Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Это представление в высшей степени умозрительно, но у него есть нечто общее с более авторитетными идеями, поскольку оно требует наличия некоего посредника, способного стать движущей силой ускоряющегося расширения. Космологи называют его квинтэссенцией или «фантомной энергией», способной проявляться в виде силового поля, которое зависит от пространства и меняется со временем. По оценкам космологов, силовое поле эволюционировало от направленности внутрь к направленности наружу около 10 млрд лет назад — как раз тогда, когда материя начала преобладать над излучением и когда галактики начали собираться воедино. Однако эта картина космического расширения, ускоряющегося все быстрее, влечет мрачный прогноз. За неизвестные миллиарды лет вся наша Вселенная могла бы разорваться на части… целиком, вплоть до атомов, из которых состоят наши планеты, и ядер в этих атомах. Этот «большой разрыв» стал бы нашим концом.
Так сможет ли эволюционирующая квинтэссенция или неизменно устойчивая космологическая постоянная в конечном счете объяснить то ускорение, с которым расширяется Вселенная, и его движущую силу — темную энергию? Сейчас ученые не могут выбрать какой-либо вариант. Необходимо точнее измерить само расширение и подробнее картировать космический микроволновый фон. Слабая рябь, наблюдаемая в нем, уже произвела революцию в космологии — и еще может стать источником поразительных откровений.
14. Наше космическое достояние
Пытаясь понять что угодно как таковое, мы находим, что оно связано со всем остальным во Вселенной.
Джон Мьюир. Мое первое лето в Сьере
Вы все — это дети Вселенной, подобно деревьям и звездам, со всем правом в ней пребывать. И видите вы или нет, но она, несомненно, раскроется так, как должна.
Макс Эрманн. Desiderata
Мы все — телесные создания, и каждый из нас — воплощение хода всей космической истории. Каждый протон и нейтрон в каждом ядре каждого атома наших тел возникли из бурлящего хаоса, властвовавшего на протяжении первой миллионной доли секунды после Большого взрыва. Затем, в течение первой секунды, электроны, окружившие каждое ядро для создания цельных атомов, освободились из раскаленного «бульона». Так космос в мгновение ока породил субатомные компоненты, жизненно важные для нашего атомного и молекулярного «я».
Алхимия жизни
Более тяжелые атомы в наших телах происходят из самых разных космических уголков. Скажем, углерод, присутствующий в наших костях и мышцах, образовался в ходе термоядерного синтеза атомных ядер гелия, который протекал в глубоких недрах звезд средней массы, в то время находившихся на эволюционной стадии гигантов горизонтальной ветви. По мере эволюции в нестабильные звезды асимптотической ветви гигантов они высвобождали созданный углерод с помощью мощных ветров. Солнце — звезда средней массы, и поэтому служить источником углерода оно будет только через 4–5 млрд лет.
Кислород в воде, пронизывающий всю земную жизнь, появился на последних стадиях существования более массивных звезд, в центре которых давление и температура были достаточно высоки, чтобы переплавить атомные ядра углерода в кислород, кремний и железо. Все эти важнейшие элементы стали сырьем для последующих звезд, планет и жизненных форм, когда угасшие массивные звезды наконец взорвались как сверхновые и извергли свои химические творения в Галактику.
Каменистые планеты, подобные Земле, стали наследниками этого элементного изобилия. Астрономы предполагают, что эти планеты выросли из кристаллов, содержащих кремний и углерод, которые ранее затвердели в относительно прохладных внешних слоях атмосферы красных гигантов. Изгнанные прочь звездными ветрами, заледеневшие кристаллы промчались по Млечному Пути и смешались с формирующимся облаком межзвездного газа, которое оказалось на их пути. По мере того как части этих облаков под воздействием гравитации сжимались в протозвездные туманности и последующие протопланетные диски, кристаллы собирались в микроскопические пылинки, те скапливались в хондры размером с каплю, потом — в планетезимали размером с гальку, и, спустя несколько миллионов лет гравитационной конденсации, — в планеты, подобные Земле. Идея, согласно которой наша планета и все ее обитатели — это «звездное вещество», может показаться надуманной, но это правда!
Как только Земля стала полноценной планетой, жар, высвобожденный при ее формировании, и энергия радиоактивных изотопов урана и тория поддерживали и тепло в ее недрах, и динамику конвективных течений, благодаря чему становились возможны тектонические сдвиги, вулканизм и другие процессы горообразования, характерные для земной поверхности на протяжении миллиардов лет. Считается, что атомные ядра урана и тория возникли в горячей среде, богатой нейтронами и ассоциируемой с двойными системами нейтронных звезд, в которых обе звезды движутся по спирали внутрь и впоследствии сливаются. (В Интернете можно найти периодическую таблицу элементов с указанием их космического происхождения; вот одна из возможных ссылок: apod.nasa. gov/apod/ap171024.html.) На Земле этих нестабильных изотопов достаточно, и их постоянная радиоактивность вносит свой вклад в геологические циклы поднятия земной коры, выветривания, аккумуляции, седиментации, метаморфизма и субдукции. Без этих тектонических «примочек», действовавших на протяжении сотен миллионов лет, у нас не было бы ни осадочных, ни метаморфических горных пород, способных сохранить присутствие предшествующих форм жизни в течение этого «глубокого времени», и мы ничего не знали бы о нашем биологическом прошлом. Но случилось иначе, и ископаемые остатки в горных породах ясно показали, что мы — всего лишь недавние участники биологического бытия и становления, оставивших нам необычайно богатое наследство.
Преемственность жизни
Геологическая летопись жизни на Земле показала, что микроскопические формы жизни могут эволюционировать во все более макроскопические и сложные организмы с обменом веществ, способных воспроизводить себе подобных и преображать окружающий мир. За последние 3,5 млрд лет «бродячий цирк» живых существ превратился в обширную и удивительную систему органического мира, состоящую из царств, порядков, семейств, родов и видов. Какие еще живые существа могли бы населять большой космос? Этот ключевой вопрос волнует и астрономов, и геологов, и химиков, и биологов. На сегодняшний день нам еще только предстоит найти какие-либо явные свидетельства существования жизни за пределами Земли. Но это не помешало нам непрестанно искать любые намеки в доступных нам образцах метеоритов, лунных пород и планетного вещества. К сожалению, вряд ли мы знаем, на что именно нам следует смотреть.
Большую часть поисков мы вели на планетах и спутниках, где вода может находиться в жидкой форме и где могут удерживаться химические вещества на основе углерода. Жидкая вода — главный растворитель во всех биохимических процессах, происходящих на Земле. Однако играть подобную роль в мирах, где температура намного выше или ниже земной, могли бы и другие жидкие растворители. Показательный пример — поверхность Титана, спутника Сатурна: в его атмосфере, насыщенной азотом, были обнаружены «моря» метана и этана — и все это при умопомрачительной температуре в –179 °C. Какие химические метаморфозы могли бы (медленно) происходить в этой сюрреалистической обстановке?
Химические процессы, основанные на углероде, составляют всю органическую химию, которая, в свою очередь, представляет собой фундамент жизни на Земле. Но даже хотя углерод — и главный солист в ансамбле, другие элементы из его группы в периодической таблице Менделеева (кремний, германий и другие) при определенных обстоятельствах вполне могут взять на себя эту роль. Итак, мы даже не знаем, на какие химические сигналы обращать внимание при проведении спектроскопических исследований экзопланет. Сейчас лучшая идея, к которой мы смогли прийти — это поиск в планетарных атмосферах всего, что укажет на присутствие молекул метана, озона и кислорода. В частности, свободный двухатомный кислород (O2) обладает высокой реакционной способностью, и если мы обнаружим его, то он может стать свидетельством биохимических процессов, активно пополняющих запасы кислорода в атмосфере — таких, как фотосинтез. Наличие озона (O3) тоже могло бы указать на свободный двухатомный кислород. Ему свойственны яркие линии поглощения в инфракрасной части электромагнитного спектра, поэтому астрономы так хотят найти его с помощью огромных телескопов новейшего поколения.