Читать книгу: «Звездануло: весело и доступно про проблемы современной физики и астрономии», страница 3

1.5. Масштабы во Вселенной

Будет много цифр, но я надеюсь, что у меня получится этот момент сгладить.

Все же помнят картинки, на которых нарисована наша Солнечная система? Забудьте их! Это художественный вымысел. Если бы художники соблюдали масштабы, то вы бы обалдели от размеров этого полотна.

Давайте начнем с нашей Земли. Ее диаметр – 12 742 километра. Возьмем баскетбольный мяч для наглядности и представим, что это наша планета. Для нудистов… нудятлов… короче, для нудных: диаметр баскетбольного мяча около 23 сантиметров. И масштаб, соответственно, примерно 1 к 55,5 миллионам. Средняя пятиэтажка в высоту метров, ну, пусть будет двадцать. Если мы попробуем поделить двадцать метров на 55 миллионов, то мы эту пылинку вообще не увидим.

Давайте что-то повыше. Самое высокое здание в мире – Бурдж Халифа. 828 метров, между прочим. Сорок одна пятиэтажка, на минуточку! Короче, на нашем мячике это полторы тысячных сантиметра… ладно. Давайте возьмем Эверест. 8848 метров. Ну, это уже полторы СОТЫХ сантиметра. Даже меньше, чем высота пупырышка на мячике. Ну и да, кстати. Помните байку, что Великую китайскую стену из космоса видно? Ну вы поняли, не буду продолжать.

Ладно, с самой Землей разобрались. А какого размера будет Луна в таком масштабе? Чуть меньше теннисного мяча. На полсантиметра буквально.

А теперь давайте подумаем, как мы можем понять, какое между Землей и Луной в этих масштабах расстояние будет? Подумали? Следите за руками! Берем теннисный мяч и в полнолуние отдаляем его от себя таким образом, чтобы он был одинакового размера с Луной, то есть ровно закрывал ее. Руки вам не хватит, сразу скажу. Около семи метров будет. Представили себе такой учебник? Ну хорошо, в учебнике еще в десять раз можно размеры уменьшить. Тогда расстояние будет семьдесят сантиметров, диаметр Земли около двух с половиной, а Луны – около полусантиметра.

Давайте дальше шагать. Размер Солнышка… Те физики, которые еще философами были в Древней Греции, поняли, как вычислять размер и расстояние до нашего светила при помощи лунного затмения. Я тянуть не буду, скажу так. Если наша планета – баскетбольный мяч, Луна – теннисный мяч, то Солнце – шарик диаметром в 25 метров! Выше пятиэтажки, кстати.

А расстояние до этого, кхм-кхм, СЛОНышка в такой масштабной системе будет чуть больше двух с половиной километров. Тут даже в десять раз уменьшать бесполезно. Смиритесь, вы никогда не видели реальную масштабную модель нашей Солнечной системы! Кстати, расстояние от Земли до Солнца называется астрономической единицей.

А если посмотреть расстояние от Солнца до Плутона¹² (да, я старовер, и для меня Плутон все еще планета)? Так вот, от Солнца до Плутона в таких масштабах будет от семидесяти девяти километров до ста тридцати трех в зависимости от положения на орбите. Кстати, интересный факт – реальная площадь Плутона лишь немного больше площади России.

Кроме расстояний и размеров есть еще скорости. Думаю, вы понимаете, что мы сейчас не будем говорить о том, как долго надо будет ехать на машине до Марса. Это к Илону Маску – он Теслу в космос запустил¹³. Нормальная скорость в космосе только одна – световая. Она у нас около 299 792 километров в секунду. Еще раз: почти триста тысяч километров в секунду. Так вот. Дано: Солнце размером с пятиэтажку, Земля размером с баскетбольный мяч, расстояние между ними около двух с половиной километров, масштаб один к пятидесяти пяти с половиной миллионам. Как будет выглядеть скорость света в этом масштабе? Около пяти с половиной метров в секунду. Восьмикратный чемпион мира Усэйн Болт бегает почти вдвое быстрее, хотя, конечно, он спринтер. И доберется луч от Солнца до Земли примерно за восемь с половиной минут.

Ладно, чтобы быстро закончить с нашей системой, напомню известный факт. Между Луной и Землей можно впихнуть все остальные планеты Солнечной системы. Вместе с Плутоном, если мне память с математикой не изменяют.

А сколько до ближайшей звезды, кстати? Ближайшая к Солнцу звезда – Проксима Центавра. Расстояние до нее – 270 000 астрономических единиц. Свет от нас к ней будет идти четыре года с небольшим. Давайте немного поменяем масштабы для наглядности? Попробуем Солнце сжать до сантиметра. То есть уменьшим нашу прежнюю систему в две с половиной тысячи раз. Получим, что одна астрономическая единица примерно равна метру. М-да, если Солнце представить шариком с диаметром в 1 сантиметр, то ближайшая звезда будет на расстоянии в 270 километров. Давайте еще сожмем наше Солнце. Пусть будет размером с маленькую песчинку. Где-то одна десятая миллиметра. То есть сжали еще в сто раз. Ну вы поняли, да? Два километра семьсот метров до ближайшей песчинки. Так себе пляж, скажу я вам.

Давайте сыграем в игру. Надеюсь, ни для кого не секрет, что Солнце находится в галактике Млечный Путь? Так вот, просто наугад скажите, сколько нужно песка, чтобы примерно показать количество звезд в этой галактике? Ведро? Два? В Млечном Пути от 200 до 400 миллиардов звезд.

Вес одной песчинки в задачнике по математике предлагают считать равным 0,002 грамма. Предположим. Я пытался прикинуть одно к другому… в смысле плотность песка к размерам песчинки – ну очень приблизительно, но можно поверить. Так вот, если брать галактику… Короче, от 300 до 600 тонн песка нужно, ребята. Возьмем в среднем 450 тонн. Чтобы вы понимали масштабы – это триста кубов песка… Два грузовых вагона под завязку и еще тележка останется. А Солнце – одна песчинка.

Диаметр Млечного Пути – 100 000 световых лет. Да, забыл. Тут измеряют расстояние уже световыми годами. Это расстояние, которое луч света пройдет за один год. Все логично. Если Солнышко – песчинка, то диаметр Млечного Пути будет 70 000 километров… Это чуть больше, чем пять реальных Земель. А Солнце – песчинка…

Давайте выйдем еще дальше. Мы знаем много галактик. От нашего родного и уютного Млечного Пути до ближайшей крупной галактики – Андромеды – примерно два с половиной миллиона световых лет. Да, есть небольшие звездные скопления, есть всякие спутники Млечного Пути, но нам же интересно нормальные масштабы посмотреть.

Опять же, Солнышко – песчинка, тогда расстояние от Млечного Пути до Андромеды примерно миллион семьсот пятьдесят тысяч километров. Если что, в натуральную величину Солнышко – это звезда диаметром чуть меньше полутора миллионов километров, поэтому понятно, что и с чем мы сравниваем. Давайте теперь уменьшим наш Млечный Путь. Пускай теперь все наши два вагона и небольшая тележка будут размером с горошину сантиметровую. Тогда до Андромеды у нас будет около двадцати пяти сантиметров. Плотненько так, в отличие от предыдущих примеров. Но вы же понимаете, что это только для того, чтобы показать, что мы входим в большую такую галактическую структуру. Называется это все Сверхскоплением Девы, или Местным сверхскоплением галактик. В диаметре это Сверхскопление у нас растягивается примерно на 110 миллионов световых лет. Одиннадцать метров, если считать Млечный Путь горошиной. Вообще плотно, да? Так вот, насчет количества этих горошин… Я не очень понимаю такую формулировку, но другой пока не нашел. Итак, цитата: «В состав Местного сверхскопления входят 100 групп и скоплений и около 30 тысяч галактик». Я лично не могу понять: эти 30 тысяч галактик – они отдельно от тех ста групп и скоплений или эти сто групп и насчитывают в общей сложности тридцать тысяч галактик? В любом случае на этом метре с кепкой нам надо раскидать тридцать тысяч горошин. От горошины до горошины плюс-минус двадцать пять сантиметров. Вот что такое Местное сверхскопление галактик, ребята.

Но даже и это не вся обозримая Вселенная. Я уже не буду тут давать аналогии… Просто скажу, что обозримая Вселенная – это шар с диаметром примерно в 93 миллиарда световых лет, а в центре – наша крошечная планета Земля. Просто потому что мы с нее и наблюдаем. Если что – мы не претендуем на место в центре Вселенной. Вот в центре обозримой Вселенной… Ладно-ладно, последняя аналогия. Если Млечный Путь – сантиметровая горошинка, то обозримая Вселенная – шарик на девять километров и триста метров!

Все это мне взорвало мозг и до сих пор продолжает взрывать. Может быть, Большой взрыв – это не про расширение пространства, а про реакцию всего человечества на масштабы этого вселенского мероприятия?

1.6. Как зажигать звезды?

Я уже говорил, что Вселенная – не самая большая поклонница чистоты, и пыли в ней хоть отбавляй. И если мы с женой протираем полки довольно часто, то в дебрях космоса клининга нет. Клубы пыли копятся во Вселенной и растут, пока не превратятся в огромное молекулярное облако. Его еще называют звездной колыбелью.

Это облако достаточно плотное и достаточно большое, чтобы в нем образовывались молекулы из атомов. Обычно это водород.

Так вот, есть огромное облако из водорода. В принципе, дальше все просто. Что-то сталкивает пыль саму с собой. Это может быть столкновение с еще одним таким молекулярным облаком, или облако может пройти через какую-нибудь плотную область галактики, или звездный ветер подтолкнет частички пыли друг к другу. Но это ж космос. Тут масштабы соответствующие. Принцип простой: чем больше комочек, тем больше пыли на него налипает из-за гравитации. Чем больше пыли налипает – тем больше комочек становится.

Ну ладно, летают в космосе целые каменюки из пыли, что дальше-то? А принцип тот же самый. Камни прекрасно сталкиваются друг с другом, так же как сталкивалась пыль. Чем больше было облако, тем больше будет камней, тем больше будет звезда. Если облако было достаточно большим или просто объемным, то звезда может появиться вместе с планетами.

Дальше опять работает гравитация. Помните, как получается черная дыра? Одно сталкивается с другим, и получается большая масса в небольшом пространстве. Тут принцип тот же. Разница только в том, что для звезды плотность нужна меньше.

Ну что, послушали сказку? А теперь выбросьте из головы камни. Это таки водород. Тут газ. Просто где-то он реже, где-то гуще. Принцип проще было объяснить на камнях. Остальное более или менее правильно.

Так вот, появляется большое, плотное и очень густое облако водорода. Помните, мы говорили про сингулярности? Что происходит, когда очень много атомов находятся на небольшом участке пространства? Правильно, повышается температура. Тут уже можно говорить про звезду. Что делает звезда? Светит и греет. А если говорить более научно – излучает. Как раз повышение температуры и есть то самое излучение.

Но пока еще звезда молодая, не очень горячая и не очень яркая. В итоге наше облако стало звездой ДО главной последовательности.

Про последовательность расскажу совсем скоро. Подождите чуток. Так вот, в какой-то момент звезда достаточно уплотняется и нагревается, чтобы пошла термоядерная реакция. Все слышали такую фразочку? Объясняю, атом водорода – это ядро и электрон. Сильно сталкиваем атомы водорода и получаем атом гелия и дофигища энергии. Вот так вот одно с другим сталкивается и из изначального водорода получается почти вся таблица Менделеева. Это мы очень сильно упростили. Я пока не знаю, как объяснить без подготовки термоядерную реакцию.

Как только в звезде начинаются термоядерные реакции, значит – она созрела. И после этого можно считать, что это звезда главной последовательности.

Я обещал рассказать про последовательность, и теперь мы к этому готовы. Все довольно просто. Представьте график. Вверх мы будем откладывать светимость звезды, то есть ее яркость. А вправо – ее температуру. Как вы думаете, как этот график выглядит? Ученые увидели, что есть стройненькая линия, которую и назвали главной последовательностью. Там выше будет загогулина, но в принципе все нормально и укладывается и в уравнения, и в последовательность.

А теперь давайте еще один график представим. Вверх – время жизни звезды на этой самой главной последовательности, вправо – ее масса. Опять получится стройненькая линия, но с уклоном вниз. Чем больше звезда, тем меньше она будет жить на главной последовательности. Либо сама себя сожжет, либо, наоборот, будет слишком яркой и просто выбьется из этой самой линии.

Итак, в общем принципе разобрались. А какие вообще бывают звезды? Вы же знаете, что бывают всякие там карлики белые, желтые, есть какие-то сверхновые звезды ну и тому подобное.

Так вот, давайте по порядку пойдем. Существуют две характеристики, которые измеряют астрофизики. Это светимость и спектр. Пока все просто. Светимость – это то, как ярко светит звезда, а спектр – какого она цвета.

Спектр записывают буквами. Различают голубые (спектральный класс O), бело-голубые (спектральный класс B), белые (спектральный класс A), желто-белые (спектральный класс F), желтые (спектральный класс G), оранжевые (спектральный класс K) и красные звезды (спектральный класс M). Есть еще коричневые (спектральные классы L, T, Y) и черные карлики, но это уже совсем больные, чахлые и умирающие звезды. Еще есть всякая экзотика типа звезд Вольфа – Райе¹⁴ или всяких циркониевых звезд.

Кстати, для запоминания классов звезд существует свое мнемоническое правило (как «каждый охотник желает знать, где сидит фазан» для цветов радуги).

Напомню классы звезд, только русскими буквами, если вы не возражаете: О-Б-А-Ф-Ж-К-М. А правило звучит так: «Один бритый англичанин финики жевал как морковь»¹⁵.

Еще каждый спектральный класс делится на подклассы. Записывают их числами от 0 до 9. Чем холоднее звезда в своем классе, тем больше число. Перейдем к светимости. Ее ученые записывают римскими цифрами. Чем больше цифра, тем меньше светит звезда. Классы светимости звезд располагаются от ярких к тусклым: I класс — самые яркие, крупные и массивные звезды, носящие название сверхгигантов, II класс – яркие гиганты, III класс — нормальные гиганты, IV класс – субгиганты, V класс – звезды главной последовательности, VI класс – субкарлики, VII класс – карлики.

Наше Солнце считается желтым карликом. Если говорить в рамках этой классификации, то оно имеет класс G2 V.

Итак, мы понимаем, что Солнышко карлик. Вспоминаем про масштабы и начинаем разгонять…

Самые яркие супергиганты, еще их называют гипергигантами, – это самые мощные, яркие, тяжелые и самые короткоживущие звезды. Они нестабильны, потому что их масса настолько огромна, что они могут превратиться в черные дыры. Радиус самой большой звезды больше солнечного аж в 1708 раз, а масса, говорят, маленькая. Около 10 солнечных. Хотя самая массивная звезда тяжелее Солнца в 315 раз. Вспомните про масштабы и насладитесь этим моментом. Кстати, в Солнечной системе больше 99 % массы приходится только на одно Солнце. Остальное уже все наши планеты, метеоритные пояса и прочая мелочь.

Остальные классы звезд расписывать не стану, прикиньте сами. Напоминаю: наше Солнце – желтый карлик. Карлик, Карл!

Есть еще двойные-тройные звезды, и на самом деле их мы наблюдаем больше всего. Это наше Солнце – интроверт, а остальные звезды более общительны. Это хоровод звезд, которые либо родились из одного молекулярного облака, либо в процессе как-то встретились, но суть не в этом. Они ведут себя как вращающаяся гантелька. Две звезды, а между ними непонятная фиговина, как правило. Иногда газ, иногда просто центр масс или вообще какая-нибудь гравитационная аномалия. Такие звезды мерцают нам в телескопы с определенной частотой, и мы понимаем, что имеем дело со звездной системой.

Новая – это тоже двойная звезда. Как правило – белый карлик и что-то более спокойное, красное. Белый карлик высасывает газ из своего компаньона, и периодически этот газ взрывается. От взрыва светимость увеличивается довольно сильно, и так мы понимаем, что это новая звезда. Тут вращение – не главное. Важны именно эти взрывы.

Сверхновая звезда. Это последняя стадия жизни некоторых звезд. Вернее, это практически звездная смерть. Гравитация перестает удерживать звезду в целом состоянии, и звезду просто распирает изнутри. По закону сохранения импульса этот взрыв направлен и наружу, и внутрь. Я уже о таком говорил. И в результате получается либо черная дыра, либо нейтронная звезда. Зависит от массы исходной звезды.

И вот мы перешли к сладкому. Нейтронная звезда. Это для меня самая интересная штуковина. Потому что практически вся она состоит из нейтронов. То есть звезда настолько плотная, что вытолкнула из себя все, что ей мешало. Электроны? Нафиг! Протоны? Не надо, лучше нейтрончики поплотнее положим. Да, чем дальше от ядра, тем хуже это работает, и у некоторых нейтронных звезд внешний слой из ядер и тяжелых элементов может составлять около километра, но в общем это настолько плотная звезда, что плотность ее в триллион раз больше плотности воды. Спичка из такого вещества весила бы на земле приблизительно 160 тысяч тонн. Для справки: из вещества нашего Солнца спичка бы весила всего около двух десятитысячных грамма. Плотность Солнца, кстати, всего в полтора раза больше плотности воды. А уж спичка из гипергигантов совсем ничего бы не весила. Но вернемся к нейтронным звездам. Масса таких звезд сравнима с солнечной, а вот радиус всего от 10 до 20 километров в среднем. Кто-то считает, что в самом ее ядре находится кварк-глюонная плазма – это форма вещества, которое считается прародителем всего. Мы не можем отследить что-то более близкое к Большому взрыву.