Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Еще более разрежен, чем в солнечной короне, газ в межзвездном пространстве. Нагретый звездами, он светится иногда так ярко, что это заметно даже для невооруженного глаза (пример – Туманность Ориона). Во второй половине ХIХ века в оптическом спектре этого газа были обнаружены никогда не наблюдавшиеся в лаборатории яркие зеленые линии, которые приписали новому химическому элементу – небулию (от лат. nebula – туманность). После развития квантовой механики, в 1927 году, эти линии были отождествлены с запрещенными линиями дважды ионизованного кислорода. В земных условиях такое излучение наблюдать невозможно, а значит, изучить атомы в этом состоянии было бы нельзя. А в космосе – пожалуйста!

Подобная история произошла и с гипотетической субстанцией под названием «мистериум», которую якобы обнаружили в космосе в 1966 году. Собственно, обнаружено было радиоизлучение с длиной волны 18 см, идущее от некоторых компактных туманностей. Необычными в нем были очень высокая яркость и крайне малая ширина радиолинии. Природные источники, как правило, излучают в широком диапазоне частот, а малой шириной диапазона отличаются искусственные источники, такие как радиостанции. У астрономов даже возникло подозрение, что на волне 18 см приходит послание от внеземной цивилизации. Но вскоре выяснилось, что источниками этого загадочного излучения служат природные мазеры на молекуле гидроксила OH. Мазеры – это довольно сложно устроенные квантовые генераторы и усилители радиоволн, изобретенные в конце 1950-х годов. Казалось, что природа без участия человека не способна создать мазер, но вот поди ж ты – в космосе возможно многое! Условия там столь разнообразны, что случайно где-то может реализоваться технически сложная конструкция.

Но межзвездная среда – это еще не предел пустоты. В скоплениях галактик, в промежутках между звездными системами, находится межгалактический газ. В основном это водород, немного гелия и совсем чуть-чуть всех прочих элементов. Этот газ имеет плотность 10⁻⁴ ¸ 10⁻² см⁻³. А в пространстве между скоплениями вещества еще меньше. Наконец, средняя концентрация атомов во Вселенной около 3∙10⁻⁷ см⁻³. Иными словами, один атом в трех кубометрах пространства. Вот это астрономы и называют сверхвысоким вакуумом: в миллион миллиардов раз лучше, чем в лаборатории!

Теперь обратимся к высоким плотностям. Изучать вещество при сильном сжатии очень важно хотя бы для того, чтобы понять, как оно ведет себя в недрах Земли. Из природных материалов высокой плотности мы знакомы со свинцом (11 г/см³), золотом (19 г/см³), осмием (23 г/см³). Максимальные плотности и давления, достигнутые в лабораториях на прессах с алмазными наковальнями, близки к тем, которые мы имеем в ядре Земли. До условий, царящих в недрах планет-гигантов, лабораторные установки еще не дотягиваются. Что уж говорить о ядре Солнца, где плазма сжата до плотности 150 г/см³, и мы имеем возможность изучать ее поведение, регистрируя приходящие оттуда частицы нейтрино. А те звезды, что постарше нашего Солнца и уже завершают свою эволюцию, оставляют после себя остывающие ядра – белые карлики. Плотность их вещества с трудом укладывается в нашей фантазии: 10⁵–10⁸ г/см³. Это же 100 тонн в наперстке! И таких объектов вокруг нас много; астрономы изучают белые карлики уже второе столетие.

Но остатки эволюции звезд более массивных, чем Солнце, еще удивительнее – это так называемые нейтронные звезды, имеющие плотность 10¹³–10¹⁴ г/см³. Тут уже наша фантазия окончательно сдается, ведь это же 100 млн тонн в наперстке! Никогда на Земле мы не получим вещество при такой плотности в макроскопических количествах. А изучать его в космосе вполне возможно. Обнаружены же тысячи нейтронных звезд, и мы можем следить за их поведением и наблюдать их поверхность. Кстати, вблизи их поверхности существуют фантастические магнитные поля с индукцией до 10¹¹ Тс, тогда как в лаборатории мы можем создавать индукцию лишь до 10⁴ Тс. Разрыв в 10 миллионов раз! Не думаю, что его удастся преодолеть в обозримом будущем. А изучать поведение вещества в магнитных полях нейтронных звезд мы можем уже сегодня. И это поведение поистине удивляет. Например, атом водорода, помещенный в такое поле, из шарика превращается в ниточку (вспоминаем силу Лоренца). А если вычислить плотность массы магнитного поля с индукцией B = 10¹¹ Тс, то получим не менее удивительный результат:

ρ_B = B²/2 μ₀c² = 40 т/см³.

Вы только подумайте: 40 тонн массы в каждом кубическом сантиметре пустоты, пронизанной магнитным полем! И эти условия доступны для изучения, космос дарит их нам. Нейтронные звезды с рекордными магнитными полями, так называемые магнитары, сейчас активно исследуются астрофизиками.