знания эволюции
земных организмов следует необходимость многих предварительных эта-
Рис. 11.5. «Черное облако» Фреда Хойла представляет собой смесь меж-
звездных газа и пыли. Мысли передаются с помощью электрических то-
ков, а основным источником энергии является излучение звезд.
248
Глава И
пов эволюции. Конечно, черное облако могло бы существовать, но как оно
могло возникнуть, остается тайной.
Если мы, следуя Хойлу, вообразим ранние стадии эволюции черных
облаков в виде маленьких первичных облачков с меньшими способное! я
ми, то вернемся к нашим излюбленным поверхностям планет. Почему ’
Потому что плотность вещества в межзвездном пространстве столь ма ни
(по сравнению с веществом на планетах), что любые взаимодействия м<
жду частицами протекают там значительно медленнее. Следовательно, для
возникновения жизни потребуется не миллиард лет или около того, как на
Земле, а в тысячи или миллионы раз больше-значительно больше, чем
время, протекшее с начала расширения Вселенной. По той же причине, да
же если жизнь и могла бы возникнуть в межзвездных облаках при малом
плотности, все жизненные процессы, по-видимому, протекали бы значи
тельно медленнее из-за больших расстояний и низких плотностей веще
ства.
Прошли миллиарды лет, прежде чем на Земле появились сложные ор
ганизмы, срок, столь долгий, что время, потребовавшееся для возникнош
ния «разумной» жизни, составляет заметную часть полного возраста Во
ленной (около одной четверти). Хотя некоторые межзвездные облам
действительно могли обладать температурой, требуемой для возникнет
ния жизни за относительно короткое время (примерно от — 50 до 4- 80' < |
большинство из них значительно холоднее (от — 250 до — 200°С). Бол» •
того, чем плотнее облако, тем оно обычно холоднее. Но даже в облай и»
с подходящими температурами и необходимой смесью химических элемсп
тов плотность вещества, в миллион миллиардов (1015) раз более низки»»
чем в земной атмосфере, представила бы серьезное препятствие к упоряд»»
чению вещества до столь высокой степени, которая обеспечила бы возни»
новение жизни в условиях больших расстояний между «сложными» мол»
кулами в одном из таких облаков.
Жизнь на нейтронных звездах
До сих пор мы рассматривали жизнь как следствие хорошо известим*
законов химии, представляющих собой результат действия электромш
нитных сил. Следуя предположению Дрейка, рассмотрим вкратце, как д|н
гой вид взаимодействий -сильные взаимодействия -мог бы создать соиер
шенно иной тип жизни на поверхностях нейтронных звезд.
Как было описано в гл. 7, нейтронные звезды возникают при гравш.»
ционном коллапсе ядер звезд на последних стадиях эволюции. Темперам
ра на поверхности нейтронной звезды должна составлять около 106К, i «
в тысячу с лишним раз больше средней температуры поверхности Зсм чр
равной 300 К. Кроме того, сила тяжести на поверхности нейтронной
звезды выше, чем на Земле, в триллион раз. При столь высокой темпера i >
Какие формы может принимать жизнь?
249
1>с и колоссальной силе тяжести ни одна молекула, ни один атом не могут
уцелеть на поверхности нейтронной звезды. Сталкиваясь с высокими ско-
ростями, молекулы разрушаются, а с атомов срываются электронные обо-
иочки. В результате едва ли можно надеяться обнаружить на поверхностях
нейтронных звезд какой-либо тип жизни, основанный на электромаг-
нитных взаимодействиях, обеспечивающих существование атомов и моле-
кул. И все же не следует терять надежду, потому что жизнь, основанная на
« ильных взаимодействиях, возможна.
Сильные взаимодействия обеспечивают существование ядер всех ато-
мов, более сложных, чем водород. В природе встречаются ядра с числом
нуклонов от одного (единственный протон в атоме водорода) до 238 (92
протона и 146 нейтронов в ядре урана-238). В физических лабораториях
можно создать ядра с числом нуклонов более 238, но они поразительно
оыстро по привычным человеческим стандартам распадаются на более
пегкие ядра. Самое массивное «искусственное» ядро, полученное до на-
стоящего времени, состоит из 265 нуклонов: 105 протонов и 160 нейтро-
иов-и распадается быстрее, чем за миллиардную долю секунды.
Но ведь мы живем в макромире. А теперь предположим, что мы пре-
вратились, скажем, в протон размером около 10“13 см и движемся со ско-
ростью 1000 км/с, типичной для протонов при температуре 106К. Тогда
расстояние, равное собственному размеру, мы проходили бы за 10“ 21 с.
Человек, имеющий рост около 170 см, проходит расстояние, равное своему
росту, примерно за 1 с. Очевидно, ничтожная 10" 21 с для протона равно-
сильна 1 с прогуливающегося человека. В микромире события происходят
in времена, измеряемые интервалами в 10“ 21 с, в то время как в нашей
повседневной жизни длительность событий измеряется секундами. Точнее
юворя, электромагнитные взаимодействия при биохимических процессах
в геле человека происходят за время порядка нескольких тысячных се-
кунды (например, при регистрации фотонов видимого света глазом), не-
скольких десятых секунды (например, при посылке импульса через все че-
ловеческое тело) или нескольких секунд (например, при перемещении
в пространстве).
Вообразим теперь бурлящую поверхность нейтронной звезды, где эле-
ментарные частицы перемещаются и сталкиваются со скоростями в тыся-
чи километров в секунду, это эквивалентно миллионным долям сантиме-
। ра за 10“15 с. При таких столкновениях могут рождаться массивные
ядра, состоящие из тысяч или даже десятков тысяч элементарных частиц,
которые будут существовать, возможно, 10“ 15 с. Спустя это короткое вре-
мя ядро распадается на более легкие ядра; но с точки зрения элементар-
ной частицы с ее характерным временем 10“ 21 с массивное ядро не распа-
дается мгновенно, а напротив, существует в миллионы раз дольше
интервала времени между столкновениями. Иными словами, массивное
ядро, прежде чем распасться, может участвовать в миллионах различных
столкновений или иных взаимодействий.
250
Глава 11
Предположим, что в результате эволюционных процессов на поверхно-
сти нейтронной звезды могли возникнуть формы жизни, т. е. существа, ко-
торые взаимодействуют с окружающей средой и с другими существами
упорядоченным образом. В таком случае возникновение и развитие жизни
происходило бы значительно быстрее, чем следует из нашего земного опы-
та. Поскольку типичное характерное время для жизни, основанной на
сильных взаимодействиях, составляет 10“21 с, т.е. в миллиард миллиар-
дов раз короче, чем 10 "3 с,-характерное время для земной жизни, осно-
ванной на электромагнитных взаимодействиях,-можно ожидать, что эво-
люция на нейтронной звезде будет протекать значительно быстрее и для
возникновения жизни потребуется не миллиард лет, а 10“9 года, т.е.
1/30 с! Хотя это время нам кажется очень коротким, оно позволило бы
осуществиться многим миллиардам взаимодействий между все более
сложными ядрами на поверхности нейтронной звезды.
Если у нас достанет смелости продолжить этот сценарий дальше, то
оказывается, что на поверхностях нейтронных звезд целые цивилизации
переживали бы миллионы взлетов и падений в мгновение ока. Отдельные
члены этих цивилизаций имели бы размеры около 10“ 11 см и жили бы
около 10“ 15 с. Если бы они использовали для связи электромагнитные ко-
лебания, то, вероятно, предпочли бы гамма-кванты с частотами, в 1О10 раз
превышающими частоты видимого света. Такие гамма-кванты возникаю !
при взаимодействиях между элементарными частицами, аналогично тому
как видимый свет возникает при взаимодействиях атомов.
Если бы даже такой тип жизни существовал на нейтронных звездах, то
у нас, вероятно, не было бы надежды на то, что возникшие там цивилиза
ции пользовались бы радиоволнами для внутренней связи или с целью об-
наружения других цивилизаций. Тем не менее эти рассуждения о гипотети-
ческих существах на нейтронных звездах, основанные просто на известных
нам фактах о сильных взаимодействиях между элементарными частицами,
не следует забывать при оценках числа цивилизаций, которые могут в на-
стоящее время существовать в нашей Галактике. Но нам было бы невс
роятно трудно установить контакт с цивилизацией на нейтронной звезде,
если бы такая существовала, из-за огромного различия в масштабах, осо
бенно временных. Едва ли можно рассчитывать на обмен информацией
с цивилизацией, которая существует всего одну миллиардную долю се
кунды. Или им все же было бы, что сказать нам?
Гравитационная жизнь
После того как мы совершили мысленный экскурс, чтобы рассмотрен,
быстро эволюционирующую, основанную на сильных взаимодействиях
жизнь на нейтронных звездах, будет разумно проанализировать и другу к»
крайность-жизнь, основанную преимущественно на гравитационном взаи
Какие формы может принимать жизнь?
251
Рис. 11.6. Галактика NGC2685 (слева) характеризуется некоторой упорядочен-
ностью, но все же она значительно уступает по упорядоченности даже
относительно простому организму, например парамеции (справа).
модействии. В этом случае типичная структурная единица должна быть
достаточно велика, чтобы сила гравитации преобладала над электромаг-
нитными и сильными взаимодействиями, т.е. такая, как звезда. Если от-
дельные звезды играют ту же роль, что отдельные атомы или молекулы
в земной жизни или отдельные ядра в жизни на нейтронной звезде, то ка-
ково значение галактик, состоящих из множества звезд? Являются ли га-
лактики живыми?
Вряд ли! (Но вспомним рассуждения о Гее на с. 230; может быть, сами
геи представляют собой отдельные части сверхгеи-основного организма!)
Наше определение жизни требует не просто высокой степени организации.
252
Глава 11
Галактики довольно хорошо организованы, особенно спиральные, но нм
же не так хорошо, как, например, парамеция (рис. 11.6). Более того, пини
тики, по-видимому, не имеют какой-либо жизненной цели, но здесь ми
становимся жертвами антропоцентризма. В галактиках происходят ри •
личные события, но с характерным временем от секунд (для коллапса oi
дельной звезды) до сотен миллионов лет (для полного оборота галак ни и
вокруг своей оси). Звезды, как правило, взаимодействуют друг с другом
с характерным временем, составляющим многие миллионы лет. Если Ьп
жизнь могла возникнуть в результате многократного повторения такт
взаимодействий подобно тому, как взаимодействовали молекулы в перпич
ном органическом бульоне на Земле, то прошел слишком малый срок, к
ли измерять его в основных «гравитационных» единицах времени, ij
в длительностях единичного взаимодействия между звездами. Следснм
тельно, жизнь, основанная на гравитационных силах, может находиться и *
той же стадии (предполагаемого) развития, на какой была жизнь на Зсм ф
через несколько лет после образования планеты. Гравитационная жи ип
уже могла бы возникнуть, но мы полагаем, что она проявится через мм >•
лиарды миллиардов лет, а не через миллиарды лет, необходимых для ио»
никновения жизни, основанной на электромагнитных силах.
Преимущества типичности
Мы рассмотрели жизнь, основанную на сильных, электромагнитны»
и гравитационных взаимодействиях. Это основные известные нам силы, ни
не исключено, что мы-пленники нашего ограниченного опыта и вообрл
жения. В следующих главах мы будем рассматривать возможность жизни
основанной на электромагнитных взаимодействиях и существующей н|*
имущественно на поверхностях планет. Мы уже видели, почему этот iii;in*
представляется наилучшим, но давайте проявим широту взглядов и будем
считать, что возможны и другие типы жизни. Их следует иметь в виду при
оценке возможного общего числа цивилизаций, с которыми мы надеем<••
установить связь.
Если рассчитывать лишь на вероятность жизни на других планетах,
можно недооценить число пригодных для установления контактов диви ни
заций, упустив из виду возможную жизнь в межзвездных облаках, на псп
тронных звездах и в галактиках в целом или жизнь, покинувшую плане и
где она зародилась. Более того, у нас возникает предубеждение не тольм*
в пользу жизни, подобной нашей, но и в пользу цивилизаций, подобных пн
шей. Но мы идем на этот риск, потому что из современных взглядов и •
Вселенную вытекает, что такие цивилизации должны быть значительно
лее многочисленны, чем другие рассмотренные выше гипотетически-
формы жизни.
Какие формы может принимать жизнь?
253
Даже если ограничиться поисками жизни на планетах с близкими нам
характерными временами, то все же останется огромное число возможно-
стей. В одной лишь нашей Солнечной системе эти возможности прости-
раются от аммиачных облаков Юпитера до пустыни Сахары, от каньона
на Марсе до замерзшего метана на Плутоне. Планеты в других планетных
системах могут обеспечить еще большее разнообразие сред, дающих
шансы для возникновения и развития жизни. Таким образом, даже если
ограничиться планетами, не считая, впрочем, это ограничение абсо-
лютным, то и тогда остается шанс обнаружить миллионы цивилизаций в на-
шей собственной Галактике и соответственно миллионы миллиардов ци-
вилизаций (как минимум!) во Вселенной. Эти цифры мы примем за основу
для начала поисков других цивилизаций, с которыми мы надеемся спокойно
побеседовать.
Выводы
Для жизни, основанной на химических реакциях, т.е. на взаимодей-
ствиях атомов, образующих сложные молекулы, в качестве основного
структурного элемента необходим углерод. Только атомы углерода могут
образовывать такие химические связи с водородом, кислородом, азотом (и
другими менее распространенными элементами), которые содействуют по-
явлению широкого многообразия полимеров, являющихся носителями ин-
формации. Кремний также может образовывать полимеры, но они в обы-
чных условиях слишком стабильны, чтобы служить основой для жизни.
Химическое сродство кремния и кислорода приводит к тому, что при тем-
пературах, достаточно низких для существования сложных молекулярных
структур, кремний окажется связанным в силикатах, основных породах на
нашей планете. Если углерод является важнейшим элементом для всех хи-
мических форм жизни, то это все же не очень большое ограничение, по-
скольку углерод широко распространен повсюду во Вселенной.
Жизнь, по-видимому, нуждается также в растворителе, жидкой среде,
в которой атомы и молекулы могли бы сталкиваться друг с другом
и вступать в химические реакции. Способность воды растворять другие ве-
щества делает ее одним из наиболее подходящих растворителей. Кроме
того, вода обладает такими свойствами, как высокие теплоемкость и те-
плота парообразования, способность оставаться в жидком состоянии
в подходящем диапазоне температур, распространенность в космическом
пространстве и химическая стабильность. Благодаря этому вода так хо-
рошо подходит для жизнедеятельности всех живых организмов на Земле.
При некоторых весьма специальных условиях аммиак мог бы заменить
воду, но мы полагаем, что большинство живых систем во Вселенной ис-
пользуют ту же жидкую среду, что и мы. Необходимость жидкого раство-
254
Глава И
рителя накладывает ограничение на диапазон температур, пригодный дим
жизни.
Для всех типов жизни представляется существенным, чтобы она состоя
ла из множества отдельных особей. В противном случае у процессов сс н
ственного отбора не будет достаточного «поля деятельности», т. е. возмоя
ности выбора среди различных живых систем на основе их способное ш
к продолжению рода.
Мы можем вообразить по крайней мере два других типа жизни, кром*
химической: жизнь, основанную на элементарных частицах, точнее пп
сверхтяжелых ядрах, между которыми осуществляются сильные взаим*»
действия (такая жизнь может продолжаться значительно меньше одном
триллионной доли секунды), и гравитационную жизнь, основанную ш*
взаимодействии гигантских объектов, настолько удаленных друг от друи»
что гравитационные силы превосходят электромагнитные, сильны*
и слабые взаимодействия.
Гравитационная жизнь едва ли возникнет за 15 или 20 млрд, лет поен
начала расширения Вселенной, поскольку такой промежуток времени н«
позволяет гравитационным взаимодействиям создать более сложны*
структуры, чем галактики, скопления галактик и звезды. Жизнь на nvh
тронных звездах могла бы существовать, так как высокие темпера тур»*
и плотности на их поверхностях позволяют всем типам ядер образом»
ваться и распадаться за ничтожные доли секунды. Однако мы столкнули* *
бы с большими трудностями при попытке установить контакт с любой и •
этих форм жизни, поскольку характерное время для них составляет окон*’
10“ 21 с, а наиболее предпочтительные для связи длины волны соогы *
ствуют чрезвычайно жестким гамма-лучам.
Даже если ограничиться химической жизнью, не следует вести ион* *
лишь на поверхностях планет. Межзвездные облака газа и пыли могли «»• •
приобрести чрезвычайно сложную структуру и разум даже без учаенн*
процесса воспроизведения. Такие «черные облака» могли бы использован
внутренние электрические токи аналогично тому, как они использую и ••
в наших телах, для передачи сообщений к центральному мозгу и от нсн-
Но здесь вновь характерное время, необходимое для достижения coo i и* *
ствующей сложности, может оказаться слишком большим из-за отшив
тельно больших расстояний между отдельными молекулами.
Вопросы
1. Почему углерод представляется наилучшим элементом для образо1шн**
сложных молекул во Вселенной?
2. Мог бы кремний, подобно углероду, служить основой структуры ело» и*
молекул? Почему?
Какие формы может принимать жизнь?
255
3. Что говорит нам большая распространенность молекул силикатов в коме*
i;ix, метеоритах, планетах и звездах о стремлении кремния соединиться с кислоро-
дом? Какое значение это имеет для образования больших сложных молекул, ис-
пользующих кремний в качестве основного структурного элемента?
4. Почему высокие теплота парообразования и теплоемкость делают воду
н|юдпочтительной для использования в живых организмах в качестве растворите-
IM ?
5. Каковы преимущества растворителя, который расширяется при замерзании?
каковы его недостатки?
6. Какие физические условия делают жизнь в плотных межзвездных облаках
маловероятной по сравнению с жизнью на поверхностях планет?
7. Почему жизнь на нейтронных звездах могла бы существовать в течение не-
вероятно коротких интервалов времени по сравнению с жизнью на поверхностях
и напет?
8. Почему гравитационная жизнь должна возникать и развиваться значительно
медленнее, чем на Земле?
Литература
Hemal J. The world, the flesh, and the devil, 2nd ed., Univ, of Indiana Press,
Bloomington, 1969.
tirohstem C. The strategy of life, 2nd ed., W.H. Freeman and Co., 1974. (Имеется пере-
вод 1-го изд.: Гробстайн К. Стратегия жизни-М.: Мир, 1968.)
Shklovskii J., Sagan С. Intelligent life in the universe, Holden Day, San Francisco, 1965.
'ddlovsky J., Bateman R. Biophysics, John Wiley and Sons, New York, 1965.
Научная фантастика
Hoyle F. The black cloud, Signet Books, New York, 1957. (Имеется перевод: Хойл Ф.
Черное облако-М.: Знание, 1966.)
ЧАСТЬ IV
Поиск жизни
в Солнечной
системе
Пуг юс пространство подобно царству,
и небеса и земля не более
им отдельная личность в этом царстве...
Ник неразумно было бы предполагать,
in» кроме небес и земли,
мнорые мы видим,
•и । других небес и других земель.
Лэн Му, китайский философ XIII в.
Девять планет Солнечной системы, а также кометы и метеориты, со-
• ।нищие, по-видимому, из первичного вещества,-таковы многочисленные
и|ц.екты, где может быть обнаружена жизнь или по крайней мере добиоло-
। ичсские сложные молекулы. Когда-то мы лишь строили гипотезы о воз-
можных пристанищах жизни за пределами Земли, а теперь исследуем их,
посылая экспедиции на их поверхность или с помощью автоматических
ми мических аппаратов. Хотя пока не найдено надежных доказательств су-
ществования жизни где-либо, кроме нашей планеты, мы уже собрали за
последнее десятилетие много полезной информации, которая со временем,
нероятно, позволит понять, почему одни среды подходят для жизни, а дру-
। пс нет. В той мере, в которой Солнечная система является типичной пла-
не । ной системой, поиски жизни в окрестностях Солнца снабжают нас так-
ие информацией о числе возможных обителей жизни в нашей Галактике
н in ее пределами.
• ю
Гравюра из Atlas novus coelestis (Новый небесный атлас), опубликованного в 174? i
показывает различные модели Солнечной системы: Птолемея (слева), Тихо 1>р;и•
(в центре) и Коперника (справа).
Происхождение
и начальные стадии эволюции
Солнечной системы
Глава 12
Наше поколение стало свидетелем серьезного поиска жизни в других
мирах сначала с помощью фотографической разведки на пяти ближайших
соседях Земли, а затем непосредственно на Луне, Марсе и Венере. Мы из-
учали соседние планеты не просто, чтобы установить, обитаемы они или
нет, но и чтобы больше узнать об условиях на них в настоящем и в про-
шлом. Но эти исследования всегда связаны с нашей основной проблемой:
как возникла жизнь в Солнечной системе и как широко она распростране-
на?
Когда мы переходим к поиску жизни во Вселенной, то ключевым ста-
новится следующий вопрос: какая часть из всех существующих звезд-оди-
ночных, двойных и кратных-имеет планетные системы? Иными словами,
сколько планетных систем, подобных нашей, насчитывается в Галактике?
Мы вернемся к подробному обсуждению этого вопроса в гл. 17, а сейчас
сосредоточим внимание на известных планетах. Наши попытки объяснить
их происхождение и эволюцию помогут оценить значение жизни на Земле
и предсказать характеристики других, еще не открытых планетных систем,
которые могут включать планеты, подобные нашей.
Попытаемся восстановить историю процесса конденсации Солнечной
системы в одну звезду, девять планет, их спутники и более мелкие осколки
на основе изучения наиболее примитивных членов, претерпевших меньше
всего изменений за 4,6 млрд, лет со времени формирования Солнечной си-
стемы. Легче всего поддаются изучению такие представители начальной
стадии нашей планетной системы, как кометы-глыбы грязного льда, ко-
торые обращаются вокруг Солнца на огромных расстояниях от нас; ме-
теорные тела и астероиды, каменистые или металлические тела, обращаю-
щиеся вокруг Солнца примерно по таким же орбитам, как и планеты;
Меркурий и Луна, два объекта внутренних областей Солнечной системы,
поверхности которых не подвергались эрозии под действием ветра и до-
ждя, поскольку эти небесные тела не имеют атмосфер. Изучение этих не-
бесных тел снабдило нас основной информацией о ранней Солнечной си-
стеме; к сожалению, этой информации недостаточно, чтобы полностью
восстановить процесс ее образования, но достаточно для создания реали-
17*
260
Глава 12
стамеской модели, способной объяснить большинство уже известных фак-
тов. В ближайшем десятилетии мы надеемся найти дополнительные
данные об условиях в ранней Солнечной системе, изучая атмосферы пла-
нет-гигантов и поверхности их спутников с помощью космических аппара-
тов.
Образование Солнечной системы
Девять планет обращаются вокруг Солнца по почта круговым орби-
там, которые лежат примерно в одной плоскости (рис. 12.1); 99,9% массы
Солнечной системы содержится в Солнце, а из остальной 0,1% основная
часть сосредоточена в четырех планетах-гигантах, крупнейшая из которых
Юпитер. Масса Земли, крупнейшей из четырех планет земной группы, со-
ставляет лишь */з18 массы Юпитера и */329000 массы Солнца.
Четыре планеты-гиганта поразительно отличаются от четырех плане!
земной группы (Меркурия, Венеры, Земли и Марса) по размерам и химиче-
скому составу. Планеты-гиганты велики, газообразны, разрежены и богаты
водородом, а планеты земной группы малы, тверды, плотны и бедны во-
дородом. Поскольку планеты-гиганты состоят главным образом из водо-
Плутон
Рис. 12.1. Девять планет обращаются вокруг Солнца в одинаковом направлении
и почти в одной плоскости. Между орбитами Марса и Юпитера распо
лагаются объекты меньших размеров, называемые астероидами. Их бо
лее вытянутые траектории иногда выводят их за пределы орбиты Си
турна или внутрь орбиты Марса, а иногда они приближаются к Земле'
Плутон, самая внешняя планета, иногда оказывается внутри орбиты Нс
птуна (см. рис. 16.10).
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
261
Рис. 12.2. Когда газо-пылевое облако, из которого образовалась Солнечная систе-
ма, начало сжиматься, оно приобрело вращение. По мере уменьшения
размеров облака его вращение ускорялось (слева). Это вращение предот-
вращало сжатие облака в направлениях, перпендикулярных оси враще-
ния. В результате сжимающееся и вращающееся облако приобрело фор-
му диска (в центре). В пределах дискообразного распределения вещество
сконцентрировалось в планеты на расстояниях от Солнца, соответ-
ствующих их будущим орбитам (справа).
рода и гелия, их химический состав подобен среднему химическому соста-
ву Вселенной. Химический состав планет земной группы совсем иной:
Вселенная богата водородом, а Земля нет.
Есть довольно простое объяснение сильных различий между четырьмя
и нанетами-гигантами и четырьмя планетами земной группы. (Самая внеш-
няя планета Плутон представляет собой исключение из этой схемы; она,
но-видимому, больше похожа на один из спутников далеких планет.) Бо-
нн ые водородом планеты представляют собой относительно мало изме-
нившееся первичное вещество, из которого сформировалась Солнечная си-
। юма, а твердые планеты земной группы потеряли большую часть легких
нгюв, составлявших основу этого вещества. Вместо первичных атмосфер,
шхваченных из газо-пылевого облака, и? которого сформировалась Сол-
нечная система, они имеют вторичные атмосферы, возникшие после обра-
ншания планет.
Астрономы в настоящее время полагают, что Солнечная система воз-
никла из сгущения в межзвездном газо-пылевом облаке, которое каким-то
• »ьразом приобрело достаточную плотность, чтобы начать сжиматься под
чгйствйем собственных сил гравитации (рис. 12.2)*. Облако должно было
нращаться сначала медленно, а с уменьшением размеров все быстрее, как
фигуристка, которая прижимает к себе руки, чтобы ускорить вращение.
11ервичное облако сначала имело размеры, составляющие заметную долю
* В одной из теорий, подтверждаемых данными о содержании редкого изо-
кша алюминия в древнейших метеоритах, предполагается, что стимулом к обра-
ннтнию Солнечной системы послужила близкая вспышка сверхновой!
262
Глава 12
среднего расстояния между звездами, возможно, световой год; средний со-
временный радиус нашей планетной системы равен 40 радиусам земной
орбиты (40 астрономическим единицам), т. е. Vzooo светового года. Но не-
которые кометы, обращающиеся вокруг Солнца, уходят от него в наибо-
лее удаленных точках своих орбит на огромные расстояния, составляющие
заметную часть светового года и даже больше. Таким образом, кометы
можно рассматривать как глыбы вещества, сконденсировавшегося в начале
формирования Солнечной системы, орбиты которых все еще отражают
размеры протосолнечной системы. С другой стороны, кометы могли сфор-
мироваться ближе к Солнцу, а затем в результате прохождения вблизи
планет отклониться от своих первоначальных орбит.
При сжатии газо-пылевого облака до современного размера Солнечной
системы его вращение препятствовало сжатию в направлениях, перпенди-
кулярных оси вращения (рис. 12.2). Иными словами, силе гравитации было
легче стянуть вещество облака к его центру вдоль оси вращения, чем в по-
перечном направлении. Вследствие совместного действия сжатия и враще-
ния образовалось вращающееся облако в форме диска с значительно боль-
шей плотностью, чем до сжатия, в котором частицы сталкивались чаще
и переходили в результате столкновений на новые орбиты вокруг центра
облака. Плотность была максимальной в центре, где началась конденсация
протосолнца. Ко времени, когда Солнце достигло достаточной плотности
для того, чтобы в нем начались термоядерные реакции, в дискообразном
облаке стали образовываться сгущения вещества на различных расстоя-
ниях от центра. Регулярное расположение планетных орбит вокруг Солнца
(табл. 12.1), по-видимому, отражает процесс образования сгущений веще-
ства в пределах дисковидной конфигурации.
Когда на Солнце 4,6 млрд, лет назад начались термоядерные реакции,
температуры планет, особенно внутренних, заметно повысились. Два ре
шающих фактора, которые определяли лицо будущей планеты,-это размер
протопланеты и ее расстояние от Солнца, Планеты небольших размером
не в состоянии удержать водород и гелий, самые легкие газы, особенно
если температура настолько высока, что легчайшие молекулы покидают их
поверхность. Во время формирования планет из неплотных сгущений, об
ращающихся вокруг Солнца, массы, которые они приобрели до начали
термоядерных реакций на Солнце, сыграли определяющую роль в том.
могла ли планета удерживать водород и гелий. Другим определяющим
фактором были расстояния планет от Солнца, от которых также зависело,
смогут ли водород и гелий преодолеть силу гравитации планеты. Дело
в том, что ближайшие планеты нагревались сильнее, а чем выше темпера
тура, тем труднее удержать водород и гелий при данной силе гравитации
(рис. 12.3).
Результаты совместного действия этих двух факторов мы находим в вы
нешних планетах. Все четыре планеты земной группы оказались неспо
Таблица 12.1
Параметры планет и их орбит (диаметр и масса Земли приняты за единицу)
Планета Диаметр Масса Средняя плотность, г/см3 Период обращения, годы Расстояние от Солнца (астрономические единицы) Расстояние между орбитами
Меркурий 0,38 0,055 5,44 0,241 0,387 0,336 0,277 0,524 [1,25] [2,43] 4,34 9,64 10,88 9,38
Венера 0,95 0,82 5,24 0,615 0,723
Земля 1,00 1,00 5,52 1,0 1,0
Марс 0,53 0,11 3,95 1,88 1,524
[Астероиды] Юпитер 11,18 317,8 1,3 11,86 В среднем [2,77] 5,20
Сатурн 9,42 95,1 0,7 29,46 9,54
Уран 4,08 14,5 1,3 84,01 19,ia
Нептун 3,85 17,2 1,7 164,79 30,06
Плутон 0,24 0,002 0,7 247,7 39,44
264
Глава 12
Внешние планеты
Солнце
Рис. 12.3. Чем ближе планета к Солнцу, тем она сильнее нагревается, поэтому ch
труднее удержать легчайшие газы при данной силе гравитации. В свою
очередь неспособность удержать водород и гелий мешает планетам при
обрести массу, достаточную для удержания этих легких элементом
собны удерживать водород и гелий на протяжении миллиардов лет со
времени своего образования; эти два легчайших газа улетучились практи
чески через несколько сотен миллионов лет после того, как Солнце начало
светить. Планеты-гиганты, значительно более удаленные от Солнца, на ста
дии протопланет имели гораздо более низкие температуры, поэтому эти
планеты приобрели значительно большие массы, чем внутренние планеты.
Если бы Юпитер находился теперь на месте Земли, т. е. в пять раз ближе
к Солнцу, то он все же удержал бы свои водород и гелий, потому что его
масса в 318 раз превосходит массу Земли и создает значительно большую
силу гравитации. Но Юпитер мог приобрести такую массу лишь на рас
стоянии, в пять раз превышающем расстояние от Земли до Солнца; плане
та, которая сформировалась ближе к Солнцу, т. е. наша Земля, никогда нс
смогла бы приобрести такую громадную массу и удерживать водород
и гелий в течение длительного времени, после того как Солнце начало свс
тить*. Даже среди планет-гигантов Уран и Нептун, которые превосходя!
Землю по массе лишь в 15 и 17 раз, соответственно, по-видимому, характс
ризуются более низким содержанием водорода и гелия, чем Юпитер и Са
турн с массами 318 и 95 земных. Это означает, что Уран и Нептун потеря-
ли часть водорода и гелия в процессе своего формирования, несмотря на
их огромные расстояния от Солнца.
Подразделение планет в любой планетной системе на группу плотных»
твердых внутренних планет и группу разреженных, газообразных внешних
планет имеет смысл, если наша Солнечная система возникла «стан
* Масса Земли была бы приблизительно равна массе Сатурна, если добавив,
недостающие водород и гелий к современным запасам различных элементов на на
шей планете в той же пропорции, в какой они содержатся на Солнце
и планетах-гигантах.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
265
дартным» образом. Мы познакомимся со свидетельствами в пользу этого
утверждения, когда будем изучать спутники Юпитера (гл. 16), у которого
внутренние спутники плотнее, чем внешние. Юпитер столь огромен, что он
обогревал окружающее пространство в период своего формирования, вы-
зывая разделение минералов с различными температурами плавления по-
добно Солнцу. Мы ожидаем того же эффекта в других планетных систе-
мах, хотя у нас пока нет ни одного примера, чтобы проверить это
предположение (см. гл. 17).
Кометы
Малые тела, которые лучше всего отражают условия в первичной Со-
лнечной системе,-это кометы. Их сильно вытянутые орбиты не обнаружи-
вают концентрации к плоскости Солнечной системы, следовательно, ко-
меты могли сформироваться до того, как протосолнечная система
приобрела форму диска. Согласно современным теориям, основу кометы
составляет ядро, которое напоминает огромный грязный снежный ком мас-
сой, равной массе большой горы, и диаметром несколько километров.
«Снег» в комете состоит из обычного водяного льда с примесью углекис-
лого газа и других замерзших газов неизвестного состава, возможно вклю-
чающих и более сложные соединения, такие, как формальдегид и цианаце-
гилен. «Грязь» представляет собой частицы породы различных размеров,
которые, очевидно, не подвергались плавлению или другим процессам, по-
скольку они до сих пор остаются вкрапленными в кометный лед. Астро-
номы полагают, что именно благодаря отсутствию химических взаимодей-
ствий кометы являются нетронутыми образцами первичного вещества, из
которого образовалась Солнечная система, и что они могут содержать
и своих недрах оставшиеся неизменными пылинки и молекулы межзвезд-
ного вещества.
Рис. 12.4. Большинство комет имеют чрезвычайно вытянутые орбиты и находятся
в сотни или тысячи раз дальше от Солнца, чем Плутон, самая далекая
планета Солнечной системы.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы 267
Большую часть своей жизни каждое кометное снежное ядро медленно
обращается вокруг Солнца на огромных расстояниях, в тысячу раз превы-
шающих расстояние от Солнца до Плутона (рис. 12.4). Вдали от солнечно-
го тепла такое ядро имеет температуру лишь на несколько градусов выше
абсолютного нуля. Миллионы или, может быть, миллиарды комет обра-
щаются вокруг Солнца, но мы ничего не знаем о них до тех пор, пока ка-
кая-либо из них не приобретет случайно (возможно, под действием притя-
жения соседних звезд) новую орбиту и не попадет во внутренние области
Солнечной системы. Но и тогда с кометой ничего не происходит до тех
пор, пока она не приблизится к Солнцу на расстояние, сравнимое с рас-
стоянием до Юпитера. После этого лед начинает испаряться, и газ и пыль,
освобожденные из снежного ядра, рассеиваются и образуют диффузную
оболочку, называемую комой.
По мере приближения к Солнцу все больше и больше газа и пыли ос-
вобождается и образуется эффектный хвост, который тянется за ядром
па многие миллионы километров и придает комете необыкновенную кра-
соту (рис. 12.5). Некоторые кометы имеют два хвоста: газовый и пыле-
вой,-а иногда комета имеет несколько хвостов того и другого типа. Гра-
витационное воздействие со стороны Солнца и планет-гигантов может
разрушить комету при пересечении ею «заселенной планетами» части Со-
лнечной системы. Астрономы также наблюдали, как некоторые кометы
при прохождении вблизи Солнца распадались на два или несколько ку-
сков, которые продолжали двигаться по первоначальной орбите. Иногда
притяжение одной из планет-гигантов может так отклонить комету, что
она будет подходить ближе к Солнцу. Известны многие десятки таких ко-
роткопериодических комет, обходящих Солнце всего за несколько лет по
сравнению с сотнями тысяч или миллионами лет, которые требуются пер-
вичным долгопериодическим кометам для одного оборота вокруг Солнца.
Комета Галлея, наиболее известная благодаря своим регулярным возвра-
щениям каждые 76 лет, имеет промежуточную орбиту, которая прости-
рается за орбиту Нептуна, но не на такие гигантские расстояния, как
у долгопериодических комет.
Кометы предоставляют нам возможность исследовать вещество пер-
вичной Солнечной системы, которое образовалось прямо из первичных га-
ia и пыли и мало изменилось за прошедшие 4,6 млрд. лет. Они даже «де-
вают нам одолжение», доставляя это хорошо сохранившееся древнее
вещество в окрестности Земли, когда долгопериодическая комета при
своем первом прохождении вблизи Солнца может оказаться в нескольких
1*ис. 12.5. Комета Мркоса, названная в честь ее первооткрывателя, появилась
в 1957 г. Позади кометного ядра видны прямой газовый хвост и искри-
вленный пылевой хвост.
268
Глава 12
миллионах километров от нашей планетй. Твердая, хорошо сохранившая
ся комета, даже совершив миллионы оборотов, содержит вещество, кого
рое было защищено от воздействия высоких температур и по своему со
ставу ближе к первичному, чем любое другое вещество в Солнечной
системе. По этой причине многие ученьке мечтают послать космический
аппарат к комете Галлея при ее следующем прохождении вблизи Солнца
в 1986 г.♦
С помощью спектрального анализа солнечного света, отраженною
и переизлученного кометами, астрономы обнаружили, что в этих перво <
данных снежных комьях содержится удивительно много относительно
сложных молекул. Поскольку считается, что кометы сконденсировались на
ранней стадии образования Солнечной системы, не исключено, что в них
удастся обнаружить некоторые молекулы, содержащиеся в межзвездных
облаках (табл. 4.1). Действительно, обнаружение воды, окиси углерода,
цианистого водорода HCN и метилцианида CH3CN в кометах свидс
тельствует о связи между ледяными глыбами комет и межзвездными
облаками, из которых они сконденсировались (табл. 12.2).
Таблица 12.2
Молекулы, обнаруженные в кометах
Кома Хвост
Н2О* CN- NH
HCN* сн с3
CH3CN* он
COJ* СО
NHJ* NH
с2
CS
Н2О+ NJ
со2 со+
сн+
он+
* Отождествление этих соединений требует дальнейшей проверки.
** Предполагаемые, но пока прямо не обнаруженные «поставщики» таких молекул, как СО и NH.
Чтобы подтвердить этот вывод, следовало бы продолжить поиски в ко
метах других органических молекул, кроме тех, которые были обнаружены
за прошедшие пять лет. Какова «родительская» молекула фрагмента С, ?
А что если HC5N? И что можно сказать о простейших аминокислотах, ко
торые возникали в экспериментах Миллера-Юри (гл. 9)? Нет ли неко
торых из них в ядрах комет? Это можно было бы исследовать, запусти и
* Разрабатываются три проекта таких полетов (СССР-Франция, Европейское
космическое агенство и Япония).- Прим. ред.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
269
к комете серию космических аппаратов, которые сначала взяли бы пробы
ива вблизи ее ледяного ядра, а в конце концов доставили бы и образцы
। вердого вещества для изучения в земных лабораториях. Тогда бы мы зна-
ки, какие типы соединении доставляли эти ледяные вестники на поверх-
ность ранней Земли. Возможно, такие контакты помогли формированию
атмосферы или даже способствовали началу некоторых химических реак-
ций, которые в конечном итоге привели к возникновению жизни.
Летероиды, метеорные тела
и метеориты
Итак, кометы, которые проводят большую часть жизни в глубинах кос-
моса на границе Солнечной системы, представляют собой лучше всего со-
хранившееся первичное вещество, относительно доступное изучению. Дру-
1им источником первичного вещества являются бесформенные обломки,
называемые астероидами и метеорными телами, которые, подобно коме-
1ам, обращаются вокруг Солнца по вытянутым орбитам, но не уходят так
цалеко от него (рис. 12.1). Размеры астероидов лежат в диапазоне от сотен
километров в поперечнике у некоторых объектов, до менее одного киломе-
। ра у многих тысяч объектов, а их орбиты располагаются между орбитами
Марса и Юпитера. Астероиды считают фрагментами планеты, которая мо-
। на бы образоваться, но так и не сформировалась, потому что гравита-
ционное воздействие Юпитера помешало слипанию вещества в одно круп-
ное тело. Таким образом, астероиды могли бы снабдить нас ценными
образцами «ископаемого» вещества, которое существовало 4,6 млрд. лет
назад, когда планеты начали формироваться, но еще не достигли совре-
менных размеров.
Межпланетные странники меньших размеров, называемые метеорными
1елами или метеороидами, имеют размеры от нескольких сотен метров
и поперечнике до долей миллиметра. На деле метеорные тела-это малень-
кие астероиды, и астрономы дополнительно выделяют их лишь потому,
•I го эти тела при своем движении вокруг Солнца могут пересекать орбиту
1смли и сталкиваться с нею. Когда маленькое метеорное тело входит
и земную атмосферу, его большая скорость относительно Земли, обусло-
и пенная различием орбит, приводит к сильному нагреванию вследствие
юрможения в верхней атмосфере. В результате этого нагревания малень-
кие метеорные тела испаряются; их называют падающими звездами или
метеорами. Если метеорное тело имеет относительно большую начальную
массу, то оно может уцелеть при торможении в атмосфере и его остаток
достигнет земной поверхности в виде метеорита.
Поверхности Меркурия, Венеры, Марса и Луны испещрены многими
шсячами метеоритных кратеров, большинство которых образовалось
и первые сотни миллионов лет после формирования Солнечной системы.
270
Глава 12
В ту эпоху «дождь» из миллионов метеоритов обрушивался на все пла-
неты земной группы, так как последние обломки вещества бомбардирова-
ли поверхности новорожденных планет. На нашей планете немного
крупных метеоритных кратеров (рис. 12.6). Объясняется это тем, что, хотя
Земля вначале не избежала интенсивной бомбардировки, геологические
следы первых нескольких сотен миллионов лет затем исчезли в результате
эрозии и движения литосферных плит.
10 августа 1972 г. над Вайомингом (рис. 12.7) можно было видеть ред
кое явление, которое в далеком прошлом было довольно обычным: метео
рит пронесся по небу и сгорел в атмосфере всего в 58 км от поверхности
Земли. Он имел в поперечнике лишь 4 м, хотя его масса составляла около
4000 т, и мог бы вызвать большие разрушения при ударе о землю. По-
Рис. 12.6. Большой метеоритный кратер в Аризоне диаметром более киломецм
образовался около 20000 лет назад в результате падения метеориы
массой, равной многим тысячам тонн.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
271
Рис. 12.7. Метеорное тело (светлая полоса над горами), которое чуть не упало на
Землю в августе 1972 г., при движении в атмосфере имело скорость 15
км/с относительно Земли.
добный объект, по-видимому, ядро кометы, упал в Сибири в 1908 г., пова-
лив деревья на большой территории. Несмотря на небольшие размеры ме-
теорита 1972 г., при его ударе о землю выделилась бы примерно такая же
энергия, как при взрыве атомной бомбы.
272
Глава 12
Изучив все метеориты, найденные на Земле, ученые разработали об-
щую классификацию этих объектов, основанную на их химическом и мине-
ралогическом составе. Большинство найденных метеоритов каменные.
обычно это глыбы скальных пород; меньшая часть-железно-каменные
с включениями, богатыми металлами; наконец, отдельные метеориты со-
стоят преимущественно из железа, никеля и других металлов. Датировка
возраста метеоритов радиоактивными методами дает максимальное значе-
ние 4,6 млрд, лет, равное возрасту самой Солнечной системы. Наиболее
интересен подкласс’ каменных метеоритов, называемых хондритами. Они
содержат округлые включения-хондры, заметно отличающиеся от осталь-
ного вещества метеорита. Из хондритов наибольший интерес для нас
представляют углистые хондриты, до 5% массы которых состоит из раз
личных соединений углерода. Поскольку эти объекты менее всего подвер
глись нагреванию, они являются древнейшими из метеоритов.
Среди углистых хондритов древнейшие образцы, которые относят к ти
пу I, содержат наибольший процент углерода, азота и воды по сравнении»
с метеоритами всех других типов. Некоторые ученые полагают, чк»
углистые хондриты типа I являются скорее фрагментами старых komci,
а не выходцами из пояса астероидов. Независимо от того, верно это или
нет, совсем не нужно ждать, пока образцы кометного вещества будут доел а
в лены космическими аппаратами, чтобы иметь возможность изучить про
дукты добиологической органической химии в космосе. Ведь можно при
ступить к изучению соединений, обнаруженных в различных типах
углистых хондритов, причем подобные исследования уже дали интересные
результаты.
Аминокислоты в метеоритах
Поиски соединений, образовавшихся вне Земли, в метеоритах, всегда
осложняются тем, что между падением метеорита на Землю и его обнару
жением обычно проходит много времени. Разнообразные типы загряз! а
ний могут добавить земные органические молекулы к тем, которые содср
жатся в самом метеорите. Однако ученым по крайней мере дважды
посчастливилось найти углистые хондриты вскоре после их падения на ’к
млю. Первый из них, метеорит Мерчисон, который упал в Австралии
в 1972 г., был найден, по крайней мере частично, уже на следующее yip»»
после падения (рис. 12.8).
Тщательный химический анализ метеорита Мерчисон показал прису t
ствие 16 аминокислот, основных строительных блоков-белков. Пять и»
этих аминокислот входят в состав живых организмов на Земле, и»*
остальные И редки. Тот факт, что лишь пять из 16 аминокислот обычп"
встречаются в земных организмах, свидетельствует об отсутствии загрм»
нений. Две дополнительные проверки подтвердили этот вывод. Во-периы»
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
273
Гис. 12.8. Обломки метеорита Мерчисон, обнаруженные вскоре после падения
в 1972 г., содержат 16 различных аминокислот.
• |н‘ди аминокислот метеорита Мерчисон обнаружены одинаковые количе-
ina левых и правых молекул, в то время как земные аминокислоты
к живых организмах почти целиком относятся к левой форме и способны
превратиться в смесь равных количеств левых и правых молекул лишь че-
» сотни тысяч лет независимого существования. Во-вторых, отношение
<1’держаний изотопов углерода-12 и углерода-13 в метеорите оказалось
Г11И1ЫМ 88,5, а в земных организмах оно колеблется от 90 до 92, т.е. отли-
274
Глава 12
чается от 88,5 ненамного, но достаточно, чтобы подтвердить внеземное
происхождение углерода в аминокислотах метеорита Мерчисон.
Обнаружение аминокислот в этом метеорите, а затем в подобном мс
теорите Меррей показывает, что природа создала аминокислоты в относи
тельно неблагоприятных условиях-в холодном вакууме межпланетною
пространства-из основных составляющих внутренней части протосолнсч
ной системы. Образование этих аминокислот, по-видимому, подтверждас!
нашу основную схему происхождения жизни на Земле, согласно которой
аминокислоты образуются естественным путем из основных ингредиентов.
Еще одно подтверждение пришло с открытием в метеоритах гуанина
и аденина-двух оснований, образующих поперечные связи в молекулах
ДНК и РНК (см. рис. 8.5). Жирные кислоты и другие жизненно важные
молекулы также были найдены в углистых хондритах. Следовательно, хм
мические процессы, в которых образуются соединения, важные для возник
новения жизни, по-видимому, протекали в различных условиях, и можно
ожидать широкого распространения этих процессов во Вселенной. Кометы
также могут содержать молекулы, имеющие отношение к жизни; именно
эта возможность послужила исходным пунктом весьма спорной теории,
согласно которой кометы при своем прохождении вблизи Земли приноси
ли с собой эпидемии чумы (с. 104). Более приемлемым в этом смысле
является предположение о том, что вещество метеоритов и комет, ко
торые, несомненно падали на первичную Землю, могло послужить истом
ником готовых органических молекул и, таким образом, ускорить образо
вание более сложных добиологических молекул на Земле.
Меркурий и Луна
В наших поисках изначальных, претерпевших наименьшие изменении
членов Солнечной системы на первом месте среди объектов внутренней сг
части стоят Меркурий и Луна. Поскольку они не имеют атмосфер, их по
верхности не подвергались сколько-нибудь заметному выветриванию зп
4,6 млрд, лет со времени их образования.
Более того, породы на Луне и Меркурии, по-видимому, более древние,
чем на Земле, поскольку на этих небольших объектах вероятно не было зп
меткой тектонической активности: на них отсутствуют дрейф материков,
образование вулканов вдоль зон разломов и расширение океаническою
дна (спрединг). Для перемещения литосферных плит необходим мощный
источник тепла, который может существовать лишь на довольно крупной
планете, где высвобождается достаточно тепла в результате распада рн
диоактивных изотопов. Даже на Марсе, который больше Меркурии
и Луны, отсутствует заметная тектоническая активность, потому что тси
ло, выделяемое при распаде радиоактивных изотопов, выходит на поверх
ность и излучается в космос слишком быстро, чтобы вызвать движении,
Рис. 12.9. Поверхность Меркурия, сфотографированная с борта космического ко*
рабля «Маринер-10» в 1974 г., изрыта кратерами, подобно поверхности
Луны.
подобные спредингу. Следовательно, на небольших планетах сохранились
первичные породы, потому что там отсутствуют значительные внутренние
конвективные процессы, которые могли бы перенести то, что было ранее
корой, в мантию планеты. Однако при изучении Меркурия и Луны мы убе-
дились, что бесполезно искать на них жизнь. Из-за близости Меркурия
ни
276
Глава 12
к Солнцу температура на его дневной стороне превышает 300°С; он под-
вергается также наиболее интенсивному во всей Солнечной системе облу-
чению ультрафиолетом. На Луне также велик перепад температур ото дня
к ночи, и она не защищена от гибельного потока ультрафиолетового
излучения.
Поверхность Меркурия напоминает сильно изрытые кратерами участки
поверхности нашего естественного спутника (рис. 12.9) и отражает свет
почти так же, как лунные породы. Это наводит на мысль, что поверхности
Меркурия и Луны состоят в основном из одних и тех же типов пород. Пе-
риод вращения Меркурия связан с его 88-суточным периодом орбитально-
го движения любопытной резонансной связью: планета делает ровно три
оборота вокруг своей оси за два оборота вокруг Солнца. Следовательно,
каждая часть поверхности планеты вначале проходит под палящими луча-
ми Солнца, а затем погружается в 88-суточную ночь, в течение которой
температура падает до — 150°С! Исследователям, которые захотели бы
высадиться на Меркурий, чтобы изучить его первичные породы, пришлось
бы позаботиться о защите как против необычайной жары, так и сверхси-
бирского холода, если бы они намеревались провести на Меркурии не-
сколько месяцев.
Химический состав Меркурия
и Луны
Но даже изучая Меркурий с далекого расстояния, можно узнать кое-
что интересное об образовании Солнечной системы. Во-первых, средняя
плотность вещества Меркурия равна 5,44 г/см3, лишь немного меньше, чем
средняя плотность Земли (5,52 г/см3). Высокую среднюю плотность Земли
можно объяснить гравитационным сжатием вещества в ее богатом желе-
зом ядре, которое должно иметь плотность около 13 г/см3. Для сравнения
укажем, что железо, не подвергавшееся сжатию, имеет плотность 8 г/см3,
а обычные породы в земной коре-в среднем около 2,8 г/см3. Но Мерку-
рий слишком мал, чтобы иметь сильно сжатое ядро, подобное земному.
Диаметр Меркурия равен 4900 км, т.е. ближе к диаметру Луны (3475 км),
чем Земли (12570 км). Между тем Луна имеет среднюю плотность
3,34 г/см3, как раз такую, которую следует ожидать у тела такого размера,
состоящего из обычных пород, т.е. значительно ниже плотности Мерку-
рия.
Чем объяснить высокую плотность такой маленькой планеты, как Мер-
курий? Единственное разумное объяснение сводится к различию химиче-
ских составов: Меркурий должен быть богаче плотными породами, чем
Луна или другие планеты. Это обогащение, вероятно, обусловлено тем,
что Меркурий формировался близко к Солнцу. Во время его формирова-
ния локальная температура в этой части протосолнечной системы была
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
277
столь высока, что более легкие элементы не могли конденсироваться так
же эффективно, как более тяжелые. В данном случае к легким элементам
следует отнести не только водород и гелий, но также углерод, кислород
и кремний. Из-за неспособности собрать легкие элементы Меркурий поте-
рял свою «законную долю» силикатных пород, состоящих преимуществен-
но из кремния и кислорода и составляющих значительную часть коры
и мантии Земли, а также Луны. Наиболее распространенный тяжелый эле-
мент, который должен содержаться в недрах Меркурия в значительном ко-
личестве,-это железо. Поскольку железо имеет высокую 'температуру
плавления, это предохраняет его от кипения и испарения.
Ранняя история Земли
и Луны
Около 370 лет назад великий итальянский астроном Галилей открыл на
поверхности нашего естественного спутника тысячи кратеров. С тех пор
астрономы и геологи спорят об их происхождении. Являются ли они ре-
зультатом вулканической деятельности на Луне? Созданы ли они гигант-
скими пузырями газа, которые поднимались сквозь расплавленную породу
и лопались на поверхности? Или это шрамы, оставленные метеоритами?
Галилей обнаружил, что более светлые области Луны, названные матери-
ками, имеют больше кратеров, чем темные области, ошибочно названные
морями, потому что они напоминали астрономам древности земные моря
(рис. 12.10).
Ключ к решению загадки лунных кратеров пришел с признанием того
факта, что различие в числе кратеров на материках и морях может быть
обусловлено разными возрастами этих областей. Если кратеры имеют ме-
теоритное происхождение (что оказалось справедливым для огромного
большинства кратеров), тогда различие в их числе можно объяснить, если
сильнее изрытые кратерами материки древнее морей, которые были покры-
ты свежими потоками лавы заметно позже образования Луны. Потоки
павы, простирающиеся на сотни километров, могли изливаться при паде-
ниях огромных метеоритов, которые до основания разрушали области, по-
крытые кратерами, и образовывали вместо них «моря» расплавленной
и застывшей породы.
Как и Меркурий, Луна слишком мала, чтобы удержать атмосферу или
вызвать такие движения плит на ее поверхности, которые привели бы к ис-
чезновению ранней коры. Таким образом, можно расшифровать следы
ранних событий в Солнечной системе, изучая лунный ландшафт и породы.
Мы находим на Луне ту же картину, что и на Меркурии: многочисленные
кратеры, немые свидетели бомбардировки бесчисленными объектами
с диаметрами от нескольких микрон до десятков километров. Сильно из-
рытая кратерами поверхность Луны свидетельствует о том, что ее кора
278
Глава 12
Рис. 12.10. Светлые лунные материки значительно гуще усеяны кратерами, чем
темные лунные моря, которые, как мы знаем, покрыты древними пото
ками лавы.
должна была образоваться на ранней стадии эволюции Солнечной си
стемы. Но образовалась ли Луна вблизи Земли?
Была ли Луна захвачена на свою нынешнюю орбиту уже после образо
вания? Или она отделилась от Земли? Осуществление любого из этих ва
риантов привело бы к катастрофическим последствиям для Земли, которые-
могли бы серьезно сказаться на самой возможности появления жизни
Многие ученые надеялись, что на вопрос о том, откуда взялась Луна, мож
но будет более определенно ответить после детального исследования се-
поверхности в 1970-х годах.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
279
Исследование Луны человеком
Стремление к изучению Луны и предсказания того, что там можно най-
ти, по-видимому, можно отнести к важной составной части культурного
наследия человечества. В течение 1960-х годов, когда автоматические кос-
мические аппараты пролетели над невидимой стороной Луны *, совершили
посадки на ее поверхность и выполнили химические анализы лунного грун-
та, разгорелись споры не только о происхождении Луны, но и о возможно-
сти, по общему мнению маловероятной, занесения на Землю астронавта-
ми, возвращающимися с Луны, чуждых нам лунных микроорганизмов,
которые могли бы вызвать на Земле неизвестные ранее болезни.
Большинство ученых считали невозможным существование жизни на
Луне, но активное меньшинство во главе с Саганом указывало, что Луна
могла иметь общую с Землей раннюю историю, т.е. обладать первичной
атмосферой и запасами воды, и что природа достаточна сведуща в том,
как сделать по крайней мере первые шаги к жизни всюду во Вселенной.
(Последующие открытия сложных молекул в межзвездных облаках и ами-
нокислот в метеоритах Мерчисон и Меррей показали, что этот аргумент
('агана вполне приемлем.) Противоположная точка зрения сводилась к то-
му, что из-за небольшой силы тяжести Луна не могла удержать летучие
соединения, в том числе воду, в течение времени, достаточного для разви-
тия жизни. И если даже жизнь каким-то чудом возникла и уцелела в виде
спор под слоем лунного грунта, то она не могла бы взаимодействовать
с земными организмами из-за различий в химической структуре. Во время
памятного публичного диспута Андерс, специалист по метеоритам, выра-
зил готовность съесть первую пыль, доставленную с Луны, чтобы проде-
монстрировать свою уверенность в стерильности лунной поверхности!
И все же никто не знал, есть ли жизнь на Луне, и никто не мог предска-
зать, каковы могут быть последствия доставки такой внеземной жизни на
Землю, поэтому были приняты особые меры предосторожности. Теперь
мы сталкиваемся с точно такими же аргументами, относящимися к образ-
цам марсианского грунта. А в отдаленном будущем, когда впервые будет
установлен контакт с внеземной цивилизацией, нам придется подумать
о том, не содержат ли их атмосфера и грунт болезнетворных микроорга-
низмов или ядовитых для нас веществ, а наши воздух и почва-для них**.
В течение последних 15 лет более 50 космических аппаратов приближа-
лись к Луне или совершали посадку на ее поверхность. Двенадцать жите-
♦ Первый облет Луны и фотографирование ее обратной стороны осущест-
IIлены советской автоматической межпланетной станцией «Луна-3» в 1959 г-Прим,
рсд.
♦♦ Интересно, что в сообщениях об НЛО почти никогда не говорится о ка-
ких-либо защитных экранах у внеземных пришельцев, хотя мы могли бы ожидать,
•но они примут меры предосторожности против заражения.
280
Глава 12
Рис. 12.11. Прямые исследования Луны людьми в начале 1970-х годов открыли та
кие возможности для детального изучения нашего естественного спугни
ка, о которых и не мечтало предыдущее поколение.
лей нашей планеты ходили по лунной поверхности, собирая образцы
пород и пыль, и установили научную аппаратуру, которая продолжала ра
ботать еще длительное время после возвращения астронавтов на Землю
(рис. 12.11). Одно из первых открытий, сделанное при анализе образцом
лунных пород, оказалось в числе наиболее важных: породы из темных
лунных морей в целом аналогичны земным базальтам*. Это показываем,
что Луна не всегда была холодной; скорее всего, она когда-то была доста
точно горячей для образования магмы, т.е. расплавленной породы, кото
рая, излившись на поверхность, кристаллизовалась в базальты. При под
робном изучении лунных образцов в земных лабораториях были не только
обнаружены различия в составе пород из разных морских и материковых
районов, но и установлено, что все лунные породы заметно отличаются oi
земных. В частности, содержание в них летучих элементов в сотни раз
меньше, чем в земных базальтах.
* Этот же вывод сделан из анализа спектров гамма-излучения поверхностных
пород, зарегистрированных на «Луне-10»-Прим. ред.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
281
Это различие имеет большое значение. Уже на Земле существует за-
метный дефицит летучих элементов по сравнению с их содержанием в пла-
нетах-гигантах и в звездах. К дефицитным элементам на Земле относятся
водород, углерод и азот, которые, как мы знаем, играют важную роль
в биологии. Существенно меньшее содержание летучих элементов на Луне,
ио-видимому, исключает возможность там жизни, основанной на этих эле-
ментах. Более того, имеются данные, что чрезвычайный дефицит летучих
элементов существовал на Луне с момента ее образования. Таким обра-
зом, там не было первичной богатой летучими элементами среды, в кото-
рой могла бы развиться добиологическая химия. Очевидно, съесть лунную
пыль, по крайней мере небольшое количество, действительно безопасно!
Другой решающий вывод, который вытекает из сопоставления лунных
и земных пород,-это то, что Луна никогда не могла быть частью Земли;
различия в химическом составе, хотя они и невелики, исключают эту воз-
можность с точки зрения геологии. Но хотя гипотеза о Луне, отторгнутой
от Земли, больше не выдерживает критики, никто точно не знает, откуда
же все-таки взялся наш спутник. В настоящее время специалисты практиче-
ски единодушно отдают предпочтение идее, что Луна образовалась при-
мерно там, где она находится теперь. Ее формирование было частью про-
цесса формирования Земли; мы имеем дело как бы с двойной планетой,
поскольку масса Луны составляет 1/31 массы Земли, т.е. значительно боль-
ше, чем массы других спутников по отношению к своим планетам*. Но
каким путем члены двойной планеты приобрели различный химический со-
став, остается неясным; наиболее рьяные сторонники других моделей про-
исхождения Луны продолжают оспаривать модель двойной планеты.
Одной из важных причин, почему трудно установить, откуда взялась
Луна, является отсутствие геологических следов первых сотен миллионов
ист ее истории. Оказалось, что лунные образцы не содержат первичных,
псизменившихся пород, имеющих возраст 4,6 млрд, лет, т.е. уцелевших со
времени образования Солнечной системы. Большинство лунных пород
имеют возраст 4,2 млрд, лет, т.е. старше наиболее древних земных пород,
имеющих возраст 3,8 млрд, лет, но все же моложе Солнечной системы. Не-
которые ученые полагают, что более старые породы могут залегать на
обратной стороне Луны, испытавшей меньше ударов крупных метеоритов,
подобных тем, которые создали лунные моря (рис. 12.12). Но пока мы вы-
нуждены заключить, что метеоритная бомбардировка на ранней стадии
была очень интенсивной и разрушила большую часть пород, относивших-
ся к первым 400 млн. лет лунной истории.
Таким образом, Луна не обеспечила нас веществом первичной Солнеч-
ной системы и равнодушно взирает на нас с небосвода, безжизненная, ли-
Возможно, Плутон составляет исключение из этого правила.
Рис. 12.12. На обратной стороне Луны, никогда не видимой с Земли, обнаружен i и
гантский кратер, названный в честь русского ученого К. Э. Циолковсм»
го. Но на обратной стороне в отличие от видимой стороны нет <н«
ширных морей.
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы
283
шенная какой бы то ни было атмосферы, прогревающаяся до 125°С в тече-
ние двухнедельного лунного дня и промерзающая до — 125°С за
двухнедельную ночь. Так какая же польза от Луны для жизни, если не счи-
тать, что некоторые живые организмы на Земле в периоды полнолуния
увеличивают активность?
Ответ оказался довольно неожиданным: Луна могла сыграть решаю-
щую роль в развитии жизни на Земле. Во-первых, ее присутствие на орби-
те вблизи Земли помогало стабилизировать ось вращения Земли в про-
странстве. Если бы не Луна, эта ось значительно сильнее меняла бы свое
положение в течение веков и миллионов лет, вызывая длительные измене-
ния климата, способные убить жизнь, развившуюся в определенных усло-
виях. Марс, не имеющий крупных спутников, изменял наклон своей оси
вращения, что оказывало серьезное влияние на условия на поверхности
планеты.
Во-вторых, Луна вызывает на Земле большие приливы. Она сильнее
притягивает ближайшую сторону Земли, чем ее центр, а центр-сильнее,
чем дальнюю сторону (рис. 12.13). Земные моря сильнее реагируют на эти
различия в силе притяжения, чем суша, что и является причиной изменения
уровня морей относительно суши дважды в сутки. На ранней стадии
существования Земли приливные водоемы могли сыграть решающую роль
в образовании и взаимодействии сложных молекул; в них могли возник-
нуть первые примитивные биологические клетки. Четыре миллиарда лет
назад Луна была ближе к Земле, чем теперь, и вызывала более высокие
приливы, поэтому роль приливного воздействия была пропорционально
сильнее. Приливные водоемы, которые наполнялись, опустошались
и вновь наполнялись дважды в сутки, могли быть распространены значи-
Приливной горб
Центр
Земли
Приливной горб
Рис. 12.13. Разное гравитационное воздействие Луны на различные части Земли вы-
К Луне
зывает приливы. В результате этого Земля вздувается в направлениях
к Луне и от нее. Земные океаны легче откликаются на это воздействие,
чем суша, поэтому океанские приливы поднимаются и спадают, значи-
тельно превосходя движения суши.
284
Глава 12
тельно шире, чем теперь, если средние изменения уровня моря составляли,
скажем, 2 м, а не 0,5 м.
Если Луна обеспечила в значительной степени условия для начала жи i
ни на Земле, необходим ли подобный спутник для возникновения жизни пн
другой планете? Сегодня у нас нет удовлетворительного ответа на эн и
вопрос, и мы не сможем на него ответить, пока не найдем другую плат
ту-обитель жизни и не узнаем, воздают ли ее обитатели хвалы своему
безжизненному спутнику по космическим странствиям, которому они, во»
можно, столь же обязаны своим существованием.
Выводы
Кометы, метеорные тела и астероиды представляют собой вещее пн»
Солнечной системы, которое очень мало изменилось со времени ее форма
рования 4,6 млрд, лет назад. В частности, кометы, вероятно, образовал ни
раньше всего и, быть может, содержат образцы древнейшего вещее пн»
Солнечной системы, так как большинство комет движутся вокруг Солнпн
по сильно вытянутым орбитам и уходят от Солнца значительно дальни
чем самая далекая планета. На таких огромных расстояниях от централь
ной звезды первичное сконденсировавшееся вещество не подвергается пп
греву и потому практически не изменяется.
Массы комет значительно меньше, чем планет или их спутников; они
представляют собой замерзшие «снежные комья», состоящие из воды
углекислого газа, окиси углерода, аммиака и более сложных молекул. При
прохождении вблизи Солнца кометный лед частично испаряется, образуй
оболочку вокруг ядра (кому) и длинный разреженный хвост, который про
стирается позади ядра на миллионы километров. Метеорные тела, «рои
ственники» маленьких астероидов, обращаются вокруг Солнца по таким
орбитам, что некоторые из них могут пересекать орбиту Земли. Нагрсип
ние при торможении в атмосфере приводит к испарению большинства и •
них, и тогда мы наблюдаем метеор, или падающую звезду. Более крупны»
метеорные тела могут частично уцелеть, несмотря на нагревание, и упас 11
на Землю в виде метеоритов. Важный, хотя и редкий класс метеориюн
углистые хондриты, частично состоят из соединений углерода в отличие <"
большинства метеоритов, которые состоят из железа, никеля, скальных нм
род или их смеси.
В некоторых углистых хондритах обнаружены 16 различных аминоки»
лот, основных составных частей белков. Поскольку эти аминокислоты, ш»
видимому, возникли в небиологических процессах, их существование свид»
тельствует об относительной легкости образования аминокислот в про
цессе формирования Солнечной системы.
Поверхность Меркурия, которая не подвержена процессам выветри и.»
ния, сильно изрыта кратерами. Это результат интенсивной метеоритной
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы 285
бомбардировки в течение первых сотен миллионов лет. Высокая плотность
Меркурия при его малых размерах указывает на то, что планета богаче тя-
желыми элементами, в особенности железом, чем Луна. Такой вывод пред-
ставляется разумным с учетом высокой температуры, которая преоблада-
ла во время формирования Меркурия и затрудняла удержание им более
легких элементов.
Потоки древней лавы на Луне, т. е. лунные моря, являются результатом
ударов огромных метеоритов. Лава заполнила кратеры, которые р*анее бы-
ли на их поверхности. Но даже на лунных материках, которые древнее
морских районов, сохранилось мало пород, возраст которых лишь немного
больше 4 млрд, лет; свидетельства первых нескольких сотен миллионов
лет истории Луны, по-видимому, канули в Лету. Вместе с тем анализ
лунных пород указывает на то, что Луна никогда не была частью Земли.
Поскольку Луна стабилизирует положение оси вращения Земли и вызы-
вает приливы, мы, возможно, обязаны существованием жизни на нашей
планете хотя бы отчасти нашему сравнительно массивному естественному
спутнику. Луна спасла нас от смертельно опасных изменений климата,
а приливы, которые дважды в сутки наполняли и опустошали богатые пи-
тательными веществами приливные водоемы, могли обеспечить концент-
рацию соединений в водоемах и образование более сложных молекул пу-
тем полимеризации на поверхности окружающих глин.
Вопросы
1. Почему мы считаем кометы древнейшими членами Солнечной системы?
2. Откуда берутся метеоры? Почему они никогда не достигают поверхности
Земли?
3. Почему у кометы вблизи Солнца появляется эффектный хвост? Как велико
ядро, содержащее основную часть массы кометы?
4. Из чего состоят кометы? Какие из этого можно сделать выводы о химиче-
ском составе первичной Солнечной системы?
5. Почему открытие аминокислот в углистых хондритах представляется
важным для теорий происхождения жизни на Земле?
6. Чем Меркурий и Луна похожи друг на друга?
7. Почему средняя плотность вещества Меркурия существенно выше, чем
Луны? Что это говорит нам о химическом составе Меркурия и Луны?
8. Почему на поверхностях Меркурия и Луны так много кратеров? Как это по-
влияло на геологические следы первых сотен миллионов лет истории Луны?
9. Почему некоторые ученые полагали, что лунная пыль может содержать ми-
кроорганизмы? Как могла безвоздушная и безводная Луна когда-либо иметь
жизнь?
10. Идентичны ли по химическому составу похожие лунные и земные породы?
Какие из этого следуют выводы о происхождении Луны и Земли?
286
Глава 12
11. Каким образом присутствие Луны благоприятствовало возникновении'
и развитию жизни на Земле?
12. Почему, согласно большинству теории, приливы были важны для возникни
вения жизни на Земле?
Литература
Cameron A. G. W. The origin and evolution of the solar system. In The solar system
W. H. Freeman and Co., San Francisco, 1976.
Dole S. Habitable planets for man, 2nd ed., Elsevier Scientific Publ. Co., New York, 19/1
Grossman L. The most primitive objects in the solar system, Scientific American, 2,U
№ 2, 30, 1975.
Hartmann W. The smaller bodies of the solar system. In The solar system, W. H. Freenum
and Co. San Francisco, 1976.
Murray B. Mercury. In The solar system, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 19/r
Murray B., Burgess E. Flight to Mercury, Columbia Univ. Press, New York, 19/r
Mutch Th. Geology of the moon: A stratigraphic view, Princeton Univ. Press, Princeton
1970.
Sagan C. The cosmic connection, Dell Publ. Co., New York, 1973.
Schramm D. N., Clayton R. N. Did a supernova, trigger the formation of the solar system
Scientific American, 239 No. 4, 124, 1978.
Whipple F. The nature of comets. In New frontiers in astronomy, ed. O. Gingei h h
W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
Wood J. The moon. In The solar system, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 19/г
Глава 13
Венера
Венера-почти двойник Земли по размерам и массе и ближайшая сосед-
ка-олицетворяла у древних народов, восхищавшихся ее сиянием на утрен-
нем и вечернем небе, богиню любви и красоты. Поскольку эта планета
прячет свою поверхность под вечным облачным покровом, ранние гипо-
тезы о жизни на других мирах населяли Венеру таинственными существа-
ми, навсегда скрытыми от наших взоров. Однако современная астрономия
отбросила эти фантазии, после того как мы узнали, что Венера «задыхает-
ся» под плотным удушливым покровом атмосферы из углекислого газа
и что температура ее поверхности более чем на 35О°С превышает темпера-
туру кипения воды на Земле! В результате этого открытия возникает сле-
дующий вопрос, имеющий решающее значение для наших поисков жизни:
почему Венера так сильно отличается от Земли? Как могли две планеты,
сначала почти одинаковые, стать столь непохожими в ходе эволюции?
Чтобы разобраться в этом, нужно было изучить Венеру как можно луч-
ше с помощью радиофизических методов и космических аппаратов, по-
сланных в ее атмосферу, а также путем спектрального анализа составляю-
щих ее газов. Эти современные методы позволили нам в течение прошед-
шего десятилетия составить довольно полное представление о нашей кос-
мической соседке.
Температура Венеры
Венерианские облака, значительно более протяженные, чем земные, по-
стоянно скрывают поверхность планеты от внешнего наблюдателя
(рис. 13.1 и 13.2). Таким образом, измеряя температуру отраженного Вене-
рой солнечного света с помощью спектральных методов, удается опреде-
лить ее значение только на уровне вблизи верхней границы облаков, т.е.
примерно на высоте 55 км от поверхности. Эта температура равна — 33°С,
т.е. напоминает земную, и, казалось бы, не должна вызывать опасений.
Однако радиоволны способны проникать сквозь облака. Так вот, ра-
288
Глава 13
Рис. 13.1. Даже лучшие наблюдения Венеры с помощью телескопов позволяю!
увидеть только почти лишенный характерных деталей сплошной
облачный покров, хотя в ультрафиолетовом излучении можно разлн
чить отдельные пятнистые тени на верхней границе облачного слом
Рис. 13.2. Эти снимки Венеры получены в 1979 г., когда космический annapai
«Пионер-Венера» находился примерно в 65000 км от поверхности
планеты.
диоизлучение с поверхности Венеры свидетельствует о температуре ее по-
верхности 475°С, достаточной для плавления свинца*!
Можно направить радиолуч на Венеру так, что он пройдет сквозь обли-
ка, отразится от поверхности и вернется к наземным антеннам, неся ин
* Истолкование результатов радиолокационных исследований Венеры допуски
ло неоднозначность; высокие температура и давление на ее поверхности были нс
посредственно измерены автоматическими межпланетными станциями «Вене
ра-4-8» - Прим. ред.
Венера
289
Через 584 дня
Начало отсчета
Рис. 13.3. Венера совершает один оборот вокруг своей оси за 243 дня в направле-
нии, противоположном направлению ее орбитального движения вокруг
Солнца. Каждый раз, когда Венера приближается к Земле, т.е. каждые
584 дня, мы видим одну и ту же сторону Венеры.
формацию о поверхности, от которой он отразился. Для изучения Венеры
этим способом необходима хитроумная радиолокационная система, кото-
рая по принципу действия подобна аппаратуре, используемой дорожной
автоинспекцией для выявления водителей, превышающих скорость (разу-
меется, для радиолокации Венеры требуются чрезвычайно мощные пере-
датчики). Эти эксперименты показали, что Венера вращается значительно
медленнее других планет, совершая один оборот вокруг оси за 243 дня,
причем направление вращения противоположно направлению орбитально-
го движения планеты вокруг Солнца (рис. 13.3). Радиолокация показала
также, что поверхность Венеры, как и лунная, изрыта кратерами.
Атмосфера Венеры
Каким образом на поверхности Венеры поддерживается столь высокая
температура? За счет атмосферы планеты, так как благодаря посадкам
космических аппаратов на Венеру теперь известно, что она не содержит
в поверхностных породах особенно больших количеств радиоактивных изо-
топов, распад которых мог бы послужить источником тепла. Решающие
свойства атмосферы, обусловившие очень высокую поверхностную темпе-
19-485
290
Глава 13
ратуру,- это ее химический состав и количество разных составляющих
в ней, которое можно выразить через давление на поверхности.
Как показали полеты автоматических космических аппаратов, зап у
щенных к Венере Советским Союзом и Соединенными Штатами Америки,
атмосфера Венеры на 96% состоит из углекислого газа. Остальные сое in
вляющие-это в основном молекулы азота (около 3,5%), небольшая доли
аргона и следы водяного пара, соляной кислоты НС1, плавиковой кислой i.t
HF, окиси углерода и двуокиси серы. Атмосфера Венеры резко отличав и м
по химическому составу от земной атмосферы, состоящей в основном и»
азота, кислорода, водяного пара и аргона и содержащей лишь следы угле
кислого газа. Но особенно важно то, что полное атмосферное давление пл
поверхности Венеры оказалось в 90 раз выше, чем на Земле. Иными слова
ми, атмосфера Венеры не только состоит главным образом из углекислом»
газа, но содержит его в 100 раз больше, чем земная атмосфера-азота (ин
его около 80%).
Таким образом, атмосфера Венеры почти в 100 раз мощнее земном
а температура на ее поверхности достаточна для плавления некоторых ми
нералов. Венера обладает самой горячей поверхностью из всех планет, он л
даже горячее Меркурия. Ее поверхность-отличное место для съемки кино
фильма о преисподней. Трудно вообразить себе другое место, столь вра>
дебное жизни. Изображения, переданные с поверхности советскими косми
ческими аппаратами, совершившими посадку на Венеру в 19751
показывают, что солнечный свет частично достигает ее поверхности, xoim
он сильно поглощается облаками* (рис. 13.4). Условия освещенности пл
поверхности Венеры примерно такие же, как на Земле, когда небо noi
ностью затянуто мощным слоем облаков. Поскольку поверхностная тем
пература достаточно высока для того, чтобы расплавить свинец и щи и
приятно видеть на поверхности самые обычные камни, а не какую-то р;п
плавленную массу. Однако тут же наступило полное разочарование,
только мы узнали, что облака, благодаря которым Венера ослепителыш
сияет на нашем небе, в основном состоят из капелек серной кисло i и
H2SO4, а не из воды или кристаллов льда и, по-видимому, являются in
точником сильных электрических разрядов Короче говоря, наша косми
ческая сестра представляется малоподходящим местом для проведения лс i
них отпусков или даже для короткой экскурсии.
♦ Освещенность в атмосфере и на поверхности Венеры впервые была измерен >»
на станции «Венера-8» в 1972 г. Тогда же был сделан вывод, что солнечный ст •
проникает до поверхности, оценена степень ослабления и изменение оптичсгмф
плотности атмосферы по высоте-Прим. ред.
♦♦Электрические разряды скорее связаны с вулканической деятельностью и •
планете-Прим. ред.
Венера 291
Рис. 13.4. Советские космические аппараты «Венера-9 и 10» передали эти снимки
с поверхности Венеры. Довольно обычные на вид камни показывают,
что температура поверхности недостаточна для плавления пород.
Парниковый эффект
Как Венера стала такой? Поскольку расстояние Венеры от Солнца со-
ставляет лишь 0,72 астрономической единицы, мы вправе ожидать, что она
должна быть теплее Земли, но не на 400 же градусов! Марс, который
в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля, имеет среднюю температуру
поверхности лишь на 50°С ниже средней температуры на Земле. Но если
проследить, что происходит с солнечным светом в толстой атмосфере Ве-
неры, то легко понять, как эта планета приобрела поверхностную темпера-
туру почти 500°С.
Видимый свет, которому удается проникнуть сквозь венерианские обла-
ка, достигает поверхности планеты, поглощается ею и нагревает ее. Нагретая
поверхность планеты испускает инфракрасное излучение. (Объекты с темпе-
ратурами, равными тысячам градусов, например поверхности звезд, излу-
чают главным образом видимый свет, но в то же время испускают также
инфракрасное излучение.) Однако инфракрасному излучению труднее про-
никнуть сквозь атмосферу, чем видимому (рис. 13.5). Молекулы атмос-
феры, особенно основной ее составляющей углекислого газа, способны
сильно поглощать инфракрасное излучение. При этом сами молекулы
19*
292
Глава 13
Поверхность испускает инфракрасное излучение
Рис. 13.5. Солнечный свет, проникающий сквозь венерианские облака, нагревает
поверхность планеты, которая благодаря этому испускает инфракрасное
излучение. Поскольку молекулы атмосферного углекислого газа чрезвы-
чайно сильно поглощают инфракрасное излучение, основная его часть
улавливается. В результате поверхность и нижняя атмосфера планеты
значительно горячее, чем они были, бы в отсутствие атмосферы.
разогреваются и также испускают инфракрасное излучение во всех напра-
влениях. Инфракрасное излучение, идущее вниз, вносит вклад в нагревание
поверхности планеты, а идущее вверх поглощается вышележащими слоями
атмосферы, складываясь с излучением от поверхности и таким образом
еще сильнее нагревая их (рис. 13.5). В конце концов излучение из самых
верхних слоев атмосферы уходит в космос. Но, поскольку часть переизлу-
чаемой энергии направляется вниз, температура верхних слоев оказывается
ниже, чем слоев, расположенных ближе к поверхности.
Эти процессы поглощения видимого света, переизлучения его в инфра-
красной области и частичного поглощения инфракрасного излучения атмос-
ферой обеспечивают сильнейший нагрев поверхности планеты и нижней
атмосферы. Астрономы называют эффект поглощения инфракрасного из-
лучения атмосферой парниковым эффектом, поскольку парники или оран-
жереи выполняют ту же функцию; видимый свет проходит через сте-
клянные крыши, согревая растения и почву, а испускаемое ими инфракрас-
ное излучение задерживается стеклянными панелями. Поэтому в парнике
становится теплее, чем в том случае, если бы мы убрали стекло, которое
играет ту же роль, что и атмосфера планеты. Еще более знакомый пример
парникового эффекта-салон автомобиля в жаркий день; видимый сол-
нечный свет разогревает внутренние детали салона, они испускают инфра-
красное излучение, но оно не может выйти через стеклянные окна. Здесь
Венера
293
вновь поглощение инфракрасного излучения обеспечивает заметное нагре-
вание *.
На Земле парниковый эффект играет решающую роль в обеспечении
условий для существования жизни. Наша атмосфера поглощает часть ин-
фракрасного излучения почвы и поддерживает более высокую температуру
поверхности Земли и нижней атмосферы, чем в отсутствие поглощения.
Лишенная атмосферы, Земля имела бы среднюю температуру поверхности
около -20°С. В действительности средняя температура выше примерно на
35°С, потому что молекулы водяного пара и углекислого газа в атмосфере
улавливают часть инфракрасного излучения. Эти два вида молекул особен-
но эффективно поглощают инфракрасное излучение в отличие от азота
и кислорода, основных компонентов нашей атмосферы. Человечество уже
заметно увеличило содержание углекислого газа в атмосфере (путем сжига-
ния топлива), что ведет к потеплению на нашей планете. Если сохранятся
нынешние темпы потребления ископаемого топлива, то это может создать
серьезные проблемы в последующие десятилетия.
Парниковый эффект в полной мере проявляется на Венере, атмосфера
которой почти в 100 раз мощнее нашей и состоит преимущественно из
углекислого газа. Несмотря на то что лишь небольшая часть падающего
солнечного света проникает сквозь облака, массивная атмосфера планеты,
состоящая из эффективных поглотителей инфракрасного излучения, повы-
шает температуру поверхности на 400°С по сравнению с температурой,
которая была бы в отсутствие атмосферы.
Почему Венера
гак отличается от Земли?
Теперь, когда мы поняли, как атмосфера Венеры поддерживает такую
высокую температуру на поверхности, нам необходимо узнать, почему
и пакета имеет столь мощную атмосферу, почти целиком состоящую из
углекислого газа, а Земля нет. Как мы видели в гл. 9, различия между ат-
мосферами Венеры и Земли, по-видимому, являются следствием наличия
лизни на Земле и отсутствия жизни и жидкой воды на Венере.
В земной атмосфере мало углекислого газа, потому что основная его
чисть химически связана в известняках, главным образом в карбонате
кальция СаСО3. Типичный карбонат кальция представляет собой скопле-
ние миллионов крошечных раковин, созданных морскими организмами из
углекислого газа, растворенного в морской воде. По мере того как эти
* Аналогия с автомобилем была бы более точной, если бы он был сделан це-
нзом из стекла; мы здесь не учитываем тепло, которое попадает в автомобиль
u ni выходит из него сквозь металлические крышу и двери.
294
Глава 13
крошечные организмы расходуют растворенный углекислый газ, все новые
его порции растворяются в воде, поэтому его содержание в атмосфере
уменьшается. Если бы мы добыли из земной коры и нагрели все углерод-
содержащие породы, а продукты разложения выпустили в атмосферу, то
атмосфера Земли оказалась бы в 70 раз толще, чем нынешняя воздушная
оболочка, и состояла бы она преимущественно из углекислого газа-сов-
сем как на Венере! Особые условия, которые предотвратили образование
такой атмосферы на Земле,-а именно, создание известняков крошечными
морскими организмами и растворение углекислого газа в морской воде
существовали на нашей планете в течение сотен миллионов лет. А на Вене-
ре, если они и существовали, то лишь на самом начальном этапе се
истории.
Допустим, что содержание углекислого газа в атмосфере Земли повыси-
лось, скажем, в 10 раз. Даже это относительно небольшое изменение хими-
ческого состава атмосферы вызвало бы значительные изменения на нашей
планете, потому что углекислый газ сильно поглощает инфракрасное излу-
чение. Мы можем продолжить эти рассуждения, рассчитав, что случилось
бы, если бы Земля внезапно оказалась на таком же расстоянии от Солнца,
как Венера. Вследствие повышения температуры, обусловленного прибли-
жением к Солнцу, океаны стали бы теплее. Это увеличило бы скорость ис-
парения воды, а значит, и содержание поглощающего инфракрасное излу-
чение водяного пара в атмосфере. Повышенное поглощение излучения
вызвало бы дополнительное разогревание поверхности и соответствующее
испарение, а затем новый рост поглощения и новое испарение-и так до
тех пор, пока, наконец, все океаны не перешли бы в атмосферу! Этот само-
поддерживающийся процесс был назван неконтролируемым парниковым
эффектом, поскольку он продолжался бы до тех пор, пока на поверхности
планеты не осталось бы воды. К этому моменту Земля стала бы чрезвы-
чайно горячей, и молекулы водяного пара в атмосфере поднялись бы до-
статочно высоко и были бы разрушены ультрафиолетовым излучением
Солнца в соответствии со следующими реакциями:
Н2О + Ультрафиолетовое излучение -* Н + ОН, (1)
ОН + Ультрафиолетовое излучение Н + О. (2)
Образовавшиеся в этом процессе свободные атомы водорода покинули бы
планету, так как ее гравитационное поле не могло бы их удержать из-за их
малой массы, а более тяжелые атомы кислорода остались бы в атмосфере*
и соединились бы с атомами других элементов.
Таким образом, задавшись простым вопросом, что стало бы с Землей,
если бы она приблизилась к Солнцу на расстояние Венеры, мы нашли хо
рошее объяснение того, почему наша космическая сестра оказалась столь
Венера
295
чуждой нам. Любая планета, столь же близкая к своей звезде, похожей на
наше Солнце, не смогла бы сохранить жидкую воду на поверхности. Это
разочаровывающий вывод, поскольку мы знаем, что жидкая вода важна
для непрерывного существования жизни (см. гл. 11). Жидкая вода удаляет
углекислый газ из атмосферы, растворяя его, а затем он идет на образова-
ние карбонатных пород. Жизнь чрезвычайно ускоряет этот процесс путем
образования таких карбонатных структур, как раковины морских организ-
мов. Таким образом, без жидкой воды и без живых организмов угле-
кислый газ, попавший в атмосферу нашей гипотетической планеты, остал-
ся бы там и создал бы на планете те же адские условия, которые мы
наблюдаем сегодня на Венере. Жизнь на Земле сделала нашу плаиету со-
всем иной, непохожей на Венеру; было бы злой иронией судьбы, если бы
это случилось теперь в результате человеческой деятельности, с которой
связаны освобождение и перевод в атмосферу все больших количеств угле-
кислого газа при сжигании ископаемого топлива для энергетических нужд
цивилизации.
Хотя общий химический состав атмосферы Венеры легко понять при
сравнении с нашей собственной атмосферой, одно тонкое различие требует
дальнейшего рассмотрения. В 1978 г. советские и американские космиче-
ские аппараты сделали поразительное открытие: атмосфера Венеры содер-
жит в 10—100 раз больше первичного аргона, чем атмосфера Земли. Он
остался от вещества первичной Солнечной системы в отличие от аргона,
появившегося позднее при распаде радиоактивного изотопа калия в поро-
дах. Как объяснить избыток первичного аргона на Венере? Означает ли
эта аномалия, что наши попытки найти общее объяснение происхождения
и эволюции атмосфер планет земной группы обречены на неудачу?
Различие в содержании первичного аргона на Венере и на Земле, так
или иначе, указывает на возможность того, что планеты почему-то имели
вначале довольно различные содержания химических элементов: углерода,
азота, кислорода и благородных газов,-которые сегодня присутствуют
в их атмосферах. Но это может объясняться и каким-то локальным специ-
фическим явлением, которое вызвало увеличение содержания именно бла-
городных газов, в частности гелия и аргона, на Венере. Возможно, причина
заключается в том, что Венера ближе к Солнцу. Но должны ли мы тогда
ожидать постепенного уменьшения содержания благородных газов от Ве-
неры к Земле и далее к Марсу? На этот вопрос астрономам предстоит от-
ветить при дальнейших исследованиях соседних планет.
Когда ученые впервые узнали, что поверхность и нижняя атмосфера Ве-
неры чрезвычайно горячи, они задумались, нельзя ли все же найти на Ве-
нере место, пригодное для жизни. Может быть, полярные области? Не мо-
гут ли они быть достаточно прохладными для существования жидкой во-
ды? К сожалению, мощная атмосфера, которая повышает температуру по-
верхности, не допускает этого. Подобно гигантской печи, атмосфера распре-
296
Глава 13
деляет тепло по всей планете, поддерживая на всей ее поверхности, как на
дневной стороне, так и на ночной, от полюса до полюса, жару около
475°С. Различия температуры на планете в целом, вероятно, не превышают
10 или 20°С. Этот вывод, предсказанный на основе расчетов теплового ре-
жима, был подтвержден наблюдениями радиоизлучения планеты.
Таким образом, поверхность Венеры, изнемогающая от зноя под ат-
мосферой, толщина которой эквивалентна по плотности восьмисотметро-
вому слою океанской воды, не содержит безопасного приюта для жизни.
А как насчет жизни в ее атмосфере? Может быть, мы не заметили здесь
экологическую нишу? К примеру, что можно сказать о слое на высоте
55 км над поверхностью, где давление равно 800 миллибарам, т. е. прибли-
зительно как на полуторакилометровой высоте на Земле (рис. 13.6). Темпе-
ратура в этом слое также благоприятная-около 27°С. Солнечный свеп;
проходящий сквозь легкую мглу, там более интенсивен, чем на поверх-
Рис. 13.6. На высоте 55 км над поверхностью Венеры температура снижается на
450°С и достигает приемлемого значения 25°С, а давление составляет ме-
нее 1% от значения на поверхности.
Венера
297
пости планеты, так как слой располагается выше части облачного покрова.
Поскольку Венера лишена слоя озона, солнечный свет будет содержать гу-
бительное (для нас!) ультрафиолетовое излучение, но ведь можно вообра-
зить организмы с простыми внешними оболочками, защищающими их от
л ого воздействия. Таким образом, на первый взгляд верхняя атмосфера
Венеры выглядит благоприятным местом; космический экипаж мог бы ле-
тать там на воздушном шаре с простыми кислородными масками, в за-
щитных очках и искать местных родичей птиц и бабочек.
Но здесь не учтены два важных момента: атмосфера Венеры чрезвы-
чайно сухая (ее относительная влажность не превышает 0,01%), а туман,
и котором пришлось бы парить, вероятно, состоит из капелек серной кис-
ноты! Некоторые типы земной жизни могли бы существовать в такой сре-
де, но лишь в течение ограниченного периода времени. Живым организ-
мам, как мы знаем, необходима вода для обмена веществ, а атмосфера
Венеры, по-видимому, не отвечает этому основному условию, необходимо-
му для существования земных форм жизни.
Мог ли на Венере возникнуть и развиться другой тип жизни? Или
раньше условия там были иными, так что сначала тип жизни был такой
же, как наш, а затем он мог просто приспособиться к изменившимся усло-
виям? В состоянии ли люди изменить нынешние условия на Венере, напри-
мер, доставив туда состоящие изо льда астероиды, чтобы сделать планету
пригодной для переселенцев с Земли? На эти вопросы пока нельзя отве-
нггь, но все данные, которыми мы располагаем, свидетельствуют о без-
жизненности Венеры, задыхающейся под своей атмосферой из углекислого
। аза. Что же касается преобразования ее климата, то человечество со вре-
менем, несомненно, приобретет такую способность, а может быть, и жела-
ние это сделать, особенно если сильно обострится проблема роста
11 ародонаселения.
А пока люди продолжают посылать космические аппараты для исследо-
вания условий на этой сверкающей и во многом по-прежнему загадочной
планете. Советские и американские автоматические станции, достигшие Ве-
неры в декабре 1978 г., были оснащены спускаемыми аппаратами, которые
совершили посадку на поверхность планеты. СССР в 1975 г. и США в 1978 г.
кроме того, вывели аппараты на орбиту вокруг Венеры, с которых про-
должалось изучение планеты более одного венерианского года, длящегося
?25 суток. Радиолокационные исследования Венеры с борта спутнщса «Пио-
нер-Венера» в 1979 г. обнаружили на планете разлом глубиной 5 км, шири-
ной 300 км и длиной не менее 1500 км. Это крупнейший каньон среди из-
вестных в Солнечной системе. Кроме того, радиолокатор обнаружил на
поверхности Венеры гору выше Эвереста и огромное плоскогорье, которое
превосходит по размерам Тибет.
Советский Союз и Франция провели работу над совместным проектом
шпуска на Венеру специально сконструированного аэростата, несущего
298
Глава 13
контейнер с комплексом научной аппаратуры и дрейфующего в атмосфере
на уровне облаков*. США намереваются продолжить исследования с по-
мощью орбитального аппарата, оборудованного мощным радиолокато-
ром, который позволит получить изображение поверхности Венеры, срав-
нимое по разрешению с изображениями, переданными телекамерами
спутников с безоблачного Марса. Хотя эти полеты едва ли изменят совре-
менный взгляд на Венеру как на негостеприимное адское пекло, все же нс
исключено, что мы будем поражены, узнав, какой стойкой может оказать-
ся жизнь, однажды возникнув.
Выводы
Венера, по своим размерам и массе очень похожая на Землю, имеет со-
вершенно иные атмосферу и поверхность. Она постоянно окутана покро-
вом облаков, состоящих в основном из серной кислоты, поэтому ее по-
верхность скрыта от внешнего наблюдателя. Поверхность Венеры разогре-
та до необычайно высокой температуры: 475°С. Это объясняется
парниковым эффектом, создаваемым мощной атмосферой: видимое короч -
коволновое излучение Солнца проникает сквозь атмосферу и достигает по-
верхности Венеры легче, чем излучаемое поверхностью длинноволновое
инфракрасное излучение может покинуть планету. Благодаря подобному
парниковому эффекту на Земле температура ее поверхности на 35°С выше,
чем была бы в отсутствие атмосферы. Но атмосфера Венеры в 90
раз мощнее земной и состоит преимущественно из углекислого газа, ко-
торый эффективно поглощает инфракрасное излучение, поэтому парни-
ковый эффект проявляется там гораздо сильнее.
Радиолокационные сигналы, проникающие сквозь венерианские облака,
позволили определить период вращения планеты (243 дня) и выявить гео-
логическую структуру ее поверхности. Неконтролируемый парниковый эф-
фект, т.е. поглощение инфракрасного излучения водяным паром,
сопровождающееся повышением температуры, а значит, испарением воды
и дальнейшим повышением температуры, помешал образованию известня-
ков путем связывания углекислого газа и сделал Венеру не похожей на
Землю. Итак, относительно небольшие первоначальные различия между
планетами, например в расстоянии от Солнца, способны приводить
к огромным различиям между ними через миллиарды лет после их
образования.
* Предполагается частичная реализация этого проекта в несколько измененном
варианте-Прим. ред.
Венера
299
Вопросы
1. Откуда мы знаем, что поверхность Венеры покрыта кратерами, если она ни-
ми да не бывает видна?
2. В земных океанах давление повышается на 1 атм при увеличении глубины на
10 м. На какую глубину нужно погрузиться в океан, чтобы давление было равно
хпвлению на поверхности Венеры, т.е. примерно 90 атм?
3. Почему атмосфера Венеры создает значительно более сильный парниковый
н|м|)скт, чем атмосфера Земли?
4. Почему углекислый газ играет особую роль в обеспечении парникового эф-
фекта на Венере и на Земле? Как изменится температура земной поверхности при
увеличении содержания углекислого газа в атмосфере?
5. Почему температуры на ночной и дневной сторонах Венеры почти одина-
ковы, несмотря на то что ночная сторона остается неосвещенной в течение несколь-
ких месяцев?
6. Куда исчезла большая часть углекислого газа, который когда-то содержался
в атмосфере Земли? Что предохранило нашу планету от неконтролируемого парни-
кового эффекта, имеющего место на Венере?
7. Атмосферное давление на Венере уменьшается примерно вдвое на каждые
10 км высоты над поверхностью. Если давление на поверхности равно 90 атм, на
кикой высоте давление снижается до 1 атм, т.е. до земного давления на уровне
моря?
8. Почему в атмосфере Венеры уровень, на котором давление равно 1 атм, не
оОсспечивает благоприятных условий для развития жизни, несмотря на то что тем-
пература там составляет около 35°С?
Литература
< hapman С. The inner planets, Charles Scribner’s Sons, New York, 1977.
Iliwer K. Mariner unveils Mercury and Venus, National Geographic, 147, 858, 1975.
I чипд A., Young L. Venus. In The solar system, W.H. Freeman and Co., San Francisco,
1976.
Глава 14
Марс
У многих древних цивилизаций Марс, вероятно, из-за его красного цис
та, ассоциировался с кровопролитием и олицетворял бога войны. Поздпп
повышенный интерес к красной планете, о котором мы говорили в гл. I
привел к открытию облаков, пыльных бурь и сезонных изменений на по
верхности Марса и к дискуссиям о «каналах». Распространенное среди
многих ученых убеждение, что можно обнаружить жизнь на следующей
после Земли планете, достигло кульминации к моменту посадки двух к<н
мических аппаратов «Викинг» на ее поверхность в 1976 г. В будущем мо*
но надеяться на новые полеты к Марсу.
Физические характеристики Марса и Земли сопоставлены в табл. 14.1
Несмотря на небольшие размеры Марса и большее расстояние от Солнцв
легко заметить поразительное сходство между Марсом и Землей в продол
жительности суток, хорошо заметных сезонных изменениях (в результаи
близких наклонов осей вращения обеих планет), а главное в возможное!в
хорошо видеть, как происходят эти изменения на твердой поверхноши
Поскольку 71% земной поверхности покрыт морями, полные площади су
ши на Марсе и на Земле почти одинаковы.
Наилучшими свидетельствами в пользу жизни на Марсе, полученными
из наблюдений в начале нынешнего столетия, считались сезонные измене
ния контраста деталей поверхности планеты. В частности, наблюдаенм
ежегодная волна потемнения, которая начинается поздней весной в поляр
ной шапке и затем с приходом лета распространяется к экватора
(рис. 14.1). Такое направление противоположно направлению изменений
связанных с наступлением весны на Земле, но астрономы предположили,
что волна потемнения на Марсе может быть обусловлена появлением рас
тительности. Если наличие воды более важно, чем локальная температура
поверхности, и если вода поступает только в результате таяния полярной
шапки, то растения могли бы развиваться по мере того, как переносимый
ветром водяной пар или потоки воды распространяются от полюса к экий
тору. Развивающиеся растения должны отражать меньше света, чем горн
чая почва, поэтому области, сильнее покрытые растительностью, должен
быть темнее.
Марс
301
Таблица 14.1
« |Н11И1сние физических характеристик Земли и Марса
• I i.iiiri а Радиус, км Масса, г Сила тяжести Продолжите™»- Период обра- Расстояние
на поверхности ность суток, ч шення вокруг от Солнца, а.е.
(на Земле = I) Солнца, годы 24 *
1мия 6378
Мирс 3395
5,98 1027 1
6,42 1026 0,38
24 1,0 1,0
24,5 1,88 1,52
1ниметр Марса составляет 0,53 диаметра Земли. Бросающееся в глаза различие
*ду этими планетами состоит в том, что три четверти земной поверхности
нарыты океанами. Поэтому площадь суши на Земле в точности равна полной
« тщади поверхности Марса.
302
Глава 14
Рис. 14.1. при наблюдениях в телескоп на Марсе видны темные участки, которые
выделяются на более светлом и слегка окрашенном фоне. В каждом по
лушарии весна вносит изменения в контраст между темными и светлыми
областями. Когда наступает лето, полярная шапка уменьшается до свей*
го минимального размера (левый снимок).
Современные наблюдения Марса
С усовершенствованием телескопов и применением более сложной ан
паратуры этот образ Марса начал изменяться. Первые сомнения возникли
в результате ряда измерений температуры. Марс оказался холодной плане
той. Температура в самом теплом месте в самый теплый момент дня в ш
риод, когда Марс подходит ближе всего к Солнцу, поднимается до 27‘ <
почти как у нас в средних широтах. Но средняя температура на Марсе зна
чительно ниже точки замерзания воды. Даже в том месте, где температура
в полдень достигает 27°С, ночью она опускается до — 90°С! В таких усл<»
виях какие-либо каналы с жидкой водой, естественные или построенные
марсианами, представляются в высшей степени неправдоподобными.
Спектроскопические наблюдения Марса подтвердили подозрение, чн»
на красной планете не следует ожидать потоков воды. В начале 1960-х к»
дов астрономы узнали, что марсианская атмосфера состоит главным обра
зом из углекислого газа лишь со следами водяного пара. Полное
количество газа в марсианской атмосфере и давление на поверхности пла
неты составляют менее 1% от значений в нашей атмосфере. Давление на
поверхности играет важную роль в рассуждениях о возможности жизни на
Марсе, потому что если атмосфера не обеспечивает давления более 0,6" „
от атмосферного давления на Земле, то вода не может существовать
в жидком состоянии независимо от температуры на поверхности. Если a i
мосферное давление упадет ниже этого порогового значения (т.е. нюм
Марс
303
ь мбар), то лед при таянии (возгонке) будет переходить прямо в водяной
нар подобно тому, как испаряется сухой лед (твердая углекислота) на Зе-
м не. Без жидкой воды жизнь, насколько нам известно, невозможна, поэто-
му полное атмосферное давление на поверхности Марса, по-видимому,
имеет решающее значение для существования жизни.
Результаты космических полетов
15 июля 1965 г. космический аппарат «Маринер-4» пролетел мимо
Марса с небольшим комплектом аппаратуры на борту, которая позволила
впервые взглянуть на планету с близкого расстояния. Оказалось, что по
крайней мере некоторые участки Марса очень похожи на лунную поверх-
ность (рис. 14.2). Два следующих космических аппарата прошли мимо
Марса в 1969 г., в 1971 г. были выведены на орбиты американские и со-
ветские спутники Марса. На борту этих аппаратов была установлена более
совершенная аппаратура. Спектрометры ультрафиолетового диапазона на
(Маринерах-6 и 7» обнаружили в атмосфере Марса менее 0,0001% озона,
и инфракрасный спектрометр спутника «Маринера-9» показал, что предел
содержания метана менее 0,000025%*. Среднее давление на поверхности
оказалось близким к критическому значению 6 мбар, которое исключает
существование жидкой воды. Тщательное изучение тысяч снимков, пере-
данных на Землю «Маринером-9», не подтвердило существования пресло-
вутых «каналов». Очевидно, эти непрерывные линии были лишь оптичес-
кой иллюзией в результате случайного выстраивания темных пятен на
поверхности планеты (см. рис. 1.2).
Спектрометры «Маринеров-6 и 7» показали, что полярные шапки Мар-
са состоят преимущественно из твердой углекислоты, а не из замерзшей
воды. Это лишний раз подтверждает, как там должно быть холодно,-ведь
для превращения СО2 в лед на Марсе температура поверхности должна
быть равна — 125°С. Измерения инфракрасного излучения показали, что
па протяжении всего года даже на экваторе температура Марса понижает-
ся перед самым рассветом в среднем до — 90°С. Ежедневные колебания
температуры превышают 100°С, т.е. значительно больше самых сильных
колебаний температуры в земных пустынях. Такие колебания подтвер-
ждают разреженность марсианской атмосферы, плотность которой в 150
раз ниже земной, и парниковый эффект в ней поднимает температуру всего
па 5°С.
Низкое содержание озона в марсианской атмосфере не обеспечивает эф-
фективной защиты от ультрафиолетового излучения Солнца. Когда неко-
торые ученые сопоставили этот факт с вероятным отсутствием жидкой во-
* В атмосфере Земли 0,000005% озона и 0,0002% метана.
Рис. 14.Х Фотографии, переданные «Маринером-4», показали, что кратеры покры
вают ббльшую часть поверхности Марса, придавая ей некоторое сход
ство с лунной поверхностью.
Рис. 14.3. Извилистые, часто разветвляющиеся долины напоминают русла пересох
ших земных рек и определенно наводят на мысль, что когда-то по по
верхности Марса текла вода.
Марс
305
Рис. 14.4. Фотография Марса, составленная из снимков, сделанных «Маринером-9»
в 1973 г., показывает северную полярную шапку (вверху) и большие вул-
каны (внизу).
••I 4X5
306
Глава 14
Дно океана
W!^4«^WVeJ/W.J W^kWBJJttW
Рис. 14.5. Олимп-высочайшая из известных (пока!) гор в Солнечной системе, ее
громада вздымается на 25 км над равнинами Марса. Диаметр этого вул
кана у подножия 300 км, т.е. в пять раз больше диаметра Мауна-Лоа,
самого большого вулкана на Земле. Масштаб по* вертикали увеличен и
2 раза.
Рис. 14.6. Угол наклона между осью вращения Марса и перпендикуляром к пло
скости его орбиты периодически изменяется на несколько градусов. Koi
да этот угол больше, чем в настоящее время, различие между марсиан
скими летом и зимой более резко выражено.
Марс
307
ды и жестоким холодом, они пришли к выводу, что перспективы
обнаружить жизнь на Марсе исчезающе малы. Однако другие ученые под-
черкивали, что некоторые земные микроорганизмы могли бы существо-
вать в суровых марсианских условиях, если бы они были защищены от
ультрафиолетового излучения, например находясь под камнями, и были
снабжены небольшим количеством жидкой воды, чтобы по крайней мере
смочить частицы грунта хотя бы в течение небольшой части суток. Кроме
того, эти ученые указали на существование извилистых долин с ответвляю-
щимися притоками (рис. 14.3) как на свидетельство того, что когда-то по-
токи воды текли по поверхности Марса. Огромные марсианские вулканы,
например гора Олимп, плоская вершина которой возвышается на 25 км
над окружающей равниной (рис. 14.4 и 14.5), показывают, что кора пла-
неты сравнительно недавно подвергалась воздействию вулканической ак-
тивности. Может быть, волею судеб наши космические аппараты прибыли
на красную планету в разгар великого оледенения? Быть может, в про-
шлом на Марсе существовали более благоприятные условия для жизни?
И могут ли они вновь стать благоприятными?
Мы знаем, что в прошлом угол наклона оси вращения Марса к плоско-
сти его орбиты изменялся в течение миллионов лет. Он периодически то
увеличивается, то уменьшается (рис. 14.6). Его изменения обусловлены со-
вместным гравитационным воздействием Юпитера и Солнца и оказывают
серьезное влияние на марсианский климат.
Рассмотрим, что происходило, когда наклон оси вращения превышал
нынешнее значение. В то время различия между зимой и летом на Марсе
были более резко выражены, чем теперь, и не исключено, что полярная
шапка в соответствующем полушарии полностью исчезала летом. Когда
этот эффект был впервые открыт, астрономы предположили, что в резуль-
тате возгонки в атмосферу Марса могло поступить достаточное количе-
ство газа (главным образом, углекислого), чтобы поднять атмосферное да-
вление до уровня, обеспечивающего существование жидкой воды. Это могло
послужить объяснением сети долин, сильно напоминающих высохшие рус-
ла рек, на фотографиях, переданных «Маринером-9». При таком цикличе-
ском появлении и исчезновении жидкой воды жизнь на Марсе могла выра-
ботать способность пережидать те сотни тысячелетий, когда жидкой воды
не было, и находиться в состоянии анабиоза до тех пор, пока возгонка по-
лярных шапок вновь не обеспечит поверхность планеты жидкой водой и не
вернет к жизни обезвоженные организмы. К сожалению, большая часть
предполагаемых русел, по-видимому, имеет возраст, измеряемый не мил-
лионами, а миллиардами лет. Это означает, что описанные циклы появле-
ния жидкой воды могли иметь место лишь на значительно более раннем
этапе марсианской истории.
20*
308
Глава 14
Проект «Викинг»
После сотни лет противоречивых наблюдений с поверхности Земли
и восьми лет столь же противоречивых наблюдений с космических аппара-
тов приготовления к посадке на Марс происходили в состоянии боль-
шого возбуждения. Проект «Викинг» предусматривал запуск двух кос-
мических аппаратов, каждый из которых состоял из орбитального и поса-
дочного модулей, которые должны были прибыть к Марсу летом 1976 г.
Орбитальные модули предназначались для выбора подходящего места для
посадки и ретрансляции с посадочных аппаратов данных, собранных на
поверхности, а также для дистанционного исследования всей планеты.
В табл. 14.2 приведен перечень научной аппаратуры, установленной на
«Викингах-1 и 2». При создании приборов ставилась цель ответить на
самые неотложные вопросы о Марсе. Каков состав марсианского грунта?
Об этом мог сказать анализ неорганического вещества пород. Достаточно
ли активны до сих пор недра планеты, чтобы вызвать «марсотрясения»?
Ответ должен был дать сейсмометр. Каков состав марсианской атмос-
феры? Эти данные рассчитывали получить с помощью масс-спектроме-
тров, установленных на аэродинамическом щите, который должен был за-
щитить посадочный аппарат при входе в атмосферу, а также на самом по-
садочном аппарате и на орбитальном модуле. Инфракрасный радиометр
орбитального модуля предназначался для измерения температуры как
грунта, так и атмосферы. А чтобы лучше понять, какая на Марсе погода,
на посадочном аппарате предполагалось измерять скорость и направление
ветра, локальные вариации температуры и атмосферное давление. Боль-
шое внимание уделялось получению изображений с орбитального и поса-
дочного аппаратов. Разрешение на снимках с орбиты позволяло различить
детали размером с крупный стадион и могло быть дополнительно повы-
шено после корректировки орбиты. Снимки окружающей местности с по-
садочных аппаратов имели разрешение от нескольких миллиметров вблизи
аппарата до сотен метров на горизонте. На каждом аппарате были устано-
влены по две камеры для стереоскопической съемки с фильтрами, позво-
ляющими получать цветные изображения. Каковы «запах и вкус» Марса?
Об этом должны были сказать приборы для молекулярного анализа хими-
ческого состава атмосферы и грунта. А есть ли жизнь на Марсе? Пре-
красный вопрос! Многие приборы могли помочь ответить на него, но три
из них были специально сконструированы только для этой цели. В следую-
щей главе мы опишем эти три эксперимента.
После отбора экспериментов и ученых, которые должны были подгото-
вить и осуществить их, к проекту «Викинг» приступили всерьез в 1969 г., за
семь лет до самой посадки. Когда были получены снимки Марса с «Мари-
нера-9» в 1972 г., планета в наших глазах приобрела совершенно иной
Марс
309
Таблица 14.2
Научная аппаратура, установленная на космических аппаратах «Викинг-1 и 2»
Задача исследования Аппаратура
Орбитальный модуль
Получение изображений Измерение содержания водяного пара Измерение температуры Две телевизионные камеры Инфракрасный спектрометр Инфракрасный радиометр
Посадочный аппарат Получение панорам Биологический эксперимент Молекулярный анализ атмосферы и грунта Неорганический анализ состава грунта Метеорология Сейсмология Магнитные свойства грунта Физические свойства грунта Радиосвязь Две панорамные камеры Три анализатора: метаболизма, дыха- ния грунта и фотосинтеза Газовый хроматограф - масс-спектро- метр (хроматомасс-спектрометр) Рентгеновский флюоресцентный спектрометр Измерения давления, температуры и скорости ветра Трехкомпонентный сейсмометр Магнитный пробоотборник, наблюдае- мый камерами Различные типы датчиков
Определение положения орбитального модуля и посадочного аппарата Получение данных об атмосфере и планете Исследование межпланетной среды Проверка общей теории отно- сительности Радио- и радиолокационные системы ор- битального модуля и посадочного аппарата
облик *. На фоне однообразного, похожего на лунный, ландшафта, который
промелькнул перед предыдущими космическими аппаратами, появились
огромные вулканы, глубокие каньоны и таинственные извилистые долины.
При поисках удобного места для посадки ученые исходили из трех требо-
ваний. Во-первых, давление на поверхности должно составлять не менее
* Фотоснимки Марса были получены также с орбитальных модулей советских
автоматических межпланетных станций «Марс-4 и 5» в 1973 г-Прим. ред.
310
Глава 14
4 мбар, иначе атмосфера не обеспечит эффективного торможения и безо-
пасной посадки. Это исключало все высокогорные области Марса. Во-
вторых, посадку следовало осуществить вблизи марсианского экватора,
а не около полюсов, чтобы посадочный аппарат мог установить надежную
радиосвязь с Землей. Третье и наиболее важное требование заключалось
в том, что место должно быть пригодным с точки зрения рельефа, так как
аппарат мог опрокинуться в случае посадки на камень крупнее футбольно-
го мяча. Но мельчайшие детали поверхности, различимые с орбитального
модуля, были больше футбольного стадиона!
Определить общую шероховатость различных областей Марса и ис-
ключить при окончательном рассмотрении некоторые места, выглядевшие
привлекательными в других отношениях, помогли радиолокационные ис-
следования с Земли. Это позволило преодолеть ряд трудностей, с которы-
Рис. 14.7. В первоначально выбранном месте посадки «Викинга-1» метеоритные
кратеры располагаются в высохших руслах рек. Это свидетельствует, что
прошли миллиарды лет с тех пор, как вода проложила эти русла.
Марс
311
ми столкнулись ученые и инженеры при поисках подходящих мест для по-
садки космического аппарата в 400 млн. км от Земли, и с этой задачей они
справились успешно, осуществив посадку дважды. Грунт в местах посадок
оказался достаточно мягким, так что грунтозаборник «Викинга» смог вы-
копать в нем канавки. Если бы аппарат «приземлился» на каменные
плиты, то этого бы сделать не удалось.
Научные критерии выбора районов посадки были тесно связаны с зада-
чами поиска жизни на Марсе. Иными словами, нужно было совершить по-
садку в теплых, влажных, а значит, более пригодных для обитания местах.
Г учетом того что уже было известно о Марсе, требовался вполне сво-
бодный от предрассудков подход, чтобы можно было рассчитывать на ус-
пех. Еще до того как «Викинги» достигли Марса, было принято оконча-
тельное решение совершить одну посадку в районе, где, согласно
Рис. 14.8. Окончательно выбранное место посадки «Викинга-1» расположено у за-
падного края равнины Хриса. Этому месту было отдано предпочтение
благодаря его общей гладкости. Крестом отмечено запланированное ме-
сто посадки на снимке, сделанном с борта орбитального модуля «Викин-
га-1». Фактическая посадка произошла примерно в 15 км левее центра
креста, размеры которого 6x8 км.
312
Глава 14
Рис. 14.9. На этом снимке ближайших окрестностей посадочного аппарата «Викин
га-1» преобладают камни размером в несколько сантиметров или даже
в несколько десятков сантиметров. Внизу слева виден корпус грунтоза-
борника для взятия проб.
наблюдениям с «Маринера-9», несколько извилистых долин образовывали
нечто напоминающее дельту реки, а другую-в более высоких широтах.
Ученые надеялись найти там больше воды вблизи поверхности, поскольку
посадка была намечена в летнем полушарии.
Однако, когда в июне 1976 г. «Викинг-1» вышел на орбиту вокруг Мар-
Рис. 14.10. Панорамы, снятые «Викингом-1» (вверху) и «Викингом-2» (внизу), в об-
щем похожи друг на друга, несмотря на расстояние между ними 1500 км
по широте и 7000 км по дуге большого круга. На снимках преоблада
ют камни размером от нескольких метров до нескольких сантиметров;
не видно никаких признаков жизни.
314
Глава 14
са, ученые увидели на фотоснимках первой выбранной области посадки
метеоритные кратеры как раз в извилистых руслах (рис. 14.7). Эти кратеры
свидетельствовали о том, что прошли миллиарды лет с тех пор, как по
руслам в последний раз текла вода. К тому же район содержал слишком
много выбоин, делавших посадку рискованной. Поэтому после длительно-
го обсуждения место первой посадки было перенесено к западному краю
равнины Хриса, ниже той области, на которой, по-видимому, отчетливо
проявляются следы водной эрозии (рис. 14.8).
20 июля 1976 г. «Викинг-1» совершил посадку на поверхность Марса
и вскоре передал на Землю изображение одной из опор посадочного аппа-
рата на фоне марсианского ландшафта (рис. 14.9). Место посадки оказа-
лось удачным; Лишь один камень в непосредственной близости был доста-
точно большим, чтобы опрокинуть или пробить посадочный аппарат, если
бы аппарат опустился прямо на него. Цветные снимки подтвердили, что
поверхность Марса действительно красная благодаря содержанию окислов
железа в грунте. Некоторых удивило, что марсианское небо также имеет
красноватый оттенок. Причина этого очевидна: некоторые частицы грунта
настолько малы, что остаются взвешенными в атмосфере и придают мар-
сианскому небу такой необычный цвет. Подобный эффект наблюдается во
время сильных песчаных бурь на Земле, когда поднявшиеся в воздух не-
сколько более крупные частицы придают небу желтый оттенок. Астро-
номы сейчас уверены, что волна потемнения, которую раньше объясняли
распространением растительности по поверхности Марса, объясняется пы-
лью, переносимой ветром.
Вторая посадка на Марс была осуществлена 3 сентября 1976 г. на ши-
роте 40°, причем ландшафт оказался очень похожим на ландшафт в месте
первой посадки (рис. 14.10). Хотя оба участка едва ли характеризуют пла-
нету в целом, тщательное сопоставление их сходных черт и различий дало
много новой информации.
Новый Марс
Для опытных глаз ученых, участвоваших в программе «Викинг», мар-
сианские ландшафты казались навязчиво знакомыми. Разнообразные кам-
ни с острыми краями, неровностями поверхности и дюны вблизи горизон-
та-все это напоминает земные пейзажи, где также встречаются области
с красноватым грунтом. Как Земля, так и Марс резко отличаются от
Луны, где полное отсутствие атмосферы обрекло грунт н£ безжалостную
бомбардировку микрометеоритами и обесцвечивание интенсивным ультра-
фиолетовым излучением Солнца. Исследование марсианского грунта пока-
зало и другие сходные черты с Землей, и, что еще более важно, фактиче-
скую идентичность химического состава грунта в местах обеих посадок.
Марс
315
В табл. 14.3 приведен состав грунта по содержанию в нем химических
элементов, поскольку анализатор (рентгенофлюоресцентный спектрометр)
не позволяет отличить соединения и минералы, состоящие из отдельных
элементов. В грунте необычно много серы, но в остальном соотношение
химических элементов на Марсе подобно тому, которое встречается на Зем-
ле в нонтроните,-богатом железом глинистом минерале. Мелкие частицы
этого минерала могут образовать дюны, похожие на дюны на рис. 14.9,
а также быть причиной красноватого оттенка марсианского неба. Но ре-
шающий вывод из табл. 14.3 заключается в том, что поверхность Марса,
по крайней мере в местах посадок, состоит из химических элементов, от-
ношение содержаний которых в целом такое же, как на Земле.
Таблица 14.3
Элементный состав грунта в местах посадок «Викинга-1 и 2»
Элемент Доля общего состава грунта, %
«Викинг-1» «Викинг-2»
Кремний 20,9 ± 2,5 20,0 ± 2,5
Железо 12,7 ± 2,0 14,2 ± 2,0
Магний 5,0 ± 2,5
Кальций 4,0 ± 0,8 3,6 ± 0,8
Сера 3,1 ± 0,5 2,6 ± 0,5
Алюминий 3,0 ± 0,9
Хлор 0,7 ± 0,3 0,6 ± 0,3
Титан 0,5 ± 0,2 0,6 ± 0,2
Все остальные элементы
(предположительно
в основном кислород) 50,1 ± 4,3
Аналогичный вывод справедлив и для марсианской атмосферы. Пре-
обладание углекислого газа, впервые открытое с Земли, было подтвержде-
но масс-спектрометрами «Викингов», которые рассортировали атомы
и молекулы по массе и позволили ученым определить, из каких соединений
состоит атмосфера. На 95% (по объему) марсианская атмосфера состоит из
углекислого газа, азота всего 2,7%, аргона 1,6%, кислорода-около 0,1%,
водяного пара и окиси углерода лишь незначительные следы. Преоблада-
ние углекислого газа сразу же заставляет вспомнить Венеру. И снова мы
сталкиваемся с планетой, атмосфера которой, по-видимому, развивалась
в отсутствие жизни и жидкой воды.
На Венере вода, вероятно, попросту отсутствует, так как ее орбита
столь близка к Солнцу, что она образовалась без воды, или вода улетучи-
316
Глава 14
лась вскоре после образования планеты. На Марсе мы сталкиваемся с про
тивоположной ситуацией: основная часть воды, вероятно, осталась на пли
нете, но главным образом под поверхностью в виде вечной мерзлоты, как
в арктических районах Земли. Похоже, что мы встретились с ситуацией,
которую можно было бы назвать классической; на Венере слишком жарко,
на Марсе слишком холодно, а на Земле в самый раз!
На основе измерений содержаний различных газов в атмосфере Марса
и наших представлений о том, как улетучиваются газы с планет, подобных
Марсу, можно реконструировать его раннюю атмосферу. Оказалось, чю
когда-то Марс, возможно, имел значительно более плотную атмосферу,
чем теперь. Хотя современная марсианская атмосфера на 95% состоит и»
углекислого газа, основная его часть вблизи поверхности планеты, видимо,
сосредоточена в полярных шапках и карбонатных породах. Легко рассчи-
тать, что если бы весь этот углекислый газ перешел в газообразную фор-
му, то атмосферное давление повысилось бы до значения, составляющего
от 50 до 100% атмосферного давления у поверхности Земли.
Этот интересный факт позволяет объяснить таинственные русла, ве-
роятно образованные текущей водой. При поверхностном давлении 500
мбар жидкая вода могла течь по поверхности, хотя такая атмосфера, ве-
роятно, была неспособна обеспечить достаточно тепла для полностью раз-
витого цикла дождь-реки-водоемы-дождь. Действительно, на Марсе нс
обнаружено следов высохших озер, береговых линий или каких-либо быв-
ших крупных резервуаров воды. Разветвленные системы русел не содержа i
крупных излучин или стариц, характерных для развитых речных систем
с медленным течением на Земле. Вместо этого мы видим как бы шрамы
от быстрых потоков воды, подобные следам очень коротких паводков
в наших пустынях, но гораздо большего масштаба (рис. 14.11). Иногда ис-
точник воды на Марсе похож на «провал» в грунте, и можно лишь строить
догадки, не расплавилась ли внезапно вечная мерзлота под поверхностью
в результате ареотермической активности или удара метеорита и не выр-
вался ли поток воды из ледового плена, чтобы растечься по марсианским
равнинам.
Эта активная нестабильная фаза в истории планеты, по-видимому, име-
ла место миллиарды лет назад, и один из основных вопросов, на которые
еще предстоит ответить: как долго она продолжалась? Наличие метео-
ритных кратеров на дне крупных долин свидетельствует о том, что послед-
ние обширные паводки на Марсе происходили по крайней мере 3 млрд,
лет назад или даже больше. Но, во всяком случае, был период, когда на
поверхности Марса существовала жидкая вода, а отсюда можно заклю-
чить, что жизнь зародилась бы на Марсе, чтобы погибнуть в течение по-
следующих миллиардов лет. Несомненно, что все основные химические
элементы, которые мы определили как необходимые для жизни, имеются
Марс 317
Рис. 14.11. Эта большая треугольная долина, имеющая в поперечнике несколько
десятков километров, могла возникнуть при оседании участка марсиан-
ской поверхности, возможно, в результате таяния льда под поверх-
ностью грунта. Оседание грунта, по-видимому, сопровождалось кратко-
временным гигантским паводком, который проложил русло, различи-
мое в правой части снимка. Подобные источники воды могли привести
к возникновению разветвленных систем русел, видимых на поверхности
планеты.
на Марсе. Знаменитые полярные шапки, состоящие из сухого льда, вклю-
чают также значительное количество водяного льда. В этом можно не со-
мневаться, потому что летом солнечное излучение повышает температуру
северной полярной шапки до уровня, при котором весь сухой лед испа-
ряется и остается лишь небольшая шапка водяного льда (рис. 14.12). Пре-
жде чем этот лед успеет полностью испариться, замерзшая углекислота
осенью вновь покрывает его, сберегая часть водяного льда год за годом.
Границы полярных шапок в будущем могут стать первыми кандидатами
для поисков жизни на Марсе.
И все же перспективы жизни на Марсе выглядят мрачно. Отважный
разведчик Марса никогда не смог бы развести огонь, так как там нет
соплива, а в атмосфере слишком мало кислорода для горения. Если бы он
захватил с собой электрическую печь, наколол льда в полярной шапке
и попытался растопить его, то получил бы лишь водяной пар, но не воду.
Только в кастрюле-скороварке можно было бы приготовить такое простое
318
Глава 14
Рис. 14.12. Летом в северном полушарии Марса углекислый газ полярной шапки
полностью испаряется, оставляя небольшую шапку замерзшей воды,
для испарения которой нужна более высокая температура.
блюдо, как вареное яйцо, да и то даже при давлении в два раза большем,
чем обеспечивают скороварки, вода закипела бы при 5°С! Чтобы подня л,
температуру воды, скажем, до 60°С, исследователю Марса необходимо за
пастить герметичной кастрюлей, в которой поддерживалось бы давление,
в 100 раз превышающее внешнее. Ясно, что высадка на Марс будет не пик
ником, к тому же будущим исследователям потребуется провести обшир
ную разведку, если мы действительно хотим обнаружить жизнь на четвер
той планете Солнечной системы.
Фобос и Деймос
Марс имеет два крошечных спутника, Фобос и Деймос, названных так
в честь сыновей бога войны. Они были открыты в 1874 г. Холлом, хотя
уже Иоганн Кеплер, Вольтер и Джонатан Свифт полагали, что у Марса дол-
жно быть два спутника *. В отличие от нашей Луны и четырех больших (гал-
* Во времена, когда писали Кеплер, Вольтер и Свифт, было, известно, что у Зе
мли один спутник, а у Юпитера-четыре. Поэтому, чтобы получить правильную
геометрическую прогрессию, предположили, что у Марса два спутника. Это про
стое объяснение не устранило фантастических измышлений о том, что Кеплер, Во
льтер и Свифт, должно быть, находились в контакте с развитыми цивилизациями,
от которых и узнали о спутниках Марса.
Рис. 14.13. Спутники Марса, Деймос (справа) и Фобос (слева), покрыты кратерами. Падение метеоритов на Фобос, по-ви-
димому, создало также параллельные борозды на его поверхности. Благодаря наклонному падению, солнечных
лучей на поверхности Фобоса видно значительно больше деталей, чем на поверхности Деймоса, который виден
в полной фазе и поэтому на нем отсутствуют тени, усиливающие контраст.
320
Глава 14
лилеевых) спутников Юпитера, оба спутника Марса имеют средние диа-
метры менее 20 км, т. е. меньше крупных астероидов. Они настолько малы,
что турист на любом из них, бросив камень в небо, испытал бы сильную
отдачу.
С орбитальных модулей «Викингов» были сделаны высококачественные
фотографии Фобоса и Деймоса, которые позволили покончить с предполо-
жением об их искусственном происхождении. Как видно на рис. 14.13,
спутники слишком малы, чтобы их собственная сила гравитации могла
придать им форму, близкую к сферической, как у всех крупных объектов,
подобных Земле и Луне. Израненные ударами бесчисленных метеоритов,
Фобос и Деймос, вероятно, дают хорошее представление о том, как выгля-
дит типичный астероид. И действительно, эти спутники-скорее захва-
ченные астероиды, нежели объекты, сформировавшиеся на своих нынеш-
них орбитах путем аккреции одновременно с Марсом. Спектроскопические
исследования показывают, что химический состав Фобоса и Деймоса бли-
зок к составу метеоритов типа углистых хондритов (см. с. 272).
Фотографии спутников передавались неоднократно в течение более чем
трехлетнего периода со времени начала работы «Викинга-1». В этот же пе-
риод передавались изображения с посадочных аппаратов, относящиеся
к различным сезонам: там, где летом видны лишь тени, зимой появляется
иней. Значительно раньше был завершен ряд других экспериментов «Ви-
кингов», в том числе и те, которые непосредственно связаны с поисками
жизни на Марсе. Рассказу о них посвящена отдельная глава, поскольку
биологические эксперименты «Викингов» пока представляют собой един-
ственный пример прямого поиска внеземной жизни.
Выводы
Марс, диаметр которого ровно в два раза, а масса в десять раз меньше
земных, напоминает Землю периодом вращения, характером сезонных из-
менений и наличием атмосферы. Однако его большее расстояние от Солн-
ца и-что наиболее важно-низкое атмосферное давление, составляющее
менее 1% от давления на Земле, препятствуют существованию жидкой во-
ды. Основная часть воды находится либо в слое вечной мерзлоты под по-
верхностью, либо в полярных шапках, которые состоят главным образом
из замерзшей углекислоты; ничтожная часть водяного пара содержится и
в марсианской атмосфере, которая также в основном состоит из углекис-
лого газа.
Хотя в настоящее время жидкая вода не может существовать на Марсе,
за исключением весьма специальных условий (подобно тому как угле-
кислый газ на Земле из сухого льда переходит прямо в газ, вода на Марсе
должна быть либо в твердом, либо в газообразном состоянии), фотогра-
Марс
321
фии Марса, переданные космическими аппаратами серий «Маринер»
и «Викинг», указывают на существование жидкой воды на планете в про-
шлом. Свидетельством этого являются извилистые древние русла, ко-
торые, по мнению геологов, должны быть следами текущей воды.
Поверхность Марса, сильно изрытая кратерами, показывает, что за
4 млрд, лет, прошедшие после образования большинства кратеров, эрозия
и выветривание были незначительными. Гигантские вулканы (некоторые из
них втрое превосходят высочайшие горы Земли) свидетельствуют о геоло-
гической активности Марса, которая, быть может, не угасла по сей день.
Марсианские «каналы», которые когда-то широко обсуждались неко-
торыми астрономами, очевидно, вообще не существуют и были лишь оп-
тической иллюзией из числа наиболее волнующих иллюзий. Сезонные
изменения цвета обширных областей марсианской поверхности, по-види-
мому, объясняются переносом пыли ветром и, несомненно, не связаны
с ростом или увяданием растений. Спутники Марса, Деймос и Фобос, так
малы, что сохранили неправильную форму. Их поверхности хранят следы
древней интенсивной метеоритной бомбардировки. Эти спутники напо-
минают небольшие астероиды по внешнему виду и даже по химическому
составу.
Вопросы
1. Какие наблюдения до запуска к Марсу космических аппаратов вселили
в людей веру, что на Марсе может существовать растительность и даже живут раз-
умные существа?
2. Что представляют собой марсианские «каналы»?
3. Почему на поверхности Марса не может существовать жидкая вода?
4. На Земле атмосферное давление падает в 2 раза на каждые 6 км высоты. На
какую высоту нужно подняться, чтобы атмосферное давление упало до значения на
поверхности Марса, составляющего около 1/160 давления на уровне моря на
Земле?
5. Почему марсианская атмосфера не может защитить поверхность планеты от
ультрафиолетового излучения Солнца? Что это означает для возможности жизни
па Марсе?
6. Какие данные свидетельствуют о том, что на поверхности Марса когда-то
была жидкая вода? Если она была на Марсе, чем отличались условия ее
существования?
7. С какими трудностями столкнулись ученые при выборе места посадки для
«Викингов»?
8. Из чего состоят полярные шапки Марса?
9. Где, по мнению ученых, находится теперь большая часть углекислого газа,
который ранее был в атмосфере Марса?
10. Как сварить яйцо на Марсе?
?. 1-485
322
Глава 14
Литература
Arvidson R. Е., Binder А. В., Jones К. L, The surface of Mars, Scientific American, 238.
No. 3, 76, 1978.
Carr M. The volcanoes of Mars, Scientific American, 234, No. 1, 32, 1976.
Hartmann W., Raper 0. The new Mars: The discoveries of Mariner-9, NASA,
U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1974.
Leovy C. The atmosphere of Mars, Scientific American, 237, No. 1, 34, 1977.
Moore P. A field guide to Mars, Houghton Mifflin Co., Boston, 1977.
Murray B., ed. Mars and the mind of man, Harper and Row, New York, 1973
Mutch T. The martian landscape, NASA, U. S. Government Printing Office, Washington,
D.C., 1979.
Pollack J. Mars. In The solar system, W. H. Freeman and Co. San Francisco, 1976.
Veverka J. Phobos and Deimos, Scientific American, 236, No. 2, 30, 1977.
Научная фантастика
Bradbury R. The Martian Chronicles, Doubleday, New York, 1956. (Имеется перевод:
Бредбери P. Марсианские хроники-M.: Мир, 1965.)
Есть ли жизнь
на Марсе?
Глава 15
Как узнать, есть ли жизнь на Марсе? Научный анализ этой проблемы
в течение последних ста лет привел к разработке четырех основных мето-
цов обнаружения жизни на другой планете. В порядке возрастания сложно-
ни их осуществления эти методы таковы. 1. Наблюдать с Земли любые
шачительные изменения на марсианской поверхности, которые можно
приписать деятельности иной цивилизации. 2. Вести с Земли поиск в раз-
ничных диапазонах, пытаясь поймать сигналы иной цивилизации. 3. Ана-
иизировать химический состав атмосферы планеты с помощью совер-
шенных спектроскопических методов, чтобы зафиксировать тонкие измене-
ния, возможно вызванные присутствием жизни. 4. Отправиться на другую
планету и выполнить сложные эксперименты, чтобы проверить, есть ли
him как крупные, так и микроскопические живые организмы.
Первые три метода можно осуществить непосредственно с Земли при
условии, что мы располагаем мощными телескопами, радиоантеннами
и спектрографами. Четвертый наиболее прямой метод поиска стоит значи-
1сльно дороже, чем любой из трех других, хотя и не настолько дорого,
чтобы человечество отказалось от его выполнения. Прежде чем рассмо-
|реть результаты, полученные на Марсе этим четвертым методом, заду-
маемся, что могли бы узнать разумные марсиане о жизни на Земле с по-
мощью первых трех методов.
До недавнего времени первые два метода, т. е. попытки смотреть и слу-
шать, не позволили бы обнаружить существование жизни на Земле марсиа-
нам с таким же уровнем технологического развития, как у нас. Земная ат-
мосфера препятствовала бы наблюдениям поверхности нашей планеты,
гак что изменения, внесенные в ландшафт деятельностью человека, нельзя
было бы заметить, а ночные огни больших городов тоже было бы нелегко
зарегистрировать. Не удалось бы принять и радиосигналы, потому что
мощные радиостанции начали работать лишь в 1920-х годах. Однако тре-
ти метод дал бы положительные результаты, даже если бы цивилизации
на Земле не было.
Спектроскопические наблюдения с Марса показали бы наличие боль-
шого количества молекулярного кислорода в атмосфере Земли, а также не-
324
Глава 15
большого количества метана СН4. Этот факт неизбежно заинтересовал бы
марсиан, потому что они должны знать, что метан сгорает в присутствии
кислорода, и даже если бы на Земле не было огня, ультрафиолетовое излу-
чение Солнца быстро «окислило» бы весь метан, превратив его в угле-
кислый газ и воду. Присутствие метана в земной атмосфере предполагае!
наличие источника, который поставляет новые молекулы взамен окис-
ленных. Источником метана на Земле являются преимущественно бакте-
рии, которые живут в кишечниках травоядных животных и в топких
болотах.
Точно так же разумного марсианина весьма озадачило бы большое ко-
личество кислорода в атмосфере Земли, поскольку кислород чрезвычайно
активен и быстро соединяется с породами, которые непрерывно выносятся
из недр на поверхность Земли. Этот процесс удаляет кислород из атмос-
феры нашей планеты, поэтому для поддержания постоянной концентрации
кислорода в атмосфере также требуется источник-в данном случае это
растения, которые выделяют кислород в процессе фотосинтеза.
Таким образом, третий метод показал бы марсианам, что жизнь на
Земле существует, задолго до того, как они запустили бы космический ап-
парат для непосредственного исследования земной среды. Точно так же,
если бы мы открыли большое количество кислорода в марсианской атмос-
фере, то предположили бы, что там, вероятно, существует жизнь. Однако
кислород составляет лишь 0,13% в разреженной атмосфере Марса, полное
давление которой меньше 0,7% давления земной атмосферы. Это ничтож-
ное количество кислорода легко объяснить как результат фотохимических
реакций, которые протекают при воздействии солнечного света на неболь-
шое количество водяного пара в марсианской атмосфере. Метан и другие
газообразные углеводороды пока не обнаружены на Марсе, так что на
планете нет признаков необычных условий, характерных для биологически
активной Земли.
Короче говоря, первые три метода не показали каких-либо признаком
жизни на Марсе: никаких «каналов», городов, радиопередач, неожиданных
газовых составляющих в атмосфере. Поэтому пришлось потратить почти
миллиард долларов на то, чтобы осуществить четвертый метод и по-
строить космические аппараты серии «Викинг», способные совершить по-
садку на Марс и выполнить тонкие эксперименты, чтобы проверить, есть
ли на Марсе микроорганизмы.
Как обнаружить
марсианские микроорганизмы
Хотя наибольшее волнение мы испытали бы, обнаружив в ходе наших
поисков жизни крупные разумные существа, способные к общению с нами,
эволюция жизни на Земле напоминает, что микроорганизмы значительно
Есть ли жизнь на Марсе?
325
многочисленнее и выносливее, чем крупные организмы. Ископаемые остат-
ки показывают, что в течение миллиардов лет микроорганизмы были
единственной формой жизни на Земле, т.е. они существуют значительно
дольше, чем крупные организмы, и за это время их численность или спо-
собность к адаптации не уменьшились. Отбросы на заднем дворе содержат
больше живых организмов, чем Галактика-звезд. У нас нет оснований ду-
мать, что другая планета, на которой есть жизнь, будет отличаться от Зем-
ли путями развития живых систем, поэтому шансы обнаружить жизнь зна-
чительно увеличиваются, если предусмотреть поиск микроорганизмов.
Осознание этого факта легло в основу экспериментов по поиску жизни на
Марсе.
Но как же их найти? С помощью обычной телекамеры крошечные ор-
ганизмы не увидишь, а послать на Марс мощный микроскоп и обеспечить
надежную его работу на поверхности планеты, как показали расчеты, неве-
роятно трудно. Поэтому для «Викингов» были разработаны эксперименты
по обнаружению микроорганизмов несколько более сложными способами.
Более того, необходимо было считаться с тем, что тщательно сконструи-
рованная миниатюрная лаборатория, предназначенная для посадки на по-
верхность Марса, могла в первую очередь зарегистрировать земные ми-
кроорганизмы, доставленные через многие миллионы километров на Марс
самим посадочным аппаратом!
Ученые, участвовавшие в программе «Викинг», справились с этой про-
блемой, чрезвычайно тщательно простерилизовав весь космический аппа-
рат. Они также долго бились, придумывая наилучший способ отбора проб
марсианского грунта, чтобы микроорганизмы, если они есть, не подвер-
глись нежелательным воздействиям при посадке аппарата. В конце концов
лучшим вариантом была признана выдвижная штанга с черпаком на кон-
це, поскольку эксперименты показали, что посадка лишь незначительно по-
влияет на грунт, причем только непосредственно под космическим аппара-
том (рис. 15.1). Предположим, что незагрязненная проба грунта исследует-
ся на наличие микроорганизмов. Какое «угощение» им бы понравилось?
Здесь ученые обратились к «фундаментальным» принципам биологии и хи-
мии, поневоле не совсем объективным, поскольку мы вывели их из един-
ственного биологического примера-жизни на Земле.
Поэтому был предложен следующий подход. Жизнь на Марсе, если она
существует, должна основываться на химии углерода и жидком раствори-
теле, т.е. каком-то распространенном веществе, которое может существо-
вать в жидком состоянии в марсианских условиях. Для Марса, где нет ам-
миака или спирта, это означает химию углерода с водой, т.е. тип жизни,
в основном идентичный по своим химическим свойствам жизни на Земле.
Подобное заключение может показаться ограниченным, однако предполо-
жение о химическом сходстве на таком начальном уровне на самом деле
дойускает чрезвычайное разнообразие типов жизни (см. гл. И). Но как же
24
22
1
28
5
25
21
6
>10
Л1
.12
9
8
,7
-13
2
9
14
Рис. 15.1. На посадочных аппаратах «Викингов» установлено большое количество
приборов для анализа атмосферы и поверхности Марса, в том числе вы-
движной грунтозаборник для взятия и переноса проб грунта на 6opi
для анализа.
1 - антенна сантиметрового диапазона с высоким усилением для прямой
связи посадочного аппарата с Землей, 2-система жидкостного охлажде-
ния радиоизотопного термоэлектрического генератора, 3-трубопро-
воды для заполнения двигателя и подачи N2 (системы 2 и 3 в варианте
посадочного аппарата не работают), 4-телекамеры, 5-защитный экран
радиоизотопного термоэлектрического генератора, 6-метеорологиче-
ские датчики, 7-механизм метеорологической штанги, 8-темпера-
турный датчик, 9-опоры, 10-процессор хроматомасс-спектрометра,
11-процессор биокомплекса, 12-выдвижной грунтозаборник, 13-ковш,
14-магниты, 15-двигатель мягкой посадки с 18 соплами, 16-обзорное
зеркало, 17-воронка для рентгенофлюоресцентного анализа грунта,
18-антенна радиовысотомера, 19-радиолокатор мягкой посадки (под
корпусом посадочного аппарата), 20-топливный бак системы мягкой
посадки, 21 - антенна сантиметрового диапазона с низким усилением для
связи с орбитальным модулем, 22-поворотный двигатель, 23-магни i
и устройство проверки наведения камер на цель, 24-антенна УКВ (пере-
дающая), 25-источник питания-радиоизотопный термоэлектрический
генератор (под экраном), 26-сейсмометр, 27-электронный блок ра-
диовысотомера, 28-параболическое зеркало.
Есть ли жизнь на Марсе?
327
все-таки обнаружить крошечные марсианские микроорганизмы, о которых
нам ровным счетом ничего не известно?
Логический первый шаг-детальное изучение марсианского грунта.
У всех организмов, даже бактерий, развивается тесная связь со средой оби-
тания. Если микроорганизмы достаточно многочисленны, они изменят хи-
мию своей среды обитания и при этом создадут признаки жизни, которые
можно обнаружить при анализе атмосферы или марсианского грунта.
Результаты анализа грунта
Вскоре после того как «Викинг-1» совершил посадку на Марс и первая
проба грунта была зачерпнута и помещена в камеры анализатора, на Зем-
лю были переданы результаты. В марсианском грунте не было обнаруже-
но никаких признаков органических соединений, а в атмосфере-никаких
соединений, свидетельствующих о существовании жизни. Анализ прово-
дился в сложном устройстве, объединяющем газовый хроматограф и масс-
спектрометр и называемом хроматомасс-спектрометром или просто хро-
масом. Грунт был предварительно нагрет в специальной печке для
выделения летучих веществ, которые затем поступали в часть устройства,
называемую хроматографической колонкой, и выходили из нее последова-
тельно в зависимости от времени задержки, различного для разных газов.
Масс-спектрометр анализирует уже разделенный поток газа и определяет
присутствующие в нем соединения.
Рис. 15.2. На лабораторной модели хроматомасс-спектрометра «Викинга» были
выполнены анализы антарктического грунта (слева) и образца метеори-
та Мерчисон, содержащего аминокислоты (справа). Графики показы-
вают, что в каждом из двух образцов содержатся разнообразные орга-
нические вещества. Каждый пик на графике соответствует одному или
нескольким органическим соединениям. В этом масштабе результат хро-
матомасс-спектрометрического анализа марсианского грунта выглядел
бы как прямая линия, совпадающая с горизонтальной осью, без каких
бы то ни было пиков.
328
Глава 15
На рис. 15.2 слева показаны результаты анализа антарктического грун-
та при помощи лабораторного варианта хроматомасс-спектрометра «Ви-
кинга». Хотя этот грунт содержал так мало живых организмов, что дал
слабые положительные результаты в трех экспериментах по обнаружению
жизни, прибор показал наличие большой массы органических соединений.
Иными словами, следы жизни обнаружить гораздо легче, чем сами живые
организмы. Например, проба антарктического грунта, результаты анализа
которой показаны на рис. 15.2, содержит в 10000 раз больше углерода, за-
ключенного в органических молекулах, чем в микроорганизмах.
Однако следует иметь в виду, что не все органические соединения соз-
даются живыми организмами. На рис. 15.2 справа показаны результаты
анализа в хроматомасс-спектрометре метеорита, содержащего аминокис-
лоты-строительные блоки белков. Вновь мы видим молекулы, содержа-
щие углерод, но эти органические молекулы не были созданы живыми ор-
ганизмами. Таким образом, обнаружение органических молекул, вообще
говоря, не было бы доказательством существования жизни на Марсе, по-
скольку простые органические соединения могли быть занесены на Марс
метеоритами или даже возникнуть в результате фотохимических реакций
в марсианской атмосфере.
На практике эта неоднозначность не помешала сделать выводы из экс-
периментов с хроматомасс-спектрометром, потому что в марсианском
грунте вообще не было обнаружено органических соединений. В масштабе
рис. 15.2 результаты анализа марсианского грунта слились бы с горизон-
тальной осью графика, т. е. неразличимо малы. Это относится к двум раз-
личным пробам в обоих местах посадки, причем одна из проб была взята
из-под камня, который мог бы (как предполагали) служить укрытием от
губительного ультрафиолетового излучения. В грунте были обнаружены
только вода и углекислый газ, что и неудивительно, поскольку они содер-
жатся в атмосфере планеты. Верхний предел содержания всех возможных
органических соединений в грунте, таких^ как углеводы, ацетон, фуран
и ацетонитрил, не превышает нескольких миллиардных долей.
Эти отрицательные результаты накладывают сильные ограничения на
любые предположения о марсианской биологии: как могла бы существо-
вать жизнь на Марсе, не оставляя никаких следов своего присутствия?
Быть может, марсианские организмы-столь способные «уборщики отбро-
сов», что не было найдено никаких следов их отходов, их пищи, их трупов,
несмотря на высокую чувствительность аппаратуры посадочных аппаратов
«Викингов»? Биологи, участвовавшие в проекте «Викинг», считают эту воз-
можность крайне маловероятной*.
* Здесь можно провести интересную параллель с поисками снежного человека.
Почему не найден его скелет?
Есть ли жизнь на Марсе?
329
Результаты анализа атмосферы
Изучение химического состава марсианской атмосферы также подтвер-
дило вывод об отсутствии жизни на Марсе. Было установлено, что в ат-
мосфере Марса от 2 до 3% азота. Поскольку на Земле обмен азотом меж-
ду организмами и атмосферой составляет важное свойство жизни,
присутствие азота в марсианской атмосфере казалось добрым знамением
для тех, кто искал жизнь на Марсе. Но не было обнаружено никаких газов,
являющихся продуктами жизнедеятельности: верхний предел содержания
метана в местах посадки ниже нескольких миллионных долей. Еще раньше
инфракрасные спектрометры на «Маринере-9» установили верхний предел
содержания метана для всей атмосферы, равный 25 миллиардным долям.
Таким образом, шансы, что на Марсе пасутся стада скота невелики! Спек-
трометры не обнаружили также кремниевого аналога метана-силана. [Си-
лан был бы нестабилен в марсианской среде, так что жизнь, основанная на
кремнии, вернула бы нас к легендам об огнедышащих драконах (см.
с. 240).]
Вследствие отрицательных результатов анализа грунта и атмосферы
обнаружение жизни на Марсе с помощью аппаратуры, сконструированной
специально для этой цели, оказалось весьма маловероятным. Поэтому
ученые испытали настоящий шок, когда все три биологических экспери-
мента вдруг дали положительные результаты!
Биологические эксперименты
После рассмотрения большого числа вариантов для проекта «Викинг»
выбрали три эксперимента, предназначенные для поисков жизни на Марсе.
Эти эксперименты были названы газовый обмен, разложение метки и пи-
ролизное разложение и основывались на опыте, накопленном при изучении
жизни на Земле. Например, все известные организмы извлекают энергию
двумя основными способами: путем окисления (удаления водорода и со-
единения с кислородом) и путем восстановления (удаления кислорода и со-
единения с водородом). Оба этих процесса заслуживают изучения на Мар-
се. Но как? Чем и при каких условиях могли бы питаться марсиане для
получения энергии?
Поскольку кое-что об условиях на Марсе было известно, и ученые
предположили, что жизнь там должна быть основана на углероде и ис-
пользовать воду в качестве растворителя, они сочли разумным предло-
жить марсианским микроорганизмам в качестве угощения некоторую под-
ходящую смесь органических питательных веществ, растворенных в воде,
чтобы посмотреть, какие реакции произойдут-если они вообще произой-
дут-при таком меню. Первые два эксперимента были направлены на ре-
шение именно этой задачи.
330
Глава 15
В первом эксперименте к пробе грунта добавлялось несколько десятков
«подходящих» питательных веществ (рис. 15.3). Эта питательная смесь на-
столько «лакома» для земных организмов, что ее, а вместе с ней и весь
этот эксперимент стали называть «куриный бульон». После приведения
пробы грунта в контакт с «куриным бульоном» требовалось ответить на
вопрос: обнаружит ли газовый хроматограф какие-либо изменения в хими-
ческом составе газа над грунтом? Такие изменения могли произойти в ре-
зультате жизнедеятельности марсианских микроорганизмов. На Земле экс-
перимент с «куриным бульоном» обнаружил бы существование жизни по
изменениям содержания кислорода, углекислого газа или водорода в воз-
духе над грунтом, вызванным обменом веществ живых организмов, содер-
жащихся в пробе, с окружающей средой.
Эксперимент с разложением метки предназначался для более прямой
проверки биологической активности. В этом эксперименте был использо-
ван набор соединений, меченых путем замены части обычных атомов угле-
рода радиоактивными (рис. 15.3). Этой меченой смесью смачивалась проб»
грунта, а затем анализировались газы над пробой, чтобы определить, нс
выделились ли какие-либо радиоактивные соединения, например угле-
кислый газ или метан, в результате жизнедеятельности марсианских орга-
низмов (отсюда название «разложение метки»). На Земле мы назвали бы
этот эксперимент «дыханием грунта», так как он показывает, выделяют ли
микроорганизмы газ в атмосферу.
Описанные эксперименты имеют два основных недостатка. Во-первых,
в настоящее время на Марсе нет жидкой воды, поэтому водная среда мо-
жет оказаться совершенно непривычной для марсианских бактерий. Во-
вторых, органические питательные вещества, «лакомые» для земных орга-
низмов, могли оказаться ядовитыми для марсианских. Третий биологичс
ский эксперимент, пиролизное разложение, лишен этих недостатков. В нем
марсианский грунт помещался в среду, по существу идентичную среде на
поверхности планеты, но к атмосферному газу в исследовательской камере
были добавлены углекислый газ и окись углерода, меченные радиоак-
тивным изотопом углерода (рис. 15.3). После того как предполагаемые ор-
ганизмы имели возможность пожить некоторое время в этой среде, груш
нагревался до 750°С и летучие вещества, выделившиеся при нагревании,
поступали в ловушку паров, а затем к детектору радиоактивности.
Сквозь ловушку паров могли пройти только углекислый газ и окись
углерода. После того как эти два газа покидали систему, ловушка пароп
нагревалась с целью разложения всех органических соединений, которые
могли там образоваться. Эти соединения содержали бы радиоактивные
изотопы, извлеченные ими из добавки радиоактивных углекислого газ»
или окиси углерода. Иными словами, эксперимент заключался в термине
ском разложении останков марсианских микроорганизмов, чтобы выдс
лить атомы углерода, усвоенные ими в процессе жизнедеятельности. Н»
Есть ли жизнь на Марсе?
331
а б
Проба грунта
Ксеноновая дуговая
лампа
Смесь атомов
меченных С14
Ловушка
органических
соединений
Окно
Счетчик
атомов С14
Пиролитический нагреватель
Рис. 15.3. Схемы экспериментов «газовый обмен» (а), «разложение метки» (б)
и «пиролизное разложение» (в) показывают, что в каждом из экспери-
ментов марсианский грунт подвергался анализу различного типа
с целью обнаружить присутствие жизни, а-раствором, богатым пита-
тельными веществами, смачивали несколько граммов грунта и затем
следили за изменением химического состава газов над смесью грунта
и питательных веществ, б-соединения, богатые углеродом, помечались
радиоактивными атомами углерода-14. Затем этими мечеными соедине-
ниями смачивали образец грунта. В случае каких-либо биологических
процессов в газе над образцом должны были появиться меченые соеди-
нения. в-обычная марсианская атмосфера заменялась эквивалентной
смесью газов, меченных радиоактивными атомами углерода. Если бы
любой организм потребил часть этих меченых молекул, при прогрева-
нии пробы грунта, в которой он жил, была бы зарегистрирована
радиоактивность.
332
Глава 15
иболее важный тип биологической активности на Земле-фотосинтез
растений, при котором углекислый газ из атмосферы Земли преобразуется
в органические соединения зелеными растениями. Прогревание растений
приводит к испарению этих органических соединений. В рассматриваемом
эксперименте эти пары должны быть радиоактивными.
Однако пробные эксперименты на Земле показали, какие трудности мо-
гут возникнуть при отделении биологической активности от химических
реакций. Когда биологи подвергли стерильный образец, имитирующий
марсианский грунт, коротковолновому ультрафиолетовому облучению
в присутствии смеси газов, моделировавших марсианскую атмосферу, они
обнаружили, что образовались некоторые простые органические молекулы,
главным образом гликоль и формальдегид. Если бы подобные реакции
происходили на реальном Марсе, они бы в точности воспроизвели резуль-
таты, которые имеют место при превращении углекислого газа в более
сложные органические соединения простым организмом в процессе фото-
синтеза. Поэтому экспериментаторы решили отфильтровать коротковол-
новое ультрафиолетовое излучение из светового потока источника, имити-
ровавшего Солнце в экспериментальных камерах, чтобы исключить
возможность фотохимических реакций, обнаруженных в лабораторных экс-
периментах на Земле.
Результаты биологических экспериментов
На восьмой день после посадки грунтозаборник посадочного аппарата
«Викинга-1» выкопал канавку в грунте и распределил взятую пробу по раз-
личным приборам. В установке газового обмена около 1 г грунта было по-
мещено в крошечный пористый контейнер, расположенный над питатель-
ной средой. Через два дня первый анализ газа в контейнере принес
волнующий результат: в камере появилось большое количество кислорода,
в 15 раз больше, чем в атмосфере планеты! Простого увлажнения мар-
сианского грунта жидкостью, богатой питательными веществами, в экспе-
риментальной камере оказалось достаточно для выделения кислорода из
грунта. Был ли это признак жизни на Марсе? После месяцев проверок
биологи пришли к выводу, что они наблюдали не биологическую актив-
ность, а лишь химическое взаимодействие марсианского грунта с водяным
паром, давление которого было выше, чем существовавшее на Марсе в те-
чение миллионов лет. Иными словами, не сам «куриный бульон», а вы-
званное им увлажнение привело к химическим реакциям с освобождением
кислорода в марсианском грунте.
Через день после первых результатов эксперимента по газовому обме-
ну пришло сообщение об эксперименте с разложением метки: и вновь по-
ложительный результат! После проверки фоновой радиоактивности, чтобы
убедиться в ее низком уровне, были добавлены примерно две капли ра-
Есть ли жизнь на Марсе?
333
диоактивного питательного вещества к грунту. Радиоактивность газов над
образцом грунта резко возросла. Реакция была более бурной, чем в мно-
гих образцах почв, содержащих живые организмы на Земле. К сожалению
для тех, кто надеялся на обнаружение жизни, ученые скоро убедились, что
радиоактивный газ, почти наверняка углекислый газ, мог возникнуть
в простых химических реакциях с участием перекисей. Если, например,
в марсианском грунте имеется перекись водорода Н2О2, то она легко всту-
пила бы в реакцию с органическим соединением питательного вещества,
в частности с муравьиной кислотой (НСООН), с образованием воды
и углекислого газа. Повторное увлажнение грунта не увеличило радиоак-
тивность газа в экспериментальной камере. Более того, дополнительное
питательное вещество, по-видимому, поглотило часть радиоактивного
углекислого газа, выделившегося при первом увлажнении. Таким образом,
ученые пришли к выводу о том, что марсианский грунт может содержать
химические вещества типа перекисей, которые реагируют с простыми орга-
ническими соединениями с выделением углекислого газа.
Поскольку два первых эксперимента дали неоднозначные результаты,
ученые с нетерпением ожидали окончания эксперимента с пиролизным раз-
ложением. В нем не применялся водный раствор питательных веществ, т. е.
отсутствовало одно из основных соединений (вода), которое, как подозре-
вали биологи, вызвало чисто химические реакции в марсианском грунте.
Эксперимент требовал пятидневного выдерживания в термостате, в тече-
ние которого радиоактивные окись углерода и углекислый газ оставались
в камере вместе с пробой грунта. Анализ начальной стадии эксперимента
показал, что радиоактивный углерод действительно частично соединился
с грунтом (рис. 15.4). Хотя сигнал был слабым, он казался явно положи-
тельным. Марсианский грунт вел себя как антарктический грунт на Земле,
почти, но не совсем стерильный. Таким образом, этот эксперимент, по-ви-
димому, наиболее устойчивый против искажения небиологическими реак-
циями, дал, несомненно, положительный результат. Но даже и в этом слу-
чае ученые, осуществлявшие проект «Викинг», усомнились в том, что они
обнаружили жизнь на Марсе.
Причиной для скептицизма послужило то, что даже после прогрева
марсианского грунта при температурах 175 и 90°С в течение нескольких
часов перед введением в камеру радиоактивных газов, эксперимент также
давал положительные результаты. Дальнейшее повышение температуры
ослабило реакцию на 90%, но положительные следы все же сохранились;
при более низкой температуре не было зарегистрировано никакого эффек-
та. Поскольку температура на поверхности Марса никогда не достигает
даже 30°С, ученые проекта «Викинг» не поверили, что какая-либо форма
марсианской жизни могла выжить в течение 3 часов при 175°С. Ни один
земной организм не перенес бы таких условий. Кроме того, поскольку хро-
матомасс-спектрометр показал, что содержание органического вещества
334
Глава 15
10
1 ; °
со 3 о
10ОО 2000 3000
Радиоактивность газов,
воздействовавших на образец
Рис. 15.4. Эксперимент «пиролизное разложение» при введении газов, меченных
атомами С14, показал повышение радиоактивности газов над образцом
грунта, исследовавшимся на присутствие живых организмов. Это наво-
дило на мысль, что живые организмы поглотили часть атомов радиоак-
тивного углерода из искусственной марсианской атмосферы. Прямая ли-
ния-результаты пробного анализа стерилизованного грунта на Земле.
в грунте ниже нескольких миллиардных долей, вероятность того, что нич-
тожное количество гипотетических термостойких микроорганизмов могло
дать положительные результаты в этом эксперименте, казалась исчезающе
малой *.
Итак, все три биологических эксперимента дали положительные резуль-
таты. Если эти результаты обусловлены химическими реакциями, имити-
рующими деятельность микроорганизмов, как полагают специалисты про-
екта «Викинг», то это лишний раз свидетельствует о трудностях,
с которыми мы сталкиваемся при распознавании внеземных форм жизни
среди огромного многообразия возможных химических реакций. Эти труд-
* Дальнейшая проверка выявила, что небольшое количество аммиака (вслед-
ствие утечки из двигателей мягкой посадки спускаемого аппарата) могло вызвать
в первой пробе грунта, поступившей в прибор пиролизного разложения, химические
процессы, которые сначала дали слабый положительный результат.
Есть ли жизнь на Марсе?
335
пости поразительно напоминают проблему, с которой столкнулись ученые
на борту «Челленджера» столетием раньше (см. с. 21). Биологи проекта
«Викинг» единодушны в том, что марсианский грунт содержит слабо свя-
занный кислород в различных соединениях, например в перекисях. По-
скольку температура на Марсе низка, а вода на поверхности отсутствует,
эти соединения могут долгое время оставаться в состоянии, далеком от
химического равновесия, но добавление даже небольшого количества воды
вызовет химические реакции, которые имитируют процессы биологической
активности.
Эксперименты по программе «Викинг» показали, что марсианский
грунт химически активен, но, вероятно, не содержит живых организмов на
основе углерода, по крайней мере в местах посадок. А что если марсиан-
ские микроорганизмы были убиты при посадке вблизи них или при пере-
носе их внутрь космического корабля? Это кажется невероятным, посколь-
ку они должны были приспособиться к суточным изменениям темпера-
туры почти на 100°С, а температура внутри посадочного аппарата (27°С)
не превышала максимальной температуры на поверхности планеты. Экспе-
римент по пиролизному разложению был задуман так, чтобы по возмож-
ности ближе воспроизвести реальную марсианскую среду. Быть может,
жизнь на Марсе основана на кремнии? Ведь эксперимент по газовому об-
мену, в котором увлажнение марсианского грунта сопровождалось выделе-
нием кислорода, мог быть типичной реакцией соединения кремния с водой.
Однако то, что реакция быстро прекратилась после первоначального воз-
действия влаги, свидетельствует скорее в пользу химической, а не биологи-
ческой интерпретации. (Другие аргументы против жизни на основе крем-
ния см. в гл. И.)
Наконец, был прибор, способный зарегистрировать жизнь на Марсе,
Рис. 15.5. Наличие песчаных дюн на Марсе говорит о том, что ветер переносит пе-
сок с места на место. Не видно никаких следов присутствия живых
существ.
336
Глава 15
который совершенно не зависит от химии, речь идет о телекамерах на по-
садочных аппаратах «Викингов». Переданные с Марса изображения были
изучены самым тщательным образом в поисках каких-либо признаков дви-
жения, нор, отпечатков лап, следов или останков любого типа, и ничего не
было замечено, за исключением воздействия марсианских ветров на
пустынный ландшафт (рис. 15.5). Поскольку анализ атмосферы и грунта
свидетельствует против существования жизни, особенно жизни, распро-
страненной в широких масштабах, вероятность существования жизни
в обоих местах посадки следует считать ничтожной, несмотря на вселяв-
шие надежду положительные результаты трех биологических эксперимен-
тов.
Правильно ли были выбраны
места посадки?
Но что можно сказать о жизни в других областях Марса? Сходство ре-
зультатов анализа грунта в двух местах, удаленных друг от друга примерно
на 7000 км по дуге большого круга и 1500 км по широте, свидетельствует
о незначительных отличиях между ними. Этот вывод подтверждается совре-
менными моделями поверхности, которые предполагают, что грунт «вспа-
хан» ударами метеоритов и ветров на глубину нескольких десятков мет-
ров за характерное время порядка десятков тысяч лет и что частицы
грунта разносятся ветром по всей поверхности планеты. Можно наблю-
дать этот процесс в действии во время сильных пылевых бурь на Марсе,
которые иногда охватывают всю планету. Таким образом, любая часть
марсианской поверхности может контактировать с любой другой частью,
поэтому взятие пробы в одном месте эквивалентно взятию пробы со всей
поверхности. Именно это и показал анализ грунта в местах посадки
«Викингов-1 и 2» (см. с. 314).
Возможное исключение из этого правила составляют полярные области
(рис. 14.12). Северный полюс Марса имеет постоянную шапку из водяного
льда, и можно представить, что на границе этой полярной шапки имеют
место особые условия, более благоприятные для жизни в разгар лета. От-
носительно богатый источник воды, откуда она уходит в атмосферу, а за-
тем вновь намерзает,-это полярная шапка. Температура грунта там по из-
мерениям орбитальных модулей «Викингов-1 и 2» достигает — 33°С, т.е.
почти таких же значений, как максимальные температуры вблизи второго
места посадки, но не подвергается резким колебаниям при вращении Мар-
са. Хотя бы просто потому, что полярные районы остаются холодными,
органическое вещество может концентрироваться в них, поскольку здесь
оно никогда не разогревается и не уносится ветром. Южная полярная
область, условия наблюдений которой в данную эпоху не так благо-
приятны как северной, по-видимому, еще холоднее и сохраняет небольшую
Есть ли жизнь на Марсе?
337
постоянную шапку замерзшей углекислоты, возможно покрывающей слой
водяного льда. Таким образом, северный полюс Марса представляется
в настоящее время наилучшей высокоширотной средой обитания.
Но «лучшее» место может оказаться недостаточно хорошим. Цветные
изображения Марса показывают, что даже вблизи полюса голый грунт
имеет тот же красноватый оттенок, что и остальная часть планеты. Здесь
юже грунт может перепахиваться, уноситься ветрами и, несомненно, под-
вергается воздействию ультрафиолетового излучения Солнца. Таким обра-
ти, он может быть столь же основательно окисленным, как и грунт более
низких широт, использованный для биологических экспериментов. Модели
атмосферной циркуляции на Марсе показывают, что пыль, поднятая в воз-
чух в средних широтах, переносится к полюсам, где можно найти слои ве-
щества, сформировавшиеся, вероятно, в результате повторяющихся циклов
•розии, воздушного переноса и отложения пылевых частиц (рис. 15.6). Сле-
довательно, и в этом грунте, поскольку он напоминает уже проанализиро-
ванные образцы, не могут существовать живые организмы. Возможно,
иодо льдом на полюсе холода можно будет найти некоторые защищенные
соединения углерода, но постоянные низкие температуры, по-видимому,
исключают существование там активной жизни.
Можно вообразить себе изолированный «оазис», который служил бы
приютом жизни на Марсе, но следует помнить, что каждый оазис требует
цля своего непрерывного существования населенного внешнего мира. Ко-
|да пески, перемещаясь, засыпают оазис или он пересыхает в периоды за-
сух, из какого-то другого места должны заноситься семена и микроорга-
низмы и вновь заселять его. Без этого внешнего резервуара жизни любой
оазис быстро станет безжизненным.
Догматические утверждения всегда оказывали плохую услугу науке,
и не следует поэтому категорически утверждать, что жизни на Марсе нет.
( обранные до настоящего времени данные свидетельствуют об отсутствии
жизни, хотя в один прекрасный день какое-то новое открытие может убе-
дить биологов, что на Марсе нашли приют живые организмы. Пока лишь
можно сказать, что ни один вид известных земных организмов, включая
наиболее выносливые бактерии, не мог бы жить в современной марсиан-
ской среде.
Всегда ли условия на Марсе были непригодны для жизни? Может
ныть, теперь жизнь на Марсе не существует, но какая-то будущая экспеди-
ция все же найдет следы прежних зачатков жизни? Как мы видели в гл. 9,
есть достаточно оснований полагать, что условия на первичном Марсе на-
поминали условия на первичной Земле. Есть также свидетельства более
опагоприятного климата на Марсе в далеком прошлом. Таким образом,
жизнь могла зародиться, а затем погибнуть, когда климат изменился и ат-
мосфера планеты стала крайне разреженной. Можно было бы поискать
следы этих зачатков жизни в древнейших осадочных породах Марса, а так-
485
Рис. 15.6. Состоящий из многочисленных слоев участок марсианской поверхност
очевидно, свидетельствует об отложении вещества в процессе оседании
пыли, эрозии и воздушного переноса пылевых частиц.
Рис. 15.7. Будущие экспедиции на Марс, возможно, будут оснащены автоматики
скими вездеходами, которые пройдут по руслам высохших потоков, о»
бирая образцы грунта, анализируя их и передавая изображении
и данные анализа на Землю по радио.
Есть ли жизнь на Марсе?
339
же на береговых откосах и на дне извилистых сухих русел рек подобно то-
му, как мы ищем ископаемые остатки микроорганизмов в древнейших по-
родах на Земле. Для этой цели необходимо самоходное устройство, спо-
собное двигаться по марсианским ущельям, передавать изображения на
Землю и брать пробы по командам с Земли (рис. 15.7). Конечно, лучше все-
го доставить пробы в земные лаборатории и детально изучить их. Про-
екты экспедиций, которые должны доставить образцы пород с Марса на
Землю, сейчас рассматриваются НАСА, возможно, они будут осущест-
влены в конце 1980-х годов.
Почему Марс
гак не похож на Землю?
Попытаемся понять, почему современный Марс так сильно отличается
от нашей планеты. Меньшие размеры планеты в сочетании с большим рас-
стоянием от Солнца, по-видимому, помешали появлению на Марсе среды,
пригодной для возникновения и эволюции жизни. Если бы Марс был круп-
нее, он мог бы удержать больше летучих элементов, таких, как углерод
и азот, что важно для существования плотной стабильной атмосферы во
внутренней области Солнечной системы. На более крупной планете выде-
лилось бы (путем дегазации) больше летучих элементов вследствие повы-
шенной тектонической и вулканической активности, обусловленной вну-
тренней тепловой энергией. Поверхность этого гипотетического Марса уже
не была бы испещрена кратерами, поскольку первичная кора исчезла бы,
как на Земле. Но могла ли сохраниться более мощная атмосфера в течение
миллиардов лет? Это зависит от парникового эффекта, с помощью кото-
рого Марс мог бы противостоять более низким температурам, обуслов-
ленным его удаленностью от Солнца, а также от того, в какой степени
марсианская «Гея» могла бы поддерживать условия, обеспечивающие не-
обходимое равновесие.
На реальном маленьком Марсе первичная более плотная атмосфера,
которая, по-видимому, допускала существование жидкой воды, когда-то
могла быть почти такой же плотной, как земная. Состоявшая главным
образом из углекислого газа, эта первичная атмосфера начала исчезать по
мере перехода углекислого газа в карбонатные породы в результате дей-
ствия потоков воды; в то же время молекулы азота распадались на атомы
и покидали планету. Таким образом, вода на Марсе ограничила свое соб-
ственное существование, атмосфера в конце концов стала слишком разре-
женной для присутствия жидкой воды именно потому, что сначала на пла-
нете была жидкая вода. Без сильно развитой тектонической активности не
было путей нового поступления углекислого газа в марсианскую атмосфе-
ру после того, как он оказался связанным в известняках. Любое органиче-
ское вещество, появившееся в поверхностных слоях при падении метеори-
22*
340
Глава 15
тов и комет или в результате фотохимических процессов, вскоре было бы
окислено и превратилось бы в углекислый газ под действием ультрафиоле-
тового излучения Солнца, не задерживаемого слоем атмосферного озона.
Так, мы приходим к современному Марсу с разреженной атмосферой, при-
знаками существования воды под поверхностью в виде вечной мерзлоты,
с замерзшими водой и углекислым газом на полюсах, с азотом и водоро-
дом, постепенно улетучивающимися в космическое пространство, и без ка-
ких-либо признаков жизни.
Выводы
Космические аппараты «Викинг-1 и 2», которые совершили посадку на
Марс в 1976 г., выполнили химический и биологический анализ грунта
и атмосферы в двух удаленных друг от друга участках. Результаты экспе-
риментов вначале как будто свидетельствовали о возможном существова-
нии жизни на Марсе, однако их более тщательная проверка показала, что
они, скорее всего, объясняются небиологическими процессами.
Телекамеры «Викингов» не зарегистрировали ничего напоминающего
проявление жизни. Таким образом, наши надежды на жизнь на Марсе
ограничиваются микроорганизмами, слишком малыми, чтобы их можно
было увидеть. Далее, анализ марсианских атмосферы и грунта не выявил
никаких особенностей, «типичных» для жизни, напротив, атмосфера
и грунт создают более сухую и холодную среду, чем в самых сухих пусты-
нях на Земле. В частности, не обнаружено никаких следов метана, его со-
держание в атмосфере в масштабах всей планеты лежит ниже 25 мил-
лиардных долей.
Посадочные аппараты «Викингов» выполнили по три эксперимента,
специально разработанных для обнаружения живых организмов. В первом
из них-эксперименте «газовый обмен», или «куриный бульон»,-образец
марсианского грунта помещался в питательную среду, благоприятную для
жизни. Эксперимент «разложение метки» заключался в воздействии па
образец грунта соединениями, содержавшими атомы радиоактивного угле-
рода, чтобы проверить, вырабатывает ли грунт какие-либо (радиоак-
тивные) соединения, типичные для жизни. В эксперименте «пиролизное
разложение» также применялись меченые атомы, но на этот раз в составе
газов марсианской атмосферы. Любым микроорганизмам в грунте была
дана возможность взаимодействовать с этой меченой атмосферой, а затем
грунт прогревали, чтобы выяснить, содержал ли он меченые окись углеро-
да и углекислый газ.
Поразительно, что все три эксперимента дали результаты, которые мо-
гли бы свидетельствовать о присутствии жизни: в эксперименте «газовый
обмен» произошло высвобождение большого количества кислорода, экспе-
римент «разложение метки» показал увеличение содержания радиоак-
Есть ли жизнь на Марсе?
341
тивных соединений над марсианским грунтом, эксперимент «пиролизное
разложение» также дал положительную реакцию, подобную реакции до-
вольно стерильного антарктического грунта. Однако, когда химический
анализ марсианского грунта показал полное отсутствие каких-либо орга-
нических веществ вплоть до уровня нескольких миллиардных долей и ни-
же, ученые программы «Викинг» более тщательно проанализировали ре-
зультаты трех биологических экспериментов и пришли к выводу, что их
результаты могут объясняться неорганическими небиологическими хими-
ческими реакциями, например, такими, которые произошли бы, если бы
марсианский грунт содержал перекиси. Это не доказывает окончательно,
что на Марсе нет жизни (и даже не доказывает, что жизнь отсутствует
в местах посадок), но отрицательные результаты химического анализа
грунта и атмосферы Марса вместе с возможной имитацией органических
процессов в биологических экспериментах перекисями наводят на мысль,
что было бы слишком оптимистично считать эксперименты «Викингов-1
и 2» свидетельством существования жизни на Марсе.
Теперь наши основные надежды найти жизнь или ископаемые остатки
прежней жизни на красной планете связаны с руслами высохших рек дале-
ко от мест посадок «Викингов». Там, быть может, удастся когда-нибудь
обнаружить простейшие ископаемые формы жизни, которую мы ищем на
Марсе.
Вопросы
1. Как мог бы разумный марсианин обнаружить жизнь на Земле? Перечис-
лите по крайней мере четыре возможных метода.
2. Почему мы полагаем, что на Марсе более вероятно существование микро-
организмов, а не крупных растений или животных?
3. Эксперимент с хроматомасс-спектрометром на спускаемых аппаратах «Викин-
юв» не обнаружил никаких органических соединений в марсианском грунте. До-
казывает ли это отсутствие жизни в местах посадок? Почему?
4. Что говорит нам отсутствие метана в атмосфере Марса вплоть до уровня
чувствительности аппаратуры, равного 25 миллиардным долям, о возможности су-
ществования животных на Марсе?
5. Почему эксперимент «газовый обмен» на посадочных аппаратах «Викингов-1
и 2» назвали экспериментом «куриный бульон»? Какие сведения о марсианском
।рунте он дал?
6. С какой целью в эксперименте «разложение метки» применялся радиоак-
1ивный изотоп углерода? Появились ли эти атомы сразу же над поверхностью
образца грунта? О чем это свидетельствует?
7. Эксперимент «пиролизное разложение» показал, что часть атомов углерода
из смеси окиси углерода и углекислого газа оказалась «связанной» в марсианском
। рунте. Свидетельствует ли это о существовании жизни на Марсе?
342 Глава 15
8. Как оценить вероятность того, что места посадок обоих «Викингов» случай-
но оказались в областях планеты, особенно непригодных для жизни?
9. Почему районы у границ марсианских полярных шапок могли бы оказаться
более благоприятными для жизни, чем районы вблизи экватора?
10. Почему мы считаем, что атмосфера Марса была бы более плотной, если бы
он был крупнев? Какое значение имела бы более плотная атмосфера для возможно-
сти жизни на Марсе?
Литература
Horowitz N. The search for life on Mars, Scientific American, 237, No. 5, 52, 1977.
Klein H. Where are we in the search for life on Mars? Mercury, 6 (March/April), 2, 1977.
Sifting for life in the sands of Mars, National Geographic, 151, No. 1, 9, 1977.
Washburn M. Mars at last! G.P. Putnam’s Sons, New York, 1977.
Г лава 16
Планеты-гиганты
и их спутники
Четыре планеты-гиганта нашей Солнечной системы: Юпитер, Сатурн,
Уран и Нептун-сильно отличаются от твердых планет земной группы, ко-
торые нам лучше знакомы. Благодаря колоссальным массам планеты-ги-
। анты могут удерживать атмосферы, богатые водородом и другими легки-
ми элементами, и поэтому близки по своему химическому составу
к первичной туманности, из которой сконденсировалась Солнечная систе-
ма. Это утверждение представляется особенно справедливым для Юпите-
ра, крупнейшей и ближайшей к нам из планет-гигантов. Таким образом,
Юпитер-это огромная природная лаборатория, где можно проверить на-
ши предположения о химических реакциях, протекавших в ранней Солнеч-
ной системе.
Благодаря большим массам планеты-гиганты удерживают обширные
системы спутников и колец и имеют необычное внутреннее строение. Если
бы удалось с помощью космического зонда проникнуть сквозь атмосферы
этих небесных тел в глубины их недр, то мы обнаружили бы, что планеты-
гиганты не имеют твердых поверхностей. Просто их чрезвычайно протя-
женные атмосферы становятся все плотнее и плотнее, пока постепенно во-
дород не перейдет в металлическую фазу.
У Юпитера и Сатурна это необычное внутреннее строение приводит
к возникновению сильного магнитного поля. Когда астрономы впервые
приступили к радионаблюдениям, они были поражены, открыв, что Юпи-
тер испускает интенсивный поток радиоизлучения, особенно на длинных
волнах (т.е. на низких частотах). В декаметровом диапазоне-самом корот-
коволновом из используемых для наземной радиосвязи-Юпитер иногда
излучает сильнее, чем любой другой объект в Солнечной системе, в том
числе Солнце. Интенсивное радиоизлучение Юпитера объясняется
сильным магнитным полем, напряженность которого в десять с лишним
раз превосходит напряженность геомагнитного поля. Юпитер вращается
быстрее других планет, совершая один оборот менее чем за 10 ч, и при
этом его магнитное поле увлекает за собой заряженные частицы, которые
движутся по орбитам, близким к планете. Некоторые из этих частиц гене-
рируют короткие радиоволны в синхротронном процессе (см. с. 78), а дру-
344
Глава 16
гие производят всплески на более длинных волнах при взаимодействии
с ионосферой планеты. Всплески, по-видимому, возбуждаются движением
Ио, крупного внутреннего спутника Юпитера, но как это происходит, мы
пока не понимаем. Проходя вблизи Сатурна в 1979 г., «Пионер-11» обнару-
жил, что он также обладает магнитным полем, хотя и не таким сильным,
как Юпитер*.
Химический состав планет-гигантов
Чтобы показать, в какой мере первичен элементный состав планет-ги-
гантов, можно провести простой расчет. Рассмотрим смесь химических
элементов в тех же соотношениях, что на Солнце и других звездах, и да-
дим этим элементам возможность соединяться друг с другом и образовы-
вать молекулы всеми возможными способами. Если приближенно задан,
давление и температуру, то несложно промоделировать условия в атмос-
ферах планет-гигантов при их формировании из первичного газо-пылевою
облака, из которого образовалась Солнечная система. Основные соедине-
ния, которые удается предсказать при таком расчете, совпадают с соедине-
ниями, преобладающими в атмосферах Юпитера и его соседей: это метан,
аммиак, водяной пар и избыток вездесущего водорода. (Гелий тоже дол-
жен быть весьма распространен, а неон должен присутствовать примерно
в таком же соотношении, как аммиак, но, поскольку эти два газа химиче-
ски инертны, мы не будем уделять им много внимания.)
Эти соединения отличают внешние планеты от четырех планет земной
группы. Венера, Земля и Марс обладают вторичными атмосферами, ко-
торые возникли в результате дегазации, т.е. выделения летучих элементов
из пород, образующих планету. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, по-видн-
мому, имеют первичные атмосферы, состоящие из вещества, химически!!
состав которого сохранился со времени образования Солнечной системы
4,6 млрд, лет назад. По крайней мере у Юпитера, лучше всего изученной
из планет-гигантов, элементный состав атмосферы может даже быть иден-
тичен химическому составу Солнца (рис. 16.1).
Многие ученые полагали, что эта богатая водородом среда отражаем
условия на первичной Земле. Но следует подчеркнуть, что аналогия между
Юпитером и первичной Землей нарушается рядом существенных различий
между этими планетами. Во-первых, Юпитер, масса которого в 318 раз
превышает массу Земли, способен удерживать водород, поэтому на Юпи-
тере всегда будет много атомов водорода, которые могут соединяться
* Согласно измерениям на космическом аппарате «Вояджер-1», магнитное по-
ле Сатурна приблизительно в 20 раз слабее, чем Юпитера, и вдвое слабее геома! -
нитного.-Прилс ред.
Рис. 16.1. Диаметр Юпитера в 11 раз больше, чем Земли. В его атмосфере видны
системы полос, параллельных экватору. Большое красное пятно разме-
ром 25000 км существует по крайней мере уже несколько столетий.
с другими элементами или фрагментами молекул. Земля, напротив, быстро
потеряла свой водород, как первичный, так и возникавший при диссоциа-
ции молекул, что обеспечило среду, более подходящую для развития слож-
ной биохимии. Во-вторых, Юпитер не имеет твердой поверхности, а зна-
чит, и участков с подходящим микроклиматом, таких, как приливные или
пересыхающие водоемы на Земле, в которых могли бы концентрироваться
продукты химических реакций, протекавших в атмосфере. На Юпитере не-
возможно и каталитическое стимулирование химических реакций поверх-
346
Глава 16
Рис. 16.2. Вертикальные конвективные потоки выносят вещество из более теплых
слоев атмосферы Юпитера вверх, где образуются светлые облака. Там,
, где потоки направлены вниз, мы видим более темные облака в нижеле-
жащих слоях атмосферы.
костью грунта, например частицами глины, которые, вероятно, сыграли
важную роль на Земле.
В дополнение к этим решающим различиям между Юпитером и
Землей другая важная проблема происхождения жизни связана с верти-
кальной конвекцией в атмосфере Юпитера (рис. 16.2). Эта конвекция со-
здает атмосферную циркуляцию между сравнительно холодными верхни-
ми областями и нижними слоями атмосферы, где температура достаточно
высока (выше 700°С), чтобы разрушить сложные молекулы. Период цирку-
ляции, вероятно, много меньше года, поэтому любые сложные молекулы,
образовавшиеся в верхней атмосфере, будут разрушены в результате
столкновений при относительно высоких температурах в нижних слоях за
такой интервал времени. Существует промежуточный уровень, где условия
лучше. По оценкам ученых, водяной пар будет конденсироваться в облака
в области с температурой около 27°С и давлением, лишь в несколько раз
превышающим давление на поверхности Земли. Но газ в этой области на-
ходится в постоянном движении, циркулируя между различными слоями,
так что на рассматриваемом уровне водяной пар непрерывно конденси-
руется и одновременно испаряется. Выше в атмосфере место водяного па-
ра занимают аммиак или соединения аммиака и серы, образуя облака, ко-
торые мы видим с Земли. Там, где имеются облака из капелек жидкости,
вероятно, существует грозовая активность, поскольку сильная вертикаль-
ная конвекция может приводить к разделению зарядов. Действительно,
Плинеты-гиганты и их спутники
347
космический аппарат «Вояджер-1» в 1979 г. зарегистрировал в облаках
Юпитера электрические разряды.
Большое красное пятно, возможно, представляет собой интересное ис-
ключение из правила быстрого разрушения сложны! молекул, образую-
щихся в верхней атмосфере Юпитера. Если эта огромная неоднородность
окажется разновидностью гигантского вихря, т.е. юпитерианского аналога
земного циклона (как полагают некоторые ученые), то она может содер-
жать область крупномасштабного долгоживущего восходящего потока,
внутри которой частицы подходящего размера могут оставаться во взве-
шенном состоянии в течение десятилетий. Тогда молекулы могли бы избе-
жать теплового разрушения на более низких атмосферных уровнях. Эта
интригующая возможность еще более увеличивает интерес к загадочному
образованию в атмосфере Юпитера; несомненно, исследование Большого
красного пятна с более близкого расстояния с помощью космического ап-
парата окупится с лихвой. Из анализа наблюдений, выполненных на «Во-
яджере», пока не удалось отождествить красноватое вещество, которое
придает этому образованию его окраску.
Почему при погружении во все более плотную атмосферу Юпитера
температура возрастает? Причина, как ни удивительно, состоит в том, что
поток тепла, который идет из недр Юпитера, больше, чем поступающий от
Солнца. Это тепло, вероятно, обусловлено медленным сжатием недр Юпи-
тера, подобный же процесс сжатия (только значительно большего масшта-
ба) в конце концов настолько повысил температуру в недрах Солнца, что
гам начались реакции термоядерного синтеза. Но в недрах Юпитера, мас-
са которого в тысячу раз меньше массы Солнца, температура никогда не
поднимется настолько, чтобы он превратился в звезду. Массы Сатурна,
Урана и Нептуна меньше, чем Юпитера, поэтому они генерируют в своих
недрах меньше тепловой энергии. Плутон, по-видимому, представляет со-
бой небольшое обледеневшее небесное тело, более похожее на один из
крупных спутников Сатурна, чем на планету-гигант.
Химия планет-гигантов
Несмотря на огромные различия между Юпитером и Землей, интерес
к этому гиганту нашей Солнечной системы связан с рассмотрением путей
возникновения жизни. Юпитер позволяет изучить условия, подобные тем,
которые существовали 4,6 млрд, лет назад в период формирования Солнеч-
ной системы. Здесь можно провести аналогию с племенем первобытных
людей, которое мы открыли бы на стадии формирования у них языка. Какие
звуки соответствуют тем или иным предметам? Почему именно эти звуки
связаны с этими предметами? Как и когда появились такие понятия, как вре-
мя, пространство, любовь? Если бы можно было наблюдать наших пред-
ков, не вступая в контакт с ними, мы многое бы узнали в результате
348
Глава 16
такого эксперимента о нашей собственной эволюции. Точно так же мы
надеемся узнать кое-что о возможных путях развития добиологической хи-
мии в протосолнечной туманности, изучая химические реакции на Юпите-
ре.
Из ряда фактов следует, что такие реакции протекают и сейчас. Прежде
всего астрономы открыли, что наряду с перечисленными выше газами ат-
мосфера Юпитера содержит следы соединений, которые не предсказы-
ваются нашей теоретической моделью, в том числе окись углерода СО,
ацетилен С2Н2 и этан С2Н6. Поскольку эти газы быстро реагируют с во-
дородом с образованием метана СН4, они не могут долго существовать,
если только не будут возникать в реакциях между другими атмосферными
компонентами. Ультрафиолетовое излучение Солнца обеспечивает энер-
гию для образования С2Н2 и С2Н6 из СН4 в верхней атмосфере Юпитера,
Рис. 16.3. Большое красное пятно Юпитера, сфотографированное «Вояджером-1
в марте 1979 г. Мельчайшие детали на снимке имеют в поперечник»
около 50 км.
Планеты-гиганты и их спутники
349
тогда как тепловая энергия из недр планеты приводит к образованию СО
из СН4 и Н2О в более глубоких слоях, значительно ниже видимых обла-
ков. Есть ли в атмосфере Юпитера и более сложные молекулы?
Второй известный факт приводит к утвердительному ответу: в окраске
облаков Юпитера нет белого или серого цветов, которые должны были бы
наблюдаться при отражении солнечного света от замерзших воды или ам-
миака. Они окрашены в различные нежные тона, например Большое крас-
ное пятно имеет оранжево-розовый оттенок (рис. 16.3). Какие соединения
придают облакам эти цвета? Как они образовались? Напоминают ли хи-
мические процессы их образования добиологические реакции на первичной
Земле?
Эти ключевые вопросы остаются без ответов. В настоящее время две
альтернативные теории пытаются объяснить окраску Юпитера. Некоторые
ученые полагают, что она обусловлена неорганическими соединениями,
возникающими при химических процессах в атмосфере. Желтые и корич-
невые оттенки создаются атомами серы в комбинации с аммиаком или
в чистом виде. Большое красное пятно, возможно, обязано своим оттен-
ком присутствию красного фосфора, образующегося при химических реак-
циях с участием газа фосфина РН3, который обнаружен в атмосфере Юпи-
тера. Сторонники другой теории ссылаются на лабораторное моделирова-
ние атмосферы Юпитера, при котором окрашенные соединения получа-
лись при освещении подходящей смеси метана и аммиака ультрафиоле-
товым излучением или при подводе энергии от другого источника,
например при электрическом разряде, моделирующем вспышку молнии.
В этих экспериментах неизменно получался богатый набор органических
соединений, причем некоторые из них имели окраску облаков на Юпите-
ре*. Вполне возможно, что на Юпитере происходят оба типа процессов,
причем и те и другие обеспечивают образование соединений наблюдаемых
цветов. Мы пока можем лишь гадать, какие еще соединения образуются на
Юпитере, но при современном уровне наших знаний представляется весь-
ма вероятным, что при более тщательном исследовании планеты будут
найдены по крайней мере предварительные стадии добиологической орга-
нической химии.
Мы сосредоточили здесь внимание на Юпитере, потому что это наибо-
iicc изученная из планет-гигантов. Но между гигантами, по-видимому, су-
ществуют различия. Как ни красив Сатурн, на нем нет окрашенных обла-
ков, как на Юпитере, и, конечно, нет ничего похожего на Большое красное
* Известные опыты Миллера-Юри по моделированию условий на первичной
1смле (с. 200) напоминают процессы, которые должны сейчас происходить на Юпи-
irpc. В этих опытах при моделировании первичной атмосферы Земли возникали
различные окрашенные соединения.
Рис. 16.4. Сатурн и его спутники Тефия (вверху) и Диона по наблюдениям с «Вояд
жера» в ноябре 1980 г. На верхней границе облачного покрова видны
тени трех ярких колец Л, В и С. Край диска Сатурна виден в просвск
между кольцами, называемом щелью Кассини. Ширина щели Кассини
почти равна протяженности США с востока на запад (3500 км)
пятно* (рис. 16.4). На Сатурне наблюдается толстый слой аммиачных пс
ристых облаков, целиком покрывающих нижнюю более теплую атмосфс
ру, которая, возможно, похожа на атмосферу Юпитера. Эти плотные обла
ка обусловлены более низкой температурой верхней атмосферы Сатурна
из-за большего расстояния планеты от Солнца. Доступные наблюдениям
слои атмосфер Урана и Нептуна столь холодны, что мы не можем даже
обнаружить следов аммиака, который, вероятно, замерзает на меньших
высотах. Что происходит еще ниже, не известно, но радиоизлучение с этих
высот показывает, что их температура выше 0°С.
* На снимках, переданных «Вояджером-1», обнаружена окраска облаков Сатур
на, значительно более слабая, чем у Юпитера, а также отдельные образования и
атмосфере, напоминающие пятна меньших размеров-Прим. ред.
Планеты-гиганты и их спутники 351
Могла бы жизнь существовать
на планетах-гигантах?
Итак, внешние планеты представляют интересную среду для изучения
добиологической химии. Однако от этого изучения до возможности от-
крытия самой жизни, вероятно, очень далеко. Можно ли с уверенностью
утверждать, что на планетах-гигантах нет жизни? Нет, нельзя. Так считают
Саган и Солпитер, два известных астронома из Корнеллского университе-
та (США). Они утверждают, что, поскольку неизвестно, как зародилась
жизнь на Земле, нельзя определить необходимые условия для появления
жизни на планете, столь сильно отличающейся от Земли, как Юпитер. Как
только зарождается жизнь, живые организмы могут сами регулировать
свою среду обитания. Следовательно, вполне возможно, что живые орга-
низмы на Юпитере или Сатурне сумели бы преодолеть некоторые препят-
ствия, описанные выше. Гигантские, подобные воздушным шарам суще-
ства, использующие водород для поддержания плавучести, могли бы
дрейфовать или летать в верхней атмосфере Юпитера с такой же лег-
костью, с какой вы читаете эти строки, и быть членами (возможными) эколо-
гической системы Юпитера, в которой одни виды становятся добычей дру-
гих. Наиболее вероятным прибежищем для таких форм жизни является
Юпитер, потому что из четырех планет-гигантов он обладает самой высо-
кой химической активностью. Однако, рассуждая в самой общей форме,
можно вообразить подобные существа, парящие в атмосфере любой
планеты-гиганта.
К сожалению, эти предположения не увеличивают объема научного
знания. Все большее проникновение в сущность жизни на Земле и не-
удачные попытки найти жизнь на Марсе заставляют несколько более скеп-
тически смотреть на возможность обнаружения жизни на любом небесном
объекте, жизни, хорошо приспособившейся к данной конкретной среде.
Приступив к изучению планет Солнечной системы непосредственно в их
окрестностях, мы уже проигрываем в поисках жизни со счетом 1 :3. При
таком счете нельзя a priori утверждать, что каждая планета должна иметь
жизнь на поверхности или внутри. И все же, учитывая, как мало мы еще
знаем об условиях на Юпитере и об универсальности жизни, не следует
слишком быстро отказываться от увлекательной возможности существова-
ния жизни на Юпитере.
Кольца и спутники
Но не будем ограничиваться только планетами. Каждая из планет-ги-
гантов имеет развитую систему спутников; наибольшей свитой из 21 спут-
ника обладает Сатурн. Сатурн, Уран и Юпитер окружены системами ко-
352
Глава 16
Рис. 16.5. Кольца Урана значительно тоньше, чем кольца Сатурна. Они были об-
наружены при покрытии Ураном звезды. Когда планета проходила
перед звездой, астрономы заметили, что звезда исчезала и появлялась
пять раз, прежде чем диск.планеты окончательно заслонил ее. Такой же
эффект наблюдался после появления звезды с другого края диска. В на-
стоящее время обнаружены новые кольца кроме первоначально откры-
тых пяти.
лец; кольца Сатурна легко увидеть в небольшой телескоп, а кольца Урана
были открыты лишь в 1977 г., когда они закрыли звезду непосредственно
перед ее покрытием планетой и сразу после покрытия. Они значительно
темнее, чем кольца Сатурна, и имеют ту же необычную ориентацию, что
и сам Уран, ось вращения которого лежит почти в плоскости орбиты
(рис. 16.5). Кольца Юпитера были открыты космическим аппаратом «Вояд-
жер» в 1979 г. Их тоже значительно труднее увидеть, чем кольца Сатурна
(рис. 16.6).
Каждая из этих систем колец располагается достаточно близко к своей
планете, так что разность сил притяжения двух соседних частиц кольца
планетой превышает взаимное притяжение этих частиц. Границу, в преде-
лах которой выполняется это условие, называют пределом Роша по имени
открывшего его ученого. Таким образом, кольца состоят из вещества, ко-
торое не может собраться воедино и образовать спутник, потому что оно
расположено слишком близко к планете и ее гравитационное воздействие
препятствует образованию сгустков вещества. Миллионы крошечных спут-
ников размерами от гальки до булыжника, из которых состоят наблю-
даемые сегодня кольца, остаются на постоянных орбитах благодаря грави-
тационному воздействию планеты и системы ее спутников. Эти камни нс
распадаются и не превращаются в пыль по той же причине, по которой на-
Рис. 16.6. «Вояджер-1» обнаружил, что Юпитер, подобно Сатурну и Урану, имеет
систему колец. Они состоят из крошечных частиц, совершающих орби-
тальное движение вокруг планеты.
ши искусственные спутники не разрушаются на своих орбитах, располо-
женных внутри предела Роша для Земли: силы сцепления, которые обеспе-
чивают существование в виде единого целого кристаллической решетки
силикатной породы или металла, значительно превышают разрушительное
действие силы гравитации.
Мы не располагаем исчерпывающими сведениями о точном числе спут-
ников внешних планет, не говоря уже об их строении и химическом соста-
ве. Нептун также может иметь систему слабых колец, которая пока не об-
наружена. Юпитер и Сатурн почти наверняка имеют и другие спутники
кроме уже известных, так как один или два спутника были замечены, а за-
1см потеряны в течение последних лет наблюдений. То же можно сказать
об Уране и Нептуне. В 1977 г. Коваль открыл объект типа астероида, по-
мучивший наименование Хирон, его орбита располагается между Ураном
н Нептуном. В 1978 г. Кристи показал, что Плутон, вероятно, имеет спут-
ник с орбитальным периодом, равным периоду обращения планеты вокруг
гноей оси.
Рассмотрим известные спутники. Четыре крупнейших спутника Юпите-
•I 4К5
354
Глава 16
ра были открыты Галилеем, а его современник Мариус дал им имена
четырех возлюбленных Юпитера: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Эти
четыре спутника-крупные объекты с твердой поверхностью (три из них
больше Луны). Онй^цовольно хорошо воспроизводят крупномасштабные
характеристики Солнечной системы: внутренние спутники, Ио и Европа,
имеют плотности вещества, подобные плотностям внутренних плане!,
а Ганимед и Каллисто напоминают внешние планеты с малыми плотно-
стями из-за большого количества льда в их недрах (табл. 16.1). Амальтея,
расположенная ближе к Юпитеру, чем Ио, была открыта в 1892 г. Она то-
же укладывается в схему, так как представляет собой сравнительно не-
большой каменистый объект, поперечник которого около 200 км (рис. 16.7).
В 1979 г. «Вояджеры-1 и 2» открыли еще три спутника меньших размеров.
Таблица 16.1
Четыре больших (галилеевых) спутника Юпитера
Спутник Расстояние от Юпитера, км Диаметр, км Средняя плот* ность, г/см3 Наклонение ор* биты к экватори альной плоское । и Юпитера
Ио 422000 3 640 3,53 0,0°
Европа 671000 3130 3,03 0,5
Ганимед 1070000 5 280 1,93 0,2
Каллисто 1 885000 4 840 1,79 0,2
Пять самых больших объектов тщательно исследовались космическими
аппаратами «Вояджер-1 и 2» в 1979 г. и приподнесли много сюрпризов.
Обнаружено отсутствие больших метеоритных кратеров на Каллисто, при-
знаки движений плит в коре Ганимеда, сложная сеть линий на Европе,
а главное, действующие вулканы на Ио (рис. 16.8). Каллисто и Ганимед
выглядят как объекты, содержащие большое количество льда в недрах,
а сеть линий на Европе может быть вызвана растрескиванием ее поверхно-
сти под действием внутренних напряжений. Эти напряжения могут вызы-
ваться той же причиной, что и вулканическая активность Ио: под дей-
ствием приливных сил от гигантского Юпитера. На Ио, находящемся ни
очень близкой к Юпитеру орбите в резонансе с другими спутниками дей-
ствие этих приливных сил столь велико, что недра Ио почти целиком рас
плавлены. Темные пятна на поверхности были истолкованы как озера жид
кой серы. Этот спутник окружен облаком, состоящим из атомов серы,
натрия и калия, которое можно наблюдать с Земли.
Спутники Юпитера-это удивительные маленькие миры, которые, нс
сомненно, следовало бы посетить во время экспедиции к Юпитеру. Нужно
однако признать, что они не очень помогают в наших поисках жизни и сг
Рис. 16.7. Пять ближайших к планете спутников Юпитера по-разному «позирова-
ли» «Вояджеру-1» в 1979 г. Амальтея (вверху), ближайший спутник, зна-
чительно меньше четырех других; во втором ряду показаны Ио (слева)
и Европа (справа), в нижнем ряду Ганимед (слева) и Каллисто (справа).
Спутники показаны в произвольном масштабе по отношению друг
к другу.
Рис. 16.8. На этой фотографии, переданной «Вояджером-1», видны два действую-
щих вулкана на Ио. Справа внизу, как раз на лимбе спутника видны
облака пепла, достигающие высоты более 260 км над поверхностью.
Второй вулкан проявляется как выступ на границе между дневным
и ночным полушариями (терминаторе), где вулканический выброс осве-
щен лучами восходящего Солнца. Можно различить ночную сторону
Ио, освещенную отраженным Юпитером солнечным светом.
предвестников. Ио обладает вулканической активностью, но не имеет
плотной атмосферы; этот спутник, должно быть, потерял всю воду,
и единственное летучее соединение, выделяющееся теперь из его вулка-
нов,- это двуокись серы. Другие спутники Юпитера настолько меньше га-
лилеевых, что для рассматриваемых здесь конкретных целей они не пред-
ставляют интереса.
Спутники Сатурна весьма разнообразны. Все исследованные спутники
имеют низкие плотности, в ряде случаев равные плотности чистого водя-
ного льда. Самый большой спутник Титан больше Меркурия, но немного
меньше Ганимеда; для нас он представляет интерес благодаря своей ат-
мосфере. О ее существовании известно с 1944 г., когда Койпер обнаружил
в атмосфере Титана характерные признаки присутствия метана. Еще рань-
ше астрономы установили, что он имеет необычный красный цвет. Таким
Планеты-гиганты и их спутники
357
образом, Титан-это объект, из-за довольно малых размеров потерявший
водород (подобно планетам земной группы), но обладающий восстанови-
тельной атмосферой (подобно планетам-гигантам), с твердой поверх-
ностью, на которой могут накапливаться сложные молекулы, образовав-
шиеся за счет энергии солнечного излучения или какого-нибудь местного
источника. Неудивительно, что ученые с нетерпением ожидали первого
подробного изучения этого объекта «Вояджером-1» в 1981 г.
До миссии «Вояджера-1» было известно, что в атмосфере Титана есть
в небольших количествах этан, ацетилен и, вероятно, этилен. Предполага-
лось, что эти газы образовались в результате фотохимических реакций, как
в атмосферах Юпитера и Сатурна. Но на Титане нет водорода, поэтому
метан идет на образование других углеводородов и постепенно исчезает.
Точно так же считали, что молекулы аммиака, первоначально содержав-
шиеся в его атмосфере, распались и образовали другие соединения, в том
числе, согласно модели Хантена, большое количество молекулярного азо-
та. Наряду с этим полагали, что красноватая окраска Титана обусловлена
фотохимическим смогом, возможно содержащим органические полимеры,
такие, как полиацетилен. Этот смог, очень темный в ультрафиолете и ви-
димом свете, должен приводить к нагреву верхней атмосферы спутника
(надо сказать, довольно прохладной: — 100°С). Температуру поверхности
Титана измерить довольно трудно, поскольку ее слабый радиосигнал то-
нет в мощном потоке радиоизлучения Сатурна. Измерения приводили
к благоприятным с точки зрения поисков жизни, но ошибочным завы-
шенным значениям температуры, из которых следовало, что Титан обла-
дает мощной атмосферой с сильным парниковым эффектом. В 1980 г. на
основе измерений с помощью системы радиотелескопов, работающих по
методу апертурного синтеза, был сделан вывод, что температура его по-
верхности — 186±9°С, т.е. ниже, чем верхней атмосферы! Эти наблюде-
ния казались более надежными, чем прежние, так как благодаря высокой
разрешающей способности, обеспечиваемой этим методом, радиосигнал от
Титана отчетливо выделялся на фоне теплового радиоизлучения Сатурна.
Но после близкого прохождения «Вояджера-1» в ноябре 1980 г. эту кар-
тину пришлось дополнить. Установленный на борту космического аппара-
та ультрафиолетовый спектрометр зарегистрировал в верхних слоях ат-
мосферы характерные эмиссионные линии атомарного и молекулярного
азота. Наблюдения преломления в атмосфере радиосигналов, посылаемых
«Вояджером-1», при его заходе за диск Титана, показали, что атмосфера
очень мощная и давление на поверхности в 1,6 раза больше, чем на по-
верхности Земли. С учетом более низкой силы тяжести на поверхности Ти-
тана можно сказать, что его атмосфера в восемь раз превосходит по плот-
ности земную. Объединив результаты наблюдений радиозатмения «Вояд-
жера-1» с данными инфракрасного спектрометра, ученые установили, что
атмосфера Титана на 95% состоит из азота, в согласии с предсказаниями,
358
Глава 16
сделанными с помощью моделей фотохимического разложения аммиака.
В этом эксперименте была измерена температура поверхности — 180°С.
При такой температуре метан в атмосфере превращается в пар, а на по-
верхности замерзает. Выходит, что метан на Титане может играть такую
же роль, как водяной пар на Земле, т. е. найден еще один объект в Солнеч-
ной системе, который, быть может, содержит жидкое вещество на поверх-
ности. Метановые океаны? Не исключено!
К сожалению, не удалось получить фотографии, которые могли бы
подтвердить изложенную картину, поскольку камерам «Вояджера-1» не
удалось «увидеть» поверхность Титана. Фотохимический смог оказался
столь вездесущим и столь непроницаемым, что даже на фотографиях,
снятых с высоким разрешением, не удалось разглядеть хотя бы крошечный
кусочек поверхности. Но смог сам по себе представляет интерес, так как
теперь ясно, что он состоит из органических соединений. Инфракрасный
спектрометр добавил к списку молекул, содержащихся в атмосфере, про-
пан, метилацетилен, водород и цианистый водород. В спектре есть и дру-
гие молекулы, которые пока не отождествлены; одним из возможных кан-
дидатов является цианацетилен.
Существование цианистого водорода в атмосфере Титана еще больше
привлекает внимание к этому спутнику. Как мы видели, это соединение
играет важную роль в эволюции более сложных добиологических молекул.
На Титане HCN может полимеризоваться, внося свой вклад в фотохими-
ческий смог. Этот смог, видимо, постепенно оседает на поверхность, попа-
дая в резервуары жидкого метана. Не исключено, что на ранних стадиях
эволюции на Титане (как и на Марсе) было гораздо теплее, и на его по-
верхности, возможно, был жидкий аммиак. В те далекие времена протека-
ли более разнообразные химические реакции, чем теперь. В любом случае
химические соединения должны были хорошо сохраниться в этом ледяном
мире, замороженные в восстановительной атмосфере и надежно защи-
щенные от окисления, которое уничтожило органические соединения на по-
верхности Марса. Очевидно, это весьма подходящее место, куда следовало
бы отправиться для изучения реликтовых остатков химического синтеза
в восстановительной атмосфере.
Естественно встает вопрос о жизни на Титане. При температуре
— 180°С химические реакции идут чрезвычайно медленно. Кроме того, при
таких низких температурах свободного кислорода нет, поскольку он по-
лностью заключен в замерзшей воде. Нет жидкой воды, нет соединений
кислорода, значит, нет аминокислот и знакомых нам форм жизни. Жизни
любого типа в этих условиях пришлось бы столкнуться с очень низкими
температурами, медленно протекающими химическими реакциями и отсут-
ствием свободной энергии. В полдень освещенность на поверхности Тита-
на, вероятно, такая же, как на Земле в лунную ночь. Кроме Титана у Са-
турна еще 20 спутников, причем два из них обращаются по одной и Той же
Планеты-гиганты и их спутники
359
Угол относительно Сатурна
Рис. 16.9. Япет, второй по величине спутник Сатурна, изменяет свою отражатель-
ную способность в 5 раз при каждом обороте вокруг планеты.
орбите, а два других-по разные стороны расположенного между ними
кольца F. Но особый интерес для нас представляет Япет. Этот необычный
спутник при движении по орбите изменяет свой блеск в пять раз (рис. 16.9).
Иными словами, одно его полушарие в пять раз темнее другого. Одно из
возможных объяснений этого явления следующее: его темное полушарие
покрыто частицами вещества, которое приходит из более удаленных обла-
стей системы Сатурна. Быть может, источником этого вещества является
Феба, следующий за Япетом спутник? Или эта пылевая материя является
остатком распавшегося тела? А что если верна идея, положенная в основу
научно-фантастического романа Артура Кларка «Космическая Одиссея
2001 года», и Япет-это знак, оставленный нам другой цивилизацией?
Космический полет во внешние области Солнечной системы
«Вояджер-1» уже находится на траектории, которая уведет его за пре-
делы Солнечной системы, как и космические аппараты «Пионер-10 и И», за-
пущенные на пять лет раньше. «Вояджер-2», пройдя Сатурн, направится
360
Глава 16
к Урану, а затем к Нептуну (рис. 16.10). Как и их предшественники, «Пио-
неры-10 и 11», эти посланцы Земли несут весточки от ее обитателей. На
борту каждого аппарата находится долгоиграющая граммофонная пла-
стинка, анодированная золотом для предохранения от эрозии под дей-
ствием частиц межзвездной пыли. Если другая цивилизация когда-нибудь
найдет космический корабль и поймет, что запись содержит не только зву-
ки, но и изображения, закодированные в форме эквивалентных звуковых
сигналов, они смогут услышать звуки Земли и увидеть изображения нашей
планеты и ее обитателей (см. с. 364, 365).
Две идентичные записи содержат примерно по сто изображений, на ко-
торых показаны земные пейзажи, человеческая деятельность и плоды про-
Рис. 16.10. Благодаря удачному расположению планет-гигантов в конце 1970-х
и начале 1980-х годов космический корабль «Вояджер-2» сможет пройти
вблизи Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна лишь с одной незначитель-
ной коррекцией траектории.
Планеты-гиганты и их спутники
361
гресса, океаны, различные животные и растения и несколько легко распоз-
наваемых астрономических объектов. Звуковая запись содержит образцы
национальной музыки, приветствия на восьмидесяти языках и музы-
кальные произведения Баха, Бетховена, Стравинского и Чака Берри. На-
правив послания на борту «Пионеров» и «Вояджеров», мы как бы следуем
примеру древних культур, создавая творения, которые надолго переживут
нас и сохранят свидетельства о наших достижениях. Несмотря на ничтож-
ную вероятность того, что эти объекты когда-нибудь будут обнаружены,
мы посылаем свои творения странствовать в космическом океане подобно
тому, как мореплаватели-бутылку с запиской. Надеемся ли мы, что эки-
паж какой-нибудь межзвездной каравеллы найдет наши космические
корабли и прочитает послания? И готовы ли мы получить ответ?
Выводы
Каждая из четырех планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун -
превосходит по массе и размерам Землю, крупнейшую из четырех планет
земной группы. В отличие от твердых Меркурия, Венеры, Земли и Марса
четыре гиганта представляют собой газожидкие шары, состоящие главным
образом из водорода и гелия. Их химический состав гораздо ближе к сос-
таву звезд и остальной Вселенной, чем у планет земной группы.
Массы Юпитера, Сатурна и Нептуна так велики, что их медленное сжа-
тие под действием собственных сил гравитации высвобождает значи-
тельные количества тепла. Уран также обладает этим свойством, но в зна-
чительно меньшей степени. Водородно-гелиевый состав планет-гигантов
обусловлен тем, что они сохранили значительную часть своего первичного
вещества. Меньшие планеты земной группы имеют относительно тонкие
вторичные атмосферы, образовавшиеся в результате вулканической дея-
тельности, после того как водород и гелий улетучились. Это фундамен-
тальное различие объясняется тем, что планеты-гиганты обладали боль-
шими начальными массами и находились дальше от Солнца.
Юпитер, крупнейший и ближайший к нам из этих объектов, исследован
лучше всего. Кроме водорода и гелия его атмосфера содержит метан, ам-
миак и водяной пар, т.е. именно такие газы, которые следует ожидать на
объекте с химическим составом, определяемым составом протопланетного
облака. Но мы находим там в слоях облаков также окрашенное вещество,
указывающее на образование более сложных соединений под действием
ультрафиолетового излучения, электрических разрядов и тепловой энергии.
Некоторые из этих соединений, возможно, похожи на соединения, возни-
кавшие на первичной Земле или попадавшие на поверхность нашей пла-
неты с кометами и метеоритами еще до возникновения жизни. Наиболее
знаменитая окрашенная область-Большое красное пятно, природа кото-
362
Глава 16
рого остается неизвестной. Подобные явления могут иметь место и в ниж-
ней атмосфере Сатурна, но она закрыта толстым слоем аммиачных
облаков.
Каждая планета-гигант имеет систему спутников от 21 у Сатурна до
двух у Нептуна. Плутон больше похож на ледяной спутник, чем на плане-
ту, но и у него, по-видимому, есть спутник. Три спутника Юпитера превос-
ходят по размерам Луну, а на одном-Ио-есть вулканическая активность,
обусловленная воздействием приливных сил Юпитера на его недра.
Особый интерес представляет Титан благодаря мощной химически ак-
тивной атмосфере. Хотя она состоит главным образом из азота, но содер-
жит в небольших количествах соединения, которые придают ей красно-
ватый оттенок, и органические аэрозоли, скрывающие от нас поверхность
Титана. Оказавшись на Титане, вы, быть может, увидели бы в тусклом све-
те, что стоите на берегу метанового моря, в которое медленно падают час-
тицы аэрозоля и метановый снег. А грунт, возможно, состоит из метаново-
го льда и органических соединений. Скальные породы Титана находятся
глубоко в его недрах. На его поверхности, возможно, сохранились в замо-
роженном состоянии реликтовые остатки спонтанных химических реакций,
протекавших также во внутренних областях Солнечной системы на ранних
стадиях эволюции нашей планеты.
Вопросы
1. Сопоставьте количество солнечного излучения, которое падает на каждый
квадратный метр внешней границы атмосферы Земли, Юпитера (расстояние от
Солнца 5 а. е.) и Сатурна (расстояние от Солнца 9,5 а. е.).
2. Почему Юпитер и Сатурн теплее, чем можно было бы ожидать исходя из
потока солнечного излучения, достигающего этих планет?
3. Что означает утверждение, что планеты-гиганты имеют первичные, а пла-
неты земной группы-вторичные атмосферы? Что произошло с первичными атмос-
ферами планет земной группы?
4. Что случилось бы с космическим кораблем, который попытался бы совер-
шить посадку на Юпитер?
5. Что придает различную окраску облакам Юпитера? Что представляет собой
Большое красное пятно?
6. Может ли жизнь существовать на планетах-гигантах? Каковы наиболее ве-
роятные области появления жизни на них?
7. Чем необычен Титан, крупнейший спутник Сатурна? Что мы надеемся уз-
нать при изучении этого объекта?
8. Какой знак могла бы оставить в Солнечной системе разумная цивилизация,
чтобы привлечь внимание будущих разумных существ? Почему Япет можно было
бы считать таким знаком?
Планеты-гиганты и их спутники
363
Литература
Cruikshank D. Р., Morrison D. The Galilean satellites of Jupiter, Scientific American, 234,
No. 5, 108, 1976.
Fimmel R., Swindell W., Burgess E. Pioneer odyssey: Encounter with a giant, NASA,
U.S. Government Printing. Office, Washington, D.C., 1974.
Hunten D. The outer planets. In The solar system, W.H. Freeman and Co., San
Francisco, 1976.
Ingersoll A. P. The meteorology of Jupiter, Scientific American, 234, No. 3, 46, 1976.
Sagan C., Drake F., Druyan A., Ferris T., Lomberg J., Sagan L. Murmurs of Earth: The
Voyager interstellar record, Random House, New York, 1978.
Soderblom L. The Galilean Moons of Jupiter, Scientific American, 242, No. 1, 88, 1980.
Научная фантастика
Clarke A. 2001: A space odyssey, New American Library, New York, 1968. (Имеется
перевод: Кларк А. Космическая Одиссея 2001 года.-М.: Мир, 1970.)
KONZERT F-dur
Brandenburgisches Konzert Nr. 2
ЧАСТЬ V
И душа,
если она хочет познать себя,
в душу другую должна заглянуть-
чтобы там увидеть, как в зеркале,
чужестранца или врага.
Поиск
внеземного
разума
Георгос Сеферис *
Человечество вплотную приблизилось сейчас к той ступени в своем
развитии, когда оно впервые обладает способностью общаться с другими
разумными существами через межзвездные расстояния. Но, чтобы обра-
тить эту потенциальную возможность в реальность, нельзя просто ждать,
пока другие позовут нас, а, так же как множество цивилизаций, которые,
должно быть, обитают в нашей Галактике, необходимо анализировать
средства, с помощью которых можно было бы установить контакт друг
с другом, чтобы определить лучший путь для дальнейших действий. Если
считать, что такой анализ-приятное времяпрепровождение для одних
лишь астрономов, то нам едва ли удастся установить межзвездную связь;
если же предпринять тщательно спланированные поиски наших соседей, то
мы, вероятно, достигнем успеха, хотя и не за один год, но в срок, который
человечество сочло бы приемлемым.
Бранденбургский концерт № 2 И.-С. Баха (вверху) начинает музыкальный раздел
информации, записанной на позолоченных дисках (внизу), установленных на борту
«Вояджеров-1 и 2». Пластинки помещены в алюминиевые контейнеры, на которых
выгравирована инструкция пользования пластинкой.
Перевод Л. Лихачевой.
Рис. 17.1. Две звезды а Центавра А и В видны на верхнем снимке, выполненном
с длительной экспозицией, как один источник света. Вид дифракционной
картины указывает на существование двух близких звезд. На нижнем
снимке, выполненном с короткой экспозицией, показано увеличенное
изображение только звезд А и. В. У каждой из этих звезд, возможно, есть
одна или несколько планет, подобных Земле.
Глава 17
Уникальна ли Земля?
Наш век войдет в историю как первая великая эра исследования Сол-
нечной системы, поскольку мы наконец-то начали попытки познакомиться
со своим космическим сообществом. Однако пока нам нигде не удалось
найти жизнь, несмотря на все усилия, приложенные к изучению Меркурия,
Венеры, Луны, Марса, Юпитера и Сатурна с помощью автоматических
и пилотируемых космических аппаратов. На Земле мы выполнили де-
тальный химический анализ метеоритов, прибывших из межпланетного
пространства.
Неудачи в поисках жизни на всех этих объектах огорчают, но тем не
менее мы продвигаемся вперед. К тому же мы стали лучше понимать, как
могла возникнуть жизнь на Земле и на других планетах, благодаря иссле-
дованиям в рамках осуществления программы «Викинг» и анализа со-
бранных ими на Марсе данных и биологических экспериментов. Во внеш-
них областях Солнечной системы обнаружены условия, напоминающие те,
которые, по мнению некоторых ученых, существовали на первичной Земле:
атмосферы, богатые водородом, в которых под действием тепла и ультра-
фиолетового излучения простые молекулы превращаются в более сложные
соединения. В некоторых метеоритах обнаружены свидетельства таких ре-
акций, так как в них открыто органическое вещество, включающее не-
сколько типов полимеров и даже некоторые аминокислоты и основания
нуклеотидов, которые свойственны земной биохимии. Эти открытия обо-
дряют, поскольку они подтверждают гипотезы о происхождении жизни на
Земле, а также об общности фундаментальных процессов, приводящих
к возникновению жизни, всюду во Вселенной.
По мере того как мы все больше узнавали о Марсе и Венере, мы смо-
гли лучше оценить то загадочное сочетание условий, которое должно быть
на планете, чтобы она из объекта с разнообразными химическими реакция-
ми превратилась в мир, где возможно зарождение и существование жизни.
Почему в Солнечной системе это сочетание условий возникло только на
Земле? Каковы особенности нашей планеты, благодаря которым она выде-
лилась среди всех других планет и их спутников и стала приютом разви-
той жизни? Простая ли это случайность, что эта книга издана именно на
Земле, а не на Венере? Уникальна ли Земля как единственное в нашей Га-
лактике прибежище разумной жизни?
368
Глава 17
Отличительные особенности Земли
Если ограничиться самыми основными характеристиками планет, ко-
торые не являются производными от других характеристик, то легко ука-
зать три особенности, которые делают Землю уникальной в Солнечной
системе: расстояние от Солнца, размер и (что, возможно, менее существен-
но) относительно большая масса ее естественного спутника. Все три ха-
рактеристики весьма важны для происхождения и развития жизни.
Предположим, что орбита Земли изменилась, так что мы оказались бы
на орбите Венеры. Нетрудно предсказать, что произошло бы в этом слу-
чае. Более высокая интенсивность солнечного излучения повысила бы
среднюю температуру нашей планеты, а это усилило бы испарение воды и,
следовательно, увеличило бы содержание водяного пара в атмосфере. Во-
дяной пар затруднил бы излучение тепла поверхностью Земли в космиче-
ское пространство, поэтому температура планеты вновь повысилась бы,
еще больше усилив испарение воды, и т.д. Таким образом, Земля подвер-
глась бы действию неконтролируемого парникового эффекта, который при-
вел к исчезновению воды на Венере. Высокая температура в конце концов
привела бы к образованию на Земле мощной атмосферы из углекислого газа,
подобной атмосфере Венеры.
А теперь предположим, что Земля перешла на орбиту Марса. Тогда
уменьшение поступающей солнечной энергии вследствие увеличения рас-
стояния от Солнца вызвало бы охлаждение океанов и увеличение ледяных
полярных шапок; это повлекло бы за собой уменьшение количества водя-
ного пара в атмосфере и увеличило бы отражательную способность нашей
планеты. Следовательно, температура еще больше снизилась бы и т.д., до
тех пор пока мы не получили бы неконтролируемый холодильник. В эк-
стремальном случае Земля полностью покрылась бы слоем льда. Можно
вообразить и промежуточные ситуации, при которых мощная атмосфера
из углекислого газа сохранит более теплый климат или при которых под-
ходящая для обитания среда будет существовать только вблизи экватора.
Но на еще более удаленной орбите Земля лишилась бы даже этой возмож-
ности. Очевидно, нам лучше всего оставаться на нашей современной орби-
те вокруг Солнца!
Мы уже обсуждали проблему размеров планеты. Более крупные пла-
неты сохраняют водород, а слишком маленькие вообще не могут удержать
атмосферу. Это ограничение означает больше, чем простую способность
удержать уже существующую атмосферу. Как отмечалось в гл. 12, у пла-
неты размерами с Землю больше шансов для образования умеренной
среды, чем у небольшой планеты вроде Марса или Меркурия. У более
крупного объекта с большей вероятностью образуется плотная атмосфера,
потому что он выделяет и накапливает больше летучих элементов в пе-
риод формирования и на последующих стадиях.
Уникальна ли Земля?
369
Таким образом, размер и положение относительно центрального свети-
ла-это два решающих фактора с точки зрения пригодности планеты для
жизни. А что можно сказать о Луне? Наличие крупного естественного
спутника, казалось бы, не играет роли в развитии и существовании жизни,
если не считать общеизвестного влияния Луны на столь различные про-
явления жизни, как романтические истории у людей и нерест рыбы. Но Лу-
на, очевидно, дала нам еще два важных преимущества. Во-первых, она вы-
зывает высокие приливы, которые могли сыграть решающую роль
в образовании микросред, пригодных для зарождения жизни. Во-вторых,
она стабилизирует ориентацию оси вращения Земли, Мы показали, что ко-
лебания наклона оси вращения Марса к плоскости его орбиты могут вы-
зывать сильные изменения климата (см. с. 307). Эти колебания объясняют-
ся совместным действием гравитационных сил Солнца и Юпитера.
Расчеты показали, что ледниковые периоды на Земле, приведшие к выми-
ранию многих видов, вероятно, наступали вследствие значительно мень-
ших изменений наклона оси вращения, а также эксцентриситета орбиты.
Последствия этих изменений могли бы оказаться более драматичными, ес-
ли бы притяжение близко расположенного крупного спутника не подавля-
ло их. Изменения климата планеты, более сильные, чем в ледниковые пе-
риоды, вероятно, стали бы фатальными для развивающейся жизни.
С другой стороны, совсем не обязательно иметь крупный спутник для
обеспечения необходимой стабильности. Если бы период вращения Земли
был много больше или много меньше, стабильность также была бы до-
стигнута. Например, у Венеры с ее 243-дневным периодом вращения на-
клон оси вращения стабилен. Система Земля-Луна обладает лишь той
особенностью, что она обеспечивает стабильность при 24-часовых сутках.
Как могла бы развиться жизнь на планете с меньшим или большим перио-
дом вращения? Об этом можно лишь гадать, но, учитывая способность
различных форм жизни на Земле легко приспосабливаться к разным про-
должительностям дневного освещения (например, пингвины и белые ме-
дведи живут в условиях долгих полярных дня и ночи), можно полагать,
что резкое отличие периода вращения от земного, по-видимому, не было
бы существенной помехой для развития жизни на планете. Отсутствие вы-
соких приливов, вызываемых Луной, тоже не было бы фатальным. Сол-
нечные приливы и изменения уровня воды, связанные с погодой, могли бы
оказаться вполне достаточными для создания приемлемых микросред
обитания.
Планетные системы других звезд
Мы надеемся найти планетные системы вблизи звезд спектральных
классов от F5 до К8-звезд, которые по продолжительности жизни и све-
тимости напоминают наше Солнце, поскольку теории происхождения
24-485
370
Глава 17
и эволюции Солнца и его планет полностью приложимы к планетным сис-
темам таких звезд. Таким образом, мы рассчитываем, что обнаружим
твердые внутренние планеты с атмосферами, возникшими в результате де-
газации, выветривания и улетучивания легких химических элементов, т.е.
в результате тех же процессов, что и атмосферы планет земной группы
в Солнечной системе. Взяв за образец нашу Землю, можно заключить, что
одна из этих внутренних планет с большой вероятностью окажется на ор-
бите на подходящем расстоянии от звезды. В нашей Солнечной системе
Земля находится в подходящем месте, а Марс и Венера-недалеко от него.
Кроме того, две планеты (Земля и Венера) имеют подходящие размеры
и одна из них занимает «правильное» положение. Это наводит на мысль,
что примерно в каждой второй планетной системе может оказаться плане-
та подходящих размеров и на «правильном» расстоянии. Это осторожная
оценка, оптимисты утверждают, что, поскольку существуем мы, почти каж-
дая планетная система должна иметь планету с подходящими размерами
и орбитой! Из такой оптимистической оценки следует, что либо всегда
должны быть планеты размерами с Землю, либо планета размерами
с Марс, но расположенная ближе к Солнцу и способная обеспечить усло-
вия для жизни. Каждая из этих гипотез или обе они могут оказаться пра-
вильными, но из-за отсутствия фактических данных лучше проявить
осторожность.
Как это ни парадоксально, но Луна все еще не дает нам покоя! Мы не
понимаем, почему наш спутник так велик (по сравнению с Землей), и даже
не знаем, как он образовался, а это не позволяет делать точные прогнозы
для других планетных систем. Но, как мы показали, наличие массивного
спутника, вероятно, не так важно по сравнению с двумя другими требова-
ниями. Поэтому можно заключить, что каждая четвертая планетная систе-
ма, вероятно, имеет подобную Земле планету в «правильном» положении
относительно центральной звезды и с достаточно устойчивым климатом
для развития жизни. Эта оценка основывается на предположении, что по-
ловина всех планетных систем должна иметь планету с подходящими раз-
мерами и положением, а половина из них либо не будет нуждаться в мас-
сивном спутнике, предотвращающем изменения наклона оси, либо будет
иметь спутник, подобный нашему.
Не следует думать, что этот вывод точен, просто потому, что он дает
численные оценки! Быть может, вследствие других особенностей, еще не-
известных нам, Земля уникальна или почти уникальна. Например, мы пре-
небрегли тем фактом, что из всех планет Солнечной системы только на
Земле есть океаны. Большое количество жидкой воды, несомненно, способ-
ствует развитию жизни, и мы предполагали, что на планете обязательно
будет вода, если она имеет подходящие размеры и положение.
Но и другие факторы, например распределение и число богатых летучи-
ми элементами метеоритов и комет в первичной Солнечной системе, мо-
Уникальна ли Земля?
371
гли сыграть значительную роль в появлении жидкой воды. Наконец, под-
черкнем, что существование планеты в точности такой же, как Земля, вовсе
не гарантирует развития жизни на ней, а с другой стороны, нельзя утвер-
ждать, что приютом для жизни может стать только планета, подобная Зе-
мле. Как указывалось в предыдущих главах, мы еще, быть может, найдем
свидетельства жизни на Марсе, а некоторые ученые полагают, что теплые
области атмосферы Юпитера тоже могут быть населены живыми организ-
мами. Но пока из нашего опыта следует, что планеты, подобные Земле,
являются наиболее вероятными средами обитания, а вероятность- это
именно то понятие, которое мы должны использовать при поисках жизни
за пределами Солнечной системы.
Но, чтобы подтвердить эти аргументы, нам, очевидно, хотелось бы
иметь возможность исследовать другие планетные системы с тем, чтобы
убедиться, справедливы ли наши предположения или же Солнечная систе-
ма обладает каким-то необычным свойством, которого лишены другие
планетные системы. К сожалению, мы сегодня не в состоянии провести та-
кое сравнительное изучение, поскольку нам пока известны только одна
планетная система и только один пример жизни. Но интуиция подсказы-
вает, что могли бы существовать и другие системы. С накоплением знаний
о Вселенной у людей постепенно исчезло чувство уникальности. Древние
астрономы считали Землю центром Вселенной. После открытия орбиталь-
ного движения Земли вокруг Солнца все же осталось убеждение, что Солн-
це должно быть центром звездной системы. Когда выяснилось, что Солнце
расположено в спиральном рукаве далеко от центра Галактики, нашу Га-
лактику стали считать одной из крупнейших во Вселенной. Теперь мы
знаем, что это тоже не верно. Дело не просто в том, что мы вовсе не уни-
кальны, а в том, что астрономическая Вселенная содержит очень немного
истинно уникальных объектов. Существует много квазаров и пульсаров,
хотя вначале были известны лишь один или два, много сверхновых, много
звезд, богатых, скажем, элементом европием, и много плотных меж-
звездных облаков. Эти рассуждения наводят на мысль, что, вероятно, су-
ществует много других планетных систем, несмотря на то что к настояще-
му времени мы не наблюдали их непосредственно.
В пользу этого предположения свидетельствует изучение двойных
и кратных звезд. Большинство звезд в нашей Галактике и, по-видимому,
в других галактиках входят в состав двойных, тройных и т. д. звездных си-
стем. Во многих двойных звездных системах оба компонента располагают-
ся очень близко друг к другу, типичное расстояние между ними примерно
равно расстоянию от Солнца до Нептуна. Это относительно небольшое
расстояние, в тысячи раз меньшее среднего расстояния между соседними
звездами, говорит о том, что формирование звезд из межзвездных облаков
едва ли приводит к образованию одиночных объектов. Распространен-
ность кратных систем с размерами порядка размеров нашей планетной
системы наводит на мысль, что в тех случаях, когда мы наблюдаем звезду,
24*
372
Глава 17
не имеющую близкого видимого соседа, около нее могут существовать не-
большая слабая звезда или планетная система, как результат фрагмента-
ции первичного облака, из которого возникла звезда.
Наша Солнечная система содержит свидетельства этой тенденции
к фрагментации при образовании массивных объектов. Планеты-гиганты
Юпитер и Сатурн окружены целыми свитами спутников, причем пять вну-
тренних спутников Юпитера или шесть спутников Сатурна сформирова-
лись вместе с самими планетами. После открытия спутника у Плутона
лишь две из девяти известных планет Солнечной системы совсем не имеют
спутников. По-видимому, дело в том, что Меркурий и Венера просто
слишком близки к Солнцу.
Как обнаружить
другие планетные системы?
Эти косвенные аргументы обнадеживают, но мы, конечно, предпочли
бы наблюдательные данные, свидетельствующие о существовании других
планетных систем. К сожалению, такие данные оказалось очень трудно по-
лучить. Планеты светят отраженным светом, который намного слабее сия-
ния освещающих их звезд. Кроме того, планеты льнут к своей звезде,
а значит, мы должны искать слабую светящуюся точку почти в том же
месте на небе, где располагается сама яркая звезда (рис. 17.1). Планета
размером с Юпитер, обращающаяся вокруг звезды а Центавра А (члена
ближайшей к нам звездной системы) на таком же расстоянии как Юпитер
от Солнца, имела бы видимый блеск, в миллион раз меньший, чем ви-
димый блеск звезды! При таком колоссальном различии блеска даже луч-
шие телескопы на Земле не могли бы обнаружить планету размером
с Юпитер на орбите вокруг а Центавра А или а Центавра В при расстоя-
нии планеты от звезды, равном расстоянию от Юпитера до Солнца.
А нельзя ли обнаружить планеты вблизи других звезд даже не видя их?
Для этого есть четыре способа. Первый способ-построить мощный теле-
скоп и поместить его в космосе, чтобы исключить атмосферные помехи.
Второй способ - попытаться обнаружить планеты не по их слабому отра-
женному свету, а по гравитационным возмущениям, которые они вносят
в движение центральной звезды. Третий-искать изменения доплеровского
смещения в спектре центральной звезды при движении планеты вокруг нее,
так как планета «тянет» звезду сначала в одну сторону, а затем в другую.
Четвертый-попытаться принять радиоизлучение планеты типа Юпитера.
Ведь в Солнечной системе радиоизлучение Юпитера часто превосходит ра-
диоизлучение Солнца.
Каждый из этих способов может дать положительные результаты
в ближайшие годы. Астрономы надеются, что в начале 1980-х годов начнет
Уникальна ли Земля?
373
Рис. 17.2. Если Луна проходит перед удаленной планетной системой, то в течение
короткого мгновения, когда она закрывает саму звезду, можно наблю-
дать свет от планет, обращающихся вокруг этой звезды на достаточных
расстояниях. Масштаб произвольный.
работать космический телескоп. Этот телескоп-рефлектор диаметром 2,4 м
будет выведен на околоземную орбиту далеко за пределы области, в кото-
рой существуют атмосферные помехи. С помощью оптического метода
аподизации можно сделать разрешающую способность телескопа доста-
точной для обнаружения слабо светящихся точек, соответствующих плане-
там размером с Юпитер, расположенным вблизи ярких звезд. Другая воз-
можность заключается в использовании Луны в качестве экрана. В тот
момент, когда, проходя перед звездой, Луна перекрывает свет от нее,
облегчается регистрация свечения обращающихся вокруг нее планет
(рис. 17.2).
Второй метод основан на гравитационном воздействии планеты на
звезду, точно равном по величине и противоположном по направлению
гравитационному воздействию звезды на планету. Поскольку массы звезд
намного превосходят массы планет, планеты обращаются по большим ор-
битам, а звезды-по маленьким вокруг общего центра масс системы.
Центр масс движется по гладкой траектории вокруг центра Галактики,
а звезда «виляет» относительно этой траектории под действием гравита-
ционного притяжения планет (рис. 17.3).
Около десятка случаев периодических возмущений в движениях бли-
жайших звезд были тщательно проанализированы. Оказалось, что неко-
торые из этих звезд имеют спутники с массами, ненамного меньшими
массы Солнца; очевидно, это не планеты, а слабые белые карлики. Однако
по крайней мере у одной звезды, называемой звездой Барнарда в честь ее
первооткрывателя, по-видимому, существует спутник массой, в тысячу раз
меньшей массы Солнца (т.е. примерно как масса Юпитера) и периодом
орбитального движения 11,5 года. Кроме того, возможно, существует вто-
рой спутник, масса которого в два раза меньше, чем первого, а период ор-
374
Глава 17
Рис. 17.3. Если звезда имеет планеты, то она описывает маленькую орбиту вокруг
общего центра масс системы звезда-планеты. В результате этого звезда
«виляет» относительно траектории центра масс в пространстве (штрихо-
вая линия). Вследствие движения звезды по орбите вокруг центра масс ее
лучевая скорость будет систематически меняться по отношению к на-
блюдателю. Она будет периодически уменьшаться и увеличиваться, так
как движение звезды по орбите будет направлено то к нам, то от нас.
битального движения равен 20 годам. Если эти результаты подтвердятся
(пока они остаются весьма спорными), то они станут первым доказатель-
ством существования планет, обращающихся вокруг других звезд, причем
массы и орбитальные периоды гипотетических планет звезды Барнарда по-
разительно напоминают массы и орбитальные периоды Юпитера
и Сатурна.
Третий метод основан на эффекте Доплера, т.е. на изменении длины
волны при относительном движении источника света к наблюдателю или
от него (см. с. 45). Если вокруг звезды обращается планета, то звезда
описывает небольшую орбиту вокруг центра масс системы звезда-плане-
та. Вместо того чтобы пытаться непосредственно наблюдать движение
звезды, можно попробовать зарегистрировать изменения ее скорости по
отношению к нам. Эти изменения возникают потому, что, находясь на
одной стороне орбиты, звезда движется к наблюдателю, а на другой-от
наблюдателя, так что на среднюю скорость звезды попеременно наклады-
ваются составляю!цие разного знака (рис. 17.3). При движении вокруг
звезды, подобной нашему Солнцу, планета с массой Юпитера вызвала бы
изменение скорости звезды лишь на 0,01 км/с. Такие изменения скорости
сегодня не удается зарегистрировать, но разрабатывается аппаратура, ко-
торая уже в близком будущем позволит осуществить столь точные измере-
Уникальна ли Земля?
375
ния с помощью космического телескопа, выведенного на орбиту за преде-
лы атмосферы, или даже с помощью наземных телескопов.
Четвертый метод требует использования радиотехнических средств.
Когда рассуждают о цивилизациях, возможно существующих на других
планетах, то говорят прежде всего о применении радиоволн для обмена
информацией (см. гл. 20). Между тем значительно более прямая возмож-
ность радиообнаружения других планет никак не связана с присутствием
технически развитой цивилизации и потому заслуживает обсуждения имен-
но в данном разделе. В некоторые периоды на некоторых частотах Юпи-
тер испускает более мощный поток радиоизлучения, чем Солнце. Иными
словами, астрономы из другой планетной системы, наблюдая нашу Сол-
нечную систему в соответствующих условиях, с помощью чувствительных
радиоантенн зарегистрировали бы прежде всего Юпитер и лишь во вто-
рую очередь Солнце. Если, направив радиотелескоп на другую звезду, мы
обнаружим всплески радиоизлучения, подобные принимаемым от Юпите-
ра, то можно будет с некоторой уверенностью заключить, что вокруг
звезды обращается планета типа Юпитера. Наши антенны и приемники
уже почти достигли чувствительности, необходимой для таких наблюдений
ближайших звезд. Сравнительно скромные дополнительные средства (по-
рядка 100 млн. долларов) позволили бы создать систему, вполне способ-
ную к обнаружению планеты размером с Юпитер в радиусе 30 световых
лет от Солнца.
Самые подходящие звезды
В ожидании дальнейшей разработки описанных (и других, которые, не-
сомненно, будут придуманы) методов обнаружения планетных систем по-
размыслим о том, какие из соседних звезд являются подходящими канди-
датами для таких поисков. Многие ученые убеждены в распространенности
планетных систем и полагают, что любая явно одиночная звезда спек-
трального класса, близкого к солнечному, должна иметь планеты. Нас, ко-
нечно, больше всего интересуют планеты у звезд, ближайших к Солнцу,
поскольку контакт с ними с помощью ракет или радиосигналов был бы
проще всего. Поэтому мы начнем со знакомства с 23 звездными система-
ми, которые располагаются в пределах 4 пс от Солнца (табл. 17.1).
Отметим, что половина этих систем-кратные. Лишь у трех звезд (а
Центавра, Сириуса и Проциона) светимость больше, чем у Солнца, т.е.
только эти три звезды лежат на главной последовательности выше Солн-
ца. Другие звезды или располагаются значительно ниже на главной после-
довательности и в основном относятся к спектральным классам К и М,
или (как компоненты Сириуса и Проциона) достигли стадии белых карли-
ков (гл. 6). Хотя Солнце, вообще говоря, является заурядной звездой, мож-
но считать, что нам повезло: оно превосходит 90% всех звезд по массе,
376
Глава 17
Таблица 17.1
Звезды в пределах 4 пс от Солнца.
Жирным шрифтом выделены звезды, наиболее похожие на Солнце
Название звезды Расстояние, пс Спектральный класс Светимость (све- тимость Солн- ца = 1) Масса, если она известна (масса Солнца = 1)
ex Центавра А 1,3 G2 1,53 1,1
а Центавра В К4 0,44 0,88
Проксима Центавра 1,3 М5 0,00006 0,1
Звезда Барнарда * 1,8 М5 0,00044
Вольф 359 2,3 М8 0,00002
Лаланд 211385* 2,5 М2 0,0052 0,35
Сириус А 2,6 А1 23,0 2,31
Сириус В Белый 0,0020 0,98
карлик
Лейтен 726-8А 2,7 М5 0,00006 0,044
Лейтен 726-8В Мб 0,00004 0,035
Росс 154 2,9 М4 0,0004
Росс 248 3,2 Мб 0,0001
е Эридана 3,3 К2 0,30 0,8
Лейтен 789-6 3,3 Мб 0,00012
Росс 128 3,3 М5 0,00033
61 Лебедя А* 3,4 К5 0,082 0,63
61 Лебедя В К7 0,038 0,6
е Индейца 3,4 К8 0,14
Процион А 3,5 F5 7,6 1,77
Процион В Белый 0,0005 0,63
карлик
£ 2398 А 3,5 М4 0,003 0,4
£ 2398 В М5 0,002 0,4
Грумбридж 34А 3,6 Ml 0,006
Грумбридж 34В Мб 0,0004
Лакаль 9352 3,6 М2 0,012
т Кита 3,7 G8 0,47
BD + 5° 1668* 3,8 М5 0,0015
Лейтен 725-32 3,8 М5 0,0003
Лакаль 8760 3,8 МО 0,027
Звезда Каптейна 3,9 МО 0,004
Крюгер 60 А 3,9 М3 0,0015 0,27
Крюгер 60 В М4 0,0004 0,16
* Предполагают, что у этих звезд есть невидимые спутники.
Уникальна ли Земля?
377
а значит, и по светимости. Кроме того, звезды высокой светимости, такие,
как Сириус (его светимость в 23 раза выше, чем у Солнца), не могут су-
ществовать так долго, как Солнце; действительно, возраст Сириуса не дол-
жен превышать миллиарда лет, иначе он уже покинул бы главную после-
довательность, как его спутник-белый карлик.
Мы уже указывали, почему желательно, чтобы звезды провели на глав-
ной последовательности минимум 5 млрд, лет-в этом случае больше ве-
роятность обнаружить планету с разумной цивилизацией. Это требование
исключает из рассмотрения Сириус и снижает шансы Проциона А. Если
у звезды есть планеты, то нужно, чтобы по крайней мере на одной из них
было достаточно тепло для существования жизни. В соответствии с пред-
положением, что вода или аммиак могут служить растворителями, тре-
буемыми для жизни (с. 241), нам, по-видимому, нужны температуры
в пределах от 0 до 100°С (если растворителем является вода) или от — 108
до — 33°С (если эту роль играет аммиак). Поэтому мы ищем температуры
в диапазоне от — 108 до + 100°С, отдавая предпочтение более высоким
значениям.
Мы знаем, что в Солнечной системе только на Земле и на Марсе тем-
пературы лежат в указанных пределах. Венера, которая в отсутствие ат-
мосферы имела бы температуру + 45°С, обладает атмосферой из углекис-
лого газа, обеспечивающей температуру на поверхности 475°С. Возможно,
однако, что Венера-исключение, и, если бы планета была несколько мень-
ше, может быть, ее судьба сложилась бы иначе; тогда получается, что
Солнце или подобная ему звезда могут обеспечить подходящие темпера-
туры на планетах, которые находятся от светила на расстояниях от 0,7 до
2,0 а. е. Такова относительно узкая зона, пригодная для обитания
(рис. 17.4), дальше от Солнца температуры становятся слишком низкими
для жизни, а ближе к Солнцу надежды на существование жизни перечерки-
ваются чрезмерно высокой температурой. Но эти пределы могут несколь-
ко меняться в зависимости от химического состава атмосферы.
Как следует из списка звезд в табл. 17.1, чтобы иметь подходящие тем-
пературные условия и, значит, быть пригодными для обитания, планеты
должны располагаться значительно ближе к слабым звездам классов К
и М, составляющим большинство в списке, чем к звезде типа Солнца. Эти
звезды с низкими светимостями обладают чрезвычайно длительной про-
должительностью жизни, так что, если вокруг них обращаются населенные
живыми существами планеты, их обитатели могут рассчитывать на многие
десятки миллиардов лет непрерывного сияния звезды, а не на 10 или
11 млрд, лет, которые подарит Земле наше Солнце.
Но на каком расстоянии должна находиться планета, скажем, от звезды
Барнарда спектрального класса М5? Эта звездная система, занимающая
второе место в списке ближайших к Солнцу звезд, включает одну слабую
красную звездочку, светимость которой составляет менее 0,002 светимости
378
Глава 17
0,02 а.е.
0,06 а.е.
Рис. 17.4. Пригодная для обитания зона вокруг звезды определяется как сфериче-
ская оболочка, в которой планета будет иметь «подходящую» темпера-
туру для существования жизни. Если выбрать диапазон температур от
— 108 до 4- 100°С, то у звезды, подобной Солнцу, пригодная для обита-
ния зона простирается от 0,7 до 2,0 а. е. (слева). Пригодная для обитания
зона вокруг значительно более слабой звезды Барнарда простирается
лишь от 0,02 до 0,06 а.е. (справа).
Солнца! Чтобы планета получала от звезды Барнарда столько же энергии
на каждый 1 м2 в 1 с, сколько мы получаем от Солнца, она должна быть
в 45 раз ближе к звезде Барнарда, чем Земля к Солнцу. Иными словами,
даже расстояние Меркурия от Солнца значительно превосходит макси-
мальное расстояние планеты от звезды Барнарда, при котором планета
получала бы достаточно тепла для существования жизни (рис. 17.4).
При таких близких расстояниях возникает другая трудность: возможно
установление гравитационной связи между орбитальным движением и вра-
щением планеты. При этом планета всегда будет обращена к звезде одним
и тем же полушарием. Такому процессу подверглись Луна и пять внутрен-
них спутников Юпитера, а у Меркурия благодаря эксцентриситету орбиты
установилось резонансное соотношение 3 :2 (с. 276). Как скажется на жизни
такая блокировка вращения? Мы бы предпочли какие-либо изменяющиеся
условия: увлажнение и высыхание, замерзание и таяние,-которые содей-
ствовали бы протеканию первичных химических реакций, благодаря ко-
торым зарождается жизнь. Но, быть может, есть иные пути, ведущие к тем
же результатам? Наличие достаточно мощной атмосферы на одной из
планет, находящейся в резонансе с центральным светилом, могло бы обес-
печить подходящие изменения условий облучения при непрерывном дне
Уникальна ли Земля?
379
или непрерывной ночи. Нельзя a priori вычеркнуть звезды-карлики спект-
рального класса М из списка возможных светил с обитаемыми планетами,
однако они представляются не столь подходящими объектами, как их ме-
нее многочисленные, но более яркие собратья.
Пригодную для обитания зону вокруг звезд, т.е. место, где планеты
могли бы иметь подходящие температуры для существования жизни, часто
называют экосферой. Поскольку экосферы большинства звезд очень малы,
так как они сияют слабее, чем Солнце, можно заметно сократить список,
приведенный в табл. 17.1, при поисках наиболее подходящих звезд, около
которых могут быть пригодные для обитания планеты. Если исключить
также Сириус и Процион из-за их короткой продолжительности жизни, то
в пределах 4 пс лучшими кандидатами с приемлемыми размерами экосфер
останутся а Центавра, т Кита и е Эридана. Рассмотрим кратко каждую из
этих кандидатур.
Система а Центавра (рис. 17.5) состоит из двух довольно ярких звезд
(светимость звезды А составляет 1,5, а звезды В-0,44 светимости Солнца)
и третьей значительно более слабой звезды Проксимы Центавра, свети-
мость которой в десять с лишним тысяч раз меньше, чем у Солнца. Рань-
ше астрономы думали, что кратные звездные системы являются весьма не-
подходящим местом для поисков планет, поскольку гравитационные
воздействия компонентов препятствовали бы существованию устойчивых
орбит планет. Однако расчеты показали, что эта точка зрения была слиш-
ком пессимистичной. Планетные орбиты устойчивы в двойной звездной
системе в двух случаях: если планеты обращаются вблизи одного из компо-
Рис. 17.5. Система а Центавра состоит из трех звезд. Две из них (А и В) очень по-
хожи на Солнце. Все три звезды обращаются вокруг центра масс си-
стемы, но расстояние между А и В равно 25 а. е., а расстояние Проксимы
Центавра от центра масс в 2000 раз превышает расстояние между А и В.
Масштаб произвольный. На рис. 17.1 показан фотоснимок а Центавра
А и В.
380
Глава 17
ф Проксима Центавра
Рис. 17.6. На небосводе планеты, обращающейся вокруг а Центавра А или В, сия-
ли бы два ярких «солнца»-желтое и оранжевое. Проксима Центавра вы-
глядела бы как слабая красная звездочка, едва различимая невоору-
женным глазом.
тов двойной (сами звезды обращаются вокруг общего центра масс), либо
на большом расстоянии от нее.
Как а Центавра А (спектральный класс G2), так и а Центавра В (спект-
ральный класс К5) вполне способны обеспечить жизнь на планетах при ус-
ловии, что их орбиты достаточно близки к одной или другой из этих звезд.
Поскольку расстояние между компонентами А и В примерно 25 а. е., мож-
но вообразить планеты вокруг обеих звезд на орбитах, подобных орбитам
внутренних планет нашей Солнечной системы. В этом случае для жителей
планеты, обращающейся вокруг одной из звезд, вторая звезда светила бы
в 1000 раз ярче нашей Луны, но все же в 1000 раз слабее звезды, вокруг ко-
торой планета обращается. Эта «сверхлуна» в течение полугода была бы
видна днем, а вторую половину года-ночью. Компоненты а Центавра
имеют слегка отличающиеся цвета-желтый и оранжевый,-так что зре-
лище будет еще прекраснее (рис. 17.6).
Во втором случае, когда планета обращается на большом расстоянии
от двойной звезды, ее орбита должна напоминать орбиту Проксимы Цен-
тавра (рис. 17.5). Хотя такие орбиты устойчивы, они не перспективны для
поисков жизни, поскольку Проксима Центавра в любой момент времени
настолько далека от а Центавра А и В, что обе звезды должны выглядеть
Уникальна ли Земля?
381
на ее небосводе не ярче нашей Луны. Следовательно, надеяться найти
жизнь на такой планете-все равно, что рассчитывать на развитие жизни
под влиянием лунного света, а это кажется невозможным. Можно, однако,
вообразить планету, обращающуюся очень близко к самой Проксиме Цен-
тавра. Но эта звезда спектрального класса М5 столь тускла и холодна, что
здесь мы сталкиваемся с такими же условиями, как и при знакомстве со
звездой Барнарда: планеты, пригодные для обитания, должны распола-
гаться очень близко к звезде. Если бы Земля обращалась вокруг Прокси-
мы Центавра на том же расстоянии, что и вокруг Солнца, наше новое
«светило» выглядело бы как небольшой красный диск, в 60 раз более яр-
кий, чем полная Луна (которая светит отраженным от Солнца светом), и
в десять раз меньше Луны по размерам. С таким светилом у нас было бы
мало надежды выжить, хотя мы бы, конечно, восхищались великолепным
зрелищем звезд А и В, ярко сияющих в небе.
Более удалены от нас, чем система а Центавра, следующие хорошие
кандидаты: 8 Эридана и т Кита. Светимость 8 Эридана, звезды спектраль-
ного класса К2, составляет лишь 30% светимости Солнца, т.е. примерно
такая же, как у а Центавра В, но планета, которая обращалась бы вокруг
этой звезды на расстоянии Меркурия или Венеры от Солнца, все же попа-
дала бы в зону, пригодную для обитания. Звезда т Кита класса G8 больше
похожа на Солнце, чем 8 Эридана, так как ее светимость составляет 47%
солнечной. Можно ожидать довольно протяженной экосферы вокруг т Ки-
та, большей, чем у 8 Эридана, но меньшей, чем у Солнца. Возможными
кандидатами являются также 8 Индейца и 61 Лебедя А, поскольку их
спектральные классы лишь немного позднее, чем у 8 Эридана. Но их све-
тимости ниже соответственно на 53 и 74%, поэтому они занимают не
очень высокое положение в нашем табеле о рангах.
Звезды т Кита и 8 Эридана давно привлекали внимание ученых, изучав-
ших возможности жизни около других звезд. С начала поисков радиосиг-
налов до настоящего времени астрономы направляют свои антенны на эти
две звезды в надежде, пока не оправдавшейся, обнаружить там цивилиза-
ции. Система а Центавра не пользовалась таким вниманием прежде всего
потому, что она недоступна радиотелескопам, расположенным в северном
полушарии Земли, а это основные инструменты, которые пока использова-
лись для поиска сигналов искусственного происхождения.
Как мы увидим при обсуждении вероятности обнаружения внеземной
цивилизации (гл. 19), не следует ожидать, что удастся без труда обнару-
жить цивилизацию при изучении первых же двух или трех звезд, особенно
после короткого периода наблюдений. Но не следует полностью отказы-
ваться от надежды, что хотя бы одна из соседних звезд может иметь пла-
нету с гораздо более развитой цивилизацией, чем наша, и мы откроем ее,
когда разработаем более подходящие методы для установления контактов.
Какой великолепный способ доказать существование другой планетной
системы!
382
Глава 17
Итак, рассмотрев 23 звезды в пределах 4 пс от Солнца, мы познакоми-
лись с типичной областью нашей Галактики. Мы видим, что большинство
звезд обладают слишком низкой светимостью, чтобы быть перспективны-
ми кандидатами для поисков жизни на планетах, если ограничиться типа-
ми условий, знакомыми нам по Солнечной системе. Но в Галактике, такой,
как наша, так много звезд, что не надо разочаровываться, даже если при-
дется исключить из рассмотрения маленькие холодные звезды. Как сле-
дует из табл. 17.2, существуют миллиарды звезд, достаточно близких по
Таблица 17.2
Примерное число звезд различных спектральных классов, принадлежащих к
главной последовательности
Спектральный класс Примерная масса (масса Солнца = = 1) Светимость (све- тимость Солн- ца = 1) Доля от общего числа звезд*, % Число звезд*
О 32 50000 0,00002 55000
в 6 300 0,09 360000000
А 2 10 0,6 2400000000
F 1,25 2,0 2,9 12000000000
G 0,9 0,9 7,3 28 000000000
К 0,6 0,2 15,1 60000000000
М 0,2 0,005 73,2 293 000000000
* Мы приняли общее число звезд в Галактике равным 400-10’. Звезды, не принадлежащие к главной
последовательности (и, следовательно, не включенные в данный список), составляют 0,8% общего числа
звезд.
своим характеристикам нашему Солнцу. Вероятно, нам просто придется
расширить границы поисков на больший объем пространства, прежде чем
мы наткнемся на сигналы другой цивилизации, несущиеся к нам со ско-
ростью света.
Выводы
Мы начали эту часть с опасения, что из-за каких-либо чрезвычайно ред-
ких характеристик нашей планеты, Солнечной системы или самого Солнца
нам придется сделать вывод об уникальности нашей цивилизации в Галак-
тике. Это опасение было порождено осознанием того, что на данной ста-
дии изучения Солнечной системы наша планета оказалась единственным
приютом жизни. По-видимому, существуют важные причины для такой
аномалии: размеры Земли и ее расстояние от Солнца. Если бы Венера
и Земля поменялись местами, населенной оказалась бы Венера при усло-
вии, что она сформировалась бы на месте Земли, т.е. имела бы ту же
Уникальна лн Земля?
383
смесь летучих элементов. Луна сыграла важную роль в происхождении
жизни, стабилизируя наклон оси вращения Земли и увеличивая амплитуду
океанских приливов, но подобная стабилизация достижима при более
быстром или более медленном вращении, а подходящие условия для ран-
них стадий жизни могли возникнуть и при менее сильных приливах.
Другие планетные системы также должны иметь твердые внутренние
планеты, причем примерно один шанс из четырех, что среди них найдется
планета подходящего размера, на требуемом расстоянии от светила и с не-
обходимым периодом вращения, если считать Солнечную систему типич-
ной. К сожалению, у нас пока нет прямых свидетельств существования ка-
ких-либо других планетных систем. Однако имеется много косвенных
данных, указывающих, что во многих случаях образование звезд должно
сопровождаться образованием планет. Разрабатывается несколько мето-
дов обнаружения планетных систем вокруг ближайших звезд, и в следую-
щем десятилетии они, возможно, позволят получить необходимые данные.
При наблюдениях в Галактике в пределах 4 пс от Солнца обнаружены
три звездные системы, которые имеют подходящие экосферы и являются
хорошими кандидатами на роль светил в планетных системах, где возмож-
на жизнь. Еще две звезды в нашем списке вполне приемлемы для этой це-
ли, поэтому даже у столь ничтожной части звезд нашей Галактики может
быть планета, подобная той, на которой мы живем. Это не означает, что
такая планета должна служить приютом для разумной цивилизации, и да-
же не означает, что на ее поверхности должна возникнуть жизнь. Но это
наводит на мысль, что Земля почти наверняка не уникальна. Чтобы обна-
ружить внеземную жизнь, следует начать более тщательные поиски, воз-
можно, в пределах многих парсеков от нашей Солнечной системы.
Вопросы
1. Каковы основные характеристики, отличающие Землю от других планет
Солнечной системы? Каково их относительное значение?
2. Что произошло бы, если бы Земля внезапно переместилась на орбиту
Венеры?
3. Почему астрономы думают, что планетные системы относительно распро-
странены в нашей Галактике?
4. Какие методы предложены для поиска планетных систем ближайших звезд?
Можете ли вы предложить другие методы?
5. Какой тип звезд наиболее распространен в Галактике? Почему вероятность
иметь планеты, подобные Земле, у этих звезд меньше, чем у других?
6. Что такое экосфера? Как ее размеры зависят от спектрального класса цент-
ральной звезды?
7. Какие из ближайших звезд, вероятнее всего, могут иметь планеты, подобные
Земле? Почему?
8. Опишите систему а Центавра. Как выглядело бы небо планеты, обращаю-
щейся вокруг одной из более ярких звезд этой системы?
384
Глава 17
9. Допустим, что в Галактике у большинства звезд есть планетные системы, но
лишь одна звезда из тысячи имеет планеты в зоне, пригодной для обитания. Если
каждая такая звезда имеет в среднем одну планету в зоне, пригодной для обитания,
то сколько планет в таких зонах можно найти около 400 млрд, звезд нашей
Галактики?
10. Рассмотрим одну из соседних звезд, Лакаль 9352, светимость которой в сто
раз меньше, чем Солнца. Во сколько раз ближе к этой звезде должна обращаться
планета, чтобы на каждый квадратный сантиметр ее поверхности приходилась та-
кая же энергия излучения в секунду, как в Солнечной системе?
Литература
Cameron A. The origin and evolution of the solar system. In The solar system,
W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1976.
Dole S. Habitable planets for man, 2nd ed., Elsevier Scientific Publ. Co., New York, 1970.
Sagan C. The cosmic connection, Dell Books, New York, 1973.
Sagan C. The solar system. In The solar system, W.H. Freeman and Co., San Francisco,
1976.
Van de Kamp P. The nearby stars. In Ann. Rev. Astron. Astrophys., 9, 103, 1971.
Van de Kamp P. Unseen astrometric companions of stars. In Ann. Rev. Astron.
Astrophys., 23, 295, 1975.
Развитие внеземных
цивилизации
Глава 18
Возможность обнаружить внеземную цивилизацию, с которой мы мог-
ли бы обмениваться информацией, поражает воображение еще сильнее,
чем перспектива открыть внеземную жизнь. Прежде чем рассматривать
эту поистине грандиозную возможность, введем определение: будем назы-
вать цивилизацией сообщество живых существ на определенной ступени раз-
вития, с самосознанием, способных на сложные взаимодействия и обмен
информацией, включающей знание, поэзию, музыку.
Хотя цивилизации, как и принадлежащие к ним разумные существа, мо-
гут быть весьма разнообразны, нам проще всего было бы установить кон-
такт с сообществами, относительно похожими на наше. В частности, мож-
но предположить, что мы скорее встретимся с цивилизацией, обладающей
любознательностью, желанием познать окружающий мир, чем с цивилиза-
цией, по тем или иным причинам не имеющей таких качеств.
При поисках иных цивилизаций четыре вопроса представляются наибо-
лее существенными:
1. Сколько существует цивилизаций?
2. Какова продолжительность их существования?
3. Как велико стремление к контактам?
4. Как происходит общение?
Нужно попытаться ответить на эти вопросы как можно точнее, чтобы
оценить трудность установления контакта. Тогда легче будет решить,
стоит ли тратить усилия в надежде получить заманчивую, хотя и неизвест-
ную награду.
Такую предварительную работу должна проделать любая цивилизация,
которая столкнется с вопросом о том, сколько времени и энергии придется
затратить на поиски возможных соседей. Однако наша цивилизация, по-
видимому, относится к разряду самых юных во Вселенной, поскольку че-
ловек существует лишь несколько миллионов лет, а радиосвязь появилась
всего 70 лет назад. С другой стороны, не исключено, что существуют циви-
лизации, возникшие не тысячи или миллионы, а миллиарды лет назад. Ес-
25-485
386
Глава 18
ли они еще не исчезли, то в своем развитии они, несомненно, настолько
опередили нас, что сегодня мы едва ли сможем постичь их способности
и идеи.
Сколько существует цивилизаций?
Во всех наших рассуждениях о других обитаемых планетах и других ци-
вилизациях мы вынуждены полагаться на единственный пример такой пла-
неты-нашу Землю. Если бы удалось узнать «адрес» хотя бы одной вне-
земной цивилизации, это позволило бы сделать гигантский шаг вперед
в решении вопроса о том, являются ли земные условия типичным приме-
ром условий в других планетных системах. Два примера предоставляют
гораздо больше возможностей, чем единственный, возможно, уникальный
случай. Так, до открытия Америки европейцы воображали странные и раз-
нообразные расы человекоподобных в различных областях Земли. Но, ког-
да они обнаружили, что в Америке живут такие же люди, вывод о сущест-
вовании единой человеческой расы стал гораздо более убедительным.
До сих пор мы на Земле остаемся в доколумбовом неведении о наших
соседях в других планетных системах, и у нас нет убедительных свиде-
тельств того, что наша цивилизация не уйикальна. Но, изучая различные
факторы, которые способны повлиять на развитие цивилизации, мы скоро
приходим к выводу, что в нашей Галактике могло бы существовать много
цивилизаций. Их число и расстояние от нас до ближайшей цивилизации за-
висят от истинных значений факторов, которые определяют, разовьется
или нет цивилизация около данной звезды. Поскольку от числа цивилиза-
ций зависит, какие усилия придется затратить на обнаружение одной из
них, попытаемся оценить как их число, так и надежность такой оценки.
При оценке числа цивилизаций в нашей Галактике (а позднее и во всей
наблюдаемой Вселенной) следует учесть все факторы, влияющие на ре-
зультат. Чтобы проиллюстрировать, в чем основная трудность такой оцен-
ки, рассмотрим сначала задачу, более близкую к нашему повседневному
опыту,-поиски идеального ресторана.
Поиски идеального ресторана
Подсчитаем, сколько в США ресторанов, отвечающих нашему вкусу.
Идеальные качества нашего ресторана определяются сочетанием многих
факторов. Во-первых, он должен располагаться близко к дому или к месту
работы. Во-вторых, его интерьер должен соответствовать нашему вкусу
в зависимости от того, любим ли мы старинную мебель красного дерева
с зеркалами или предпочитаем модерн. В-третьих, должен быть хороший
обслуживающий персонал. В-четвертых, блюда и их приготовление долж-
Развитие внеземных цивилизаций
387
ны быть нам по вкусу. В-пятых, цены должны быть нам по карману.
В-шестых, ресторан должен иметь удобные для нас часы работы.
Теперь подсчитаем, сколько приемлемых для нас ресторанов может
оказаться в США. Сначала определим общее число больших городов, по-
скольку опыт показывает, что в маленьких городах не так много рестора-
нов, чтобы среди них можно было найти соответствующий нашему вкусу.
В США около 5000 городов с числом жителей более 5000. Это число нуж-
но умножить на долю городов, которые имеют рестораны, так как в неко-
торых городах закон запрещает обычные рестораны, но разрешает клубы.
Примем эту долю равной 0,99.
А сколько в среднем ресторанов в одном городе? Тщательное исследо-
вание авторов показало, что их примерно две сотни. Разумеется, крупные
города имеют значительно больше ресторанов, а небольшие-гораздо
меньше. Если умножить число городов, имеющих рестораны, на среднее
число ресторанов в городе, то мы найдем общее число ресторанов в горо-
дах США. Это число, хотя и представляет интерес, но ничего не говорит
о числе идеальных ресторанов. Нужно сначала учесть удобство расположе-
ния; эта доля может составлять 0,05. Далее примем, что доля ресторанов
с подходящим интерьером, вероятно, 0,1, а среди них половина (т.е. 0,5)
имеет подходящий персонал.
Осталось еще три этапа в нашем поиске. Во-первых, оценим долю рес-
торанов, которые имеют соответствующую нашему вкусу кухню, скажем
0,2. Теперь оценим, какая часть из них имеет подходящие цены; пусть она
равна 0,1. Наконец, допустим, что доля ресторанов с удобным временем
работы высока и равна 0,9.
Чтобы получить число идеальных, с нашей точки зрения, ресторанов
в США нужно перемножить все эти оценки.
Если записать всю эту процедуру в виде одного выражения, то найдем
Число \ / Число \ /Доля городов \ / Число \
идеальных I = I городов I х I с ресторанами I х I ресторанов I х
ресторанов/ у / у / у в городе /
I Доля удобно \ [ Доля с \ (Доля \
х I расположенных I х I подходящим I х I с хорошим I х
уресторанов / у интерьером / уобслуживанием/
(Доля \ / Доля \ / Доля
с хорошей I х I с подходящими I х I с удобными
кухней / уценами / учасами работы
388
Глава 18
Подставляя численные значения, находим
Число идеальных ресторанов =
= 5000 х 0,99 х 200 х 0,05 х 0,1 х 0,5 х 0,2 х 0,1 х 0,9 = 44,55.
Результирующее число 44,55 идеального ресторана напоминает нам
о некоторых основных свойствах подобных оценок. Во-первых, конечный
результат неизбежно содержит какую-то погрешность; во-вторых, резуль-
тат зависит от произведения различных сомножителей, причем некоторые
из них основаны просто на разумных предположениях. Если какой-либо из
множителей содержит значительную ошибку, то соответствующую ошибку
будет содержать и произведение.
Итак, число идеальных ресторанов в США, вероятно, близко к 45, но
мы не удивимся, если оно окажется равным 50 или даже 20 или 100. На-
пример, если доля ресторанов с хорошей кухней равна 0,02, а не 0,2, то
число идеальных ресторанов будет 4,5, а не 45. Такой же анализ поможет
нам оценить число цивилизаций в Галактике.
Число цивилизации
Чтобы оценить число цивилизаций, нужно перемножить несколько ве-
личин как при оценке числа идеальных ресторанов. Поиски цивилизаций
начнем с числа звезд в нашей Галактике, которое умножим на долю звезд,
существующих достаточно долго, чтобы около них могла развиться жизнь.
Затем умножим результат на среднее число планет у звезды и получим
полное число планет в Галактике, обращающихся вокруг звезд, которые
существуют достаточно долго для развития жизни. Это число надо умно-
жить на долю планет с благоприятными условиями для жизни, а затем на
долю тех планет, на которых жизнь смогла развиться. Мы получим число
планет в Галактике, на которых в какой-то момент времени предположи-
тельно существует жизнь. Это число следует умножить на долю оби-
таемых планет, на которых развиваются разумные формы жизни. Послед-
ний сомножитель-это отношение длительности временного интервала,
в течение которого цивилизация имеет как способность, так и желание
установить контакт с другими цивилизациями в Галактике, к полному
времени жизни Галактики.
Основное выражение для оценки числа цивилизаций в Галактике в на-
стоящее время, с которыми мы можем установить контакт, приобретает
вид
Развитие внеземных цивилизаций
389
Число способных к контактам
цивилизаций в Галактике
в настоящее время
Число звезд \
в Галактике I х
Доля звезд,
существую- х
щих доста-
точно дол-
го для воз-
никновения
жизни
I Среднее число | [ Доля планет, пригодных j
I планет около звезды / I для жизни /
/ Доля планет, на \ / Доля планет, на которых \
х I которых существует I х I возникли разумные цивилизации I х
\ жизнь / \ /
(Время жизни цивилизации, обладающей \ . / Время
способностью и желанием установить контакт I • I жизни
/ \ Галактики
Астрономы называют это выражение формулой Дрейка. Предыдущие
главы книги помогут нам оценить сомножители, входящие в формулу
Дрейка. При переходе от первых сомножителей к последним оценки стано-
вятся все менее надежными, и, наконец, совершенно неизвестными. Напри-
мер, мы полагаем, что число звезд в Галактике-около 400 млрд-известно
с точностью до коэффициента 2. Это далеко не идеальная оценка, но она
гораздо точнее, скажем, нашей оценки доли обитаемых планет, на которых
развились разумные цивилизации. Здесь мы вынуждены полагаться только
на свою интуицию, а также на выводы, которые можно извлечь из предпо-
ложений о развитий нашей цивилизации. Наконец, переходя к последнему
члену формулы Дрейка, мы сталкиваемся с огромными трудностями при
оценке интервала времени, в течение которого цивилизация сохраняет спо-
собность и желание к контактам. Тем не менее эта формула настолько
важна, что мы должны попытаться подставить в нее как можно более
точные значения сомножителей, чтобы оценить число существующих в на-
стоящее время цивилизаций, с которыми мы надеемся установить контакт.
Прежде всего мы мало сомневаемся в оценке числа звезд в нашей Га-
лактике (гл. 3). В гл. 5 и 6 мы рассмотрели эволюцию звезд и показали,
что не менее половины звезд, а может быть, и больше, живут дольше
5 млрд, лет, необходимых, по нашему мнению, для развития разумной
жизни. Поэтому для второго члена в формуле Дрейка примем значение
0,5.
Среднее число планет на звезду не известно, но если исходить из при-
390
Глава 18
мера Солнечной системы (что разумно, потому что Солнце, по-видимому,
является типичной звездой), то это число примерно равно 10 (в Солнечной
системе 9).
Следующий сомножитель, т.е. долю планет с условиями, пригодными
для жизни, можно отчасти оценить по исследованиям Солнечной системы,
в той мере, в какой можно считать ее типичной планетной системой. В ней
одна планета-Земля-прекрасно приспособлена для жизни, а другая —
Марс-почти пригодна или даже пригодна для жизни. Из обсуждения
в гл. 17 следует, что по осторожным оценкам каждая четвертая планетная
система имеет планету с условиями, пригодными для жизни. Это означает,
что если планетные системы в среднем насчитывают 10 планет, то одна
планета из 40 имеет условия, благоприятные для возникновения жизни.
Мы также оценили в гл. 10 и 17, что доля планет, пригодных для жиз-
ни, на которых жизнь действительно развивается, близка к единице, но,
следуя нашим осторожным оценкам, примем для этого члена значение 0,5,
рискуя получить заниженное в 2 раза число обитаемых планет.
Какова продолжительность
существования цивилизации?
Следующий сомножитель в формуле Дрейка-доля населенных планет,
на которых развивается разумная жизнь. И вновь если исходить из един-
ственного известного примера такой планеты, т.е. нашей Земли, то надо
подставить единицу, но мы и здесь проявим осторожность и подставим
0,5. Наконец, нужно рассмотреть продолжительность жизни цивилизации
после того, как она приобретает способность и желание к контактам.
При оценке этого последнего члена мы встречаемся с почти непреодо-
лимой трудностью. Наша цивилизация приобрела способность направлять
послания через межзвездное пространство на протяжении жизни несколь-
ких последних поколений. Какими способами это осуществляется, мы об-
судим в гл. 20. Мы еще не проявили сильного желания к контактам, пото-
му что было отправлено лишь несколько таких посланий (с. 449). Самый
важный вопрос: как долго будет существовать наша цивилизация, сохра-
няя способность и интерес к контактам с другими цивилизациями в Галак-
тике,-остается без ответа, ибо мы не можем заглянуть в будущее. По-
скольку эта величина играет решающую роль в определении числа
цивилизаций, которые можно надеяться найти в Галактике при условии,
что время жизни нашей цивилизации соответствует среднему значению,
оставим эту величину в формуле Дрейка неизвестной и просто обозначим
ее буквой L.
Если теперь подставить в формулу численные значения и принять, что
продолжительность жизни нашей Галактики составляет примерно
Развитие внеземных цивилизаций
391
10 млрд, лет, то получим следующий результат:
Число цивилизаций в Галактике =
= 400-109 х 0,5 х 10 х 0,025 х 0,5 х 0,5 х L/1O10.
Следует иметь в виду, что величина L измеряется в годах, так же как
и продолжительность жизни Галактики.
При подстановке численных значений большие числа сократятся. После
деления первого члена (400 Ю9) на член, стоящий в знаменателе (10 -109),
получаем 40. Большинство остальных членов в формуле довольно близко
к единице, что имеет важное значение, так как почти каждый из них выра-
жает долю планет или звезд с каким-либо свойством, важным для
установления межзвездной связи. Если бы некоторые из этих членов соста-
вляли ничтожную долю единицы, например 0,0001, а не 0,5, то конечный
результат был бы много меньше, чем в случае, когда члены близки к еди-
нице. Аналогичным образом наши поиски идеального ресторана сильно
усложнились бы, если бы, например, доля ресторанов с хорошим обслужи-
ванием оказалась равной не 0,5, а 0,0001.
Перемножив все члены в формуле, получим, что число цивилизаций
в Галактике в настоящее время, способных к межзвездным контактам
и желающих их, равно 1,25L, где L- измеряемое в годах время жизни циви-
лизации после того, как она приобрела способность и желание к контак-
там с другими цивилизациями. С учетом неопределенности членов, входя-
щих в формулу, можно утверждать, что по нашим оценкам число
цивилизаций в Галактике в настоящее время, способных и желающих уста-
новить контакт, равно времени жизни таких цивилизаций, измеренному
в годах.
В табл. 18.1 приведены наши значения величин, входящих в формулу
Дрейка, и их значения, предложенные Саганом в 1974 г. Видно, что, хотя
оценки Сагана отличаются от наших, конечный результат примерно такой
же: число цивилизаций в Галактике в настоящее время примерно равно из-
меренному в годах среднему времени жизни цивилизации, способной и же-
лающей установить контакт.
Короче говоря, почти все определяется именно временем жизни циви-
лизации. Если земная цивилизация является типичной и если она угаснет,
скажем, через 100 лет после создания радиометодов межзвездной связи, то
L будет равно 100 годам, а число цивилизаций в Галактике в настоящее
время или в любой другой момент времени будет около 100, т.е. шансы
найти друг друга очень малы. С другой стороны, если цивилизации, до-
стигнув нашего уровня технологического развития, открыли способы под-
держивать свое существование бесконечно долго, то L может быть равно
примерно 2, 3 или.5 млрд, лет, т.е. среднему времени жизни для подходя-
щих звезд нашей Галактики. Тогда число цивилизаций, существующих
в настоящее время в Галактике и способных к общению друг с другом,
392
Глава 18
Таблица 18.1
Оценки вероятностных факторов, определяющих число цивилизаций
в нашей Галактике в любой заданный момент времени
Оценка Са- гана (1974) Наша луч- шая оценка Наиболее Наиболее благоприягг- неблагопри-
ная оценка ятная оценка
Число звезд в Галактике 100-10’ 400-10’ 600 10’ 100 10’
Доля звезд с достаточно большим временем
жизни 1 0,5 1 0,025
Среднее число планет на звезду 10 10 20 4
Доля планет, пригодных для жизни 0,1 0,025 0,25 0,001
Доля планет, где жизнь действительно
возникла 1 0,5 1 0,001
Доля планет, на которых после возникнове-
ния жизни развиваются разумные формы 0,01 0,5 1 0,0000001
Отношение времени жизни цивилизации к
времени жизни Галактики L/1010 L/1010 L/10‘° L/1010
Произведение всех величин: число цивилиза-
ций в Галактике в настоящее время или в любой заданный момент времени 0,1 L 1,25 L 300 L L/1011
может составлять миллиарды. Вероятнее всего, истина лежит где-то посре-
дине. Если L равно, скажем, 1 млн. лет, то в Галактике сейчас должно су-
ществовать около миллиона цивилизаций, с которыми мы могли бы всту-
пить в контакт.
Не следует забывать, что это число относится только к нашей Галакти-
ке и что во Вселенной существуют миллиарды и миллиарды, если не бес-
конечное число галактик. Мы ограничились нашей Галактикой, поскольку
внутригалактические связи значительно проще, чем межгалактические, хо-
тя последние нельзя считать невозможными. Просто надо быть готовыми
к длительному ожиданию ответов на послания. Чтобы послание достигло
ближайших звезд в Галактике и был получен ответ, потребуется несколько
лет, а обмен радиопосланиями с наиболее удаленными звездами потребует
многих тысячелетий. Обмен посланиями с цивилизацией в туманности Ан-
дромеды требует почти 4 млн. лет, а с одной из галактик, входящих в скоп-
ление в созвездии Волосы Вероники, 250 млн. лет (рис. 18.1). Но для увле-
кательного контакта с внеземным разумом нам не обязателен диалог.
Прием послания от какой-либо цивилизации, которая погибла задолго до
того, как ее знания, поэзия или музыка достигнут Земли, произвел бы на
нас не менее сильное впечатление, чем труды Платона или музыка Баха.
Но, что бы мы ни думали о вероятности приема таких посланий, согласи-
тесь, что наши шансы на настоящий диалог будут гораздо выше, если мы
Рис. 18.1. Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники находится на расстоя-
нии 110 Мпс (360 млн. световых лет). Это скопление насчитывает около
тысячи галактик, которые содержат несколько сотен триллионов звезд,
так что в любой заданный момент времени в нем могут существовать
многие миллиарды цивилизаций.
ограничимся соседними цивилизациями в пределах нашей Галактики, чис-
ло которых, как мы только что убедились, может составлять от сотни до
нескольких миллиардов.
Как велико стремление
цивилизации к контактам?
Мы составили некоторое представление о числе цивилизаций, возмож-
но существующих в Галактике, и о важности оценки их времени жизни,
чтобы это представление было хоть сколько-нибудь близко к истине. А что
можно сказать о стремлении цивилизаций к контактам? Хотят ли, к при-
меру, люди общаться с другими цивилизациями? И да и нет; одни хотят,
а другие нет.
394
Глава 18
Если среднее время жизни цивилизации, способной к межзвездной свя-
зи, значительно превышает 70 лет, то нашу цивилизацию нельзя считать
типичным примером. Основная часть срока жизни цивилизации может не
соответствовать первой вспышке технического прогресса на Земле; внезем-
ная цивилизация может проводить долгое время, наслаждаясь жизнью
и обсуждая вопрос, следует ли искать другие цивилизации.
Основные качества, благоприятствующие межзвездным контактам, это
любознательность (стремление больше узнать об окружающем мире), об-
щительность (желание говорить и слушать) и, если так можно выразиться,
«разумный эгоизм» (надежда приобрести «ценную информацию»). Доба-
вим к этому более туманное желание попробовать просто потому, что это
доступно. Аргументами против межзвездных контактов являются страх
(опасение, что враждебные инопланетяне могут поработить нас или унич-
тожить физически или вследствие шокового состояния, в которое мы мо-
жем впасть, узнав, кто они), инертность (мнение, что не стоит тратить
силы на осуществление такого проекта) и первоочередные задачи, тре-
бующие затрат времени и ресурсов, так что их может не хватить
на все.
Любознательность и общительность, по-видимому, те черты человече-
ского характера, благодаря которым человеческое сообщество существует
и играет доминирующую роль на Земле. Страх и инертность, хотя они
всегда живут в нас, неоднократно терпели поражение, сталкиваясь с теми
положительными чертами характера, которые способствуют прогрессу че-
ловечества. По-видимому, мы не слишком погрешим против истины, за-
ключив, что «преуспевающие» цивилизации на других планетах должны
обладать в основном теми же качествами, чтобы продвигаться вперед. Ес-
ли бы любознательность не пересиливала чувство страха, то вряд ли мы
теперь устремляли бы взоры в ночное небо и размышляли о том, благора-
зумно ли вступать в контакты с иными цивилизациями, которые, вероятно,
прошли в основных чертах тот же путь развития.
Одни цивилизации попытаются установить связь с инопланетянами,
другие нет. Разумеется, среднее время, которое цивилизация посвятит уста-
новлению контактов, может оказаться значительно короче среднего време-
ни, в течение которого она будет способна к контактам. Может случиться,
что большинство цивилизаций, способных к длительному существованию,
свернут свои антенны и направят усилия на решение внутренних проблем.
Не исключено, что лишь те цивилизации, которые не ищут контактов, спо-
собны существовать долго. Тогда величина L, играющая ключевую
роль в формуле Дрейка, окажется значительно меньше, чём можно было
бы надеяться.
С другой стороны, даже цивилизация, не заинтересованная в контакте,
может выдать свое существование из-за «утечки» радиосигналов в космос,
что имеет место на Земле в настоящее время (с. 442). Тогда ее «коммуни-
Развитие внеземных цивилизиций
395
кативное» время жизни увеличится. Наконец, на интересную возможность
указал фон Хорнер: цивилизация, которая установит контакт с другой, бо-
лее развитой, увеличит свои шансы на долговременное существование, вос-
пользовавшись опытом открытого ею общества. Эта «положительная
обратная связь» увеличит значение L,
Мы ответили, насколько это было в наших силах, на первые три вопро-
са из перечисленных на с. 385: сколько существует цивилизаций; какова
продолжительность их существования; как велико их стремление к контак-
там? Мы убедились, что ответ на первый вопрос непосредственно зависит
от ответа на второй, а чтобы лучше ответить на третий вопрос, мы просто
не будем учитывать цивилизации, которые не желают вступать в контакт.
Если заметная доля всех существующих цивилизаций проявляет интерес
к контактам, тогда, согласно лучшей оценке, число таких цивилизаций
в Галактике в настоящее время равно продолжительности их жизни, выра-
женному в годах.
Наименее благоприятный случай, также включенный в табл. 18.1, со-
вершенно произволен. (Читатель может предложить еще менее благо-
приятные случаи.) Мы предположили, что подходящими являются только
звезды спектрального класса G, очень похожие на Солнце, а также умень-
шили среднее число планет и долю планет, пригодных для жизни. Но
самые значительные изменения связаны с предположением о том, что ве-
роятность возникновения жизни чрезвычайно мала, а вероятность разви-
тия разумной жизни, способной к межзвездным контактам, еще меньше.
Если наши цифры верны (а у нас нет способа проверить это), то в наиме-
нее благоприятном случае в любой заданный момент времени в Галактике
(насчитывающей 4 1011 звезд) могли бы существовать всего четыре циви-
лизации, да и то лишь в том случае, если их среднее время жизни равно
времени жизни самой Галактики! По причинам, которые обсуждались
в предыдущих частях книги, мы не считаем такую ситуацию вероятной. Но
различные оценки числа технологически развитых цивилизаций пригодятся
нам при ответе на последний из наших четырех вопросов.
Методы межзвездных контактов
Чтобы рассмотреть возможные способы межзвездных контактов, во-
спользуемся оценкой числа цивилизаций в Галактике и определим, на ка-
ких расстояниях друг от друга они находятся. Чтобы оценить средние рас-
стояния между цивилизациями, подсчитаем долю всех звезд в Галактике,
вблизи которых могут быть в настоящее время цивилизации, стремящиеся
к установлению контактов. Среднее расстояние между звездами мы знаем
довольно хорошо, поэтому по известной доле «разговорчивых» звезд мож-
но определить искомое расстояние.
Итак, на каком расстоянии от нас находится ближайшая цивилизация,
396
Глава 18
Рис. 18.Х В сфере вокруг Солнца радиусом 20 пс насчитывается около 4000 звезд.
Сфера в 10 раз большего радиуса (200 пс) будет содержать примерно
в 1000 раз больше звезд.
с которой мы могли бы установить связь? Поскольку среднее расстояние
между звездами в той области Галактики, где расположено Солнце, при-
мерно 2 пс, сфера радиусом 20 пс, в центре которой находится Солнце,
имеет объем ЗЗООО пс3 и в ней насчитывается около 4000 звезд (рис. 18.2).
Сфера вокруг Солнца радиусом 200 пс имеет в 1000 раз больший объем
и содержит около 4 106 звезд, или 0,00001 всех звезд Галактики. При еще
больших расстояниях от Солнца нам пришлось бы учесть то, что звезды
в нашей Галактике распределены неравномерно по всем направлениям
(рис. 18.3).
Предположим теперь, что среднее время жизни цивилизации равно
20000 лет, т.е. в нашей Галактике имеется 20000 цивилизаций. Тогда число
звезд в Галактике в 20 млн. раз больше числа цивилизаций, так что лишь
одна звезда из 20 млн. может иметь в настоящее время способную к кон-
тактам цивилизацию на одной из своих планет. Если цивилизации распре-
делены по Галактике случайным образом, то, чтобы обнаружить ближай-
шую из них, нужно исследовать около 20 млн. ближайших звезд. Для
этого потребовалось бы пронаблюдать все звезды в радиусе 350 пс от
Солнца, т.е. примерно в пределах одной сотой диаметра Галактики.
Если же большинство цивилизаций существует 20 млн. лет, то в Галак-
тике сейчас должно быть 20 млн. цивилизаций. Тогда одна звезда из 20000
будет иметь цивилизацию на своей планете и для обнаружения ближайшей
Развитие внеземных цивилизации
Рис. 18.3. Галактика имеет диаметр около 30000 пс при толщине лишь 1000 пс.
Около 1% (4 млрд.) всех звезд Галактики лежит в радиусе 5000 пс от
Солнца, большинство звезд сосредоточено вблизи центра Галактики,
преимущественно в радиусе 5000 пс от центра.
цивилизации нам придется изучить лишь 20000 ближайших звезд в радиу-
се 35 пс. (Отметим, между прочим, что даже время жизни цивилизации,
равное 20 млн. лет, лишь немного больше 0,001 продолжительности жизни
большинства звезд главной последовательности.) Если учесть, что интен-
сивность любого радио- или телевизионного сигнала уменьшается пропор-
ционально квадрату расстояния, то ясно, что для обнаружения цивилиза-
ции, находящейся в 10 раз ближе к нам, потребуется в 100 раз меньшая
мощность для посылки обнаружимого сигнала в том или ином направле-
нии. К сожалению, мы просто не в состоянии точно оценить число цивили-
заций, а значит, и расстояние до ближайшей из них, пока не определим
среднее время жизни других цивилизаций, обнаружив их или перехватив их
радиосигналы.
При оценке расстояния до ближайшей цивилизации следует обратить
внимание еще на одно обстоятельство. Если средняя продолжительность
жизни цивилизации окажется относительно короткой, скажем лишь 1000
лет, то число цивилизаций в Галактике будет всего около тысячи, а сред-
нее расстояние между ними возрастет. Если лишь тысяча звезд, т.е. одна
звезда на 400 млн., имеет цивилизации на своих планетах, то придется ис-
следовать 400 млн. звезд, чтобы найти ближайшую цивилизацию, а это
уведет нас на расстояние 1500 пс (4900 световых лет) от Солнца. Но тогда
время распространения послания между соседними цивилизациями в сред-
нем превышает продолжительность жизни цивилизаций, так что двусто-
ронняя связь становится невозможной. Как впервые отметил Дрейк,
в этом случае большинство цивилизаций исчезло бы к моменту прихода
ответного сигнала даже от ближайшего соседа. Предельная средняя про-
должительность жизни цивилизации, при которой возможен взаимный об-
мен посланиями, составляет около 3500 лет. При таком времени жизни со-
седние цивилизации должны находиться на расстоянии около 630 пс (2000
398
Глава 18
Рис. 18.4. Соотношение между средним временем жизни L способной к контактам
цивилизации и числом цивилизаций в Галактике в данный момент вре-
мени N. Графики построены для трех случаев: N = L (т.е. число цивили-
заций в нашей Галактике равно времени жизни средней цивилизации, из-
меренному в годах), N = 300L и N = L/108. Штриховыми линиями
показано возможное число двусторонних сообщений для различных си-
туаций, определяемых приведенными t зависимостями.
световых лет) друг от друга. Если среднее время жизни меньше 3500 лет,
то невозможен никакой обмен посланиями даже с ближайшей цивилиза-
цией, прежде чем она исчезнет. Если же среднее время жизни цивилизаций
Развитие внеземных цивилизации
399
превышает 3500 лет, то расстояние до ближайшей из них менее 630 пс,
и значит, несколько, а если повезет, то и много посланий можно передать
и получить ответ, прежде чем один из корреспондентов потеряет инте-
рес к контактам.
Наши расчеты основаны на оптимальной оценке числа цивилизаций
в Галактике, которое мы приняли равным времени жизни цивилизации (в
годах). В менее благоприятных случаях цивилизации в любой момент
времени будут разделены большими расстояниями, в более благоприятных
случаях средние расстояния между соседними цивилизациями будут не так
велики. На рис. 18.4 показана зависимость числа цивилизаций N в нашей
Галактике от среднего времени жизни цивилизации. Сплошными линиями
показаны зависимости для случаев N = L (когда число цивилизаций в Га-
лактике равно их среднему времени жизни), а также для двух экстре-
мальных случаев: наиболее благоприятного, когда N = 300L, и неблаго-
приятного, когда N = L/108.
Штриховые линии на рис. 18.4, пересекающие сплошные, показывают
число двусторонних сообщений, возможное при данном сочетании рас-
стояния и продолжительности жизни и той или иной зависимости N от L.
Допустим, например, что N = L. Тогда, если L= 100000 лет, среднее рас-
стояние между соседними цивилизациями составит около 200 пс (650 све-
товых лет), и две соседние цивилизации смогут за время своего существо-
вания обменяться примерно сотней посланий.
На рис. 18.4 даны графически оптимальные ответы на четыре вопроса:
сколько существует цивилизаций? Сколько времени они живут? Как велик
их интерес к контактам? Как можно вступить в контакт с ними?
Заметим, что ответы относятся к настоящему моменту времени, если
считать его типичным. Но наша Галактика имеет конечный срок жизни
(около 10 млрд, лет) и с увеличением ее возраста должно расти число пла-
нет, на которых впервые появляются цивилизации. Этот рост приводит
к усложнению формулы Дрейка по сравнению с рассмотренным на с. 389
случаем, так как нам пришлось бы учесть, что возраст многих звезд недо-
статочен, чтобы вблизи них могли развиться разумные цивилизации.
А как велико время жизни L? Сколько времени пройдет, прежде чем
средняя цивилизация исчезнет «с лица Галактики»? Хотя никто не знает
ответа на этот вопрос, можно пофантазировать о путях развития цивили-
зации, достигшей той же стадии, что и человечество.
Дальнейшее развитие
цивилизаций земного типа
Наши рассуждения о цивилизациях, значительно более развитых, чем
земная, не могут быть очень точными, поскольку мы вынуждены экстрапо-
лировать свой нынешний опыт на неизвестное будущее. Но мы можем
400
Глава 18
в рассуждениях о грядущем прогрессе предсказывать лишь ближайшие пер-
спективы. Человечество может избежать самоистребления в ядерной вой-
не и пройти в своем развитии ряд циклов, которые завершаться созда-
нием стабильного общества. При этом не исключено, что первый контакт
с иной цивилизацией может продлить время жизни нашей цивилизации, по-
скольку ее члены будут более интенсивно и рационально использовать
свои способности. Можно также предвидеть некоторые неизбежные огра-
ничения, которые физические законы накладывают на развитие лю-
бого общества. Например, можно утверждать, что цивилизация, ка-
кого бы технологического уровня она ни достигла, не способна построить
космический аппарат, способный двигаться быстрее света. Но вполне воз-
можно, что в еще неизвестных нам областях физики мы встретимся с рас-
ширением сферы действия физических законов и придем к совершенно
новым идеям, которые сейчас трудно предвидеть.
Прогнозы, высказываемые относительно взаимодействия человечества
с остальной частью Солнечной системы, чаще всего состоят в том, что оно
будет использовать окружающее космическое пространство в основном
тем же способом, который практиковался на Земле. Иными словами, мы
попытаемся добывать полезные ископаемые, строить жилые дома, учреж-
дения и стадионы, производить различные изделия на благо людям и путе-
шествовать. Короче говоря, мы будем осваивать космос.
Страстный последователь идеи заселения космоса О’Нейл из Прин-
стонского университета возглавляет исследовательские группы, которые
предсказывают, что через 40 лет после постройки первых сооружений насе-
ление космических поселений достигнет нескольких миллиардов человек.
О’Нейл утверждает, что пришло время начинать и что через десятилетие
материалы, добытые на Луне, с помощью ускорителей будут транспорти-
роваться в межпланетное пространство и использоваться для постройки
платформ на расстоянии, равном радиусу лунной орбиты, которые станут
первыми космическими поселениями (рис. 18.5). Предпочтение, отдаваемое
Луне, а не Земле, связано с тем, что для перемещения массы с поверхности
Луны в космическое пространство требуется лишь 5% энергии, необходи-
мой для доставки той же массы с поверхности Земли, так как сила тяжести
на Луне значительно меньше, чем на Земле*.
Поскольку в лунных породах содержится много кислорода, кремния,
магния, алюминия, железа и меди, О’Нейл не видит больших трудностей
в извлечении из них полезных элементов (причем отходы можно будет ис-
пользовать для защиты от ультрафиолетового излучения и космических
лучей) и затем в постройке цилиндрических сооружений длиной в несколь-
* Сила тяжести на поверхности Луны в шесть раз меньше, чем на поверхности
Земли. Отношение энергий, необходимых, чтобы покинуть Луну и Землю, еще
больше: для выхода в космос с поверхности Луны требуется затратить в 22 раза
меньше энергии, чем с Земли.
Рис. 18.5. Физик О’Нейл предложил использовать Луну в качестве сырьевой базы
и транспортировать вещество в космическое пространство для сооруже-
ния цилиндрических космических поселений, снабженных зеркалами, ко-
торые отражали бы солнечный свет внутрь цилиндра. Каждая станция
могла бы иметь диаметр несколько километров и длину несколько де-
сятков километров.
ко километров и диаметром в полкилометра. Космические цилиндры мо-
гли бы вращаться, чтобы имитировать силу тяжести (рис. 18.6); население
каждой станции могло бы составлять несколько тысяч человек. Население
последующих модификаций космических цилиндров, которые были бы
в 10 раз длиннее и шире, могло бы достигать миллиона жителей, которые
использовали бы солнечную энергию и вещество, добытое на Луне, для
удовлетворения своих нужд.
26-485
402
Глава 18
Рис. 18.6. Внутри космических поселений с каждой полосы «суши» высоко в «небе»
были бы видны две такие же полосы, с каждой из которых открывался
бы похожий вид. Вращение станции вокруг продольной оси имитирова-
ло бы действие гравитации благодаря центробежной силе.
Даже в ближайших окрестностях системы Земля-Луна достаточно ме-
ста для тысяч космических поселений с миллиардами жителей, которые
могли бы прожить всю жизнь на такой космической станции. О’Нейл
предполагает, что первоначальной целью этих поселений будет постройка
опять-таки из лунных материалов гигантских космических гелиостанций
для преобразования энергии солнечного света в микроволновое излучение
Развитие внеземных цивилизаций
403
и направления его на Землю для удовлетворения потребностей в энергии.
Эти гелиостанции будут выводиться на синхронные орбиты вокруг Земли
на высоте 36000 км над земной поверхностью (рис. 18.7). У объектов, на-
ходящихся на таком расстоянии от Земли, скорость обращения вокруг
Земли совпадает со скоростью ее вращения, поэтому если направление их
движения по орбитам совпадает с направлением вращения Земли, то эти
объекты будут оставаться неподвижными для наблюдателя на земной
поверхности.
В рамках темы нашей книги основной вопрос, возникающий при рас-
смотрении предложений О’Нейла, сводится к анализу поведения типичной
цивилизации. Мы не знаем, является ли наша цивилизация типичной. Бу-
дет ли большинство цивилизаций заселять космическое пространство во-
круг своих родных планет? И как долго будет продолжаться такая колони-
зация космоса?
Столкнувшись еще раз с вопросами, на которые невозможно ответить,
ученые сформулировали некоторые определения и сделали предсказания,
исходя из известных законов физики. Предположим, что какая-то цивили-
зация, в самом деле, начала строить одно космическое поселение за дру-
гим, так что в конце концов большая часть населения, если не все оно,
переселилась с родной планеты в космические жилища. Что могло бы за-
ставить их сделать это?
Прежде всего жизнью в космических поселениях легче было бы упра-
Рис. 18.7. На расстоянии около 42 000 км от центра Земли объект будет совершать
один оборот вокруг Земли ровно за 24 часа. Если поместить такой
объект на орбите над земным экватором, то при совпадении направле-
ний его движения и вращения Земли, объект будет казаться непо-
движным для наблюдателя на вращающейся планете. На такие синх-
ронные орбиты запускаются сейчас метеорологические спутники для
непрерывного фотографирования Земли. Они могли бы также служить
опорными орбитами для спутников, преобразующих солнечную энергию
в микроволновое излучение и направляющих ее к приемным станциям
на Земле.
26*
404
Глава 18
Рис. 18.8. Возможно, будущее общество на Земле или какое-то более развитое об-
щество в другом месте вознамерится использовать все излучение своего
светила. С этой целью можно заполнить всю сферу вокруг Солнца
в пределах орбиты Земли космическими поселениями или иными пло-
щадками, собирающими солнечное излучение. (Все поселения могли бы
двигаться по околосолнечным орбитам, но так как орбиты не обладали
бы долговременной устойчивостью, время от времени приходилось бы
корректировать их с помощью специальных ракетных двигателей.) По-
скольку Земля перехватывает около 10 " 9 доли энергии, выделяемой Со-
лнцем, ясно, что для улавливания всей солнечной энергии потребовался
бы миллиард поселений с тем же поперечным сечением, что и у Земли.
влять, чем жизнью на планете. В космическом поселении можно, по край-
ней мере теоретически, создать климат, атмосферу и общую обстановку,
наиболее желательные и благоприятные для его жителей. Да-
лее, в космосе гораздо больше пространства для жизни, чем на поверхно-
сти планеты. Мы живем на наружной оболочке Земли и можем проник-
нуть вглубь лишь на несколько километров (при радиусе Земли 6400 км).
Если бы можно было распределить вещество планеты, подобной Земле, по
своему желанию, то этого вещества хватило бы не на несколько тысяч или
несколько миллионов космических поселений, а на триллионы и трил-
лионы. Эти поселения распределились бы вокруг Солнца, обеспечив макси-
мально возможное использование его излучения (рис. 18.8). Земля на своей
орбите перехватывает лишь около одной миллиардной доли солнечной
энергии*. Иными словами, потребовалось бы разместить вокруг Солнца
* Даже эта одна миллиардная доля полной энергии излучения Солнца превы-
шает наши современные энергетические потребности примерно в 10000 раз. Следо-
вательно, если бы удалось преобразовать солнечную энергию в более «пригодные»
ее формы с разумными затратами, мы навсегда избавились бы от энергетического
кризиса.
Развитие внеземных цивилизации
405
миллиард планет, подобных Земле, чтобы уловить всю солнечную энер-
гию. Хотя у нас нет. миллиарда планет, но можно построить космические
поселения, которые улавливали бы всю световую и тепловую энергию, из-
лучаемую Солнцем. В этих космических поселениях могло бы проживать,
по крайней мере теоретически, население, в миллиард раз превышающее
нынешнее население Земли,-4 миллиарда миллиардов (4 1018) человек, ис-
пользующих солнечную энергию, чтобы выращивать урожаи, приводить
в действие машины и наслаждаться жизнью!
Эти идеи об освоении космического пространства перекликаются
с идеей другого физика из Принстонского университета, Дайсона. Дайсон
предположил, что развитая цивилизация пожелает употребить вещество
одной из планет своей системы на то, чтобы окружить свою звезду обо-
лочкой и более полно использовать ее энергию. В этом случае цивилиза-
ция может остаться малочисленной и ограничиться своей родной плане-
той, но в ее распоряжении окажется колоссальное количество энергии.
Если бы цивилизации развивались в соответствии с предположениями
О’Нейла или Дайсона, то нам не удалось бы наблюдать их центральные
звезды. Вместо звезд мы бы зарегистрировали инфракрасное излучение от
окружающих их оболочек вещества. Если космические поселения или ка-
кие-либо коллекторы излучения улавливают энергию звезды и таким обра-
зом поддерживают температуру своей среды обитания выше абсолютного
нуля, скажем на уровне 300 К, характерном для поверхности Земли, то они
должны испускать инфракрасное излучение. Можно надеяться зарегистри-
ровать такие цивилизации по их инфракрасному излучению, но дело в том,
что легко спутать это излучение с излучением рождающейся звезды, когда
звездный «эмбрион»-протозвезда-медленно разогревается при сжатии
и испускает инфракрасное излучение (с. 124).
Таким образом, трудно рассчитывать на обнаружение цивилизации, ко-
торая окружила свою родную звезду коконом из космических поселений,
если только не удастся перехватить ее радиосигналы (гл. 20). Астрономы
называют цивилизации, которые используют всю энергию своей звезды,
цивилизациями типа II. Эта классификация, предложенная советским
астрономом Н.С. Кардашовым, относит к типу I цивилизации, которые,
подобно нашей, знают основные законы физики, могут попытаться устано-
вить межзвездную связь, но еще не окружили свою звезду сетью космиче-
ских поселений, построенных для использования всей энергии излучения
звезды. Такая цивилизация, например наша, может использовать в секунду
одну триллионную долю энергии, испускаемой ее родной звездой. Следо-
вательно, если классифицировать цивилизации по потребляемой ими энер-
гии, то уровень цивилизаций типа I в триллион раз ниже, чем цивилизаций
типа II.
Цивилизация типа III использует в секунду в триллион раз больше
энергии, чем цивилизация типа II. Фантастично? Только с нашей точки
406
Глава 18
зрения. Кардашов вводит тип III, к которому относит цивилизации, не
просто соорудившие оболочку вокруг своей звезды, но использующие в ка-
честве источника энергии звезды всей галактики. Поскольку гигантская га-
лактика может содержать почти триллион звезд, цивилизации типа III на-
столько же превосходят по уровню развития цивилизации типа II,
насколько последние превосходят цивилизации типа I. Как мы увидим
в гл. 19, межзвездные путешествия сопряжены с большими трудностями,
но не невозможны, если забыть о тысячах или миллионах лет, необхо-
димых для таких путешествий. Наша цивилизация, относящаяся к типу I,
не видит крайней необходимости в затратах на межзвездные полеты, но
цивилизация типа II, как следует проанализировав проблему, могла бы ре-
шиться на то, чтобы потратить около миллиарда лет на освоение всей
галактики.
Наша Галактика не содержит цивилизаций типа III, если только мы не
находимся в одном из отдаленных ее уголков, который будет последним
втянут в сферу их влияния. ♦ Невозможно точно оценить число цивилиза-
ций типа II в Галактике. С точки зрения потребления энергии цивилизация
типа II настолько же превосходит цивилизацию типа I, насколько наша
цивилизация (типа I) превосходит пчелиный ррй. Поскольку цивилизации
типа II потребовалось бы довольно длительное время-по меньшей мере
несколько тысяч лет-для создания оболочки вокруг своей родной звезды,
можно заключить с некоторой долей уверенности, что лишь достаточно
стабильные цивилизации пройдут путь развития от типа I к типу II.
И вновь нам не хватает знаний-на этот раз о среднем времени жизни
цивилизации, достигшей уровня типа I. Если ее среднее время жизни, ска-
жем, меньше 500 лет, то можно ожидать, что в нашей Галактике немного
цивилизаций типа II. С другой стороны, если среднее время жизни значи-
тельно больше нескольких тысяч лет, то создаются условия для эволюции
многих цивилизаций от типа I к типу II. Но каковы намерения цивилиза-
ций типа II и какие приборы они применяют для межзвездной связи?
Мы не узнаем этого, пока не установим контакт с одной из них. Можно
с уверенностью сказать, что любая цивилизация типа II будет жить доль-
ше, чем наша; возможно, что цивилизации типа II в нашей Галактике уста-
новили двустороннюю связь друг с другом. Может быть, они выработали
огбщую политику по отношению к желающим вступить в галактическое со-
общество и постановили не принимать новых членов.
* В нашей Галактике наблюдениям доступны сотни миллиардов звезд, и мы не
наблюдаем ничего «исключительного», из чего следует, что здесь нет цивилизации
типа III «в чистом виде». Но нельзя исключить вероятность того, что на каждую
видимую звезду в Галактике приходится другая звезда, окруженная коконом, ко-
торый построила для улавливания энергии развивающаяся цивилизация, прошед-
шая значительную часть пути к типу III.
Развитие внеземных цивилизаций
407
Но не будем заранее огорчаться из-за такого воображаемого поведения
развитых цивилизаций и попытаемся ответить на четвертый вопрос: как
осуществляется межзвездная связь? Возможным ответам на него посвяще-
на вся следующая глава, несмотря на то что такая связь пока не
обнаружена.
Выводы
Пытаясь оценить число цивилизаций, с которыми можно было бы уста-
новить контакт, мы сталкиваемся с трудно преодолимой проблемой, кото-
рую нельзя решить путем нереальных догадок. Если ограничиться оценкой
числа цивилизаций, способных к контактам, в нашей Галактике в настоя-
щее время, можно вывести формулу, в которой это число определяется как
произведение семи основных членов.
Первый член в этой формуле-число звезд в Галактике, которое следует
умножить на долю звезд, существующих достаточно долго для развития
жизни около них. Умножив полученный результат на среднее число планет
около звезды, а затем на долю планет с условиями, пригодными для воз-
никновения жизни, получим число планет в Галактике с условиями, при-
годными для жизни, на орбитах вокруг звезд, которые существуют доста-
точно долго для развития жизни. Далее умножим результат на долю
планет, на которых жизнь действительно развилась на какой-то стадии
эволюции планеты, а затем на долю планет, на которых возникли спо-
собные к контактам цивилизации. Перемножение первых шести членов
дает число планет в Галактике, на которых в какой-то момент ее истории
появились разумные цивилизации. Чтобы найти число цивилизаций в Гаг
лактике в настоящее время, остается умножить результат на последний
член-отношение времени жизни цивилизации, обладающей способностью
и желанием установить контакт, к полному времени жизни Галактики.
В результате перемножения семи членов получцм оценку числа цивили-
заций в нашей Галактике в настоящее время, с которыми мы могли бы об-
мениваться посланиями. Если подставить оптимальные значения этих чле-
нов, то получим, что итог примерно равен L, где L- время жизни (в годах)
цивилизации, которая способна и желает вступить в контакт. Если L равно
106 лет, то можно ожидать, что сейчас в Галактике есть около миллиона
цивилизаций, способных к межзвездным контактам. Если же L равно всего
100 годам, то в любое заданное время существует лишь около сотни таких
цивилизаций.
Чем больше L, тем больше цивилизаций, а значит, меньше среднее рас-
стояние между соседними цивилизациями. Если L равно, скажем 3500 го-
дам, то соседние цивилизации отстоят друг от друга примерно на 630 пс.
При меньших значениях L большинство цивилизаций исчезнет прежде, чем
они успеют обменяться хотя бы одним посланием со своим ближайшим
408
Глава 18
соседом! С другой стороны, если L равно 20 млн. лет, то среднее расстоя-
ние между соседними цивилизациями составляет всего 35 пс и цивилиза-
ции могут обменяться тысячами посланий за миллионы лет одновремен-
ного существования. Какая из этих двух возможностей ближе к реальности
в нашей Галактике-вопрос, на который можно будет дать ответ только
после того, как будут обнаружены другие цивилизации.
Вопросы
1. Почему время жизни цивилизации прямо входит в оценку числа цивилиза-
ции, существующих в Галактике в настоящее время?
2. Почему ученые с большей уверенностью оценивают долю планет, на ко-
торых может возникнуть жизнь, чем среднюю продолжительность жизни цивилиза-
ции?
3. Почему нам нужно знать среднее расстояние между цивилизациями
в Галактике?
4. Если среднее время жизни цивилизации меньше 5000 лет, то нам, вероятно,
не удастся установить двустороннюю связь с другими цивилизациями. Почему?
5. С учетом приближения N = L, где N- число цивилизаций в Галактике в лю-
бой момент времени, a L- средняя продолжительность жизни цивилизации, подсчи-
тайте, сколькими двусторонними радиопосланиями могли бы обменяться соседние
цивилизации, если L= 108 лет (см. рис. 18.4)?
6. Почему звезда, около которой существует технологически развитая цивили-
зация, может стать совершенно невидимой? Как можно обнаружить такую
цивилизацию?
7. Какие цивилизации относятся к типу III? Что можно увидеть, наблюдая га-
лактику, в которой есть такая цивилизация?
8. В приближении N = L какой должна быть продолжительность жизни сред-
ней цивилизации, чтобы она успела обменяться минимум 10 посланиями с ближай-
шим соседом?
Литература
Asimov I. Extraterrestrial civilizations, Crown, New York, 1979.
Drake F. Intelligent life in space, Macmillan, New York, 1962.
Ponnamperuma C., Cameron A.G. W., eds. Interstellar communication: Scientific
perspectives, Houghton Mifflin, Boston, 1974.
Sagan C., ed. Communication with extraterrestrial intelligence, The M.I.T. Press
Cambridge Mass., 1973. [См. перевод в книге: Проблема CETI (Связь с вне-
земными цивилизациями).-М.: Мир, 1975.]
Sagan С., Shklovskii J. Intelligent life in the universe, Holden-Day, San Francisco, 1966.
Sullivan W. We are not alone. Rev. ed., McGraw-Hill Book Co., New York, 1966.
(Имеется перевод: Салливан У. Мы не одни.-М.: Мир, 1967.)
Глава 19
Методы контакта
Размышляя о встрече с живыми существами из других частей Вселен-
ной, люди исходили из своей интуиции и жизненного опыта, чтобы во-
образить какой будет реальная встреча лицом к лицу, встреча, которая мо-
жет закончиться дружбой или враждой. Однако из научного анализа
проблемы следует, что лучшим средством межзвездных контактов являет-
ся радиосвязь, а не космические полеты. Таким образом, можно предполо-
жить, что первый контакт с другими цивилизациями будет представлять
собой обмен телевизионными программами, а не прямое общение
в космосе.
Преимущества радио и телевидения
Почему космическое путешествие столь сложно, а радиосвязь столь
проста? Ответ заключается в проблеме разгона частиц, обладающих мас-
сой покоя, таких, как протоны, или материальных тел, таких, как космиче-
ские корабли, до достаточно больших скоростей. Частицы, не имеющие
массы покоя, т.е. фотоны, из которых состоит электромагнитное излуче-
ние, всегда движутся в вакууме со скоростью света, равной 299793 км/с.
Скорость света-это предельная скорость, которой может достичь любая
частица, значит, электромагнитные волны всегда распространяются в кос-
мическом пространстве с максимальной возможной скоростью.
Кроме того, генерация больших потоков радиоизлучения осуществляет-
ся дешево и просто. Чтобы отправить «радиограмму», скажем, длитель-
ностью 5 мин с Земли на Луну или с Луны на Землю, требуется 1 кило-
ватт-час электроэнергии, который стоит около 10 центов. Передатчики,
антенны и приемники, применяемые для передачи и приема радиосигна-
лов, стоят тысячи долларов, но все же во много раз дешевле, чем космиче-
ские аппараты. Для сравнения укажем, что постройка ракеты «Сатурн»,
способной доставить людей на Луну (рис. 19.1), стоила многие сотни мил-
лионов долларов плюс миллиарды долларов на системы обеспечения этих
полетов.
Для полетов к более далеким объектам, чем Луна, отношение стоимо-
410
Глава 19
Рис. 19.1. Космический корабль «Аполлон-11», запущенный к Луне с помощью
мощной ракеты «Сатурн-V».
стей пилотируемого космического корабля и простого радиопослания ста-
новится тем выше, чем больше расстояние и скорость космического кора-
бля. Радиоволны всегда распространяются со скоростью света, какое бы
расстояние ни предстояло им преодолеть. Космический корабль тоже бу-
дет двигаться с постоянной скоростью, но лишь после того, как мы разго-
ним его, что требует колоссального количества энергии. Путешествие
к другой звездной системе со скоростью, с которой летели космические ко-
рабли серии «Аполлон» к Луне, продолжалось бы десятки тысяч лет, а ра-
диоволны пройдут это расстояние всего за несколько лет. Если попытаться
уменьшить длительность полета космического корабля, увеличив его ско-
рость, то придется затратить гораздо больше энергии и построить значи-
тельно более сложный космический корабль, чем все предыдущие.
Методы контакта
411
Рассмотрим поэтому обмен посланиями с помощью радиоволн. Радио-
волны движутся в космическом пространстве со скоростью света, но ин-
тенсивность их пучка (энергия, проходящая через 1 см2 поверхности в 1 с)
уменьшается с увеличением расстояния. Из чисто геометрических сообра-
жений следует, что интенсивность излучения обратно пропорциональна
квадрату расстояния от точечного источника (рис. 19.2). Таким образом,
при увеличении расстояния в тысячу раз источник должен излучать каж-
дую секунду в 10002, т. е. в миллион раз больше энергии, чтобы обеспечить
сигнал той же интенсивности.
Чтобы генерировать более мощный поток радиоволн, требуется боль-
ше энергии, так что связь на все большие расстояния требует все больших
затрат энергии, причем стоимость энергетических затрат возрастает про-
порционально квадрату расстояния. Следовательно, связь на межзвездные
расстояния, которые в миллионы раз превышают расстояние Земля-Луна,
потребовала бы в триллионы раз больше энергии, если использовать ту же
аппаратуру и передавать послания того же типа, что и при связи с экипа-
жем космического корабля «Аполлон». Поскольку стоимость генерации
радиоволн возрастает до сотен миллиардов долларов, ясно, что нужно
уменьшать объем послания и применять значительно более чувстви-
тельные антенны, чтобы общаться с другими звездными системами. В сле-
Рис. 19.Х Интенсивность любого сигнала, переносимого электромагнитными вол-
нами, например радиосигнала, уменьшается в четыре раза при увеличе-
нии расстояния вдвое. На удвоенном расстоянии радиосигнал пересечет
поверхность в четыре раза большей площади.
412
Глава 19
дующей главе мы обсудим, какого типа антенны пригодны для межзвезд-
ной связи. Но, несомненно, что если обычная радиосвязь будет стоит!»
миллиарды долларов, то затраты на пилотируемый межзвездный полет
окажутся настолько колоссальными, что такое путешествие нереально, по
крайней мере, в обозримом будущем.
Межзвездные космические корабли
Итак, радиоволны могут переносить информацию значительно эффек-
тивнее, чем любой материальный объект. Мы осознаем это еще в детстве,
когда слушаем радио и смотрим телепередачи вместо того, чтобы дожи-
даться, пока специальный курьер или городской глашатай придет и объя-
вит новости. Тем не менее обычаи, оставленные нам предшествующими
поколениями, и в значительной степени собственный опыт говорят об осо-
бой важности личных встреч. Мы знаем, сколь велико их значение, когда,
например, встречаются друг с другом руководители государств, хотя
у них есть специальные линии радиотелефонной связи *. Сами усилия, за-
трачиваемые на организацию таких визитов, подчеркивают их значение.
Не потому ли на каждое сообщение о приеме странного, возможно, вне-
земного сигнала по радио или телевидению приходится много тысяч сооб-
щений о якобы имевших место посещениях Земли инопланетянами?
Но, поскольку людям свойственна жажда странствий, которая объяс-
няется любознательностью и общительностью, мы обсудим принцип
работы межзвездного космического корабля. Такой анализ важен не про-
сто потому, что мы хотим убедить себя в преимуществе электромагнитных
волн для осуществления наших намерений; изучение космического корабля
помогает понять физические принципы, которые, как мы полагаем, спра-
ведливы всюду во Вселенной; следовательно, эти принципы должны приве-
сти и другие цивилизации к подобным же выводам.
Итак, постараемся представить себе, как может выглядеть пригодный
для межзвездных путешествий космический корабль. Прежде всего нужно
учесть, что космические расстояния огромны. Достаточно вспомнить, что
расстояние от Солнца до ближайшей звезды в 100 млн. раз больше рас-
стояния от Земли до Луны. Если сравнить путешествие от Земли до Луны
(400000 км) с «прогулкой» от кухонного стола до холодильника, то расстоя-
ние до а Центавра придется сравнивать с расстоянием до Луны!
Нередко приходится слышать: «Сто лет назад никто и не помышлял,
что мы сможем строить летательные аппараты тяжелее воздуха и запу-
* Заметим, что публику не волнует, как часто главы государств пользуются этой
линией; всеобщий интерес вызывают именно официальные визиты и личные
встречи.
Рис. 19.3. Три американских астронавта жили на космическом корабле «Скайлэб»
около трех месяцев. Объем жилых помещений составлял 20 х 8 х 8 м3.
скать ракеты на Луну, значит, еще через сто лет мы полетим к звездам
с помощью средств, о которых пока и не мечтаем». Хотя пессимисты ред-
ко находят сочувствие, но такие предположения не выдерживают столкно-
вения с реальностью. Дело в том, что, хотя основы воздухоплавания и ме-
ханики реактивного движения изучались в течение столетий и многое было
достаточно хорошо понято, только создание требуемых двигателей пре-
вратило игрушки в полезные летательные аппараты. Подобно этому, меха-
ника космического полета в общих чертах начала закладываться 300 лет
назад и разработана в деталях за последние 60 лет, однако ситуация слож-
нее: даже если будет открыт некий новый чудесный источник энергии, это
не снимет ограничений, накладываемых биологическими потребностями че-
ловека и длительностью полета. Давайте рассмотрим эти ограничения
подробнее.
В научно-фантастических фильмах, например «Звездные войны», или
в телепередачах вроде «Межзвездные путешествия» обращают на себя вни-
мание основные особенности, о которых стоит поразмыслить. Прежде все-
го космические корабли должны быть гигантских размеров. Почему? Да
потому, что людям нужно место для жизни и работы и на корабле дол-
жны быть запасы топлива, продуктов питания и других необходимых ве-
щей. Орбитальная станция «Скайлэб» (рис. 19.3), на которой астронавты
жили и работали около трех месяцев, имела длину 25 м массу 80 т и
стартовую массу около 3000 т. Космический корабль «Энтерпрайз» из те-
414
Глава 19
лепередачи «Межзвездные путешествия» по меньшей мере в 20 раз длин-
нее и в тысячу раз массивнее, чем «Скайлэб». Хотя «Энтерпрайз» кажется
гигантом с точки зрения современной техники, легко показать на примере,
придуманном Перселлом, что этот корабль слишком мал для межзвезд-
ного путешествия!
Предположим, что космический корабль использует для движения энер-
гию аннигиляции вещества и антивещества. При этом вся масса покоя пре-
вращается в кинетическую энергию. Будем считать, что к.п.д. этого про-
цесса равен 100%. Сколько вещества и антивещества потребуется для
путешествия к другой звезде? Это довольно легко подсчитать, если допу-
стить, что космический корабль нужно разогнать до скорости, составляю-
щей 99% скорости света. При такой скорости на путешествие между сосед-
ними звездами потребуется несколько лет; при более низкой скорости
длительность путешествия, разумеется, увеличится*.
Для достижения скорости, равной 99% скорости света, с помощью ан-
нигиляции вещества и антивещества, нужно стартовать с массой, в 14 раз
превышающей массу, которая останется после достижения крейсерской ско-
рости. А чтобы сбавить скорость в конце путешествия, придется увеличить
стартовую массу еще в 14 раз. Таким образом, путешествие к звезде со
скоростью 0,99 скорости света потребует такой массы вещества и антиве-
щества, которая в 196 раз будет превышать массу полезного груза! Чтобы
вернуться домой, т. е. повторить путешествие в обратном направлении, по-
требуется еще масса горючего на старте, равная 196 массам полезного гру-
за при возвращении (рис. 19.4). Следовательно, если мы хотим совершить
путешествие в автономном космическом корабле к другой звезде, затормо-
зить там, а затем стартовать в обратном направлении и остановиться при
возвращении, нам потребуется масса горючего в виде вещества и антиве-
щества, которая в 196 х 196, т.е. почти в 40000 раз превышает массу по-
лезного груза-жилых помещений, центра управления и т.д. При полной
массе космического корабля всего 10000 т запас топлива должен
составлять 400 млн. т, половина которого будет приходиться на
долю антивещества! Такое количество топлива заполнит объем в куби-
ческий километр, т. е. много больший, чем полный объем космического ко-
рабля «Энтерпрайз».
Таким образом, аннигиляция вещества и антивещества-источник энер-
гии «Энтерпрайза»-имеет существенные недостатки, так как потребова-
лось бы фантастическое количество топлива. Но это самый лучший источ-
* При скорости, превышающей 99% скорости света, длительность путешествия
для наблюдателя, оставшегося на Земле, уменьшилась бы незначительно, хотя для
экипажа космического корабля путешествие заняло бы гораздо меньше времени (с.
418).
Методы контакта
415
Рис. 19.4. Чтобы совершить путешествие к ближайшей звезде и вернуться на Зем-
лю с субсветовой скоростью, космический корабль должен разгоняться
на двух участках пути и тормозиться на двух участках. Сначала нужно
достигнуть скорости, близкой к скорости света, затем снизить скорость
вблизи места назначения. После этого вновь разогнаться до скорости,
близкой к скорости света, на пути к Земле и, наконец, затормозиться,
чтобы совершить посадку на Землю.
ник энергии из всех возможных, хотя сегодня мы еще не умеем его
использовать. Однако настало время упомянуть другую трудность, кото-
рую вынуждены игнорировать писатели-фантасты: предстоит очень дли-
тельное путешествие, прежде чем удастся достичь чего-нибудь интересно-
го.
И в этом заключается вторая поразительная иллюзия: в кино- и теле-
космических полетах путешествие занимает очень мало времени. В дей-
ствительности межзвездные путешествия потребовали бы многих лет, если
не столетий. Можно выделить по крайней мере два типа воображаемых
межзвездных кораблей: способные летать к ближайшим звездам примерно
со скоростью лучших современных ракет и способные преодолевать меж-
звездные расстояния в десятки тысяч раз быстрее, т.е. со скоростями,
близкими к скорости света. В табл. 19.1 приведены расстояния, которые
можно покрыть за год с различными скоростями, и мы видим, что совре-
менный космический аппарат, например «Пионер-10», удаляется от Солнца
со скоростью, составляющей лишь ~ 1/30000 скорости света.
Если человечество решится, оно, вероятно, сможет построить меж-
звездный космический корабль первого типа, способный двигаться при-
мерно с такой скоростью, как у «Пионера», в следующем столетии. Тако-
му космическому кораблю потребуются десятки тысяч лет, чтобы достичь
ближайшей к Солнцу звезды. Поэтому сторонники таких полетов могут
встретиться с серьезными трудностями, стараясь убедить других в их целе-
сообразности. Ибо кого из ныне живущих заинтересует перспектива полу-
чить информацию о другой цивилизации через сто поколений? Но лишь
такой тип полетов технически осуществим в обозримом будущем. Если
пришлось бы выбирать между затратами средств на поиск внеземных сиг-
416
Глава 19
Таблица 19.1
Расстояния, проходимые за год светом и различными объектами, обладающими
массой покоя
Движущийся объект и его скорость Расстояние, покрываемое за 1 год, км .За сколько лет объект преодолеет расстояние, которое свет проходит за 1 год
Человек (0,0003 км/с) 10000 1000000000
Автомобиль (0,03 км/с) 1000000 10000000
Реактивный самолет (1,2 км/с) 38 000000 263 000
«Пионер-10» (10 км/с) Космический корабль с термо- ядерным двигателем 320000000 30000
(3 000 км/с) 100000000000 100
Фотоны (300000 км/с) 10000000000000 1
налов сейчас или на отправку космического экипажа, который вернется,
скажем, через 200000 лет, то лишь огромное пристрастие к таким путеше-
ствиям могло бы заставить отдать предпочтение второму варианту.*
Как мы уже отмечали, при современном уровне развития техники нель-
зя планировать создание космического корабля, способного двигаться со
скоростью, сколько-нибудь близкой к скорости света. Но, только двигаясь
с субсветовой скоростью, можно надеяться преодолеть межзвездные рас-
стояния за десятки лет. Желание хотя бы вообразить такой космический
корабль так велико (по крайней мере, когда речь идет о путешествии чело-
века к звездам), что мы на мгновение представим себе, что нам удалось
построить корабль, способный двигаться почти со скоростью света. Тогда
его экипаж смог бы воспользоваться преимуществом путешествий со
столь огромной скоростью: для экипажа корабля, движущегося в космиче-
ском пространстве с субсветовой скоростью, течение времени замедлилось
бы.
Замедление времени
Теория относительности предсказывает замедление течения времени
у движущихся тел, и этот эффект наблюдается в ускорителях, где физики
ежедневно разгоняют элементарные частицы до скоростей, близких к ско-
рости света (рис. 19.5). Но как может замедлиться течение времени? И как
узнать, какой объект движется с большой скоростью? Разве все скорости
* Чтобы осознать значение такого интервала времени, попробуйте вообразить
интересы ваших предков 200000 лет назад!
Рис. 19.5. Стэнфордский линейный ускоритель проходит под шоссе в Менло-IIпр
ке, шт. Калифорния. Каждый день физики разгоняют с помощью тнч<»
ускорителя заряженные частицы, главным образом электроны и про
тоны, до скоростей, превышающих 99% скорости света.
не относительны? Ответы на эти вопросы имеют прямое отношение к про-
блеме космических путешествий с высокими скоростями.
Прежде всего как может замедлиться течение времени? Мы измеряем
время различными способами: по периоду колебаний маятника часов, по
периоду оборота Земли вокруг своей оси или вокруг Солнца или по про-
должительности человеческой жизни. Все эти секунды, сутки, годы плп
продолжительность жизни связаны друг с другом постоянными соотноше-
ниями; например, невисокосный год состоит из 31536000 секунд. Какие бы
единицы времени мы ни использовали на Земле, мы все же полагаем, ч ю
измеряем одно и то же время и что двое идентичных часов будут идти со-
вершенно одинаково, даже если одни из них находятся в Сан-Франциско,
а другие в Риме.
Однако Эйнштейн предсказал, а эксперименты подтвердили, что часы
будут идти одинаково, лишь если они неподвижны относительно друг дру-
га. Если же поместить часы в Риме на борт реактивного самолета, летяще-
го со скоростью 1000 км/ч, то наблюдатель в Сан-Франциско мог бы
в принципе обнаружить, что движущиеся часы идут чуть-чуть медленнее,
чем неподвижные.
Для скоростей много меньше скорости света, например для скорое i и
27-485
418
Глава 19
1000 км/ч, эффект не поддается измерению, так как он составляет лишь
ничтожную долю процента. Но для скоростей, близких к скорости света,
т.е. к 300000 км/с, замедление времени оказывается весьма заметным.
Часы, которые проносятся мимо наблюдателя со скоростью, составляю-
щей 99% скорости света, будут идти в 7 раз медленнее, чем неподвижные
часы*. Замедление времени будет иметь место независимо от типа часов:
механические, атомные или «биологические»-поэтому мы должны заклю-
чить, что течение времени в движущейся системе отсчета действительно за-
медляется по сравнению с течением времени в системе, неподвижной отно-
сительно наблюдателя.
Но теперь мы приходим к парадоксу: как можно утверждать, какие
часы «неподвижны», а какие «движутся»? Не относительны ли все движе-
ния? Ответ на этот вопрос гласит: да, все движения относительны, когда
речь идет об инерциальных системах отсчета (т.е. движущихся прямоли-
нейно и равномерно). Но при изменении скорости или направления движе-
ния или того и другого вместе система перестает быть инерциальной, по-
этому движущиеся часы будут отставать. Детальный анализ эффекта
замедления времени, а также экспериментальные результаты показывают,
что для частиц, разогнанных почти до скорости света, время течет медлен-
нее, чем если бы они оставались в состоянии покоя. Можно заключить, что
человек, который путешествует на космическом корабле со скоростью,
близкой к скорости света, и затем возвращается на Землю (т.е. описывает
замкнутую траекторию), состарится за время путешествия меньше, чем
тот, кто остался дома. Это замедление времени тем больше, чем ближе
скорость к скорости света 300000 км/с. Таким образом, если астронавт со-
вершит путешествие к а Центавра (на расстоянии 4,3 светового года от
нас) со скоростью, составляющей 95% скорости света, и вернется с той же
скоростью, он постареет на 3 года, а люди на Земле за время его путеше-
ствия станут старше на 9 лет. Если астронавт на своем космическом кора-
бле будет мчаться со скоростью, равной 99% скорости света, то по расче-
там людей на Земле путешествие займет 8,7 года, но для астронавта
пройдет один год и три месяца! При скорости, которая еще ближе к ско-
рости света, скажем 99,999999% скорости света, путешествие на расстояние
10000 световых лет (3000 пс) для людей, оставшихся на Земле, продлится
10000 лет, а для тех, кто совершает это путешествие, всего один год.
В табл. 19.2 приведены расстояния, которые преодолел бы космический
* Если г-скорость движущихся часов, а с-скорость света, то алгебраическое
выражение для замедления времени имеет вид:
Время, протекшее в неподвижной системе =
= Время, протекшее в движущейся системе/[1 - (»/с)2]‘/2.
Методы контакта
419
Длительность путешествия туда и обратно с ускорением 1g* Таблица 19.2
Время, протекшее на бор- ту космического корабля, годы Время, протекшее на Зем- Максимальное прой- Самый далекий объект, которого можно достиг- нуть
ле, годы денное расстояние, пс
1 1 0,018 Кометы
10 24 3 Сириус
20 270 42 Гиады
30 3100 480 Туманность Ориона
40 36 000 5 400 Шаровое звездное скопление
50 420000 64000 Большое Магелла- ново Облако
60 5000000 760000 Туманность Анд- ромеды
* В соответствии с примерим фон Хорнера рассматривается космический i корабль, разгон и торможение
которого происходит с ускорением ig, т.е. с ускорением силы тяжести на поверхности Земли.
корабль за различные интервалы времени, если бы он мог двигаться уско-
ренно, все ближе и ближе приближаясь к скорости света.
Трудности полета
с субсветовыми скоростями
Кажется очевидным, что космический полет со скоростями, близкими
к скорости света, будет чрезвычайно выгоден, если только удастся приду-
мать способ его осуществления. Попробуем подойти к проблеме с другой
стороны. Часть трудностей, с которыми мы сталкиваемся при путешествии
в межзвездной ракете, связана с необходимостью нести на борту не только
полезный груз, но и запасы топлива. Буссард предложил рассмотреть меж-
звездный прямоточный реактивный двигатель, который мог бы собирать
межзвездный газ на своем пути с помощью магнитной ловушки с входной
площадью в сотни квадратных километров. Этот газ затем мог бы слу-
жить топливом для термоядерного двигателя, работающего на тех же ре-
акциях, которые обеспечивают энергию Солнца и звезд. Как говорилось
в гл. 4, межзвездный газ состоит главным образом из атомов и молекул
водорода с примесью гелия (число его атомов около 10% числа атомов во-
дорода) и следами всех других элементов (всего около 1%). Средняя плот-
ность вещества в межзвездном пространстве невероятно мала: 10"24 г/см3,
т.е. около 1 атома в каждом кубическом сантиметре межзвездной среды.
Столь низкую плотность вещества можно наглядно проиллюстрировать,
поместив один теннисный мяч на территории штата Миссури *. Тем не ме-
* Территория, равная по площади, например, Киргизской ССР -Прим. ред.
27*
420
Гласа
нее этот невероятно разреженный межзвездный газ мог бы служить как
потенциальным топливом для межзвездного космического корабля, так
и почти несомненным препятствием к движению со скоростью, близкой
к скорости света.
Следуя Буссарду, ничего не стоит вообразить (но не построить!) реак-
тивный космический корабль, способный собирать атомы и молекулы во-
дорода с гигантской площади при движении в межзвездном пространстве
(рис. 19.6). Нужно также позаботиться об источнике энергии для поддержа-
ния магнитного поля, собирающего частицы. Это увеличило бы энергию,
расходуемую на движение космического корабля. В настоящее время у нас
нет технических возможностей для осуществления обеих этих задач, но да-
же если бы мы и могли их решить, то это еще не все. Дело в том, что по
мере увеличения скорости космического корабля встречные частицы меж-
звездного вещества становились бы все более и более опасными, так что
в конце концов дальнейшее увеличение скорости стало бы невозможным.
Рис. 19.6. Можно представить себе реактивный межзвездный корабль, приспособ-
ленный для сбора межзвездных атомов, молекул и частиц пыли и ис-
пользования их в качестве ракетного топлива. Такую систему называют
«двигателем Буссарда» в честь предложившего ее ученого. Однако по
мере приближения скорости корабля к скорости света встречные частицы
будут для него равноценны пулям с всевозрастающей энергией.
Методы к-гд"чт’ста 421
Почему? Та же теория относительности, которая предсказывает замед-
ление времени при высоких скоростях, предсказывает, что кинетическая
энергия частицы резко возрастает с увеличением ее скорости. Мы знаем из
повседневного опыта, что чем быстрее движется тело, тем больше его ки-
нетическая энергия. При скоростях много меньше скорости света кинетиче-
ская энергия частицы пропорциональна произведению ее массы на квадрат
скорости. Так, например, автомобиль, движущийся со скоростью
100 км/час, имеет в 16 раз большую кинетическую энергию, чем автомо-
биль, движущийся со скоростью 25 км/ч, поэтому столкновения при более
высоких скоростях чреваты гораздо более серьезными последствиями.
Эйнштейн показал, что у частиц, движущихся со скоростью, близкой к ско-
рости света, этот простой закон уже не выполняется и кинетическая энер-
гия частиц растет значительно быстрее, чем при малых скоростях. У ча-
стицы, движущейся со скоростью, равной 99,9% скорости света, кинетиче-
ская энергия в 3,2 раза выше, чем у частицы, скорость которой равна 99%
скорости света. При 99,99% скорости света кинетическая энергия частицы
возрастает еще в 3,2 раза. Чтобы двигаться точно со скоростью света, лю-
бая частица, имеющая массу покоя, должна обладать бесконечно большой
кинетической энергией. Это одна из причин, препятствующая любой части-
це с массой покоя достичь скорости света.
Рассмотрим следствия этого колоссального возрастания кинетической
энергии. Прежде всего, чтобы разогнать космический корабль до субсвето-
вой скорости, нужно снабдить его колоссальным количеством энергии. От-
сюда необходимость в генерации столь гигантских энергий, что использо-
вание обычного топлива, запасы которого космический корабль должен
нести с собой, невозможно. Поэтому мы и возлагаем надежды на меж-
звездный водород в качестве ракетного топлива.
Однако независимо от типа двигателя мы сталкиваемся с еще одной,
серьезной проблемой при попытке путешествовать с субсветовой ско-
ростью. По мере того как корабль разгоняется, столкновения с меж-
звездными частицами становятся все более и более опасными. Относитель-
но космического корабля эти частицы теперь приближаются к нему
с субсветовыми скоростями. Таким образом, в системе отсчета, связанной
с космическим кораблем, каждый атом, молекула, а тем более крошечная
пылинка обладают чрезвычайно большой кинетической энергией, если пы-
линки приближаются к кораблю, скажем, со скоростью, равной 99,99% ско-
рости света. Эти крошечные пылинки, среди которых должен двигаться ко-
рабль и которые он пытается собрать, чтобы использовать в качестве
топлива, приобретают энергию пуль и снарядов. Если корабль должен за-
тратить значительную долю энергии для предотвращения столкновений
с этими «снарядами» (именно, так они воспринимались бы экипажем кора-
бля), то для работы двигателей останется меньше энергии. По мере при-
422
Глава 19
ближения к скорости света возрастает вероятность того, что какая-либо из
встречных частиц пронзит корабль насквозь и повредит его.
Это означает, что предполагаемые максимальные скорости будущих
космических кораблей могут оказаться практически недостижимыми из-за
отсутствия двигателей или из-за опасности путешествия в межзвездной
среде со скоростью, лишь на доли процента отличающейся от скорости
света. Когда-нибудь люди, возможно, смогут бороздить межзвездные
просторы со скоростью, составляющей 99% скорости света, так что в путе-
шествии, которое длилось 100 лет, экипаж постареет лишь на 14 лет и вер-
нется в мир, принадлежащий уже его правнукам, но вряд ли когда-ни-
будь удастся достичь скорости, равной, скажем, 99,999999% скорости света,
которая позволила бы посетить большую часть Галактики в течение чело-
веческой жизни.
Не забывая об этих перспективах на будущее, напомним, что макси-
мальная скорость, достигнутая до сих пор космическим кораблем, по-
строенным людьми, составляет не 99% и даже не 0,9% скорости света,
а всего 0,005%. Как бы ни велики были наши достижения в течение послед-
них нескольких столетий, нельзя слишком доверять прогнозам на будущее,
согласно которым через несколько столетий можно будет путешествовать
в 20000 раз быстрее. Пока у нас нет способа добиться этого. Кроме того,
по иронии судьбы теория относительности, благодаря которой путеше-
ствие со скоростью, близкой к скорости света, весьма выгодно (вследствие
эффекта замедления времени), одновременно делает межзвездную среду
очень опасной для путешествий с такой скоростью, способной осыпать
космический корабль «градом пуль».
Автоматические межзвездные зонды
Космический аппарат «Пионер-10», стартовавший в 1972 г. с Земли,
пролетел вблизи Юпитера и в 1979 г., двигаясь со скоростью примерно
10 км/с (36000 км/ч), находился от нас на расстоянии около 2,3 млрд, км,
т.е. почти на таком же расстоянии от Солнца, как планета Уран (рис. 19.7).
Он будет продолжать полет с примерно постоянной скоростью (относи-
тельно Солнца) до тех пор, пока не подойдет близко к источнику гравита-
ции, например к звезде. Если бы этой звездой была а Центавра, ближай-
шая к Солнцу звезда, то встреча произошла бы через 100000 лет.
Однако траектория «Пионера-10» направлена не к а Центавра, а
в точку вблизи границы между созвездиями Тельца и Ориона. Следова-
тельно, встреча со звездой может произойти не раньше чем через 100000
лет, а фактически гораздо позже, если учесть, как редко расположены
звезды. «Пионер-10» не имеет системы наведения, он может наткнуться на
другую звездную систему лишь случайно, причем вероятность того, что он
подойдет близко к другой звезде, скажем, на протяжении 1 млрд, лет, бе-
Методы контакта
423
Рис. 19.7. Космический аппарат «Пионер-10», запущенный в 1972 г., пересек орбиту
Урана, расположенную в 19 раз дальше от Солнца, чем Земля. Однако
при скорости 10 км/с ему потребуется 100000 лет, чтобы пройти расстоя-
ние до а Центавра.
Солнце
Орбита Плутона
сконечно мала. Расчеты показывают, что этот космический корабль, кото-
рому требуется 100000 лет для преодоления среднего расстояния между
звездами, должен пролететь в 100 триллионов раз большее расстояние,
чтобы наткнуться на планетную систему, подобную нашей. Но такое путе-
шествие займет 10 млрд, миллиардов лет, почти в миллиард раз больше
возраста Вселенной! Этот колоссальный срок ожидания или попросту ис-
чезающе малая вероятность того, что «Пионер-10» когда-нибудь встретит
другую планетную систему (не говоря уже о планете с разумной жизнью),
напоминает нам, во-первых, что космос в основном пуст и, во-вторых, что
изображение на пластинке с посланием на борту «Пионера-10», по-видимо-
му, будет неизбежно стерто межзвездной пылью прежде, чем ее найдет ги-
потетическая цивилизация. Точно так же анодированные золотом медные
диски с записями звуков и изображений Земли на космических кораблях
«Вояджер» (с. 360) будут блуждать по Галактике без особых шансов, что
какие-то разумные существа смогут когда-нибудь восторгаться ими.
И все же тем самым начаты попытки установления межзвездной связи.
Пластинка на «Пионере-10» представляет собой первую попытку человече-
ства отправить с помощью ракеты межзвездное послание, которое может
быть получено другой цивилизацией. Если уж идея контактов начала осу-
ществляться, то нужно постараться придумать более совершенные спо-
собы. Поскольку послания на «Пионере» и «Вояджерах» имеют исчезающе
малые шансы достичь цели, может показаться, что глупо посылать беспи-
лотные космические аппараты, в надежде, что они в конце концов попадут
к другой цивилизации. Однако более тщательное рассмотрение показы-
вает, что целевой космический аппарат, например космический зонд, ко-
торый излучал бы радиосигналы, проходя вблизи звезд, выполнил бы эту
424
Глава 19
задачу лучше, чем аппараты, запущенные до сих пор. Брейсуэлл предполо-
жил, что сложные автоматические корабли-разведчики такого типа могли
бы широко использоваться развитыми цивилизациями для регулярных ис-
следований нашей Галактики. Не исключено даже, что один или несколько
таких автоматических межзвездных зондов находятся сейчас в нашей Сол-
нечной системе, затерявшись среди астероидов или медленно обходя во-
круг Солнца за пределами орбиты Юпитера.
Автоматический космический зонд с посланием на борту, запущенный
с Земли сейчас, мог бы достичь окрестностей а Центавра примерно через
100000 лет. Подобные зонды можно было бы направить с относительно
небольшими затратами и к другим ближайшим звездам, подобным Солн-
цу*. Эти космические зонды в самом сложном варианте должны иметь на
борту радиоприемник и передатчик. Приемник мог бы зарегистрировать
любые радио- или телевизионные послания, переданные цивилизацией
вблизи другой звезды; небольшой компьютер на борту космического зон-
да способен проанализировать любое радиоизлучение и определить, носит
оно случайный характер или имеет признаки кода. Если космический ко-
рабль зарегистрирует радио- и телевизионные сигналы от цивилизации, он
передаст предварительно записанное послание на той же или близкой ча-
стоте, что и принятые сигналы.** Это совпадение частот увеличило бы
шансы, что сигнал космического корабля будет принят местными прием-
никами и проанализирован.
Хотя основная цель автоматических зондов-просто объявить, что мы
существуем, даже небольшой зонд мог бы передать послание, содержащее
несколько миллиардов битов информации, что достаточно для передачи
всей информации, заключенной, например, в «Британской энциклопедии».
С учетом трудности обучения другой цивилизации нашему способу обмена
информацией, современные технические достижения позволяют передать
почти все, что написано о Земле, с помощью довольно небольшого авто-
матического зонда в ближайшем будущем.
С посланием на борту такой космический зонд был бы, конечно, лишь
носителем первичного сообщения, если говорить о двусторонней связи. Но
любая цивилизация, достигшая такого же уровня развития, как наша, мо-
гла бы послать в обратном направлении другой автоматический зонд, воз-
можно даже точную копию нашего зонда, поэтому не исключено, что кон-
* При массовом производстве таких зондов и ракет запуск одного зонда, по
умеренным оценкам, обходился бы в 100 млн. долларов, так что, истратив столько
же, сколько на полет человека на Луну, мы могли бы послать к другим звездам не-
сколько сотен автоматических «курьеров».
♦* В США предложено использовать часть времени в этом предварительно за-
писанном послании для передач рекламы, чтобы финансировать посылку автомати-
ческого зонда.
Методы контакта
425
такт ограничится разовым обменом посланиями. Основным недостатком
такой схемы остается длительное время полета-сотни тысяч лет к бли-
жайшим звездам, миллионы или десятки миллионов лет до более уда-
ленных объектов. Следовательно, обмен информацией будет протекать, по
крайней мере вначале, чрезвычайно медленно. Послания, переданные по
радио, могут распространяться в десятки тысяч раз быстрее, во столько же
раз уменьшится длительность их «доставки».
Конечно, только первое послание будет идти так долго. Позднее, точно
зная направление, мы могли бы передавать информацию с помощью элек-
тромагнитного излучения, что уменьшит время распространения информа-
ции туда и обратно до десятков или сотен лет. Автоматические зонды
с посланием на борту целесообразны как одноразовый эксперимент (по от-
ношению к исследуемой звезде). По сравнению с радиопосланиями зонды
обходятся дороже, но зато обладают преимуществами благодаря своей це-
ленаправленности. Действительно, радиоволны рассеиваются при своем
распространении, так что необходимо резко увеличивать мощность излуче-
ния, чтобы достичь все более далеких звезд и планет. Если же запустить
автоматический зонд за пределы Солнечной системы, то на любом рас-
стоянии от Земли заложенная в нем способность к активному действию
будет сохраняться неизменной. Если он приблизится к другой звезде, то
солнечные батареи (точнее батареи, работающие на энергии звездного из-
лучения) выработают энергию, необходимую для функционирования его
приемника, передатчика и компьютера.
Если выбрать этот путь, то можно было бы запускать каждую неделю
по одному такому зонду без особого ущерба для бюджета. Причина, по
которой мы не делаем этого, несмотря на стремление установить контакт
с другими цивилизациями, заключается главным образом в невообрази-
мой длительности полета. Немногие из нас всерьез поддержат идею
посылки космических связных, которые передадут сообщения лишь через
миллионы лет. Межзвездная связь находит отклик в нашем сознании, ког-
да мы надеемся, что сами получим результат; усилия по установлению
контактов, которые могут окупиться через десять тысяч или пятьдесят ты-
сяч поколений, можно спокойно предоставить нашим потомкам.
Но кто же тогда положит начало? Ответ на эту головоломку состоит
в возможности регистрации радиосигналов, не предназначенных для меж-
звездной связи. Или же мы сможем обнаружить, что другие цивилизации,
менее робкие, лучше организованные и более надежно защищенные, чем
наша, выполнили тот же анализ, но пришли к положительному выводу.
Итак, вообразим, что однажды вечером наши телевизоры примут таин-
ственные сигналы, вовсе не предусмотренные программой, и мы в течение
полутора часов будем зрителями поистине фантастического спектакля.
Тогда мы, вероятно, признаем, что автоматические «связные» действитель-
но имеют смысл.
426
Глава 19
Выводы
Хотя многие считают, что межзвездные путешествия скоро станут ре-
альностью, анализ с учетом законов физики показывает, что в обозримом
будущем межзвездный космический полет остается невероятно сложным,
если не невозможным. Космические корабли, созданные людьми до на-
стоящего времени, движутся со скоростью, составляющей примерно
1/30000 скорости света, поэтому даже полет к ближайшей звезде займет
100000 лет. Чтобы двигаться быстрее, нужно найти новые способы разгона
корабля до более высоких скоростей; это в свою очередь требует колос-
сальных количеств топлива, даже в случае, если мы научимся использовать
аннигиляцию вещества и антивещества с к.п.д. = 100%.
Если бы удалось каким-то образом построить космический корабль,
способный двигаться с субсветовой скоростью, благодаря эффекту замед-
ления времени, открытому Эйнштейном, космические путешественники
старели бы медленнее, чем их собратья, оставшиеся на Земле. Дело в том,
что время течет медленнее для тех, кто движется с субсветовой скоростью,
чем для ожидающих их возвращения. Однако теория относительности
предсказывает также, что при скоростях, близких к скорости света, каждая
крошечная частица межзвездных газа или пыли превращается для косми-
ческого корабля и тех, кто в нем находится, в снаряд огромной энергии.
Следовательно, придется придумать способ, как избежать столкновения
с этими снарядами, что дополнительно усложняет создание источника
энергии для разгона межзвездного корабля до околосветовых скоростей.
Фотоны не имеют массы покоя и поэтому всегда движутся со ско-
ростью света, т.е. быстрее любой частицы с массой покоя. Генерация ра-
диоволн не требует больших затрат, и даже при относительно небольших
расстояниях на Земле использование радиоволн оказывается гораздо удоб-
нее для передачи посланий, чем обычная почта. Если вспомнить о гигант-
ских расстояниях между соседними цивилизациями, то легко понять, что
фотоны обладают колоссальным преимуществом перед космическим кора-
блем, собранным с помощью «болтов и гаек». Приятно хотя бы мысленно
самому совершить межзвездное путешествие, но законы физики с учетом
огромных расстояний между цивилизациями говорят в пользу радиоволн
как лучшего средства межзвездной связи. Если этот вывод справедлив, то
остается попытаться понять, какие межзвездные послания проносятся
мимо нас в данный момент и как присоединиться к сети межзвездной свя-
зи, если мы поставим перед собой эту задачу.
Вопросы
1. Почему радиоволны представляются значительно более удобными для меж-
звездной связи, чем космические корабли?
Методы контакта
427
2. Почему радиоволны трудно зарегистрировать на больших расстояниях от
радиопередатчика?
3. Почему межзвездный космический корабль должен нести огромный запас
топлива, чтобы двигаться со скоростью, составляющей заметную долю скорости
света?
4. С какими трудностями столкнется космический корабль, который будет со-
бирать частицы межзвездных газа и пыли для использования в качестве ракетного
топлива, если его скорость составит 99% скорости света?
5. Что такое эффект замедления времени? Как он может помочь в решении
проблемы огромных интервалов времени, необходимых для межзвездных путеше-
ствий?
6. При скоростях, близких к скорости света с, энергия, необходимая для дости-
жения заданной скорости, пропорциональна отношению с/(с — v). Насколько боль-
ше энергии требуется для достижения скорости, равной 99,9% скорости света, чем
для достижения скорости v = 0,99 с?
7. Сколько примерно времени пройдет, прежде чем космический аппарат «Пио-
нер» с посланием землян на борту достигнет другой планетной системы? Какой
вывод можно сделать на основании этого о целесообразности посылки таких вест-
ников в космическое пространство?
8. Какие усовершенствования можно было бы внести в конструкцию автомати-
ческого зонда, чтобы он превзошел «Пионер» с его пластинкой и «Вояджер» с его
записью?
Литература
Bracewell R. The galactic club, W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1975.
Mermin D. Space and time in special relativity, McGraw-Hill Book Co., New York, 1972.
Purcell E. Radio astronomy and communication through space, In Interstellar
Communication, ed. A. G. W. Cameron, W. A. Benjamin, Inc., New York, 1963.
(Имеется перевод: Межзвездная связь-M.: Мир, 1965.)
Научная фантастика
Anderson Р. Таи zero, Lancer Books, New York, 1970.
Heinlein R. The door into summer, Doubleday, Inc., New York, 1957.
Межзвездная радио-
и телевизионная связь
Глава 20
Итак, чтобы совершить межзвездное путешествие, необходимо израсхо-
довать колоссальное количество энергии, и чем большей скорости мы хо-
тим достичь, тем большим запасом топлива нужно снабдить космический
корабль. Сегодня мы не располагаем средствами для постройки межзвезд-
ного корабля с требуемыми характеристиками и даже при дальнейшем
развитии техники мы вряд ли пожелаем расточать так много энергии, осо-
бенно если будем располагать не столь дорогостоящими средствами связи.
Исходя из того, что нашей основной целью является обмен информацией
на межзвездных расстояниях, а не личные контакты, и допуская, что дру-
гие цивилизации разделяют эти взгляды, можно браться за дело и пред-
принимать практические шаги к установлению контактов.
Вопрос о том, как начинается межзвездная связь, почти несомненно,
уже решен хотя бы в общих чертах обогнавшими нашу по уровню техно-
логии цивилизациями Галактики. Эти гипотетические технологически раз-
витые цивилизации наверняка приобрели способность к установлению
межзвездной связи не несколько лет назад, а тысячи, сотни тысяч, а то
и многие миллионы или даже миллиарды лет назад. Если только такие ци-
вилизации не чрезвычайно редки либо из-за низкой вероятности их появле-
ния, либо из-за короткого времени жизни или потери интереса, то боль-
шинство из тех, кто пожелал этого, уже установили контакт друг с другом.
В таком случае проблема для нас состоит не в том, как цивилизации кон-
тактируют друг с другом, а в том, как новая цивилизация могла бы при-
соединиться к их сообществу. Придется ли нам держать экзамен? Или
можно просто обратиться с просьбой о передаче нам «информации»?
Это не просто праздное любопытство, если считать, что наше развитие
как цивилизации в основном подчиняется общим закономерностям. Если
мы пока достигли некоторого среднего уровня развития, то едва ли будем
первыми или одними из первых в Галактике. Точно так же вряд ли мы от-
носимся к числу последних цивилизаций в истории Галактики. Таким
образом, нужно попытаться понять, как можно принять радио- и телеви-
зионные послания от других цивилизаций. А поняв это, мы должны из со-
ображений вежливости и осторожности сначала послушать других и лишь
потом приступить к передаче собственных посланий.
Меж звездная радио- и телевизионная связь
429
Но если каждый только слушает и никто ничего не передает, то никто
ничего и не услышит. Однако мы доросли до этой проблемы (так нам, во
всяком случае, кажется) лишь длительное время спустя после того, как
многие другие потенциальные корреспонденты, возможно, уже решили ее
и, быть может, создали общегалактическую сеть связи. Кроме того, мы
знаем, что при наземной радио-, радиолокационной и телевизионной связи
происходит непроизвольная утечка сигналов в космическое пространство.
Эти «отбившиеся от стада» радиоволны могут быть зарегистрированы на
межзвездных расстояниях с помощью чувствительных антенных систем
и приемников. Если такая же утечка сигналов происходит и у других циви-
лизаций, то мы, вероятно, сможем поймать их радиопередачи. Прежде чем
подробно обсудить эти предположения, нужно рассмотреть четыре вопро-
са: Где искать? Какие диапазоны частот лучше всего подходят для меж-
звездной связи? Каков полный диапазон возможных частот? Какой тип по-
сланий можно считать стандартным для начала связи с новыми членами
общегалактической сети?
Где искать?
В табл. 17.1 перечислены ближайшие звезды; некоторые из них, по-ви-
димому, имеют планетные системы. Соседние звезды, похожие на Солнце,
предоставляют наилучшие шансы для обнаружения других цивилизаций,
поскольку интенсивность радиосигналов, излученных любой цивилизацией,
падает пропорционально квадрату • расстояния. Однако радиотелескопы,
направленные на т Кита и £ Эридана,-лучших кандидатов среди соседних
звезд-не зарегистрировали каких-либо сигналов, свидетельствующих о су-
ществовании там цивилизаций *. Следовательно, нужно приступить к дли-
тельному поиску и исследовать звезду за звездой, прежде чем появится
шанс обнаружить ближайшие цивилизации (с. 445). Какие звезды следует
изучить первыми?
При прочих равных условиях поток радиоволн от ближайших цивили-
заций будет интенсивнее, чем от удаленных. При удвоении расстояния от
заданного источника интенсивность радиосигналов, т.е. поток радиоизлу-
чения, достигающий каждой конкретной антенны за одну секунду, умень-
шится в 4 раза. Это важнейшее обстоятельство заставляет прежде всего
направить антенны на ближайшие звезды, а затем на более удаленные. Од-
нако по мере развития техники уже не надо будет ограничиваться корот-
ким списком, приведенным в табл. 17.1: если будут вложены необходимые
средства в оборудование для поиска, то откроется возможность зареги-
стрировать цивилизацию с примерно таким же уровнем радиоизлучения,
* Правда, поиски радиосигналов проводились лишь на нескольких из миллио-
нов возможных частот и полос пропускания (с. 431), причем очень недолго.
430
Глава 20
Рис. 20.1. Семь миллионов ближайших звезд располагаются в пределах около 250
пс (800 световых лет) от Солнца. Занимаемый этими звездами объем со*
ставляет в поперечнике около 1% диаметра Галактики, содержащей при-
мерно 400 млрд, звезд.
как наша, в значительной части Галактики (рис. 20.1), т.е. у многих мил-
лионов звезд. Таким образом, хотя на обнаружение ближайших цивилиза-
ций требуется меньше усилий, нам не придется ограничиваться лишь
самыми близкими звездами, а можно будет охватить поисками радиосиг-
налов миллионы ближайших звезд Галактики. И вновь возникает вопрос:
какие из этих миллионов звезд заслуживают особого внимания?
Исходя из очевидных фактов, легко сделать следующий вывод: ни одна
из звезд не заслуживает особого внимания, хотя одиночные звезды кажут-
ся более подходящими кандидатами, чем двойные и кратные системы
(с. 381). Звезды, светимость которых близка к солнечной, предпочтительнее
звезд спектрального класса М с низкой светимостью, таких, как звезда
Барнарда, поскольку у слабых звезд маленькие экосферы (с. 378). Если
ограничиться звездами, светимость которых составляет не менее 1% свети-
мости Солнца, то нужно исключить 80% звезд нашей Галактики, но остав-
шиеся 20% все же составят 80 млрд, звезд, в том числе много сотен тысяч
звезд в пределах чувствительности наших приемников. Конечно, следует
отбросить звезды наибольшей светимости с временем жизни короче
1 млрд, лет, т. е. того минимального срока, который, как мы считаем, необ-
ходим для развития цивилизации. Но такие звезды составляют лишь
около 1% в Галактике, так что мы немного выиграем, исключив их из на-
шего поиска.
Мы приходим к заключению, что оптимальный поиск сигналов внезем-
ной цивилизации следует вести от звезды к звезде среди одиночных звезд
и кратных систем спектральных классов от F5 до К8; такие звезды живут
по меньшей мере 5 млрд, лет и имеют достаточно высокую светимость для
поддержания экосферы приемлемых размеров. Из обсуждения в гл. 17 сле-
дует, что такие звезды с большой вероятностью обладают планетными си-
стемами, и у нас нет принципиальных возражений против предположения,
что в среднем по крайней мере на одной планете в каждых четырех пла-
нетных системах есть условия, благоприятные для развития жизни, а зна-
чит, и разумных цивилизаций. Сделав численные оценки, как в гл. 18, мы
видим, что должны быть готовы к изучению хотя бы нескольких тысяч
Межзвездная радио- и телевизионная связь
431
звезд, чтобы иметь шанс обнаружить одну из существующих в настоящее
время цивилизаций (с. 397). Такая перспектива, хотя и таит в себе трудно-
сти, не должна вызывать отчаяния; если исследовать по звезде в час, то
это составит тысячу звезд за шесть недель, и быстро будет достигнут уро-
вень многих тысяч, который сулит в награду за долготерпение установле-
ние межзвездной связи. Таким образом, проблема сводится к тому, чтобы
решиться выделить средства на создание компьютеров и приемных систем
достаточной чувствительности для таких поисков.
На каких частотах искать?
Можно ли определить оптимальные частоты, на которых с наибольшей
вероятностью вещает другая цивилизация? Не стоим ли мы перед неразре-
шимой задачей, пытаясь угадать, на какой волне другая цивилизация пере-
дает свои послания? Можно полагать, что другие цивилизации, скорее все-
го, выбрали бы такую же частоту, как и наша, поэтому можно надеяться
определить наилучшие частоты для поиска.
Нужно научиться отличать радиопередачи, которые цивилизация ис-
пользует в своих внутренних целях и которые мы можем лишь «подслу-
шать», от посланий, целенаправленно переданных другим цивилизациям
или по крайней мере в межзвездное пространство в надежде, что они бу-
дут кем-то приняты. Хотя эти две цели отчасти совпадают, тем не менее,
опираясь на собственный опыт, мы знаем, что радио- и телевизионные
передачи организуются у нас исключительно для земной аудитории (вряд
ли радио и телевидение предследуют иные цели). В то же время легко убе-
диться в том, что эти диапазоны обладают решающими преимуществами
над другими диапазонами, и их можно рекомендовать для связи любого
типа.
Рассмотрим спектр электромагнитного излучения (рис. 20.2). Он ох-
ватывает более 18 порядков (1018) по энергиям: от самых жестких гамма-
квантов до самых длинных радиоволн-и предоставляет широчайшие воз-
можности для выбора рабочих частот. Какие частоты представляются
наиболее «естественными», т.е. своего рода галактическими стандартами?
Есть ли такие частоты, которые выберет любая цивилизация, задумавшая-
ся над тем, как обнаружить местонахождение других цивилизаций и уста-
новить с ними радиосвязь? Ответ гласит, что можно найти наиболее ве-
роятный диапазон частот для межзвездной связи, хотя и нельзя указать
одну-единственную частоту, о которой можно сказать: «Вот канал для га-
лактической связи». Чтобы сузить огромный диапазон возможных частот,
будем руководствоваться тремя принципами, которые представляются
универсальными: экономичность, отсутствие помех и космические эталоны
частот. Последовательно рассмотрим каждый из них.
Самая главная причина использования радиоволн для межзвездной свя-
432
Главе 2ь
Рис. 20.Х Электромагнитный спектр охватывает очень большую область частот,
или длин волн, и технически беспределен. Радиодиапазон используется
для радиолокации, телевидения, коммерческой радиосвязи и радиовеща-
ния с амплитудной и частотной модуляцией.
зи обусловлена экономичностью такого способа обмена информацией. Ес-
ли считать, что послание состоит из отдельных единиц информации, то
для передачи элементарной единицы информации, которую ученые, рабо-
тающие в области теории информации, называют битом, требуется по
крайней мере один фотон. Чтобы избежать ошибок и облегчить прием,
требуется более одного фотона на каждый бит, но число фотонов на бит
будет примерно одинаковым для радиопосланий и посланий с помощью
видимого света *. Если теперь сравнить радиоволны с видимым светом, то
сразу же выявляется важное обстоятельство: энергия кванта видимого из-
лучения в миллион раз больше энергии кванта радиоизлучения, а значит,
с энергетической точки зрения видимое излучение обходится в миллион
раз дороже. В итоге радиопослание стоит дешево, а видеопослание дорого.
Второе обстоятельство, которое необходимо учитывать при выборе ча-
стот для передачи или приема посланий, связано с помехами. Некоторые
типы излучений поглощаются в межзвездном пространстве гораздо силь-
* Эффективность детектирующей системы (антенны и радиоприемника, теле-
скопа и фотопластинки и т.д.) определяется числом фотонов, которое необходимо
зарегистрировать, чтобы получить один бит информации.
Межзвездная радио- и телевизионная связь
433
нее, чем другие. И здесь вновь радиоволны, кроме самых длинных, обла-
дают особыми преимуществами. Для иллюстрации рассмотрим поглоще-
ние излучения при его распространении и помехи от других источников,
которые затрудняют прием сигнала и установление местонахождения
источника.
При исследовании Галактики преимущество радиоволн над видимым
светом для дальней связи быстро становится очевидным. Мы не можем
сфотографировать ядро Галактики или спиральные рукава за ним, потому
что находящиеся в галактическом диске газ и пыль поглощают свет дале-
ких звезд. Однако относительно легко «видеть» эти области с помощью
радиоволн почти всех частот, за исключением нескольких, на которых по-
глощают атомы и молекулы межзвездной среды, а в Солнечной системе
радиоволны легко проникают сквозь облака Венеры.
Если осуществлять связь оптическими методами, то луч, посланный,
Радиочастота, МГц
Рис. 20.3. «Водяная щель» попала в диапазон радиочастот, в котором космические
шумы минимальны. На самых низких частотах радиоволны излучаются
быстрыми космическими лучами, а самые высокие частоты поглощаются
молекулами земной атмосферы.
28-485
434
Глава 20
например, из другой планетной системы с помощью мощного лазера в со-
четании с гигантским телескопом, будет вынужден соперничать с колос-
сальным потоком излучения в оптической области от самой звезды. Значи-
тельно легче передавать послания в радиодиапазоне, где уровень
излучения звезды гораздо меньше. Действительно, как мы увидим ниже,
даже наша цивилизация на современном технологическом уровне уже спо-
собна передать послание, энергия которого на определенной радиочастоте
будет больше, чем энергия излучения спокойного Солнца на той же часто-
те. Однако существует космический фон радиоизлучения, обусловленный
двумя источниками: реликтовым излучением, оставшимся от начальных
стадий расширения Вселенной (гл. 2), и синхротронным излучением, гене-
рируемым электронами при их движении по винтовым траекториям вдоль
силовых линий магнитных полей (с. 78). Эти два источника ограничивают
«радиоокно» в спектре электромагнитного излучения, относительно сво-
бодное от помех, и можно ожидать, что именно в пределах этого окна осу-
ществляется связь между гипотетическими технологически развитыми ци-
вилизациями (рис. 20.3).
При переходе к еще более длинным радиоволнам мы наталкиваемся на
барьер земной ионосферы, которая отражает основную часть падающего
на нее радиоизлучения (рис. 20.4). В этом радиодиапазоне работают радио-
вещательные станции с амплитудной модуляцией. Отражение от ионосфе-
ры обеспечивает распространение этих сигналов по всему земному шару
и в то же время не позволяет сигналам извне проникнуть сквозь атмосфе-
ру к антеннам наших приемников. Но для радиосигналов с частотной мо-
дуляцией, а также телевизионных сигналов, особенно в диапазоне дециме-
тровых волн, ионосфера-не помеха*. На коротковолновой границе
радиоокна мы сталкиваемся с поглощением земной атмосферы. Можно
преодолеть оба препятствия, передавая и принимая послания на искус-
ственном спутнике, выведенном на орбиту за пределы атмосферы, но по-
глощение радиоволн в межзвездной среде не дало бы существенного пре-
имущества над наземными устройствами.
Мы отдали предпочтение радиодиапазону из соображений экономично-
сти и отсутствия поглощения и помех. Есть ли космические эталоны ча-
* Отметим, что радиодиапазон коммерческого использования располагается
как раз на границе прозрачности ионосферы, так что переговоры в этом диапазоне
часто беспрепятственно проникают в глубины космоса вместе в сигналами коммер-
ческого телевидения и мощных военных радиолокаторов. Эта информация о совре-
менном интеллектуальном уровне человечества может быть одной из причин,
по которой мы пока не получили никаких сигналов от технологически развитых
цивилизаций!
Межзвездная радио- н телевизионная связь
435
Рис. 20.4. Ионосфера Земли отражает большую часть амплитудно-модулиро-
ванных (длинных) радиоволн, но беспрепятственно пропускает радиосиг-
налы с частотной модуляцией, телевизионные и радиолокационные
сигналы.
стот в этом диапазоне? Какие конкретные частоты, вероятно, привлекли
бы внимание любой цивилизации и нашли бы всеобщее применение?
Вопрос о возможностях связи с другими мирами впервые обсуждался
в 1959 г. Моррисоном и Коккони. Они указали, что наиболее подходящей
частотой, на которой сигнал искусственного происхождения следует искать
в первую очередь, является частота 1420 МГц, соответствующая переходу
между подуровнями сверхтонкой структуры в атомах водорода (с. 93). Не-
которые атомы в результате столкновений переходят на верхний подуро-
вень и затем излучают на этой характерной частоте. Поэтому в нашей Га-
лактике и в других спиральных галактиках, межзвездный газ которых на
90% состоит из водорода, непрерывно испускается радиоизлучение на ча-
стоте 1420 МГц с длиной волны 21,1 см. Любое разумное существо, кото-
рое изучает нашу Галактику, должно знать о радиоизлучении на этой ча-
стоте, наиболее распространенном и вездесущем. Более того, излучение
с частотой 1420 МГц может распространяться на большие расстояния
и затем регистрироваться. Наконец, в полосе вокруг частоты 1420 МГц
меньше всего помех (рис. 20.3).
Благодаря эффекту Доплера и движениям атомов водорода в Галакти-
ке как по направлению к нам, так и от нас, целая полоса частот от 1419 до
28*
436
Глава 20
1421 МГц заполнена радиоизлучением нейтрального межзвездного водо-
рода. Это излучение, которое многократно поглощается и вновь переизлу-
чается, позволило построить карту распределения межзвездного водорода
в Галактике путем исследований в полосе частот от 1419 до 1421 МГц. Но
за пределами этой довольно узкой полосы условия гораздо лучше. Как мы
уже упоминали, на частотах несколько выше или несколько ниже
1420 МГц сравнительно немногие атомы и молекулы служат естественным
источником помех для радиосигналов. Однако приходится считаться и
с шумами, создаваемыми человеком: только обеспечив надежную защиту
от помех в полосе шириной несколько мегагерц вокруг частоты 1420 МГц
радиоастрономы смогли продолжить свою работу на Земле! Предполо-
жим, что наша или любая другая цивилизация по «естественным» при-
чинам выбрала частоту вблизи 1420 МГц для межзвездной связи; допу-
стим также, что эта частота используется для местной связи, и мы можем
надеяться «подслушать» иные цивилизации на этой частоте. Тогда нам все
же предстоит столкнуться с важной проблемой: на какой именно частоте,
близкой к 1420 МГц, передается послание, чтобы можно было точно на-
строить наши приемники? Искать ли нам в области более высоких или бо-
лее низких частот?
Если исходить из представлений, что вода играет важную роль для
большинства других форм жизни, как и для нас (гл. 11), то можно при-
знать справедливость предложения, высказанного американским физиком
Оливером. Поскольку каждую молекулу воды Н2О можно представить
в виде Н + ОН, Оливер указал, что диапазон частот между 1420
и 1612 МГц-наиболее подходящий канал для межзвездной связи. Моле-
кулы ОН «вещают» на ряде частот: 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц-благода-
ря сверхтонким переходам, подобным процессу излучения атомов водоро-
да. Серия частот, излучаемых молекулами ОН, образует космический
стандартный эталон, а излучение атомов водорода на частоте
1420 МГц-это другой еще более заметный эталон*. Если важность воды
осознают все формы жизни, то из того факта, что ее молекула является
суммой Н 4- ОН, можно заключить, что просвет между 1420
и 1612 МГц-это именно тот диапазон частот, в котором должна
осуществляться межзвездная связь. Оливер называет эту полосу водяной
щелью, в которой галактические цивилизации общаются друг с другом
(рис. 20.3).
Даже если идея «водяной щели» окажется присущей в значительной
степени только нашей земной цивилизации, излучение водорода на частоте
1420 МГц представляет собой стандартный эталон в Галактике. Как уже
* Спектр радиоизлучения молекул воды чрезвычайно сложен и в нем нет от-
дельных преобладающих линий. х
Межзвездная радио*- и телевизионная связь
437
говорилось, благодаря движениям атомов водорода мы наблюдаем его ра-
диоизлучение в целой полосе частот примерно от 1419 до 1421 МГц. Сле-
довательно, можно ожидать, что любой канал связи будет избегать этой
полосы из-за помех от естественного излучения, образующего отметку на
шкале космических частот. Рассмотрим поэтому, каким способом исследо-
вать соседние частоты в надежде обнаружить радиосигналы внеземных
цивилизаций.
Полоса частот
и полный диапазон частот
Если бы даже нам была известна наиболее вероятная рабочая частота,
на которой осуществляется межзвездная связь, необходимо было бы опре-
делить ширину полосы сигнала-подобно тому как разносят интервал ча-
стот между соседними станциями на шкале настройки радиоприемника
(рис. 20.5). Поскольку нам не известна частота, нужно выбрать полный
диапазон частот, в котором следует вести поиски. Искусственный сигнал
Рис. 20.5. Если попытаться принять радиосигнал с помощью аппаратуры, полоса
пропускания которой меньше ширины спектра частот сигнала, то часть
сигнала будет потеряна и будет труднее его обнаружить. При значитель-
но более широкой полосе пропускания приемника мы затратим лишние
усилия и вновь не достигнем оптимальных условий приема, которые ре-
ализуются при совпадении ширины спектра сигнала и полосы пропуска-
ния приемной аппаратуры.
438
Глава 20
имеет очень узкую полосу внутри широкого частотного диапазона. Может
быть, стоит разделить весь этот диапазон на крошечные интервалы, ска-
жем, по 1 Гц? Это повысило бы шансы обнаружить сигнал, переданный
в чрезвычайно узкой полосе (рис. 20.5). Но, чтобы исследовать диапазон,
равный, скажем, 1000 МГц, выделяя из него каждый раз полосу в 1 Гц,
нам потребуются миллиарды отдельных измерений в любом выбранном
направлении (к счастью, эта задача имеет решение, о котором мы расска-
жем ниже).
Мы столкнулись с трудной задачей, пытаясь предсказать, какую шири-
ну полосы сигнала может использовать другая цивилизация для своих ра-
диопередач, как местных, так и межзвездных, и оценить полный диапазон
частот, в котором следует искать межзвездные сигналы. При выборе ши-
рины полосы сигнала любая цивилизация должна учитывать несколько
факторов, и мы рассмотрим их поочередно. По-видимому, цивилизация
руководствовалась бы двумя факторами: желанием передать информацию
быстро, что предполагает относительно широкую полосу, и желанием сде-
лать сигнал различимым на фоне радиошумов, что требует относительно
узкой полосы.
Когда послание появляется в определенном (но заранее неизвестном)
месте на шкале частот, адресат должен уметь выделить полезный сигнал
на фоне «шумов», т.е. случайных излучений от различных космических
процессов почти на тех же частотах (рис. 20.6). При одинаковой полной
мощности излучения более узкополосные (близкие к монохроматическим)
сигналы легче выделить на фоне шумов.
Таким образом, можно предположить, что цивилизация с ограниченны-
ми энергетическими ресурсами постаралась бы послать сигнал в возможно
более узкой полосе частот, чтобы снизить стоимость передачи. В этом слу-
чае важное ограничение снизу на размер полосы частот связано с диспер-
сией сигнала в межзвездной среде. При распространении радиоволн в меж-
звездном пространстве заряженные частицы (главным образом, электроны)
изменяют частоту радиоволн. Кроме того, величина этого смещения ча-
стоты меняется случайным образом за счет колебаний электронов. Следо-
вательно, даже если бы частота, на которой передано послание, и скорость
источника относительно нас, определяющая доплеровское смещение ча-
стоты, были точно известны, мы все же имели бы дело с непредсказуемы-
ми изменениями частоты принимаемых радиоволн. Эти изменения устана-
вливают нижний предел, равный долям герца, на ширину полосы частот.
Любая цивилизация понапрасну растрачивала бы энергию, ерли бы пыта-
лась «втиснуть» свое межзвездное послание в более узкую полосу частот,
потому что дисперсия радиоволн в межзвездной среде привела бы к раз-
мазыванию сигнала по полосе, составляющей доли герца. Конечно, циви-
лизация с практически неограниченными энергетическими ресурсами реши-
ла бы передать как можно больше информации и использовала бы
Межзвездная радио- и телевизионная связь
439
Рис. 20.6. Узкополосный сигнал легче обнаружить на фоне случайного шума.
широкую полосу. Тогда нам потребовались бы радиотелескопы значитель-
но больших размеров, чтобы принять послания от таких цивилизаций, чем
для приема узкополосного послания.
Исходя из этих соображении, можно допустить, что 0,1 Гц-это мини-
мальная ширина полосы сигнала, которую любая цивилизация использует
для межзвездной связи. Для сравнения укажем, что 0,1 Гц-это рабочая
ширина полосы, в которой работают мощные военные радиолокаторы, хо-
тя они, конечно, применяются не для межзвездной связи. Радиовеща-
тельные станции используют полосу 10 кГц при передаче сигналов с ам-
плитудной модуляцией и 200 кГц при частотной модуляции. Для
телевидения требуется значительно большая ширина полосы, примерно
6 МГц на каждый канал. Однако около половины полной мощности, излу-
чаемой телевизионной станцией, сосредоточено на «несущей частоте видео-
сигнала», которая занимает менее 1 Гц от полной ширины полосы. Этот
пик не несет информации об изображении, но его гораздо легче принять
(благодаря его малой ширине), чем сигнал, несущий изображение и зани-
мающий полосу 6 МГц. Пик такого же типа, в котором тоже заключена
половина полной мощности, имеет место при частотно-модулированном
радиовещании. Хитрость заключается в том, как узнать, где в пределах ис-
пользуемой полосы частот находится этот пик, имеющий ширину всего
0,1 Гц и несущий послание. Нужно ли исследовать 2 109 частотных кана-
лов шириной по 0,1 Гц каждый, чтобы перекрыть полосу 200 МГц от 1421
440
Глава 20
до 1621 МГц? Очевидно нужно; но эта задача может быть не столь слож-
ной, как кажется на первый взгляд.
Радиоинженеры, которые интересуются возможностями межзвездной
связи, начинают конструировать приемные системы с учетом описанных
ограничений, способные одновременно анализировать миллион частотных
каналов. Иными словами, уже не нужно будет каждый раз настраиваться
на одну волну в пределах шкалы частот, чтобы установить, приходят ли
радиосигналы с заданного направления, а можно будет исследовать сразу
миллион частот. Этого, правда, недостаточно для проверки 2 109 каналов,
но все же расширением возможностей в 10б раз не стоит пренебрегать. Ес-
ли удастся одновременно анализировать миллион полос шириной по
0,1 Гц, то можно надеяться обнаружить сигнал такой ширины довольно
быстро при условии, что антенна наведена в нужном направлении и что
в полную полосу пропускания попадает частота сигнала. При умеренных
затратах, видимо, можно построить приемник даже с миллиардом таких
каналов. Тогда возникнет проблема: как удостовериться в том, что обна-
руженный сигнал имеет искусственное происхождение?
Как распознать искусственным сигнал?
Наши планы поисков внеземных цивилизаций по их радиосигналам ос-
новываются на предположении, что применимость радиоизлучения универ-
сальна и любая другая цивилизация будет, вероятно, использовать его для
передачи посланий. Из табл. 20.1, в которой перечислены основные генера-
торы радиоволн, существующие сейчас на Земле, следует, что основной по-
ток радиоизлучения дают телевидение на частотах от 40 до 850 МГц
и мощные военные радиолокационные системы, которые сканируют небо
с помощью интенсивных радиоимпульсов, непрерывно меняя их частоту.
Что бы мы услышали, если бы удалось подслушать другую цивилизацию,
которая использует радиоволны подобных частот для внутренней связи?
При достаточной чувствительности антенн можно было бы отличить
одну телепрограмму от другой и в конце концов даже узнать содержание
этих программ. Этот анализ помог бы решить, стоит ли устанавливать
двусторонний контакт. При больших расстояниях и меньшей чувствитель-
ности приемников мы могли бы констатировать, что в некоторой области
неба возникает мощный поток радиоизлучения, но не определили бы со-
держание посланий. В этом случае не было бы уверенности, что обнаруже-
на другая цивилизация, а не естественный источник радиошума. Однако
мы приблизились бы к решению этого вопроса, если бы заметили, что ин-
тенсивность некоторых сигналов регулярно меняется во времени по слож-
ному закону.
В других системах планеты, скорее всего, вращаются, как и наша Земля,
Таблица 20.1
Оценки выходной мощности различных систем,
работающих на частотах выше 20 МГц * **
Система Диапазон частот, МГц Число пере- датчиков Доля времени, в течение кото- рого передатчик работает Средние параметры отдельного передатчика максимальная эффективный излучаемая диапазон мощность. Вт частот, Гц Усредненная по полосе частот* мощность излу- “чения, Вт/Гц
Радиосредства диапазона частного пользования 27 10000000 0,01 5 2 200000
Специальные передвижные, радио* станции 20-500 100000 о,1 20 1 200000
Метеорологические, морские и авиа* ционные радиолокаторы 1000-10000 100000 0,01 От 10000 до 1000000 От 10 до 1000
Военные радиолокаторы *♦ 400 2 0,1 1000000 10000000000 0,1 20000000000
Радиостанции с частотной модуляцией 88-108 10000 1 4000 0,1 400000000
Телевизионные станции (передача изо* бражения) 40-850 2000 1 500000 0,1 10000000000
♦ В последнем столбце указана мощность, генерируемая в полосе частот в расчете на 1 Гц. Системы, работающие в более широкой полосе (чаще
всего метеорологические, морские и авиационные радиолокаторы), излучают более высокую полную мощность на всех частотах, чем указано в. этом
столбце. В этой таблице, а также на рис. 20.7-20.9 приведены результаты работы W. Sullivan III, S. Brown, C. WetherilL Science, 199, 377, 1978.
** Здесь приведены характеристики только самых мощных военных радиолокаторов, превосходящих по мощности все остальные системы этого типа.
442
Глава 20
поэтому если источники радиосигналов неравномерно распределены по по-
верхности, а луч зрения не проходит точно через ее северный или южный
полюс, то наблюдатель заметит периодические вариации интенсивности
приходящего радиоизлучения. На рис. 20.7 показано расположение 2200
наиболее мощных телевизионных широковещательных станций на Земле,
которые образуют тесные скопления на территориях США, Европы и Япо-
нии. Эти станции посылают основную часть излучения примерно вдоль
земной поверхности, а не вверх, поэтому при вращении Земли наблюда-
тель будет регистрировать максимум излучения каждой станции в момент
ее восхода из-за диска планеты или захода за него (рис. 20.8). Картина из-
менений будет повторяться ежесуточно, поэтому наблюдатель может сде-
лать вывод либо о существовании сверхмедленного пульсара (с. 153), либо
искусственного источника радиосигналов.
Как мог бы инопланетный наблюдатель с уверенностью отличить Зем-
лю, совершающую один оборот в сутки, от пульсара, который делает один
оборот в секунду? Любого наблюдателя натолкнуло бы на мысль о том,
что он имеет дело не просто с радиоизлучением медленного пульсара, до-
плеровское смещение сигналов, которое вызвано движением Земли вокруг
Солнца и повторяется с периодом в один год. Наблюдатель, находящийся
в другой планетной системе, установил бы, что частоты радиосигналов от
каждого телевизионного канала (каждая телевизионная станция вещает на
определенной частоте) смещаются в обе стороны от своего среднего значе-
ния на десятки герц. Таким образом, внеземной исследователь Солнечной
180eIV 90° О
90е 180*Е
Рис. 20.7. Карта расположения 2200 телевизионных станций с эффективной излу-
чаемой мощностью 50 кВт и более. Передатчики сконцентрированы в гу-
стонаселенных развитых странах.
Межзвездная радио* и телевизионная, связь
443
Излучаемая мощность
Рис. 20.8. Наблюдатель, располагающийся по соседству с звездой Барнарда, уви-
дел бы серию пиков и провалов от всех телевизионных передатчиков
Земли. Эта картина повторялась бы при каждом обороте Земли вокруг
своей оси.
системы открыл бы не только то, что радиоволны излучаются из окрест-
ностей Солнца, но и то, что их интенсивность меняется с периодом в сут-
ки, а частота-с периодом в год. Наблюдатель мог бы заключить, что во-
круг Солнца обращается объект, совершающий один оборот по орбите за
год и один оборот вокруг своей оси за сутки и излучающий радиоволны,
которые и позволяют судить об этих движениях объекта.
444
Глава 20
Источник радиоизлучения, интенсивность которого меняется с перио-
дом порядка суток, а доплеровское смещение с периодом порядка несколь-
ких месяцев или лет, вероятнее всего является населенной разумными су-
ществами планетой, а не пульсаром с необычными свойствами. Но нельзя
быть полностью уверенным в этом, пока точный анализ не покажет, что
радиоизлучение действительно содержит информацию.
Разумеется, чтобы зарегистрировать радио- и телевизионные станции
другой планеты, необходимо, чтобы они там были. На Земле развитие ра-
дио началось недавно и проходило очень бурно. На рис. 20.9 представлен
график изменения мощности земных радио- и телевизионных станций на-
чиная с 1940 г. За последние 30 лет мощность возросла в 1000 раз, и этот
рост продолжается, хотя медленнее, чем в 1950-х годах.
Область в пределах 70 световых лет (21 пс) от Солнца содержит около
4000 звезд. Только на этих звездах и на планетах, возможно, существую-
излучения радио- и телевизионных станций на Земле
в течение последних 40 лет.
Рис. 20.9. Средняя мощность
непрерывно растет
Межзвездная радио- и телевизионная связь
445
щих вокруг них, могли быть приняты радио- и телевизионные сигналы, из-
лученные с Земли начиная с 1910 г. Эти звезды попадают внутрь «радио-
сферы»,- которая непрерывно расширяется во все стороны от Земли со
скоростью света. На этих звездах еще предстоит услышать (лишь слабые
сигналы) от великолепных радиопостановок 1930-х годов; должно пройти
еще много лет, прежде чем до большинства из них дойдут «последние из-
вестия» о второй мировой войне. Лишь через 400 лет наши радиосигналы
достигнут миллиона ближайших звезд, так что они еще пребывают в неве-
дении о разумной цивилизации на Земле. Что касается других «молодых»
цивилизаций, то в течение последних 70 лет они могли сигнализировать
нам о своем существовании лишь из окрестностей 4000 ближайших звезд.
Но, согласно нашим расчетам на с. 396, около этих ?везд может не ока-
заться ни одной цивилизации, кроме нашей. Чтобы достичь цели: обнару-
жить другие цивилизации и обмениваться информацией с ними, необходи-
мо, чтобы довольно значительная часть цивилизаций существовала по
меньшей мере несколько тысяч лет после появления способности к меж-
звездным контактам (с. 399).
Современное состояние радиопоисков
других цивилизаций
До сих пор на радиоастрономических обсерваториях предпринято всего
несколько попыток поиска других цивилизаций по их радиоизлучению.
Эти попытки составляли лишь небольшую часть научной программы об-
серваторий, которые заняты в основном изучением естественных процес-
сов, генерирующих радиоволны. В табл. 20.2 перечислены десять работ, ко-
торые были выполнены или продолжаются до сих пор в США, Советском
Союзе и Канаде. Эти исследования сдерживаются относительно малой со-
бирающей площадью радиотелескопов.
Расчеты показывают, что, если мы надеемся найти другую цивилиза-
цию, поймав ее радиопередачи, нам необходима собирающая площадь, на-
много превышающая даже площадь антенны в Аресибо (Пуэрто-Рико),
чтобы иметь шансы на успех. Иными словами, чтобы вести подслушива-
ние на расстояниях в несколько сотен парсеков, т. е. распространить поиск
примерно на миллион звезд, требуются значительно большие антенны, чем
те, которыми мы располагаем теперь. «Подслушивать» значительно труд-
нее, чем пытаться принять сигнал с известного направления, на известной
частоте и в известной полосе частот. Радиотелескоп в Аресибо мог бы уже
сейчас обмениваться посланиями с подобным радиотелескопом в любом
месте нашей Галактики, если бы эти три ключевых требования были вы-
полнены. Радиотелескоп в Аресибо-крупнейший из имеющихся на Земле;
его создание обошлось сравнительно недорого благодаря удобному при-
родному рельефу (рис. 20.10 и 20.11). Оливер предложил иной путь: по-
Таблица 20.2
Поиски внеземных радиосигналов
Год Научный руководитель проекта Диаметр ан- Рабочая частота, МГц тенны, м Разрешение по частоте, кГц Полный диапазон частот, МГц Наблюдаемый объект
1960 Дрейк 26 1420 0,1 0,4 2 звезды
1968 Троицкий 14 927 0,013 2,2 12 звезд
С 1970 1972 Троицкий Верскер 1875 1000 600 43 1420 7,0 20,0 В различных на- правлениях 10 звезд
С 1972 Цукерман и Палмер 91 1420 91 1420 0,49 3,0 0,6 3 звезды 602 звезды
С 1972 Бауэр .с сотрудниками 26 Переменная 2,5 20,0 В полусфере
С 1973 С 1973 Кардашев Диксон и Коул 53 1420 20,0 0,38 Во всех направле- ниях Vs всей площади
С 1974 Бридл и Фелдман 46 22 200 30,0 неба 500 звезд
С 1975 Дрейк и Саган 300 1420 1,0 Несколько галак-
1977 Блек, Куцци, Кларк и Тартер 1653 2380 91 1665 1,0 1,0 0,005 1,32 тик 200 звезд
1977 Сталл и Дрейк 1667 300 1665 0,0005 4 6 звезд
1978 Хоровиц 300 1420 0,000015 0,001 180 звезд
Рис. 20.10. Радиотелескоп в Аресибо, Пуэрто-Рико, имеет диаметр 300 м. В его ча-
ше могло бы поместиться все пиво, выпитое на земном шаре в 1973 г.
Рис. 20.11. Рабочие, которые подгоняют панели, образующие отражающую по-
верхность радиотелескопа в Аресибо, должны носить специальную
обувь, чтобы не повредить поверхность. Обсерватория в Аресибо
является частью Американского центра астрономии и ионосферных ис-
следований, руководство которым осуществляет Корнеллский универси-
тет по контракту с Национальным научным фондом.
448
Глава 20
Рис. 20.12. Чтобы увеличить эффективную собирающую поверхность радиоан-
тенны, можно построить много отдельных антенн и соединить их друг
с другом так, чтобы можно было одновременно анализировать сиг-
налы, принимаемые всеми антеннами. «Глаз» системы «Циклоп» будет
состоять из сети 100-метровых телескопов, которые можно одновремен-
но направить в одну и ту же точку неба.
строить много больших антенн, как показано на рис. 20.12, и затем анали-
зировать все излучение, которое приходит на эти антенны одновременно.
Такая система по своим возможностям будет эквивалентна одной чрезвы-
чайно большой антенне, а обойдется дешевле, чем единая чаша (хотя стои-
мость ее все же будет внушительной). Затраты на постройку системы из
тысячи 100-метровых антенн с соответствующими приемниками, электрон-
ной аппаратурой и управляющей ЭВМ могут составить 10 или 20 млрд,
долларов. Высокая ли это цена за хороший шанс обнаружить братьев по
разуму? Наша цивилизация, так же как и другие, должна тщательно про-
анализировать все за и против, прежде чем приступать к строительству.
Отметим, что нет необходимости строить сразу всю систему. Можно
начать с десятка антенн и попытаться найти какие-либо радиосигналы,
природа которых кажется искусственной, а затем при желании построить
еще несколько десятков таких антенн. Этот тщательно спланированный по
этапам проект позволил бы одновременно больше узнать о предельных
технических возможностях больших систем радиотелескопов и приемни-
ков. Вполне естественно, что если бы удалось найти сигнал, выглядящий
многообещающе, и если даже мы не были бы вполне уверены.в его искус-
ственном происхождении, то у нас появился бы дополнительный стимул
строить новые антенны, чтобы решить эту жгучую проблему.
Чтобы целиком построить систему из тысячи антенн, предложенную
Оливером и получившую название «Циклоп», по имени одноглазых гиган-
Межзвездная радио- н телевизионная связь
449
тов древнегреческого эпоса, потребовалось бы 10-15 лет. Многие ученые
именно в проекте «Циклоп», а не в путешествии на Луну или в поселениях
в космосе усматривают подлинный расцвет человеческого знания и пытли-
вости, ибо с его помощью мы попытались бы объединиться с остальной
Вселенной не путем сравнительно кратковременных и повторяющихся по-
летов в ближайшие к нам окрестности Солнечной системы, а путем приоб-
щения к универсальным идеям, которыми могли бы поделиться с нами
другие цивилизации.
Какие сообщения можно послать
или получить?
Выше мы описали, как можно было бы обнаружить другую цивилиза-
цию, улавливая испускаемые ею радиоволны, «утекающие» в космическое
пространство. Предположим, что нам повезло и зафиксировали место-
нахождение цивилизации, существование которой представляется несом-
ненным, и используемые ею радиочастоты. Что делать дальше? Послать
им весточку или подождать, пока они пошлют весточку нам после того,
как откроют наше существование?
Поскольку мы сами допускаем непрерывную утечку радиоизлучения
в космическое пространство, почему бы не добавить к этому потоку еще
немного информации? С другой стороны, почему наша или любая другая
цивилизация должна быть гостеприимна по отношению к пришельцам или
даже отвечать на их послания? Мнения людей на этот счет очень разнооб-
разны, и прежде чем удастся решить эту проблему, видимо, потребуются
дополнительные всесторонние обсуждения. Между тем читатель, возмож-
но, будет удивлен, узнав, что некоторые астрономы на свой страх и риск
уже отправили несколько посланий нашим неведомым межзвездным
соседям.
На рис. 20.13 показано наиболее важное из этих посланий, отправлен-
ное 16 ноября 1974 г. из обсерватории Аресибо с использованием большой
чаши радиотелескопа в качестве передающей антенны. Это послание, на-
правленное в сторону большого шарового звездного скопления М13 в со-
звездии Геркулеса, содержало 1679 битов информации. На рис. 20.13 эта
информация зашифрована в виде нулей и единиц, но в реальном посла-
нии каждый бит представлял собой импульс излучения на одной из двух
частот, близких к 2380 МГц. Полная полоса частот послания составляла
10 Гц, т.е. в несколько раз больше минимальной ширины полосы сигнала
(см. выше). Поскольку шаровое скопление М13 находится на расстоянии
7700 пс от Солнца, послание достигнет его примерно через 25000 лет, го-
товое для интерпретации и ответа.
Как поступит другая цивилизация с таким посланием? Что бы мы по-
думали, если бы приняли подобное сообщение? Вероятно, разумные суще-
29-485
450
Глава 20
OOOOOO1O1O1O1
0000001001000
0101010101001
0000000000000
1 101000000000
0000000010101
00000 0 0000000
1110001100001
0001101000110
0111110111110
0100000000000
0000000000010
000000000001 1
001 100001 1000
0000001000011
110 111110 1111
0000000001000
001 1000000000
1111110000011
0000000000001
0000001 100000
100000000001 1
01 1001 1000000
0000110000110
0000010000010
000001 1000000
1000001000000
0000001100000
0100011101011
0000000000100
0101110100101
1111011100001
1000001110110
1000000101000
0000000000000
0001000000000
01001 1 1000000
0010100000000
0001111111110
0000000001 100
0000000101 100
0010001010000
0010001000000
0100001000010
0000000000001
1110100111100
0000000000001
1000100010010
0010000000000
0001100000000
00000000001 10
0000000000000
0000000000000
1000100000000
0011000011010
0000000000000
0000001000000
0000000000000
1 1 10000000000
0111000110001
0100001100011
1011111000000
0001100000000
0000001 000001
0000001111100
0000000010000
00100000001 10
000100001 1 0 00
00000001 10001
0000010000000
0000001 100000
0010001000000
0100000001000
00001 10000000
0000000000010
0001111100000
1011000000100
1100000110111
0100000010100
001 1000000100
0000000000000
0000011 101010
0001010101000
0000001111100
000000000001 1
0000000001 100
0001 1001 10000
0101000100001
0010001010001
0000000000010
0010100000000
о
01000001010
11001010101
00000000000
00000000000
10000000000
0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0
000001 10000
000001 10010
111110 11111
00000000000
00000000000
0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0
00000000000
00000001000
10 0 110 10 111
00000000000
01000000000
10000000000
000000001 10
00001000001
0001 1000000
00000000000
00001 100000
10000001000
00010001000
00010000000
00001000000
01 100000000
00000010000
00000001000
11100100111
00000000010
0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0
0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0
00000011100
0 0 10 10 10 10 1
00000000000
00000000000
1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
000001 10100
0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
00010010001
00000000000
00000000100
00011110011
Рис. 20.13. Сообщение, направленное в космическое пространство из обсерватории
в Аресибо, состоит из 1679 битов информации (см. рис. 3.10).
Межзвездная радио- н телевизионная связь
451
ства поймут, что в нем содержится ровно 1679 битов информации. А поче-
му именно 1679? Математики заметили бы, что это число является про-
изведением двух сомножителей: 23 и 73 и никаких других; 23 и 73-это
простые числа, которые не делятся ни на какие другие, кроме самих себя
и единицы, какой бы системой счисления мы ни пользовались. Это наво-
дит на мысль, что информация расположена в виде 73 колонок по 23 бита
в каждой или 23 колонок по 73 бита в каждой. Первый вариант не обра-
зует какой-либо примечательной картины, но второй приводит к интерес-
ному расположению, показанному на рис. 20.14, где мы заменили нули
черными, а единицы-белыми квадратиками, чтобы подчеркнуть различие
между ними. Картина выглядит явно неслучайной, и некоторый анализ
(скажем, в течение нескольких часов на лучшем компьютере, которым рас-
полагает цивилизация) выявил бы, что хотели сказать астрономы.
Верхняя часть послания дает урок системы счисления, которой поль-
зуются астрономы: здесь показаны числа от 1 до 10 в двоичной форме за-
писи вместе с метками, которые указывают, когда символ представляет со-
бой число. Поскольку двоичная система-это, пожалуй, простейший способ
записи чисел (хотя довольно знаменательно, что большая часть человече-
ства никогда не слышала о нем!), этот раздел послания может быть при-
знан за отправную точку.
Затем в послании приведена последовательность чисел 1, 6, 7, 8 и 15.
Эта последовательность кажется странной с чисто математической точки
зрения, значит, в ней что-то зашифровано. И действительно, мы обращаем
особое внимание адресатов на химические элементы с атомными номера-
ми 1, 6, 7, 8 и 15, расположив их в порядке возрастания числа протонов.
Это соответственно водород, углерод, азот, кислород и фосфор. Любой
получатель послания мог бы догадаться, что эти пять химических элемен-
тов имеют решающее значение для нас. (Заметим, что не все ставят фос-
фор в один ряд с водородом, углеродом, азотом и кислородом; как было
показано в гл. 8, первые четыре элемента гораздо важнее для нас, чем
пятый-фосфор.) Под ними мы находим 12 групп, каждая из которых со-
стоит из пяти чисел. Каждая из этих групп выражает химическую формулу
молекул, важных для жизни. Конкретные элементы (водород, углерод,
азот, кислород и фосфор) занимают те же места, что и в вышестоящей
группе. В число молекул включены четыре важнейших основания: тимин,
гуанин, аденин и цитозин (с. 179), а также фосфатная группа (РО4) и моле-
кула сахара дезоксирибозы.
Ниже на диаграмме-химическая структура ДНК, основной молекулы
жизни (с. 179). Схема двойной спирали охватывает число пар оснований
(около 4 млрд.) в одной человеческой хромосоме, основном носителе гене-
тической информации. Двойная спираль заканчивается на схематическом
изображении человека, что по замыслу авторов послания должно указы-
вать на связь между ДНК и разумными существами, передавшими посла-
29*
Межзвездная радио- и телевизионная связь
453
ние. Справа от фигуры человека видны линия, идущая от головы до ног,
и число 14 (в двоичной системе), т.е. высота человека должна составлять
14 единиц. Единственная единица длины, которая является общей для нас
и адресата,-это длина волны, переносящая послание, так что рост челове-
ка должен быть равен 14 х 12,6 см = 176 см. Слева от фигуры человека
записано число 4 109, т.е. численность рода человеческого в момент от-
правки послания (в действительности написанное число несколько отли-
чается от 4 109, потому что в двоичной системе округление производится
не так, как в десятичной).
Под фигурой человека мы видим схему Солнечной системы: Солнце
справа и девять планет слева от него. Третья планета (Земля) смещена
вверх относительно общего уровня, что указывает на ее особую роль; она
смещена по направлению к изображению человека, показывая тем самым,
что человек живет на Земле.
Наконец, под Солнечной системой помещено изображение телескопа,
действие которого иллюстрируется тем, что он «фокусирует» излучение
в центральную точку. Последняя строка говорит о размере радиотелеско-
па-2430 длин волн, или 306 м.
Неплохо для 1679 битов информации! Мы выразили (по крайней мере,
для себя) идею, что те, кто передал послание, умеют считать, для них край-
не важны некоторые химические элементы, а также некоторые молекулы,
состоящие из этих элементов, они придают большое значение какой-то
спирали, которая берет начало на центральной фигуре, по обе стороны
этого существа указаны его размер и численность, оно живет на третьей из
девяти планет какой-то планетной системы и строит радиотелескопы диа-
метром 306 м. Даже если адресат не сможет расшифровать все послание,
некоторые факты станут ясными для него: он поймет, что мы существуем,
располагаем информацией и хотим поделиться ею. Интенсивность реги-
стрируемого излучения придаст его источнику вид ярчайшей «звезды»
в Галактике на частоте послания во время прихода. Это укажет на высо-
кий технологический уровень развития.
Это послание, несомое радиоволнами со скоростью света, всего за час
ушло от Солнца дальше, чем «Пионер-10» за два с лишним года своего
Рис. 20.14. Если расположить 1679 битов в виде 23 столбцов по 73 бита в каждом
и по-разному раскрасить сигналы и паузы, то получится изображенная
здесь картина. 1-числа от 1 до 10, 2-метки чисел, 3-атомные номера
Н, С, N, О и Р, 4-химические формулы для сахаров и оснований в нук-
леотидах ДНК, 5-число нуклеотидов в ДНК, 6-двойная спираль ДНК,
7-человек, 8-рост человека, 9-численность населения Земли, 10-Со-
лнечная система, 11-радиотелескоп в Аресибо, передавший послание,
12 - диаметр радиотелескопа.
454
Глава 20
полета за пределы Солнечной системы*. К настоящему времени послание
прошло путь, превышающий расстояние до а Центавра **. Бели цивилиза-
ция вблизи одной из звезд шарового звездного скопления М13 примерно
через 25 000 лет примет наше послание и затем пошлет ответ, он придет на
Землю через 50000 лет. А пока нам остается гадать о том, сколько таких
посланий типа «Ау, где вы?» путешествует сейчас по нашей Галактике
и какое влияние на земную цивилизацию оказали бы опубликованные
в ежедневных газетах 1679 битов информации из другого мира. Приняли
бы мы эту публикацию за очередной кроссворд или большинство из нас
лишь задержали бы взгляд на странной фигуре в середине диаграммы?
Выводы
Поскольку мы пришли к выводу, что электромагнитные волны-это
лучший способ для цивилизаций найти друг друга и установить контакт,
нужно сформулировать ряд важных вопросов и правильные ответы на них,
прежде чем надеяться связаться с ближайшими соседями. Сначала нужно
выбрать наиболее подходящий диапазон. Из общих соображений следует,
что подходящий диапазон лежит в области радио, потому что излучение
в большинстве других спектральных областей (за исключением видимого
света) сильно поглощается в межзвездной среде; к тому же генерация ра-
диоизлучения обходится дешевле, чем видимого света. Какая именно ра-
диочастота будет использована для целенаправленных поисков-остается
загадкой, но эту загадку можно разгадать, если вспомнить, что частота из-
лучения атомов водорода 1420 МГц является наиболее характерной часто-
той во Вселенной, известной любой другой цивилизации, изучающей кос-
мос. Поэтому многие астрономы склоняются к выводу, что межзвездные
послания предпочтительнее передавать на частотах, близких к 1420 МГц (а
может быть, на частоте, кратной этой основной частоте или являющейся
простой дробью от нее). Если вода столь же важна для другой цивилиза-
ции, как и для нашей, то «водяная щель» между частотами 1420 (Н)
и 1612 МГц (ОН) представляет интерес для изучения.
Мы должны также решить вопрос о ширине полосы частот сигнала, ес-
ли хотим, чтобы наши поиски посланий от других цивилизаций были вы-
сокоэффективными. Кроме того, нужно выбрать полный диапазон частот,
в котором следует вести поиски и который включал бы частоты искус-
ственных сигналов.
* Передача этого послания обошлась примерно в 10000 раз дешевле, чем за-
пуск «Пионера-10».
*♦ Разумеется, послание движется совсем в другом направлении: к Геркулесу,
а не к а Центавра.
Межзвездная радио- н телевизионная связь
455
Если другие цивилизации рассуждают так же, как и мы, и имеют при-
мерно такой же объем знаний, то у нас есть хорошие шансы принять по-
слания, переданные ближайшими цивилизациями, при условии, что мы бу-
дем вести поиски вблизи наиболее подходящих соседних звезд на наиболее
подходящих частотах и при наиболее подходящей ширине полосы частот.
Люди уже отправили несколько посланий в космическое пространство
с едва ли встретившим единодушное одобрение намерением объявить
о нашем существовании любой цивилизации, которая перехватит его. Эти
послания могут быть расшифрованы любой цивилизацией с таким же
уровнем интеллекта как у нас. Всего нескольких тысяч битов информации
достаточно, чтобы сообщить другой цивилизации основы биохимии, место-
нахождение, численность населения, физические размеры и внешний вид
отправителей.
Даже если другие цивилизации не намерены передавать послания,
имеющие своей целью выдать их существование, они, вероятно, как и мы,
используют радиоволны для нужд местной связи. Тогда некоторая доля
этого радиоизлучения неизбежно «ускользает» в космическое простран-
ство. Хотя «подслушивание»-гораздо более сложная задача, чем обнару-
жение и анализ сигнала, предназначенного для межпланетной связи, мы се-
годня в состоянии построить антенную систему, способную зарегистриро-
вать внутренние переговоры цивилизации, подобной нашей, затерянной
где-то среди миллионов ближайших звезд. Хотя нам не удастся понять со-
держание радиопередач или каких-либо других сообщений, простое обна-
ружение другой цивилизации таким методом имело бы глубокие послед-
ствия для человечества.
Вопросы
1. Почему мы считаем, что наша Галактика вполне может содержать сообще-
ство цивилизаций, установивших контакт друг с другом?
2. Около каких звезд с наибольшей вероятностью могут существовать планеты
с развитыми цивилизациями? Почему?
3. Почему радиоволны более удобны для межзвездной связи, чем излучение
других частот?
4. Что такое «водяная щель»? Почему некоторые астрономы полагают, что
в этом диапазоне могут осуществляться межзвездные радиопередачи?
5. Почему для обнаружения других цивилизаций путем «подслушивания» тре-
буются более чувствительные системы, чем для непосредственной связи с известной
цивилизацией?
6. Как отличить планету с примерно такой же сетью радиовещания, как на
Земле, от естественного источника радиоизлучения типа пульсара?
7. Свет и радиоволны распространяются со скоростью 300000 км/с. Сколько
времени понадобилось радиопосланию, переданному из Аресибо в 1974 г., чтобы
обогнать космический адпарат «Пионер-10», который уже был в пути в течение
456
Глава 20
двух лет и двигался со скоростью 10 км/с? Что это говорит нам об относительных
достоинствах космических аппаратов и радиопосланий?
8. Предположим, что принято послание от другой цивилизации, которое со-
стоит из импульсов типа «включено»-«выключено», причем их последовательность
повторяется через каждые 2117 импульсов. С чего бы вы начали интерпретацию
этого послания? Сколько существует способов такой интерпретации?
Литература
Billingham J., ed. Project Cyclops: A design study of a system for detecting
extraterrestrial intelligent life, NASA/Ames Publ. CR114445, Moffett Field, Calif.,
1973.
Morrison Ph., Billingham J., Wolfe J., eds. SETT: The search for extraterrestrial
intelligence, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1978.
Ridpath 1. Worlds beyond: A report on the search for life in space, Harper and Row,
New York, 1978.
Sagan C., ed. Communication with extraterrestrial intelligence, The M. I. T. Press,
Cambridge, Mass., 1973. [См. перевод в книге: Проблема CETI (Связь с вне-
земными цивилизациями).-М.: Мир, 1966.]
Wetherill Ch., Sullivan W. III. Eavesdropping on the Earth, Mercury, 8, 8 (March/April),
2, 1979.
Научная фантастика
Gunn J. The listeners, Charless Scribner’s Sons, New York, 1972.
Hoyle F., Elliott J. A for Andromeda, Harper and Row, New York, 1962. (Имеется пере-
вод: Хойл Ф., Эллиот Дж. Андромеда-М.: Мир, 1966.)
Посещалась ли Земля
космическими пришельцами?
Глава 21
Три предыдущие главы были посвящены проблеме обнаружения других
цивилизаций и установления связи с ними. Человеку по своей природе при-
суща склонность не тратить усилий понапрасну, поэтому законно сказать:
«Пусть они ищут нас. Зачем расходовать столько времени и средств на
передачу посланий или на «подслушивание» их радиопередач, если нам,
может быть, просто достаточно открыть глаза, чтобы увидеть следы при-
сутствия внеземных пришельцев на Земле?»
Ясно, что если бы мы могли общаться с внеземными цивилизациями
здесь на Земле, то не нужно было бы отправляться в межзвездные путеше-
ствия или направлять послания в бескрайние просторы космоса. Однако
у нас нет убедительных свидетельств того, что Землю посещали или посе-
щают в настоящее время представители каких-либо инопланетных цивили-
заций. Сообщения о таких посещениях лишний раз подтверждают устойчи-
вую веру людей в какое-то особое место, которое мы занимаем, поэтому
инопланетянам непременно следует совершить «инспекторский объезд»,
а может быть, даже прибыть к нам на продолжительный отдых. Но как бы
мы ни воспринимали сообщения о внеземных пришельцах, нельзя не пора-
жаться уверенности, с которой люди не только предполагают, что «мы не
одни», но и считают, что кто-то другой должен взять на себя тяжкий труд
по преодолению космических расстояний*.
На вопрос о том, какие существуют свидетельства посещений Земли
инопланетянами, мы можем ответить, что первым и наилучшим свидетель-
ством был бы настоящий пришелец, представший перед толпами людей
и готовый к беседе. За последнее время такие посетители не появлялись на
Земле, хотя отдельные лица, утверждают, что побывали у инопланетян.
Вторым лучшим свидетельством визитов инопланетян было бы обнаруже-
ние какого-либо механизма явно внеземного происхождения, к примеру,
антигравитационного двигателя или межзвездного космического корабля.
* Хотя есть люди, которые утверждают, что совершались путешествия между
Землей и Венерой, Марсом и другими планетами, по мнению авторов эти утвер-
ждения не заслуживают детального изучения.
30-485
458
Глава 21
Таких материальных свидетельств также не существует, хотя некоторые
шарлатаны утверждали и утверждают обратное. Третьим лучшим свиде-
тельством были бы не вызывающие сомнений фотографические и спектро-
скопические документальные свидетельства о прохождении вблизи земной
поверхности космического корабля, способного к межзвездным полетам.
Поскольку астрономы к настоящему времени сделали тысячи и тысячи
снимков небесной сферы, а геологи-земной поверхности, отсутствие на
этих снимках чего-либо, что напоминало бы космический корабль инопла-
нетян, свидетельствует против внеземных пришельцев, по крайней мере,
таких, которые путешествуют в космических кораблях, поддающихся фо-
тографированию. На некоторых из этих снимков есть изображения, ко-
торые трудно объяснить явлением метеоров, но это очень далеко от фото-
графического подтверждения присутствия инопланетного космического
корабля ♦.
В качестве свидетельства часто используются сообщения «очевидцев»,
которые утверждают, что видели внеземных пришельцев или их космиче-
ский корабль. Но эти сообщения всегда неточны, особенно если наблюда-
тель находится в состоянии возбуждения, и чем необычнее наблюдаемое
явление, тем сильнее преувеличения. Чтобы проверить некоторые сообще-
ния людей, утверждающих, что они видели НЛО (неопознанные летающие
объекты), придется на время забыть о первой, второй и третьей лучших
возможностях для проверки сообщений о посещении Земли инопланетяна-
ми и иметь дело лишь с показаниями «очевидцев» со всей их противоречи-
востью и путаницей.
Для этого необходимо тщательно проанализировать все разнообразные
типы сообщений об НЛО, расспросить известных и потенциальных свидете-
лей, попытаться рассмотреть возможные естественные объяснения (напри-
мер, планеты, облака и птицы) и возможные искусственные объекты, соз-
данные человеком (отражения солнечного света от метеорологических
зондов и самолетов, ИСЗ, необычные бортовые огни самолетов), и т.п.
Это трудоемкая работа, часто неблагодарная и наводящая уныние, особен-
но когда сообщения об НЛО оказываются неумными выходками «шутни-
ков». Поэтому неудивительно, что лишь немногие ученые направляют свои
усилия на изучение того, что они считают относящимся главным образом
к сфере деятельности социологов и психологов. Кроме того, большинство
ученых не имеют опыта анализа явлений, в которых решающую роль
играют показания случайных свидетелей. Один из наиболее известных
и самых серьезных исследователей сообщений о наблюдениях НЛО-Фи-
лип Класс, главный редактор американского журнала “Aviation Week and
* Ниже мы обсудим так называемую «теорию секретности», согласно которой
такие данные существуют, но сохраняются в строжайшей тайне. z
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
459
Space Technology”. В нашем изложении мы будем широко использо-
вать данные, собранные Классом, для объяснения наиболее интересных со-
общений об НЛО.
Два сообщения об НЛО
В качестве примера рассмотрим сообщения пилотов, которые утвер-
ждают, что видели НЛО 24 июля 1948 г., совершая полет на самолете ком-
пании «Истерн Эрлайнз» DC-3, неподалеку от г. Монтгомери, шт. Алаба-
ма. Это наблюдение имело место через год после первого послевоенного
сообщения об НЛО, сделанного пилотом Арнольдом, который заявил, что
видел таинственные летающие диски недалеко от горы Рейнир. Именно
после наблюдения Арнольда 1947 г. появился термин «летающие тарелки»,
который с тех пор неразлучен с сообщениями об НЛО. Через шесть меся-
цев после первого всплеска сообщений о летающих тарелках, последовав-
шего за сообщением Арнольда, капитан военно-воздушных сил Ментелл
потерпел катастрофу во время погони на своем реактивном самолете за
гигантским НЛО, который был, вероятно, военным воздушным шаром но-
вого образца. Трагический случай с Ментеллом, который почти наверняка
был результатом того, что он не воспользовался кислородной маской при
подъеме на большую высоту во время погони за неопознанным объектом,
породил сенсационные слухи, что летающие тарелки способны нести ги-
бель тем, кто их преследует. Это зловещее предположение, широко подхва-
ченное прессой, очевидно, жило в сознании многих пассажиров и экипажа
лайнера DC-3 «Истерн Эрлайнз».
Самолет летел на восток в ранние предрассветные часы на высоте
1500 м; командир корабля и второй пилот видели перед собой ночное не-
бо, освещенное почти полной Луной, и несколько рваных облаков. Неожи-
данно члены экипажа заметили объект, который они приняли за гигант-
ский реактивный лайнер. Он двигался с востока и прошел мимо на
расстоянии, по оценкам, около 200 м со скоростью 800-1100 км/ч. Оба пи-
лота впоследствии утверждали, что объект имел два ряда иллюминаторов,
которые казались освещенными изнутри; командир корабля заявил: «Че-
рез иллюминаторы, казалось, можно было видеть насквозь». По мнению
обоих пилотов, длина объекта составляла около 30 м, а ширина 8-9 м
(рис. 21.1). Он прошел мимо всего за 10 с; этого времени было достаточно,
чтобы хорошо его рассмотреть, но недостаточно, чтобы разбудить других
потенциальных свидетелей. Один из пассажиров сообщил, что заметил по-
лосу света. С другого самолета, находившегося поблизости, в то же самое
время видели что-то вроде инверсионного следа самолета.
Оба пилота видели ряды иллюминаторов на НЛО и оба отвергли
предположение, что наблюдали метеор. Более того, командир корабля ска-
зал, что НЛО «застыл в воздухе, из его хвостовой части вырвалась гигант-
30*
460
Глава 21
ская вспышка пламени и он взмыл вверх в облака». Военно-воздушные
силы США приложили немало усилии к исследованию возможных объяс-
нений этого случая. Один из консультантов ВВС, доктор Хайнек полагал,
что «субъективное впечатление авиалайнера с освещенными иллюминато-
рами мог вызвать след яркого метеора». Но исследователям казалось, что
пилоты не могли настолько заблуждаться, чтобы принять метеор за лета-
тельный аппарат с двумя рядами иллюминаторов.
Однако 20 лет спустя, ночью 3 марта 1968 г., по утверждению трех «за-
служивающих доверия очевидцев» из Теннесси, они наблюдали подобное
явление с земли. К ним приблизилось яркое пятно света, из хвостовой ча-
сти которого вырывалась струя оранжевого пламени, и прошло над их го-
ловами на высоте, которая, по мнению трех наблюдателей, составляла
300 м или меньше. НЛО проплыл мимо в полной тишине («как толстая си-
Рис. 21.1. На этих зарисовках, сделанных командиром корабля Чайлзом и вторым
пилотом Уиттедом, показан НЛО, который они якобы видели во время
полета на самолете DC-3 недалеко от Монтгомери, шт. Алабама, 24 ию-
ля 1948 г. Обратите внимание, что зарисовки заметно различаются.
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
461
тара»- сказал один из очевидцев); объект, по их утверждению, имел не ме-
нее десяти больших квадратных окон, которые казались освещенными из-
нутри (рис. 21.2). Обсудив увиденное, наблюдатели пришли к выводу, что
объект мог быть или секретным военным самолетом, или внеземным кос-
мическим кораблем.
Оказалось, что тот же НЛО видели шесть человек в шт. Индиана, т.е.
на 300 км севернее, которые также разглядели сигарообразный объект
с множеством ярко освещенных окон (рис. 21.2). Наблюдатели утверждали,
что объект имел длину 45-60 м и прошел беззвучно на уровне верхушек
деревьев. Другие свидетели в шт. Огайо, «полностью заслуживающие до-
верия», видели уже три подобных объекта, также двигавшихся бесшумно.
Женщина-свидетель, утверждала, что ее собака в это время начала испу-
ганно взвизгивать, а сама она почувствовала неодолимую тягу ко сну.
Как выяснилось впоследствии, в ночь накануне наблюдений была запу- .
щена многоступенчатая ракета-носитель для вывода на орбиту искусствен-
ного спутника. Следующей ночью одна из ступеней ракеты упала на
Землю, сгорая в атмосфере как искусственный метеор. Американские ра-
диолокаторы следили за этим объектом, и нет сомнений, что отброшенная
ступень пролетела на высоте нескольких десятков километров над наблю-
дателями.
Из случая 1968 г. можно заключить, что неспециалисты, хотя и заслу-
живающие доверия, не могут достаточно точно описать увиденное; недове-
рие. 21.2. Через 20 лет после наблюдения 1948 г. отброшенная ступень многосту-
пенчатой ракеты-носителя, сгоревшая в верхней атмосфере, была вос-
принята как НЛО с цепочкой освещенных иллюминаторов наблюдателя-
ми в Теннесси (верхняя зарисовка) и в Индиане (нижняя зарисовка).
462
Глава 21
Рис. 21.3. Эти световые пятна являются фрагментами большого метеорита, ко-,
торый разрушился при прохождении через атмосферу Земли.
ческое сознание приписывает объекту детали, которые он «должен» иметь,
чтобы соответствовать сложившимся представлениям. Наше сознание
обращается к прошлому опыту при объяснении того, с чем мы встречаем-
ся: если мы видим странные светящиеся объекты, движущиеся в небе, то
можем увидеть у них иллюминаторы, если мы не слышим шума от объек-
та, напоминающего фюзеляж самолета, то это должен быть космический
корабль. Сонная женщина, прогуливавшая собаку, постоянно носила с со-
бой фонарь, чтобы подать сигнал азбукой Морзе экипажу НЛО, если воз-
никнет такая необходимость. Таким образом, ее тяга ко сну могла возник-
нуть от радости, что она наконец увидела внеземной космический корабль,
а ее собака могла отреагировать на душевное состояние хозяйки или стра-
дать от холода (— 5°С), так как, по словам хозяйки, собака плохо перено-
сила холод. Совершенно очевидно, что на рассказ о происшедшем сильно
повлияли предубеждения женщины.
Рис. 21.4. Эти фотоснимки, на которые часто ссылаются как на наиболее убеди-
тельное свидетельство того, что НЛО являются инопланетными косми-
ческими кораблями», были сделаны недалеко от Мак-Минвилла, шт.
Орегон, в мае 1950 г. Снимки сделал муж женщины, которая утверждала,
что несколько раз видела НЛО, но ей никто не поверил.
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
463
Случай 1948 г., который почти в точности совпадает с наблюдениями
1968 г., по-видимому, объясняется явлением метеора. Это тем более ве-
роятно, что на 24 июля приходится максимум хорошо известного метеор-
ного потока 8 Акварид. Здесь вновь человеческий мозг мог интерпретиро-
вать незнакомое явление с помощью привычных представлений, поместив
метеор на расстоянии нескольких сотен метров вместо нескольких десят-
ков километров и приняв за ряд освещенных иллюминаторов серию вспы-
шек при разрушении и сгорании метеорита в атмосфере (рис. 21.3). Не
имея фотографий, невозможно сделать уверенные выводы. Разумеется, ди-
скуссия не прекратилась бы и при наличии фотоснимков (рис. 21.4), но тогда
мы по крайней мере обсуждали бы реальные факты, а не сообщения
случайных очевидцев со всеми заблуждениями, которые возникают при
интерпретации чужих наблюдений.
Лаббокские огни
Жаркой ночью в августе 1951 г. три профессора Техасского университе-
та, сидя в одном из университетских скверов, смотрели на небо, пытаясь
считать метеоры. Все трое преподавали естественно-научные или техниче-
ские дисциплины. Внезапно они увидели 15 или 20 бледных желтовато-
белых огней, перемещавшихся с севера на юг. Через час появилась другая
группа движущихся огней в виде полукруга. Около полуночи, через два
с лишним часа после первого наблюдения, над их головами прошла третья
группа огней.
По оценкам трех ученых, высота огней составляла 15000 м, а скорость
8 км/с. Они позвонили в редакцию газеты «Лаббок Ивнинг Эвеланш», и их
наблюдения стали известны всей стране под названием «лаббокских ог-
ней». Правда, последующие исследования самих профессоров раскрыли эту
тайну.
Что же это были за таинственные огни, которые, как казалось, двига-
лись быстрее самолетов? Это были птицы! Стаи ржанок, освещенных све-
том установленных в Лаббоке уличных ртутных светильников, казалось,
летели на высоте не 300 м (на которой они обычно летают), а 15000 м, по-
этому оценки скорости превышали истинную скорость в 50 раз. (В дей-
ствительности скорость, должно быть, завышалась почти в 500, а не в 50
раз.) Если профессора университета могли сделать такую ошибку, то едва
ли следует удивляться, что большинство людей ошибаются точно так же.
Мы просто не можем определить высоту, а значит, и скорость неизвестно-
го объекта. Если вы услышите, что кто-то говорит: «Это было на расстоя-
нии полутора километров», или «Это было на расстоянии ста метров», об
объекте, который он видел в небе, вы вправе задать вопрос: «Откуда вы
знаете?». Обычно оказывается, что ответ подсказан жизненным опытом,
а не получен с помощью каких-либо научных методов измерения.
464
Глава 21
Венера в Джорджии
Осенью 1967 г. полицейские более чем в десяти пунктах шт. Джорджия
(США) сообщили о наблюдениях НЛО. Первый типичный случай имел ме-
сто в ранние часы 20 октября, когда полицейский увидел «ярко-красный
светящийся объект, похожий по форме на футбольный мяч», вблизи линии
горизонта и преследовал его со своим напарником в патрульном автомо-
биле на протяжении почти 12 км. Затем они потеряли НЛО из виду, но,
вернувшись в Милледжвилл, вновь увидели его! По словам полицейских,
объект был таким ярким, что при его свете они могли видеть стрелки
своих часов. В полицейском участке к ним присоединился третий полицей-
ский, и все трое заметили, что НЛО поднялся выше. Они наблюдали в те-
чение получаса, и за это время НЛО изменил свой цвет с ярко-красного на
оранжевый, а затем на белый, поднялся выше по небосводу и стал напоми-
нать «звезду».
Рапорт полицейских разжег интерес к НЛО во всем штате, и на
рассвете следующего дня на востоке были замечены уже два ‘НЛО вместо
одного. На четвертую ночь полицейским в их «охоте» помогал самолет,
с которого также видели НЛО и другой более слабый объект на востоке
над линией горизонта. Казалось, что оба объекта удалялись и двигались
вверх, когда самолет преследовал их в восточном направлении. Полицей-
ские в других городах штата Джорджии докладывали о наблюдениях, по-
добных наблюдениям в Милледжвилле; в течение нескольких недель
сообщения об НЛО поступали со всей центральной Джорджии.
Так вот, эти наблюдения были связаны с предутренним восходом Ве-
неры, которая была тогда особенно яркой и сопровождалась более слабой
планетой-Юпитером! Хотя Венеру нередко принимали за НЛО, число на-
селенных пунктов в шт. Джорджия, откуда одновременно поступили сооб-
щения о Венере в 1967 г., было рекордным. Это естественно, если учесть,
что одно сообщение обладает способностью стимулировать другие. Для
Венеры, как и для любого небесного светила, конечно, характерно то, что
наблюдателю всегда кажется, будто объект «удаляется», когда он прибли-
жается к нему, и следует за ним, куда бы наблюдатель ни двигался. Сооб-
щение полицейских о том, что они могли видеть стрелки часов при свете
Венеры, объясняется тем, что Венера-поразительно яркий объект, иногда
достаточно яркий, чтобы давать тени, к тому же волнение при виде «явно-
го НЛО» легко может привести к преувеличению яркости объекта.
Приземление в Сокорро
24 апреля 1964 г. полицейский Замора из Сокорро (шт. Нью-Мексико,
США) преследовал превысившего скорость водителя, когда услышал
страшный грохот и увидел столб пламени в небе над столовой горой на
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
465
расстоянии менее 1,5 км. Замора погнал свой автомобиль по крутой доро-
ге на вершину горы и увидел «сверкающий объект и двух людей во всем
белом» поблизости. Замора остановил автомобиль примерно в 30 м от
объекта, вышел из кабины и услышал «странный грохот»; при этом объект
медленно поднялся над вершиной горы, изрыгая струю пламени. Когда За-
мора бежал обратно к машине, у него разбились очки, однако он слышал
короткий, резкий вой и видел, как НЛО летел на юго-восток.
Замора сделал по памяти зарисовки НЛО. На его рисунках объект вы-
глядел, как большое яйцо на подставках, причем Замора нашел четыре от-
печатка на земле, а также признаки сожженной растительности. Главный
консультант военно-воздушных сил по НЛО Хайнек расспросил Замору и
нашел его «в основном искренним, честным и заслуживающим доверия».
Как отнестись к сообщению Заморы? С одной стороны, он утверждал,
что видел нечто совершенно необычное. С другой стороны, данные, под-
тверждающие наблюдения Заморы,-небольшие отпечатки и небольшие
следы сожженной растительности-вовсе нельзя назвать убедительными,
если основываться только на них. Более того, как установил Класс, чело-
век, который жил в 300 м к югу от «места посадки», был дома и не слы-
шал ничего, хотя двери и окна были открыты.
Случай в Сокорро важен, потому что его обычно упоминают среди
«наиболее заслуживающих доверия» случаев, которые служат доказатель-
ством посещений Земли инопланетянами. Хотя сообщение Заморы выгля-
дит загадочным, никакой суд не признал бы его достоверным в качестве
свидетельского показания. Как и в других случаях с большинством «луч-
ших» наблюдений НЛО, свидетельства почти целиком состоят из показа-
ний очевидцев, в данном случае одного лица, показания которого к тому
же расходятся с показаниями других лиц.
Трудности проверки гипотезы
инопланетного
космического корабля
Можно подытожить наиболее известные сообщения об НЛО так: они
убедительны не в большей и не в меньшей степени, чем случай в Сокорро.
Есть более захватывающие сообщения, но вопрос о том, можно ли дове-
рять их авторам, остается открытым. Столь волнующая проблема, как
возможность посещений Земли инопланетянами, неизбежно отягощена
долей лжи, шарлатанства и мистификаций, и все это в избытке содержится
в сообщениях об НЛО. Дотошный исследователь может опровергнуть
ложные показания, и многие мистификаторы действительно были разобла-
чены. Остаются немногие случаи, подобные случаю в Сокорро, в которых
дострверность сообщения как точного описания того, что наблюдатель,
как ему казалось, видел, выглядит довольно убедительно. Как мы уже
466
Глава 21
указывали, трудность здесь в том, что человеческое сознание неизменно
старается наложить на запечатлевшиеся в нем сцены свои представления.
Даже если об одном и том же случае сообщает группа людей, они мо-
гут влиять друг на друга и даже могут прийти к общему варианту интер-
претации; мы видели это в случае с падением ракетной ступени. Подобные
утверждения встречаются во многих сообщениях об НЛО, представленных
двумя или несколькими людьми, часто близкими родственниками*. Ясно,
что свидетельства очевидцев сами по себе никогда не могут подтвердить
или опровергнуть то или иное сообщение. Проблема интерпретации осо-
бенно обостряется, когда мы имеем дело со странными объектами в небе,
потому что многие незнакомы с естественными небесными явлениями, от-
сюда многочисленные сообщения о Венере как об НЛО.
Классификация сообщений об НЛО
Одно мы можем сделать уже сейчас-классифицировать сообщения
о неопознанных летающих объектах. Этот полностью научный подход ва-
жен для всех аспектов спора о внеземных пришельцах. Более того, во мно-
гих научных исследованиях классификация данных сама по себе помогала
решению проблемы. В конце 1950-х годов профессор Хайнек подразделил
сообщения об НЛО на шесть категорий:
1. Ночные объекты: яркие огни, увиденные ночью.
2. Дневные объекты: обычно овальные или круглые диски.
3. Радиолокационные сигналы: обнаруживаются радиолокаторами.
4. Близкие встречи первого типа: визуальные наблюдения неопоз-
нанных объектов.
5. Близкие встречи второго типа: визуальные наблюдения плюс мате-
риальные следы живых существ и различных предметов.
6. Близкие встречи третьего типа: наблюдения «пришельцев» внутри
или вблизи НЛО.
С помощью этих категорий Хайнек классифицировал сообщения, ко-
торые попадали к нему как во время его службы в качестве консультанта
военно-воздушных сил США по НЛО, так и позднее, когда он покинул
этот пост и основал Центр изучения НЛО. Уже будучи на новой работе,
Хайнек заявил об имевших место в ведомстве военно-воздушных сил слу-
чаях «сокрытия фактов».
* Примером подобного эффекта является знаменитое наблюдение НЛО (ве-
роятно, планет Венеры и Юпитера) в Новой Гвинее в 1959 г., в котором участвова-
ли миссионер англиканской церкви и еще 37 человек. Позднее 25 из 37 очевидцев
подписали сообщение проповедника, но вряд ли их свидетельства можно считать
независимым подтверждением, не говоря уже о том, что остается неясным, знали
ли они, что подтверждают.
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
467
Заслуживает внимания тот факт, что в перечень Хайнека не включены
«близкие встречи четвертого типа», т.е. реальные физические контакты
с членами экипажа НЛО. (Психолог Вассерман в шутку назвал их вечерин-
ками с обменом номерами телефонов и танцами!) Иными словами, если
исключить утверждения, обусловленные, скорее всего, эмоциями, то близ-
кие контакты ограничиваются близкими встречами третьего типа. Это на-
водит на мысль, что либо нормального человеческого воображения недос-
таточно для описания физических контактов, либо пришельцы избегают
столь тесных контактов.
Из сообщений о трех типах близких контактов Хайнек вывел общую
закономерность: менее необычные случаи сопровождаются сообщениями,
заслуживающими большего доверия, и наоборот. Иными словами, неко-
торые сообщения кажутся не только весьма странными (например, летаю-
щая тарелка приземлилась на кукурузном поле), но и малоправдоподобны-
ми (например, свидетелем этого события был лишь один человек с плохим
зрением). Другие сообщения не очень необычны (например, в небе появил-
ся странный светящийся объект, который затем начал двигаться все бы-
стрее и исчез), но выглядят гораздо правдоподобнее (например, если пять
надежных свидетелей описывают все происходившее как одну цепь собы-
тий). Исключение составляют случаи, которые весьма необычны и в то же
время весьма правдоподобны.
Первые три из шести категорий Хайнека: ночные огни, дневные
объекты и радиолокационные сигналы-это обычные явления, отличаю-
щиеся друг от друга главным образом степенью неожиданности для наб-
людателя. Большинство ночных огней-это самолеты, метеоры и планеты,
причем ведущую роль здесь играет чрезвычайная яркость Венеры.
Дневные диски на деле оказываются небольшими дирижаблями, метеоро-
логическими воздушными шарами или облаками. С целью мистификаций,
особенно в дни после сообщения об НЛО, часто запускаются воздушные
шары, освещенные свечами или покрытые алюминиевой фольгой. После-
дующие разоблачения этих мистификаций редко освещаются органами
массовой информации столь же широко, как первоначальное сообщение.
Наконец, ложные радиолокационные отражения остаются общей пробле-
мой для всех операторов радиолокационных станций. Само по себе радио-
локационное обнаружение каких-то объектов в стороне от воздушных
трасс никак не служит доказательством появления внеземных космических
кораблей: эти сигналы могут создаваться стаями птиц и насекомых, бы-
вают также сигналы, которые операторы называют «ангелами»-они
объясняются аномальным распространением радиоволн.
Это обсуждение, конечно, не доказывает, что все сообщения, об НЛО
имеют простое и естественное объяснение или что все наблюдатели оши-
баются. Однако множество случаев, когда причиной сообщений об НЛО
468
Глава 21
были естественные или искусственные объекты, показывают, что вероят-
ность ошибки велика, если сообщение целиком основывается на расска-
зе свидетеля о том, что он видел.
Аргументы в пользу гипотезы
космических кораблей
Без четких документальных или материальных свидетельств, сторонни-
кам гипотезы внеземных пришельцев трудно доказать, что Землю посе-
щают представители других цивилизаций. Сторонники указанной гипотезы
обычно придерживаются следующих аргументов:
1. Число цивилизаций в нашей Галактике, если даже не принимать во
внимание другие галактики, может быть огромным (см. с. 392).
2. Даже если большинство этих гипотетических цивилизаций не про-
являют интереса или склонности к космическим полетам, некоторые из
них должны обладать желанием и располагать средствами для таких
полетов.
3. Поскольку более развитая цивилизация должна располагать неве-
роятно сложной технологией, то, решив посетить Землю, она может по-
слать сколько угодно космических кораблей и использовать их с большим
искусством.
4. Отсюда наиболее вероятным объяснением таинственных объектов,
появление которых мы не можем объяснить естественными причинами,
являются многократные посещения Земли инопланетянами.
Немногие астрономы стали бы оспаривать п. 1 и 2. Что касается п. 3,
то, как мы уже видели, из научного анализа следует, что для осуществле-
ния космического полета всегда необходима энергия. Поэтому если согла-
ситься с п. 3, то придется допустить, что другой цивилизации известна чу-
десная тайна, которой не знаем мы, и сделать вывод (хоть как-то
обосновывающий п. 4), что для внеземных цивилизаций в области косми-
ческих полетов нет никаких ограничений. Но это не так. Приведем такие
цифры: если в нашей Галактике существует миллион цивилизаций, то
лишь вблизи одной из 400000 звезд может быть цивилизация. Иными сло-
вами, хотя число цивилизаций велико, число звезд все же намного больше.
Тогда если, например, одна из 100 цивилизаций решила бы серьезно изу-
чить свои окрестности, то в Галактике было бы 10000 таких любозна-
тельных цивилизаций-одна на каждые 40 млн. звезд. Отсюда следует вы-
вод, что Землю едва ли посещают инопланетяне (даже если бы они
считали, что стоит тратить усилия на космические путешествия), включив
эти посещения в общую программу исследований, просто потому, что чис-
ло звезд намного превосходит число цивилизаций, проводящих исследова-
ния. Чтобы объяснить множество сообщений об НЛО, поступающих еже-
годно, с помощью гипотезы внеземных космических кораблей, пришлось
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
469
бы предположить, что мы на Земле делаем нечто особенное, привлекаю-
щее внимание всей Галактики.
Что же особенного мы делаем? Выглядят ли ядерные взрывы на Земле
как свидетельство нашей разумности? Едва ли, скорее как свидетельство
опасной глупости, пока не слишком опасной для них: ведь мы еще не мо-
жем добраться до других цивилизаций. Заражения окружающей среды?
Может быть, но пока мы загрязняем лишь нашу собственную Солнечную
систему. Одним словом, у нас нет оснований думать, что человечество за-
служивает особого внимания, и тем самым согласиться с тем, что тысячи
или даже миллиона цивилизаций достаточно для объяснения большого
числа наблюдений НЛО на Земле.
Если бы НЛО действительно представляли собой космические корабли
других, более развитых цивилизаций, собирающие информацию о Земле,
то естественно было бы ожидать, что они должны наблюдаться над всей
нашей планетой во время изучения различных земных ландшафтов и форм
жизни. Тогда наблюдения внеземных космических кораблей и их обитате-
лей были бы доступны одновременно многим людям по всему свету.
С другой стороны, если НЛО представляют собой лишь неверную интер-
претацию естественных явлений жителями высокоразвитых стран, то, ско-
рее всего, люди в других странах, не знакомые с сообщениями органов
массовой информации об НЛО, не будут вообще ничего знать об этих
объектах. Группа людей, даже не подозревающая о публикациях сообще-
ний об НЛО в США, Западной Европе и Советском Союзе, не была бы за-
ранее настроена на то, что необычные небесные объекты, возможно,
являются посланцами других цивилизаций. Увидев необычные огни в небе,
такие люди, вероятно, предположили бы, что эти огни обусловлены есте-
ственными явлениями. В противном случае им пришлось бы придумать
другое объяснение, и, если они никогда не слышали об НЛО, они бы удо-
влетворились, объяснив свои наблюдения земными причинами. Во всяком
случае, они, по-видимому, никогда не сталкивались бы с НЛО типов 2-6
по классификации Хайнека (с. 466)!
Где же найти такую группу людей среди слишком тесно связанных
обитателей нашей планеты? Примерно 900 млн. китайцев могут не знать
о возбуждении, которое охватывает остальную часть мира при появлении
сенсационных сообщений о визитах маленьких человечков (всегда мужчин,
а почему не женщин?) на летающих тарелках и похищении ими жителей
Земли. Ясно, что группа социологов могла бы выполнить плодотворное
исследование, сопоставив китайский опыт наблюдений НЛО с западным.
Пока лишь отметим, что при обсуждении этого вопроса с китайскими спе-
циалистами по космическим исследованиям выяснилось, что ни один из
них никогда не слышал каких-либо сообщений о наблюдениях НЛО в Ки-
тае, хотя сами эти специалисты знали об интересе к данной проблеме на
западе. Можно сделать предварительное заключение, что различные об-
470
Глава 21
щества совершенно по-разному интерпретируют одни и те же явления.
Или, может быть, внеземные пришельцы обходят Китай стороной, потому
что там никто не интересуется ими?
Некоторые выводы об НЛО
Какие же выводы следуют из нашего обсуждения НЛО? Во-первых,
многие люди, не знакомые с тем, как выглядят планеты, могут быть вве-
дены в заблуждение Венерой, Марсом и Юпитером. Эти планеты бывают
исключительно яркими, особенно когда находятся на минимальном рас-
стоянии от Земли; если они видны в просветах между облаками, то может
показаться, что они испускают луч света или отбрасывают тень. Более то-
го, если в сознании наблюдателя возникнет мысль, что объект преследует
его, то, конечно, Венера, Марс или Юпитер будут гнаться за ним по пятам,
как бы наблюдатель ни пытался уйти от них. Одна лишь Венера породила
больше сообщений об НЛО (особенно летом, когда люди по вечерам
дольше остаются на улице), чем все другие естественные объекты вместе
взятые.
Во-вторых, с течением времени увиденное постепенно забывается, по-
этому наблюдатель должен описать увиденное как можно быстрее, пока
детали события не исчезли из памяти. Даже один день может сыграть
много шуток с человеческой памятью.
Третий вывод, основанный на изучении сообщений об НЛО, следует из
упомянутого выше факта «сокрытия» сведений об НЛО. Возможная заин-
тересованность в этом правительства США (или других стран) вовсе не оз-
начает, что у них есть, что скрывать. Напротив, как показывают приве-
денные примеры, такой способ едва ли оправдан, так как сами факты
могут оказаться тривиальными. Поэтому даже если допустить, что внезем-
ной космический корабль действительно приземлился бы в каком-то отда-
ленном районе, то попытка это скрыть скорее свидетельствовала бы о не-
компетентности, неправильных суждениях или инертности администрации.
Это, в частности, объясняет, почему большинство ученых в США не при-
дает большого значения мнению правительства об НЛО.
Разумеется, сама эта позиция ученых не означает, что они о чем-то со-
знательно умалчивают, а просто свидетельствует о том, что они на-
строены скептически. Но если попытаться довести рассуждения до абсурда,
то вначале можно было бы предположить, что военные знают все об НЛО
и даже уже установили контакт с инопланетянами, но по каким-то при-
чинам скрывают это от нас, затем, что об этом известно некоторым
ученым и что даже эта книга, к примеру, написана по приказу иноплане-
тян, несмотря на ее местами скептический тон, и наконец, что вообще все
окружающие являются инопланетянами, которые стараются не выдать се-
бя, чтобы получше изучить тебя, читатель! А для полноты картины уж не
Посещалась ла Земля космическими пришельцами?
471
прибыл ли ты сам из другой планетной системы, но пока еще просто не
осознал этого?
Поскольку рассуждения такого рода никуда не ведут, давайте вернемся
к сфере, в которой сообщения об НЛО сохраняют сильное влияние-к че-
ловеческому сознанию. В конце концов эти сообщения следует рассматри-
вать как чисто человеческое и земное явление (если только кто-либо не от-
важится считать, что они инспирированы инопланетянами!). Поэтому не-
которые исследователи сообщений об НЛО считают, что накопленный
опыт анализа показаний «очевидцев» скорее более важен с психологиче-
ской точки зрения (изучения тесной зависимости особенностей наблюдения
и сообщений от самого человека), чем с точки зрения стремления раскрыть
«природу» НЛО. Если попытаться обобщить, что разные «очевидцы» виде-
ли при близких контактах третьего типа, то легко обнаружить, что боль-
шинство видели космический корабль и членов его экипажа, которые были
довольно похожи на людей: две руки, две ноги, голова, пол мужской и т.д.
По их словам, НЛО ярко освещены внутри или снаружи, или как внутри,
так и снаружи. Эти факты легко объяснить: людям свойственно «видеть»
то, что им хотелось бы увидеть, или то, что они ожидают увидеть. Таким
образом, если принять, что НЛО относятся к психической сфере деятель-
ности человека, то такое объяснение скорее подтверждает, чем опровергает
реальный опыт, накопленный при анализе сообщений об НЛО.
Рассматривая последние сообщения о творящих чудеса небесных при-
шельцах, легко заметить преемственность в человеческих взглядах. Это не
решает вопроса о том, каково может быть значение НЛО, но напраши-
вается вывод, что подобные явления с небольшими видоизменениями на-
блюдаются с тех пор, как люди созерцают безбрежную и таинственную
Вселенную, в которой они живут. Более того, нить, проходящая через не-
прерывный поток рассказов, легенд, сообщений и т.д., отражает человече-
ские попытки связать наш жизненный опыт с Вселенной в целом. Для этих
попыток в основном характерны эгоцентризм, доверчивость и прямоли-
нейность; поэтому люди верят, что обитатели неизвестных частей Вселен-
ной заботятся о нас, играют с нами, похищают нас или танцуют и поют
нам на благо и на радость.
Фон Деннкен и боги
Сделаем еще один шаг и рассмотрим возможность того, что история
развития человечества есть не что иное, как результат вмешательства из-
вне в его относительно монотонное и прозаичное существование. (А отсю-
да всего лишь один шаг, чтобы превратить всех нас в инопланетян, как
уже отмечалось выше.) Примерно 50 млн. экземпляров книг фон Деникена
«Колесницы богов?», «Золото богов» и других раскупили читатели, ко-
472
Глава 21
торым, очевидно, приятно узнать, что в прошлом инопланетные астро-
навты посещали Землю (так утверждает фон Деникен) и оставили много-
численные следы своего сотрудничества с родом человеческим.
Наиболее очевидными представляются фон Деникену следы, обнаружи-
ваемые им при исследовании «примитивных» цивилизаций, которые, как
он считает, не обладали большими инженерными способностями. Напри-
мер, он пишет о древнем Египте:
«Большие города и многочисленные храмы... громадные пирамиды-
эти и многие другие великолепные сооружения росли как грибы после до-
ждя. Подлинные чудеса в стране, которая внезапно стала способна созда-
вать их без заметной предыстории».
Чтобы искажать историю, как это делает фон Деникен, нужно быть
большим невеждой, если не бесстыдным шарлатаном. Общеизвестно, что
у Египта была продолжительная и вполне заметная предыстория, уходя-
щая в глубь веков намного дальше того периода, когда были созданы
упоминаемые фон Деникеном «чудеса»*.
Фон Деникен порой доходит до огульных выдумок, как, например, при
описании путешествия в пещеры Южной Америки, наполненные древними
золотыми сокровищами, которого он никогда не совершал. Он непревзой-
денный мастер отыскивать «удивительные» совпадения, в ошибочности ко-
торых легко может убедиться любой читатель. Очевидно, фон Деникену
хорошо известно стремление многих из нас ощутить себя частью космоса,
а не брошенными на произвол судьбы в огромной и чуждой Вселенной,
поэтому он твердо уверен, что большинство читателей не станут его про-
верять. Если бы фон Деникен ограничился лишь утверждением, что в про-
шлом внеземные пришельцы построили храмы египтян, майя или инков,
еще можно было бы подумать, что он уважает свою аудиторию. Но давай-
те рассмотрим типичный пример его убежденности в легковерие читате-
лей.
Чтобы внушить нам невозможность постройки большой пирамиды
Хеопса «язычниками» Египта, фон Деникен спрашивает:
«Простое ли это совпадение, что высота пирамиды Хеопса, умноженная
на тысячу миллионов (что дает 158000000 км), примерно соответствует
расстоянию от Земли до Солнца?»
Ну что ж, давайте прикинем. Высота пирамиды равна 147 м. Если ум-
ножить это число на 109 (т.е. на тысячу миллионов), то получится
147000000 км. Так вот, этот результат даже лучше, чем указанный фон Де-
никеном, потому что точное значение среднего расстояния от Земли до
* То же справедливо и по отношению к шумерам, легенда которых об Оанне-
се, даровавшем им письменность и многие изобретения, цитировалась как воз-
можный пример вмешательства извне.
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
473
Солнца равно 149600000 км! Случайное ли это совпадение или результат
того, что древние строители обладали специальными знаниями?
Это можно проверить, рассмотрев высоту других зданий, построенных
до того, как расстояние от Земли до Солнца стало хорошо известно. Пре-
красным примером является башня Руанского собора во Франции, возве-
денная в XIII в. Ее высота 148 м, поэтому при умножении на тысячу мил-
лионов мы получим 148000000 км, что еще лучше согласуется
с расстоянием от Земли до Солнца, чем высота пирамиды Хеопса! Скепти-
ки могут предположить, что строители Руанского собора тоже знали ка-
кую-то тайну, но мы этого не думаем.
Таким же способом можно обнаружить еще кучу интересных совпаде-
ний! Например, едва ли случайно, что длина обычного фломастера
14,93 см! Ведь если ее умножить на миллион миллионов (1012), то получит-
ся точное расстояние от Земли до Солнца!*. Уж не стремятся ли все про-
изводители фломастеров продемонстрировать астрономические познания?
И почему их результат точнее, чем у строителей пирамид? В конце концов
если внеземные пришельцы действительно построили пирамиду, то почему
же они не возвели ее на три метра выше, чтобы уж дать точное значение
расстояния от Земли до Солнца! Странно также, что они даже не попыта-
лись сделать это при строительстве двух других пирамид в Гизе!
Другая излюбленная проделка фон Деникена-это трактовка древних
изображений или скульптур как портретов космических пришельцев из
других миров. Например, он утверждает, что на надгробной плите майя
(рис. 21.5) изображен астронавт с рюкзаком за спиной. В действительности
эти изображения показывают хорошо известные символы религиозного
культа, что становится еще более очевидным, если рассмотреть и другие
изображения, кроме опубликованных фон Деникеном. Выражая изумление
рисунками, сделанными в пустыне Наска в Перу, фон Деникен высказы-
вает мысль, что они, должно быть, представляют собой взлетно-поса-
дочные площадки для космических кораблей инопланетян. Очевидно, что
эти геометрические узоры созданы людьми, но трудно понять, зачем раз-
витой цивилизации понадобились столь сложные фигуры для обозначения
мест посадки. Гораздо более вероятно, что эти узоры были созданы для
поклонения тотемам древних культур; подобные изображения тотемов мы
встречаем также на изделиях гончарного искусства.
В основе книг фон Деникена лежит его неуважение к интеллекту пред-
ставителей «примитивных» культур. Например, он утверждает, что прими-
тивные культуры не могли изучить анатомию человека, не имея рентгенов-
* Если у вас нет желания производить подобные расчеты, то вы вправе спро-
сить себя, почему вы верите данной книге, а не книгам фон Деникена?
31-485
474
Глава 21
Рас. 21.5. Эта надгробная плита из Паленке, Мексика, изображает вождя народа
майя Пакаля вместе с основными символами культуры майя. Фон Дени-
кену Пакаль представляется астронавтом, который управляет ракетой:
его ноги-на педалях, руки-на рычагах управления, а на лице-кислород-
ная маска.
ской аппаратуры, хотя всегда существовали прямые способы изучения
скелета и мускулатуры человека.
Почему люди принимают всерьез домыслы фон Деникена? Это объяс-
няется двумя основными причинами. Во-первых, фон Деникен подходит
к космосу с человеческими мерками, что соответствует нашему желанию
найти друзей в окружающем нас безбрежном пространстве и поверить
в то, что судьба благоволит к нам. Во-вторых, многие все еще верят, что
идеи, подобные высказанным фон Деникеном, не были бы опубликованы,
если бы они были неверны. Магическая вера в правильность печатного
слова живет в мире, в котором книгопечатание существует всего лишь
в течение пяти последних веков. И хотя целые леса были принесены в жер-
тву различным подобным изданиям, вряд ли нужно поддаваться интуитив-
ной вере в то, что мысли, напечатанные в книгах, всегда более весомы, чем
услышанные на улице или высказанные нами самими!
Многие авторы спекулируют на интуитивной вере читателей в то, что
мир полон чудес, и что достаточно только по-иному взглянуть на него,
чтобы простое изумление сменилось наслаждением. Это сочетание радости
от свежего восприятия окружающего мира с уважением человечества
Посещалась ли Земля космическими пришельцами?
475
к книгам позволило многим шарлатанам и мистификаторам стать мил-
лионерами. Но, чтобы чувствовать себя вправе осуждать этих людей (заме-
тим, что все эти торговцы человеческой доверчивостью принадлежали
к мужскому полу!), следует рассмотреть критерии истинности или ложно-
сти утверждений о мире. Если мы верим просто потому, что это «похоже
на правду», то заслуживаем того, чтобы поплатиться несколькими долла-
рами за свое легковерие. Если мы принимаем на веру «доказательства»,
приводимые такими авторами, то заслуживаем низкой оценки за некрити-
ческий подход к тому, что можно считать доказательством, как в упомяну-
том выше примере с фломастером. Но если мы верим, потому что проана-
лизировали все за и против и сами выполнили кое-какие расчеты, то
можем чувствовать себя вправе в какой-то степени доверять своим оцен-
кам или по крайней мере испытать удовлетворение от найденных убеди-
тельных аргументов.
Однако, прежде чем закончить обсуждение проблемы «древних астро-
навтов», укажем на ее связь с проблемой межзвездных контактов. Когда
Рис. 21.6. Загадочному сфинксу в Гизе (Египет) более 4000 лет. По утверждению
фон Деникена, эта скульптура изображает посетившего Землю иноплане-
тянина.
476 Глава 21
мы ломаем голову над загадками пирамид или пытаемся прочитать и по-
нять древние египетские письмена, мы получаем «послание» от цивилиза-
ции, расцвет которой произошел здесь, на Земле более четырех тысячеле-
тий назад (рис. 21.6). К сожалению, мы не можем отправить ответные
послания, но это не снижает нашего интереса к древней культуре. Такое же
чувство мы бы испытали, получив послание от развитой цивилизации, уда-
ленной от нас на 4000 световых лет. В этом случае мы также не имели бы
возможности для приятного диалога, но нам, конечно, было бы чрезвычай-
но интересно узнать содержание посланий.
Выводы
Сведения о неопознанных летающих объектах (НЛО) состоят главным
образом из сообщений очевидцев о странных объектах на небе, появление,
движения, окраска и внешний вид которых по той или иной причине не по-
зволяют считать их естественными или делом рук человеческих. Однако
даже лучшие свидетельства «очевидцев» подвергаются искажениям, по-
скольку со временем стираются в памяти, а также из-за свойства
человеческого сознания придавать незнакомым предметам и явлениям зна-
комые черты. Поэтому такие свидетельства с научной точки зрения не
являются убедительным доказательством внеземного происхождения
НЛО.
Фотографические свидетельства были бы гораздо предпочтительнее, но
так называемые фотографии НЛО или ненадежны, или не убеждают, что
на них запечатлено что-то неземное или хотя бы очень странное. Хотя
снимки могут быть поддельными, их по крайней мере можно тщательно
изучить, и в отличие от человеческих впечатлений фотографические данные
не меняются со временем и не подвергаются фильтрующему воздействию
человеческого сознания. Поэтому, если ученые когда-либо и убедятся, что
в объяснении сообщений об НЛО внеземными причинами есть доля ис-
тины, их, вероятно, убедят в этом скорее фотографии, чем свидетельства
очевидцев.
Статистика галактических цивилизаций, которую мы рассмотрели вы-
ше, показывает, что, даже если в Галактике существует миллион цивилиза-
ций и 1% этих цивилизаций направит свои усилия на широкомасштабное
исследование межзвездного пространства, каждой цивилизации придется
исследовать 40 млн. звезд. Это противоречит возможности частого посе-
щения Земли в рамках такого исследования, и если мы предпочли бы вне-
земное объяснение НЛО, то пришли бы на позиции эгоцентризма. Основ-
ная масса данных свидетельствует о другом: почти все сообщения об НЛО
отражают естественные явления, которые часто ошибочно трактуются на-
блюдателем, даже если он не склонен к мистификациям. Наиболее впечат-
ляющие «типичные» наблюдения НЛО связаны с метеорами, метеорологи-
Посещалась ли Земля космическими пришельцами? 477
ческими воздушными шарами или Венерой. Другие наблюдения, которые
могли бы свидетельствовать о посещении Земли инопланетянами, значи-
тельно меньше заслуживают доверия.
Интерес публики к НЛО как возможности посещений Земли иноплане-
тянами связан с длительной историей веры человечества в царствие небес-
ное и в то, что космос населен дружественными, покровительствующими
нам существами, которые наблюдают за нами. Успех таких псевдонаучных
творений, как книги фон Деникена, свидетельствует, что эта вера еще силь-
на, поскольку «данные» фон Деникена, «подтверждающие» постройку пи-
рамид и подобных им древних сооружений внеземными пришельцами, не
выдерживают критики или оказываются откровенными фальсификациями.
Древние памятники Земли многое говорят нам о связи цивилизаций через
века, но это связь человеческих цивилизаций, а не межзвездная связь, кото-
рая нас интересует.
Вопросы
1. Каковы основные факторы, делающие ненадежными свидетельства очевид-
цев о странных явлениях?
2. Почему для научного анализа события фотографии предпочтительнее сооб-
щений «очевидцев»?
3. Как объяснить, что наблюдателю, видящему метеор на расстоянии многих
километров, может показаться, что объект движется бесшумно на высоте всего не-
скольких десятков метров?
4. Почему Венеру чаще всего принимают за НЛО?
5. Почему представления об НЛО как о вероятных посланцах из других миров,
недостаточно обоснованны?
6. Предположим, что среднее время жизни цивилизации в нашей Галактике
равно 10000 лет, т.е. в любой момент времени существует 10000 цивилизаций. Если
одна цивилизация из десяти предпримет исследования, сколько звезд она должна
изучить с учетом того, что в Галактике 400 млрд, звезд? х
7. Длина земного экватора равна 40000 км, а расстояние от Земли до Солнца
150 млн. км. Сколько экземпляров данной книги должно быть продано, прежде чем
их число станет точно равным отношению расстояния от Земли до Солнца к длине
экватора?
Литература
Clark А. С. Profiles of the future, Bantam Books, New York, 1964.
Gardner M. Fads and fallacies in the name of science, Dover Books, New York, 1957.
Hynek J. Allen. The UFO experience, Henry Regnery Co., Chicago, 1973.
Klass Ph. UFO’s explained, Vitage Books, New York, 1974.
Playboy panel: UFO’s, Playboy, January, 1978.
Sagan C., Page Th, eds. UFO’s-A scientific debate, Cornell Univ. Press, Ithaca, N.Y.,
1972.
Vallee J. Anatomy of a phenomenon: Unidentified objects in space-A scientific
appraisal, Henry Regnery Co., Chicago, 1965.
Глава 22
Где вы, братья по разуму?
Рассматривая проблему поиска других цивилизаций, мы исходили из
предположения, что происхождение и эволюция нашей цивилизации ти-
пичны для всех цивилизаций в Галактике. Но, если это предположение
справедливо, почему нам до сих пор не удалось установить контакт
с братьями по разуму? Если естественным следствием существования жиз-
ни на многих планетах является существование множества цивилизаций, то
почему же мы до сих пор не обнаружены нашими галактическими соседя-
ми? Короче говоря, почему мы все еще одиноки?
В рамках логики, которой мы придерживались, ответы на эти вопросы
прямо связаны с предположением, что контакт между технологически раз-
витыми цивилизациями осуществляется с помощью радиоволн, а не непос-
редственных визитов. И надо, конечно, согласиться с тем, что по уровню
развития радиосвязи наша цивилизация пока пребывает в младенческом
состоянии. Мы только приступили к поиску радиосигналов от других воз-
можных цивилизаций; мы передали лишь несколько посланий, а утечка ра-
диоволн с нашей планеты началась лишь около 70 лет назад. Таким обра-
зом, мы, живущие сегодня, возможно, просто «родились слишком рано»,
чтобы привлечь внимание другой цивилизации или обнаружить ее.
Ставя под сомнение это объяснение нашей явной даже пускай и времен-
ной изоляции, мы видим и другую возможность: цивилизации могут быть
значительно менее многочислены, чем следует из наших расчетов. Форму-
ла, использованная для оценки числа цивилизаций, возможно, верна, но
последний член в ней, т. е. среднее время жизни цивилизации, обладающей
способностью и проявляющей интерес к контактам, может оказаться зна-
чительно ниже наших оценок, а тогда и число цивилизаций в Галактике
в любое заданное время составит лишь маленькую горстку. К тому же мы
могли упустить какое-то важное обстоятельство, относящееся к эволюции
жизни на Земле или к возможности развития цивилизаций на других пла-
нетах, имеющих жизнь, и тогда наша цивилизация уникальна или почти
уникальна. Иными словами, мы могли неосознанно приобрести что-то
Где вы, братья по разуму?
47<>
вроде слепой веры в нашу типичность, потому что в глубинах человечески
го сознания живет надежда найти воплощенную мудрость в виде разни n.ix
цивилизаций в нашей Галактике и за ее пределами.
Допустим, например, что жизнь на Земле не является типичным приме-
ром жизни во Вселенной, потому что наша планета относится к числу не-
ких, где развитие разума из первичного «питательного бульона» произо-
шло гораздо быстрее, чем на других. Допустим далее, что среднее время,
необходимое для перехода от самовоспроизводящихся молекул к эукарио-
там (или их инопланетному аналогу), в два раза превышает три миллиарда
лет, за которые этот переход осуществился на Земле. Тогда у нас мало
надежды обнаружить разумную жизнь на большинстве планет. Исследова-
ния звездной эволюции показывают, что старейшие звезды населения 1,
подобные нашему Солнцу, имеют возраст лишь 6 или 7 млрд. лет. Если
планеты, на которых есть жизнь, могут существовать только вблизи таких
звезд (гл. 17), и если для возникновения эукариот из самовоспроизводя-
щихся молекул требуется 6 млрд, лет, то мы появились на слишком ран-
ней стадии эволюции Галактики, чтобы найти много развитых цивилиза-
ций. В таком случае лишь немногие планеты с необычно быстрым
развитием готовы к контактам в настоящее время. Разумеется, в нынеш-
нем состоянии неведения мы с равной вероятностью можем принять
и другой вариант: если наша цивилизация относится к числу цивилизаций
с самым медленным развитием и на ту эволюцию, которая продолжалась
на Земле 3 млрд, лет, в среднем требуется, скажем, 1,5 млрд, лет, то Галак-
тика может оказаться битком набитой гораздо более развитыми цивилиза-
циями, чем наша.
Люди еще не нашли ни одного примера жизни за пределами Земли.
Поэтому сфера деятельности, направленная на применение научных прибо-
ров и достижений для оценки вероятности существования жизни во Все-
ленной (эту область исследований часто называют экзобиологией), пока
остается областью науки без предмета исследования. Можно возразить,
что многие области науки вначале встречались с теми же трудностями.
Например, прежде чем астрономы вынесли свои приборы за пределы зем-
ной атмосферы, у них не было способа зарегистрировать гамма-излучение
небесных объектов, поскольку эти фотоны высоких энергий никогда не до-
стигают земной поверхности. Поэтому гамма-астрономия была научной
дисциплиной без предмета исследования и без прямых наблюдений и не
было способа сопоставить теорию с реальными фактами. Однако теорети-
ческие основы, разработанные астрономами до начала эры спутников, ока-
зались чрезвычайно полезными, когда, наконец, удалось осуществить на-
блюдения гамма-излучения. Возможно, то же самое произойдет и
с экзобиологией.
Между тем можно указать, что эта наука по крайней мере открывает
новые плодотворные пути изучения жизни на Земле. Когда мы рассматри-
480
Глава 22
ваем биологическую эволюцию планеты, нас не может не поразить ско-
рость, с которой происходили огромные изменения живых организмов
в совсем еще недавние эпохи. История жизни на Земле предстает как длив-
шийся миллиард лет (или дольше!) процесс развития эукариот из прока-
риот и превращения атмосферы, бедной кислородом, в атмосферу, бога-
тую кислородом. Когда это свершилось, высокое содержание кислорода
обеспечило мощный источник энергии, а эукариоты были хорошо приспо-
соблены к эволюции во все более и более сложные системы, использую-
щие этот газ. Переход от прокариот к эукариотам мог быть более
сложным, чем развитие разумной жизни из эукариот или развитие долго-
живущих цивилизаций на основе разумных форм жизни. Следовательно,
можно ожидать, что и на других планетах первые шаги к образованию
сложных форм жизни будут самыми длительными.
Мы не в состоянии решить эти проблемы, пока не найдем другие
формы жизни. Наш опыт настойчиво подсказывает нам, что поскольку мы
не считаем Землю уникальной планетой или Солнце уникальной звездой,
то всякий раз, когда для этого будет достаточно места и времени, жизнь
будет развиваться и разум будет возникать. Но единственным способом
убедиться в правильности этого вывода остается контакт с иной цивилиза-
цией.
Допустим, мы отдаем предпочтение выводу, что в Галактике сущест-
вует много цивилизаций. Нужно ли отказываться от мысли, что контакт
осуществится путем прямых посещений? По-видимому, на этот вопрос
следует ответить так: можно ожидать прибытия межзвездного космическо-
го корабля только от бессмертных или почти бессмертных цивилизаций.
Маломощный космический корабль, который преодолевает путь от звезды
до звезды за миллионы лет, малопривлекателен для нас: зачем отправ-
ляться в столь длительное путешествие, если послание, которое мы взяли
бы с собой, может покрыть тот же путь за несколько десятилетий? Вероят-
но, мы не стали бы предпринимать такое путешествие, даже если бы зна-
ли, как заморозить себя или каким-либо иным способом замедлить ско-
рость биологических процессов почти до нуля. Не станет наше общество
запускать и автоматические зонды с посланиями, ответ на которые мы
сможем получить только через несколько миллионов лет-ведь даже то,
что случится через год, кажется нам таким далеким. Лишь обеспечив зна-
чительно более долговременную перспективу для своей цивилизации, мы
будем готовы к путешествиям длительностью в миллионы лет. Поэтому
можно предположить, что только цивилизации с большими временами
жизни способны к межзвездным путешествиям. Мы не знаем, есть ли во-
обще такие цивилизации в нашей Галактике. А может быть, их очень
много? Способны ли мы решить, какая из этих двух возможностей ближе
к истине?
До известной степени способны. Если исходить из того, что простая
Где вы, братья по разуму?
481
возможность осуществления космических полетов неизбежно ведет к их ис-
пользованию для исследования и освоения космического пространства, то
мы, должно быть, одни в Галактике. Иными словами, если цивилизации по
мере своего развития стремятся освоить и заселить, насколько это воз-
можно, ближайшие планетные системы, то 10 млрд, лет существования Га-
лактики им вполне хватило бы для заселения Земли *. Однако пока наша
планета остается свободной от внеземных поселенцев, если только не
предположить, что само человечество является таким «иммигрантом».
А может быть, тот факт, что Земля не колонизирована инопланетянами,
показывает, что в нашей Галактике нет других цивилизаций?
Рассмотрим сначала предположение, что развивающиеся цивилизации
должны стремиться к заселению своих окрестностей. Это предположение
основывается на том историческом факте, что люди стремились заселить
всю Землю. Но при дальнейшем росте населения они одновременно столк-
нулись с ограничениями подобных устремлений на планете с конечной по-
верхностью (а все планеты обладают конечной поверхностью).
В течение двух последних столетий численность населения Земли удваи-
валась примерно каждые 40 лет. В 1810 г. людей было лишь четверть мил-
лиарда, в 1850 г-полмиллиарда, в 1890 г-миллиард, в 1930 г-два мил-
лиарда, в 1970 г-четыре миллиарда. В наше время каждые четыре года на
Земле прибавляется столько людей, сколько составляло все население пла-
неты в 1810 г. Скорость роста населения за последние 50 лет увеличилась
пр сравнению с предыдущим столетием, так что в настоящее время населе-
ние Земли удваивается каждые 35 лет. Расчеты некоторых ученых показы-
вают, что если этот процесс будет продолжаться теми же темпами (т. е. ес-
ли население будет удваиваться за все более короткое время), то в третьем
десятилетии нового века число людей на Земле станет бесконечным! Эти
расчеты были выполнены в 1960 г.; 15 лет спустя, в 1975 г., перепись насе-
ления Земли показала, что численность населения опережает расчетные тем-
пы роста! То, что население Земли растет все быстрее и быстрее, представля-
ет одну из основных проблем современного человеческого сообщества, и лю-
бой развивающейся цивилизации пришлось бы решать эту проблему,
чтобы выжить.
Если мы когда-нибудь справимся с этим ростом и признаем, что ко-
нечные размеры планеты требуют стабильной численности населения, то
обретем долговременную перспективу, которая позволит совершать меж-
звездные космические полеты. Но то же самое изменение взглядов, кото-
♦ Отметим, однако, что звезды, подобные нашему Солнцу, могут быть в два
раза моложе. Если технологически развитые цивилизации располагаются вокруг
этих звезд, то в их распоряжении было «всего» около миллиарда лет для заселения
других миров.
482
Глава 22
рое обеспечит длительное существование цивилизации, т. е. готовность дей-
ствовать с учетом ограниченности природных ресурсов, устранит стремле-
ние к освоению и заселению других миров. Мы наблюдаем подобное
изменение взглядов по мере того, как человечество осознает, что войны не
способны решить стоящие перед нами долговременные задачи. К сожале-
нию, современный западный мир, по-видимому, еще далек от такого со-
стояния, чтобы, сталкиваясь с социальными проблемами, полностью изба-
виться от воинственности и ограниченности кругозора.
Размышляя о нынешних устремлениях к заселению космического про-
странства, не следует забывать, что люди заселили еще не все свободные
территории на Земле. В принципе можно создать поселения в Антарктиде,
на дне океана или в пустынях, т. е. в значительно более гостеприимных, до-
ступных и знакомых местах, чем космическое пространство. Но мы пока
не делаем этого. Наш жизненный опыт показывает, что для расцвета циви-
лизации необходим минимум ограничений, и потому даже заросшие паль-
мами тропические острова не считаются идеальными местами обитания
для представителей любознательного и неугомонного человеческого рода.
Люди не используют целиком преимущества каждого нового достижения
техники. Мы испытываем противоречивые чувства по отношению к пасса-
жирской сверхзвуковой авиации, и несмотря на большие потребности
в энергии, ядерная энергетика пока не завоевала всеобщего признания. Ес-
ли обратиться к астрономическим исследованиям, то хорошо известно, что
экспедиции на Луну не привели к рождению программы межпланетных пи-
лотируемых полетов. Может быть, мы вступили в эру, напоминающую
«паузу», которая возникла после открытия Нового света, прежде чем люди
начали заселять территории, считавшиеся свободными? Или наша позиция
сводится к тому, что мы должны сконцентрировать внимание и направить
ресурсы на решение других, более неотложных задач?
Если задуматься о шагах, которые привели бы к заселению Галактики,
то можно сделать вывод, что это потребовало бы от цивилизации много-
кратного пересмотра взглядов. Во-первых, у нее должно было бы развить-
ся стремление к освоению космического пространства; этот этап представ-
ляется естественным, если исходить из примера цивилизаций земного типа.
Затем цивилизация должна научиться справляться с непрерывным ростом
населения и стабилизировать численность; тогда у нее появится возмож-
ность строить межзвездные корабли и совершать космические путеше-
ствия. Само по себе заселение космоса никогда не сможет ликвидировать
перенаселенность, поскольку осваиваемое пространство будет быстро за-
полняться вследствие непрерывного роста населения. Таким образом, со-
здание и использование межзвездного космического корабля, очевидно, по-
требует самоотверженности и целеустремленности со стороны цивилиза-
ции, которая пойдет по этому пути. Когда потомки первопроходцев,
стартовавших из такой «зрелой» цивилизации, достигнут другой планет-
Где вы, братья по разуму?
483
ной системы, у них со временем возникнет стремление использовать ре-
сурсы соседних планет и астероидов и они будут строить новые космиче-
ские корабли для новых экспедиций. Таким образом, программа зеселения
Галактики требует чередования периодов освоения и «созревания». Это
может оказаться естественным, но не исключено, что ни одна цивилизация
не сможет существовать достаточно много циклов, чтобы заселить всю
Галактику. Как бы то ни было, отсутствие «колонистов» из других цивили-
заций на Земле не доказывает, что в Галактике нет цивилизаций-долгожи-
телей.
Эти рассуждения не исключают возможности, что «зрелая» цивилиза-
ция отправит автоматические космические аппараты в просторы Галакти-
ки с посланиями и исследовательскими приборами на борту или даже
с целью «посеять» новую жизнь повсюду, где есть подходящие условия.
Высказывалось даже предположение, что такие зонды могут наблюдать за
нами сейчас, развлекаясь нашими «выходками» и умело скрывая свое при-
сутствие. Но эту «зоологическую» гипотезу можно было бы считать реаль-
ной лишь при условии существования неизвестной нам области физики,
настолько далекой от наших представлений, что развитые цивилизации,
знакомые с этой областью, имеют практически неограниченные способно-
сти. Обе рассмотренные точки зрения, хотя и увлекательны, но лишены
практического смысла, так как их невозможно сколько-нибудь эффективно
проверить. В конечном счете все сводится к поиску других цивилизаций
как к средству открыть общие законы развития цивилизаций.
Поскольку первый акт общения еще не состоялся, мы вынуждены раз-
мышлять о мотивах действий гипотетических цивилизаций, в том числе
значительно более развитых, чем наша, практически на пустом месте.
Вспомним, например, как трудно предсказать пути будущего развития на-
шего общества. Английские писатели Дж. Оруэлл (в романе «1984»),
О. Хаксли (в романе «Прекрасный новый мир») и швейцарский писатель
Г. Гессе (в «Игре в бисер») попытались нарисовать картины «развитых»
обществ, в которых даже простое стремление к накоплению научных зна-
ний (не говоря уже об исследовании космоса!) не входит в сферу деятель-
ности, признаваемой за разумную.
Если отложить в сторону вопрос о мотивах, наши научные познания
показывают, что для приведения в движение материального тела требуется
намного больше энергии, чем для посылки радиосигналов, и это должно
быть ясно любой цивилизации. Если только цивилизация не обладает ис-
ключительными свойствами, например бессмертием, она всегда предпоч-
тет межзвездную радиосвязь межзвездным полетам. Можно без конца рас-
суждать о вероятности существования таких цивилизаций и об их
деятельности. Но наука основывается на эмпирических фактах: един-
ственный способ узнать, одиноки ли мы во Вселенной,-это систематиче-
ский поиск проявлений деятельности внеземного разума.
484
Глава 22
Итогом наших рассуждений и руководством к поиску служит формула
Дрейка (гл. 18). Если наша цивилизация является типичной, но чрезвычай-
но молодой, то существует много других цивилизаций, и наши шансы
установить контакт через глубины космического пространства выглядят
неплохо. Если время жизни с обретенной способностью к радиосвязи, т.е.
около 70 лет, также является типичным, то цивилизаций так мало, что мы,
вероятно, никогда не найдем одной из них. (Третья возможность: время
жизни нашей цивилизации уже превысило среднее-ведет к чересчур песси-
мистическим выводам!) Если в нашей Галактике существует по крайней
мере много сотен тысяч цивилизаций, потому что их среднее время жизни
составляет как минимум сотни тысяч лет, то наша цивилизация относится
к числу самых молодых. Тогда наши попытки предугадать, что может де-
лать более типичная развитая технологически цивилизация, сравнимы
с попытками шестилетнего ребенка из каменного века размышлять о на-
шей сегодняшней цивилизации.
И все же, как это ни удивительно, у нас есть средства расширить свои
познания, перейти от устрашающе малого опыта к более глубокому пони-
манию того, что происходит в нашей Галактике. Хотя прямое исследова-
ние лежит далеко за пределами наших современных возможностей, оптиче-
ские и радиотелескопы уже позволили заглянуть в отдаленные области
Вселенной. Тот факт, что радиоастрономы каждый год открывают все
новые молекулы в межзвездной среде, свидетельствует о быстром накопле-
нии знаний. Если мы имеем серьезные намерения найти другие цивилиза-
ции, то пути достижения этой цели ясны: нужно продолжать наблюдать,
слушать, думать, и наши шансы стать членами галактического сообщества
будут возрастать. Быть может, нам даже удастся найти новых друзей.
Мы наверняка совершим немало ошибок, прежде чем добьемся успеха.
Чтобы дать представление о том, как ведутся поиски внеземных цивилиза-
ций в настоящее время, процитируем приведенное Дрейком описание
одного из его наблюдений, направленных на поиски внеземного разума, на
гигантском радиотелескопе в Аресибо*:
«1976 г. Ночной прибой мерцает и волна за волной набегает на темный пуэрто-
риканский пляж. В скромном прибрежном отеле на 30 номеров сонный ночной де-
журный (действительно ли он очень стар, или только кажется таким?) уже третью
ночь подряд будит двух американцев в немыслимое время-в четыре часа утра. Он
не задает вопросов, но смотрит на них недоброжелательно и подозрительно. Если
посетитель этого курорта встает в четыре часа утра, он, должно быть, задумал что-
то дурное. Пока добрые люди крепко спят, насколько позволяет им их дорогостоя-
щий загар, два американца мчатся сквозь темноту. Куры и жабы едва успевают
* Technology Review, 78, 22, June, 1976.
Где вы, братья по разуму?
485
ускользнуть из-под колес. Карл Саган откинулся на спинку переднего сиденья, гла-
за его закрыты. Он с трудом жует кусок черствого хлеба, оставшийся от вчерашне-
го ужина. Это весь его завтрак до окончания утренних наблюдений.
Через час небо розовеет, пуэрто-риканская жаба заводит свои «музыкальные
арии», похожие на перезвон колокольчиков, и скрывается под орхидеями на днев-
ное время. Солнце превращает сырое, туманное безмолвие во влажное оцепенение.
Однако солнечный свет, согревающий жабу, будет примерно равноценен его сия-
нию на Марсе, потому что место, где она скрылась, защищено от Солнца куполом
из семи с лишним гектаров перфорированных алюминиевых листов-зеркалом
крупнейшего на Земле радиотелескопа. В 150 м над чашей приглушенно гудят меха-
низмы, которые перемещают 300-тонную надстройку, обеспечивая слежение за да-
лекой галактикой-большой туманностью в созвездии Треугольника. В соседних
зданиях размещена радиоаппаратура, значительно более чувствительная, чем в экс-
периментах 1960 г. и способная вести прием одновременно в 3024 каналах в отли-
чие от одноканального приема в 1960 г. Ученые и операторы радиотелескопа тща-
тельно готовили этот огромный комплекс электронной аппаратуры, чтобы
удовлетворить высоким требованиям программы SETI (search for extraterrestrial
intelligence-поиски внеземного разума). Многие годы талантливые специалисты
работали над созданием приборов и вычислительных программ, способных спра-
виться со всеми хитростями поиска, например с учетом вращения Земли вокруг
своей оси и вокруг Солнца. Каждые 30 с 100000 транзисторов передают записан-
ную информацию в память ЭВМ. Информация, поступившая в каждый из 3024 ка-
налов, роем мерцающих зеленых точек разбрызгивается по экрану осциллографа.
За одну сотую секунды радиотелескоп выполняет программу, на осуществление ко-
торой в 1960 г. требовалось два месяца.
Напряженные доли секунды. Астрономы, забыв о черством хлебе и чувстве го-
лрда, вглядываются в экран осциллографа в поисках картины, создателем которой
была бы не только природа. Когда сначала их разум, а затем их сердца говорят им,
что такой картины нет, дается команда к перемещению. Телескоп направляется на
другую часть далекой галактики-на следующий миллиард звезд-и электронная
аппаратура вновь начинает поиск и запись. Пролетают часы. Сто миллиардов звезд
будет исследовано, прежде чем программа будет выполнена и ночному дежурному
в отеле больше не придется будить их в четыре утра. Никаких сигналов не будет
обнаружено. Но придет время, когда самое драгоценное из всех космических сокро-
вищ-сигнал о существовании жизни вне Земли-будет извлечено из необъятных
хранилищ Вселенной.»
Дрейк, Саган и несколько их американских коллег приступили к по-
искам жизни в других галактиках, а также в нашей Галактике. Поиски на-
чали также астрономы Советского Союза, Канады и других стран. Когда
будет приложено достаточно усилий к проведению этих и подобных иссле-
дований, контакт наверняка будет установлен, и мы больше не будем оди-
ноки во Вселенной.
Оглавление
От редактора перевода 5
нию 10 Предисловие 12
Предисловие к русскому изда-
От авторов 15
Часть I.
Глава 1.
Поиски
с точки зрения
человечества 21
Часть II.
Глава 2.
Пространство,
время
и история
Вселенной 35
Почему мы ведем поиск? 19
Поиски истоков жизни 21. Роль Марса 23. Научная кар*
тина мира 26. Размышления о внеземной жизни 28. Вы*
воды 30. Вопросы 30. Литература 31
Вселенная в целом 33
Расстояния до звезд 35. Спектры звезд 38. Переменные
звезды как индикаторы расстояний 43. Расширяющаяся
Вселенная 44. Первые мгновения Вселенной 50. Вещество
и антивещество 52. Образование тяжелых элементов 53. Ре*
ликтовое излучение 53. Конечна или бесконечна Вселен-
ная? 56. Расширение Вселенной в будущем 58. Выво-
ды 62. Вопросы 63. Литература 63.
Глава 3.
Галактики 65
Спиральные галактики 65. Эллиптические галактики 71.
Неправильные галактики 74. Образование галактик 74.
Звездные скопления 75. Радиогалактики 78. Квазары 80.
Выводы 84. Вопросы 85. Литература 86
Глава 4.
Межзвездные
газ и пыль 87
Исследование межзвездной среды 87. Межзвездные моле-
кулы 95. Плотные межзвездные облака 97. Зародилась ли
жизнь в межзвездных облаках? 104. Выводы 105. Вопро-
сы 106. Литература 106
Глава 5. Продолжительность жизни звезд 108. Как звезды вырабаты-
ИСТОЧНИКИ вают энергию 108. Протон-протонный цикл 110. Роль вы-
соких температур в недрах звезд 112. Зависимость про-
энергии звезд 1U7 должительности жизни звезд от массы 115. Спектраль-
ная классификация звезд 117. Шкала звездных величин 120.
Диаграмма Герцшпрунга-Рессела 120. Красные гиганты и
белые карлики 122. Выводы 125. Вопросы 126. Литера-
тура 127
Глава 6. Как звезды Расход ядерного топлива в звездах 128. Эволюция звезд 129. Принцип Паули и белые карлики 133. Взрывы сверхно- вых 135. Образование тяжелых элементов в сверхновых
заканчивают СВОЙ звездах 138. Космические лучи 144. Выводы 145. Вопро-
жизненный путь сы Литература 146
128
Глава 7. Пульсары, ней- Коллапсирующие звездные ядра 149. Нейтронные звезды и пульсары 150. Черные дыры 157. Можно ли обнаружить черные дыры? 161. Является ли Вселенная черной ды-
тронные звезды И рой? 165. Выводы 166. Вопросы 166. Литература 167
черные дыры 147
Часть Ш. Глава 8. Основные Свойства жизни на Земле 171 Жизнь 169 Что такое жизнь? 171. Биологически важные соединения 176. Способность к воспроизведению 179. Стрела времени 183. Энергия 184. Единство жизни 187. Выводы 187. Вопро- сы 189. Литература 189
Глава 9. Происхождение жизни 190 Как Земля приобрела атмосферу 191. Ранние гипотезы о происхождении жизни 197. Модель химической эволю- ции 198. Действительно ли жизнь возникла таким пу- тем? 203. Полимеризация 205. Вслед за полимерами 207. Выводы 210. Вопросы 211. Литература 211
Глава 10. От молекулы к разуму 212 Прокариоты 212. Эукариоты 215. Огромный скачок впе- ред 218. Звезды, пригодные для жизни 221. Жизнь на других планетах 222. Эволюция и развитие разума 224. Будущая эволюция на Земле 227. Сплетение жизни 228. Гея 230. Выводы 232. Вопросы 233. Литература 234
Глава 11. Какие формы может принимать жизнь 235 Химия чуждой жизни 235. Преимущества углерода 237. Растворители 240. Нехимическая жизнь 245. Черные об- лака 246. Жизнь на нейтронных звездах 248. Гравита- ционная жизнь 250. Преимущества типичности 252. Вы- воды 253. Вопросы 254. Литература 255
Часть IV. Глава 12. Поиски жизни в Солнечной системе 257
Происхождение и начальные стадии эволюции Солнечной системы 259 Образование Солнечной системы 260. Кометы 265. Асте- роиды, метеорные тела и метеориты 269. Аминокислоты в метеоритах 272. Меркурий и Луна 274. Химический сос- тав Меркурия и Луны 276. Ранняя история Земли и Лу- ны 277. Исследование Луны человеком 279. Выводы 284. Вопросы 285. Литература 286
Глава 13. Венера 287 Температура Венеры 287. Атмосфера Венеры 289. Парни- ковый эффект 291. Почему Венера так отличается от Зем- ли? 293. Выводы 298. Вопросы 299. Литература 299
Глава 14. Марс 300 Современные наблюдения Марса 302. Результаты космиче- ских полетов 303. Проект «Викинг» 308. Новый Марс 314. Фобос и Деймос 318. Выводы 320. Вопросы 321. Литера- тура 322.
Глава 15.
Есть ли жизнь
на Марсе? 323
"как. обнаружить марсианские микроорганизмы 324. Резуль-
таты анализа грунта 327. Результаты анализа атмосфе-
ры 329. Биологические эксперименты 329. Результаты био-
логических экспериментов 332. Правильно ли были выбра-
ны места посадки? 336. Почему Марс так не похож на
Землю? 339. Выводы 340. Вопросы 341. Литература 342
Глава 16.
Планеты-гиганты
и их спутники
343
Часть V.
Глава 17.
Уникальна ли
Земля? 367
Глава 18.
Развитие внезем-
ных цивилизаций
385
Химический сотав планет-гигантов 344. Химия планёт-ги-
гантов 347. Могла бы жизнь существовать на планетах-
гигантах? 351. Кольца и спутники 351. Космический полет
во внешние области Солнечной системы 359. Выводы 361.
Вопросы 362. Литература 363
Поиски внеземного разума 365
Отличительные особенности Земди 368. Планетные системы
других звезд 369. Как обнаружить другие планетные сис-
темы? 372. Самые подходящие звезды 375. Выводы 382.
Вопросы 383. Литература 384
Сколько существует цивилизаций? 386. Какова продолжи-
тельность существования цивилизаций? 390. Как велико
стремление цивилизаций к контактам? 393. Методы меж-
звездных контактов 395. Дальнейшее развитие цивилизаций
земного типа 399. Выводы 407. Вопросы 408. Литера-
тура 408
Глава 19.
Методы контакта
409
Преимущества радио и телевидения 409. Межзвездные кос-
мические корабли 412. Замедление времени 416. Трудности
полета с субсветовыми скоростями 419. Автоматические
межзвездные зонды 422. Выводы 426. Вопросы 426. Ли-
тература 427
Глава 20.
Межзвездная
Где искать? 429. На каких частотах искать? 431. Полоса
частот и полный диапазон частот 437. Как распознать
искусственный сигнал? 440. Современное состояние радио-
радио- И телеви- поисков других цивилизаций 445. Какие сообщения можно
знойная СВЯЗЬ 428послать или получить? 449. Выводы 454. Вопросы 455.
Литература 456
Глава 21.
Посещалась ли
Земля космичес-
кими пришель-
цами? 457
Два сообщения об НЛО 459. Лаббокские огни 463. Ве-
нера в Джорджии 464. Приземление в Сокорро 464. Труд-
ности проверки гипотезы инопланетного космического ко-
рабля 465. Некоторые выводы об НЛО 470. Фон Деникен
и боги 471. Выводы 476. Вопросы 477. Литература 477
Глава 22.
Где вы, братья
по разуму? 478
ЦБС Красносельского района Na 07 003F631