Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой - Ричард Докинз

Существует Замечательная книга Джона Кассиди (John Cassidy) под названием «Earthsearch», в которой делаются попытки понять это, используя масштабную модель.

1. Выйдите в большое поле с футбольным мячом и положите его на землю, это будет солнце.

2. Затем, отойдите на 25 метров и положите зёрнышко перца, чтобы представить Землю и её расстояние от Солнца.

3. Луна, в таком масштабе, будет булавочной головкой, она будет лишь в пяти сантиметрах от зёрнышка перца.

4. Но ближайшая другая звезда, Проксима Центавра, в этом масштабе будет другим (немного меньшим) футбольным мячом, расположенным в… приготовьтесь…

… 6 500 километрах!

Возможно, на орбите Проксимы Центавры есть планеты, а возможно нет, но точно есть планеты на орбитах других звёзд, наверное большинства. И расстояние между каждой звездой и её планетой обычно мало по сравнению с расстояниями между самими звёздами.

Как работают звезды

Разница между звездой (вроде Солнца) и планетой (вроде Марса или Юпитера) в том, что звезды ярки и горячи, и мы видим их собственный свет, тогда как планеты относительно холодные, и мы видим их только благодаря свету, отражённому от соседней звезды, вокруг которой они вращаются. И это различие, в свою очередь, следует из разницы в размерах. Вот почему.

Чем больше любой объект, тем сильнее гравитационное притяжение к его центру. Все притягивается под воздействием силы гравитации. Даже вы и я гравитационно притягиваем друг друга. Но это притяжение слишком слабо, чтобы его заметить, если оба тела небольшие. Земля большая, поэтому мы чувствуем сильное притяжение к ней, и когда мы роняем что‑то, оно падает «вниз», то есть по направлению к центру Земли.

Звезды гораздо больше планет, таких как Земля, так что их гравитационное притяжение гораздо сильнее. Середина большой звезды испытывает огромное давление, потому что гигантская гравитационная сила притягивает все вещество звезды к центру. И чем больше давление в звезде, тем более горячей она становится. Когда температура становится очень высокой — гораздо жарче, чем вы или я можем себе представить — звезда начинает вести себя как своего рода водородная бомба замедленного действия, выделяя огромное количества тепла и света, и мы видим как она ярко светит в ночном небе. Сильный жар приводит к тому, звезда раздувается, как воздушный шар, но в то же время гравитация сжимает её обратно. Существует баланс между внешним тепловым расширением и внутренней силой тяжести. Звезда действует как свой собственный термостат. Чем жарче она становится, тем больше она разбухает; и тем менее концентрированной становится масса вещества в центре, поэтому, она немного остывает. Это означает, что она начинает сжиматься снова, что опять её разогревает, и так далее. Я рассказал историю, как будто звезда пульсирует как при сердцебиении, но это не так. Вместо этого она принимает промежуточный размер, который поддерживает звезду при нужной температуре, чтобы оставаться стабильной.

Я начал с того, что Солнце — это просто звезда, как и многие другие, но на самом деле существует множество различных видов звёзд, и они расположены в широком диапазоне их размеров. Наше солнце (см. ниже) не очень большое по сравнению с другими звёздами. Оно немного больше, чем Проксима Центавра, но гораздо меньше, чем многие другие звезды.

Какова самая большая звезда, которая нам известна? Это зависит от того, как вы их измеряете. Звезда, имеющая наибольший размер, называется VY Большого Пса. Её поперечник (диаметр) в 2 000 раз больше размера Солнца. А солнечный диаметр в 100 раз больше, чем диаметр Земли. Тем не менее, VY Большого Пса такая неплотная и лёгкая, что, несмотря на свои огромные размеры, её масса составляет лишь около 30 масс Солнца, а не в миллиарды раз больше, как было бы, если бы они имели одинаковую плотность. Другие, такие как Звезда Пистолет, и звезды, обнаруженные в последнее время, такие как Эта Киля и R136al (не очень броское название!), в 100 раз массивнее Солнца, или даже больше. А масса Солнца более чем в 300000 раз больше массы Земли, что означает, что масса Эта Киля в 30 миллионов раз больше, чем Земли.

Если у гигантской звезды, такой как Rl36a 1, есть планеты, они должны быть очень и очень далеко от неё, или они мгновенно испарились бы. Её гравитация настолько велика (из‑за её огромной массы), что её планеты действительно могут быть очень далеко и до сих пор вращаться по орбите вокруг неё. Если есть такая планета, и кто‑то на ней живёт, R136al, вероятно, кажется им примерно столь же большой, как нам наше Солнце, потому что, хотя она намного больше, она также была бы гораздо дальше — на как раз подходящем расстоянии, фактически именно подходящий видимый размер необходим для поддержания жизни, иначе жизни бы там не было!

История жизни звезды

В действительности, однако, маловероятно, что есть планеты, вращающиеся вокруг R136al, не говоря уже о жизни на них. Причина в том, что очень большие звезды имеют очень короткую жизнь. R136al, вероятно, только около миллиона лет, что составляет менее 1/1000 жизни Солнца до настоящего времени: недостаточно времени для эволюции жизни.

Солнце — меньшая, более преобладающая звезда: из того типа звёзд, у которых история жизни длится миллиарды лет (а не всего лишь миллионы), в течение которых они проходят через ряд длительных этапов, почти как растущий ребёнок, становясь взрослым, проходит через средний возраст, со временем стареет и умирает. Преобладающие звезды в основном состоят из водорода, простейшего из всех всех элементов (см. главу 4). 'Водородная бомба замедленного действия' в недрах звёзд превращает водород в гелий, второй простейший элемент (он назван в честь греческого бога солнца Гелиоса), высвобождая огромное количество энергии в виде тепла, света и других видов излучения. Помните, я говорил, что размер звезды представляет собой баланс между тепловым расширением и силой тяжести? Ну вот, этот баланс остаётся примерно одинаковым, сдерживая кипение звезды на несколько миллиардов лет, пока её топливо не исчерпывается. Обычно звезда коллапсирует в себя под действием безудержной силы тяжести — в этот момент весь ад вырывается на свободу (если возможно вообразить что‑нибудь более адское, чем внутренняя часть звезды).

История жизни звезды слишком долгая для астрономов, чтобы увидеть больше, чем её крошечный миг. К счастью, астрономы, сканируя небо своими телескопами, могут найти целый ряд звёзд, каждую на разной стадии своего развития: некоторые «звезды — младенцы» застигнуты при акте формирования из облаков газа и пыли, как и наше Солнце четыре с половиной миллиарда лет назад, много звёзд «среднего возраста», подобных нашему Солнцу, и некоторые старые и умирающие звезды, которые дают возможность узнать, что произойдёт с нашим Солнцем за следующие несколько миллиардов лет. Астрономы создали богатый «зоопарк» звёзд самых разных размеров и стадий их жизненного цикла. Каждый член 'зоопарка' показывает, на что обычно были похожи другие, или будут похожи.

Обычная звезда, как наше Солнце, в конечном счёте, исчерпывает водород и, как я только что описал, вместо него начинает «сжигать» гелий (я взял это в кавычки, потому что она на самом деле не сжигает, а делает нечто намного более горячее). На этом этапе она называется «красный гигант». Приблизительно через пять миллиардов лет Солнце станет красным гигантом, что означает, что, в настоящее время оно находится в середине своего жизненного цикла. Задолго до этого наша бедная планета станет слишком горячей для жизни на ней. Через два миллиарда лет Солнце будет на 15 процентов ярче, чем сейчас, а это значит, что Земля будет как Венера сегодня. Никто не может жить на Венере: температура там составляет более 400 градусов по Цельсию. Но два миллиарда лет — довольно длительное время, и люди почти наверняка вымрут задолго до этого, так что там будет некому поджариваться. Или, может быть, наши технологии продвинутся так далеко, что мы действительно сможем передвинуть Землю к более удобной орбите. Позже, когда гелий тоже закончится, Солнце исчезнет в облаке пыли и обломков, оставив крошечное ядро, называемое белым карликом, который охладится и потухнет.

Сверхновые звезды и космическая пыль

История заканчивается иначе для звёзд, которые гораздо крупнее и горячее, чем наше Солнце, как гигантские звезды, о которых мы только что говорили. Эти монстры «сжигают» водород гораздо быстрее, и ядерные печи их «водородной бомбы» идут дальше, чем простое слияние ядер водорода для создания ядер гелия. Более горячие печи больших звёзд продолжают сталкивать ядра гелия вместе, чтобы создать ещё более тяжёлые элементы, и так далее, пока они не произведут широкий диапазон более тяжёлых атомов. Эти более тяжёлые элементы включают углерод, кислород, азот и железо (но пока ничего тяжелее железа): элементы, которые в изобилии есть на Земле, и во всех нас. Через относительно короткое время очень большая звезда, подобная этой, в конечном счёте разрушает себя в гигантском взрыве, названном сверхновой, и именно в этих взрывах формируются элементы более тяжёлые, чем железо.