Конец Солнца и Самость Космоса Часть 2

6. Картина катастрофы

Органическое человечество будет ощущать свою смерть как космическую катастрофу. Катастрофа здесь и далее означает резкое качественное (скачкообразное) изменение среды – биосферы, благоприятной для органической формы жизни, возникающее в виде внезапного ответа биосферы на плавное количественное изменение условий – параметров солнечного излучения (его мощности и температуры), необходимых для органической жизни, от которых она зависит. Проблема человека состоит в том, что он не может жить вне биосферы, имеющей определённый газовый состав атмосферы, спектр и мощность звёздного (солнечного) излучения, определённую силу атмосферного давления, температуру и химический состав почвы и воздуха и прочее. На завершающем этапе своей жизни Солнце уничтожает все эти условия, и вместе с ними оно уничтожает биосферу и человека. Причиной катастрофы станет неуклонное увеличение количества солнечного излучения (в том числе теплового), падающего на поверхность Земли.

Наступающая катастрофа – это необходимое[23] событие, обусловленное законами солнечной эволюции. Катастрофа неотвратима, она запрограммирована ходом звёздной эволюции, её нельзя отложить или отсрочить; она действует на самые фундаментальные, глубинные основы органической жизни на Земле и уничтожает их.

Этапы катастрофы

1) Solis calore cladis[24]

Запас ядерного топлива в Солнце ограничен и постоянно тратится на излучение. Каждую секунду 600 миллионов тонн водорода сгорает в термоядерной топке, а в энергию превращается 4,26 миллиона тонн вещества. В момент возникновения Солнца доля водорода к его массе составляла 70,6%, сейчас его доля упала до 36,3% массы Солнца. Каждый испущенный Солнцем фотон света означает, что запасы водорода выгорают, в результате чего звезда приближается к своему концу. Стадия горения водорода составляет примерно 90% времени эволюции Солнца. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 миллиардов лет. Сейчас наше Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла.

На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий, который накапливается в солнечном ядре, из-за чего пространство, в котором происходит ядерный синтез, постоянно расширяется в сторону внешних оболочек Солнца. По этой причине Солнце становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается на 1% каждые 110 миллионов лет.

Спустя 1,1 миллиардов лет с настоящего времени наша звезда будет ярче (и горячее) на 11%. Следствием увеличения светимости Солнца станет рост температуры на планетах Солнечной системы. Через 1 миллиард лет средняя температура на Земле достигнет 700С, что будет превышать современную в 4,5 раза (сейчас средняя температура на Земле равна примерно 150 С), температура поверхности Земли при этом превысит 1000 С. Есть все основания полагать, что жизнь организмов, построенных на углеродных соединениях, возможна только в диапазоне температур от +80° до -70° С, при более низкой или высокой температуре углеродные соединения разрушаются, поэтому следствием Солнечной эволюции станет уничтожение на Земле большинства существующих форм жизни.

Сначала люди заметят, что Солнце станет светить немного ярче, а его диск на небосводе увеличится в размере, будто Солнце приблизилось к Земле. Очертания Солнечного диска по краям станут не такими чёткими, как раньше, и приобретут некоторую размытость. В это же время Луна отдалится от Земли и, по причине уменьшения её приливного воздействия на Землю, скорость вращения Земли вокруг своей оси замедлится, что приведёт к увеличению длительность земных суток. Из-за увеличения длительности светового дня дневная сторона Земли, обращённая в течение дня к Солнцу, будет перегреваться, а ночная сторона, наоборот, переохлаждаться, что вызовет большие перепады температур. Перепады температуры вызовут небывалые на памяти человека перепады давления в атмосфере, и смена времени суток будет сопровождаться разрушительными ураганами, когда из областей высокого давления горячий воздух будет перемещаться в области низкого давления. Из-за неуклонного увеличения светимости Солнца температура воздуха и земной поверхности будет ежегодно расти, так что зимы будут подобны лету. Растают все ледники, и поднявшиеся моря и океаны затопят берега континентов и все островные государства. Через некоторое время от перегрева воды в реках и озёрах погибнет всё живое. Постепенно все реки высохнут, озера испарятся. В огромных количествах метан будет испаряться из мёртвых водоёмов в атмосферу, и воздух станет ядом. От обезвоживания деревья и трава превратятся в хворост, который будет вспыхивать от солнечных лучей. Очаги пожаров накроют всю сушу. Ураганы будут разносить огонь по всей планете, и огонь пожаров превратится в океан плазмы. В планетарном пожаре и от засухи сгорят все леса и посевы, и среди людей и животных начнется небывалый голод. Количество углекислого газа в воздухе вырастет в десятки раз, воздух будет насыщен мельчайшими частицами пыли и сажи, и дышать им будет невозможно. Миллиарды тонн пыли и пепла, разносимые ураганами, поднимутся выше облаков и Солнечный диск будет едва различим с поверхности Земли. Вследствие гибели всех растений на Земле прекратится фотосинтез и выделение в атмосферу кислорода. Вследствие непрерывного роста температуры вода из океанов в огромных количествах будет испаряться, и вместе с пеплом от пожаров превращаться в плотный слой газопылевых облаков, сквозь которые тусклые солнечные лучи едва смогут достигнуть поверхности Земли. Плотная облачность будет препятствовать отдаче тепла Землею и это приведёт к усилению парникового эффекта. Рост температуры поверхности Земли вызовет выделение части углекислоты из близких к поверхности карбонатных пород, что усилит парниковый эффект, обусловив дальнейший нагрев поверхности Земли. Нагреваемые карбонаты будут выделять всё больше углекислого газа и парниковый эффект войдёт в разнос.

2) Venit aestum super caput[25]

Через 3,5 миллиардов лет с настоящего времени яркость Солнца возрастёт на 40%. К этому времени условия на поверхности Земли станут схожи с поверхностными условиями современной Венеры[26]: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос, и поверхность Земли станет бесплодной раскалённой пустыней. Хотя сегодня на Венере количество воды стремится к нулю, в прошлом ситуация была иной. В 2009 году с помощью зонда Venus Express были получены доказательства того, что из-за солнечного излучения большой объём воды был потерян из атмосферы Венеры в космос.

Карл Саган так описывает атмосферу и поверхность Венеры: “В обычном видимом свете можно наблюдать бледно-жёлтые облака Венеры, но, как впервые отметил Галилей, в них практически не на чем задержаться взгляду. Однако камера, работающая в ультрафиолетовом диапазоне, позволяет рассмотреть в верхних слоях атмосферы изящную, сложную систему вихревых ветров, дующих со скоростью около 100 метров в секунду. На 96 процентов атмосфера Венеры состоит из углекислоты. Имеются незначительные следы азота, водяного пара, аргона, угарного и других газов, но содержание углеводородов и углеводов не превышает 0,1 части на миллион. Облака Венеры, как выяснилось, представляют собой в основном концентрированный раствор серной кислоты. Присутствуют также небольшие количества соляной и плавиковой кислот. Даже верхние, холодные облака Венеры оказались совершенно отвратительным местом.

Над видимым облачным слоем, на высоте около 70 километров от поверхности, всегда висит дымка из мельчайших частиц. На уровне 60 километров мы ныряем в облака, чтобы очутиться в окружении капелек концентрированной серной кислоты. По мере погружения они становятся крупнее. В нижних слоях атмосферы имеются следы едкого газа – диоксида серы (SO2). Поднимаясь выше облаков, он испытывает на себе разлагающее действие ультрафиолетового излучения Солнца и вступает в реакцию с водой, образуя серную кислоту, которая конденсируется в мельчайшие капли, оседает и на небольших высотах благодаря нагреванию вновь распадается на SO2 и воду, завершая круговорот. По всей Венере постоянно идут сернокислые дожди, но ни одна капля никогда не достигает поверхности планеты.

Жёлтый серный туман продолжается до высоты 45 километров над поверхностью, достигнув которой, мы оказываемся в плотной, но кристально прозрачной среде. Однако атмосферное давление настолько велико, что разглядеть поверхность невозможно. Солнечный свет, рассеиваемый молекулами атмосферы, полностью скрывает её из виду. Здесь нет пыли, нет облаков, просто газовая оболочка планеты становится осязаемо плотной. Сквозь лежащие выше облака проникает довольно много солнечного света, не меньше, чем на Земле в пасмурный день.

Обжигающая жара, разрушительное давление, ядовитые газы и жуткий красноватый свет делают Венеру больше похожей не на богиню любви, а на воплощение преисподней <…>.

Очень маловероятно, чтобы в такой ужасной местности водилось что-то живое, даже создания, очень сильно отличающиеся от нас. Органические и любые мыслимые биологические молекулы просто распались бы здесь на куски”.

По мере того, как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро – сжиматься и нагреваться. Спустя 7–7,05 миллиардов лет с настоящего времени Солнце станет субгигантом. На этой фазе, согласно одной из моделей, Солнце увеличится в диаметре более чем в два раза от современного, а его температура упадёт с 5500 K до 4900 кельвинов. Приблизительно через 7,6–7,8 миллиардов лет с настоящего времени в результате разогрева Солнечного ядра в Солнце запустится процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек звезды, и таким образом Солнце станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится более чем в 250 раз в сравнении с современным. Расширение звезды приведёт к увеличению её светимости более чем в 2700 раз и охлаждению поверхности до 2650 кельвинов. При этом Солнце потеряет более 28% своей массы, что приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту. Однако Земля, скорее всего, всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой. Даже если наша планета избежит поглощения Солнцем, её атмосфера будет сорвана сильнейшим солнечным ветром. Данная фаза существования Солнца продлится около 10 миллионов лет. Когда температура в солнечном ядре достигнет 100 миллионов кельвинов, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере до 9,5 современного радиуса Солнца. Спустя 100–110 миллионов лет, когда запасы гелия иссякнут, повторится бурное расширение внешних оболочек звезды, и она снова станет красным гигантом. Период пульсаций будет сопровождаться мощными вспышками Солнца, временами его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз. Это будет происходить от того, что в термоядерную реакцию будут вступать ранее не затронутые остатки гелия. В таком состоянии Солнце просуществует около 20 миллионов лет. Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. После того как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана, и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированный из ядра Солнца белый карлик, очень горячий и плотный объект, с массой около 54,1% от первоначальной солнечной, но размером только с Землю. Изначально этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 тысяч кельвинов и светимость 3500 солнечных, но в течение многих миллиардов лет он будет остывать и угасать. С вхождением Солнца в фазу белого карлика, поверхность Земли постепенно остынет и погрузится во мрак. Если представить размеры Солнца с поверхности Земли будущего, то оно будет выглядеть не как диск, а как сияющая точка с угловыми размерами около 0°0’9".

3) Aeterna silentia[27]

Через 10 миллиардов лет с настоящего времени наша галактика Млечный Путь столкнётся с соседней, гораздо более крупной галактикой – Туманностью Андромеды. Спиральные рукава Млечного Пути будут оторваны силой притяжения Туманности Андромеды, и остатки Солнечной системы, вполне возможно, окажутся в пустоте межгалактического космоса. Чёрные дыры в центрах обеих галактик столкнутся и сольются воедино.

Если Земля избежит поглощения внешними оболочками Солнца во время фазы красного гиганта, избежит столкновения с крупными космическими объектами и поглощения блуждающими по Вселенной чёрными дырами, то она будет существовать ещё многие миллиарды (и даже триллионы) лет, до тех пор, пока будет существовать Вселенная, однако условий для повторного возникновения жизни (по крайней мере, в её нынешнем виде) на Земле не будет.

Земля постепенно остынет, пепел осядет на её выжженную поверхность, и на смену недавнему лету придёт вечная зима. Свет дальних звёзд будет освещать испепелённую поверхность каменистой почвы, на которой ещё совсем недавно бушевала удивительная в своём многообразии жизнь. После гибели живой Земли в течение ещё нескольких миллиардов лет с её поверхности можно будет наблюдать яркую звезду, которая когда-то была её Солнцем, но уже никогда оно не подарит планете ни света, ни тепла. Постепенно звезда остынет и от неё останется только чёрный ком ядерного шлака, и крик человеческого ребёнка уже никогда не огласит Землю.

Рисунок 13. Сначала люди заметят, что Солнце станет светить немного ярче, а его диск на небосводе увеличится в размере, будто Солнце приблизилось к Земле. Очертания Солнечного диска по краям станут не такими чёткими, как раньше, и приобретут некоторую размытость. Вода в огромном количестве будет испаряться и плотный слой облачности накроет Землю.

Рисунок 14. Через 3,5 миллиардов лет с настоящего времени яркость Солнца возрастёт на 40%. К этому времени условия на поверхности Земли станут схожи с поверхностными условиями современной Венеры: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос, и поверхность Земли станет бесплодной раскалённой пустыней. Камни и песок расплавятся и поверхность Земли будет покрыта раскаленной магмой.

Рисунок 15. Приблизительно через 7,6–7,8 миллиардов лет с настоящего времени в результате разогрева Солнечного ядра в Солнце запустится процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек звезды, и таким образом Солнце станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится более чем в 250 раз в сравнении с современным.

Рисунок 16. С вхождением Солнца в фазу белого карлика, поверхность Земли постепенно остынет и погрузится во мрак. Если представить размеры Солнца с поверхности Земли будущего, то оно будет выглядеть не как диск, а как сияющая точка с угловыми размерами около 0°0’9".

7. Гибель живой Земли по другим причинам

Удивительным образом срок окончания жизни Солнца совпадает со сроками остывания Земли и замедления её вращения вокруг своей оси.

7.1. Остывание Земли

Поверхность Земли получает тепло от Солнца, но солнечные лучи не могут прогреть внутренние недра Земли. Земля всё ещё не превратилась в холодное и замёрзшее космическое тело, потому что она всё ещё использует тепло, сохранённое с момента своего образования, и получает его от ядерного распада элементов в недрах земной коры. Сейчас температура недр Земли превышает температуру замерзания воды. С наступлением зимы почва промерзает на глубину лишь несколько метров, в южных странах она не замерзает никогда. Но уже через несколько миллиардов лет температура внутри Земли будет ниже нуля градусов Цельсия. Это произойдёт вследствие отдачи Землёю в космическое пространство остаточного тепла, сохраняющего с эпохи аккреции, и окончанием распада радиоактивных элементов в недрах Земли, в процессе которого освобождается тепловая энергия.

До сих пор внутренняя теплота нашей планеты обеспечивается сочетанием остаточного тепла, оставшегося от эпохи формирования Земли, когда она представляла раскалённый шар, и радиоактивным распадом нестабильных изотопов: калия-40, урана-238, урана-235 и тория-232. У всех изотопов период полураспада составляет более миллиарда лет. В центре планеты, температура достигает 6000°С (больше, чем на поверхности Солнца). Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре. Поскольку большая часть тепла, производимого Землёй, обеспечивается радиоактивным распадом, то в начале истории Земли, когда запасы короткоживущих изотопов ещё не были истощены, энерговыделение нашей планеты было гораздо больше, чем сейчас. Больше всего энергии теряется Землёй посредством тектоники плит, подъёма вещества мантии на срединно-океанические хребты. Последним основным типом потерь тепла является теплопотеря сквозь литосферу, причём большее количество теплопотерь таким способом происходит в океане, так как земная кора там гораздо тоньше, чем под континентами.

Японские и американские учёные под руководством доктора Итару Шимицу (Itaru Shimizu) из Университета Тохоку в Сендае при помощи нейтринного детектора вычислили количество тепла, которое выделяется из недр Земли в результате распада радиоактивных элементов. “Этот процесс даёт примерно 50% от общего количества тепла, которое выделяет наша планета, а это – примерно 44 тераватт. Остальное тепло Земля получила ещё в момент своего образования, то есть 4,5 миллиарда лет назад”, – пишут авторы исследования. Так, по их расчётам, в результате ядерного распада урана-238, тория-232 и калия-40 выделяется тепло, энергия которого составляет 24 тераватт.

Свои исследования Шимицу и его коллеги проводили в рамках крупного проекта Kam LAND Collaboration по измерению потоков нейтрино в недрах Земли. С марта 2002 года по ноябрь 2009 года потоки фиксировал специальный детектор, расположенный на километровой глубине в шахте Камиока, в толще горы Икенояма на острове Хонсю. За это время учёные уловили 841 нейтрино. Как объясняет Шимицу, нейтрино – это особые элементарные частицы, которые не имеют массы покоя и электрического заряда, они не способны отрывать электроны от атома и расщеплять ядра. Нейтрино практически не взаимодействует с веществом, поэтому проходят сквозь толщу земной коры никак не видоизменяясь. Из 841 частицы, которую уловили учёные, почти половина поступала от атомных станций и радиоактивных отходов. Источником ещё 245 частиц стали космические лучи, пронизывающие Землю. Остальные 111 частиц, говорит Шимицу, – как раз и образовались в результате ядерного распада урана, тория и калия, и именно они дают 24 тераватт тепла.

Эту величину очень важно было вычислить по многим причинам, считают авторы исследования. Поскольку распад радиоактивных элементов происходит с определённой скоростью, по тому количеству тепла, которое сейчас выделяет Земля, можно узнать, сколько тепла она теряла раньше и с какой скоростью продолжит остывать. По его словам, сейчас наша планета остывает приблизительно со скоростью 100 градусов на каждый миллиард лет. Остывание Земли происходит из-за того, что со временем уменьшается количество тепла, которое образуется в результате распада радиоактивных элементов в её недрах, постепенно рассеивается и тепло, которое Земля хранит с момента своего образования. Так, считает Стивенсон, вероятнее всего, через несколько миллиардов лет, когда Солнце прекратит свою эволюцию, внутреннее тепло нашей планеты точно так же иссякнет, и она превратится в холодное и замёрзшее небесное тело.

По мнению Ника Лейна, английского биохимика, научного сотрудника отделения генетики, эволюции и окружающей среды Университетского колледжа Лондона, в результате постепенного охлаждения мантии вода всё больше должна связываться с породами, входить в состав их структуры и всё реже при вулканической активности вырываться под действием тепла на поверхность. Охлаждаясь, Земля рано или поздно может поглотить собственные океаны. Такой процесс мог быть одной из причин исчезновения воды на Марсе.

7.2.Замедление вращения Земли вокруг своей оси

Смена дня и ночи на Земле способствует равномерному нагреву её поверхности. Если бы Земля не вращалась вокруг своей и оси и была всегда обращена к Солнцу одной стороной, то на тёмной стороне царила бы вечная зима, и там не было бы условий для жизни растений и фотосинтеза, а дневная сторона представляла бы собою выжженную пустыню.

В настоящее время Земле требуется в среднем 23 часа 56 минут и 4,091 секунд (звёздные сутки), чтобы совершить один оборот вокруг своей оси. В большом масштабе времени вращение Земли вокруг своей оси – замедляется. Продолжительность одного оборота Земли увеличивалась за последние 2000 лет в среднем на 0,0023 секунды в столетие (по наблюдениям за последние 250 лет это увеличение меньше – около 0,0014 секунды за 100 лет). Так, например, в девоне (примерно 410 миллионов лет назад) в году было 400 дней, а сутки длились 21,8 часа, а 3 миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, то есть Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раз быстрее. Причиной замедления вращения Земли вокруг своей оси является гравитационное воздействие[28] Луны.

Луна – спутник Земли, оказала неоценимую услугу эволюции жизни на Земле. Масса Луны равняется примерно 1/81 массы Земли. Такое соотношение является нетипично большим по сравнению с другими спутниками планет в Солнечной системе. По этой причине Луна и Земля могут рассматриваться как двойная планетная система обращающаяся вокруг общего центра масс, в которой Луна оказывает значительное гравитационное влияние на свою спутницу – Землю. В пользу такой точки зрения свидетельствует то, что плоскость Лунной орбиты лежит весьма близко к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца, а не в экваториальной плоскости Земли. Практически все остальные спутники в Солнечной системе имеют орбиты, лежащие почти точно в экваториальной плоскости своих планет-хозяев. В результате приливной синхронизации Земли с Луной ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости её орбиты на 23,5 градуса, а орбита Луны наклонена на 5 градусов относительно орбиты Земли. Из-за наклона оси Земли высота Солнца над горизонтом в течение года изменяется. Для наблюдателя в северных широтах летом, когда Северный полюс наклонён к Солнцу, светлое время суток длится дольше и Солнце в небе находится выше. Это приводит к более высоким средним температурам воздуха. Зимой, когда Северный полюс отклоняется в противоположную от Солнца сторону, ситуация изменяется на обратную и средняя температура становится ниже. Эти изменения погодных условий, обусловленные наклоном земной оси, приводят к смене времён года.

Приливным действием Луна не только стабилизирует наклон земной оси, но и постепенно замедляет вращение Земли. Океанские приливы и отливы, в зоне которых появились первые формы сухопутной жизни (в настоящее время роль силы притяжения Солнца в возникновении феномена приливов и отливов составляет лишь одну треть), являются результатом приливного действия Луны.

Если Луна тормозит вращение Земли вокруг общего центра масс, то Земля наоборот способствует ускорению движения Луны вокруг него. Из-за приливного ускорения, сообщаемого Луне Землёй, орбитальная скорость Луны увеличивается, вследствие этого Луна удаляется от Земли со скоростью примерно 34 миллиметра в год, а её орбита представляет раскручивающуюся спираль. Удаление Луны от Земли уменьшает приливное воздействие Луны на Землю, что ведёт к уменьшению скорости вращения Земли вокруг общего центра масс, в результате чего происходит увеличение длительности земного дня на 23 мкс в год. По мере удаления Луны от Земли ось вращения Земли будет приближаться к плоскости эклиптики. Один из полюсов будет направлен прямо на Солнце, а другой – в противоположную сторону, и по мере обращения Земли вокруг Солнца они будут меняться местами, что приведёт к перегреву той стороны Земли, которая будет обращена к Солнцу, и переохлаждению противоположной ей стороны. Планетологи, изучавшие такую ситуацию, утверждают, что, в таком случае на Земле вымрут все крупные животные и высшие растения.

Ускоряющая сила, действующая на Луну, будет существовать до тех пор, пока угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси будет выше, чем скорость вращения Луны вокруг Земли. Земные сутки должны удлиняться до тех пор, пока периоды вращения Земли и Луны не станут равными периоду обращения Луны вокруг Земли. Расчёты показывают, что Луна будет продолжать удаляться от Земли по спирали до тех пор, пока её орбитальный период не станет равным 50 суткам; периоды вращения Земли и Луны тогда будут также равны 50 современным суткам. То есть сутки на Земле будут длиться 1 200 часов, и Луна будет “висеть” неподвижно над одним и тем же местом на Земле.

Солнце и Земля также вращаются вокруг общего центра масс, но гораздо медленнее. В результате этого период вращения Земли вокруг своей оси будет продолжать увеличиваться, пока, в конце концов, он не станет равным периоду обращения Земли вокруг Солнца. Такое состояние, по-видимому, ожидает планету Меркурий. Одна сторона Земли тогда будет постоянно обращена к Солнцу и раскалена, а другая – совершенно замёрзнет в тени.

Рисунок 17. Вращение Земли и Луны вокруг общего центра масс

Рисунок 18. Схема торможения Земли и разгона Луны приливами:

1 – Земля; 2 – Луна; 3 – орбита Луны

Рисунок 19. Изменение орбиты Луны за последние 4,36 млрд. лет

8. Финалы эволюции Вселенной

Современная космологическая наука предполагает неизбежной гибель не только Солнечной системы, но и нашей галактики, и всей видимой части Вселенной. Мы видим, что все вещи, существующие во Вселенной, не вечны, они имеют срок жизни – появляются, существуют и перестают существовать. По мнению современных исследователей, Вселенная также находится в движении от некоего начального состояния космологической сингулярности[29], к некоему конечному состоянию. Если Вселенная – это вещь, то, подобно тому, как судьба вещи определяется судьбой составляющего её вещества, судьба Вселенной зависит от судьбы её вещества, и так как вещество – тленно, тогда Вселенная имеет конец. Существует три высоковероятных, с точки зрения современной науки, финала Вселенной.

8.1. Водородная смерть Вселенной

Научный факт, дающий основание для предсказания смерти Вселенной, следует из химического состава звёзд. По спектрам испускания звёзд установлено, что они в основном состоят из водорода. Звезда умирает, когда истощаются её запасы водорода. В звезде водород превращается в гелий и другие тяжёлые элементы, и в естественной природе нет процессов, когда бы водород восстанавливался из тяжёлых элементов. Весь водород во Вселенной образовался примерно 240-270 тысяч лет после Большого Взрыва (эпоха рекомбинации водорода), и если Вселенная не безгранична, то и запасы водорода в ней также не безграничны. Поскольку горение водорода в звёздах – процесс необратимый, то из этого следует непреложный факт – Вселенная закономерно движется к концу своего существования. Когда во Вселенной выгорят все запасы водорода, в ней останутся ещё чёрные дыры, белые карлики, нейтронные звёзды и замёрзшие планеты, но ни один из этих объектов не годится на роль человеческого солнца, под лучами которого могла бы продолжаться органическая жизнь. Чёрные дыры своей гравитацией уничтожают все известные нам формы вещества, а излучение белых карликов и нейтронных звёзд губительно действуют на человека. Когда же внутри последних звёзд закончится топливо, тогда ни одна звезда не осветит Вселенную своим светом и Вселенная погрузится в вечную тьму и абсолютный холод.

Таким образом, даже если человеку каким-то образом удастся избежать гибели на заключительной стадии солнечной эволюции, его всё равно ждет неизбежный конец в результате истощения во Вселенной запасов звёздной энергии.

8.2. Распад вещества Вселенной

О том, что у Вселенной должен быть конец во времени, нам подсказывают результаты наших наблюдений за происходящими сейчас во Вселенной процессами. Мы видим, что все объекты материального мира, будь то галактики, звёзды, кометы или живые организмы, в том числе люди, а также созданные людьми вещи, имеют во времени своё начало и свой конец. Не остаётся неизменным даже вещество, из которого созданы вещи. Протон, основа атомного ядра, имеет период полураспада 8,2·1033 лет, – это значит, что всё вещество и всё сделанное из вещества – звёзды, планеты, живые организмы, созданная людьми техника, через определённое количество лет исчезнут в результате распада ядер атомов, из которых они состоят.

Из этого следует, что даже если человек найдёт для себя иную форму жизни, например, синтетическую, и сумеет извлекать энергию для жизни не из электромагнитных волн, а, например, из вакуума, его всё равно ждёт неизбежный конец в результате распада всего вещества Вселенной, в том числе, вещества – из которого он будет состоять.

8.3. Большой разрыв или Большое сжатие Вселенной

Вселенная расширяется в пространстве. По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад под действием тёмной энергии[30]. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Далее расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к Большому Сжатию, разумеется, в этот процесс будут вовлечены все материальные образования. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году при наблюдениях за сверхновыми типа Ia. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

Интерлюдия. Случай во Вселенной

Солнце как Бог

Издавна люди интуитивно понимали роль Солнца в возникновении жизни на Земле. Это знание сначала возникло как прозрение или получалось людьми в форме божественных откровений.

Занимая центральное место в картине природы, на протяжении всей истории человеческой цивилизации во многих культурах Солнце было объектом поклонения. Культ Солнца существовал в Древнем Египте, где солнечным божеством являлся Ра: “Открыв глаза [Ра, Бог Солнца] пролил свет на Египет и отделил ночь от дня. Из его рта вышли боги, а люди – из его глаз. Все вещи получили свою жизнь от него, ребёнка, сияющего в лотосе, чьи лучи дают жизнь всякому существу” (Египетские заклинания времён Птолемеев).

У греков богом Солнца был Гелиос, который, по преданию, ежедневно проезжал по небу на своей колеснице. Со времени Еврипида Гелиоса, как всевидящего бога Солнца, стали отождествлять с Аполлоном, всезнающим богом-прорицателем; отсюда другое имя Гелиоса – Феб. У Ферекида Сирского Гелиос отождествляется с Зевсом. Зевс – бог неба, грома и молний, ведающий всем миром, главный из богов-олимпийцев. Атрибутами Зевса были: щит и двусторонний топор (лабрис), иногда орёл; местопребыванием считался Олимп (Зевс-Олимпиец). Зевс мыслится “огнём”, “горячей субстанцией”, он обитает в эфире, владеет небом, является организующим средоточием космической и социальной жизни. Существует миф: “Богам источником энергии служили звёзды. Когда Аполлон проезжал по небу в колеснице, запряжённой четвёркой огнедышащих коней, небеса и землю заливала бесконечная мощь Солнца. Соперничать с Аполлоном в могуществе способен был только Зевс. Однажды Семела, одна из многочисленных смертных возлюбленных Зевса, умолила Отца богов показаться ей в истинном своём виде. Зевс неохотно согласился. Слепящая вспышка космической энергии ослепила несчастную женщину” (в пересказе Митио Каку, США, профессора теоретической физики, одного из создателей теории струн).

В славянских языческих религиозных верованиях среди богов существовала иерархия, свойственная многим народам, поклонявшимся нескольким богам. Все славянские боги, которые входили в древний языческий пантеон, делились на богов солнечных (четыре ипостаси бога Солнца) и богов функциональных. Верховным божеством славян был Род. Ипостасей бога Солнца было четыре, по числу времён года: Хорc (Коляда), Ярило, Даждьбог (Купайла) и Сварог (Световит). В старинных славянских сказках говорится, что Солнце есть царь, что он владеет двенадцатью царствами, и в каждом поставил господином одного из своих двенадцати сыновей, двенадцати солнц, что сам Царь-Солнце живёт в солнце, а сыновья его живут в звёздах.

“Де сонце, там і сам Господь”.

Тот факт, что Солнце считалось дедом или отцом славянского народа, подчёркивает и старинная песня, которая встречается с небольшими изменениями в эпосе всех славянских народностей:

“Солнышко, солнышко,

Выгляни в окошечко!

Твои детки плачут,

Пить, есть просят”.

Во времена становления христианства на Руси языческие верования стараниями духовенства и представителей власти стали постепенно видоизменяться. К примеру, можно встретить такие поучения Кирилла Туровского: “Не нарицайте себе бога ни в солнце, ни в луне”.

В Восточной Азии Луна и Солнце считались двумя первичными природными силами, причём Луна считалась связанной с пассивным началом – инь, а Солнце – с активным началом – ян. В трактате «Ней-цзин» по этому поводу говорится:“Чистая субстанция ян претворяется в небе; мутная субстанция инь претворяется в земле… Небо – это субстанция ян, а земля – это субстанция инь. Солнце – это субстанция ян, а Луна – это субстанция инь… Субстанция инь – это покой, а субстанция ян – это подвижность. Субстанция ян рождает, а субстанция инь взращивает. Субстанция ян трансформирует дыхание – ци, а субстанция инь формирует телесную форму”.

С развитием знаний о природе и становлением научного метода, понимание роли Солнца в появлении и поддержании жизни человека приобрело научный характер. Идея, что Солнце – основа возникновения и существования жизни на нашей планете, а также причина большинства протекающих на ней физических и химических процессов, получила научное обоснование в ХХ веке в трудах русского исследователя Александра Леонидовича Чижевского. А. Л. Чижевский в ходе кропотливых исследований доказал неразрывную взаимосвязь органического мира Земли с излучаемой Солнцем энергией. До этого считалось, что поток Солнечного излучения практически постоянен, а изменения, происходящие в верхних слоях земной атмосферы, не оказывают влияние на нижние её слои. Из этого делался вывод о том, что ландшафтная оболочка нашей планеты является изолированной от Солнечного излучения самоорганизующейся системой. Считалось, что длительная эволюция живых организмов должна была выработать у них соответствующие защитные механизмы против воздействия повышенной солнечной активности. А. Л. Чижевский приходит к выводу об ошибочности существующих взглядов. Критику существующих представлений он начинает с анализа физического взаимодействия Солнца и Земли: “В нас глубоко укоренилась привычка считать, что Солнце чрезвычайно удалено от нас… Однако данный взгляд в корне неверен. Его ошибочность происходит оттого, что мы не учитываем одного важнейшего фактора – размеров самого светила и связанных с этим массы тела и величины излучающей поверхности, то есть силы притяжения Солнца и силы его радиации” (“Земное эхо Солнечных бурь”). В самом деле, Земля удалена от Солнца только на 107 его диаметров, и если учесть мощь протекающих в нём термоядерных процессов, то невольно приходишь к выводу, что наша планета целиком находится во власти своей Звезды.

А. Л. Чижевский приходит к выводу, что лучистая энергия Солнца – основной источник большинства физико-химических явлений в атмосфере, гидросфере и поверхностном слое литосферы, а “земная жизнь и её продукция есть превращённая энергия солнечного излучения”. А. Л. Чижевский исходит из идеи, что “…мир астрономических и мир биологических явлений… связаны одним с другим”. Его идея постепенно обогащается опытом наблюдений и переходит в знание. Он приходит к научному пониманию единства мира, в том числе мира неживой и живой природы: “Теперь мы можем сказать, что в науках о природе идея о единстве и связанности всех явлений в мире и чувства единства мира как неделимого целого никогда не достигали той ясности и глубины, какой они… достигают в наши дни. Создаётся впечатление, что органический мир словно вырван из природы, поставлен насильно над ней и вне её. Для живого, согласно такому воззрению, существует только одна среда – само живое. С окружающим же миром – всею природою – оно может как бы не считаться, ибо живое – победитель мёртвого. И при таком воззрении живое перестаёт быть реальностью и становится подобным абстракции, геометрической форме или математическому знаку. Увы, оно стало весьма характерным и рушиться лишь тогда, когда какие-либо стихийные катастрофы, мировые катаклизмы разражаются над живым. Только тогда, когда миллионы человеческих жизней в одно мгновение смываются лавой или волнами океана… только тогда человек смутно начинает сознавать ничтожество своей физической организации над физическими силами природы” (“Земное эхо Солнечных бурь”). На самом деле, заключает исследователь: “Люди и все твари земные являются поистине “детьми Солнца” – созданием сложного мирового процесса, имеющего свою историю, в котором наше Солнце занимает не случайное, а закономерное место наряду с другими генераторами космических сил.

Несомненно, что главным возбудителем жизнедеятельности Земли является излучение Солнца, весь его спектр, начиная от коротких – невидимых, ультрафиолетовых волн и кончая длинными красными, а также все его электронные и ионные потоки. Они служат “передатчиками состояний” и заставляют каждый атом поверхностных оболочек Земли резонировать созвучно тем вибрациям, которые возникли на центральном теле нашей системы”. (“Земное эхо Солнечных бурь”).

Боги умирают?!

Человеческие представления, помещающие Землю и человека в центр мира, поднимающие их до цели и смысла мирового развития, оказались ошибочными. По словам Сагана: “Мы обнаружили, что живём на малозначительной планете возле неприметной звезды, затерянной между двумя спиральными рукавами на окраине галактики, которая входит в состав относительно небольшого скопления галактик, где-то в забытом углу Вселенной, содержащей больше галактик, чем людей на Земле”. В настоящее время во Вселенной обнаружено несколько сотен миллиардов (1011) галактик, каждая из которых состоит в среднем из ста миллиардов звёзд, вокруг которых в совокупности обращается десять миллиардов триллионов (1011 x 1011 = 1022) планет. Земля является лишь одной из них.

Всё указывает нам на то, что смерть звёзд – это заурядное событие в Космосе. С момента образования нашей Вселенной в ней родились и погибли миллиарды звёзд. Если мы посмотрим на ночное небо, мы увидим, что оно полно остатками звёзд, каждая из которых когда-то была подобна нашему Солнцу. Вокруг этих ещё горячих сгустков материи вращаются планеты. Многие из этих планет по своей массе и размеру подобны Земле, и, с высокой долей вероятности можно предположить, что на них когда-то существовала разумная жизнь, которая погибла в результате эволюции своей звезды. Саган, посвятивший свою жизнь поиску внеземного разума, о катастрофах космической жизни сказал следующее: “Обозревая маленький уголок Млечного Пути вокруг нас, мы видим много звёзд, окружённых сферическими оболочками светящегося газа – планетарными туманностями. <…> Они выглядят как кольца, по той же причине, что и мыльные пузыри: мы видим больше их вещества на периферии, чем около центра. Каждая планетарная туманность – это знак умирающей звезды. Вокруг центрального светила может сохраниться свита мёртвых миров – останки планет, некогда полных жизни, а ныне безвоздушных и безводных, купающихся в призрачном свечении”.

Через несколько миллиардов лет Солнце погаснет, но в последнем акте воли к жизни оно уничтожит всё живое в своей системе, и Земля погибнет от своего Солнца. Что будет с человеком? Сможет ли он спастись в космическом катаклизме или гибель человека заранее предрешена гибелью его ближнего бога? Переживёт ли человек гибель своего бога? Сможет ли он жить без своего бога? Да и Бог ли этот бог?

* * *

Звонил сегодня Богу, чтобы узнать у Него, – зачем Он всё это придумал? Не берёт трубку.

У Него бывает такое, когда Он не хочет ни с кем говорить.

Видимо, и в этот раз – тоже. Может – заболел?

Посмотрел на часы – до смерти Солнца осталось пять миллиардов лет. Время ещё есть, – позвоню позже.

 И вдруг, в один из дней,

 разверзлось Небо,

 и голос свыше протрубил:

 – Вы Ему не интересны!

 …и Небо закрылось. 

 Что будет теперь?

Примечания:

1. Вселенная – видимая нами часть Космоса; Космос – это всё, что есть, что когда-либо было и когда-либо будет.

2. Метафизический центр – область, порождающая смысл и задающая цели движения. Является понятием метафизики – науки о Началах нашего мира. Метафизические законы предшествуют физическим и определяют их.

3. Настроение — достаточно продолжительный эмоциональный процесс невысокой интенсивности, образующий эмоциональный фон для протекающих психических процессов. Настроение выражает отношение человека к его жизненной ситуации в целом. Настроение определяет общий тонус жизни человека. Оно зависит от тех влияний, которые затрагивают личностные стороны субъекта, его основные ценности. Не всегда причина того или иного настроения осознаётся, но она всегда есть.

4. Космос – всё, что есть, что когда-либо было и когда-либо будет.

5. Эволюция, здесь – процесс движения вещи от рождения к смерти, изначально запрограммированного природой (свойствами) вещи. Вещь – это онтические (явленные) свойства сущности. Сущность имеет в своём основании онтологическое ядро, задающее цель и смысл присутствия сущности в бытии. Вещь существует в пространстве-времени в виде формы. Форма является выражением своей сущности на том или ином этапе эволюции вещи.

6. Эволюция, здесь – процесс трансформаций, смена вещью своих форм. В некотором промежутке пространства-времени, называемом этапом, вещь сохраняет относительную стабильность формы. Всего выделяются следующие этапы эволюции: зарождение, рождение, прогресс, расцвет, регресс, старость, смерть, разложение. Каждому этапу соответствует своя форма, которая сохраняет онтологическое ядро эволюционирующей вещи.

7. Органическая жизнь – форма жизни на основе химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов). Человек является земной формой органической жизни.

8. Главная последовательность диаграммы Герцшпрунга-Расселла – область на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, содержащая звёзды, источником энергии которых является термоядерная реакция синтеза гелия из водорода. Главная последовательность расположена в окрестностях диагонали диаграммы Герцшпрунга-Рассела и проходит из верхнего левого угла (высокие светимости, ранние спектральные классы) в правый нижний угол (низкие светимости, поздние спектральные классы) диаграммы. Звёзды главной последовательности имеют одинаковый источник энергии (“горение” водорода, в первую очередь, CNO-цикл), в связи с чем их светимость и температура (спектральный класс) определяются их массой:

L=M3,9;

где светимость – L и масса – M измеряются в единицах солнечной светимости и массы, соответственно. Поэтому начало левой части главной последовательности представлено голубыми звёздами с массами примерно 50 солнечных, а конец правой – красными карликами с массами примерно 0,0767 солнечных. Существование главной последовательности связано с тем, что стадия горения водорода составляет примерно 90% времени эволюции большинства звёзд: выгорание водорода в центральных областях звезды приводит к образованию изотермического гелиевого ядра, переходу к стадии красного гиганта и уходу звезды с главной последовательности. Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию белых карликов, нейтронных звёзд или чёрных дыр. Участок главной последовательности звёздных скоплений является индикатором их возраста: так как темпы эволюции звёзд пропорциональны их массе, то для скоплений существует “левая” точка обрыва главной последовательности в области высоких светимостей и ранних спектральных классов, зависящая от возраста скопления, поскольку звёзды с массой, превышающий некий предел, заданный возрастом скопления, ушли с главной последовательности (по материалам Свободной энциклопедии – Википедия).

9. Знание – форма существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека. Знание помогает людям рационально организовывать свою деятельность и решать различные проблемы, возникающие в её процессе.

10. Будущее – часть линии времени, множество событий в пространственно-временном континууме, которые ещё не произошли, но произойдут.

11. Настоящее, здесь – часть линии времени, состоящая из событий, которые происходят в настоящий момент, то есть определённая область пространства-времени. При определённых допущениях под настоящим временем понимаются текущие дни, месяцы и даже годы. В этом смысле настоящее противопоставлено прошлому (множество событий, которые уже произошли) и будущему (множество событий, которые ещё не произошли), и расположено между ними.

12. Современный – соответствующий уровню, требованиям настоящего времени, без соотнесения с будущим.

13. Реальность – мир, так как он есть сам по себе.

14. Настоящий, здесь – подлинный, истинный, неподдельный, правильный.

15. Протозвезда – звезда на завершающем этапе своего формирования, вплоть до момента загорания термоядерных реакций в ядре, после которого сжатие протозвезды прекращается и она становится звездой главной последовательности. Протозвёзды обычно обладают пылевыми оболочками, благодаря которым они являются мощными источниками инфракрасного излучения. Протозвёзды небольших масс часто наблюдаются как вспыхивающие звёзды.

16. Солнечная туманность (Молекулярное облако) – тип межзвёздного облака содержащее молекулы водорода, чья плотность и размер позволяют в нём образовываться звёздам. Иногда называется также звёздной колыбелью (в случае, если в нём рождаются звёзды).

17. Аккреция (лат. accrētiō «приращение, увеличение» от accrēscere «прирастать») – процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства.

18. Биосфера (от др.-греч. βιος – жизнь и σφαῖρα – сфера, шар) – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; это живые организмы и среда их обитания.

Учение о биосфере – оболочке Земли, населённой живыми организмами, разработал В. И. Вернадский. Он распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду обитания. В. И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Более правильно, поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми существами.

Границы биосферы:

Верхняя граница в атмосфере: 15–20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5–7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10–11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Структура биосферы:

1. Живое вещество – вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

2. Биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

3. Косное вещество – продукты, образующиеся без участия живых организмов.

4. Биокосное вещество – вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т.д. Организмы в них играют ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

7. Вещество космического происхождения.

Зарождение жизни:

Жизнь на Земле зародилась ещё в архее – примерно 3,5 млрд. лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд. лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты – одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

Будущее биосферы:

С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой.

19. Живой организм – живое тело, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи.

20. Нагрев – искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне.

21. Тепловой баланс Земли – баланс энергии процессов теплопередачи и излучения в атмосфере и на поверхности Земли. Основной приток энергии в систему атмосфера – Земля обеспечивается излучением Солнца в спектральном диапазоне от 0,1 до 4 мкм. Внутренние источники тепла Земли менее значительны по мощности, чем внешние.

22. Парниковый эффект. Количественно величина парникового эффекта определяется как разница между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты и её эффективной температурой. Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами, содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра, и пропорционален плотности атмосферы. Следствием парникового эффекта является также сглаживание температурных контрастов как между полярными и экваториальными зонами планеты, так и между дневными и ночными температурами.

Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400–1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75% энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и достижению поверхности планет. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли при равном 300 K, 75% теплового излучения приходится на диапазон 7,8–28 мкм, для Венеры при равном 700 K – 3,3–12 мкм.

Атмосфера, содержащая многоатомные газы (двухатомные газы диатермичны – прозрачны для теплового излучения), поглощающие в этой области спектра (т.н. парниковые газы – H2O, CO2, CH4), существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.

При неизменности солнечной постоянной и, соответственно, потока солнечной радиации, среднегодовые приповерхностные температуры и климат, определяются тепловым балансом Земли. Для теплового баланса выполняются условия равенства величин поглощения коротковолновой радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля – атмосфера. В свою очередь, доля поглощённой коротковолновой солнечной радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На величину потока длинноволновой радиации, уходящей в космос, существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь, зависящий от состава и температуры земной атмосферы.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон.

Главный вклад в парниковый эффект земной атмосферы вносит водяной пар или влажность воздуха тропосферы, влияние других газов гораздо менее существенно по причине их малой концентрации.

Вместе с тем концентрация водяного пара в тропосфере существенно зависит от приповерхностной температуры: увеличение суммарной концентрации “парниковых” газов в атмосфере должно привести к усилению влажности и парникового эффекта, вызванного водяным паром, который в свою очередь приведёт к увеличению приповерхностной температуры.

При понижении приповерхностной температуры концентрация водяных паров падает, что ведёт к уменьшению парникового эффекта, и, одновременно с этим при снижении температуры в приполярных районах формируется снежно-ледяной покров, ведущий к повышению альбедо и, совместно, с уменьшением парникового эффектом, вызывающим понижение средней приповерхностной температуры.

Таким образом, климат на Земле может переходить в стадии потепления и похолодания в зависимости от изменения альбедо системы Земля – атмосфера и парникового эффекта.

Климатические циклы коррелируют с концентрацией углекислого газа в атмосфере: в течение среднего и позднего плейстоцена, предшествующих современному времени, концентрация атмосферного углекислого газа снижалась во время длительных ледниковых периодов и резко повышалась во время кратких межледниковий.

В течение последних десятилетий наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере.

23. Необходимость – причинная обусловленность вещи, явления на уровне её онтического присутствия. На более высоком онтическом уровне (становления) необходимость реализуется как случайность. На низшем онтическом уровне (становления) необходимость реализуется как закон природы. Реальная (физическая) необходимость – фактическая обусловленность явления определёнными обстоятельствами. Необходимость это онтология вещи, случайность – способ её отношений с вещами высшего онтического уровня присутствия.

24. Solis calore cladis (лат.) – поражение солнечным зноем.

25. Venita estus super caput (лат.) – солнечный удар.

26. Венера – вторая от Солнца планета Солнечной системы.

27. Aeter nasilentia (лат.) – вечное безмолвие.

28. Прили́вное ускоре́ние – эффект, вызванный гравитационно-приливным взаимодействием в системе естественный спутник – центральное тело. Главными следствиями этого эффекта являются изменение орбиты спутника и замедление вращения центрального тела вокруг оси, как это наблюдается в системе Земля – Луна. Другим следствием является разогрев недр планет, как это наблюдается с Ио и Европой и предположительно имело значительный эффект с древней Землёй.

Масса Луны сравнительно велика, и сама она находится довольно близко, вызывая приливы на Земле. В океанских водах на обращённой к Луне стороне формируется приливная волна (такая же волна формируется и на противоположной стороне). Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, приливная волна находилась бы точно под Луной, которая притягивает её к себе, и бежала бы по поверхности Земли с запада на восток, совершая полный оборот за один сидерический лунный месяц (27 дней 7 часов 43,2 минуты). Однако Земля вращается “под” этой волной, совершая один оборот за сидерический день (23 часа, 56 минут, 4,091 секунды). В результате приливная волна бежит по поверхности Земли с востока на запад, совершая один полный оборот за 24 часа 48 минут. Поскольку Земля отнюдь не является гладким шаром, на каждую из этих двух приливных волн регулярно «набегают» восточные берега материков, омываемых Мировым океаном (“набегают” именно материки на волну, поскольку Земля вращается быстрее обращения Луны). Из-за этого приливная волна смещается вперёд по направлению вращения Земли, опережая Луну. Следствием такого опережения является то, что значительная часть массы океанских вод (то есть и часть массы всей Земли) смещается вперёд с линии, соединяющей центры масс Земли и Луны. Эта смещённая вперёд масса притягивает к себе Луну, создавая силу, действующую перпендикулярно линии Земля – Луна. В результате на Луну действует момент силы, ускоряющий её обращение по орбите вокруг Земли. Обратным следствием всего этого является то, что на берега материков, когда они “набегают” на приливную волну, действует (по третьему закону Ньютона) противоположно направленная сила, которая “тормозит” их. Таким образом Луна создаёт приложенный к планете момент силы, который замедляет вращение Земли.

Как и во всех физических процессах, здесь действуют закон сохранения момента импульса и закон сохранения энергии. Момент импульса вращения Земли уменьшается, орбитальный момент импульса Луны увеличивается. С увеличением орбитального момента импульса Луна переходит на более высокую орбиту, а её собственная скорость (по третьему закону Кеплера) уменьшается. Получается так, что приливное ускорение Луны приводит к замедлению её обращения по орбите. Кинетическая энергия Луны уменьшается, а её потенциальная энергия увеличивается. При этом растёт и полная механическая энергия Луны. С уменьшением момента импульса вращения Земли её вращение замедляется, длительность суток увеличивается. Соответствующая кинетическая энергия вращения тратится в процессе трения приливной волны о берега материков, превращаясь в тепло и рассеиваясь. Прилив действует и на мантию Земли, выделяемое тепло остаётся в недрах. Для малых тел вблизи больших планет, например, Ио это явление превосходит тепло от радиоактивного распада.

Приливные силы действуют не только в океанских водах. Приливные волны формируются также в земной коре и мантии. Но благодаря неподатливости земной коры амплитуда этих “твёрдых” волн значительно уступает амплитуде океанских приливных волн, а длина, наоборот, составляет многие тысячи километров. Поэтому “твёрдые” приливные волны бегут в земной коре, почти не испытывая сопротивления, а связанный с ними тормозящий момент сил (и вызванные им замедление Земли и ускорение Луны) гораздо меньше.

Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока период вращения Земли не сравняется с периодом обращения Луны вокруг Земли. После этого Луна всегда будет находиться над одной точкой земной поверхности. Очевидно, на самой Луне это уже давно произошло: гораздо более сильное тяготение Земли создавало в твёрдом теле Луны приливные волны, которые замедлили вращение Луны и синхронизировали его с периодом обращения вокруг Земли, так что Луна всегда повёрнута к Земле одной стороной (то есть вращается с периодом, равным периоду оборота вокруг Земли).

Система Плутон – Харон является хорошим примером приливного эволюционирования орбит и периодов вращения своих участников. Данная система завершила свою эволюцию: и Плутон, и Харон всегда повёрнуты друг к другу одной стороной.

Приливное ускорение является одним из примеров необратимых пертурбаций орбиты, которые нарастают со временем и не являются периодическими. Взаимные гравитационные пертурбации планетарных орбит в Солнечной системе являются периодическими, то есть осциллируют между крайними значениями. Приливные эффекты вводят в уравнения движения квадратичный член, который непрерывно возрастает.

29. Космологическая сингулярность – состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Предсказана общей теорией относительности (ОТО) и некоторыми другими теориями гравитации.

30. Тёмная энергия, в космологии – вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной, ради объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением. Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:

– тёмная энергия есть космологическая константа – неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);

– тёмная энергия есть некая квинтэссенция – динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

К настоящему времени (2014 год) все известные надёжные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается в космологии как стандартная. Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

по материалам http://grani.agni-age.net/index.htm?article=6135&issue=61

Космические надсмотрщики средней весовой категории.

Изучение черных дыр среднего размера, массой чуть меньше миллиона солнечных масс, возможно, даст ключ к пониманию того, как образовались их более крупные собратья и галактики. Уже десять лет как астрономы выяснили, что в центре почти всех крупных галактик расположены огромные черные дыры — космические объекты с таким сильным гравитационным полем, что даже свет не в силах из них вырваться. Находясь в финальной стадии своей эволюции, звезды могут превращаться в небольшие черные дыры с массой, превышающей массу нашего Солнца в 3-100 раз, но такие черные дыры с массой, сравнимой с массой звезд, — просто лилипуты по сравнению с чудовищными великанами, расположенными в центрах галактик, масса которых измеряется миллионами и миллиардами Солнц.

Изучение сверхмассивных черных дыр представляет собой сложную головоломку. Почему они так широко распространены в галактиках? Что возникло сначала — галактика или черная дыра? И прежде всего: как они образовались?

Еще более загадочно то, что черные дыры появились уже тогда, когда Вселенная была еще очень молода. Так, в июне прошлого года астрономы сообщили, что самый ранний экземпляр из обнаруженных до сих пор, черная дыра массой примерно 2 млрд солнечных масс, существовала еще 13 млрд лет назад, спустя всего каких-то 770 млн лет после Большого взрыва. Как черным дырам удалось набрать подобную массу так быстро?

Столь большая скорость роста ставит в тупик, ведь хотя черные дыры имеют репутацию мощнейших «пылесосов», они могут вести себя как огромные пневмомашины для очистки канав от листьев. Газ, устремляющийся к черной дыре, в конце концов закручивается вокруг нее в виде гигантского так называемого аккреционного диска. Вещество нагревается и начинает излучать, особенно когда оно приближается к точке невозврата у внутренней кромки диска. Это излучение отталкивает падающее на черную дыру вещество, уменьшая тем самым скорость ее роста. Физики вычислили, что масса черной дыры, «засасывающей» окружающее ее вещество непрерывно и с максимально возможной скоростью, будет удваиваться каждые 50 млн лет. Такая скорость слишком мала для того, чтобы «зародышевая» черная дыра звездной массы смогла вырасти в чудовище размером с миллиард Солнц за время менее миллиарда лет.

Астрофизики предложили два возможных сценария образования черных дыр. Первый, обсуждаемый уже в течение многих лет, предполагает, что на первом этапе гигантские черные дыры действительно были остатками звезд. Самые первые звезды, образовавшиеся во Вселенной, вероятно, были необычайно массивными по сравнению с появившимися позже, такими как наше Солнце. Это связано с тем, что в первичных газовых облаках не было тяжелых элементов, которые способствовали бы охлаждению газа и образованию небольших сгустков. Такие огромные звезды должны были быстро выгореть и превратиться в черные дыры с массой примерно в 100 раз большей, чему нашего Солнца. Но тогда какие-то процессы должны были вызвать ускоренный рост таких объектов— быстрее, чем при обычной аккреции. Например, если бы большая черная дыра образовалась в плотном звездном кластере, она должна была бы в конце концов оказаться вблизи его центра вместе с другими массивными звездами и черными дырами. В этом случае она имела бы шанс быстро вырасти до размера в 10 тыс. солнечных масс, поглощая другие черные дыры, и таким образом превысить предел нормальной скорости роста.

Дальнейший рост до масштаба сверхмассивной мог бы продолжиться за счет обычной аккреции, при этом, конечно, отнюдь не исключается и возможность поглощения ею других достаточно больших черных дыр.

Когда астрономы выяснили, что большие сверхмассивные черные дыры появились очень давно, они заинтересовались, может ли сколлапсированная массивная звезда достаточно быстро нарастить такую массу, даже пройдя в начале жизни стадию сверхбыстрого роста. Начались поиски альтернативных путей образования зародышевых черных дыр и механизмов, формирующих более массивные черные дыры, чем те, которые могли образоваться в результате смертельной агонии звезд.

Ученые предложили модели образования более крупных зародышей черных дыр, не требующие наличия звезд-посредников. Так, достаточно большое газовое облако могло бы непосредственно сжаться до состояния черной дыры масштабнее тех, что рождаются в результате смерти звезды. Формируя зародыши массой от 10 тыс. до 100 тыс. Солнц, этот процесс несколько уменьшает время образования сверхмассивных черных дыр на ранних этапах. Такой непосредственный коллапс сегодня во Вселенной уже не происходит, но когда Вселенная была молодой, условия были совершенно иными.

К сожалению, пока не ясно, какой из этих двух сценариев реализовался в действительности — образовались ли небольшие зародышевые черные дыры в результате смерти звезд, или же они появились на свет уже большими как продукт имплозии газового облака. Хотя астрономы могут заглядывать далеко назад во времени, всматриваясь в удаленные уголки космоса с помощью телескопов, пока нельзя даже надеяться зафиксировать акт формирования зародышевых черных дыр. Даже самые большие зародыши слишком малы, чтобы их можно было бы увидеть на таком расстоянии. (Космический телескоп им. Джеймса Уэбба мог бы их обнаружить, но он будет запущен не ранее 2018 г., да и то если выживет в политических баталиях вокруг финансирования его постройки.) Поэтому мои коллеги и я выбрали другую стратегию: искать зародышевые черные дыры, по той или иной причине не ставшие сверхмассивными, но сохранившиеся до настоящего времени в своих изначальных размерах.

Если зародыши образовались в результате эволюции звезд, то можно ожидать найти их достаточно много как в центре, так и на периферии галактик, потому что звезды, из которых они образовались, могли умереть в любой точке галактики. Следовало также ожидать обнаружения непрерывного диапазона масс черных дыр от 100 до 100 тыс. масс Солнца, поскольку рост черной дыры мог прерваться из-за отсутствия «пищи» на любой стадии ее превращения в сверхмассивную. И наоборот, если бы зародышевые черные дыры образовывались главным образом путем непосредственного коллапса газового облака, то такие «недоразвитые» черные дыры были бы очень редки. Процесс непосредственного коллапса, если бы он и происходил, случался бы гораздо реже, нежели смерть обычной звезды. И вместо широкого диапазона масс мы бы обнаружили, что большинство недоразвитых черных дыр будут «тяжелее», чем 100 тыс. Солнц (теоретические модели говорят, что это скорее всего и есть типичная масса зародыша, образовавшегося путем прямого коллапса).

Поэтому я, как и другие астрономы, исследовала небо в поисках нового типа черных дыр, массой больше, чем звездная, но и не сверхмассивных, а где-то посередине — так называемых черных дыр промежуточной массы или «средней весовой категории». Мы стремились посмотреть, чему больше соответствует диапазон их размеров и распространенность, — модели звездного коллапса или коллапса газового облака. Когда примерно десять лет назад мы начали эту работу, она не выглядела многообещающей. Астрономы знали лишь одну черную дыру средней весовой категории и считали ее исключением из общего правила. С тех пор, однако, мы нашли их сотни.

Что считать средней весовой категорией? В данной статье под этим термином я буду подразумевать черную дыру с массой ориентировочно между 1 тыс. и 2 млн масс Солнца. Верхний предел до некоторой степени произволен, но это позволяет исключить самые малые сверхмассивные черные дыры, такие хорошо известные, как черная дыра в 4 млн солнечных масс, расположившаяся в центре нашей Галактики. В любом случае в силу самой своей природы эти границы расплывчаты. На практике первые измерения масс таких объектов часто дают очень неопределенные результаты — так, массы черных дыр — «середнячков», полученные в первой серии наших измерений, как оказалось, были завышены вдвое. Это было обнаружено после того, как мы усовершенствовали технику наших измерений. Точные границы диапазона не играют особой роли до тех пор, пока мы изучаем все семейство черных дыр по нисходящей, начиная с диапазона легких сверхмассивных. Но даже то, что нам удалось выяснить до сих пор, позволило по-новому взглянуть на взаимодействие черных дыр и галактик, в которых они расположены.

Неуловимые середнячки

Черные дыры могут проявить себя множеством способов. Например, звезды, сгрудившиеся на орбитах вокруг самого центра галактики, — явный признак затаившейся в ней сверхмассивной черной дыры. Однако объекты«середнячки» слишком малы, чтобы с помощью гравитации выдать свое присутствие подобным образом. Поэтому мы фокусируем свое внимание на «активных» черных дырах — тех, которые «пожирают» материю, — поскольку падающее на них горячее вещество излучает свет колоссальной яркости.

За несколько десятилетий наблюдений астрономы обнаружили, что активные черные дыры, как правило, обитают в галактиках вполне определенного типа. Галактики, особенно массивные, бывают двух основных типов. Некоторые, такие как наша, представляют собой большой вращающийся звездный диск. Такие дисковые галактики, если посмотреть на них сбоку, похожи на неглубокие тарелки. Другие, так называемые эллиптические галактики, в большинстве своем выглядят как шары из звезд. В центре некоторых дисковых галактик расположены эллиптические галактики, которые называются выпуклостями или звездными балджами. Активные черные дыры чаще всего находят в больших эллиптических галактиках и в дисковых галактиках с большими балджами. Почти каждый балдж, расположенный достаточно близко, чтобы можно было исследовать его детали, оказывается пристанищем для черной дыры массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов солнечных масс. Более того, чем больше балдж, тем больше черная дыра: масса черной дыры обычно составляет одну тысячную массы балджа. Такая поразительная корреляция — что само по себе загадка — дает основания полагать, что галактики и сверхмассивные черные дыры эволюционировали совместно, путем, который астрофизики пока еще не выяснили. Проще говоря, эта модель подсказывает, где искать черные дыры-«середнячки»: в самых маленьких галактиках. Но в каких именно?

Идею подсказала одна небольшая загадочная галактика. Руководитель моей диссертационной работы, Луис Хо (Luis С. Но) из Обсерваторий института Карнеги в Пасадене, еще в 1995 г., работая над диссертацией, изучил более 500 ближайших ярких галактик. Он обнаружил, что большинство галактик с большими балджами содержат активные черные дыры, а галактики без балджей — нет, за единственным интересным исключением. Галактика NGC 4395 — это дисковая галактика с активной черной дырой, у которой совсем нет балджа. Научный руководитель самого Хо отметил эту странность еще в 1989 г., но большинство ученых сошлись на том, что это скорее аномалия. Обзор Хо подтвердил общее правило: черные дыры не обнаруживаются в галактиках без балджей, за исключением NGC 4395.

Точная оценка массы черной дыры NGC 4395 — задача, потребовавшая значительных усилий. Большинство астрономических методов непосредственного измерения предполагают измерение параметров орбитального движения. Например, скорость планеты и размер орбиты, по которой она вращается вокруг своего солнца, позволяют нам вычислить массу солнца. Аналогично, зная параметры орбиты звезд в галактике, можно оценить массу черной дыры, но только в том случае, если она достаточно велика, чтобы эффекты ее гравитации были различимы в астрономических наблюдениях движения звезд. Объект NGC 4395 слишком мал.

В таких случаях астрономы пользуются косвенными методами. Например, мощность рентгеновского излучения, исходящего от черной дыры, изменяется во времени, и чем больше излучающий объект, тем медленнее скорость таких изменений. В 2003 г. Дэвид Ши (David С. Shin) с коллегами, работавший в то время в Кембриджском университете, обнаружил, что мощность рентгеновского излучения, приходящего от NGC 4395, изменяется достаточно быстро, и поэтому черная дыра должна быть относительно небольшой — вероятнее всего, от 10 тыс. до 100 тыс. солнечных масс. В том же 2003 г. Хо другим методом получил оценку ее массы, лежащую в этом же диапазоне.

Измерение ее массы другим методом было проведено в 2005 г. Врэдли Питерсоном (Bradley M. Peterson) с коллегами из Университета штата Огайо. Они воспользовались космическим телескопом «Хаббл» и методом, получившим название «эхокартирование» (Соответствующий русскоязычный термин еще не устоялся. Иногда его переводят как «реверберационное картографирование». — Прим. пер.), в основе которого лежит измерение орбитального движения газовых облаков вокруг черной дыры, аналогично тому, как для вычисления массы Солнца измеряют параметры орбитального движения планет. Измерение времени светового эха от облаков позволяет вычислить диаметр орбит. Питерсон с коллегами обнаружили, что черная дыра имеет массу в 360 тыс. солнечных масс. Но даже такой метод дает большую неопределенность в массе: ошибка может быть в три раза — из-за исходных допущений, которые используются при расчетах.

Оказывается, галактика без балджа NGC 4395 «приютила» как раз такую черную дыру промежуточной массы, которую мы и искали. Из всех 500 галактик, которые изучал Хо, она оказалась единственной без балджа и с явным свидетельством присутствия активной черной дыры. Вторая была обнаружена в 2002 г. Аарон Барт (Aaron J. Barth), в то время работавший в Калифорнийском технологическом институте, воспользовался телескопом «Кек II» на Гавайях, чтобы получить спектр необычной малоизученной галактики РОХ 52. Как nNGC 4395, эта галактика демонстрировала ряд признаков существования активной черной дыры, хотя и не была в списке основных подозреваемых обладателей сверхмассивной черной дыры (это редкий тип галактики, известный как сфероидальная галактика, которая отличается и от дисковых с балджем, и от эллиптических галактик).

Барт послал только что полученный спектр галактики РОХ 52 Хо, который, лишь взглянув на него, сразу же спросил Барта: «Где ты нашел такой замечательный спектр NGC 4395?» Спектры двух разных космических объектов выглядели настолько одинаково, что Хо не смог их различить. (Именно характерные признаки в спектре указывают на присутствие черной дыры.)

Поскольку РОХ 52 находится на расстоянии 300 млн световых лет (в 20 раз дальше, чем NGC 4395), оценки массы ее черной дыры астрономы выполнили еще более хитроумными методами. Тем не менее большое количество данных свидетельствует, что эта галактика «укрыла» черную дыру массой примерно в 100 тыс. Солнц. Черные дыры «средней весовой категории» в галактиках без балджей теперь образуют класс из двух объектов.

Конечно, чтобы решить более сложную проблему, как сформировались зародыши сверхмассивных черных дыр, требуется большее количество таких «середняков». Иначе трудно ответить на множество элементарных вопросов. Насколько типичны черные дыры промежуточной массы? Всякая ли галактика без балджа содержит такой объект, или в большинстве из них они все же отсутствуют? Есть ли такие черные дыры промежуточной массы где-либо еще? И ожидает ли нас в будущем находка образцов еще меньших, чем эти две? Только ответив на них, мы, возможно, сумеем понять, как сформировались зародыши и какую роль они играли в ранней Вселенной.

Охота на черные дыры

К сожалению, стандартные астрономические методы плохо приспособлены к поиску черных дыр промежуточной массы. Чем большими размерами обладает такой объект, тем больше он может «заглотить» и тем ярче светиться. Небольшие черные дыры более тусклы, и поэтому их трудно обнаружить. Но дело осложняется еще вот чем. Эллиптические галактики, в которых имеют обыкновение находиться большие черные дыры, ведут себя необычайно хорошо. В таких галактиках не очень много газа и не образуются новые звезды, а значит, мы имеем ясный и ничем не затуманенный вид на центр галактики. Наоборот, в галактиках с преобладанием дисковой структуры (таких, в которых, по нашему подозрению, возможно, обычно и скрываются черные дыры промежуточной массы) часто рождаются звезды, и свет этих молодых звезд, а также связанные с ними газ и пыль могут спрятать активную черную дыру.

Чтобы преодолеть подобного рода препятствия, в 2004 г. Хо и я обратились к бесценной библиотеке данных, предназначенной для поиска иголок в космическом стоге сена, — к Слоуновскому цифровому обзору неба (Sloan Digital Sky Survey, SDSS). С 2000 г. телескоп в штате Нью-Мексико, используемый в этом проекте, отснял изображения более чем четверти небесной сферы и запечатлел спектры миллионов отдельных звезд и галактик.

Мы изучили 200 тыс. спектров галактик и обнаружили 19 новых кандидатов, похожих на NGC 4395, — небольших галактик, содержащих активные черные дыры с массами, по нашей оценке, менее 1 млн солнечных масс. Аналогичные исследования в течение последних нескольких лет, в которых были использованы более свежие данные Слоуновского обзора, позволили расширить круг «подозреваемых» до примерно трех десятков черных дыр с массами менее миллиона солнечных и более 100 с массами, чуть превышающими этот порог.

Метод, использованный для оценки масс, — косвенный. Слоуновские спектры показывают нам величину скорости горячего газа, обращающегося вокруг черной дыры. Но это лишь часть информации, необходимой для расчета непосредственно массы этого объекта (вторая половина — диаметр орбиты). Тем не менее астрономы из наблюдений активных черных дыр с массой в диапазоне от миллиона до миллиарда солнечных масс знают, как скорость газа обычно соотносится с массой черной дыры (чем меньше масса, тем медленнее движется газ). Экстраполяция на черные дыры меньшей массы дает нам возможность отыскать наших маленьких приятелей в данных SDSS.

Эти поиски подтвердили наши догадки, основанные на исследовании объектов NGC 4395 и РОХ 52: существует более обширная популяция черных дыр промежуточной массы. Ожидаемым результатом было бы нахождение этих объектов в галактиках без балджей. Тем не менее такие черные дыры, по-видимому, все-таки очень редки. Лишь одна из каждых 2 тыс. галактик достаточно ярких, чтобы попасть в Слоуновский обзор, демонстрирует свидетельства присутствия активной черной дыры промежуточной массы.

Однако исследования в рамках программы SDSS, возможно, позволяют фиксировать далеко не все черные дыры. Исследования проводятся исключительно в оптическом диапазоне (диапазон длин волн, который видит наш глаз), и не исключено, что пылевые облака надежно укрывают множество черных дыр от нашего взгляда. Чтобы обойти это препятствие, астрономы исследуют излучение галактик в диапазонах таких длин волн, которые могут почти беспрепятственно пройти через пыль — рентгеновское излучение, радиоволны и инфракрасное излучение средневолновой области. Шобита Сатьяпал (Shobita Satyapal) из Университета Джорджа Мейсона и ее сотрудники использовали средневолновое инфракрасное излучение в поисках признаков скрытых активных черных дыр в галактиках без балджей. Экстремальное ультрафиолетовое излучение, исходящее от вещества, устремляющегося к черной дыре, вызывает ионизацию молекул в газовом облаке, порождая необычные химические соединения, такие как возбужденные состояния высокоионизированных атомов неона. Излучение этих ионов оставляет характерные «отпечатки пальцев» в спектрах средневолнового инфракрасного излучения. Такого рода поиски удаются в относительно небольшом числе галактик — группа Сатьяпал обнаружила всего несколько новых активных черных дыр — «середнячков». Астрономы нашли признаки черной дыры промежуточной массы или сверхмассивной черной дыры, исследуя галактики в рентгеновском и радиодиапазонах, и дополнительные наблюдения для подтверждения этих кандидатов сегодня продолжаются.

Эти результаты говорят, что ведя поиск лишь в оптическом диапазоне, мы можем упустить множество галактик без балджей, которые скрывают свои черные дыры — «середнячки» пылевыми облаками, но все же не так уж и много, чтобы такие черные дыры промежуточной массы стали обычным явлением. Вердикт еще не вынесен, но, вероятно, лишь от 5 до 25% галактик без балджей дали прибежище черным дырам промежуточной массы, достаточно большим, чтобы их можно было бы обнаружить.

Растущие галактики и черные дыры

Наблюдения черных дыр промежуточной массы в галактиках, не имеющих балджей, могут пролить свет на связь между более крупными черными дырами и большими балджами. Как я уже отмечала, сверхмассивные черные дыры в массивных галактиках с балджами обычно имеют массу примерно в одну тысячную массы балджа. Рост сверхмассивных черных дыр, очевидно, тесно связан с ростом окружающего его балджа. Если связь между черными дырами и галактиками во время формирования балджа и существует, то корреляции между свойствами галактик, не имеющих балджей, и находящимися в них черными дырами — «середнячками» быть не должно.

Наиболее правдоподобная теория, объясняющая корреляцию, наблюдающуюся в галактиках с балджами, утверждает следующее: эллиптические галактики и большие балджи образуются, когда сливаются две дисковые галактики. Во время слияния гравитационные силы расшатывают их, и звезды движутся уже не в плоскости диска, а по орбитам, расположенным случайным образом внутри шара (форма в виде эллипса или выпуклости). Газовые облака во время слияния соударяются и в форме воронки устремляются к центру балджа, запуская основной механизм формирования звезды, который увеличивает суммарную массу звезд в балдже. Одновременно черные дыры каждой из галактик сливаются и засасывают часть газа, находящегося в центре галактики. Так за счет подобного рода крупномасштабных процессов, идущих при слиянии галактик, могут происходить совместный рост и эволюция крупных балджей и сверхмассивных черных дыр. К моменту, когда масса черной дыры достигнет тысячной массы балджа, на первый план выходят явления, выталкивающие газ из центра галактики и прекращающие ее бурный рост.

Черным дырам промежуточной массы в галактиках без балджей, вроде NGC 4395, так и не пришлось испытать радость подобного галактического пиршества. Вместо этого они остались недоразвитыми зародышами, которые немного подросли, лишь случайно «лакомясь» газом в центре галактики: закуска, которая не связана непосредственно с событиями, сформировавшими эволюционные процессы в галактике. В некоторых галактиках, не имеющих балджей, возможно, черные дыры так и не смогли подрасти. Такая ситуация сложилась в чисто дисковой галактике МЗЗ (по физическим характеристикам во многом схожей с NGC 4395), которая, очевидно, не содержит черной дыры более массивной, чем 1,5 тыс. Солнц. Число доказательств в пользу картины, связывающей рост черной дыры с формированием балджа, увеличивается, но множество деталей еще требуют проработки, и дело пока закрыто не полностью.

Что касается вопроса, как образуются черные дыры-зародыши, то редкость черных дыр промежуточной массы свидетельствует в пользу теории непосредственного коллапса газовых облаков в ранней Вселенной. Если бы зародыши возникли в результате звездного коллапса, то следовало бы ожидать, что почти в центре каждой из этих галактик расположена черная дыра массой по крайней мере в 10 тыс. Солнц. Но преимущественное количество небольших галактик, у которых балдж отсутствует, по-видимому, не имеют такой черной дыры в своем центре.

В пользу сценария непосредственного коллапса свидетельствуют и другие факты. В частности, слабая корреляция масс черных дыр — «середнячков» с массами галактик, в которых они расположены, хорошо укладывается в его предсказания. А сотворить черную дыру массой в миллиард Солнц намного легче, если сами зародыши уже достаточно массивны.

Конечно, по мере поступления новых данных, выводы, сделанные в настоящее время, вероятно, претерпят изменения. Например, если бы астрономы вглядывались в галактики слегка более тусклые, чем те, спектры которых изучались в Слоуновском обзоре, то доля галактик с черными дырами промежуточной массы, возможно, и выросла бы. Или, наоборот, упала. Возможно и то, что в некоторых галактиках черные дыры — «середнячки» расположены не в центрах. Поиск черных дыр промежуточной массы сегодня продолжается по многим фронтам. Детально это описано на сайте Scientific American.

Пока же много критических вопросов относительно черных дыр промежуточной массы остаются открытыми. Действительно ли такие черные дыры чаще встречаются в небольших галактиках специального типа? (Подобная связь могла бы стать основанием для гипотезы, что имеют место другие способы взаимодействия черных дыр и содержащих их галактик даже на стадиях, предшествующих слиянию, в результате которого образовались балджи и сверхмассивные черные дыры). Действительно ли в большинстве галактик, в которых нет балджей, нет и черных дыр промежуточного размера, или же черные дыры там все же есть, но им слегка недостает массы, чтобы мы могли их обнаружить? Это действительно так, если их масса составляет примерно 1тыс. солнечных масс. (Такие черные дыры, несомненно, выросли из остатков умерших звезд, а не сформировались путем непосредственного коллапса.) Или же все без исключения галактики, не имеющие балджей, содержат массивные, от 10 тыс. до 100 тыс. солнечных масс, черные дыры, но большинство из них не имеют возможности питаться и поэтому не проявляют себя ни рентгеновским излучением, ни светом? (Это заставило бы отказаться от вывода, что черные дыры — «середнячки» редки.) в зависимости от того, какие ответы на эти вопросы будут получены, астрофизические теории формирования галактик и зародышей черных дыр могут продвинуться в совершенно разных направлениях.

Перевод: А.П. Кузнецов

ОБ АВТОРЕ

Дженни Грин (Jenny E.Greene) была пионером в изучении черных дыр небольшой массы, расположенных в центрах галактик, что стало частью ее диссертации в Гарвардском университете. Сейчас она доцент астрономии в Принстонском университете и исследует общие вопросы эволюции галактик. Она также преподает алгебру заключенным в тюрьмах штата Нью-Джерси.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

• A Low-Mass Central Black Hole In the Bulgeless Seyfert 1 Galaxy NGC 4395. Alexel V. Flllppenko and Luis С. Но in Astrophysical Journal, Vol. 588, No. 1, pages L13-L16; May 1, 2003.
• Active Galactic Nuclei with Candidate Intermediate-Mass Black Holes. Jenny E. Greene and Luis С. Но in Astrophysical Journal, Vol. 610. No. 2, pages 722-736; August 1, 2004.
• Nuclear Activity in Nearby Galaxies. Luis С. Но in Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 475-539; September 2008. http://arxiv.org/abs/0803.2268
• Formation of Supermassive Black Holes. Marta Volonteri in Astronomy and Astrophysics Review, Vol. 18, No. 3, pages 279-315; July 2010. http://arxiv.org/abs/1003.4404
• Supermassive Black Holes Do Not Correlate with Galaxy Disks or Pseudobulges. John Kormendy, R. Bender and M. E. Cornell in Nature, Vol. 469, pages 374-376; January 20, 2011.
• Big Black Hole Found in Tiny Galaxy. Jenny E. Greene in Nature, Vol. 470, pages 45-46; February 3, 2011.

подготовлено http://modcos.com/articles.php?id=197

    Галактики наблюдали с незапамятных времен. Человек с острым зрением может различить на ночном небосводе светлые пятна, похожие на капли молока. В X веке персидский астроном Абд-аль-Раман аль-Суфи упомянул в своей «Книге о неподвижных звездах» два подобных пятна, известных теперь как Большое Магелланово облако и галактика М31, она же Андромеда. С появлением телескопов астрономы наблюдали все больше таких объектов, получивших название туманностей. Если английский астроном Эдмунд Галлей в 1716 году перечислил всего шесть туманностей, то каталог, опубликованный в 1784 году астрономом французского военно-морского флота Шарлем Мессье, содержал уже 110 - и среди них четыре десятка настоящих галактик (в том числе и М31). В 1802 году Уильям Гершель опубликовал перечень из 2500 туманностей, а его сын Джон в 1864 году издал каталог, где было более 5000 туманностей.

    Природа этих объектов долгое время ускользала от понимания. В середине XVIII века некоторые проницательные умы увидели в них звездные системы, подобные Млечному Пути, однако телескопы в то время не предоставляли возможности проверить эту гипотезу. Столетием позже восторжествовало мнение, что каждая туманность - это газовое облако, подсвеченное изнутри молодой звездой. Позже астрономы убедились, что некоторые туманности, в том числе и Андромеда, содержат множество звезд, однако еще долго не было ясно, расположены они в нашей Галактике или за ее пределами. И лишь в 1923-1924 годах Эдвин Хаббл определил, что расстояние от Земли до Андромеды как минимум троекратно превосходит диаметр Млечного Пути (на самом деле примерно в 20 раз) и что МЗЗ, другая туманность из каталога Мессье, удалена от нас на никак не меньшую дистанцию. Эти результаты положили начало новой научной дисциплине - галактической астрономии.

    Вселенная заполнена галактиками разного размера и разных масс. Их количество известно весьма приблизительно. Семь лет назад орбитальный телескоп «Хаббл» за три с половиной месяца обнаружил около 10 000 галактик, сканируя в южном созвездии Печи участок небосвода, в сто раз меньший, нежели площадь лунного диска. Если предположить, что галактики распределяются по небесной сфере с такой же плотностью, получится, что в наблюдаемом космосе их 200 млрд. Однако эта оценка сильно занижена, поскольку телескоп не смог заметить великое множество очень тусклых галактик.

    Среди галактик есть и карлики, и гиганты. В авторитетном оксфордском справочнике Companion to Cosmology 2008 года издания написано, что самые мелкие галактики содержат миллионы звезд, а самые крупные - триллионы.
    Эта информация уже успела устареть. Как рассказал профессор Техасского университета в Остине Джон Корменди, в последние годы было открыто семейство минигалактик всего лишь с сотнями звезд: «Это так называемые ультракомпактные карлики, линейные размеры которых лежат в пределах 20 парсек. Несмотря на малое количество звезд, масса таких галактик составляет миллионы и десятки миллионов солнечных масс. Скорее всего, в этом в основном повинна темная материя, хотя некоторые ученые полагают, что немалый вклад принадлежит черным дырам и нейтронным звездам. Как бы то ни было, старое определение галактики как крупного автономного звездного скопления больше не работает». На верхней границе галактического спектра находятся сверхгиганты диаметром порядка мегапарсека, у которых численность звездного населения достигает сотни триллионов.

    Галактики различаются и морфологией (то есть формой). В целом их подразделяют на три основных класса - дисковидные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). Это общая классификация, есть гораздо более детальные.
    Дисковидная галактика - это звездный блин, вращающийся вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Обычно по обе стороны центральной зоны блина имеется овальное вздутие - балдж (от англ. bulge). Балдж тоже вращается, однако с меньшей угловой скоростью, нежели диск. В плоскости диска нередко наблюдаются спиральные ветви, изобилующие сравнительно молодыми яркими светилами. Однако есть галактические диски и без спиральной структуры, где таких звезд много меньше.
    Центральную зону дисковидной галактики может рассекать звездная перемычка - бар. Пространство внутри диска заполнено газопылевой средой - исходным материалом для новых звезд и планетных систем. Галактика имеет два диска: звездный и газовый. Они окружены галактическим гало - сферическим облаком разреженного горячего газа и темной материи, которая и вносит основной вклад в полную массу галактики. Гало вмещает также отдельные старые звезды и шаровые звездные скопления (глобулярные кластеры) возрастом до 13 млрд лет. В центре едва ли не любой дисковидной галактики, как с балджем, так и без балджа, расположена сверхмассивная черная дыра. Самые крупные галактики этого типа содержат по 500 млрд звезд.

    Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками. Новые светила в эллиптических галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья - молекулярного водорода.
    Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.

    Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%. Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.

    Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва.
    В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва. В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.
    Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам. Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно - где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности. Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать. Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения. Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.
    «Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, - говорит Джон Корменди. - В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа - естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».

    Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров. В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).
    Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 10⁴-10⁶ солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.

    Галактики могут увеличивать и размер, и массу. «В далеком прошлом галактики делали это гораздо эффективней, нежели в недавние космологические эпохи, - объясняет профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Гарт Иллингворт. - Темпы рождения новых звезд оценивают в терминах годового производства единицы массы звездного вещества (в этом качестве выступает масса Солнца) на единицу объема космического пространства (обычно это кубический мегапарсек). Во времена формирования первых галактик этот показатель был весьма невелик, а затем пошел в быстрый рост, продолжавшийся до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 2 млрд лет. Еще 3 млрд лет он был относительно постоянным, потом начал снижаться почти пропорционально времени, и снижение это продолжается по сей день. Так что 7-8 млрд лет назад средний темп звездообразования в 10-20 раз превышал современный. Большинство доступных наблюдению галактик уже полностью сформировались в ту далекую эпоху».
    В общих чертах эта тенденция понятна. Галактики увеличиваются двумя основными способами. Во-первых, они получают свежий материал для звездообразования, втягивая из окружающего пространства газ и частицы пыли. В течение нескольких миллиардов лет после Большого взрыва этот механизм исправно работал просто потому, что звездного сырья в космосе хватало всем. Потом, когда запасы истощились, темп звездного рождения упал. Однако галактики нашли возможность увеличивать его за счет столкновения и слияния. Правда, для реализации этого варианта необходимо, чтобы сталкивающиеся галактики располагали приличным запасом межзвездного водорода. Крупным эллиптическим галактикам, где его практически не осталось, слияние не помогает, зато в дисковидных и неправильных оно работает.

    Посмотрим, что происходит при слиянии двух примерно одинаковых галактик дискового типа. Их звезды практически никогда не сталкиваются - слишком велики расстояния между ними. Однако газовый диск каждой галактики ощущает приливные силы, обусловленные притяжением соседки. Барионное вещество диска теряет часть углового момента и смещается к центру галактики, где возникают условия для взрывного роста скорости звездообразования. Часть этого вещества поглощается черными дырами, которые тоже набирают массу. В заключительной фазе объединения галактик черные дыры сливаются, а звездные диски обеих галактик теряют былую структуру и рассредоточиваются в пространстве. В итоге из пары спиральных галактик образуется одна эллиптическая. Но это отнюдь не полная картина. Излучение молодых ярких звезд способно выдуть часть водорода за пределы новорожденной галактики. В то же время активная аккреция газа на черную дыру вынуждает последнюю время от времени выстреливать в пространство струи частиц огромной энергии, подогревающие газ по всей галактике и тем препятствующие формированию новых звезд. Галактика постепенно затихает - скорее всего, навсегда.

    Галактики неодинакового калибра сталкиваются по-иному. Крупная галактика способна поглотить карликовую (сразу или в несколько приемов) и при этом сохранить собственную структуру. Этот галактический каннибализм тоже может стимулировать процессы звездообразования. Карликовая галактика полностью разрушается, оставляя после себя цепочки звезд и струи космического газа, которые наблюдаются как в нашей Галактике, так и в соседней Андромеде. Если же одна из сталкивающихся галактик не слишком превосходит другую, возможны даже более интересные эффекты.

Г
    алактическая астрономия дожила почти до девяностолетия. Она начала практически с нуля и достигла очень многого. Однако количество нерешенных проблем очень велико. Так, никто не знает, когда и как сформировались первые галактики и какими путями образуются галактики с дисковой структурой. «Ученые ожидают очень много от инфракрасного орбитального телескопа «Джеймс Уэбб», запуск которого намечен на 2018 год, - говорит Гарт Иллингворт. - К сожалению, пока не ясно, будет ли этот проект завершен - по причине финансовых трудностей. Хочется надеяться, что он состоится».
Автор: АЛЕКСЕЙ ЛЕВИН, "ПОПУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА

Дорогие друзья! В следствии всё более участившихся предположений и упоминаний в Космологии о анизотропности Вселенной, редакция сайта решила познакомить читателей с понятиями АНИЗОТРОПИЯ и ИЗОТРОПИЯ.

ИЗОТРОПИЯ
Изотропи́я, изотро́пность (из др.-греч. ί̓σος «равный, одинаковый, подобный» + τρόπος «оборот, поворот; характер») — одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направления (в противоположность анизотропии; частный случай анизотропии — ортотропия).

Изотропная среда — такая область пространства, физические свойства (электрические, оптические...) которой не зависят от направления. Например, показатель преломления оптически изотропной среды одинаков во всех направлениях.

Реальное пространство само по себе теоретически считается изотропным (хотя в рамках общей теории относительности и многих альтернативных современных теорий гравитации в это утверждение следует внести определённые коррективы, если присутствует гравитационное поле и нельзя ограничиться ньютоновским приближением, а с точки зрения квантовой теории поля, изотропию пространства — в малых областях и временно — могут нарушать квантовые флуктуации). Экспериментально изотропия физического пространства (с упомянутой оговоркой относительно гравитации) установлена с большой точностью, и нарушений её на сегодняшний день неизвестно.


по материалам Википедии

Дорогие друзья! В следствии всё более участившихся предположений и упоминаний в Космологии о анизотропности Вселенной, редакция сайта решила познакомить читателей с понятиями АНИЗОТРОПИЯ и ИЗОТРОПИЯ.

АНИЗОТРОПИЯ.
Анизотропи́я (от др.-греч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) — различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.

Примеры

Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее — лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.

Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, как правило, лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.

Помимо кристаллов, естественная анизотропия — характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.

Анизотропия свойственна жидким кристаллам, движущимся жидкостям (неньютоновским — особенно).

Анизотропией особого рода в масштабах всего кристалла или его областей обладают ферромагнетики и сегнетоэлектрики.

Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т. д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени — часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего её внешнего воздействия.

по материалам Википедии