По имени Солнце

Почему для нас так важно, что наше светило — самая обычная, тривиальная звезда, и что было бы, будь оно значительно больше и ярче? Где следует искать жизнь, и может ли она существенно отличаться от земной? Что будет, когда Солнце потухнет, и сможем ли мы переселиться на другие планеты? Рассказывает Людмила Машонкина, доктор физико-математических наук, заведующая отделом нестационарных звезд и звездной спектроскопии Института астрономии РАН.

Фото: Александр Коряков, Коммерсантъ

— Людмила Ивановна, какие задачи стоят перед вашим отделом?

— Наш отдел занимается разными небесными объектами, используя одни и те же методы анализа. Например, Николай Николаевич Чугай и Виктор Павлович Утробин занимаются анализом спектров сверхновых звезд, устанавливают, что происходит после их взрыва. А сверхновые — это, между прочим, источники новых химических элементов, и в некоторых случаях удается их оценить.

А еще у нас есть группа, которая занимается изучением переменных звезд, сбором и систематизацией наблюдательных данных, их анализом. Третья группа, куда и я вхожу,— это группа звездной спектроскопии. Мы занимаемся изучением звезд, которые, вообще говоря, совсем обыкновенные, как наше Солнце.

— А оно обыкновенное?

— Совершенно рядовая звезда. Ничего в нем нет особенного.

— Это хорошо для нас?

— Для человеческой цивилизации это хорошо. Оно спокойное, хотя и бывают вспышки. Но они намного более слабые по сравнению с тем, что на других звездах происходит. Есть звезды с параметрами, близкими к Солнцу: температурой, массой, радиусом, но там случаются вспышки с выделением энергии на несколько порядков больше, чем при солнечных. Если бы у нас такое произошло, то мало бы нам не показалось.

— А что бы с нами было?

— При солнечных вспышках выделяется энергия в форме не только жесткого (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения, но и потока высокоэнергичных заряженных частиц. Если выброс вещества произошел в направлении на Землю, то примерно через три дня в земной магнитосфере происходят возмущения, нарушение связи, полярные сияния, которые иногда можно видеть до самой Москвы. Вспоминают вспышку 1989 года, когда на всей Земле была нарушена высокочастотная радиосвязь. Но нарушение радиосвязи — это пустяки по сравнению с тем, если бы энергия вспышки была на три порядка больше. Это могло бы коснуться и человеческих жизней.

— А как быть с тем, что солнечные вспышки якобы влияют на наше здоровье: люди метеочувствительные начинают ощущать головные боли и прочие недомогания? Это правда?

— Я ничего такого не чувствую, но вполне допускаю, что это возможно. Наша жизнь полностью зависит от Солнца, от того, что на нем происходит.

Солнце оказывает влияние на физические характеристики в атмосфере, в ионосфере, влияет на биосферу, а человек — часть этой среды.

Все это, к сожалению, не очень хорошо изучено — тут много спекуляций, но есть исследования корреляции развития некоторых эпидемий, роста растительности с солнечной активностью. А вспышки — одно из проявлений этой активности. Поэтому, наверное, полностью отрицать влияние вспышек на самочувствие отдельных людей нельзя.

— С Солнцем понятно. Но почему нужно изучать другие звезды?

— Возьмем опять же наше светило. Спокойная звезда. Ничего на нем особенного не происходит. Но благодаря этому «спокойствию» у таких звезд время жизни очень большое: они в таком состоянии находятся 10 млрд лет. А если масса меньше, то и еще дольше.

В настоящее время мы видим, как звезды, которые родились в эпоху формирования Солнца, 4,6 млрд лет назад, так и гораздо более молодые, а также очень старые звезды, которые родились 11–12 млрд лет назад. На основной стадии эволюции на поверхности звезды сохраняется то вещество, из которого она сформировалась. Внутри идут ядерные реакции, но это глубоко и ничего не попадает наверх.

Поэтому, изучая такие звезды, мы можем проследить, как со временем менялся химический состав вещества в нашей галактике.

Поиск источников нуклеосинтеза осуществляется с помощью этих самых обыкновенных звезд, похожих на наше Солнце.

— Что такое нуклеосинтез?

— Это цепочка ядерных реакций, в которых образуются новые химические элементы. Ядерные реакции бывают разных типов, производят разные химические элементы, требуют разных физических условий и поэтому связаны с разными типами звезд.

Например, источником энергии нашего Солнца и большинства звезд, которые мы видим, являются ядерные реакции, в которых четыре протона в цепочке реакций соединяются и образуют ядро атома гелия, альфа-частицу. Масса ядра гелия немного меньше, чем масса четырех протонов, и эта разница, называемая дефектом массы, в соответствии с соотношением Эйнштейна превращается в энергию, которая и поддерживает жизнедеятельность звезды. Это первая, основная стадия в жизни звезды.

После того как водород в ядре закончится, образуется гелиевое ядро, и звезда проходит стадию, когда в зависимости от ее массы взрывообразным или спокойным образом этот гелий горит — идут термоядерные реакции превращения гелия в углерод. То есть три альфа-частицы объединяются и дают ядро атома углерода. Вот новый химический элемент. В массивных звездах ядерная эволюция идет дальше, и образуются все элементы таблицы Менделеева.

Наша Вселенная в первые минуты образовала только водород и гелий. И немного лития, совсем чуть-чуть. Больше никаких элементов не было. Начиная от углерода, все другие элементы были синтезированы позже, когда образовались звезды на разных этапах эволюции звезд. Но не все звезды участвуют в химическом обогащении вещества Вселенной. Звезды с массами, близкими к солнечной, после первой стадии ядерной эволюции — превращения водорода в гелий — и следующего этапа, когда гелий превращается в углерод, становятся углеродными белыми карликами. Новые синтезированные элементы навсегда будут законсервированы в нем. Все, больше звезда ничего не поставляет.

— Такая участь ждет наше Солнце?

— Да. Примерно через 4,5 млрд лет — столько же времени, сколько оно уже существует. Если построить распределение звезд по массам, то мы точно знаем, что бОльшая часть звезд — это звезды с массами, близкими к солнечной. Чуть меньше, чуть больше. И в изменении химического состава вещества нашей галактики они никакой роли практически не играют.

— Но именно такие звезды способны обеспечить возможность существования жизни?

— Этого мы не знаем. Сейчас открыто множество планет у солнцеподобных звезд, потому что таких звезд больше. Что касается более горячих звезд, теория не запрещает существование планет и около них. Другой вопрос, что раз эти звезды горячее, значит, у них планета должна находиться на большем расстоянии, чтобы там были подходящие условия.

Сейчас открыто порядка 5 тыс. планет, еще даже не все подтверждены. Из них у горячих звезд совсем немного — буквально единицы.

Но это может быть связано с общей статистикой и с тем, что обнаружить планету около массивной горячей звезды гораздо труднее, чем около менее яркой звезды небольшой массы. Может быть, когда будут больше открывать, будут больше находить и у других звезд, в том числе очень горячих.

— Вы говорите, что звезды, которые ведут себя нестандартным образом, служат источником новых химических элементов. Эти элементы встречаются на нашей планете или есть такие, которых у нас нет?

— Все элементы, которые наблюдаются в космосе, есть и на Земле. Более того, подавляющее большинство элементов было обнаружено сначала на Земле, в лабораториях. И всего один элемент — гелий — был обнаружен сначала на Солнце и только потом — на Земле, через 13 лет. То есть в космосе все то же самое, что и на Земле, а на Земле — то, что было синтезировано в звездах.

— Знаю, что в космосе образуются сложные молекулы, в том числе органические. Откуда они там берутся?

— Путем химических реакций. Молекулы — это цепочки атомов. Поскольку у звезд температуры высокие, то молекулы если и наблюдаются, то в самых поверхностных слоях, и они не делают общей картины, кроме очень холодных звезд. Есть коричневые карлики, есть М-карлики — там самые простые молекулы: максимум три-четыре атома. А в межзвездной среде есть очень сложные молекулы. Они могут образовываться на пылинках путем соединения атомов.

— Знаю, что там даже аминокислоты встречаются.

— Это сложные молекулы, образуемые в межзвездной среде, там, где температуры низкие. Хотя там плотность гораздо меньше, чем на звездах, но зато времени в космосе сколько угодно. Там никто никуда не торопится, поэтому очень много всяких интересных соединений образуется.

— Как вы думаете, может ли там, в космическом пространстве, из этих органических молекул возникнуть какая-то примитивная жизнь?

— Я не могу ответить на этот вопрос. Мы же до сих пор не знаем, как на нашей планете образовалась жизнь. Есть сторонники теории, что жизнь была занесена на Землю. Но это не решение проблемы. Все равно жизнь где-то образовалась. А как она образовалась там, откуда занесена? Мы пока не знаем, какие физические условия для этого нужны.

Проводят разные эксперименты, чего только не делают. И диапазон возможностей существования жизни все время расширяется. Жизнь есть даже там, где ее, казалось бы, не может быть. Недавно была опубликована статья о том, что под действием облучения лазером удается получить более сложную молекулу, чем предыдущая. Но это еще не жизнь.

— А может ли человек получить жизнь, сравнявшись с Творцом?

— Прежде чем это обсуждать, надо понять, что есть жизнь. А мы пока и этого не знаем. С какого момента сложную химическую структуру можно считать жизнью? Даже если брать простейшие организмы — все равно непонятно, как неживое стало живым.

— Биологи говорят, что путь от бактерии до человека куда понятнее, чем путь от самой сложной молекулы до бактерии.

— Совершенно согласна. Как зарождается жизнь? Как получается, что организм становится живым? Когда мы это поймем, это будет величайшим достижением науки.

— Вы думаете, мы это когда-нибудь поймем? Может быть, в человеческой природе изначально заложен некий барьер невозможности познания самого себя?

— Наука очень быстро развивается. Банальный пример с компьютером. Я давно живу и вижу эти перемены. Казалось бы, недавно мы все писали от руки. А сейчас бумага практически не нужна.

За последние 100 лет в физике произошли такие кардинальные изменения, которые ни один великий ум представить себе не мог. Какой наблюдательный прогресс в астрономии! Поэтому я думаю, что мы сильно ошибемся, что бы мы сейчас ни предсказали.

Никаких принципиальных ограничений в науке нет. Хотя, конечно, может случиться так, что биология будет развиваться в направлении, опасном для человечества, как было в физике, когда из хороших побуждений искали новые источники энергии, а создали смертельное оружие. А ведь биология еще страшнее. Попытка создать жизнь опасна. Но, с другой стороны, прогресс в науке не остановить.

— Были ли у вас какие-то неожиданные открытия?

— Когда я начинала, мне удалось получить важный на тот момент результат, и сейчас это известный факт. Наша галактика имеет несколько звездных населений. Самое молодое население формирует тонкий диск.

— Почему это называется «население»?

— Дело в том, что в галактике можно выделить большие группы звезд, которые имеют некоторые общие характеристики. Например, звезды тонкого диска имеют общее вращение вокруг центра галактики и похожий химический состав. То есть они ведут себя как единая популяция. Популяция — это по-английски, по-русски — «население». Поэтому принята такая терминология.

Разные населения имеют разный химический состав, разный возраст, разное движение в галактике. В 2000 году у меня вышла статья, где было показано, что звезды толстого диска отличаются от звезд тонкого диска отношением содержания европия к барию, притом что у них одинаковые температуры, массы и содержание железа.

— Что это за элементы? Чем интересны европий и барий?

— Это редкие элементы, но важные индикаторы процессов, в которых они синтезируются. Европий синтезируется преимущественно в ядерных реакциях нейтронных захватов, которые требуют очень высокой плотности потока нейтронов, их называют быстрыми нейтронными захватами. Барий тоже синтезируется в реакциях нейтронных захватов, но при меньшей плотности потока нейтронов — это медленные нейтронные захваты.

Поскольку быстрые и медленные нейтронные захваты связаны со звездами разных масс, а значит, разной продолжительности жизни, то отношение содержания европия к барию у звезды — это индикатор времени ее формирования.

Так вот я получила, что у звезд толстого диска отношение европия к барию выше, чем у звезд тонкого диска. Это означает, что звездное население толстого диска сформировалось раньше, чем звезды тонкого диска.

До этого, в 1996-м, группой итальянских авторов был сделан похожий вывод из анализа содержания элементов магния и железа у звезд толстого и тонкого дисков. Магний и железо тоже синтезируются в разных ядерных реакциях: магний синтезируется путем последовательного захвата альфа-частиц, у него заряд ядра 12, масса — 24, то есть ядро состоит из шести ядер гелия.

Источником магния являются сверхновые с коллапсирующим ядром (типа II). Это конечная стадия эволюции массивных звезд с массой более восьми солнечных. А железо синтезируется на конечной стадии ядерной эволюции при установлении ядерного статистического равновесия. Источником железа являются как сверхновые типа II, так и термоядерные сверхновые (типа Iа). Последние связаны с тесными двойными системами промежуточных масс, поэтому первые вспышки сверхновых типа Iа случились во Вселенной позже, чем вспышки сверхновых типа II. Поэтому отношение содержания магния к железу в звезде тоже служит индикатором времени ее формирования.

Было показано, что у звезд толстого диска отношение содержания магния к железу выше, чем у звезд тонкого диска. Это тоже указывает на то, что толстый диск старше тонкого. Когда я показала результаты по европию и барию профессору Томасу Герену, с которым сотрудничала, он прыгал на одной ножке по всему институту и кричал: «Ура, ура, мы нашли!»

— А что вы нашли?

— Мы нашли новое, независимое подтверждение, что толстый диск старше, чем тонкий.

— Почему это открытие важно?

— Это важно для понимания формирования и эволюции всей галактики в целом. Как это ни странно, но до сих пор нет удовлетворительной модели формирования галактики. Общие представления есть: существовало огромное облако, которое коллапсировало, в процессе сжатия образовалась сферическая составляющая, затем из-за того, что газ концентрировался в плоскости, образовался тонкий диск, который моложе сферической составляющей.

А вот толстый диск в эту схему просто так не укладывается — непонятно, как он образовался. И до сих пор эта проблема обсуждается. Есть прямо противоположные точки зрения. Например, рассматривается сценарий, в котором толстый диск — это результат того, что наша галактика столкнулась с другой галактикой. Это привело к возмущениям в тонком диске и формированию звездного населения с вытянутыми и наклонными орбитами, что характерно для толстого диска. Говорят, что толстый диск «разогрет»: у него более теплая кинематика, чем у тонкого диска.

Но гипотеза о возмущении тонкого диска при столкновении с другой галактикой не подтверждается изучением химического состава звезд. Толстый диск старше — он не мог сформироваться из более молодого тонкого диска.

Появились работы, которые утверждают, что толстый и тонкий диски сформировались одновременно и эволюционировали совместно, но тогда непонятно, почему у них разные химические свойства. То есть вопросов у нас пока больше, чем ответов.

— Нашему светилу осталась половина срока. Как вы думаете, сможет ли человечество переселиться к другой звезде, чтобы продолжить свое существование?

— 4,5 млрд лет — огромный срок. За 100 лет жизнь меняется кардинально — а что произойдет на таком отрезке времени, никакой фантаст вообразить не может. Казалось бы, рядом с нами находится альфа Центавра. 4,5 светового года — это не очень далеко. И звезды там солнечного типа. Есть планета вокруг одной из них. Но, судя по наблюдениям, она не очень подходит для жизни. И потом, возраст альфы Центавра такой же, как у Солнца, поэтому она тоже погибнет примерно через 4,5 млрд лет.

С другой стороны, есть и другие звездные системы, и множество землеподобных планет. Если человечество будет себя разумно вести, то почему нет. Все возможно.

Если бы все то, что сейчас производится учеными, использовалось в благих целях, мы могли бы очень многое сделать. Но, к сожалению, человечество очень неразумно себя ведет.

Например, недавняя пандемия — казалось бы, объединитесь и сделайте шаг к пониманию каких-то важных истин! А получилось все наоборот.

Космические орбитальные станции требуют совместных усилий. Что уж говорить про сложные перелеты. Без объединенных усилий, я думаю, нам будет невозможно достичь прогресса. Проблема в том, что человек развивается технологически, но не нравственно. Этический уровень сильно отстает, а ведь это, на мой взгляд, не менее важная составляющая человека разумного. Думаю, настоящий прогресс возможен лишь в том случае, если человечество сконцентрируется на добром и вечном. Возможно ли это? Надеюсь, что да.