© Александр Потупа (Alexander Potupa)
Открытие Вселенной — прошлое, настоящее, будущее, Юнацтва, Минск, 1991 (Discovery of the Universe — Past, Present, Future)

ЧАСТЬ   II: КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ СЦЕНАРИЙ

ГЛАВА 9:  ЦЕПОЧКА КОСМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Но   мирозданию   недоставало человека;
Земля и вся природа скорбели одна,

оттого, что нет ее царя,

другая оттого, что нет ее супруга

Алоизиюс Бертран

 


КОСМОГОНИЧЕСКАЯ ФАЗА

Мы как-то незаметно углубились в сферы космической экзотики и покинули Вселенную на весьма любопытной стадии формирования макроскопических объектов — на рубеже космологических и космогонических проблем.

Что же происходит дальше? Как формируются крупные космические структуры — галактики и звезды? Почему в среде, состоящей из водорода, гелия, фотонов и нейтрино, возникают тяжелые элементы, сложные молекулы и, наконец, жизнь и мыслящие существа?

Когда мы говорили об однородности и изотропии ранней Вселенной, имелось в виду описание ее свойств в среднем, в масштабах существенно превышающих размеры возможных неоднородностей. Небольшие возмущения однородного фона Вселенной начинают развиваться очень рано, и именно эти возмущения впоследствии превращаются в гигантские обособленные скопления газа.

Многое в зарождении таких космических протоструктур пока непонятно и является предметом активных исследований. Но кое-что мы знаем.

Через миллион лет после Первовзрыва температура падает примерно до 3000 К, Вселенная становится прозрачной для фотонов и нейтрино*. Гравитационное излучение, если верить в его существование, выходит из игры гораздо раньше — вероятно, непосредственно вблизи Сингулярности. Массивные заряженные частицы — протоны и ядра гелия — нейтрализуются, связываясь с электронами в атомы, а у фотонов уже не хватает энергии на ионизацию. Вещество теперь становится слишком холодным, чтобы противодействовать силам тяготения, которые выступают на первый план не только в предельно больших, но и в относительно малых объемах. Гравитация, управляющая эволюцией Вселенной в целом, начинает проявлять себя более локальным образом, формируя относительно независимые острова обычного вещества, конденсация происходит во многих масштабах — ее последствия мы и наблюдаем в виде иерархии космических структур.

* Фактически для электронных нейтрино Вселенная становится прозрачна за первую треть секунды после Первовзрыва.

Очень большие протооблака фрагментируют на меньшие, и отсюда берут начало отдельные галактики. Протогалактическое водородно-гелиевое облако сжимается под действием сил тяготения, сохраняя первоначально почти сферическую форму. Одновременно оно распадается на отдельные сгущения, которые, в свою очередь, служат материалом для формирования шаровых звездных скоплений. Собственно в это же время начинается и процесс звездообразования — гравитация конденсирует материю в еще меньших масштабах отдельных протозвездных облаков.

Итак, часть газа в протогалактическом облаке конденсируется в зародыши шаровых скоплений, а другая часть продолжает сжиматься, все более сплющиваясь под действием вращения. Постепенно устанавливается своеобразное равновесие между тяготением и центробежными силами. Образующиеся на этом этапе зародыши будущих звезд и скоплений концентрируются ближе к экваториальной плоскости — это так называемая промежуточная составляющая галактики. Дальнейшая эволюция, по-видимому, существенно связана с магнитным полем — оно тормозит сжатие, и его силовые линии участвуют в формировании спиральных рукавов галактики. Конденсация свободного газа на этом этапе приводит к образованию галактического диска, точнее, так называемой плоской составляющей звездного населения.

В соответствии с этой картиной, звезды зарождаются как бы на трех стадиях. Самые старые должны находиться в шаровых скоплениях, располагающихся сферически симметрично вокруг центра галактики, а самые молодые — в плоской составляющей.

Несколько в стороне остается важнейший вопрос: что же происходит в центре галактики, как протекает там эволюция вещества? Очень вероятно, что в центре вещество концентрируется особым образом — не просто в плотные скопления звезд, а в какие-то сверхзвездные тела огромных масс и размеров. Эти тела могут, в свою очередь, довольно быстро коллапсировать в гигантские черные дыры. Существование таких центральногалактических супердыр — одна из распространенных гипотез, от ее проверки зависит очень многое. Во всяком случае, огромная излучательная активность галактических ядер и особенно квазаров неплохо объясняется эффективным механизмом захвата вещества супердырой. Другой вариант — очень высокая концентрация в центре Галактики более или менее обычных звезд и черных дыр, которые испытывают достаточно частые столкновения, иногда завершающиеся слиянием. Суммарно система концентрированного «звездного газа» может также обеспечить высокую светимость. Выбор между двумя вариантами затруднен из-за непрозрачности центральной области нашей Галактики. Только тщательный анализ всех участков спектра — в том числе гравитационного и нейтринного — позволит прояснить ситуацию.

Эволюция протозвездных облаков вдали от центра выглядит примерно так. Облако фрагментирует на группу газовых образований, каждое из которых можно рассматривать как протозвезду. Под действием тяготения вещество протозвезды сжимается, потенциальная энергия переходит в тепловую, и вещество постепенно разогревается. Видимо, на этой стадии вращающаяся протозвезда может выделить отдельные сгустки, которые вступают на путь более или менее обособленной эволюции, конденсируясь в планеты*.

*Масса этих обособленных конденсаций может быть достаточно велика, и тогда они превращаются в отдельные звезды. Вероятно, на этом пути и получаются тесные двойные системы.

Масса газа, участвующего в дальнейшем сжатии самой протозвезды, весьма различна, но вряд ли она превосходит 100 или 1000 М?. Разогрев вещества приводит к появлению слабой собственной светимости — протозвезда напоминает теперь «красный гигант». Когда же температура в ее недрах достигает некоторого критического значения, открываются каналы термоядерных реакций, в которых водород синтезируется в более тяжелые элементы. Сжатие приостанавливается — давление газа теперь достаточно велико, чтобы противодействовать гравитации. Протозвезда превращается в настоящую звезду*.

* По современной классификации, под звездой, как правило, понимают компактное и оптически непрозрачное тело, обладающее собственной светимостью  L ~ (10^-2 ÷ 10⁴)L_?  и способное уравновесить действие гравитации за счет внутренних источников энергии. С этой точки зрения протозвезды, остывшие белые карлики (их иногда называют черными карликами), нейтронные звезды и черные дыры нельзя считать звездами. Разумеется, такое разделение (как и всякая классификация, основанная на разрезании эволюционных цепочек) весьма условно.

Длительность протозвездной фазы зависит от массы первичной конденсации и заключена в пределах от миллионов до сотен миллионов лет. Чем массивней протозвезда, тем быстрее она превращается в полноценную звезду.

Возникшая звезда попадает на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рессела и как бы путешествует вдоль нее. Длительность этого путешествия, то есть время жизни в собственно звездной фазе, существенно зависит от массы и начального химического состава. Самые массивные и яркие звезды могут очень быстро исчерпать запасы термоядерного горючего — за каких-то несколько миллионов лет. Маломассивные звезды (М ~ 0,5 ÷ 0,7 М_?) со светимостью L ~ 0,1 ÷ 0,3L_? (спектральный класс К) могут пребывать на главной последовательности многие десятки миллиардов лет — дольше известных нам космологических сроков.

Когда водород в центральной области звезды выгорает, ее ядро, в котором накапливаются гелий и более тяжелые продукты термоядерного синтеза, начинает резко сжиматься — теперь уже практически нет давления, противодействующего гравитации. Плотность ядра значительно возрастает, а его поверхностный слой, где еще продолжаются термоядерные реакции, становится как бы печкой для подогрева газовой оболочки. Эта оболочка, разогреваясь, расширяется, и ее светимость заметно возрастает. Звезда становится красным гигантом и покидает главную последовательность.

В ядре звезды при температуре выше 100 млн. градусов создаются условия для синтеза углерода из трех ядер гелия. Вступление в углеродный цикл термояда приостанавливает сжатие, но всему приходит конец, в том числе и запасу гелия.

Если масса звезды не слишком велика (М À 1,2^. М_?), ее дальнейшая судьба выглядит так. Прекращение термоядерного синтеза ведет к дальнейшему сжатию ядра, а оболочка, получившая мощный тепловой импульс, сбрасывается. Ее мы можем наблюдать в виде так называемой «планетарной туманности», светящейся за счет накачки мощным ультрафиолетовым излучением ядра. Оболочка будет расширяться и постепенно растворится в окружающем пространстве.

Ядро этой звезды сожмется чрезвычайно сильно — разрушатся атомы, ядра будут как бы вдавлены в электроны, откуда и возникнет огромная плотность, соответствующая упаковке «нуклона в электроне». Дальнейшее сжатие тормозится давлением электронного газа. Образуется белый карлик, который при массе порядка М?имеет радиус всего около 1000 км*. Постепенно остывая, он превращается в холодное сверхплотное тело (черный карлик). Такую судьбу должно иметь и наше Солнце. Примерно через 8 млрд. лет оно раздуется до масштабов красного гиганта и, сбросив оболочку, станет белым карликом. Многие звезды старших поколений в промежуточной и сферической составляющих Галактики, образовавшиеся на 5—10 млрд. лет раньше Солнца, уже проделали весь этот путь или заметную его часть. Как правило, срок их жизни на главной последовательности не превышает 10 млрд. лет. Поэтому в космосе должно находиться множество погасших карликов — памятников некогда ярким мирам.

* Объекты такого рода наблюдаются, например, объект L 930—80 С с массой М » 2,82^.10³³ г, радиусом R » 200 км и плотностью ½  » 8,5^.10⁷ г/см.

Если масса звездного ядра превышает 1,2^. М?, судьба звезд оказывается несколько более впечатляющей.

Сброс оболочки сопряжен в этом случае с одним из самых мощных процессов во Вселенной — вспышкой Сверхновой. Пиковая светимость такого объекта того же порядка, что и светимость целых галактик. Вещество, выброшенное взрывом, расширяется в окружающее пространство со скоростями до 10 000 км/с, причем общее энерговыделение доходит до 10⁴⁵ Дж. Видимо, столь мощный взрыв связан с протеканием в массивном звездном ядре реакции синтеза довольно сложных атомных ядер. При разогреве до миллиарда градусов начинается синтез кислорода, неона, натрия и более тяжелых элементов. Для этих реакций характерны высокая скорость и огромное энерговыделение — в 10—15 раз выше, чем при синтезе легчайших ядер. В результате химический состав такой звезды оказывается куда сложней, чем у менее массивных звезд. Можно сказать, что конечные стадии ее эволюции создают своеобразный термоядерный комбинат по производству тяжелых элементов. Действительно, при взрыве Сверхновой в пространство выбрасывается значительное количество элементов, которые не могут образоваться за счет чисто космологической эволюции — в эпоху ядерно-плотной Вселенной на это просто не хватает времени. Взрывы Сверхновых постоянно обогащают межзвездную газово-пылевую среду.

Благодаря относительно быстрой эволюции вдоль главной последовательности, от нескольких миллионов до нескольких миллиардов лет, самые древние массивные звезды давно успели пройти свой путь и значительно изменить химический состав Вселенной. Из выброшенного ими вещества стали формироваться звезды второго поколения, к которым относится и наше Солнце.

После завершения термоядерных циклов ядра массивных звезд сжимаются гораздо сильней, не задерживаясь на стадии белых карликов. Если их масса не превышает 2,5—3 М?, они завершают свою эволюцию в виде пульсаров — нейтральных звезд с плотностью атомного ядра.

При большей массе эволюция звездного остатка должна неизбежно завершиться черной дырой — не известны силы, способные приостановить сжатие и в этой ситуации. Впрочем, если ядро звезды быстро вращается, возможен дополнительный сброс массы и остаток должен избежать чернодырного финиша. Первое поколение массивных звезд, образовавшихся на первом этапе космогонической фазы (13— 15 млрд. лет назад), в основном завершило свой путь, преобразовавшись в сгустки темной материи —нейтронные звезды и черные дыры, проявляющие себя в кратных системах, вблизи от более молодых и активных звезд. С другой стороны, очень правдоподобно, что вторичные конденсации охотно развиваются неподалеку от места взрыва Сверхновой, повышающего плотность вещества в своей окрестности. «Семейные ячейки» звезд, видимо, наблюдаются, но общая закономерность их образования до конца не ясна, не совсем понятны и правила химической наследственности, хотя роль изменения химического состава изучена очень неплохо.

Теперь обратимся к эволюции в масштабах околозвездного пространства — проблемам планетарной космогонии.

Планетам не слишком повезло, астрофизики гораздо уверенней чувствуют себя, обсуждая происхождение звезд и галактик. Это и неудивительно — природа предоставила нам обширнейшую коллекцию гигантских объектов на разных стадиях эволюции, но открыла для непосредственного изучения лишь одну планетную систему.

Современная точка зрения в основном соответствует классическим идеям Канта-Лапласа, но, разумеется, на гораздо более высоком уровне. Принимается во внимание неплохо исследованный химический состав, распределение момента количества движения и магнитное поле. Первичная туманность, из которой по мере сжатия формируются Солнце и планеты, обладает большим вращательным моментом. От туманности отделяются газово-пылевые диски, удаляемые от основной массы магнитным полем. Вращение основной массы несколько тормозится, а вещество дисков постепенно сгущается в планеты. Ситуация такова, что рождающаяся звезда как бы заранее сбрасывает большую часть своего момента будущим планетам — лишь бы правильно работало магнитное поле. В результате основными носителями момента становятся массивные и далекие от центра планеты. В Солнечной системе основная его часть заключена в движении Юпитера и Сатурна.

Видимо, нормальное поведение силовых линий магнитного поля имеет место у не слишком горячих и массивных звезд спектрального класса F5 и ниже. Судя по имеющимся оценкам, их собственное вращение сильно заторможено. Можно думать, что большинство из них обладает планетными системами — иначе куда бы делось 80—90 % такой фундаментальной сохраняющейся величины, как момент импульса? Разумеется, при этом предполагается, что протозвездные облака близкие по массе и составу эволюционизируют одинаково. Данные факты составляют наглядную основу нашей убежденности в множественности планетных миров.

Моделирование сложной задачи планетной космогонии успешно проводится с помощью ЭВМ, которые разыгрывают различные варианты гравитационной конденсации. В основном работа ведется с прицелом на параметры Солнечной системы. Среди решений, представляемых ЭВМ, возникают и такие распределения по массам и расстояниям до Солнца, которые хорошо соответствуют наблюдениям. Наряду с ними встречаются и совсем иные решения — это указывает на разнообразие конкретных вариантов планетной системы, реализующихся у звезд типа Солнца.

Например, протооблако может породить пятнадцатипланетную систему с более или менее равномерным распределением масс между планетами (от 0,06 Мã до 32,7 Мã). В другом варианте едва ли не вся масса протопланетных дисков конденсируется в гигантскую планету (М »5050 Мã » 0,015 М?), расположенную в 11 астрономических единицах от центрального светила. Такая планета, по-видимому, способна стать слабой звездой. Это показывает, что между одиночными звездами с планетной системой и двойной системой звезд нет пропасти. Но, вероятнее всего, парное звездообразование должно охотней идти в ситуации с более массивной начальной туманностью.

Численное моделирование принесло удивительный результат. Оказывается, при весьма правдоподобных условиях вращающееся и сжимающееся протозвездное облако стремится стать не дискообразным, а тороидальным — на определенной стадии оно выглядит, как «бублик», лишенный центральной конденсации. Но такой газовый бублик очень неустойчив и, вероятней всего, быстро фрагментирует на 2 крупных сгустка и несколько мелких. Последующее взаимодействие главных сгустков определяет судьбу облака — оно превращается либо в двойную звездную систему, либо в систему звезды с большой планетой. Последний вариант реализуется в том случае, если один из сгустков входит в режим «вампира», отсасывая атмосферу соседа, а, следовательно, и большую часть его массы. Сгусток-вампир становится протозвездой и как значительно более массивное тело стремится расположиться практически в центре инерции облака. Зато второй сгусток-протопланета отбирает основную часть суммарного момента количества движения, оставляя на долю партнера лишь несколько процентов этого момента. Это очень похоже на наблюдаемую ситуацию с Солнцем и Юпитером. В таком подходе именно двойные звездные системы и звезды с большими планетарными спутниками представляются наиболее распространенным населением Галактики. Пожалуй, самый важный результат исследований по космогоническому моделированию — высокая вероятность формирования планет в процессе рождения звезды.

Завершая этот раздел, необходимо подчеркнуть следующее. Нарисованная здесь картина является в определенной мере усреднением многих моделей. В последние десятилетия космогония развивается необычайно интенсивно. Теория стремится с максимальной точностью объяснить все известные факты, но количество фактов и их взаимосвязей все время растет. Поэтому многие элементы приведенной картины непрерывно переосмысливаются. Факторы, на которые когда-то не обращали должного внимания, нередко выдвигаются на первый план. Скажем, в галактической космогонии существует очень серьезная проблема первичных вихрей. Простое постулирование вращения протогалактических облаков не кажется уже вполне удовлетворительным — хотелось бы вывести это важнейшее наблюдаемое явление из каких-то общих космологических принципов. Многое еще не ясно в теории эволюции галактических ядер, да и привычных звезд, особенно в начальной фазе. В этих областях буквально на глазах формируется, пожалуй, самая молодая ветвь астрофизики. Продвигаясь в анализе протозвездной фазы, мы сумеем лучше понять и ранние стадии планетной космогонии. Вообще нельзя не отметить, что даже Солнечная система (не говоря уж о планетных мирах далеких звезд) изучена довольно слабо. После всех открытий прошлых веков, рассмотренных в предыдущей части, это может показаться ученым скромничанием, однако же, это факт.

Попробуем оценить его простейшим образом. Плутон находится в среднем в 40 астрономических единицах от Солнца. О том, что находится за этой экзотической планетой, мы почти ничего не знаем*.

* Плутон заметно отличается от других планет. В результате наблюдений американского астронома Д. Кристи выяснилось, что, скорее всего, это своеобразная двойная планета — на расстоянии порядка 17 тыс. км от Плутона есть спутник Харон, масса которого всего в 16 раз меньше. Система Земля — Луна фактически тоже представляет собой двойную планету с отношением масс 81, хотя и менее тесную.

Между тем, общий размер Солнечной системы не менее 200 тыс. астрономических единиц (порядка 1 парсека). Вплоть до таких расстояний Солнце должно оказывать основное гравитационное влияние на все объекты (на больших расстояниях в игру вмешиваются ближайшие звезды). Так вот, с этой точки зрения неплохо изученный объем составляет (40/200000)³ ~ 8^.10^-12 — примерно одну стомиллиардную часть! За орбитой Плутона могут находиться десятки планет и целые астероидные пояса, более того что-то такое там непременно должно быть, поскольку высокоточная современная теория движения внешних планет (Урана, Нептуна, Плутона) и кометы Галлея все еще находится в неудовлетворительном согласии с наблюдениями. Одна или несколько неоткрытых трансплутоновых планет систематически действуют на параметры известных орбит*. Для поиска этих объектов нужно проводить систематические исследования заплутонова пространства на предельно мощных телескопах и в перспективе — с помощью космических зондов. В сфере этих поисков, возможно, кроются ответы на принципиальные проблемы космогонии, в частности, оценка размеров протозвездного облака**.


* Недавно появились сообщения об обнаружении долгожданной десятой планеты.
** Результаты, полученные с помощью инфракрасного телескопа на нидерландском спутнике IRAS, говорят о том, что вокруг Веги (звезды, которая примерно в 5 раз моложе Солнца и расположена в 8,5 пс от нас) существует облако довольно крупных твердых частиц (размер облака около 170 а.е.). Возможно, это первое прямое наблюдение протопланетного облака (начальной фазы планетной космогонии).

Итак, нарисованная картина может заметно измениться во многих деталях, но существуют и совсем иные точки зрения. Например, в течение многих десятилетий советский астрофизик В. А. Амбарцумян и его школа развивают представления, противоположные «пылевой космогонии». Их позиция основана на гипотезе образования космических структур из неких сверхплотных зародышей (сгустков так называемого дозвездного вещества). Структуры должны возникать в результате взрывообразной эволюции зародышей. Наблюдательной основой гипотезы служит высокая активность многих галактических ядер и относительно высокий темп звездообразования. Этот не слишком модный в наши дни подход сыграл важную роль, постоянно привлекая внимание к мощным нестационарным процессам во Вселенной. Однако в идее зародышей заложено несколько больше, чем может показаться. В широком плане речь идет о том, как и когда был дан стартовый выстрел для формирования структур в масштабах, промежуточных между Вселенной в целом и отдельными элементарными частицами. Начался ли этот процесс только после синтеза всех известных частиц, когда они представляли собой уже достаточно охлажденный газ, или он протекал параллельно и оставил после себя совершенно экзотические объекты, прячущиеся в труднодоступных для наблюдения местах типа галактических центров? Вспомним о тех же микрозвездах и реликтовых дырах...

Не исключено, что истина лежит где-то посредине и в очень ранних космогонических фазах активность реликтовых образований действительно крайне важна, а несколько позже основную роль начинают играть более или менее понятные процессы гравитационной конденсации холодного газопылевого вещества.

В любом случае, тем, кто посвятил или собирается посвятить себя космогоническим моделям, еще долго не грозит смерть от скуки.

ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ И ДРУГИХ ПЛАНЕТ

Рассмотрим теперь в самых общих чертах, как протекало формирование Земли. Наша планета дает уникальный пример успешного прохождения химической и биологической эволюции, и, конечно, очень интересно выяснить, насколько ход этой эволюции естественен. Иными словами, не возникают ли в ходе анализа какие-то крайне маловероятные факторы, делающие результаты земной эволюции предельно редким космическим событием?

По современным астрофизическим и геофизическим данным, Земля образовалась примерно 4,6 млрд. лет назад. Вещество, из которого состояло протоземное облако, наверняка сильно отличалось по составу от водородно-гелиевой смеси. Видимо, около 10 млрд. лет назад в области Солнечной системы началось интенсивное обогащение тяжелыми элементами. Неплохое представление о химическом спектре в районе земной орбиты дают метеориты, а среди них преобладают каменные и железные с примесями кислородо-связывающих веществ. Именно анализ метеоритов позволяет нам восстановить элементный состав протопланетного облака, каким оно было 4,5 — 5 млрд. лет назад.

Конденсация протопланетного вещества под действием сил тяготения ведет к образованию твердого и компактного тела, внутри которого развивается давление, препятствующее дальнейшему сжатию. Однако не слишком большая исходная масса позволяет достичь весьма умеренных температур в недрах планеты. В большей части своего объема она сохраняет кристаллическую структуру.

Основным процессом геологической эволюции является гравитационная дифференциация — процесс, в котором более тяжелые вещества опускаются к центру планеты, а более легкие поднимаются к поверхности. Из-за этого Земля оказалась, в конечном счете, весьма неоднородной по плотности (12,68 г/см³ в центре при средней плотности 5,52 г/см³).

Дифференциация ведет к потере потенциальной энергии опускающихся слоев и некоторому уменьшению радиуса планеты. Потенциальная энергия выделяется в тепловой форме во внутренних слоях. Полное энерговыделение этого источника оценивается примерно в 1,6^.10³¹ Дж, что с учетом возраста Земли приводит к очень приличной средней мощности (порядка 10¹⁴ Ватт!). Из-за уменьшения радиуса должна несколько увеличиваться скорость вращения — чтобы момент количества движения сохранялся.

Другой важный источник земной энергии — распад радиоактивных элементов. Оценки показывают, что такой распад выделил порядка 56 % от энергии дифференциации. Очень важно, что в ранние моменты формирования Земли радиоактивные изотопы генерировали значительно большее (в 4—7 раз) количество энергии, чем теперь, и, конечно, то, что в процессе гравитационной дифференциации изотопы вместе с силикатами концентрировались в коре и верхней мантии.

Отсюда видно, что наша планета представляет довольно мощный энергетический источник, причем в первый период ее существования она была особенно активна. Много энергии, несомненно, рассеялось в космическом пространстве, но значительная часть ее сохранилась в недрах, что способствовало длительному поддержанию разогрева и плавлению вещества в значительных объемах*. Картина ранней Земли очень сильно отличалась от того, что мы наблюдаем сейчас, и особенно это касается состава атмосферы и коры.

* Современные данные показывают, что так называемое жидкое ядро Земли заключено в сферическом слое радиусом около 3,5 тыс. км, а внутри него находится твердое (или полурасплавленное) железоникелевое ядро радиусом 1250 км. Над жидким ядром располагается трехслойная мантия, выше — кора.

Первоначально основные элементы атмосферы и гидросферы Земли находились в связанном состоянии — в составе твердых веществ. Большая часть летучих веществ испарилась еще при нагревании протопланетного облака Солнцем. Поэтому процентное содержание легчайших элементов на Земле значительно меньше, чем в среднем по Солнечной системе.

Гравитационный и радиационный разогрев Земли быстро привел к развитию мощных вулканических процессов, формирующих как кору, так и атмосферу. Самая ранняя атмосфера состояла, по-видимому, из очень разреженной смеси азота, аммиака и инертных газов. Вулканы стали насыщать ее водяным паром, углекислым газом и некоторыми другими газами, выпаренными из верхней мантии. Одновременно шел процесс выплавления основных пород коры. Без учета парниковых эффектов температура поверхности древнейшей Земли оценивается градусов в 15, что допускает конденсацию водяных паров и образование гидросферы. Мировой океан с самого начала активно насыщался продуктами вулканической деятельности — примеси попадали в него из атмосферных газов и за счет интенсивного вымывания вещества из горных пород. Свободного кислорода ни в тонкой атмосфере, ни в океане на этом этапе практически не было.

К концу катархея — так называют эпоху первого миллиарда лет от образования Земли — жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, свободно проникающее к поверхности океана, вызвало в обогащенном химическими соединениями «бульоне» ускоренное зарождение сложных органических веществ*. Дело дошло до образования аминокислот, и, вероятней всего, органика, характерная для конца этого периода,— не слишком редкое явление в космосе.

*Как мы увидим в дальнейшем, простая органика могла существовать еще в фазе протопланетного облака.

В архее — следующий миллиард лет в истории Земли — уже наблюдаются следы примитивной жизни*. Самые древние находки связываются с одноклеточными сине-зелеными водорослями, способными к фотосинтезу в водной среде с высоким содержанием углекислоты. В результате выделяется кислород.

* Находки в Трансваале датируются 3,2—3,4 млрд. лет. Поэтому многие исследователи считают, что наша планета вступила в зоогоническую фазу около 4 млрд. лет назад. Следы органических микроструктур, обнаруженные Бартоломью Наги с сотрудниками в гренландском слюдистом метакварците, датируются 3,8 млрд. лет. Скорее всего, их можно связать с протобионтами — клетками, еще лишенными генетического аппарата.

 

Проблема химической эволюции, то есть зарождения клеток из явно неживых молекулярных структур, очень сложна и имеет давнюю и богатую историю. Останавливаться на ней подробно мы не станем. Заметим только, что идея естественного образования примитивных живых организмов еще в 30-х годах нашего века выглядела революционной. Целые столетия до того люди имели возможность собственными глазами наблюдать «самозарождение» — появление различных организмов буквально из грязи. Концепция самозарождения была опрокинута лишь после нескольких десятилетий разработки дарвиновской теории, согласно которой многоклеточные организмы ни в коем случае не могли возникать из неживой материи. На фоне успехов дарвиновской эволюционной теории загадка появления первого живого организма казалась сущим камнем преткновения. Ведь в наше время одноклеточные не зарождаются в естественных условиях. Решение появилось тогда, когда биохимики (А. И. Опарин из СССР и Дж. Холдейн из Англии) догадались рассмотреть проблему в рамках вторичной земной атмосферы, обогащенной водяными парами, различными углеродосодержащими соединениями, аммиаком и сероводородом. Оказалось, что первые одноклеточные преподали нам, можно сказать, первый экологический урок в планетарном масштабе. Зародившись во вторичной атмосфере, жизнь полностью переделала эту атмосферу и тем самым пресекла условия своего появления, но отнюдь не развития. Напротив, обогащение кислородом открыло путь к возникновению более сложных эволюционных форм.

Опыты по воздействию искровых разрядов на атмосферу, состоящую из водорода, метана, аммиака и водяного пара, начавшиеся в 50-х годах, подтвердили, что в такой ситуации появляются многие аминокислоты, в том числе и те, которые присутствуют в белках живых организмов. Наряду с двадцатью аминокислотами, определяющими состав обычных белков, обнаружились и другие, несущественные для земных форм жизни. Отсюда можно сделать вывод, что в самый ранний период жизнь начиналась со своеобразного отбора на уровне строительных блоков и генетических кодов. Ведь одновременно с элементами будущих белков — аминокислотами — формировались и элементы нуклеиновых кислот — сахара (рибоза для РНК и дезоксирибоза для ДНК), фосфаты и азотистые основания, а также мембранный материал.

Детали химической эволюции от фундаментальных строительных блоков до первых цианобактерий и сине-зеленых водорослей во многом еще не выяснены, но общая последовательность дальнейших событий более или менее реконструирована. Видимо, существенную роль сыграла промежуточная стадия «химических организмов» — так называемых коацерватных капель, способных к полимеризации за счет активного метаболизма, то есть поглощения энергии и химических соединений из окружающей среды. Их репродукция носила в значительной степени случайный характер, и как раз закрепление генетического аппарата постепенно создавало наилучшим образом запрограммированные дочерние капли — способные отбирать у внешней среды необходимые для их выживания катализаторы и блокировать действие вредных факторов.

Примерно через миллиард лет после завершения архея, в середине следующего за ним протерозоя (около 1,5 млрд. лет назад), происходит новый качественный сдвиг в развитии живых организмов. Появляются эукариоты — клетки с выраженной ядерной структурой, способные к окислительному метаболизму. Цианобактерии и сине-зеленые водоросли (прокариоты) успели к этому времени сильно переработать земную атмосферу — за счет их преимущественного бродильного метаболизма в атмосфере стал накапливаться кислород, и вступление в эру эукариотов произошло, по-видимому, когда «газ жизни» достиг уровня 0,5—1 процента относительно его современного содержания. Между прочим, кислород, сильнейший окислитель, в некотором отношении оказался чистой отравой для окружающей среды и полностью пресек дальнейший переход из химической в биологическую фазу. Неживая природа выключилась как прямой генератор жизни и стала источником питания. В этом плане и можно говорить об экологической катастрофе.

Где-то полмиллиарда лет спустя, эукариоты преодолевают микроскопический масштаб жизни, формируя многоклеточные организмы — нечто принципиально отличное от колоний прокариотов*. Начинается эволюция собственно животного и растительного мира. 500—600 миллионов лет назад наша планета вступает в фанерозой (эпоху «явной жизни»), к концу которого появился человек.

*По современной классификации эукариоты и прокариоты образуют два надцарства живой природы. К прокариотам (безъядерная клеточная структура) относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, к эукариотам — все остальные растения, грибы и животные. Прокариоты могут образовывать довольно мощные колонии в виде одного из типов низших растений, но при этом не возникает функционального разделения — каждая клетка питается самостоятельно. Эукариоты тоже организуются в 6 типов низших растений (водорослей), но наряду с этим способны давать и 2 типа высших растений, царство грибов и 20 типов многоклеточных животных — организмы, в которых функциональное разделение клеточных групп выражено вполне четко и чья жизнедеятельность никак не сводится к колониальной форме.

Мы не имеем возможности сколь-нибудь подробно останавливаться на интереснейшей и далеко не во всем понятной дистанции от одноклеточных до человека. Общепринятый факт состоит в том, что в условиях Земли данная дистанция была успешно пройдена, и пока не видно причин, по которым основные ее этапы принципиально не укладывались бы в теорию естественного отбора.

В основе этой теории лежит представление о преимуществе более приспособленных организмов, причем лучший вариант адаптации закрепляется наследственно и приводит к формированию новых видов, семейств и даже типов животных.

Различные варианты организмов появляются под действием мутаций — внешние физико-химические факторы или случайные ошибки при молекулярной репликации вызывают небольшие изменения нуклеиновых наследственных структур, из-за чего и возникают мутанты. Организмы, изменившиеся в одном или нескольких поколениях, например из-за повышенного уровня радиации или увеличенной концентрации каких-то кислот, могут успешно выжить и даже лучше приспособиться к окружающей среде, чем их домутантные предки, но могут и быстро сойти на нет. Именно успешная адаптация выуживает среди мутантов новые удачные побеги эволюционной ветви.

На этом пути обитатели Земли преодолевали ряд принципиально важных этапов — формировался тип позвоночных, класс млекопитающих, отряд приматов, семейство гоминид, род Homo и, наконец, наш вид — Homo sapiens. Каждая из этих ступенек определяет свою вершину эволюции — в целом наилучшим образом адаптированный класс, отряд, вид. Причем не просто приспособленный, не просто погрузившийся в уютную экологическую нишу, но обладающий хорошим потенциалом прогрессивного усложнения, прогрессивно адаптированный, если можно так выразиться... Процесс восхождения по этим ступенькам, разумеется, выглядит вполне естественно, однако мы не слишком хорошо представляем себе, сколь мало следовало бы изменить условия, чтобы, скажем, мутации, связанные с потерей клыков и увеличением объема мозга, стали вредными. Иными словами, даже в более или менее схожих условиях эволюция могла бы долго топтаться, варьируя семейства обезьян вроде гиббоновых и понгид. Трудно оценить и вероятность появления полезных мутагенных факторов, например, образования естественных ядерных реакторов в зоне высокой концентрации гоминоидов*.

* Одна из гипотез появления рода Homo основывается на данных о действии такого реактора в районе южноафриканского уранового месторождения Окло. Процентное содержание урана-235 в руде Окло немного снижено, откуда делают вывод, что в этом месте глины случайно повысили концентрацию урана раз в 100, а это создало условия для течения ядерных реакций, и часть урана-235 выгорела. Видимо, реактор в Окло работал более полумиллиона лет. Важнейшее обстоятельство связано с тем, что геологические условия, ведущие к появлению богатых урановых месторождений, а значит, с какой-то вероятностью и естественных реакторов, как раз соответствуют области древнейших стоянок предчеловека. Гипотеза «африканской прародины» сильно поддерживается тем, что именно в экваториальных областях Африки обнаружены ближайшие к человеку эволюционные линии семейства гоминид — шимпанзе и гориллы. Палеонтологические данные свидетельствуют о наличии общих предков 20—25 млн. лет назад. С этим пока расходятся результаты молекулярной антропологии, исследующей различия наследственного вещества. Интенсивные работы последних лет в этом направлении обнаружили исключительную близость гоминоидных ДНК — с точки зрения генетической программы все три высших вида земных существ отличаются друг от друга в пределах 1 — 2 %, а их общие предки должны были подвергнуться решающему мутационному удару не более 5 млн. лет назад. Вероятно, это определяет предельно высокий темп эволюции, и очень правдоподобно, что самые активные мутагенные факторы — радиационные — сыграли здесь решающую роль, как и в последующем отделении рода Homo.

Однако нет оснований отказываться от своеобразного закона, согласно которому природа всегда стремится реализовать наиболее сложные формы организации вещества, допустимые в данных условиях. Поэтому мы обычно верим, что, если вблизи звезды типа Солнца сформировались планеты с параметрами, очень близкими к земным, то и основные этапы химической и биологической эволюции должны выглядеть очень схоже.

Другой вопрос — значительное разнообразие в эволюционных путях самих планет. В доступных прямому исследованию условиях Солнечной системы Земля включается в целую группу тел наряду с Меркурием, Венерой, Марсом и Луной, чей исходный состав, а отчасти и этапы формирования довольно схожи. Но при всем том, Меркурий и Луна лишены атмосферы. Атмосфера Венеры, геологическое строение которой очень близко к земному, почти в 50 раз плотнее земной, температура у поверхности достигает 500 градусов, а давление — 90 атмосфер. Но самое важное — различие в составах. Если земная атмосфера, грубо говоря, состоит из азота и кислорода (в пропорции 78:21), то венерианская атмосфера — смесь углекислого газа с азотом (примерно 95:4). В той степени, в какой мы считаем третичную атмосферу Земли «искусственной», то есть обязанной своим происхождением фотосинтетическому производству кислорода прокариотами и более сложной растительностью, можно утверждать, что ничего подобного на Венере не происходило, во всяком случае, организмы, потребляющие углекислоту и производящие кислород, сколь-нибудь заметного развития там не получили*.

*Нечто похожее можно заключить и насчет Марса, средняя приповерхностная температура которого меньше 0^о С, а давление примерно в 170 раз ниже земного. Состав его крайне разреженной атмосферы (в 5000 раз менее плотной, чем на Венере) очень похож на венерианский — в основном углекислый газ, азот и аргон (в пропорции примерно 95 : 3 : 2).

Еще более разительно Земля отличается от больших планет. Дело не только в простом отличии таких параметров, как радиус и масса Юпитера и Земли. За существенно иной массой (М_Юп/ Мã = 318) кроется совершенно иной ход эволюции. Исходным материалом юпитерианского протопланетного облака послужил водород и гелий, что неплохо отражается в составе его нынешней атмосферы (примерно 87 частей водорода на 13 частей гелия). Фактически Юпитер — «недоразвитая звезда», окажись его исходная масса раз в 10 больше, мы имели бы счастье стать обитателями двойной звездной системы. По современным расчетам, юпитерианское протопланетное облако было примерно в 1000 раз больше современного Юпитера, и его светимость достигала почти 10²⁴ Вт (т. е. нескольких десятых процента от современной светимости Солнца!). Переход в наблюдаемое состояние за счет гравитационного сжатия произошел довольно быстро — примерно за 10 млн. лет. Но и теперь Юпитер, сжимаясь на 10 сантиметров за столетие, обеспечивает высокое избыточное излучение. Его судьба позволяет понять, что происходит с протооблаком недостаточно высокой массы, неспособным войти в режим термоядерного реактора. Под водородно-гелиевой атмосферой толщиной порядка 1400 км, располагается океан жидкого водорода «глубиной» около 16 тысяч километров (в нем могла бы легко потонуть Земля). Когда давление достигает 3 млн. бар, водород переходит твердую фазу. Толщина сферической оболочки из металлического водорода более 43 тыс. километров, наконец, в центре располагается относительно небольшое (R ~ 11 тыс. км) ядро из горных пород. Очень похожим строением, видимо, обладает и Сатурн.

Разумеется, было бы нелепо ожидать от планет такого рода сколь-нибудь похожей на земную химико-биологической эволюции. Тем более трудно предположить нечто подобное для слишком далеких от Солнца Урана и трансурановых планет.
В целом современная точка зрения сводится к тому, что ни на одной из планет Солнечной системы не может существовать жизни земного образца. Уникальность земной жизни неплохо объясняется положением протоземного облака относительно центрального светила и исходным химическим составом этого облака, хотя в схеме объяснения наверняка есть немало весьма дискуссионных мест. Конечно же, конденсация силикатно-железной пыли массой порядка Мã на расстоянии порядка одной астрономической единицы от желтого карлика не ведет к однозначному выводу о появлении там через 4—5 миллиардов лет разумных существ, но зато ни на одном из этапов такой эволюции не видно пока слишком невероятных событий, разрывающих рассмотренную цепочку.

ЗООГОНИЧЕСКАЯ ФАЗА КАК КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ ЗАКОН

Хотя мы вовсе не уверены, что появление жизни во Вселенной представляет собой столь же универсальное явление, как образование галактик, звезд и планетных систем, необходимо тем или иным образом задать этот феномен как закономерное следствие предшествующих стадий эволюции.

Последовательность событий, приводящая к зарождению и развитию жизни, представляется чем-то вроде цепочки реакторов.

Самый мощный из них — Сингулярность (или, вероятней всего, ее планковская окрестность) — работает не слишком понятным для нас образом, но в результате работы этого гравитационного суперреактора появляется пространство-время и зародыши будущих элементарных частиц (а возможно, и непосредственно некоторые частицы — фотоны, лептоны, кварки и гравитоны, если не выяснится их более тонкая структура). В эпоху t ~ 10^-6—10^-5 сек. Вселенная начинает работать как реактор адронного синтеза — из кварков образуются адроны. Позднее, в более холодной ситуации Вселенная становится термоядерным реактором, осуществляющим синтез водорода в гелий-4.

Еще позднее Вселенная разбивается на отдельные реакторы (галактики и звезды первого поколения), где в процессе сжатия происходит синтез более тяжелых элементов. Благодаря выходу этих реакторов во взрывной режим, космос химически обогащается, и некоторые не слишком горячие объекты, например, планеты у звездных систем 2-го поколения — становятся мощными химическими реакторами, где синтезируются различные молекулярные соединения. Когда химические соединения делаются достаточно сложными и многообразными, возникает основа для дальнейшего усложнения структур. В относительно тонком приповерхностном слое некоторых планет создается своеобразный биологический реактор, продуцирующий относительно устойчивые молекулярные комплексы, способные к длительному обмену энергией и веществом с окружающей средой. Если условия этого обмена, способствующие устойчивости комплекса, каким-то образом кодируются в его структуре (в виде информации, записанной на молекулярном уровне), то комплексы начинают репродуцироваться в наиболее приспособленной к данным условиям форме. Вариация условий окружающей среды — радиационного, температурного и химического режимов по необходимости приводит либо к гибели образований, либо к их усложнению, допускающему более широкую адаптацию. Так появляются первые живые существа — безъядерные клетки, способные в некоторой степени регулировать отношения с окружающей средой.

Биологический реактор на протяжении миллиардов лет генерирует все усложняющиеся живые структуры, пока не возникает человек с характерным социальным типом передачи части наследственной информации и формирующейся на этой основе культурной сферой, которая открывает путь к особо активному воздействию на окружающую среду.

Цивилизации древнего мира — тот первый рубеж, когда действие социокультурных факторов обретает тот же порядок эффективности, что и факторов экологических. Впоследствии в связи с наступлением технологической эры первые начинают преобладать. Можно говорить даже о формировании своего рода социокультурного реактора, продуцирующего высокоорганизованные структуры, которые способны моделировать и реконструировать в процессе моделирования окружающую среду.

Именно в этой фазе жизнь (разумная жизнь!) становится космически значимым фактором. Биологический реактор, однажды появившись, способен преобразовать поверхностный слой отдельной планеты*. Социокультурный реактор, овладевший преобразованиями энергии в планетарных масштабах, приводит к экспансии инженерной деятельности в околопланетное и околосолнечное пространство с вполне вероятным (и уже наблюдаемым) созданием там более или менее крупных искусственных объектов. Разумеется, такие объекты не могут рассматриваться в рамках обычной космогонии. Закон, в соответствии с которым через 4—5 млрд. лет планеты первого поколения у молодых звезд типа Солнца должны порождать искусственные спутники или — по-другому — обычные звезды второго поколения должны порождать радиозвезды третьего поколения (скажем, маяки для посылки межзвездных сигналов), выглядел бы нелепо без учета жизни как особого космического феномена.

*Что и наблюдается на Земле, где наружные слои коры почти полностью (на 95 %) являются продуктом жизнедеятельности живых организмов.

Включив фрагментарное описание этого феномена во II часть книги, посвященную современной картине естественной эволюции, я хотел бы подчеркнуть следующее.

Независимо от проблемы Контакта, которую мы подробно обсудим в III части, жизнь в ее биологическом и социокультурном аспектах представляет собой совершенно необходимый и естественный элемент современной космогонии.

Традиционное резкое деление природы на живую и неживую, унаследованное нами из науки 18 и первой половины 19 веков — доэволюционной науки, объективно лишь постольку, поскольку существует значительная разница в методах физики, изучающей элементарные структуры, и биологии и социологии, имеющих дело со сверхсложными структурами.

Наблюдаемая сейчас тенденция к синтезу научного знания связана с исследованием сложных систем. Физика пытается освоить непривычную для себя область объектов, свойства которых зависят от уровня структурной организации. Биосоциальные науки так или иначе стремятся объяснить многие особенности своих объектов, разлагая их на относительно простые подсистемы.

В той мере, в какой этот синтез захватывает наши представления о Вселенной, мы вынуждены строить единую космогоническую картину, где некоторые молодые звезды второго поколения задолго до завершения своей энергетической эволюции способны генерировать третье поколение искусственных космических объектов с необычными свойствами.

Разумеется, это предъявляет особо высокие требования к анализу предыдущих этапов эволюции.

Но самое важное заключается, пожалуй, в осознании неизбежности включения зоогонической фазы в общую космологию. Уникальность нашей цивилизации не должна рассматриваться как абсолютная преграда на этом пути, подобно тому, как уникальность Вселенной — это еще не основание для отбрасывания космологических моделей.

СПЛОШНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Резюмируя популярное изложение того или иного раздела науки, нередко прибегают к архитектурному образу — смотрите, какое великолепное здание выросло на пустынном и диком месте!

В этом смысле наука о строении и эволюции Вселенной может представляться монументальным центром обширного города. Путь от россыпи угольков-звезд и небесных зиккуратов Мардука до реликтового излучения и черных дыр позволяет гордиться изобретательностью зодчих.

Но лучшая часть гордости — прошлое, спрессованное в ступеньку, с которой яснее видны дороги в завтра. Масштаб, избранный в этой книге, не позволяет слишком долго любоваться достигнутым, а современная космология очень далека от пропорций завершенного храма. Сквозь строительные леса довольно четко проглядывают промежуточные этажи, а то, что в проекте представлялось фундаментом и куполом, все более смахивает на ускользающий мираж. Убийственная бессмыслица Сингулярности вроде бы успешно вытесняется моделями планкеона, раздувающегося в инфляционном режиме. Но ничего, напоминающего последовательную теорию, по поводу этой области пока нет. Зато явно усиливается ощущение того, что в экспериментальном плане мы страшно далеки от планковских параметров, и нужна совершенно исключительная изворотливость, чтобы отыскать соответствующие объекты в космосе и тем более создать их искусственно. Хватит ли, например, планетарных масштабов для запуска «планковского ускорителя», то есть машины с энергией пучка порядка 10²⁸ эВ (примерно миллиард Джоулей на частицу!)? Опыт исследования космических лучей показывает, что известные участки Вселенной со всей своей мощью звездной и галактической энергетики таких частиц не генерируют. Во всяком случае, на Земле пока зарегистрированы космические частицы с энергиями на 7—8 порядков ниже планковского предела. Не исключено, что решение скромной ускорительной проблемы потребует выхода нашей цивилизации на совсем иные технические рубежи. А как найти источники излучения с мощностью ~ L_P?

В космогонии, где вырабатываются модели генезиса космических структур различного масштаба, дела обстоят тоже не слишком благополучно. Очень многое еще предстоит понять и увязать в картине образования галактик, звезд и планет. Надежные оценки уровней космической иерархии, законы семейных ячеек, правила химической наследственности — вот далеко не полный список активно решаемых проблем.

Но есть и области, к исследованию которых мы только подходим. Огромный период от Первовзрыва до отрыва излучения от вещества в космогоническом плане выглядит подлинной terra incognita. Могут ли в ранней и горячей Вселенной образовываться объекты, отличные от известных элементарных частиц, что-то вроде очень малых звездоподобных структур с колоссальной плотностью? Какова их роль в ходе дальнейшей эволюции? Можно ожидать, что рождающаяся «микрокосмогония» — то есть область, имеющая дело с образованием самых ранних структур, подготовит нас к встрече с чем-то поразительным. Особый интерес вызывает поиск иных эволюционных линий, которые очень рано разбежались с нашей — на уровне формирования химических структур (атомов и молекул) и даже еще раньше (элементарные частицы). Все, что мы наблюдали до сих пор, может лежать на одной из многих эволюционных ветвей, притом не обязательно самой интересной. Какую же экспериментальную и теоретическую мощь должна приобрести земная цивилизация, чтобы проникнуть к исследованиям вещества тех плотностей и температур, по сравнению с которыми обычные атомные ядра и нейтронные звезды практически неотличимы от вакуума?

Наконец, мы еще не слишком далеко ушли в смысле сложности структур, включаемых в современную космогонию. Лишь в последние десятилетия были получены обширные данные о спектре космической органики. Условия появления сложных органических молекул во Вселенной изучаются вплотную. Но наука делает пока лишь робкие первые шаги, пытаясь поставить задачу о зоогонической фазе в космическом масштабе. Наши познания о биологической и социальной структуре Вселенной пока весьма жестко ограничены рамками собственной планеты. На фоне сверхобильной научной фантастики о пришельцах приходится признать отсутствие сколь-нибудь серьезной готовности к Контакту. Главы космогонии, соответствующие уровню Контакта, то есть трактующие эволюцию жизни и разума как космически значимых факторов, пока целиком состоят из почти чистых страниц. И тут уж совсем трудно сомневаться, что заполнение этих пробелов потребует крупнейшей перестройки нашей цивилизации, перестройки, вовсе не сводимой к тем или иным техническим новинкам.

Здесь зазвучал лейтмотив последней части книги, где мы попробуем немного полистать упомянутые почти белые страницы и увидим на них немало интересного.