Темные звезды и Sunrise
Звездное прошлое. Горячий Марс. На полпути к Меркурию. Испытание стратосферного телескопа
Американские астрофизики Паоло Гондоло, Кэтрин Фриз и Дуглас Сполар пришли к выводу, что в ранней Вселенной могли рождаться исполинские звезды, которые получали энергию за счет превращений экзотических частиц, образующих темную материю. По размерам они в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз превосходили Солнце и излучали электромагнитную энергию только в виде инфракрасных лучей. По этом причине Гондоло, Фриз и Сполар решили назвать придуманных ими обитателей космоса темными звездами. Обычные звезды образуются из водородно-гелиевых облаков, которые сжимаются под действием притяжения своих частиц и постепенно нагреваются до таких температур, что в их центральных зонах начинаются термоядерные реакции. Однако поначалу эти облака должны быть достаточно холодными, поскольку тепловое движение частиц способствует их разлету. Если внутри облака найдется источник тепла, оно испытает лишь умеренное сжатие и потому сможет сохранить гигантские размеры. Профессор Гондоло и его соавторы полагают, что таким источником могли стать частицы, образующие темную материю. Точно известно, что их общая масса примерно в пять раз превосходит массу обычного вещества, однако их природа до сих пор остается неизвестной. Но кандидаты в носители темной материи имеются – правда, пока только в головах физиков-теоретиков. В их число входит нейтралино, стабильная частица с нулевым электрическим зарядом, которая очень слабо взаимодействует с обычной материей. Теоретические модели этих частиц утверждают, что их массы скорее всего лежат в диапазоне от одной до десяти тысяч масс протона. По мнению Гондоло и его коллег, нейтралино вполне могли разогреть первичные газовые облака и заставить их превратиться в темные звезды. Вот сценарий этого процесса. Нейтралино рассеивались друг на друге, рождая кварки и антикварки и при этом отдавая газовому облаку энергию в виде тепла. Кварки и их античастицы, в свою очередь, претерпевали взаимные превращения, в ходе которых возникали гамма-лучи, нейтрино, электроны и позитроны. Наконец, электроны и позитроны сталкивались и аннигилировали, опять-таки генерируя гамма-кванты. Нейтрино свободно уходили в окружающий космос, а прочие частицы отдавали часть своей энергии газовым молекулам и тоже нагревали «материнское» облако. В результате возникали сверх-сверхгигантские темные звезды, испускающие не видимый свет, а тепловые лучи. Расчеты показывают, что размеры таких звезд сильно зависят от массы частиц темной материи. Нейтралино с массой в десять тысяч протонных масс могли давать начало темным звездам, радиус которых скорее всего не превышал радиуса орбиты Юпитера или Сатурна. Очень легкие нейтралино, напротив, должны способствовать рождению темных звезд, внутри которых могла бы свободно уместиться Солнечная система. Дальнейшая судьба темных звезд зависит от их космического окружения. Предположим, сказал Паоло Гондоло в интервью Русской службе «Голоса Америки», что окрестности звезды богаты космическим газом, падающим к ее центру под воздействием гравитации. В этом случае темной звезде не поможет даже наличие внутренней печки в лице темной материи. Она будет быстро сжиматься и в конце концов даст начало черной дыре. Существуют и другие сценарии эволюции темных звезд, которые предписывают им превращаться в нормальные светила. Авторы новой модели считают, что темные звезды могли рождаться всего лишь через 80-100 миллионов лет после Большого Взрыва, давшего начало нашей Вселенной. Они даже не исключают, что некоторые из них сохранились и до наших дней. Для этого нужно, чтобы темная звезда родилась практически в пустом пространстве и не подпитывалась космическим газом и чтобы внутри нее было достаточно топлива в лице темной материи. Астрономы успели изучить Марс куда лучше всех прочих планет Солнечной системы. Марс почти вдвое меньше Земли. Его полярный и экваториальный радиусы равны 3357 и 3397 километров (53% соответствующих земных габаритов), объем составляет 15% объема Земли, а масса – всего 11%. Средняя плотность марсианского вещества примерно в 4 раза превышает плотность воды и почти на 30% уступает плотности нашей планеты. Марс, как и Земля, имеет ядро, мантию и кору. По последним данным, диаметр ядра составляет 1480 километров. Оно состоит из 85% железа, остальное – сера и никель. Ядро окружено мантией, которая скорее всего в основном сложена из соединений кремния, кислорода, железа и магния. Над ней расположена базальтовая кора, толщина которой лежит в пределах 50-125 километров. Возраст Марса также хорошо известен. Принято считать, что он, как и прочие планеты, возник из вращающегося диска, состоящего из пыли и замороженных газов, который некогда окружал только что родившееся Солнце. По последним данным, это произошло 4 миллиарда 567 миллионов лет назад. Процесс формирования металлического ядра планеты был очень быстрым, он потребовал всего 7-15 миллионов лет. Рождение мантии и коры потребовало куда большего времени, какого именно – пока неясно. Есть все основания считать, что верхние слои планеты долгое время нагреты до жидкого состояния, так что марсианское ядро было покрыто глубоким океаном расплавленной магмы. Планетологи давно спорят о том, насколько растянулся процесс ее охлаждения. Исследователи из Техаса и Калифорнии полагают, что им удалось решить эту загадку. В этом помог химический и радиологический анализ восьми метеоритов, выброшенных с Марса на заре его существования и в конце концов упавших на Землю. Изначально они содержали два радиоактивных изотопа металла самария, которые в ходе распада постепенно превращались в изотопы другого металла, неодима. Измерение концентрации этих изотопов показало, что метеориты покинули Марс, когда его возраст составлял от 35 до 110 миллионов лет. Это дает основание считать, что большая часть Марса пребывала в расплавленном состоянии от ста до двухсот миллионов лет. Винсиан Дебай и ее соавторы полагают, что причиной столь длительного остывания было наличие довольно плотной атмосферы, состоявшей по преимуществу из водорода. Этот газовый слой прикрывал поверхность планеты и замедлял отвод тепла в космическое пространство. Со временем водородная атмосфера рассеялась и поверхность Марса быстро затвердела. Нынешняя атмосфера Марса, почти целиком состоящая из углекислого газа, возникла значительно позже. Американский исследовательский зонд MESSENGER проделал ровно половину своего космического путешествия. MESSENGER должен стать первым искусственным спутником Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты Солнечной системы. Точнее, первым спутником вообще, поскольку естественных сателлитов Меркурий не имеет. Это второй по счету земной космический аппарат, посланный к Меркурию. Первым был американский беспилотный корабль Mariner-10, который в 1974-75 годах трижды приблизился к планете. MESSENGER был запущен с мыса Канаверал 3 августа 2004 года ракетой «Дельта-2». В момент старта он весил 1100 килограммов, причем 600 килограммов приходилось на топливо для ракетных моторов. Середина его космического вояжа пришлась на 25 ноября, когда и от старта, и от финиша его отделяло чуть больше 1209 земных суток. К тому времени зонд успел пролететь свыше 340 миллионов километров. Он находился за 258 миллионов километров от Земли и за 110 миллионов километров от Солнца. MESSENGER движется по спиралевидной траектории, которая постепенно приближается к Солнцу. 2 августа 2005 года он совершил пролет мимо Земли, приблизившись к ней на 2348 километров. Разогнавшись в гравитационном поле нашей планеты, он направился к Венере, пройдя мимо нее 24 октября 2006 года и 5 июня 2007 года (во второй раз всего лишь на высоте 338 километров). На второй половине маршрута ему предстоят три пролета мимо Меркурия, два в 2008 году, и один в 2009-м. Если все пойдет по плану, то 18 марта 2011 года он включит в тормозном режиме маршевый двигатель и выйдет на орбиту вокруг Меркурия. Корабль несет семь приборов, предназначенных для картирования поверхности планеты, исследования ее минералов, определения состава меркурианской атмосферы и промеров магнитного поля. Научной частью проекта занимается Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. Ее сотрудник Ральф Макнатт рассказал в беседе с корреспондентом Русской службы «Голоса Америки», что MESSENGER уже фактически приступил к работе, поскольку успел прислать на Землю немало ценных сведений о поверхности Венеры. А вскоре зонд приступит и к выполнению своей основной миссии. Это случится 14 января, когда он совершит первый пролет вблизи Меркурия и сможет разглядеть его с высоты в какие-то 200 километров. Корабль пройдет над крупнейшим ударным кратером на поверхности планеты, сфотографирует его рельеф и с помощью инфракрасного спектрографа соберет информацию о составе его пород. В ходе двух последующих рандеву он продолжит изучение планеты, а затем, уже оказавшись на орбите, будет вести его систематически как минимум в течение года. Американский Национальный центр атмосферных исследований провел успешные летные испытания действующей модели солнечного телескопа Sunrise. Этот инструмент будет вести наблюдения за Солнцем из стратосферы, куда его будет доставлять гигантский аэростат. Во время пробного полета воздушный шар, к которому была подвешена гондола с уменьшенной моделью телескопа и другими приборами, поднялся с полигона в штате Нью-Мексико на 36-километровую высоту и продержался там в течение десяти часов. За это время была проверена работа научной и коммуникационной аппаратуры и сделана серия высококачественных фотографий поверхности Солнца. Затем гондола отсоединилась от оболочки шара и с помощью парашютной системы совершила мягкое приземление в соседнем штате Техас. Полномасштабный телескоп Sunrise оснащен зеркалом метрового диаметра. Его первая рабочая миссия запланирована на лето 2009 года. Стратостат-носитель поднимется с площадки вблизи шведского города Кируна и будет парить над Северным Ледовитым океаном от нескольких дней до двух недель. Поскольку в это время года в высоких широтах не бывает ночей, телескоп сможет вести непрерывные наблюдения. Его оптика способна распознавать детали солнечной поверхности размерами порядка тридцати километров. Самые чувствительные приборы для наблюдений за Солнцем, которые используются в настоящее время, обладают вдвое худшей разрешающей способностью. Если полет пройдет в штатном режиме, астрономы смогут планировать новые запуски, которые состоятся в Арктике или Антарктике. Стратосферная солнечная обсерватория Sunrise является международным научным предприятием. Помимо Соединенных Штатов, в этом проекте участвуют ФРГ, Испания и Швеция.