Когда я пытаюсь мысленно охватить устройство нашего мира, мне приходится отключать привычную логику и давать волю самому смелому воображению. Масштабы, с которыми мы сталкиваемся, заглядывая за пределы Земли, способны сломать любой шаблон. Стоит только направить взгляд в, казалось бы, совершенно пустой участок неба, как за этой чернотой открывается бездна, усеянная мириадами далеких галактик. Каждая светящаяся точка там — не отдельная звезда, а целый звездный остров, полный своих загадок.
Вглядываясь в эту даль, я отчетливо вижу, как космос напоминает гигантскую пену или ячеистую сеть. Вселенная вовсе не похожа на однородный суп: в одних ее уголках галактики жмутся друг к другу теснее, чем пассажиры в час пик, а в других зияют колоссальные пустоты, где на миллионы световых лет не встретить ни одного светила. Эдакий космический швейцарский сыр, пронизанный невидимой паутиной гравитации. Внутри этой исполинской структуры прячется бесчисленное множество объектов, но с такого расстояния разглядеть их просто невозможно.
Рождение миров в туманностях и борьба за форму
В астрономических масштабах величественные и сложные структуры возникают словно сами собой, подчиняясь законам физики. Я часто вспоминаю знаменитую туманность Орел. Если наложить культовые снимки телескопа «Хаббл» на общую карту региона, передо мной встают величественные «Столпы Творения». Эти колонны из газа вызывают у ученых настоящий трепет, потому что внутри них до сих пор скрыты запасы холодного молекулярного водорода и пыли — того самого строительного материала, из которого рождаются новые планеты и звезды.
Туманность ОрелТуманность ОрелНо если присмотреться внимательнее, становится ясно, что большая часть этого скопления — гигантская пустая полость, в которой сиротливо рассыпаны одинокие звезды. На всю эту невероятную по красоте область приходится всего несколько тысяч новорожденных светил. Для меня это яркое доказательство того, что процесс звездообразования, хоть и выглядит эффектно, для нашей галактики стал довольно редким, штучным событием.
Когда гравитация проигрывает химии
Размышляя о форме небесных тел, я всегда держу в уме простое правило: если космический объект не дорос в диаметре хотя бы до 200–500 километров, сила тяжести умывает руки, и балом начинают править обычные электромагнитные взаимодействия. Посмотрите на четверку крупнейших астероидов нашей системы: Цереру, Весту, Палладу и Гигею. Церера — самая крупная в этой компании и одновременно самое маленькое тело, которое точно находится в гидростатическом равновесии. Проще говоря, собственная тяжесть сделала ее аккуратным шаром. Веста и Паллада до этого элитного статуса не дотянули, так и оставшись бесформенными глыбами. А вот Гигея, хоть и легче своих конкурентов, обладает настолько низкой плотностью, что ученые до сих пор ломают копья в спорах, смогла ли она округлиться.
Четыре крупнейших астероидаЧетыре крупнейших астероидаКогда гравитация окончательно побеждает хаос, объект принимает форму идеальной сферы. Меня особенно впечатляет пример спутника Сатурна Мимаса. Его радиус всего 198 километров, но он совершенно точно круглый. Похоже, это самое крошечное и легкое тело в космосе, сумевшее достичь такого совершенства. Состоя в основном из водяного льда, Мимас смог провернуть то, что оказалось не под силу каменным Весте и Палладе. Правда, сегодня его уже не назовешь идеальным шаром: на боку красуется огромный кратер Гершель. Если бы спутник до сих пор пластично менял форму под действием гравитации, этот шрам от древнего удара давно бы затянулся.
Спутник Сатурна МимасСпутник Сатурна МимасПланеты-зефирки и несостоявшиеся звезды
Самые скромные планеты растянулись на сотни километров, а вот с гигантами ситуация куда забавнее. Мы знаем кучу экзопланет, которые весят гораздо больше Юпитера, но физически они не крупнее его. Зато рекордсменами по радиусу становятся так называемые «супер-пухлые» планеты, или планеты-зефирки. Мой любимый пример — WASP-17b. Массы в ней всего ничего, половина от юпитерианской, зато диаметр почти в два раза больше — целых 262 000 километров. Настоящий космический попкорн, раздутый до невероятных пределов!
Самые массивные планеты называют супер-Юпитерами, их размеры стартуют от 250 000 километров. А дальше на космической лестнице стоят коричневые карлики — объекты, которые часто называют «неудавшимися светилами». Например, вокруг красного карлика Gliese 229 вращается его компаньон Gliese 229b. В его недрах тепла хватило только на запуск термоядерного синтеза дейтерия, а до полноценного горения водорода дело так и не дошло. И тут кроется удивительный парадокс: хотя этот коричневый карлик тяжелее Юпитера примерно в 20 раз, его радиус составляет всего 47% от юпитерианского. Массы больше, а сам объект заметно меньше. Похоже, это самый компактный представитель своего класса из всех, что нам удалось найти.
Вообще, эти несостоявшиеся звезды по габаритам как раз сопоставимы с Юпитером. Интересно, что на наше Солнце или еще более массивные светила приходится всего около 5% от всех звезд в космосе. Звезды К-класса составляют примерно 15%, а вот настоящие хозяева галактики — невзрачные красные карлики и их свойства, их тут подавляющее большинство, 75–80%. Коричневые карлики, несмотря на свой статус космических аутсайдеров, могут встречаться в нашей Вселенной так же часто, как и красные, просто они слишком холодные и темные, чтобы мы могли их легко заметить.
На их фоне планеты вроде Проксимы b выглядят совсем крошками. Она по размерам похожа на Землю и крутится вокруг красного карлика Проксимы Центавра на идеальном расстоянии, при котором на ней теоретически может существовать жидкая вода. Из-за комфортной температуры и относительной близости к нам она остается одним из лучших кандидатов для поиска внеземной жизни.
Проксима bПроксима bКрасные сверхгиганты: когда масштаб зашкаливает
Но если мы перейдем к настоящим титанам — красным сверхгигантам, то их размеры могут достигать безумных 2 200 000 000 километров. Это почти дотягивает до орбиты Сатурна! Когда я смотрю на моделирование поверхности такого монстра, то вижу, как сверхгигант живет своей относительно спокойной жизнью, пока в его недрах не начинаются радикальные перемены. Эти исполины часто превосходят Солнце по диаметру в 1000 раз и легко поглотили бы орбиту Юпитера вместе со всеми его спутниками. Ученые предполагали, что звезда Стивенсон 2–18 способна дотянуться до орбиты Сатурна, но астрономы до сих пор яростно спорят по этому поводу.
Моделирование поверхностиМоделирование поверхностиКосмические останки: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры
В конце своего пути звезды превращаются в экзотические останки: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Ткань пространства-времени рядом с ними искривляется тем сильнее, чем выше плотность объекта. Но если отойти на приличное расстояние, то габариты самого тела перестают играть роль. На достаточной дистанции гравитация от черной дыры, нейтронной звезды, белого карлика или обычного Солнца ощущается абсолютно одинаково — главное, чтобы масса совпадала. А вот если подойти вплотную к горизонту событий черной дыры, пространство закрутит так сильно, как нигде во Вселенной. Вдали от всех этих монстров пространство-время становится почти плоским, но идеальной пустоты и гладкости в космосе все равно не существует.
Белые карлики обычно весят от 0.2 до 1.35 масс Солнца. Когда они окончательно растратят всю свою тепловую энергию и остынут, то превратятся в гипотетические черные карлики. Меня всегда поражало, что физический размер белого карлика устроен шиворот-навыворот: чем он легче, тем он крупнее. Самые легкие экземпляры могут быть вдвое больше Земли, а самые тяжелые и плотные сжимаются до размеров нашей Луны. Их габариты варьируются в пределах 4 280–26 000 километров.
Крошечные монстры с горячим нравом
Нейтронные звезды — это настоящие крохи, их стандартный диаметр составляет всего 20–25 километров. При этом они являются самыми плотными материальными объектами во Вселенной, не считая черных дыр, и обладателями невероятно горячей поверхности. Недавние исследования разнесли в пух и прах старую теорию о том, что у них простое магнитное поле с двумя полюсами. На примере нейтронной звезды J0030+0451 ученые обнаружили сразу несколько аномально горячих точек на поверхности, так что их магнитные поля устроены куда запутаннее и сложнее, чем мы привыкли думать.
Нейтронная звезда J0030+0451Нейтронная звезда J0030+0451Когда две нейтронные звезды сталкиваются, они всегда устраивают знатную встряску пространству, посылая гравитационные волны. Иногда при этом вспыхивает и электромагнитное излучение, но свет доходит до нас чуть позже гравитационного эха. Первое такое слияние, зафиксированное учеными под именем GW170817, привело к рождению черной дыры массой около 2.7 солнечных. На сегодняшний день это самая маленькая из известных нам черных дыр звездной массы.
Настоящие супертяжеловесы Вселенной
В конечном счете, черные дыры — это одновременно и самые крошечные, и самые гигантские останки умерших звезд. На просторах космоса встречаются истинные монстры. Например, астрономы наткнулись на систему, где гравитация массивной галактики искривляет свет от более далекого объекта, создавая эффект космической подковы. Изучая движение звезд вокруг центра этой аномалии, исследователи смогли с ювелирной точностью вычислить массу местной сверхмассивной черной дыры. Она весит ни много ни мало 36 миллиардов Солнц! Это самая тяжелая черная дыра, чью массу удалось измерить с такой крошечной погрешностью.
Самая тяжелая черная дыраСамая тяжелая черная дыраДиаметр горизонта событий у таких объектов варьируется от скромных 16 километров до умопомрачительных 220 миллиардов километров и более. Чтобы осознать этот размах, достаточно взглянуть на двойную систему OJ 287, где сидят два монстра в 18 миллиардов и 150 миллионов масс Солнца. Их размеры легко затмевают всю нашу Солнечную систему, превращая ее в крошечную точку на фоне этой бездны.
От карликовых галактик к исполинам
Перейдем к масштабам галактик. Самая маленькая из известных на сегодня, носящая имя UNIONS 1 (или Большая Медведица III), имеет диаметр всего около 20 световых лет. Глядя на эти цифры, я вместе с учеными продолжаю чесать затылок: то ли это тающие остатки древнего звездного скопления, то ли действительно самая крошечная карликовая галактика в истории наблюдений.
Большая Медведица IIIБольшая Медведица IIIА вот на другом конце ринга расположился абсолютный чемпион — галактика IC 1101 в сердце скопления Эйбелл 2029. Ее размеры составляют фантастические 6 миллионов световых лет в поперечнике! Внутри нее живет более 100 триллионов звезд, а весит этот бегемот как квадриллион наших Солнц. Вселенной очень трудно создать что-то еще крупнее из-за ее конечного возраста и присутствия темной энергии, которая неустанно растаскивает космос в разные стороны.
Галактика IC 1101Галактика IC 1101Сами галактики тоже любят собираться в компании. Галактические группы могут быть компактными, как знаменитый Квинтет Стефана размером около 500 000 световых лет (правда, одна из галактик там просто влезла в кадр на переднем плане, обманув наши глаза). Но бывают и огромные скопления размером до 23 миллионов световых лет. Яркий пример — скопление Эйбелл 520, метко прозванное «Космической автокатастрофой». Это безумное месиво из нескольких сталкивающихся галактических кластеров — одна из крупнейших связанных структур в известном нам космосе.
Первая обнаруженная компактная группа галактикПервая обнаруженная компактная группа галактикРадиогалактики не отстают по масштабам благодаря своим джетам — струям плазмы, которые вырываются из окрестностей сверхмассивных черных дыр. Недавно открытая пара таких джетов под названием Порфирион растянулась на безумные 23–24 миллиона световых лет! Это самые гигантские плазменные струи из всех, что когда-либо попадали в объективы наших телескопов.
Вершина космической иерархии: паутина мироздания
И наконец, самый верхний уровень космической структуры — нити космической паутины. Это самые масштабные объекты, длина которых может достигать 1.4 миллиарда световых лет. Великая стена Слоуна — одна из таких мегаструктур размером в 1.37 миллиарда световых лет. Возможно, это просто случайное выстраивание нескольких сверхскоплений, ведь темная энергия уже вовсю разрывает ее на части. Не так давно ученые наткнулись на структуру под названием Кипу, которая оказалась примерно на 2% длиннее Великой стены, хотя из-за погрешностей в измерениях она делит лидерство еще и со Стеной Южного полюса.
Несмотря на периодические громкие заявления в прессе, структуры еще большего размера пока научно не подтверждены. Например, так называемое Большое кольцо и Гигантская дуга из ионов магния выглядят интригующе на картах. Но вполне вероятно, что это просто случайный набор точек в космосе, а не единое целое. Наш мозг и глаза устроены так, что они отчаянно пытаются найти закономерность и соединить линиями то, что на самом деле никак друг с другом не связано. Так что космос умеет красиво водить нас за нос, заставляя видеть порядок там, где царит лишь игра случая и гравитации.
«Большое кольцо» из ионизированных поглотителей магния, показанное синим цветом, расположено рядом с «Гигантской дугой» из ионизированных поглотителей магния, показанной красным. «Большое кольцо» из ионизированных поглотителей магния, показанное синим цветом, расположено рядом с «Гигантской дугой» из ионизированных поглотителей магния, показанной красным.