Антон Первушин - Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Считается, что область исследований становится наукой, когда рождается возможность неоднократно воспроизводить результаты опытов. Если один ученый заявляет, что он открыл, например, новое свойство вещества, то это открытие будет признано и станет частью науки лишь тогда, когда его много раз воспроизведут и в тех же условиях проверят другие ученые. Такую возможность дает лаборатория, где мы можем в контролируемых условиях раз за разом ставить опыты, убеждаясь, что всегда при одинаковых условиях получаем один и тот же результат. Но в космосе опыты ставит сама природа, неожиданно для нас и каждый раз по-разному, а мы лишь издалека наблюдаем за их результатом, пытаясь понять, как именно природе удалось этого добиться.

Все это затрудняет астрофизические исследования и удлиняет путь от наблюдаемого феномена к разгадке его механизмов на годы и даже на столетия. Тогда почему же физики так дорожат астрофизическими исследованиями?

Дело в том, что возможности наших земных лабораторий ограничены, а ученые стремятся исследовать вещество и поля в максимально широком диапазоне физических условий. Ведь свойства вещества очень сильно зависят от его плотности, температуры и давления, от присутствия электрического и магнитного полей. Сравните, например, воду в состоянии пара, жидкости и льда – между ними мало общего, а ведь это одно и то же вещество. Немного изменили температуру и давление, и вот уже перед нами вещество с совершенно иными свойствами. Конечно, физики стараются расширить возможности своих лабораторий, но на Земле всему есть предел. А природа на просторах космоса легко выходит за эти пределы. Вот некоторые примеры.

Многие свойства атомов можно изучать только при крайне низких плотностях, когда каждый атом «сам по себе» и не взаимодействует с соседями. В лаборатории предельно низкие плотности называют сверхвысоким вакуумом; сегодня это 10 9частиц в кубическом сантиметре. Действительно, это очень разреженная среда – в десятки миллиардов раз разреженнее комнатного воздуха. Но меньше никак не получается. А насколько низкие плотности достижимы в «космической лаборатории»?

Во время солнечного затмения мы видим сияющую корону Солнца; ее плотность 10 8–10 9см −3. На Земле это сверхвысокий вакуум, а в космосе – весьма ощутимая среда. Удаляясь от Солнца, мы видим, как солнечная корона, превращаясь в поток солнечного ветра, становится все менее и менее плотной. У орбиты Земли ее плотность снижается до 10 см −3. Примерно такую же плотность имеют облака межзвездного газа, а между этими облаками межзвездное пространство еще разреженнее – всего лишь 1 см −3, а то и меньше. Это в миллиард раз меньше плотности самого высокого лабораторного вакуума. Атомы в таких условиях могут долго оставаться в одиночестве, не взаимодействуя с другими атомами. При этом проявляются их свойства, недоступные изучению в лаборатории, например, возбужденные состояния с большим временем жизни. Переходы из таких состояний в состояния с меньшей энергией «запрещены», т. е. происходят крайне редко, поэтому соответствующие линии в спектре излучения тоже называют запрещенными. В лаборатории такой возбужденный атом обязательно столкнется с соседом и передаст ему энергию без излучения. А в разреженном космосе атом долго может летать без столкновения, пока не излучит запрещенную линию. Поэтому именно в спектрах межзвездных облаков были обнаружены и изучены запрещенные переходы в атомах, что заметно продвинуло атомную физику и даже привело к некоторым забавным открытиям.

Например, в начале ХХ века в спектре солнечной короны были обнаружены яркие линии, никогда ранее не наблюдавшиеся в лабораторных спектрах. Их приписали новому, неизвестному ранее химическому элементу, назвав его, естественно, «коронием». Правда, в таблице Менделеева не удавалось найти для этого гипотетического элемента пустую клетку. Только в 1939–1941 годах было убедительно доказано, что загадочные линии «корония» принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция. Эти атомы были лишены почти всех своих электронов по причине очень высокой – несколько миллионов градусов! – температуры солнечной короны, о которой раньше никто не догадывался. Признаюсь, что еще и сегодня мы не до конца понимаем, почему корона Солнца такая горячая, но рады, что эта уникальная физическая «лаборатория» доступна для изучения.

Еще более разрежен, чем в солнечной короне, газ в межзвездном пространстве. Нагретый звездами, он светится иногда так ярко, что это заметно даже для невооруженного глаза (пример – Туманность Ориона). Во второй половине ХIХ века в оптическом спектре этого газа были обнаружены никогда не наблюдавшиеся в лаборатории яркие зеленые линии, которые приписали новому химическому элементу – небулию (от лат. nebula – туманность). После развития квантовой механики, в 1927 году, эти линии были отождествлены с запрещенными линиями дважды ионизованного кислорода. В земных условиях такое излучение наблюдать невозможно, а значит, изучить атомы в этом состоянии было бы нельзя. А в космосе – пожалуйста!

Подобная история произошла и с гипотетической субстанцией под названием «мистериум», которую якобы обнаружили в космосе в 1966 году. Собственно, обнаружено было радиоизлучение с длиной волны 18 см, идущее от некоторых компактных туманностей. Необычными в нем были очень высокая яркость и крайне малая ширина радиолинии. Природные источники, как правило, излучают в широком диапазоне частот, а малой шириной диапазона отличаются искусственные источники, такие как радиостанции. У астрономов даже возникло подозрение, что на волне 18 см приходит послание от внеземной цивилизации. Но вскоре выяснилось, что источниками этого загадочного излучения служат природные мазеры на молекуле гидроксила OH. Мазеры – это довольно сложно устроенные квантовые генераторы и усилители радиоволн, изобретенные в конце 1950-х годов. Казалось, что природа без участия человека не способна создать мазер, но вот поди ж ты – в космосе возможно многое! Условия там столь разнообразны, что случайно где-то может реализоваться технически сложная конструкция.

Но межзвездная среда – это еще не предел пустоты. В скоплениях галактик, в промежутках между звездными системами, находится межгалактический газ. В основном это водород, немного гелия и совсем чуть-чуть всех прочих элементов. Этот газ имеет плотность 10 −4¸ 10 −2см −3. А в пространстве между скоплениями вещества еще меньше. Наконец, средняя концентрация атомов во Вселенной около 3∙10 −7см −3. Иными словами, один атом в трех кубометрах пространства. Вот это астрономы и называют сверхвысоким вакуумом: в миллион миллиардов раз лучше, чем в лаборатории!