5 книг о том, как устроены космические объекты — от самых маленьких к самым большим

Сергей Борисович — самый известный российский популяризатор космоса сегодня. У него есть свой канал в YouТube, он регулярно читает научно-популярные лекции, при этом он серьезный действующий астрофизик, работающий в Астрономическом институте им. Штернберга при МГУ. Отсюда плюсы и некоторые минусы этой книги.

Плюсы в том, что Попов превосходно разбирается в теме, нейтронные звезды («суперобъекты» — это именно они) — его научная епархия. Наверное, это единственная книга на русском языке, которая отражает современное состояние знаний в этой области. Минусы проистекают из плюсов: автор читает лекции для аудиторий с очень разной подготовкой, так что книга на их основе получилась неоднородной. Где-то Попов использует простые аналогии, где-то спокойно оперирует терминами, которые трудно понять человеку вне контекста, — например «транзиент» или «эволюционный трек».

Что такое нейтронные звезды? Говоря упрощенно, картина следующая. Когда звезда заканчивает свою жизнь за счет выжигания топлива, из которого состоит ее ядро, в зависимости от своей массы она может просто остыть — это то, что будет с Солнцем, — либо, если это очень массивная звезда (40–60 масс Солнца), она взорвется, а ее центральная часть схлопнется в черную дыру. Но есть звезды промежуточных масс, которые достаточно большие, чтобы взорваться, но недостаточно большие, чтобы их ядро превратилось в черную дыру. Когда топливо выгорает, они сжимаются настолько сильно, что атомы разрушаются под действием гравитации, и получаются протоны, нейтроны и электроны. Но гравитация продолжает действовать, вдавливая электроны в протоны, в результате чего получаются нейтроны. Отсюда название класса звезд.

Чем интересны нейтронные звезды? Тем, что в них присутствуют практически все эффекты с приставкой «сверх»: сверхпроводимость, сверхтекучесть, сверхсильные магнитные поля, сверхсильная гравитация. Изучая взаимодействие нейтронных звезд и окружающей среды, ученые фактически становятся наблюдателями бесплатного эксперимента физики высочайших энергий, который нельзя получить на Земле.

В перспективе нейтронные звезды, возможно, будут иметь практическое значение, потому что часть из них очень быстро вращается. Для нас, астрономов, эти звезды напоминают маячки, которые с постоянной регулярностью пульсируют — чиркают своим лучом по Земле. Есть предложение использовать их в будущих межзвездных перелетах для ориентации и ориентироваться по ним, как сейчас мы ориентируемся по GPS-спутникам. Недаром на аппаратах серии «Пионер» и «Вояджер», отправленных с Земли в космос с табличками «Мы, люди, находимся на третьей планете от Солнца...», содержатся координаты нашей планеты относительно ближайших пульсаров.

За исследование нейтронных звезд уже вручили две Нобелевские премии: одну — за открытие пульсаров, вторую — за открытие космических источников рентгеновского излучения, которыми служат нейтронные звезды. Около 10 лет назад астрономы впервые зафиксировали странные сигналы, которые называются «быстрые радиовсплески». Было непонятно, что может быть источником столь гигантского выброса энергии. Сейчас выстраивается более или менее стройная теория, согласно которой мы фиксируем след процессов, происходящих на стыке жидкого ядра нейтронной звезды и его более твердой поверхности. Раз в несколько десятков или сотен лет происходит выброс, который мы видим. Иными словами, физика «суперобъектов» еще интереснее и загадочнее, чем казалось, когда нейтронные звезды только открыли. Эти последние открытия также упомянуты в книге.

Попов — мастер аналогий и сравнений. Например, он сравнивает затухающее вращение звезды с мячиком, который упал на землю и скачет все ниже и ниже, потихоньку теряя свою энергию. Одну из красивых аналогий он вынес в заглавие «Звезды размером с город». Это действительно так, поскольку от звезды, во много десятков раз больше Солнца, остается нейтронная звезда — шарик, диаметром 10–14 километров, размером с центр Москвы. Придумывать такие аналогии — своеобразное мозговое упражнение для астрономов.

Эта книга максимально далека от красивых аналогий. Она написана нашим академиком, который входит в пятерку крупнейших астрофизиков СССР и признан величиной мировой науки. Иосиф Самуилович изучал эволюцию звезд, физику межзвездного пространства — то есть то, что находится между звездами, и это совсем не вакуум. Он одним из первых начал заниматься радиоизлучением нашей галактики и предсказал существование пульсаров, о которых мы только что говорили. Шкловский ввел в обращение термин «реликтовое излучение»; он был человеком, который умел красивым языком рассказывать сложные вещи, придумывать для них названия, не скатываясь в излишнее упрощение.

Шкловский написал несколько книг, одна из них — «Вселенная. Жизнь и разум» (1980), в которой выстроены гипотезы о существовании внеземных цивилизаций. Книга в свое время была очень популярна, к ее английскому изданию предисловие написал знаменитый ученый и популяризатор науки Карл Саган. В книге, которую советую я, речь идет о жизни звезд с процессов, предшествующих их образованию, и до самого-самого конца их существования.

Сначала образуется облако холодного нейтронного водорода, затем оно потихонечку сжимается под действием самогравитации. Внутри возникают неустойчивости Джинса, из-за которой облака фрагментируется в облачка поменьше. Они разогреваются, поскольку их ядро постепенно сжимаются. Чтобы облако сжималось, оно должно остыть. Однако, сжимаясь, оно нагревается, значит, излишки тепла должны каким-то образом «уйти» — и здесь начинаются интересные процессы. Как бы то ни было, рано или поздно облако сожмется настолько, что внутри начнется термоядерный синтез, в процессе которого водород переходит в гелий, гелий — в литий, и так далее — по таблице Менделеева, от легких элементов к более тяжелым. Рождается звезда.

Какие звезды бывают, почему они такие разные по размерам, почему не могут быть меньше или больше определенных размеров? Сколько они живут? Почему самые большие звезды, которые, казалось бы, должны жить долго, сгорают всего за десятки миллионов лет, а самые маленькие, в которых водорода должно быть меньше, живут дольше жизни самой Вселенной? Что случается со звездами, когда они заканчивают свой путь? Что такое туманности и чем, к примеру, туманность Ориона, в которой звезды формируются, отличается от Крабовидной туманности, которая является остатками взорвавшейся звезды? На все эти вопросы отвечает книга Шкловского.

В предисловии сказано, что книга ориентирована на школьников старших классов и учащихся младших курсов вузов, но надо понимать, что в СССР уровень физики был немного другим. В ней много формул — возможно, часть из них трудновата. Но язык в книге такой сочный, что, даже если игнорировать формулы, получается ясное повествование.

Книга, конечно, несколько устарела: с последнего издания прошло 30 лет. Но это устаревание специфично. Прежде всего оно касается оформления. Вручную нарисованные графики, черно-белые картинки сегодня покажутся скучными. Но есть простое решение: читать эту книгу, как и любой научпоп, — с планшетом или ноутбуком. То есть вы видите диаграмму Герцшпрунга — Рассела, находите ее в любом поисковике и разглядываете современную красивую цветную картинку. Сразу понятно, как далеко шагнула астрономия: раньше на графике была сотня точек, теперь их миллионы в намного более тесной зависимости.

Я не нашел в книге совсем неправильных, устаревших моментов, так, чтобы наука повернулась на 180 градусов и сказала: то, что говорил Шкловский, — неверно. Но, конечно, он очень многого не знал. Например, в первой главе он пишет, что все звезды, кроме Солнца, для телескопа неразличимы. Однако сейчас очень много телескопов на Земле и в космосе видят звезды как объекты измеряемого диаметра, что дало гигантский прогресс для науки. Фактически мы можем измерять погоду на других звездах, понимать, где холоднее, а горячее. Об этом Шкловский мог только мечтать.

Другой пример: автор пишет о звездах двух популяций, двух населений: звезды населения I — это звезды вроде Солнца, которые образовались достаточно поздно по космическим масштабам, и звезды населения II — это звезды, которые появились задолго до Солнца, успели прогореть и взорваться, обогатив окружающее пространство тяжелыми элементами своего ядра. Весной 2021 года должен стартовать телескоп имени Джеймса Уэбба, который должен открыть звезды населения III. Это самые первые звезды во Вселенной, которые возникли из чистого водорода вскоре после Большого взрыва. О них Шкловский не упоминает, потому что в его время это был гипотетический класс объектов, которые и не надеялись увидеть.

Если захочется отвлечься от высоких материй «Звезд», почитайте сборник Шкловского «Эшелон». Это коллекция автобиографических историй в жанре «астрофизики шутят», там есть и полевые заметки, и воспоминания о встречах с великими людьми — например, с А.Д. Сахаровым — тогда совсем молодым студентом.

Самая узкоспециализированная книга в нашей подборке. Она написана действующим астрофизиком, специалистом по внегалактической астрономии, — иными словами, Ольга Касьяновна занимается всем, что находится вне нашей галактики, в основном другими галактиками. Подразумеваемые читатели этой книги — астрономы смежных областей, которые хотели бы понять, что сейчас происходит во внегалактической астрономии. Написана она так, будто автор на астрономическом семинаре делится с коллегами последними новостями своего направления. Немного профессионального сленга, немного выражений вроде «теоретики осознали и кинулись считать» помогают окунуться в науку «в реальном времени», почувствовать столкновение противостоящих друг другу теорий.

О чем эта книга? Обо всем, что связано с галактиками. Почему вообще возможны в нашей Вселенной галактики? Что первично: сначала зажглись звезды и образовали галактику или сначала была протогалактика, т. е. колоссальное скопление газа, внутри которого стали возникать звезды? Почему галактики такие разные: спиральные, эллиптические, а есть еще между ними линзовидные, странные галактики? Почему у них так много названий — квазары, ультраяркие, инфракрасные, радиогалактики? Есть ли стройная классификация или это разные феномены?

Сильченко прекрасно структурирует информацию, в книге не очень много формул и хорошие иллюстрации. Опять же, это передний край науки, самая современная книга о галактиках на русском языке. Автор оперирует статьями, вышедшими в 2014-2015 годах — их прямо сейчас цитируют в профессиональной литературе. Но нужно быть готовым, что вам встретятся фразы вроде «энергия протогалактики диссипатирует через высвечивание и происходит релаксация по вириалу». Таких мест немного, но, опять же, гаджет с интернетом под рукой пригодится.

Сильченко, как и Шкловский, ведет повествование очень ровно: нет такого, что ты прочел страницу легко, а потом застрял, и непонятно, как двигаться дальше. Если ты примерно понимаешь общую канву, то сможешь одолеть всю книгу и понять, чем живет современная внегалактическая астрофизика, даже если не запомнишь, что такое закон Талли-Фишера и чем он отличается от закона Фабер-Джексона.

Классика научпопа, написанная в конце 1970-х и выдержавшая более десяти переизданий на языке оригинала, причем последние вышли в начале 2000-х. В ней, по западной традиции, минимальное количество формул, но без одной никуда — это, конечно, E=mс2.

Хокинг очень простыми словами описывает сложнейшие вопросы — возникновение Вселенной, первые несколько секунд, минут, лет, столетий ее существования. Практически без терминов — недаром книга стала бестселлером. Она начинается неспешно, через анализ эволюции философских представлений о Земле, Солнце, движении планет. Поскольку книга написана для западных читателей, большинство которых в школе не проходит, кто такие Коперник, Галилей, Тихо Браге, Бруно, — многие вещи будут нам известны. Но уже со второй главы, через пояснение, почему парадигма Эйнштейна приходит на смену парадигме Ньютона, подобно тому, как философские школы сменяют друг друга, Хокинг красиво подходит к науке XX века.

Автор увлекательно рассказывает, зачем нужны квантовая механика, общая и специальная теории относительности, почему скорость света конечна и почему это самая большая возможная скорость. Для пояснений Хокинг использует теорию световых конусов. Эта теория показывает, что, если Солнце мгновенно погаснет, мы еще восемь минут будем жить, не зная этого, хотя на Меркурии практически мгновенно начнутся странные процессы. Это же помогает понять, почему в расширяющейся Вселенной мы никогда не увидим часть галактик, поскольку они удаляются быстрее скорости света, что, кстати, не является нарушением теории Эйнштейна.

Также Хокинг разъяснят, что такое антропный принцип, т. е. почему вообще возможны человечество и жизнь. Согласно этой точки зрения, если мы чуть-чуть изменим параметры — например, массу протона и нейтрона на сотые доли, — то жизнь станет невозможна. Отсюда философская гипотеза — не потому ли возможна жизнь во Вселенной, чтобы люди могли ее наблюдать и познавать?

Хокинг продолжает свой бестселлер рассмотрением возможных сценариев смерти Вселенной, упоминая нашего знаменитого космолога, Александра Фридмана, который в начале XX века первым в мире решил уравнение Эйнштейна для всей Вселенной, предсказав таким образом все возможные сценарии будущего Вселенной. Затем аккуратно переходит к проблеме создания и невозможности общей Теории Всего (стройной физической теории, объясняющей вообще все наблюдаемые в мире явления через небольшое количество формул и констант) и наброску перспектив развития науки в целом.

Эту книгу следует прочитать всем, потому что она как «Война и мир»: можно не любить, но знать — обязательно.

Эта книга отвечает на вопросы, которых Хокинг не коснулся, а именно — что было до Большого взрыва? Есть очень красивая аналогия: вообразите себе булавку, стоящую на острие. Это возможно, но лишь при подгонке немыслимого числа тончайших параметров. То же самое и с Большим взрывом: он происходит, а наш мир образуется только при условии невероятного совпадения. Стоит чуть изменить константы — и Большого взрыва не будет; либо он будет, но все к чертовой матери разлетится, и не будет ничего. Это проблема.

Алекс Виленкин — русскоязычный профессор, известный космолог, который работает в университете Тафтса и пытается решить проблему, которую я только что обозначил. Ведь если имеет место антропный принцип и вся Вселенная существует только для того, чтобы мы ее могли наблюдать, то отсюда недалеко и до концепции Бога. Космологам это не нравится.

Чтобы уйти от антропного принципа, в середине 1970-х американский космолог Алан Гут предложил теорию мультивселенной. Ее развили советские астрофизики Линде, Старобинский, Муханов, Виленкин. Согласно этой теории, Большому взрыву предшествовала некоторая «пена», которая — по причинам, о которых пишет Виленкин, — сделала возможным существование множественных миров с различными параметрами. Иными словами, да, — мы живем не в единственной Вселенной, где все подогнано под нас. Однако есть миры, где жизнь невозможна, где число пи равно четырем, где протоны и нейтроны не сформировались. Если это верно, то Большой взрыв — это начало не всей Вселенной, а лишь маленького участка мультивселенной, в котором находимся мы. Соответственно, смерть нашей Вселенной будет смертью бесконечно большого, но при этом не единственного участка Вселенной.

Автор ставит философский вопрос: стоит ли человечеству пытаться спастись от смерти Вселенной, не лучше ли думать б изобретении гравицапы, чтобы улететь в другую Вселенную?

Мультивселенная — максимальные масштабы, о которых сейчас думает современная астрофизика. Серьезная проблема заключается в том, что крайне трудно даже мысленно придумать эксперимент, который подтвердит или опровергнет эту теорию, поскольку Большой взрыв уничтожил, скорее всего, всю информацию, которая была до него.

Виленкин пишет о том, что в 1980-е каждый год выходило всего две-три статьи по теории струн (это вариант интерпретации теории мультивселенной). Сегодня статей по этой проблематике выходит в разы больше, ей посвящаются целые конгрессы. Это происходит потому, что прочие теории отсеиваются, но против теории мультивселенной пока не найдено аргументов. И если она верна, вполне возможна ситуация, описанная в книге: у нашей Вселенной есть множество (возможно, бесконечное) братьев и сестер. Где-то среди них — Вселенные, где Элвис жив, где в Ледовом побоище победили тевтонские рыцари, где нет ни людей, ни динозавров.