08.03.2020. - Смерть с небес. Наука о конце света

Смерть с небес. Наука о конце света

Вселенная пытается нас убить, и это нормально — такова ее природа. Космос заготовил для человечества множество увлекательных и зрелищных вариантов апокалипсиса. Сценарии конца света, изложенные астрофизиком Филипом Плейтом в книге «Смерть с небес. Наука о конце света» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Ольгой Лосон, могут напомнить сюжеты научно-фантастических фильмов, но не являются выдумкой. Хорошая новость также заключается в том, что некоторые из них человеку вполне по силам предотвратить. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным тому, как жизнь на Земле может исчезнуть из-за поплавковых колебаний Солнца.

Как уже упоминалось, звезды в диске Млечного Пути обращаются вокруг центра точно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Однако есть несколько важных отличий. В масштабах Солнечной системы (с диаметром в миллиарды километров) Солнце — маленькое (меньше 1,6 млн км диаметром). Для планет вся гравитация в Солнечной системе сконцентрирована в одной точке*. Так как источник сил тяготения находится в центре, орбита планеты может иметь лишь определенную форму, которая называется коническим сечением. Сюда входят круги, эллипсы, параболы и гиперболы. Все это плоские фигуры. Если сильно ударить по планете, ее орбита изменит форму или наклон, но все равно останется коническим сечением и по-прежнему будет плоской.

*То есть более или менее. Сами планеты также обладают гравитацией и воздействуют друг на друга, но очень незначительно и только на очень больших временных отрезках. Через минутку мы вернемся к этой теме.

Но звезды, обращающиеся вокруг центра галактики Млечный Путь, находятся в другой ситуации, потому что масса размазана, распределена по всему диску. Звезда, движущаяся в нем по орбите, ощущает притяжение от окружающих ее масс, а не только из одной точки в центре Галактики. Следовательно, орбиты звезд могут иметь самые разные причудливые формы. Скажем, у вас есть звезда с идеально круглой орбитой точно в средней плоскости диска галактики. Если бы вы придали звезде немного вертикальной скорости — перпендикулярно диску — звезда начала бы подниматься и опускаться относительно диска, как пробка на воде (продолжая по-прежнему обращаться вокруг центра).

Это немного похоже на то, что происходит, когда вы подбрасываете камень: силы тяготения замедляют его полет, и он падает на землю. Благодаря вертикальной скорости звезда поднимается над плоскостью, но силы тяготения диска тянут ее назад. Однако диск не однородный, он состоит из звезд, разделенных большими расстояниями. Остановить нашу звезду нечему, поэтому она проходит прямиком сквозь плоскость и погружается под нее. И снова силы тяготения замедляют ее до полной остановки, и звезда поворачивает обратно. При подходящих обстоятельствах этот цикл будет повторяться бесконечно. В комбинации с круглой орбитой звезды получаем форму, похожую на синусоиду, бегущую по кругу.

Существует масса причин, по которым звезда может начать колебаться таким образом. Она может пройти мимо другой звезды, и гравитационное взаимодействие может подтолкнуть ее кверху или книзу — но, как мы обсуждали раньше, звездные встречи крайне редки, поэтому это маловероятно. В свою очередь, звезды образуют скопления (см. ниже), где они гораздо ближе друг к другу, и гравитационные взаимодействия более распространены. Массивная звезда в скоплении, проходя рядом с менее массивной, может легко подбросить звезду меньших размеров так, что она совсем вылетит из скопления, или может заставить ее двигаться как поплавок.

Еще одна причина — звезда может пройти мимо гигантского газопылевого облака. Ранее мы видели, что прямое столкновение с туманностью имеет ряд отрицательных последствий, но еще одно заключается в том, что из-за притяжения массы этого облака звезда может приобрести вертикальную составляющую скорости, и ее орбита деформируется так, что она начнет совершать колебательные движения.

Оказывается, что очень близкая и дорогая нам звезда демонстрирует именно такое движение: Солнце! Тщательные измерения скорости Солнца относительно окружающих его звезд показывают, что оно на самом деле поднимается над плоскостью Галактики и опускается под нее. Это смещение не очень большое: может быть, максимум 200 световых лет или около того, по сравнению с диаметром диска, который составляет 100 000 световых лет. Кроме того, толщина диска примерно 1000 световых лет, поэтому Солнце также не выходит за пределы вещества диска.

Период колебания орбиты Солнца — от максимальной высоты над диском до максимальной глубины под плоскостью, а затем снова до максимальной высоты — составляет примерно 64 млн лет.

Ну что ж, кажется, все круто: за несколько миллионов лет нас бесплатно довезут туда, где у нас будет (немного) лучший вид на Галактику, и ничего страшного, так?

Так?

Может быть, и не так. Но чтобы понять почему, вместо того чтобы смотреть вверх, нам придется посмотреть вниз, в слои отложений на Земле.

В течение многих лет существует предположение, что палеонтологическая летопись жизни на Земле свидетельствует о периодических эпизодах массового вымирания, как если бы жизнь на Земле следовала какому-то графику повальных вымираний, после которых разнообразие видов снова восстанавливалось. Не все такие события попадают в этот график, и для многих из них был найден настоящий виновник; самое известное — это исчезновение динозавров, и у нас есть вполне надежное доказательство того, что оно было вызвано столкновением с астероидом. Но причины других (за исключением, возможно, ордовикского массового вымирания, см. главу 4) не так ясны.

Периодичность массовых вымираний, конечно, подразумевает некую циклическую причину. Несмотря на то что такие события, как эпизодические извержения вулканов или какие-либо иные внутренние причины, исключить невозможно, цикличность в очень продолжительных временных масштабах подразумевает действие внеземных сил.

До недавнего времени у нас были лишь подозрения по поводу такой циклической смертельной жатвы, поскольку ископаемые свидетельства были не очень внятные. Но новые исследования существенно укрепили догадку. Математически анализируя ископаемые свидетельства, исследователи обнаружили четко выраженную периодичность в истории массовых вымираний. Они изучили разнообразие видов — буквально сколько разных видов находится в разных геологических слоях, соответствующих разным моментам времени, — и обнаружили, что количество видов, похоже, увеличивается и уменьшается с четко просматриваемым периодом.

Продолжительность этого периода, по их оценкам, составляет около 62 млн лет.

Ой-ой.

Такое тесное соответствие между циклами вымираний и периодом колебаний Солнца в диске Млечного Пути — всего лишь совпадение? Есть способы проверить, статистические методы, которые можно применить, чтобы попробовать сопоставить два разных цикла и посмотреть, есть ли между ними связь. Еще одна группа исследователей, Михаил Медведев и Адриан Мелотт из Канзасского университета, тщательно провели такой анализ, и их ответ — «возможно».

Ну, это не очень-то успокаивает. Однако перед нами новая область исследований, и мы лишь начинаем заниматься ею. Данных не так много, а результаты так новы, что сложно сказать, насколько прочные основания у сделанных выводов.

Но они определенно провокационные*.

*Провокационные также в буквальном смысле, так как эти результаты спровоцировали поток исследований как поддерживающих, так и критикующих выводы ученых. Я еще раз хочу подчеркнуть, что такая периодичность массовых вымираний не была подтверждена, и на деле ее, возможно, не существует. Со временем, когда будет проведено больше исследований, мы все узнаем.

В этом случае виновником может быть наш старый знакомый — космическое излучение. Насколько вы помните по предыдущим главам, это маленькие субатомные частицы, разогнавшиеся до невероятных скоростей в космическом пространстве. Когда они врываются в атмосферу Земли, это приводит к ряду последствий. Прежде всего, когда космические лучи ударяют по молекуле в воздухе на скорости, близкой к скорости света, молекула разбивается на множество субатомных частиц меньших размеров, называемых мюонами. Они обрушиваются дождем с неба и, если попадают по молекуле ДНК в клетке, могут изменить или разрушить ее. На самом деле такое происходит постоянно, но в целом ткани организма способны устранять или отторгать повреждения. Но если с неба проливается достаточное количество мюонов, последствия для жизни могут быть не мгновенными, но отдаленными — например, массовое вымирание. Как уже отмечалось ранее, мюоны могут проникать в воду на глубину почти 2 км и до 800 м в скальные породы! Поэтому пострадала бы практически вся жизнь на Земле.

У космического излучения есть и другие последствия. Оно может разрушать молекулы озонового слоя в верхних слоях атмосферы, подвергая жизнь на поверхности опасным уровням УФ-излучения от Солнца. Кроме того, оно может приводить к образованию двуокиси азота в воздухе, которая затем прольется кислотным дождем. С годами такое может разрушить растительную жизнь, и этот эффект распространится по всей пищевой цепочке.

И последнее — возможно, менее четко установленный фактор — частицы, из которых состоит космическое излучение, могут становиться зародышевыми центрами конденсации при образовании облаков, поэтому рост интенсивности космического излучения может привести к увеличению облачности на Земле, отчего изменится климат, так как больше солнечного света будет отражаться в космос. Хотя это может и не повлечь за собой полномасштабный ледниковый период, но падение температуры даже на несколько градусов может быть разрушительно для биосферы.

Но откуда к нам приходят все эти космические лучи? И как это связано с поплавковым движением Солнца на орбите в Галактике? Если такая связь на самом деле существует, Медведев и Мелотт, возможно, обнаружили ее. Источник большинства космических лучей — взрывы сверхновых или ветер от пульсаров. Вещество, испускаемое этими источниками, может врезаться в медленнее движущееся вещество и генерировать массивные ударные волны, разгоняющие субатомные частицы, такие как протоны и электроны, практически до скорости света. Так как источником этих космических лучей являются события, происходящие внутри Млечного Пути, такие лучи называются галактическими космическими лучами.

Но есть и космические лучи, которые приходят извне Галактики. Млечный Путь входит в небольшое скопление галактик, называющееся Местная группа, включающее нашу Галактику, галактику Андромеды (массивная спираль, схожая с нашей по размерам) и горстку меньших галактик.

Местная группа находится на окраинах гораздо более крупного и массивного скопления Девы, состоящего из тысяч галактик, — мы как будто пригород крупной метрополии. С притяжением скопления Девы не забалуешься: оно крепко держит нас (и другие галактики Местной группы) в кулаке и притягивает с умопомрачительной скоростью 257 км/с.

А ведь мы движемся не в вакууме. Помните о межгалактической среде? Млечный Путь врезается в это разреженное вещество на высокой скорости, создавая ударную волну, которую практически невозможно представить: она сотни тысяч световых лет в ширину и генерирует огромные количества энергии. Они настолько велики, что создают космические лучи, но в этом случае лучи возникают вне Галактики, поэтому это межгалактические космические лучи. Космические лучи уносятся от фронта ударной волны, и многие из них направляются в нашу сторону, обратно в Галактику.

Галактика, как и Солнце, имеет магнитное поле. Кроме того, как и у Солнца, галактическое магнитное поле — это мешанина переплетенных, скрученных петель. Они сильнее всего посередине, в средней плоскости диска, где магнитное поле прекрасно отражает прилетающие галактические космические лучи. Однако при удалении от средней плоскости их сила быстро снижается. Если звезда придерживается плоскости Галактики, она защищена от этих высокоэнергетических частиц. Но если она забредает слишком далеко, то подвергается их действию.

И вот тут приобретает значение колебательное движение Солнца. Поднимаясь и опускаясь относительно плоскости при движении вокруг центра Млечного Пути, каждые 64 млн лет Солнце оказывается высоко над ней и выходит из-под защиты магнитных полей. Именно со стороны приходящей космической ударной волны Солнце оказывается относительно незащищенным от облучения космическими лучами. Это все равно что смотреть в лицо торнадо, швыряющему в вас камни. Медведев и Мелотт обнаружили, что количество межгалактических космических лучей, которые могут достигать Солнца в те периоды, может увеличиваться в пять раз по сравнению с более спокойными периодами, когда Солнце уходит глубоко в плоскость Галактики (которая также действует как щит, потому что между нами и прилетающими космическими лучами находится основная масса Галактики).

Количество межгалактических космических лучей, которые могут достичь Солнца, таким образом, существенно увеличивается и уменьшается с цикличностью 64 млн лет. Далее ученые использовали расчеты движения Солнца, чтобы смоделировать количество космических лучей, добирающихся до нас здесь, на Земле, и наложили эту зависимость на график разнообразия ископаемых остатков за исторические периоды. Они обнаружили, что каждый раз максимумы первого графика совпадали с минимумами второго!

Другими словами, всякий раз, когда Солнце находилось высоко над плоскостью и количество поступающих космических лучей было на пике, количество биологических видов на Земле сокращалось. Каждый раз без исключения, в течение последних девяти циклов за 0,5 млрд лет.

Скажем прямо: это не является точным свидетельством того, что движение Солнца вызывает массовое исчезновение живых организмов. Но это очень веское свидетельство. Когда исследователи учли столкновения с астероидами и иные события, не связанные с космическими лучами, которые вызывают массовое вымирание, корреляция между движением Солнца и теми эпизодами массовой гибели стала еще нагляднее. Между прочим, в исследовании не говорится прямо, что именно космические лучи наносят удар. Имеется ряд доказательств того, что с теми периодами также коррелируют ледниковые периоды, поэтому, возможно, в этом виноваты повышенная облачность и изменение климата. Также имеются интересные исследования, увязывающие космические лучи и вспышки молний на Земле. Неясно, какой из механизмов, описанных выше (мюоны, разрушение озона, образование смога или центров конденсации облаков), виновен в грязных делах, или же это комбинация разных или всех факторов, или может быть что-то, о чем мы пока даже и не догадываемся. Но появляется все больше доказательств того, что космические лучи на самом деле оказывают влияние на живые организмы на Земле.

Отсюда вытекает очевидный вопрос: на каком этапе цикла мы сейчас находимся? В настоящий момент Солнце направляется вверх, поднимаясь над диском. Мы всего на расстоянии 25 световых лет или около того над средней плоскостью, хорошо защищены галактическими магнитными полями, поэтому до опасной зоны нам еще идти и идти. Однако через 20 или 30 млн лет наши потомки могут иметь повод для беспокойства: они будут наблюдать ухудшения в своей округе. Если они смогут избежать постоянно разогревающегося Солнца, сверхновых и пары случайных всплесков гамма-излучения, им, возможно, все равно придется разбираться с межгалактическими космическими лучами. Чтобы избежать их, потомкам нужно найти звезду, похожую на Солнце, с планетами, на которых можно обитать в средней плоскости Галактики (или под ней), и переехать туда. Вероятно, существует множество потенциальных мест для колонии... если звезды подходящие.

Подробнее читайте:

Плейт Ф. Смерть с небес: Наука о конце света / Филип Плейт; Пер. с англ. [Ольги Лосон] — М.: Альпина нон-фикшн, 2020. — 404 с.

Источник