100 великих загадок астрономии

Влияет ли солнечная активность на земную жизнь?

С тех пор как на Земле появились люди, они с трепетом наблюдали за Солнцем и почитали его как бога. Без него на Земле не было бы жизни. Лишь оно согревает нашу планету. Питает растения. Дарует энергию. Кажется, что Солнце правит всей нашей жизнью. Впрочем, иногда оно нарушает равномерный ход событий.

День 13 марта 1989 года в канадском Квебеке не забудется и через два десятилетия. Девять часов подряд не работали все приборы, не светилось ни искорки в лампочках. Города провинции, где проживало как-никак шесть миллионов человек, проваливались в темное прошлое, холодное настоящее. В тот день мир земного электричества случайно соприкоснулся с миром небесного жара – и исчез, испарился вмиг.

За четыре дня до этого Солнце выбросило огромное количество вещества. Когда же, – если следовать образам рыцарских романов, – солнечная стрела достигла стены земной крепости, та содрогнулась. В результате в высоковольтных линиях электропередачи в Квебеке, принявшем на себя этот удар, сила тока достигла запредельных величин.

Это только кажется, что Солнце далеко – за 150 миллионов километров от нашей планеты. Что оно шлет лишь лучи живительные, благотворные. Солнце от случая к случаю «взрывается», теряя десятки миллиардов тонн вещества – солнечной плазмы. Подобные вспышки чаще всего наблюдаются, когда активность Солнца достигает максимума или приближается к нему. Канун такого максимума и обернулся бедой для Квебека.

Солнце от случая к случаю взрывается, теряя десятки миллиардов тонн вещества　– солнечной плазмы

При приближении максимума солнечной активности, как правило, заметно возрастает число пятен на Солнце. Происходит это в среднем каждые 11 лет. Ровно столько, условно говоря, длится цикл солнечной активности. Впрочем, его продолжительность порой достигает семи, а то и семнадцати лет. В иных случаях в год активного Солнца количество пятен на нем бывает необычайно велико, как, например, в 1958 году; в других случаях – весьма скудно (в 1805 году). Сам максимум растягивается почти на три года.

Именно в районах солнечных пятен происходят грандиозные вспышки, которые сопровождаются выбросом заряженных частиц в сторону планет, обращающихся вокруг Солнца. После таких вспышек к Земле мчатся потоки высокоэнергетичных частиц. К счастью, магнитное поле нашей планеты и ее атмосфера служат надежным экраном – «крепостной стеной», которую почти не пробить легкими стрелами, пущенными светилом.

Но ведь в последние полвека мы осваиваем околоземное пространство – идем навстречу Солнцу, туда, где летят его стрелы. От полного спокойствия здесь зависит, например, надежная работа наших телевизионных и телефонных систем. Теперь мы с особенной остротой чувствуем, насколько же мы уязвимы для солнечных бурь. Перед ними беспомощны наши спутники и другие аппараты, начиненные умнейшей электроникой. По оценке экспертов, ежегодно только в США фиксируется около полутора сотен поломок спутников по причине космического ненастья. Особенно беззащитны перед ними будут экипажи кораблей, которые выберутся за «магнитные стены» земной крепости, скажем, во время экспедиции на Луну или Марс.

В недалеком будущем прогнозы космической погоды так же прочно войдут в наш обиход, как и обычные метеосводки. Ведь, зная о грядущей солнечной буре, можно подготовиться к ней, подобно тому, как жители Карибских островов готовятся к очередному урагану. Пока же нам остается лишь вовремя реагировать. А вот предсказывать сроки очередной бури на Солнце ученые не берутся. По-прежнему эти события происходят для нас внезапно. «Мы еще не вполне понимаем физические процессы, обуславливающие солнечную активность, – под этими словами подпишется любой астрофизик. – Нам нужны более точные данные и, главное, требуется значительно больше сведений, чтобы создать теоретическую модель процессов, протекающих на Солнце».

На протяжении почти двух столетий ученые пытались гадать, каким будет очередной солнечный максимум, но, как правило, ошибались. Пока мы не можем даже прогнозировать продолжительность солнечных циклов. Мы готовы уверенно говорить лишь о том, что уже произошло. Так, новый цикл солнечной активности – двадцать четвертый за время систематических наблюдений за нашим светилом – начался в 2008 году.

Еще за пару лет до этого Солнце буквально оцепенело. Пятна исчезли почти полностью. Минимум. Бессилие «небесного бога» отразилось, как в зеркале, в безволии и бездействии его земных подданных. Вот как описывал состояние человеческого общества в период минимальной активности Солнца великий русский мыслитель Александр Чижевский.

«Политическая жизнь глохнет, подавляется. Правительство превращается в тяжелый пресс. Личность утрачивает индивидуальный облик в политической жизни, вырастая в сфере интеллектуальной. Ее насилует государственный механизм. Протест личности ничтожен. Она принимает насилие и терпит его как нечто должное».

2006 год. Солнце спокойно, абсолютно спокойно. Бывшие избиратели беспрекословно сносят любые причуды правительств. Всемирные террористы – за немногими исключениями – не думают ни о небоскребах, ни о театрах. Перед любым неформальным митингом других партий легче найти десять тысяч тех, кто не пойдет на него, нежели сыскать одного добровольца. Все заняты обыденными делами, верят в семейные ценности больше, чем в грандиозный мираж революций. Путь от гражданского повиновения до неповиновения кажется длиннее, чем жизнь. В обществе приказного благоденствия царит непробудный штиль.

Но в этом затишье нет ничего вечного. По прошествии нескольких лет Солнце вновь «пробуждается от спячки». Чего же ждать от сезона солнечных бурь? Мощные потоки заряженных частиц нервически возбуждают все живое, как убедительно показал А.Л. Чижевский. Коронарные выбросы солнечного вещества, воспользуемся его определением, «вызывают острые кризисы в массовом поведении». «Тень солнечных бурь» ложится на Землю. Барометр общественной погоды во многих частях мира вновь начинает показывать бурю. То в одной стране, то в другой прокатываются «революции, восстания, смуты, бунты, войны, походы, экспедиции, эмиграции, переселения, гонения и прочие вспышки массовой деятельности» (А.Л. Чижевский). Политические новости, поступающие из разных уголков мира, например, из арабских стран, вновь и вновь заставляют вспомнить об этой гипотезе русского ученого, современника Октябрьской революции.

Не только люди, но и все живое на нашей планете, да и сама она бурно реагирует на процессы, происходящие на Солнце. «По-видимому, в эпохи наивысшего напряжения солнечной деятельности увеличивается число причин, располагающих эпидемии к усилению и развитию», – писал А.Л. Чижевский. Статистические данные, собранные им, находят все новые подтверждения.

Например, ученый секретарь Института микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН Ирина Мысякина осторожно отмечает: «Пока для ученых большая загадка, чем вызваны стремительные и одномоментные мутации вирусов. При этом наблюдается некая цикличность по годам и десятилетиям. В определенный момент возникает пик вирусных заболеваний, а затем происходит спад. Некоторые специалисты выдвигают теорию, что определенное воздействие на вирусы оказывает повышенная солнечная активность. И действительно во многих случаях пики активности и того и другого совпадают».

Мы все живем во власти правящего нами светила – этого «бога и царя», занимающего престол на небесах. Мы то безумно оживляемся, когда до нас долетят отголоски далеких бурь, то вяло, покорно не живем, а чахнем, подчиняясь любой власти, не готовые ни бороться, ни даже протестовать, – мы словно сами впадаем в спячку, едва успокоится Солнце, энергией которого питается человечество и чьей энергии так часто недостает для успеха решительных действий…

Солнце экономит свет?

В последние годы, к удивлению ученых, с Солнцем творится что-то не то. После предыдущего максимума активности, наблюдавшегося в середине 2000 года, наше светило странным образом притихло – словно упало в обморок, от которого никак не очнется. Никогда еще за последние сто лет его активность не была на таком низком уровне. Сами ученые с удивлением признают, что не ожидали от Солнца подобного.

Когда в 2006 году – после некоторого затишья – стали проявляться первые признаки нарастания солнечной активности, отдельные специалисты даже заговорили о том, что в начале 2010-х годов ожидается рекордный за последние десятилетия ее пик. Однако количество пятен на Солнце оставалось, наоборот, рекордно низким. Так, в 2008–2009 годах по два-три дня не наблюдалось ни одного пятна.

По прогнозам, в ближайшем будущем количество пятен на Солнце даже в период максимума его активности будет очень невелико

Опыт прошлых лет показывает, что за таким продолжительным спадом активности нашего светила обычно следует и очень невысокий ее пик. Вот и на начало 2011 года количество пятен на Солнце было почти на 70 % ниже, чем в той же фазе предыдущего цикла. Так, в феврале 1998 года, через два года после очередного минимума, на Солнце наблюдалось в среднем 53 пятна, а в июне 2010 года – всего 16.

Резко сократилась не только численность пятен на Солнце, но и интенсивность его излучения в радиодиапазоне. Так, в 2008 году она опустилась до самой нижней отметки за все время наблюдений. Нетрудно сделать вывод: если количество энергии, излучаемой Солнцем, сократилось, то и само светило немного остыло, пусть даже на доли градуса. Почему? Может быть, нарушился перенос энергии из недр Солнца к его видимой нами поверхности?

Затих и солнечный ветер. В 2008 году космический зонд «Улисс» зафиксировал самый низкий показатель давления солнечного ветра за все время измерений, проводившихся с начала 1960-х годов. Сама скорость частиц, его составляющих, изменилась несущественно, но вот их температура и плотность заметно уменьшились.

Итак, солнечный ветер ослаб, а потому все больше частиц может прилетать из глубин космоса в центральную часть Солнечной системы, в том числе и туда, где находятся планеты земного типа. Ведь солнечный ветер образует своего рода магнитный экран, защищает их. Однако в 2009 году уровень космического излучения, проникающего в наш «тихий уголок в Галактике», заметно возрос. Количество очень энергетичных частиц, снующих в межзвездном пространстве и «заглядывающих в наши края», увеличилось на 20 процентов по сравнению с отмеченным ранее максимумом.

Насколько все происходящее сейчас необычно? На этот вопрос ученые не берутся ответить, поскольку тщательные наблюдения за активностью Солнца фактически ведутся в течение всего нескольких десятилетий. Лишь количество солнечных пятен отмечается на протяжении вот уже четырех столетий, начиная с 1610 года. Если судить только по этому показателю, то подобные минимумы солнечной активности наблюдались и раньше, в последний раз – в 1913 году.

Особенно подробные сведения сохранились о так называемом минимуме Маундера, отмеченном в 1645–1715 годах. В ту пору Солнце светило не так ярко, как в другие эпохи. На нем почти не появлялось пятен. Зима в Европе, Северной Америке и Китае длилась долго и была очень холодной; летом часто случались неурожаи. Это время назвали «малым ледниковым периодом». Может, все повторится?

Ученые из Института исследования Солнечной системы при Обществе имени Макса Планка (Германия) во главе с Сами Соланки, анализируя содержание радиоактивных изотопов углерода, попытались реконструировать интенсивность космического излучения, достигавшего поверхности Земли за последние 11 тысяч лет, а значит, и косвенно выявить активность Солнца в этот период. Из проведенного ими анализа следует, что, начиная с середины 1940-х годов, Солнце проявляло чрезвычайно высокую активность. Подобные максимумы отмечались и прежде, но, как правило, длились не более полувека. Всего за эти тысячелетия Солнце лишь 10 процентов времени «работало на полных оборотах». Возможно, именно сейчас заканчивается очередной «большой максимум», предполагает Соланки.

Некоторые ученые делают еще более радикальные выводы. Например, Уильям Ливингстон и Мэтью Пенн из Национальной солнечной обсерватории в Тусоне (Аризона) предполагают, что в скором времени солнечные пятна вообще могут исчезнуть. На это указывает, по их мнению, заметное снижение магнитной интенсивности пятен, наблюдаемое вот уже полтора десятилетия.

Что же заставляет Солнце периодически менять свой «режим работы», автоматически отключаться, как холодильник или утюг? Ученые пока затрудняются подробно описать процессы, протекающие на Солнце. Ясно одно: активность нашего светила определяется циклическими изменениями его магнитного поля.

Так что нас ждет в ближайшее время? По прогнозам, составленным на 2012–2013 годы, количество пятен на Солнце даже в период максимума его активности будет очень невелико. Рассуждая о текущем, 24-м цикле солнечной активности, астрономы все чаще вспоминают 10-й цикл. Тогда, в 1859 году, наибольшее число пятен на Солнце составило всего 78 (обычно в период максимума их появляется одновременно от 150 до 200). Но все, что «недодало» Солнце, оно возместило с лихвой в другом. В ночь с 1 на 2 сентября 1859 года на Солнце разразилась, пожалуй, сильнейшая буря, зафиксированная за все время регулярных наблюдений. Судя по сведениям, которыми мы располагаем, в той области Солнца, где произошла вспышка, уровень излучения за одну минуту удвоился. Восемнадцать часов спустя, когда поток заряженных частиц достиг Земли, начались многочисленные замыкания на телеграфных станциях. Последовали пожары. Если подобное событие повторится, ущерб будет огромным. Но как предсказать те катастрофы, что может вызвать на нашей планете Солнце, даже если оно, как мы видим, «слегка задремало»?

К слову, любопытны наблюдения А.Л. Чижевского за последствиями максимума солнечной активности 1859–1860 годов для общественной жизни. «Эпоха этого максимума является важнейшей эпохой в истории Италии XIX века. С 1859 года начинается объединение Италии и основание Итальянского королевства. Могучая волна массовой активности прошлась по всей стране, и объединение Италии было делом всех итальянцев… Революционное движение сопровождалось вспышками энтузиазма и кровавыми столкновениями… С 1859 года для Германии началась новая эпоха ее государственности – эпоха нарождения германского единства… Почти внутри каждого из германских государств начались волнения».

И все-таки повлияет ли новый спад солнечной активности на климат Земли? Георг Фойлнер и Штефан Рамсторф из потсдамского Института изучения климатических изменений смоделировали эту ситуацию на компьютере. Вот результат: даже если солнечная активность заметно снизится, это почти не повлияет на глобальное потепление на нашей планете в XXI веке. Так, если солнечная активность сохранится на своем неизменном уровне, то к 2100 году на Земле станет теплее на 3,7–4,5 градуса Цельсия. Если же она окажется минимальной, то средняя температура повысится к 2100 году на 3,4–4,2 градуса. И это в самом благоприятном случае! Возможно, что влияние солнечной активности на глобальное потепление будет еще менее ощутимым. Так, в 2008–2009 годах количество пятен на Солнце было рекордно низким за последние сто лет, и в то же время 2009 год оказался вторым в списке самых теплых годов на нашей планете за все время наблюдений.

Существует ли планета Вулкан?

Полтора века назад была обнаружена планета Вулкан, орбита которой располагалась между Меркурием и Солнцем. Впоследствии Альберт Эйнштейн доказал, что этого небесного тела не должно существовать. Однако более полувека спустя планета Вулкан появилась в популярном телесериале «Звездный путь». Неужели ее загадка еще не решена? Загадка этой гипотетической планеты, открытой на кончике пера астрономом, который ранее прославился другим подобным предсказанием?

Итак, в 1846 году французский ученый Урбен Жан Жозеф Леверье, исследовав особенности движения Урана, вычислил орбиту и положение соседней с ним не известной пока планеты, которая получила название Нептун. Через несколько лет его внимание привлекли некоторые странности в поведении ближайшей к Солнцу планеты – Меркурия. Его орбита вовсе не была идеально эллиптической. Это означает, что, совершив оборот вокруг Солнца, Меркурий не возвращался в исходную точку. Иными словами, с каждым новым оборотом его перигелий, то есть ближайшая к Солнцу точка орбиты, немного смещался.

Французский математик Леверье, исследуя отклонения орбиты Меркурия, предположил существование планеты, которой он дал название «Вулкан»

Подобное явление характерно для всех планет Солнечной системы. Оно обусловлено притяжением ближайших небесных тел. В случае с Меркурием его «тянут» к себе Венера, Земля, Марс и Юпитер. Точка перигелия медленно вращается вокруг Солнца (сегодня известно, что она совершает полный оборот за 225 с лишним тысяч лет). За одно столетие поворот перигелия составляет 574 угловые секунды (в одном градусе – 3600 угловых секунд). Однако, если учесть влияние известных планет, – а Леверье педантично отметил все положения перигелия, – то эта величина должна быть равна 531 секунде. Странным образом перигелий Меркурия каждые сто лет «убегал» на 43 секунды вперед.

Судя по всему, где-то поблизости, между Меркурием и Солнцем, находилась еще одна не обнаруженная пока планета. Знаменитый астроном назвал это небесное тело, буквально купавшееся в солнечном огне, «Вулканом» в честь римского бога огня. (Справедливости ради надо сказать, что результаты вычислений, проделанных Леверье, были, на сегодняшний взгляд, не вполне точны, но верно передавали суть феномена – необъяснимое смещение перигелия).

Леверье опубликовал итоги своих расчетов в сентябре 1859 года, а вскоре после этого французский врач и астроном-любитель Эдмон Лескарбо сообщил ему, что 26 марта 1859 года видел на Солнце круглое черное пятно, которое всего за 75 минут переместилось на расстояние, превышавшее четверть солнечного диаметра. Леверье отправился к своему корреспонденту и ознакомился с собранными им сведениями. Это позволило ему определить, что неизвестная планета совершала оборот вокруг Солнца за 19 суток и 7 часов. Ее среднее расстояние от Солнца составляло 21 миллион километров, что равно примерно трети радиуса орбиты Меркурия, а масса была в 17 раз меньше его массы. Леверье убедился, что планета, открытая его коллегой, была слишком мала, чтобы объяснить особенности меркурианской орбиты. Однако она ведь могла быть лишь одной из нескольких планет, обретавшихся рядом с Солнцем.

На это событие откликнулись и другие астрономы. Так, исследователь из Цюриха Рудольф Вольф сообщил о своих наблюдениях. Это позволило Леверье открыть еще две небольшие планеты рядом с Солнцем. Период обращения одной из них составлял 26 суток, а второй – 38 суток.

Новый 1860 год должен был стать триумфом французского мэтра. Он был уверен в том, что во время полного солнечного затмения, которое ожидалось в Испании, эти планеты, открытые путем вычислений, можно будет наконец разглядеть, но этого не произошло. Неужели фиаско?

Среди астрономов развернулась дискуссия. Одни по-прежнему принимали любые подозрительные пятна на Солнце за таинственную планету, миновавшую солнечный диск, в то время как другие отказывали ей в праве на существование.

Вплоть до своей смерти, последовавшей в 1877 году, Леверье был убежден в том, что планету Вулкан можно найти. Впрочем, после многих лет безуспешных поисков большинство астрономов разуверилось в этом.

Загадка планеты Вулкан была окончательно решена 18 ноября 1915 года. Именно в этот день Альберт Эйнштейн опубликовал свое объяснение странностям в поведении Меркурия. То, что казалось непонятным с точки зрения ньютоновской механики, находило свое истолкование, стоило обратиться к общей теории относительности.

Согласно ей, Солнце «искривляет» пространство и искажает орбиты планет. Если описывать движение Меркурия в евклидовом пространстве по законам механики Ньютона, то кажется, что он перемещается слишком быстро. Однако если обратиться к неевклидовой геометрии и теории Эйнштейна, странности исчезают. Разница в этих расчетах составляет те самые 43 угловые секунды, которые побудили когда-то Леверье придумать планету Вулкан. Теперь ее пришлось списать за ненадобностью.

На короткое время интерес к гипотезе Леверье пробудился в 1970 году, когда во время полного солнечного затмения некоторые исследователи обнаружили по соседству с Солнцем какие-то странные, слабо светящиеся объекты. Позднее астрономы предположили, что это были кометы.

Итак, в XIX и XX веках исследователи не раз наблюдали планету Вулкан, и теперь уже вряд ли удастся установить, что они на самом деле видели. Некоторые «наблюдения» могли объясняться простым дефектом оптики. За планету могли принять даже пролетавшую вдалеке птицу. Однако известен случай, когда в один и тот же день два астронома, жившие в разных городах, заметили независимо друг от друга некий объект, который двигался по диску Солнца. Возможно, это был астероид, хотя до сих пор науке не известно ни одного достоверно подтвержденного случая прохождения астероида по диску Солнца.

Планета Вулкан исчезла из анналов астрономии, чтобы уступить место… целой россыпи планет, которые заслуживают того же названия. Энтузиасты продолжают поиски «вулканоидов» – малых планет, чьи орбиты могут располагаться внутри орбиты Меркурия.

В принципе астрономы не сомневаются в том, что между Меркурием и Солнцем могут обнаружиться какие-то астероиды. Известно, что в далеком прошлом Меркурий подвергался «форменной бомбардировке», – о том времени напоминают многочисленные кратеры, оставшиеся на его поверхности после падения крупных метеоритов. Возможно, причиной такого «обстрела» было соседство с поясом астероидов. С тех пор это скопление малых планет, очевидно, изрядно поредело, но, может быть, несколько таких планет все еще кружат возле Солнца в непосредственной близости от него?

Так что мы знаем о вулканоидах, пусть и не сумели пока обнаружить их? Очевидно, это очень небольшие планетки, не превышающие в поперечнике полусотни километров. Более крупные небесные тела, обращающиеся возле Солнца, непременно заметила бы солнечная обсерватория SOHO. Известно и расстояние, на котором их следует искать. Вероятно, пояс околосолнечных астероидов, если таковые есть, располагается в диапазоне 0,15—0,18 астрономических единиц от Солнца, то есть почти рядом с ним. Ожидается, что температура на их поверхности будет составлять от 700 до 900 кельвинов. Однако, несмотря на упорные поиски, внутри орбиты Меркурия до сих пор удавалось заметить лишь отдельные астероиды, которые, перемещаясь по очень вытянутым траекториям, на какое-то время подбирались к Солнцу ближе, чем эта планета. Туда, где их ждала встреча с вулканоидами? Или же нет?

Новые и старые загадки Меркурия

Меркурий, едва ли не самая загадочная из планет Солнечной системы, до недавнего времени оставался почти не исследованным. Ослепляющий свет Солнца, рядом с которым движется Меркурий, мешает наблюдать за ним в телескоп. Лишь в начале 2011 года межпланетный зонд «Мессенджер» стал первым в истории искусственным спутником этой планеты.

Вот лишь некоторые загадки, связанные с Меркурием.

На первый взгляд, этот каменный шар, похожий на Луну, выглядит невзрачным и безжизненным. У Меркурия практически отсутствует атмосфера – она более разрежена, чем вакуум, создаваемый в научных лабораториях, – и потому его поверхность не подвергается выветриванию, эрозионному процессу, непрестанно формирующему ландшафт.

Вплоть до конца 2008 года – до того, как зонд «Мессенджер» сблизился с Меркурием, – около 60 % его поверхности оставалось «белым пятном» на астрономических картах. Ясно было только, что сформировалась она очень давно. Многочисленные кратеры свидетельствуют о бурном прошлом Меркурия. Некоторым из них – около 4 миллиардов лет.

Так есть ли геологические процессы, меняющие облик Меркурия в наши дни, если не считать падений метеоритов? С самого начала экспедиции «Мессенджера» были сделаны важные открытия. На фотографиях, полученных зондом, проступили не известные прежде детали.

Так, в районе северного полюса Меркурия были обнаружены слои лавы километровой толщины. Очевидно, вулканические процессы играли важную роль в истории этой планеты.

Особое внимание привлекли длинные, обрывистые склоны – эскарпы (уступы), тянувшиеся на сотни километров. Их высота порой достигала двух километров. Во впадинах, образовавшихся после падения крупных метеоритов, замечены многочисленные трещины. Например, на дне бассейна Калорис протяженностью 1550 километров – свыше двух сотен трещин.