Глава 29 За горизонтом

Глава 29

За горизонтом

Некоторые считают, что солнечные исследования в целом исчерпали себя. В действительности же они только начинаются.

Джордж Эллери Хейл, 1893 год[869]

Если ты не можешь объяснить что-то шестилетнему ребенку, то ты сам этого не понимаешь.

Альберт Эйнштейн, 1929 год[870]

Осенью 1930-го лорд Ротшильд давал обед, небывало торжественный даже по его меркам, в “Савой-отеле” в честь восточноевропейских евреев, бежавших в Британию из своих родных краев, становящихся все менее безопасными. Ведущим церемонии был Джордж Бернард Шоу, который мастерски представил почетного гостя: “Птолемей создал вселенную, которая просуществовала тысячу четыреста лет. Ньютон создал следующую вселенную, которая просуществовала триста лет. Эйнштейновская вселенная, как, я полагаю, вы все хотите услышать, будет существовать вечно, но я не знаю, сколько она просуществует”. Почетный гость громко рассмеялся, а когда пришло время ответной речи, упрекнул Шоу за упоминание “мифического тезки, который так осложняет ему жизнь”[871].

Вселенная, которую открыл Эйнштейн, существует уже более ста лет. Ее началом следует считать 1905-й, когда менее чем за год ученый написал четыре статьи, перевернувшие научный пейзаж. Первая из них, вышедшая в свет через три дня после его двадцатишестилетия, закладывала основы квантовой механики. Вторая направляла развитие ядерной и статистической физики. Оставшиеся две вводили теорию, позднее названную специальной теорией относительности, общая теория относительности последовала в 1915 году. Эти работы произвели революцию в нашем понимании природы гравитации, распространения света, концепций времени и пространства. Сколько еще продержится вселенная Эйнштейна, неизвестно, в 2005 году газета New York Times процитировала одного физика, прогноз которого звучал так: “Направление инвестиций указывает – что-то должно произойти, общая теория относительности не протянет еще две сотни лет”[872]. Начало конца может скрываться в теории, возникшей еще до работ Эйнштейна 1905 и 1915 годов, – в квантовой механике, которая в числе прочего способствовала появлению абсолютно нового подхода к изучению солнечной энергии.

Новое мышление в физике началось за пять лет до эйнштейновского annus mirabilis, когда великий немецкий физик Макс Планк предположил, что любая энергия излучается в дискретных единицах, которые он назвал квантами (от лат. quantus – сколько). Как сформулировал Георгий Гамов, это было словно “можно выпить либо пинту пива, либо ничего, но не какой-то промежуточный объем”. Многие физики способствовали разработке этого неожиданного озарения, которое переопределило саму природу энергии, среди них Нильс Бор, Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули, Макс Борн и Вернер Гейзенберг.

Подобно тому как эйнштейнова общая теория относительности применялась к взаимодействиям крупнейших объектов вселенной, квантовая механика описывала происходящее на атомном и субатомном уровнях, где явления полностью расходятся с нашим повседневным опытом. Например, квантовая частица (скажем, фотон – частица, не обладающая ни массой, ни зарядом) настолько невещественна, что способна перемещаться из одного пункта в другой без движения через промежуточное пространство: она просто перестает существовать в одном пункте, одновременно возникая в другом, – квантовый скачок. Это противоречит здравому смыслу: естественно предположить, что для перемещения из пункта A в расположенный на некотором расстоянии пункт C необходимо пройти сквозь нечто. Известно, как Нильс Бор ответил своему копенгагенскому студенту, который пожаловался на головокружение от квантовой механики: “Если кто-то скажет, что может размышлять о квантовых задачах без головокружения, это будет означать, что он ничего в них не понимает”[873]. Брайан Кэткарт приходит на помощь:

Техника Планка имела существенный недостаток: она работала только в том случае, если вы отказывались от важной составляющей классических законов физики – принципа непрерывности. Этот принцип работает и на кухне: молоко “непрерывно” в том смысле, что любое требуемое количество может быть отмерено и добавлено при готовке, в то время как яйца “дискретны” – только извращенная кулинарная книга будет требовать взять четверть яйца… Это стало первым намеком на пределы чувственного восприятия: законы физики, применяемые в наблюдаемом мире, могут и не действовать на атомном уровне[874].

Эти законы было не так просто принять. Совсем недавно, в 1999 году, на одной физической конференции был проведен опрос о квантовой механике. Из девяноста опрошенных только четверо ответили, что принимают стандартную интерпретацию, вытекающую из постулатов Бора – Планка, а целых пятьдесят отметили галочкой вариант “Ничто из вышеперечисленного, затрудняюсь ответить”. Но квантовая теория работала тогда и работает сейчас: она объясняет и предсказывает явления, для которых нет других объяснений. Классическая физика является детерминистской: если A, то B; пуля, выпущенная в окно, разбивает стекло. В квантовом мире это будет истинно лишь в большинстве случаев. В квантовой физике возможны случаи, когда квантовые частицы, ведя себя не как частицы, а как волны, проходят сквозь силовое поле так, как если бы “пушечное ядро прошло нетронутым сквозь крепостную стену”[875]– явление, получившее название “туннельный эффект”. Это было продемонстрировано важнейшим экспериментом, проведенным в 1909 году: радиоактивные элементы испускали частицы, на пути которых помещалась тонкая пластина золотой фольги, и лишь очень незначительное их число отражалось от пластины – Резерфорд назвал это явление таким же невероятным, “как если бы вы выстрелили по листу папиросной бумаги пятнадцатидюймовым снарядом, и он бы отразился”[876]. За следующие сорок лет ученые прошли путь от начального знания о протонах и нейтронах, составляющих атомное ядро, до понимания основ термоядерного синтеза, на котором работает Солнце. Этот процесс может объяснить только квантовая физика, в рамках классический физики синтез атомных ядер невозможен, потому что все ядра несут положительный заряд и, соответственно, отталкиваются друг от друга. Как сказал один крупный физик, “согласно классической физике две частицы с одинаковым зарядом будут отталкивать друг друга, как если бы они чувствовали друг у друга плохой запах изо рта”[877]. Классическая физика отрицает возможность того, что два протона внутри звезды могут достичь такой скорости, чтобы, прорвав электромагнитные поля друг друга, слиться в единое ядро. Но туннельный эффект позволяет протонам преодолевать барьер электромагнитного отталкивания. В условиях высокой температуры и плотности – результат гравитации солнечной массы – протоны преодолевают обычные силы отталкивания и сливаются, образуя стабильные ядра гелия, а избыток массы переходит в излучаемую энергию. И вот перед нами вовсю сияет Солнце – живое доказательство несовершенства классической физики.

После того как квантовая теория получила широкое признание, было открыто так много различных частиц, что физикам теперь приходится заглядывать в специальную “Памятку о свойствах квантовых частиц” (Particle Properties Data Handbook), а обычные люди развлекаются тем, что носят футболки со смешными надписями наподобие знаменитой Protons have mass? I didn’t even know they were Catholic”[878]. Была составлена таблица из шестнадцати элементарных частиц, двенадцать из которых относились к материи (и назывались фермионами), а четыре (бозоны) были носителями взаимодействий между частицами. Фермионы, эти базовые кирпичики материи, делятся на лептоны (от греч. ?????? – легкий), или кварки[879].

Кварки никогда не встречаются изолированно, только группами по три (барионы) или по два (мезоны); вообще кварки в связанном состоянии относятся к группе адронов. Более сложные объекты – протоны, нейтроны, атомы, молекулы, здания и люди – в основном состоят из фермионов. “Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, я бы стал ботаником”, – жаловался Энрико Ферми, даром что самая большая группа частиц носит его имя. К фермионам также относится частица нейтрино, которая известна крайне слабым взаимодействием с остальными частицами, что делает ее очень сложной для обнаружения – триллионы нейтрино ежесекудно проносится сквозь наши тела. Известный исследователь нейтрино Джон Бэколл называл такие цифры: “Солнечное нейтрино, проходящее Землю насквозь, имеет менее одного шанса на тысячу миллиардов наткнуться на земное вещество… Около сотни миллиардов солнечных нейтрино проходят сквозь ноготь вашего большого пальца каждую секунду, не привлекая ни малейшего вашего внимания”[880]. Джон Апдайк сочинил:

Частички нейтрино,

Капризные дети,

Чему вы подвластны,

Чего вы хотите?

Заряда не нужно,

Не нужно вам массы,

Сквозь нашу планету

Идете бесстрастно[881].

Последними обнаруженными квантовыми частицами стали W– и Z-бозоны в 1983 году, затем t-кварк (он же топ-кварк и истинный кварк) в 1995-м и тау-нейтрино в 2000-м, так что субъядерный мир все еще пребывает в процессе открытия[882].

Со времен Галилея мы все больше узнаем о форме Солнца, его размере, вращении и пятнах, массе и плотности, характере движения. Мы научились измерять его возраст и записывать его инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоктивные выбросы, циклы активности, протуберанцы и хромосферу, корону, химический состав, спектр поглощения и спектр излучения, радиоволны, рентгеновское излучение, нейтринное излучение, корональные дыры и колебание всего светила как небесного тела. Несмотря на этот обширный список, к нашему вящему смирению, многие элементарные солнечные процессы только сейчас проясняются: как генерируется его магнитное поле, как нагревается атмосфера, почему из Солнца вырываются языки пламени, хотя сама звезда не горит. А некоторые процессы до сих пор не поддаются объяснению. Что создает корону, почему она нагревается до таких высоких температур? Почему меняются солнечные магнитные полюса? Где зарождается солнечный ветер и как далеко он распространяется? Как можно защититься от солнечного магнетизма? Даже природа солнечных пятен до сих пор не совсем ясна. Нам еще предстоит долгая дорога.

Три уровня исследований стремятся ответить на эти вопросы, и слово “уровни” здесь вполне буквально – на уровне земли, небес и под землей; вместе они образуют тройственную структуру этой главы.

Ученые сходятся в том, что Солнце работает на термоядерных реакциях, которые сплавляют легкие элементы в более тяжелые, преобразуя массу в энергию. Продемонстрировать истинность этого предположения, впрочем, достаточно сложно, поскольку ядерная горелка находится глубоко внутри звезды и традиционные инструменты фиксируют только испускаемые внешними слоями частицы[883]. 97 % этой энергии состоят из фотонов, а 3 % вырываются наружу в форме двухсот триллионов триллионов триллионов нейтрино каждую секунду. Именно анализ нейтрино дает нам лучший метод изучения действия термоядерной реакции, поскольку они превосходят числом все прочие частицы в соотношении миллиард к одному.

Нейтрино крайне сложно зарегистрировать – у них мизерная масса (долго считалось, что ее вообще нет), они путешествуют со скоростью света и в процессе меняют свойства. Вольфганг Паули признавался: “Я сделал ужасную ошибку. Я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить”. Апдайк дополнял: “Сквозь нашу планету идете бесстрастно. / Что газ вам тончайший, / Что толстые стены”. Нейтрино проходят сквозь обычную материю (не только человеческие тела, но и сам земной шар), словно она прозрачна, для них все сродни вакууму. Только в конце 1960-х была выработана идеальная конструкция – Рэймонд Дэвич и Джон Бэколл создали детектор нейтрино из заброшенной шахты под городом Лид, штат Южная Дакота: огромная цистерна, которая находится на глубине 1,5 км под землей, наполненная почти 400 тыс. л тетрахлорэтилена – простой чистящей жидкости, крайне чувствительной к нейтрино, каждое из которых, реагируя с хлорином, производит радиоактивный изотоп аргона. Это может работать только под землей, поскольку детектор должен быть экранирован от беспрерывного ливня других субъядерных частиц, многие из которых произошли вне солнечной системы.

Детектор нейтрино сооружен почти в километре под землей в заброшенной шахте в Японии. Гигантский резервуар из нержавеющей стали, 40 м в высоту и в ширину заполнен 50 тыс. т воды высокой очистки. Стенки резервуара усеяны 13 тыс. световых датчиков, призванных улавливать вспышки, которые производят электроны, образующиеся в результате столкновения нейтрино с водой. Такова по необходимости сложная методика исследования работы Солнца (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo)

Около двадцати раз в день нейтрино сталкиваются с нейтроном, создавая небольшую вспышку. Сеть из 9600 фотоуловителей, покрывающих сосуд, улавливает вспышку, которая затем анализируется на предмет получения данных о нейтрино, вызвавшем вспышку. Именно так Бэколл сделал свое открытие, прозванное “проблемой нейтрино”. Дело в том, что Земли достигает очень незначительное число нейтрино – между одной третью и половиной ожидаемого количества. Достаточно сложно придумать объяснение для такой недостачи. Где же остальные? Неужели ошибка в расчетах? Бэколл писал: “Самая образная идея [заключалась в том, что] нейтрино имели двойную природу… Эту необычную гипотезу будет трудно проверить, но от нее не так легко отмахнуться”[884]. Он пошел дальше, заявив, что самое впечатляющее решение предложил Стивен Хокинг: солнечное ядро должно содержать небольшую черную дыру.

Эта проблема действительно беспокоила физиков, астрофизиков и космологов все последующие тридцать лет (дополнительно усложняет ситуацию то, что у нейтрино только одна ориентация – они вращаются во время движения, но только в обратную сторону относительно направления движения, как левосторонние штопоры. Многолетний редактор журнала Nature Джон Мэддокс вопрошал: “Что такого в нашем мире, что он подходит только левосторонним нейтрино?”)[885]. Было предложено много разнообразных решений проблемы, включая такие идеи: солярные модели неверны, температура и давление внутри Солнца значительно отличаются от тех показателей, которые приняты в существующей теории; термоядерные процессы в солнечном ядре могут временно прекращаться, а поскольку энергия доходит от ядра до внешних слоев за тысячи лет, эта пауза может проявиться через тысячу лет, но пока мы о ней не знаем.

В 2001 году появился ответ. Нейтрино за время путешествия к Земле могут меняться и принимать еще две формы, отличные от той, что встречается внутри Солнца, и недетектируемые старым оборудованием. Ученые предложили три вида: электронное нейтрино – солнечное, мюонное и тау-нейтрино (когда открыли мюонное нейтрино, один физик пошутил: “А это кто заказывал?”). В результате широкомасштабного статистического анализа было обнаружено, что около 35 % нейтрино, достигающих Земли, – это электронные нейтрино, остальные 65 % состоят из мюонных и тау-нейтрино. Теперь, когда все три типа можно было тщательно проследить, общее число нейтрино хорошо укладывалось в рамки более ранних предсказаний. Физика Солнца была отмщена. Как мне сказал один из ее представителей, “считалось, что мы тупые, потому что делаем что-то не то. Мы знали все о взаимодействии нейтрино с частицами, мы знали вообще все, так что если мы не могли проследить их движение от Солнца – ну, это была не проблема физики, а проблема физики Солнца, дескать, у этих ребят ничего не получается. Но все оказалось наоборот: у нас-то все было правильно”[886].

Тем не менее решение 2001 года остается лишь “лучшей теорией”, и кто скажет, будет ли оно подтверждено, и если будет, то когда! Одна из проблем заключается в том, что изучаемая материя микроскопически мала. Как говорил персонаж из пьесы Тома Стоппарда “Хэпгуд”, “когда все становится очень маленьким, это полное безумие, не представляешь, насколько маленьким все это может быть, тебе кажется, что знаешь, но на самом деле не знаешь… Каждый атом как собор”[887]. Еще один наблюдатель извне, из ненаучного мира, Билл Брайсон, начинает свою “Краткую историю почти всего на свете” жалобой на то, что протон “просто крайне мал… Крошечная точка над буквой i содержит их около 500 000 000 000 штук, что значительно больше числа секунд, составляющих полмиллиона лет”[888]. Эта мысль оказывает ошеломляющий эффект – мельчайшая вещь на свете содержит в себе ключ к одной из самых крупных.

Но вернемся к происходящему в воздухе. Со времен Второй мировой развитие солнечной астрономии происходило такими быстрыми темпами, что открывающиеся горизонты поражали не меньше, чем приоткрывающееся субъядерное царство. На тот момент для приближения к Солнцу использовались ракеты. В 1920-х первые ракетные прототипы создавал Роберт Годдард (1882–1945), которого высмеивали со всех сторон; известно, что газета New York Times объявила Годдарда невежей, “не знающим того, что знают студенты университетов”, и издевательски назвала его эксперименты “дурью Годдарда”. Любые подобные попытки воспринимались как фантазии, место которым в кино или комиксах: считалось, что двигаться в вакууме невозможно, поскольку не от чего отталкиваться. Несмотря на это, 15 ноября 1936 года группа студентов Калтеха, известная под именем Suicide Squad (Отряд смертников), наскребла достаточное количество дешевых компонентов двигателя, чтобы имело смысл попытаться. Они отправились в Арройо-Секо, каньон у подножия горной цепи Сан-Габриэль, где и провели тестовый запуск небольшой ракеты. Пока испытатели прятались в укрытии за мешками с песком, двигатель проработал 3 с, а затем отсоединился шланг подачи кислорода, залив всю площадку огнем. Вскоре состоялись повторные попытки, и наконец, на четвертый раз, 16 января 1937 года, двигатель проработал достаточно долго, 44 с, чтобы металлическое сопло нагрелось докрасна. Ракета взлетела.

Эти шумные и взрывоопасные эксперименты со временем были признаны неподходящими для университетских кампусов, но к тому времени процессом уже заинтересовались потенциальные спонсоры. В 1938 году аэронавигационную лабораторию Калтеха неожиданно посетил глава ВВС США, а в течение еще пары лет в окрестностях Пасадены был построен специальный полигон с лабораторией. Три испытательных стенда и несколько вагончиков, покрытых рубероидом, – так заявила о себе будущая Лаборатория реактивного движения (ЛРД). Первое значительное финансирование поступило со стороны ВВС, которым требовались небольшие ракеты, чтобы помогать тяжелым самолетам взлетать с коротких взлетных полос. После удачной разработки и Перл-Харбора армия захотела еще, и ЛРД начала разрабатывать наводящиеся ракеты. Но это было самое начало без всякой связи с исследованиями Солнца.

15 ноября 1936 года: студенты Калтеха, прозванные “Отрядом смертников” из-за их частых неудач, в день первой попытки запуска ракеты в космос. Благодаря их упорству мы сегодня отправляем ракеты на Солнце (Courtesy of NASA)

Вторая мировая война сильно помешала физикам Солнца, но она же заложила основу их будущего процветания. Британские и американские ученые, работавшие с радарами, обнаружили, что Солнце излучает радиоволны (сначала принятые за немецкие радиопомехи), а физики Солнца и со стороны стран Оси, и со стороны союзников участвовали в прогнозировании погоды. Немецкие ученые пытались наблюдать за Солнцем за пределами земной атмосферы с помощью “орудия возмездия” – ракет “Фау-2”. У них ничего не получилось, но инициатива проложила дорогу многим последователям.

Весной 1942 года Вернер фон Браун (1912–1977), технический директор проекта по разработке “Фау-2”, пытаясь придать программе научное наполнение, обратился к физику Эриху Регенеру с просьбой разработать некую специальную “начинку” и конусообразный нос[889]. Наиболее сложным прибором, который разработал Регенер, стал спектрограф ультрафиолета, предназначенный для сопоставления уровня озона в атмосфере с высотой над уровнем моря. Тем временем сотни ракет изготавливались для своей первоначальной, разрушительной миссии. Первые ракеты из более чем 3 тыс. изготовленных сорвались в полет в сентябре 1944-го, и Британский военный кабинет всерьез обсуждал, впервые за всю войну, возможность эвакуации Лондона. Эти ракеты (каждая несла около 750 кг взрывчатки) внушали особенный страх, поскольку двигались быстрее воздуха и прибывали без всякого звукового предупреждения.

В декабре, не обращая внимания на нависший над Рейхом неминуемый разгром, фон Браун назначил запуск исследовательского прототипа на январь 1945 года. К середине января все было готово к запуску, но он так и не состоялся. Последние “Фау-2” обрушились на Англию в конце марта, шестью неделями позже Советская армия уже взяла Берлин. Когда Германия пала, специальное подразделение американской разведки собрало всех сто восемнадцать сотрудников фон Брауна и все доступные компоненты “Фау-2”, которых оказалось достаточно для сотен ракет. Значение этой находки не осталось незамеченным западными лидерами. Лео Голдберг, будущий научный руководитель астрономических программ НАСА, писал коллеге:

Если спросить у нас, какая технология могла бы одним движением отправить в утиль почти все учебники по астрономии, уверен, мы ответили бы одинаково, а именно – спектроскопия Солнца, проведенная вне земной атмосферы… Ракета “Фау-2” способна подниматься на высоту в 60 миль, а с помощью наработанных во время войны управляющих механизмов возможно направить эту ракету прямо на Солнце[890].

В 1944 году Лаборатория реактивного движения формально стала армейским предприятием, находящимся по контракту под управлением Калтеха. Между 1945 и 1957 годами несколько небольших устройств были действительно запущены за пределы атмосферы для наблюдения за солнечным рентгеновским и крайнеультрафиолетовым спектрами (в процессе все основательно выгорали). Создалось своего рода сообщество “Фау-2”, неформальный комитет, который производил эксперименты в таких областях, как атмосферное давление, распространение радиоволн, космическое излучение, температура и солнечное излучение. Только в 1946–1947 годах физики смогли установить инструменты для фотографирования солнечного ультрафиолетового спектра на одиннадцати ракетах из двадцати восьми запущенных. С этого началась УФ-астрономия, а физика Солнца выделилась в отдельную дисциплину[891].

Британские и американские ученые стали опираться на солнечные данные в предсказаниях магнитных бурь и поведении ионосферы (то есть той части земной атмосферы, в которой Солнце воздействует на передачу радиоволн). ВМФ США стал использовать эти прогнозы для определения радиочастот, нужных в слежке за советскими подводными лодками. Эта деятельность ученых не играла значительной роли во время холодной войны, но все же оказалась достаточно важной, чтобы физика Солнца перешла под контроль военных.

К 1953 году четырнадцать из пятидесяти мировых обсерваторий, проводящих визуальное наблюдение за Солнцем, были оборудованы коронографами (специальными телескопами, которые, блокируя часть солнечного света, позволяют ученым видеть Солнце более четко); между 1945-м и 1951-м порядка 70 % публикаций в новорожденной отрасли, радиоастрономии, были посвящены ее солнечным аспектам. В 1955 году правительство США объявило о планах запуска сателлита в течение Международного геофизического года – восемнадцать месяцев с июля 1957-го по декабрь 1958-го, – и к проекту присоединились девяносто пять обсерваторий и астрономических станций по всему миру. И тут грянул гром.

Четвертого октября 1957 года Советский Союз запустил свой спутник – простую сферу весом около 85 кг и диаметром 60 см, которая, по словам газеты New York Times, “изменила все: историю, геополитику, научный мир”[892]. “Разнесшийся по всему миру бип-бип-бип”[893]вверг Соединенные Штаты в кризис неверия в собственные силы, подтолкнул к лихорадочному ракетостроительству и стимулировал обильное финансирование научных и инженерных исследований, направленных на сохранение безопасности и престижа Америки. После спутника повестку космических исследований стали диктовать политики и военные[894].

В январе 1958 года президент Эйзенхауэр создал Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (НАСА), а ЛРД была переведена под его контроль. Тогда же на орбиту был выведен Explorer 1 – “к единодушному вздоху облегчения обеспокоенной американской публики”[895]. Делая оборот вокруг Земли каждые 113 мин, этот аппарат радировал данные о температуре, метеоритах и радиации. Еще больше приборов устанавливалось на стратосферных воздушных шарах, высотных самолетах и ракетах, а ученые, занимающиеся Солнцем, получили новые телескопы или значительно усовершенствовали старые[896]. Между 1957-м и 1975-м сообщество физиков Солнца приблизительно удвоилось: в 1967 году появился журнал Solar Physics: A Journal for Solar Research and the Study of Solar Terrestrial Physics, который вскоре начал публиковать более двухсот статей в год. Начиная с 1959 года американская и советская программы посылали все более и более сложные космические аппараты во все более и более продолжительные полеты[897].

7 марта 1962 года НАСА запустило Орбитальную солнечную обсерваторию – 1, которая получала энергию от солнечных фотоэлементов и своей средней секцией постоянно ориентировалась на Солнце. Это было безусловным успехом, но в начале 1964-го космическая программа претерпела серьезное сокращение финансирования, связанное с разрушительной неисправностью одного сателлита в Космическом центре Джона Ф. Кеннеди, когда погибли три инженера, и с неудачным запуском третьей орбитальной обсерватории, когда ракета дала импульс раньше, чем нужно. В конце 1965 года проект Advanced Orbiting Solar Sattelite был свернут, в течение еще четырех лет администрация Никсона завершила программу, в рамках которой строилась лунная ракета “Сатурн-5”, одним движением отказав человечеству “в вездесущем присутствии по всей солнечной системе”[898].

Но от использования космических аппаратов для наблюдений за Солнцем было невозможно отказаться, и вскоре НАСА возобновило программу, запустив “Солнечную лабораторию – 3”, а также приступив к наиболее амбициозному проекту – управляемой людьми космической обсерватории Skylab Apollo Telescope Mount. Автоматическая версия “Скайлэб” была запущена в мае 1973 года, она несла на борту четыре прибора – спектрограф ультрафиолета и спектрогелиограф (стоимостью 40,9 млн долларов), спектрогелиометр ультрафиолета (34,6 млн), коронограф белого света (14,7 млн) и рентгеновский телескоп (относительно дешевый, всего 8,3 млн). Расходы такого уровня означают, что практически все финансовые вливания в астрономию были сделаны за последние сорок лет.

Впрочем, именно в эту декаду (1971–1980) национальные приоритеты сместились в сторону от науки по двум основным причинам. Во-первых, по экономической: расходы на войну во Вьетнаме, рост цен на нефть в странах ОПЕК, расходы, требуемые на социальную программу и вопросы окружающей среды, вызывали сомнение в целесообразности финансирования всяких внеземных технологий. Вторая была политической: ученые часто оказывались в жесткой оппозиции американской внешней и военной политике, что поднимало вопрос, не тратятся ли деньги на поддержание непатриотических элементов. Физика Солнца пострадала особенно сильно: в официальном докладе отмечалось, что к концу 1970-х она превратилась в изолированную область исследований, недофинансировалась и оставалась недостаточно изученной. Астрономы в целом оставались “в значительной степени в неведении или их это не волновало”[899]. Финансовые проблемы и сокращения программ продолжались, ситуация еще сильнее обострилась в январе 1986-го, когда над Флоридой взорвался космический челнок “Челленджер” вместе со всей командой. НАСА на четыре года отложило запуск “Улисса”, космического аппарата для наблюдений над солнечными полюсами, и отменило разработку крупного солнечного телескопа, которую планировало ранее.

Европа тоже не отставала от Америки в сокращении космических программ: еще в далеком 1976 году Гринвичская обсерватория прекратила фотографирование солнечных пятен после ста двух лет беспрерывной работы, а четырьмя годами позже правительство Швейцарии закрыло центр сбора статистики по солнечным пятнам. Но исследователи все равно не сдавались и с 1970-х годов сделали немало замечательных открытий. Самым заметным из всех стало то, что позже назвали солнечным ветром.

Вернемся немного назад. В 1951 году немецкий астроном Людвиг Бирман (1907–1986) предположил, что хвосты комет постоянно повернуты от Солнца не в результате действия света, а благодаря потоку частиц, которые отражают ионы кометных хвостов. Отталкиваясь от идеи Бирмана, физик-теоретик Юджин Н. Паркер (р. 1927) из Чикаго предположил, что такой поток частиц вызван постоянным колоссальным расширением короны (на миллионы миль в час), которое он назвал солнечным ветром, чтобы подчеркнуть динамический характер процесса. Этот ветер движется внутрь на северном полюсе Солнца и вовне – на южном. Как утверждает Паркер, на яркость солнечной поверхности особенно воздействуют вертикальные течения. Воздействие ветра на Землю крайне слабо в сравнении с солнечным излучением (от него не шевельнется даже волосок на голове), но он воздействует на магнитные поля в межпланетном пространстве, продолжая силовые линии короны вглубь солнечной системы. Среди различных гипотез Паркера была и такая: собственное магнитное поле Земли было “вытянуто” этими ветрами таким образом, что стало по форме ближе к капле, чем к сфере.

В конце 1950-х немецкий геофизик Юлиус Бартельс сопоставил солнечный ветер с его потенциальным источником на Солнце – “М-областями” (М здесь вполне уместно, от англ. mystery – тайна), зонами необъяснимо низкой корональной эмиссии. Ученые в МТИ (Массачусетском технологическом институте) предприняли попытки измерить эти области с помощью зонда, запущенного с Explorer 1 25 февраля 1961 года; он замерял плотность потока, его скорость и направление. Mariner 2, запущенный годом позже, установил, что Солнце постоянно извергает на скорости 400–700 км / с (иногда доходя до 1250 км / с) потоки плазмы, температура которой растет или падает вместе со скоростью. У короны оказалось достаточно энергии, чтобы выплескиваться далеко в космос.

За этим в исследованиях последовала заметная пауза, в том числе, возможно, из-за сокращений, но заведомо и по той причине, что многие ученые не приняли предположений Паркера. В августе 1977-го был запущен Voyager 2, который обнаружил еще более сильный солнечный ветер на еще более далеких от Солнца планетных орбитах. Стало совершенно очевидно, что из внешней атмосферы Солнца действительно без устали извергаются постоянные волны частиц. Паркер получил признание: материя разбрызгивалась Солнцем “как струи воды, бьющие из вращающейся насадки газонного фонтанчика”[900].

В 1978 году в докладе для Совета по космическим исследованиям Национальной академии Паркер заявил: “Наше дневное светило находится на пороге того, чтобы открыть нам ряд явлений, на первый взгляд не поддающихся рациональному объяснению… но в конечном итоге стимулирующих понимание новых процессов… как в физике, так и в астрофизике”. В более поздней работе он заключил, что физика Солнца – “мать астрофизики”[901]. Ведь

температура, светимость, масса и радиус Солнца должны были стать известны прежде, чем появились серьезные основания утверждать, что далекие звезды также являются солнцами. Так и газообразная природа Солнца установилась прежде, чем концепция светящейся газовой сферы, самоподдерживающейся и воздействующей на самое себя гравитацией, смогла получить количественное развитие и позволить оценить физические условия в глубине звезды[902].

Если вкратце, наблюдается естественный прогресс в постижении Солнца. Этот прогресс значительно ускорился полувековой чередой открытий. Когда Паркер писал эти слова, ученые уже создали трехмерные модели, разметили на них межпланетные магнитные линии и начали исследовать динамику солнечных бурь. Voyager 1 (запущенный через две недели после своего преемника, 5 сентября 1977 года) до сих пор действует, хотя и уходит все дальше от Солнца, находясь от него уже на расстоянии в 15,5 млрд км. Он вошел в зону гелиопаузы, где солнечный ветер находится в равновесии с окружающей межзвездной средой. Около 2015 года он покинет солнечную систему и направится в открытое межзвездное пространство[903].

Сейчас почти каждый год запускается по новому аппарату. Вероятно, самой важной из всех солнечных миссий стал проект SOHO (декабрь 1995-го) – среди множества его функций было раннее предупреждение о массовых выбросах, могущих повредить астронавтам, а также предупреждение (за три дня) о солнечных волнениях, направленных в сторону Земли[904]. Проект TRACE (Transition Region and Coronal Explorer, 1998) фотографирует солнечную фотосферу, переходную зону и корону. Stardust (1999) вернулся на Землю в начале 2006 года с миллионом пылинок (весящих в совокупности не больше нескольких крупинок соли), собранным за время трех оборотов вокруг Солнца; Cluster 2 (2000), совместный проект НАСА и европейских космических структур, запустил четыре аппарата для анализа происхождения солнечных пятен, а также наблюдения за взаимодействием солнечного ветра и прочих намагниченных частиц. В августе 2003-го, после двадцати трех лет подготовки, на орбиту был выведен космический телескоп “Спитцер”. Эта четвертая и последняя из крупнейших обсерваторий НАСА мониторит тепло, излучаемое небесными телами, и фиксирует то, как первичная материя образует галактики: одна из галактик, Сомбреро, предположительно содержит 800 млрд солнц[905]. Впоследствии, в конце 2006 года, к ним присоединились еще две: STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory – Обсерватория солнечно-земных отношений, два космических аппарата НАСА, которые в стереорежиме отслеживают масштабные солнечные электромагнитные бури), и японская Hinode (“Восход”; в японской традиции спутники получают имя только после благополучного выхода на орбиту). Телескоп Hinode вскоре начал посылать эффектные изображения солнечных пятен и бурь, одни из самых красивых в истории. В 2010 году НАСА запустило Обсерваторию солнечной динамики, спроектированную для изучения причин вариабельности Солнца и его воздействия на Землю; это был первый запуск в рамках программы “Жизнь со звездой” (Living with a Star, LWS).

Мы до сих пор не знаем даже приблизительно, сколько объектов (скажем, размером больше скромного домика) вращается вокруг Солнца, потому что нам не хватает наблюдательных мощностей. В данный момент на орбите находится около сорока рукотворных исследовательских аппаратов, из них функционируют менее шести, остальные – бесполезный шлак. Зато там целая тьма телевизионных и прочих спутников – тем, кто контролирует запуски, приходится быть аккуратнее. Например, в сентябре 2003 года четырнадцатилетний зонд “Галилео”, который занимался исследованием Юпитера и его шестидесяти трех (на тот момент) известных лун, а также посылал на Землю важную информацию о солнечном ветре, был осознанно направлен в кипящую атмосферу гигантской планеты, чтобы не столкнуться с Европой – юпитерианской луной, на которой может присутствовать жизнь[906].

Начиная с 2004 года в космос было запущено как минимум восемьдесят коммерческих спутников, а в следующем десятилетии предполагается запуск еще по меньшей мере двадцати. Новое поколение сверхбогатых предпринимателей, выросших на восхищении космосом, вливает деньги в создание ракет всех типов и размеров. Питер Диамандис, основатель Ansari X Prize (награда размером в 10 млн долларов за запуск пилота в космос без государственного финансирования), говорит, что, поскольку энергия и минералы находятся в космосе, “первые триллионеры будут возникать тоже в космосе”. Экономические соображения будут играть более значительную роль в освоении межпланетных пространств, чем политические[907].

Пол Дж. Аллен, основатель Microsoft, оплатил постройку SpaceShipOne – небольшого пилотируемого космического аппарата, который выиграл X Prize в 2004 году. Элон Маск, основатель PayPal, разрабатывает ракеты в своей компании SpaceX; Джеффри П. Безос, основатель Amazon.com, разрабатывает ракеты на площадке в западном Техасе.

Впрочем, пока НАСА удерживает лидирующие позиции в исследованиях. Лабораторией реактивного движения я был в 2007 году приглашен на заседание комитета, рассматривающего установку устройства солнечного мониторинга на Луне. Конгресс рассматривает проект сооружения станции, работающей на солнечном питании, с постоянным присутствием человеческой команды на северном или южном полюсе Луны, где нет недостатка в солнечном свете и, возможно, имеются запасы воды[908]. Но еще более сенсационное предприятие, ради которого я и ездил в основном в Пасадену, – это, вероятно, самый амбициозный беспилотный спутниковый проект за всю историю космических запусков.

Лаборатория реактивного движения с гордостью существует без всякого имени – ее сотрудникам достаточно простого названия. “Мы единственное место такого рода, которое не названо в честь кого-то великого, – рассказал мне один сотрудник лаборатории, перечисляя космические центры Годдарда, Джонсона, Кеннеди, Джорджа Маршалла и Джона Стенниса, – и это, типа, круто”. Да и место само крутое: примостившись на краю национального лесного заповедника в 23 км от центра Лос-Анджелеса, оно занимает площадь в 177 акров и попадает в юрисдикцию сразу двух городов – Пасадены и Ла-Каньяда-Флинтриджа, – которые соперничают за право значиться в адресе ЛРД. В лаборатории работает около 5 тыс. сотрудников на полный рабочий день и еще несколько тысяч ежедневно по контракту. Место производит впечатление небольшого городка со своими традициями (например, ежегодная коронация мисс Управляемая Ракета, позднее ставшей королевой Открытого Космоса, пока конкурс не закрылся без объяснения причин в 1970-м) и с комически строгими процедурами безопасности (хотя справедливости ради надо отметить, что однажды страдающий от наркозависимости молодой сотрудник действительно продал спутниковую программу разведки Советам – этот эпизод нашел отражение в книге и фильме “Агенты Сокол и Снеговик”).

Я должен был интервьюировать двух ученых, работаюших над зондом Solar Probe Plus; мои собеседники – доктор Нейл Мерфи, руководитель группы, астрофизик родом из Манчестера сорока с небольшим лет, прибыл в Пасадену в 1999-м, после работы над “Галилео”, и Марко Велли, которого сам Мерфи охарактеризовал как “умнейшего парня во всей ЛРД”, последние несколько лет исполняет обязанности руководящего научного сотрудника лаборатории, сохраняя за собой пожизненный профессорский пост в Университете Флоренции. Мы с Мерфи устраиваемся в небольшой переговорной комнате без окон, затерявшейся в глубине исследовательской зоны ЛРД. “Столетиями мы говорили о том, что история длится значительно больше, чем мы полагаем”, – говорит он мне.

Потом мы спросили себя: а где Солнце берет всю свою энергию? Ее огромные запасы, связанные магнитным полем. Похоже, это и есть самая интересная вещь на Солнце.

Так что следующий вопрос назревает сам собой: мы знаем источник солнечной энергии, но знаем ли мы, как он работает?

Что мы на самом деле ищем – это волны, запертые внутри Солнца. Мы разрабатываем Solar Probe уже почти тридцать лет, потому что единственный способ понять тепловые процессы Солнца – это по-настоящему приблизиться к нему. Нет простой формулы той динамо-машины, которая работает внутри Солнца[909].

В истории Solar Probe были подъемы и спады, но он всегда считался проектом за пределами возможностей НАСА. Нейл Мерфи уверен, что текущее состояние разработки даст результат – запуск увенчается успехом в наблюдении за процессом формирования плазмы. У астрономов принято измерять размеры планет и звезд в солнечных радиусах. Как объяснил Мерфи, десять солнечных радиусов – немногим больше чем 7 млн км – достаточно близкая дистанция, чтобы любой объект моментально вышел из строя. Но Solar Probe Plus каким-то образом рассчитывает устоять.

Я начал терять почву под ногами, и мой собеседник замедлил темп. Плазма, пояснил он, – это “четвертое агрегатное состояние”, традиционно их насчитывается три – твердое тело, жидкость и газ. Образованная из ионизированных атомов плазма является самой распространенной формой материи во вселенной, из нее состоит Солнце, другие активные звезды и межзвездный газ. “По сути, солнечный цикл – процесс расширения всего этого вещества, пока оно не начинает выпирать через поверхность. Это похоже на скручивание резинки: если ее скручивать и скручивать, в конце концов она раскрутится – вот примерно так и появляется энергия солнечных пятен”.

К этому моменту Нейла уже ничто не могло остановить, его руки мелькали в попытках объяснить то, за чем охотится его зонд.

Одна из вещей, которые сильно преобразились за последние десять лет, – это наши взгляды на Солнце и солнечную систему как на единое целое. Мы видели воздействие геомагнитных бурь на солнечный свет и на количество солнечных пятен. Главным направлением нашей группы все это время остается изучение солнечного ветра и его взаимодействия с планетами, а также влияние солнечных возмущений на геомагнитные среды, или то, что мы называем геокосмосом.

“Мы можем выключить Солнце и звезды, потому что они не приносят дивидендов”, – предупредил Джон Мейнард Кейнс в 1933 году. В 2015 году зонд НАСА Solar Probe Plus приблизится к Солнцу на 7 млн км и принесет нам самые большие дивиденды на сегодняшний день (JHU / APL)

Он переходит к описанию тахоклина (от греч. ????? – быстрый и ??????? – склоняться), плотного солнечного слоя, расположенного между внешней конвекционной зоной и той частью солнечного нутра, где вращение единообразно. Внутри тахоклина все также вращается с одной скоростью. Именно здесь, объяснил Нейл, возникает движение плазмы, которая генерирует солнечную энергию благодаря процессу ионизации. “Если взять ионизированный газ, в котором действует магнитное поле, и давить на газ, поле будет двигаться вместе с ним. Ионизированные газы – почти идеальные проводники, а если магнитное поле достаточно сильно, оно сдвинет плазму. Но плазма имеет очень высокую энергию и сама может двигать магнитное поле – это свойство Солнца, вообще для физики это редкость. Мы имеем дело с проблемой, как взаимодействуют частицы, оказавшись в магнитном поле наподобие этого”. Так что же он пытается обнаружить? “Следующие пятьдесят лет мы будем поэтапно понимать, какие процессы крутят эту динамо-машину. Я надеюсь, что мы в итоге сможем делать некоторые прогнозы, например исходя из ситуации говорить, что через десять дней можно ожидать появления солнечного пятна”. Кивая, я спросил о солнечном ветре. Нейл наклонился вперед, улыбаясь:

Мы обнаружили очень странные явления за пределами фотосферы Солнца. У нас есть подъем энергии, очевидно из-за роста температуры, но мы не уверены в устройстве этого равновесия. Два процесса могут извлекать энергию из магнитного поля и ускорять ветер. Первый – когда два разнонаправленных магнитных поля воздействуют на плазму и при сближении происходит преобразование поля, которое высвобождает энергию. Это один из процессов, ответственных за взрывные утечки энергии – выплески энергии в солнечный ветер.

Второй процесс, если проводить грубую аналогию, напоминает микроволновую печь. Материя, извергающаяся из Солнца, начинает подниматься вверх на дозвуковых скоростях, но чем дальше она поднимается, тем быстрее она нагревается и ускоряется. К моменту достижения Земли она уже движется со скоростью 300–400 км / с. Этот процесс мы пока не до конца понимаем и сейчас как раз находимся на стадии сведения его воедино.

Нейл как раз собирался отбывать в Антарктику, чтобы заняться анализом внешней структуры солнечного ветра (позже я посмотрю вместе с еще одним исследователем ЛРД, Полетт Льюер, съемку кометы, которую сносит с курса порыв солнечного ветра, при этом и хвост кометы, и сам ветер отчетливо видны, словно клочья облаков на средневековой картине). В этот момент раздался стук в дверь, и в комнату вошел худощавый опрятный человек на несколько лет моложе своего руководителя – Марко Велли.

Марко сообщил мне, что был занят попытками дотянуться до Солнца последние тридцать лет, “и наконец, похоже, мы дотуда достанем”. Исходный план был, как он говорит, таков: подвести Solar Probe Plus на расстояние в три радиуса от солнечной поверхности, около 2 087 892 км. “Сейчас мы уже говорим о десяти радиусах, но все равно радиация там невыносимая”. Зонд будет готов к запуску в 2015 году, говорит Марко. Он протягивает голограмму, где видно, как Solar Probe Plus будет выглядеть на орбите: большое красное сопло, занимающее две трети картинки, внизу слева конус лазерного света бьет вперед, толстый защитный диск, за ним башня из желтого металла, в которой находятся записывающие устройства. При повороте карточки луч лазера проникает еще дальше в солнечные глубины, а сама звезда клубится волнами ветра и частиц. Даже в качестве макета это производит очень сильное впечатление[910].

Что, вероятнее всего, покажут фотографии с зонда? Крапчатая, зернистая текстура Солнца постепенно уплотняется при движении в сторону ядра, говорит Велли. Консистенция вещества вокруг ядра напоминает плотный йогурт, магнитные поля там в шесть тысяч раз мощнее земного.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.