Конспект
Зачем нам космос? Этот вопрос неизменно звучит после каждой публичной лекции по астрономии. На Земле столько проблем — зачем вкладывать деньги в изучение холодной пустоты? Но если присмотреться внимательнее, эта «пустота» оказывается невероятно щедрой кладовой. Причём самые ценные её сокровища — вовсе не алмазы и не благородные металлы, о которых так любят писать журналисты. Всё гораздо интереснее.
От Северного полюса до Марианской впадины: знание как главный ресурс
В начале XX века путешественники рвались к Северному полюсу. Что они могли там найти, кроме льда и холода? Ничего — и все это понимали. Воткнули флаг, вернулись (вернулись, правда, не все). Прошёл век — и сегодня на Северный полюс регулярно ходят атомоходы с туристами, которые платят огромные деньги за новый опыт и тем самым поддерживают бюджет страны. Кто мог предвидеть, что это станет экономически выгодным?
Южный полюс — ещё более яркий пример. Экспедиции Амундсена и Скотта в 1912 году нашли там лишь холод, разреженный воздух и снег. А сегодня на станции Амундсен-Скотт стоят самые чувствительные радиотелескопы планеты, исследующие реликтовое излучение — эхо Большого взрыва. Именно там, на полюсе, собрались все нужные условия: разреженный сухой воздух (водяные пары поглощают радиоволны), экстремальный холод (в нём отлично работает электроника) и полугодовые ночи для непрерывных наблюдений. Кто мог это предвидеть сто лет назад? Никто. Знания конвертируются в новые знания, а затем — в технологии.
Та же история с Марианской впадиной. В 1960 году Жак Пикар и Дон Уолш спустились на дно океана — казалось бы, зачем? Там же почти ничего нет. Но именно там обнаружились чёрные курильщики — гейзеры горячей воды из земных недр, вокруг которых существуют оазисы жизни, питающиеся минералами и теплом. Это открытие перевернуло наши представления о том, где может зарождаться жизнь, — и теперь мы ищем аналогичные условия на спутниках Юпитера и Сатурна.
Лаборатория размером со Вселенную
Физика в земных лабораториях достигла своих границ. Практически всё, что можно было создать в рамках лаборатории — экстремальные температуры, давления, плотности, — уже создано. И тут на помощь приходит космос, предлагая условия, которые невозможно воспроизвести ни за какие деньги.
Вакуум, который нельзя купить
То, что физики гордо называют «сверхвысоким лабораторным вакуумом», — это миллиард частиц в кубическом сантиметре. Солнечная корона, которую мы видим во время затмений, по земным меркам — уже сверхвысокий вакуум. Молекулярные облака межзвёздной среды разреженнее лабораторного вакуума в миллион раз. Газ между галактиками — ещё в десятки раз. А средняя концентрация атомов во Вселенной — примерно один атом на кубический метр. Не абсолютная пустота, но в миллиарды раз более пустая, чем всё, чего мы можем добиться на Земле.
Именно этот космический вакуум подарил физике неожиданные открытия. В XIX веке в спектре солнечной короны обнаружили загадочные линии, не встречающиеся в лаборатории. Решили — новый химический элемент, назвали его «короний». Клеточку в таблице Менделеева так и не нашли. Оказалось, что это обычное железо, но в состоянии, невозможном на Земле: почти все электроны оторваны при температуре в миллионы градусов и в крайне разреженной среде. Похожая история произошла с «небулием» — загадочным элементом межзвёздных туманностей, который оказался обыкновенным кислородом, излучающим так называемые запрещённые спектральные линии. В земной лаборатории возбуждённый атом мгновенно ударится о соседа или стенку прибора и потеряет энергию в виде тепла. А в космосе атом может летать годами, никого не встречая, и в конце концов излучить эти «невозможные» линии — блестящее подтверждение квантовой механики в период её становления.
Плотности, которые невозможно создать
Самые плотные вещества на Земле — осмий, иридий, уран — имеют плотность порядка 10–20 граммов на кубический сантиметр. В центре Солнца — 140 г/см³, такое вещество физикам в руки никогда не попадало. Но это цветочки. Белый карлик — сжавшееся ядро умершей звезды — имеет плотность 100 миллионов граммов на кубический сантиметр. Кубик вещества размером с напёрсток весит как полный железнодорожный вагон. А у нейтронных звёзд плотность ещё в миллион раз выше: стакан такого вещества весил бы 100 миллиардов тонн. Если бы подобное вещество каким-то чудом появилось на Земле, оно провалилось бы сквозь планету насквозь, долетело бы до антиподов, вернулось обратно и вечно курсировало бы туда-сюда, не замечая земной тверди.
И ещё поразительный факт: магнитное поле вблизи нейтронной звезды достигает такой напряжённости, что его плотность в пересчёте на массу составляет 40 тонн на кубический сантиметр. Плотность пустоты, пронизанной магнитным полем, — 40 тонн! Физики никогда не получат такого поля в лаборатории, но, наблюдая нейтронные звёзды, могут изучать поведение вещества в этих немыслимых условиях.
Бесплатный ускоритель частиц
Большой адронный коллайдер, стоивший миллиарды долларов, разгоняет протоны до энергии 7 тераэлектронвольт. При лобовом столкновении — 14 ТэВ. Это предел современной экспериментальной физики. А из глубин Галактики к нам прилетают частицы с энергией 10²⁰ электронвольт — на много порядков больше. Один такой космический протон несёт кинетическую энергию хоккейной шайбы, запущенной со скоростью 150 км/ч. Вспомните, как одеты хоккейные вратари, — и осознайте, что всю эту энергию несёт одна субатомная частица. Академик Зельдович однажды назвал Вселенную «ускорителем для бедных», но, пожалуй, это ускоритель и для богатых — таких энергий ни один земной коллайдер не достигнет никогда.
Для регистрации этих космических частиц строят наземные обсерватории. Крупнейшая — Pierre Auger в Аргентине — использует огромные пастбища, уставленные баками с чистой водой: влетая в воду, частицы порождают вспышку света, которую ловят фотодетекторы. В России, в Тункинской долине к западу от Байкала, Московский университет и иркутские коллеги расставили сотни «жестяных вёдер» с фотоумножителями внутри. Ясной ночью крышки автоматически открываются, и приборы ловят вспышки от космических лучей. А недавно выяснилось, что эти же установки можно использовать для поиска лазерных сигналов внеземных цивилизаций — неожиданный бонус.
95% Вселенной — загадка
На уроках химии нас убеждали: таблица Менделеева — это всё Lego, из которого собран мир. Оказалось, что обычные протоны, нейтроны и электроны — планеты, звёзды, мы с вами — составляют лишь 5% содержимого Вселенной. Около 30% приходится на тёмную материю — загадочную субстанцию, которая обладает обычным гравитационным притяжением, но физическая природа которой остаётся неизвестной.
А оставшиеся ~70% — это нечто ещё более странное, получившее абстрактное название «тёмная энергия». Её единственное обнаруженное свойство — антигравитация. То самое, что казалось плохой фантастикой. Галактики не просто разлетаются после Большого взрыва — они ускоряют свой разлёт, потому что между ними находится антигравитирующее нечто. Может быть, это свойство вакуума, может быть — неизвестное поле. Но именно тёмная энергия сегодня управляет динамикой всей Вселенной. Вот что скрывает «холодная пустота» космоса.
Бесплатная энергия и бесплатный транспорт
Солнце отправляет в космос колоссальное количество энергии, из которой на Землю попадает лишь одна двухмиллиардная часть. Физик Фримен Дайсон рассуждал просто: мы сожжём уголь, нефть, газ, потом уран — и что останется? Только Солнце. Рано или поздно человечество окружит свою звезду коконом из солнечных батарей — так называемой сферой Дайсона. И между прочим, астрономы уже нащупали в космосе инфракрасные источники с температурой около нуля по Цельсию, подозрительно похожие на такие сферы. Пока это гипотеза, но совпадение интригующее.
Солнечный свет не только даёт энергию — он создаёт давление. Фотоны, отражаясь от тонкой зеркальной плёнки, толкают её вперёд. Солнечные паруса уже испытаны: небольшой зонд с парусом летит к астероиду. А выпускник физфака МГУ Вячеслав Турышев, работающий сейчас в американской JPL, предложил ещё более дерзкую схему: сначала галсами идти к Солнцу, а затем, вблизи звезды, где поток света максимален, разгоняться и лететь за пределы Солнечной системы. Проект уже финансируется.
Есть и ещё один бесплатный «двигатель» — гравитация планет. «Вояджеры», пролетая мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, каждый раз получали от притяжения планеты дополнительный импульс. А когда понадобилось отправить зонд Parker к Солнцу, возникла проблема: чтобы «упасть» на звезду, нужно погасить орбитальную скорость Земли — 30 км/с. Решение нашлось: аппарат отправили к Венере, и та своим притяжением завернула его траекторию в сторону Солнца. Сейчас Parker подлетает так близко, что его термозащита почти расплавилась, — но приборы работают и передают уникальные данные об атмосфере нашей звезды.
Луна: космодром, холодильник и радиообсерватория
Современные ракеты стартуют вертикально и тратят почти всё топливо на преодоление собственного веса. Ещё в ранних научно-фантастических фильмах — советском «Космическом рейсе» и немецких лентах той же эпохи — ракеты разгонялись горизонтально, по эстакаде. Почему так не делают? Потому что при разгоне до космической скорости в плотной атмосфере аппарат мгновенно сгорит, как метеорит. Но на Луне атмосферы нет. Ракету можно разгонять горизонтально, на электромоторе, без включения реактивного двигателя. Луна — идеальный космодром для полётов в дальний космос.
Но Луна — это ещё и гигантский бесплатный холодильник. Под слоем грунта в полтора метра на экваторе стабильная температура минус 25°C, а на полюсах — минус 240°C. Никаких затрат на электроэнергию, никакого глобального потепления. Для сравнения: хранилище семенного фонда на Шпицбергене, «банк судного дня», уже страдает от потепления и начинает подтаивать. Лунный холодильник будет работать миллиарды лет. Там можно хранить генетический материал, размещать дата-центры — на поверхности солнечные батареи дают электричество (погода на Луне всегда ясная), а под грунтом холод бесплатно охлаждает серверы.
Для радиоастрономов Луна — и вовсе мечта. На Земле радиотелескопы глохнут от помех: сотовые вышки, радиолокаторы, станции вещания. Обратная сторона Луны — единственное доступное место, полностью экранированное от земного радиошума. Китайские коллеги уже провели первый эксперимент: спутник-ретранслятор, висящий в 60 тысячах километров от Луны, заходя за неё, оказывается в зоне «радиозатмения Земли» и слушает слабые сигналы из глубин Вселенной. Результат оказался настолько обнадёживающим, что в ближайшие годы планируется целая флотилия орбитальных радиообсерваторий, сменяющих друг друга за лунным диском.
Гравитационные волны, вода на Европе и топливо на Марсе
Чтобы заглянуть за «стену» горячей плазмы, отделяющую нас от момента Большого взрыва, нужны детекторы гравитационных волн. Земные установки — вакуумные трубы с лазерами и подвешенными зеркалами — имеют размер в километры и ловят соответствующие волны. Но реликтовые гравитационные волны, растянутые расширением Вселенной, гораздо длиннее. Здесь снова помогает космос и его главный ресурс — огромные расстояния. Система «Земля — Луна» может стать гравитационно-волновой антенной длиной в 400 тысяч километров. Уже сегодня лазерный луч измеряет расстояние до лунных отражателей (установленных астронавтами Apollo и советскими луноходами) с точностью до миллиметра. Когда точность дойдёт до десятков микрон, мы сможем регистрировать колебания пространства-времени на этом масштабе.
А что насчёт практических ресурсов? Илон Маск строит Starship с расчётом на заправку метаном прямо на Марсе. Углерод — из марсианской атмосферы (углекислый газ), водород — из подповерхностного льда, которого на Марсе в избытке. Синтезируем метан, а побочный продукт — кислород — идёт как окислитель. Ракетное топливо из местных ресурсов, без необходимости тащить всё с Земли.
А если когда-нибудь на Земле возникнет дефицит воды (а она уже утекает в космос со скоростью 10–15 литров в секунду в виде расщеплённых молекул), — к нашим услугам спутник Юпитера Европа. Под ледяной коркой толщиной 15–20 километров скрывается гигантский океан жидкой солёной воды. Корка трескается, гейзеры выбрасывают воду на поверхность. И кто знает — может быть, в этом океане уже есть жизнь.
Космос — не холодная пустота. Это лаборатория с условиями, недостижимыми на Земле. Это бесплатный ускоритель частиц, бесплатный холодильник, бесплатный источник энергии и бесплатный двигатель. Это 95% неизвестной нам Вселенной, которая ждёт объяснения. И это восемь тысяч уже открытых планет у других звёзд — ресурс для наших далёких потомков. Мы живём в космосе, и чем глубже мы в него вглядываемся, тем больше он нам возвращает.
