Но что же действительно случилось в результате перехода от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира? Это была не просто замена в теории одного небесного тела другим. На современном научном языке говорят, что произошел сдвиг парадигмы. Это значит, что изменились самые фундаментальные взгляды, мироощущение, духовные навыки, культурные и даже психологические реакции людей!
Переход к гелиоцентрической системе мира означал многое, гораздо большее, чем просто замена одной теории другой. В самом деле, после пребывания в центре конечного мира люди обнаружили себя на одной из малых планет в бесконечном космосе. Вселенная оказалась не "домом", а бескрайней леденящей душу пустотой, не замечающей человека, недружелюбной и чужой. "Вечное молчание этих бесконечных пространств пугает меня", - так писал об этом Блез Паскаль.
То была первая "коперниканская революция". Гениальный и наделенный пронзительной интуицией Паскаль предчувствовал последствия такого изменения взгляда на мироздание. Эти последствия виделись ему катастрофой самоощущения человека. Ничтожная, исчезающая фигурка, затерянная в равнодушной холодной пустоте. Но того, во что превратилась гелиоцентрическая идея Коперника в руках науки, не мог вообразить даже Паскаль. Мир невообразимо расширился. Со временем стало окончательно ясно, что Солнце - одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Уильям Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов - в 26 тыс. световых лет от центра галактики (примерно 8 килопарсек).
Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии 1 м, а расстояние до центра Млечного Пути составит почти 9 км. Если же на место нашего Солнца поместить бильярдный шар, размеры Млечного Пути будут равняться примерно 60 млн км. Чтобы представить себе эти соотношения, вспомним самые большие земные расстояния. Скажем, совершая кругосветное путешествие по экватору, мы должны будем преодолеть "всего-навсего" 40 200 километров.
Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн: от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния порядка 10–12 млрд световых лет, то есть мы можем рассматривать свет, дошедший до нас из тех времен, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тыс. мегапарсек.
Нам уже известно, что взгляд на далекие звезды или галактики - это "машина времени". Мы видим далекое-далекое прошлое Вселенной. Например, мы видим наше Солнце не таким, какое оно в данный момент, а таким, каким оно было примерно 8 мин назад - столько времени его свет "летит" к нам. И если Солнце погаснет, мы узнаем об этом не сразу, но еще целых 8 мин будем наслаждаться жизнью и находиться в полном неведении о катастрофическом для нас событии. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на Руси правил Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки рычали и только учились ходить на двух ногах. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Это время называется временем последнего рассеяния, как мы знаем. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине. Знаем мы это благодаря Эйнштейну и его ОТО: свет распространяется с конечной скоростью, и быстрее ничего в мире двигаться не может.
Чтобы оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (300 млн км в диаметре) до размеров атома по Нильсу Бору (примерно 10–8 см). Мы должны здесь остановиться и отдать себе отчет, насколько уменьшены реальные масштабы. Три сотни миллионов километров и стомиллионная доля сантиметра! Осознали? Вот теперь можно продолжать. В таком случае, ближайшая звезда разместится на расстоянии в 0,014 мм. Это очень много! Ведь мы сразу "прыгаем" от атомных к макроскопическим расстояниям, к расстояниям, которые можем непосредственно ощутить. До центра галактики будет целых 10 см, а поперечник Млечного Пути окажется равным 35 см. Галактика Андромеды отступит на целых 6 м, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 м. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 млн световых лет) "отдалится" в этом масштабе на 2,5 км, а до далекой радиогалактики 3С 295 придется добираться 25 км! А теперь вспомним, в каком масштабе получены эти 25 км: одна стомиллионная часть сантиметра - это 300 млн км. А 25 км?! Простая пропорция. Вот сказано же: многие знания - многие печали! Может, лучше бы нам вообще не учиться в школе?
Но этого мало! Невероятное пространство, которое так огромно, что не с чем и сравнить, как оказалось, еще и увеличивается. Вселенная может расширяться. В этом суть стандартной космологической модели, подтвержденной знаменитым открытием Эдвина Хаббла.
Наше положение децентрировалось, вокруг нас гигантские, не соразмерные ничему знакомому нам просторы (да и мысль часто отказывается их объять), есть много галактик, есть скопления галактик, есть сверхскопления… Но все же… Все же что-то в этой картине поддерживает веру в нашу космическую исключительность, в нашу незаурядность. Что-то изначальное и существенное.
Пока мы находимся в рамках стандартной космологической модели, речь все еще идет об одной-единственной Вселенной. Она такая одна, и других нет. Она - все, что у нас есть. С другой стороны, мы уже знаем: для того, чтобы была в принципе возможна жизнь нашего типа, многие фундаментальные величины должны быть подобраны и согласованы очень-очень точно, невероятно точно! Если хоть какая-то фундаментальная постоянная (характеристики элементарных частиц, соотношение силы основных взаимодействий и т. п.) немного сдвинется в своем значении, человек как явление просто не будет иметь место. Но мы есть! А не значит ли это, что в этой единственной Вселенной все выстроено именно для этого - для того, чтобы мы были возможны?
Это какой-то мистический результат. Неизвестно почему, но выходит, что с самого начала проект "всего сущего" с необходимостью направлен на обеспечение нашего существования. Неизвестно, но очень лестно. Человек, как и прежде, оказывается привилегированным существом. Может быть, даже более привилегированным: наше пространственное место не в центре мира, но вся Вселенная как бы нормирует свое бытие на нас. А быть может, кто-то специально заботится о тонкой нормировке мироздания на человека? Наши представления об устройстве мира стали более сложными и серьезными - мы не заставляем теперь Солнце ходить вокруг нас. Но, кажется, уже точная математическая наука, а не вера убеждает нас в том, что человек - любимое творение Божье.
Так, да не так. Точнее, так полагали каких-то 30 лет назад. Но сегодня современная космологическая наука доводит принцип Коперника до предела. Нравится это нам или нет, но нашим авансам, данным самим себе, нашим надеждам на то, что человек - особенное существо в мироздании, в природе, наивному детству человечества, по- видимому, приходит конец. Так происходит вторая коперниканская революция. Появляется теория вечной инфляции, появляется теория суперструн. И они разом сдувают мистический, потусторонний аромат с факта человеческого присутствия. Как выразился один философ, "соскабливают образ человека с бесконечности".
Вместо одной-единственной Вселенной с тонкой настройкой на возможность человеческого присутствия, непрерывно, вот в эту минуту, вследствие инфляции рождается огромное число вселенных. Вариантов того, какой быть той или иной вселенной, вариантов ее судьбы и пути невообразимо много - столько, сколько типов физического вакуума возможно в ландшафте теории суперструн. Некоторые говорят, что их около 101000. Это гугол в 10-й степени! Помните гугол из предыдущих глав? Нужно перемножить гугол 10 раз. Начните с того, чтобы умножить гугол на гугол. Это значит взять гугол гугол раз.
Молнии - не уникальное для Земли явление. Например, их регулярно наблюдают на Марсе и на Сатурне. Но до недавнего времени не было известно, что молнии могут возникать не только в атмосфере планет, но и прямо посреди космического пространства, причем мощность таких разрядов равняется триллионам земных молний.
Многие из этих миров так и останутся пузырьком пространственно-временной пены планковского размера. Чуть только возникнув, они сколлапсируют. Многие в мгновение раздуются вследствие инфляции и станут очень большими. Но наборы фундаментальных постоянных и "внутренняя физика" в них будет такой, что их никто не увидит, поскольку в них никто принципиально не сможет жить. Однако некоторые отдельные пузырьки в этом грандиозном вакуумном ландшафте разовьются во вселенные, подобные нашей. Набор значений фундаментальных постоянных в них будет таким, что в них станет возможным возникновение живых и разумных существ. Никакого особого статуса человека в такой картине мира нет. Мы можем доказать собственную незаурядность и значимость только тем, что мы лично делаем и как мы лично живем.
Внутри нашего большого дома и за его пределами
Лишь в середине нынешнего века стало ясно, что галактика Млечный Путь - это огромный рукав спиральной галактики, гигантской звездной системы, одной из множества спиральных галактик. Диаметр Млечного Пути - 100 тыс. световых лет.
Количество составляющих его звезд превышает 100 миллиардов.
Конечно, убедиться в том, что Млечный Путь является частью колоссальной спирали, можно, только если повернуть ее "лицом" к наблюдателю. Сбоку наша галактика будет выглядеть чем-то вроде лупы или сложенных краями контактных линз.
Что же в ней есть? Ну звезды, естественно, скажете вы, и не ошибетесь. Да, в основном звезды. Но не только. Несколько процентов общей галактической массы Млечного Пути составляют межзвездный газ и галактическая пыль. На некотором отдалении от галактического диска разбросано множество звездных шаровых скоплений - своего рода спутников галактики. Каждое такое скопление содержит до миллиона звезд. Наконец, сравнительно недавно выяснилось, что наша галактика имеет еще и корону, которая простирается на расстояние в несколько десятков диаметров диска.
Диск галактики весь целиком вращается - наподобие тарелки. Вращение галактики было открыто в 1925 году нидерландским астрономом Яном Хендриком Оортом. Он же определил и положение ее центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца. Расстояние до него составляет приблизительно 30 тыс. световых лет. Изучая относительное движение звезд, Оорт установил также, что Солнце движется и вокруг центра галактики по орбите. Современное значение его скорости - 250 км/с. А полный оборот вокруг центра совершается примерно за 2,2 × 108 (220 млн) лет.
Для того чтобы все это было именно так, центр галактики должен иметь исполинскую массу - порядка 100 млрд масс Солнца! В центре ядра галактики находится источник огромной энергии - в 100 млн солнц.
Почему же мы не видим ни спиральных рукавов, ни впечатляющего массивного ядра, когда смотрим на небо? Ответ довольно прост: потому что мы наблюдаем нашу галактику "изнутри", мы ведь находимся в ней, а не смотрим откуда-то со стороны. Да, Млечный Путь - наш дом.
А если все-таки отважиться и выйти на космический простор? Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Покинь мы ее пределы, перед нами открылось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. Только на расстоянии более 150 тыс. световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы - Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе южного полушария Земли в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тыс. световых лет от нас, а Большое - еще дальше, почти в 200 тыс. световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечную в 600 тыс. раз!
Однако Млечный Путь и Магеллановы облака - это еще далеко не все. В 2,5 млн световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31 (а Шарль Мессье - это знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений).
Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (М33) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 млн световых лет. В пределах более чем 30 млн световых лет разбросано больше десятка аналогичных групп. А в 50 млн световых лет лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 100, а толщина - более 30 млн световых лет. Центром этого исполинского галактического облака является то самое скопление в Деве.
Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в несколько сотен миллионов световых лет, находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По-видимому, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Эти величественные объекты венчают иерархию структур наблюдаемой части Вселенной, которую иначе называют Метагалактикой.
Видимая часть Вселенной насчитывает более 100 млрд галактик. Мы на Земле невооруженным глазом видим только четыре из них: Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака.
Звезды
Светят и греют
Мы выходим ночью из дому и поднимаем взгляд вверх. Что мы видим? Да, конечно, звезды, небо, полное звезд, небо, светлое от звезд. Мир звезд поражает своим разнообразием. Среди них есть звезды-гиганты и звезды-карлики, звезды, любящие общество, и звезды, предпочитающие уединение. Многие звезды образуют так называемые кратные системы из двух или трех звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Есть звезды, которые светят в инфракрасном диапазоне и нам не видны. Есть другие, которые сияют в десятки и сотни тысяч раз ярче нашего Солнца. И только по одному параметру - по массе - они не очень сильно различаются между собой: от 0,1 до 100 солнечных масс.
Звезды как люди - они рождаются, взрослеют, старятся и умирают. Но если одни уходят тихо и незаметно, то финал других сопровождается грандиозными космическими катаклизмами. Такие объекты видны на расстоянии во многие миллионы световых лет, а их яркость превосходит человеческое воображение: она превышает силу света сотен миллиардов звезд целой галактики.
Каждой звезде отмерен свой срок. Одни сгорают в считаные миллионы лет - когда по Земле разгуливали динозавры, некоторых таких звезд еще не было на свете. Другие будут жить долго: время жизни звезд, чуть менее массивных, чем Солнце, может достигать 25 млрд лет (вспомним, что со времени Большого взрыва прошло около 14 млрд лет). Солнце зажглось примерно 5 млрд лет назад.
Солнце облетает Галактику за 220 млн лет и уже успело пройти эту траекторию 20 раз.
Итак, мы смотрим в ночное небо. Первое, что бросается в глаза, это отчетливые различия между звездами в блеске и цвете. Для того чтобы зафиксировать это различие, существует термин "звездная величина". По сути дела, абсолютная звездная величина - то же самое, что и светимость звезды (ее обычно выражают в единицах светимости Солнца и обозначают буквой L), то есть полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени. Мы уже говорили о фантастической светимости Золотой Рыбы в Большом Магеллановом облаке, превосходящей светимость Солнца в 600 тыс. раз. Среди других ярких звезд нашего неба можно упомянуть Антарес (альфа Скорпиона), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Ригель (бета Ориона), светимости которых превышают солнечную в 4 тыс., 8 тыс. и 45 тыс. раз соответственно. С другой стороны, светимость карликовых звезд может, в свою очередь, уступать светимости Солнца в тысячи и десятки тысяч раз.
Увидеть разницу в цвете невооруженным глазом удается только у очень ярких звезд. А вот небольшой любительский телескоп или даже приличный полевой бинокль заметно улучшат качество картинки. Скажем, Антарес и Бетельгейзе оказываются красными, Капелла - желтой, Сириус - белым, а Вега - голубовато-белой.
Цвет звезды, а следовательно, и ее спектр определяются температурой ее поверхностных слоев. При температуре 3000–4000 К звезда будет красной, при 6000–7000 К приобретет отчетливый желтоватый оттенок, а горячие звезды с температурой 10 000-12 000 К сияют белым или голубоватым светом.
Принято выделять семь основных спектральных классов, которые обозначают латинскими буквами О, В, A, F, G, К и М. Каждый спектральный класс разбит на 10 подклассов (от 0 до 9, с ростом в сторону уменьшения температуры). Таким образом, звезда со спектром В9 будет ближе по спектральным характеристикам к спектру А2, чем, например, к спектру В1. Звезды классов О - В - голубые (температура поверхности - примерно 100 000-80 000 К), A - F - белые (11 000-7 500 К), G - желтые (примерно 6000 К), К - оранжевые (около 5000 К), М - красные (2000–3000 К).