Все о космосе

Можно, конечно, продолжать лабораторные эксперименты, используя разные конфигурации магнитного поля, различные по составу и энергии потоки плазмы, применяя большие вакуумные камеры и все более остроумные системы регистрации и обработки данных измерений. Во многих лабораториях мира такие опыты ведутся.

Но ведь можно сделать лабораторией всю нашу планету! Для этого нужно, чтобы вся сеть наземных обсерваторий работала по единым международным программе и методике. Нужно, чтобы космические аппараты запускались по единому плану в заранее намеченное время в те точки космического пространства, которые ученые считают наиболее важными для разгадки тайн солнечно-земных связей.

Ясно, что для понимания физических и химических процессов, контролирующих сложное поведение солнечно-земного пространства, необходимы хорошо спланированные и организованные эксперименты. Солнечно-земные исследования носят поистине глобальный характер, и здесь научное сотрудничество на национальной и интернациональной основе абсолютно необходимо.

Начало эффективного международного сотрудничества можно отнести ко времени проведение Первого Международного полярного года, когда более 100 лет тому назад несколько государств предприняли объединенные усилия для исследования погодных условий в Арктике. Это научное мероприятие способствовало развитию международного сотрудничества в глобальном масштабе. Почти 50 лет спустя, в период 1932-33 г., когда в представлениях о верхней атмосфере уже произошла революция, был проведен Второй Международный полярный год.

После второй мировой войны стала быстро совершенствоваться ракетная техника, которую можно было применить для исследования верхней атмосферы. Ракеты же проложили путь к использованию космических аппаратов. А ведь еще в конце прошлого века для измерений в атмосфере применялись обыкновенные воздушные змеи!

И здесь мы вплотную придвинулись к проблеме изучения и практического использования космического пространства.

По решению Международного совета научных союзов и правительств ряда стран 1 июля 1957 г. началось крупнейшее научное предприятие, какого еще не знала история науки,— Международный геофизический год (МГГ). В нем приняли участие десятки государств, в том числе наша страна. Около 30 тыс. ученых по заранее согласованному плану 18 месяцев проводили обширные исследования во всей толще атмосферы, на суше, в морях и океанах, в космосе. В первый же год проведения МГГ было запущено 116 исследовательских ракет!

Чтобы изучить весь комплекс геофизических процессов, ученые выбрали период максимума солнечной активности. Надо сказать, что Солнце не поскупилось и отметило МГГ мощными магнитными бурями, полярными сияниями, ионосферными возмущениями и т. д. Геофизики всех стран получили богатейший материал, позволивший глубже проникнуть в сущность сложного комплекса солнечно-земных связей. Выдающимся событием явился в тот период запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.), а позже — запуск спутников в США.

Подводя итоги МГГ, руководитель советских исследований академик И. П. Бардин писал участникам работ:

«С последним ударом часов в полночь 31 декабря окончился период наблюдений по программе Международного геофизического года — это славная полоса в жизни науки, когда ученые 65 стран впервые в истории объединили свои усилия для исследования планеты в целом. Это наступление на тайны природы велось советскими учеными в едином строю с коллегами всех стран, и сегодня мы можем с гордостью сказать, что отечественная наука, как ей и подобает, занимала во время МГГ одно из ведущих мест. В самых отдаленных уголках планеты трудятся наши метеорологи и магнитологи, астрономы и ионосферисты, гравиметристы и гляциологи, океанографы и сейсмологи, специалисты по полярным сияниям и космическим лучам.

Благодаря их повседневному будничному труду, благодаря их упорству, а временами и героизму наука получила в свое распоряжение бесценный свод фактов о жизни Земли».

Однако чем глубже ученые зарывались в горы материалов МГГ, тем яснее становилось, что необходим так называемый контрольный эксперимент. В самом деле, если есть информация о каком-нибудь явлении в условиях необычных (а период МГГ был необычным — то были годы максимума солнечной активности, притом совершенно необыкновенного по своей интенсивности), то, чтобы уверенно судить об эффекте, надо посмотреть, как выглядит явление в условиях обычных (в нашем случае при спокойном Солнце, в условиях минимума солнечной активности).

Следовательно, программу МГГ надо было повторить в годы минимума— 1964 и 1965. Такое решение было принято Международным геофизическим комитетом, поддержано Организацией Объединенных Наций, и начался новый эксперимент — Международный год спокойного Солнца (МГСС). Все ведущие в научном и техническом отношении государства, а также многие развивающиеся страны подняли у себя флаг науки о Земле и Солнце.

К этому времени был накоплен ценный опыт МГГ по научно-организационным проблемам, существенных успехов достигло научное приборостроение, окрепла ракетно-космическая техника. Как всегда, большое внимание уделялось полярным областям, особенно ледяному Антарктическому континенту. Там появилось более десятка научных поселков (бойкие журналисты немедленно объявили, что Антарктида занимает первое место среди всех частей света по процентной численности населения с высшим образованием).

В Токио, Москве, Париже и Вашингтоне были организованы центры международной «Службы мировых дней», центры оповещения и прогнозов. Мировые дни — это такие периоды, когда геофизики всех стран по специальному сигналу с большей частотой и интенсивностью, чем обычно, проводят измерения и наблюдения. Сигнал этот подается тогда, когда происходит солнечная вспышка или ожидается магитная буря, предстоит солнечное затмение или наблюдается внезапное повышение температуры в стратосфере.

Информация от солнечных и геофизических обсерваторий поступает в региональные центры, а оттуда — в Главный прогностический центр в Вашингтоне. Этот центр, посоветовавшись с экспертами из всех регионов, объявляет научную тревогу — «Геоалерт!». Вот как красочно описывали этот процесс авторы книги «Внимание! Солнце спокойно»:

«Австралийский астроном, встретив восход, обнаружил, что на Солнце, кажется, начинается вспышка. Солнце «шествует» на запад, и астрономы разных стран настороженно задают ему вопросы. Телеграммы обо всем замеченном слетаются по телетайпной сети специальной Службы оповещений в региональные центры, а оттуда — в Мировой прогностический центр МГСС под Вашингтоном. Вот сигналы из Иркутска, а вот из Дели... Вспышка ширится. Вот подтверждение из обсерватории Кейптаун, а вот из Сакраменто-Пик, Нью-Мексико...

Алерт! Научная тревога! — проносится по телетайпной сети из Вашингтона. Первыми о ней узнают центры огромных регионов, на которые разделена наша планета, а среди них наш Евразийский центр под Москвой. У него есть два подцентра — один в Праге, другой в Иркутске. Из региональных центров известие доходит, наконец, до всех станций и обсерваторий, рассыпанных по всем континентам Земли.

Алерт! И, подчиняясь всемирному сигналу, гигантская труба Крымской астрофизической обсерватории запечатлевает на кинопленку сверкающий диск Солнца. Алерт! И в перуанских Кордильерах специалист по ионосфере с особым вниманием приникает к экрану своего прибора. Алерт! И якутский исследователь космических лучей спешит вовремя запустить в хмурое арктическое небо шар-пилот со счетчиками частиц, летящих к нам из Вселенной. Алерт! И станции полярных сияний в Арктике и Антарктиде переводят свои фотографические камеры на убыстренный режим съемки.

Так «нервная система» МГСС, опутывающая нашу планету, приводит в действие всю огромную армию исследователей на двух тысячах станций».

Программы МГГ и МГСС стали значительным шагом вперед в деле экспериментальной проверки физических идей, лежащих в основе солнечно-земной физики. Они обогатили науку крупными открытиями в области исследования околоземного космического пространства.

Космическая ракета «Луна-1», автоматическая межпланетная станция «Луна-2», американские ракеты «Пионер-1» и «Пионер-2», спутники «Эксплорер-6» и «Эксплорер-8», советские «Электрон-2» и «Электрон-4» и многие другие космические аппараты произвели прямые измерения магнитного поля на расстояниях от двух земных радиусов до нескольких десятков радиусов Земли. Граница магнитосферы была «нащупана» непосредственно в космосе. Стало ясно, что во время возмущений она действительно ближе к Земле. Обнаружен был и «хвост» магнитосферы.

Очень впечатляющим было открытие постоянно существующих вокруг нашей планеты радиационных зон или поясов. Эти зоны заполнены высокоэнергичными частицами в таких количествах, что это становится уже опасным не только для космонавтов, но и для материалов, используемых на космических аппаратах. Под действием такой жесткой радиации выходят из строя, например, полупроводниковые солнечные батареи, вырабатывающие электроэнергию для всей научной аппаратуры и системы жизнеобеспечения корабля, разрушаются органические материалы, используемые для «просветления» оптики.

Радиационные пояса были открыты независимо американскими и советскими физиками в процессе изучения космических лучей с помощью счетчиков частиц, помещенных на искусственные спутники Земли. Оказалось, что громадные области околоземного пространства — почти вся магнитосфера Земли — заполнены заряженными частицами разных энергий, захваченными и прочно удерживаемыми геомагнитным полем. Существуют две кольцевые зоны (или два пояса) радиации — внутренняя, расположенная ближе к Земле на расстоянии 7—12 тыс. км от ее центра, и внешняя, расположенная на расстоянии 15—20 тыс. км.

Нижняя кромка внутреннего радиационного пояса в западном полушарии проходит всего в 500 км над поверхностью Земли. Пояс проходит над Центральной и Южной Америкой, Африкой, Южной Азией, Австралией и Океанией. И как ни странно, местоположение этой зоны очень мало зависит от солнечной и магнитной активности.

Внешняя зона в поперечном разрезе — не кольцо, а два полумесяца, упирающихся «рогами» в зоны полярных сияний. Поэтому на экваторе нижняя граница этой зоны расположена высоко — около 12 тыс. км от поверхности планеты, а в Арктике и Антарктике — очень низко, на высотах 250—500 км. И состав, и энергия, и концентрация частиц во внешней зоне, в отличие от внутренней, очень чувствительны к капризам «солнечной и магнитной» погоды.

Частицы в радиационных поясах должны перемещаться по тем законам, которые мы описали при рассмотрении магнитных бурь: по спирали вокруг силовых Пиний, вдоль магнитных меридианов между зеркальными точками и вокруг планеты вдоль магнитных параллеей. Точки земной поверхности, лежащие на одной магнитной силовой линии, называют сопряженными. Ясно, что геофизические явления, происходящие в таких точках, должны быть тесно связаны. Это в теории. А на практике?

В один из безоблачных августовских дней 1958 г, над маленьким коралловым атоллом — островком Джон-стон в Тихом океане — поднялось грозное облако ядерного взрыва. Американцы взорвали атомную бомбу на высоте около 70 км. Секретнейшее испытание. И вдруг в южном полушарии в 3,5 тыс. км от острова Джонстон, в районе островов Самоа, в тропическом небе вспыхнуло яркое полярное сияние! Архипелаг Самоа и остров Джонстон — сопряженные области. Заряженные частицы, рожденные атомным взрывом, устремились вдоль силовой линии в противоположное полушарие и вызвали сияние, полностью подтвердив теорию.

Атомные взрывы в атмосфере создают искусственные зоны радиации, которые живут годами! Это подтвердили спутниковые измерения после операции «Аргус» (три взрыва в Южной Атлантике на высоте 480 км) и «Старфиш» («Морская звезда») в Тихом океане. Так, атомные взрывы в атмосфере (ныне, правда, уже запрещенные) не только отравляли атмосферу и создавали опасность для жизни и здоровья людей на Земле и в космосе, но и искажали естественную картину состояния магнитосферы, мешали науке.

Радиационные зоны во многом еще останутся загадочной областью. Тайна проникновения и, главное, мощного ускорения заряженных частиц пока полностью не раскрыта. И теоретики, и экспериментаторы упорно работают над этими проблемами. Не так давно проводился, например, советско-французский эксперимент АРАКС. В этом эксперименте возбуждалось искусственное полярное сияние над поселком Согра в Архангельской области. Электроны пришли сюда из южного полушария от пучка частиц небольшого исследовательского ускорителя, поднятого в ионосферу геофизической ракетой над французским островом Кергелен в Индийском океане, близ Антарктики.

В 1976—1979 гг. были проведены международные исследования магнитосферы, в 1979—1981 гг. организован Год солнечного максимума, в 1982—1985 гг. осуществлена Международная программа исследования средней атмосферы, а с 1990 г. стартует гигантский Проект STEP (Solar-Terrestrial Energy Program) — исследования   переноса   энергии   в   системе   Солнце—Земля.

Теперь уже солнечно-земная физика имеет своего покровителя среди международных научных организаций — Специальный комитет по солнечно-земной физике, планирующий, организующий авторитетный орган. Кроме того, физика Солнца, магнитосферы и ионосферы находится в зоне активной деятельности Международного астрономического союза, Международного союза геодезии и геофизики, Международного научного радиосоюза, Комитета по космическим исследованиям и многих других международных ассоциаций и сообществ.

Обмен данными, их совместный анализ, симпозиумы, конференции и семинары, обмен визитами ученых из различных стран — это повседневный рабочий ритм солнечно-земной физики. И здесь мирное сосуществование государств — насущная необходимость ее развития. Солнечно-земная физика, ее лидеры и рядовые исследователи активно способствуют международному деловому сотрудничеству. И нет сомнений, что скоро мы будем свидетелями еще многих удивительных открытий.

Мы живем сейчас в удивительное время. Время стремительное, спрессовывающее года, в секунды, фантастически быстро меняющее облик планеты, технологию, каждый день приносящее ошеломляющие открытия и раскрывающее захватывающие дух перспективы. И в своем неудержимом движении научно-техническая революция увлекает за собой все — мы даже сами иногда не замечаем, как начинаем мыслить и говорить по-другому, в унисон с космическим веком. Говорить... Да, меняется сам язык — чудесное средство общения, взаимопонимания, а в науке — один из способов передачи информации.

Язык науки, на первый взгляд сухой и бесстрастный, в эпоху НТР все больше проникает в живую, яркую, эмоциональную разговорную речь. И, конечно, это процесс взаимный, строгие термины современной науки вдруг приобретают неожиданную образность, метафоричность, звучат то ласково (например, «очарование» элементарных частиц в атомной физике), то сурово («ядерная зима» в докладах экспертов о возможных катастрофических последствиях ядерной войны).

Давно закончился бессмысленный спор «физиков» и «лириков», давно стало ясно, что математика и поэзия намного ближе друг к другу, чем кажется, что ученому для описания своих идей и результатов необходимо все богатство, все краски и оттенки родного языка. Вспомним древних астрономов. Какие звучные и красивые имена дали они на века созвездиям и планетам! И в этой книге встречались обороты и термины, относящиеся скорее к «разговорному жанру», чем к высокой науке. Но без участия воображения все наши сведения о природе ограничились бы классификацией фактов. Есть такие области науки, которые являются общечеловеческими не только по результатам, но и по методам, способам, средствам получения новых знаний.

К проблеме Солнце — Земля это относится полностью. Ограниченный объем книги, да и цель, которую мы себе поставили — дать только общее представление об ионосфере и основах солнечно-земной физики,— не позволили рассказать о многих интересных, хотя и мало еще разработанных, задачах и явлениях.

Что является причиной солнечной активности вообще и ее вариаций в частности? Влияют ли солнечная активность и другие космические факторы на биологическую сферу, на процессы жизни, на живую природу? Связана ли электромагнитная солнечная деятельность с погодой и климатом на нашей планете? Имеются ли магнитное поле и ионосфера у других планет солнечной системы? Нельзя ли использовать на Земле огромную энергию ионосферных процессов?

Эти и многие другие вопросы находятся сейчас на стадии исследования, вызывают бурные научные дискуссии и, естественно, большой интерес у самых широких кругов читателей. Поэтому стоит сказать о них несколько слов.

О причинах солнечной активности, то есть возникновения  пятен, вспышек, протуберанцев и т. д., достоверных данных практически нет. Здесь исследователи пока продолжают накопление экспериментальных данных, пытаются выстроить их в какую-нибудь стройную систему, найти хотя бы надежные эмпирические закономерности. Если это удастся, то можно будет сопоставить их с прогнозом теоретиков и какую-либо из имеющихся гипотез признать теорией.

Так, одна из интереснейших гипотез о причинах солнечной активности и особенно периодичности в ее проявлениях пытается объяснить это явление приливами в атмосфере Солнца. Приливы эти в принципе могут вызываться воздействием на солнечную атмосферу поля тяготения планет Солнечной системы — Юпитера, Земли, Венеры, Марса, Меркурия. Некоторые исследователи нашли в периодических изменениях солнечной активности периоды обращения некоторых планет. Можно считать, что Солнце является чутким прибором, отзывающимся на все изменения силы тяготения вследствие перемещения планет в пространстве. Что же это получается? Не Солнце—Земля, а Земля — Солнце? Здесь есть над чем поразмыслить...

Солнечно-земная физика не только пользуется результатами других научных дисциплин, но и вносит в них свой вклад. Прежде всего, конечно, космические исследования играют заметную роль в фундаментальной физике плазмы. А в астрофизике? Ведь свойства плазмы в системе Солнце — Земля служат как бы мостиком от экспериментов в ограниченной по объему лабораторной плазме к генераторам плазмы космического масштаба, частицам сверхвысоких энергий. Система Солнце—Земля и для будущих поколений будет долго оставаться единственной астрофизической системой во Вселенной, доступной для прямых измерений. Если удастся понять, как работает эта система, то можно будет получить полезную информацию для понимания природы солнечно-планетных связей и для других звездных систем.

Сравнительное изучение таких характеристик планет, как их магнитосфера, ионосфера и атмосфера, очень полезно и важно для восприятия Солнечной системы как единого целого. Иногда изучение других планет заставляет по-новому взглянуть на солнечно-земные связи.

О магнетизме других планет имеется достоверная информация, полученная с помощью космических аппаратов. Луна, по-видимому, обладает слабым магнитным полем. Но судя по намагниченности лунных пород на Луне в принципе могут быть сильные магнитные аномалии.

Несколько планет обладает достаточно сильными собственными магнитными полями, чтобы затормозить солнечный ветер и образовать магнитосферы выше ионосфер. Это Меркурий, Земля, Юпитер, Сатурн, а может быть, и Марс. У Меркурия магнитосфера почти аналогична магнитосфере Земли, но большую часть ее объема занимает сама гигантская твердая планета. Более того, на Меркурии нет собственной атмосферы и радиационных поясов.

Магнитосфера планеты-гиганта Юпитера несколько отличается по форме от земной. В отличие от земной магнитосферы, для которой основным источником частиц является солнечный ветер, источником захваченных частиц в магнитосфере Юпитера является ионосфера самого Юпитера и тороидальная область с тяжелыми ионами и электронами, окружающая эту планету вблизи орбиты его спутника Ио.

Космические аппараты «Пионер-11» и недавно «Вояджер-1» и «Вояджер-2» обнаружили, что магнитосфера Сатурна больше похожа на земную, чем магнитосфера Юпитера. Интересно, что знаменитые кольца Сатурна сильно влияют на захваченные частицы и, следовательно, на магнитосферные возмущения. Советские и американские автоматические станции серии «Венера» и «Маринер», космические ракеты-зонды, посланные к Марсу, показали, что общепланетарное магнитное поле Венеры и Марса невелико: гораздо слабее, чем у Земли.

Поэтому солнечный ветер иногда может взаимодействовать прямо с атмосферой, участвуя в создании ионосфер этих планет. В солнечном ветре Венеры и Марса, так же как и в солнечном ветре Земли, образуются ударные волны, но их фронты располагаются гораздо ближе к поверхности планет, чем у Земли. Однако обе планеты имеют с ночной стороны плазменные шлейфы, напоминающие хвост магнитосферы Земли. Космические аппараты и наземные радиолокаторы уже дали многочисленные сведения об ионосферах Венеры и Марса. У нас уже есть представление и о дневных, и о ночных условиях на этих далеких планетах. Но дискуссии о природе их плазменных оболочек продолжаются, в связи с чем и планируются новые эксперименты.

Интенсивно изучаются и атмосферы планет. Они очень разнообразны по массе, составу, тепловому режиму. Ближе всего к земной по размеру, температуре поверхности и солнечной освещенности атмосфера Марса. Но давление в атмосфере Марса и поверхности составляет только 1 % приземного и атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа. Гигантские горы и впадины на поверхности Марса существенно влияют на систему ветров в его атмосфере. Ветры у поверхности очень сильны — скорость их достигает иногда 60 км/ч. Время от времени случаются сильнейшие пылевые бури.

Зато на Венере, где основной компонент атмосферы — тоже углекислый газ, давление у поверхности в 90 раз больше приземного, а температура составляет около 400 °С. Крупномасштабная циркуляция в этой плотной, похожей на океан атмосфере приводит к тому, что температура сохраняется практически неизменной днем и ночью на экваторе и на полюсе. Скорости ветров здесь просто фантастические — до 100 км/ч, и это в такой плотной атмосфере. Теперь понятно, какой запас прочности должен быть у космических аппаратов, садящихся на поверхность Венеры?

В атмосферах Венеры и Юпитера были обнаружены молниевые разряды. Пока трудно понять механизм их возникновения в атмосферах, где нет облаков, состоящих из частиц льда и капель воды, как на Земле. Но понять его необходимо, хотя, честно говоря, мы плохо знаем процесс генерации молниевых разрядов и возникновения таких явлений, как шаровые молнии, и в земных условиях.

В последние годы множество событий заставило общество проявить пристальное внимание к чисто практическим последствиям солнечно-земных связей. И одно из них — падение на Землю космической лаборатории США «Скайлэб». Когда последний астронавт в 1974 г. покинул лабораторию, считалось, что космический аппарат выведен на безопасную орбиту. Там он должен был ожидать прибытия одного из первых челночных космических кораблей многоразового использования типа «Шаттл». Корабль должен был подтолкнуть аппарат, перевести на более высокую орбиту. И здесь лаборатория должна была дожидаться расконсервации.

Увы, план этот был сорван, что обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, задержками выполнения программы «Шаттл», а во-вторых — быстрым ростом солнечной активности в период, близкий к годам максимума. Рост солнечной активности привел к тому, что атмосфера на высоте орбиты стала горячее и плотнее, это усилило торможение «Скайлэба», и орбита стала опускаться гораздо быстрее, чем ожидалось. Точно предсказать место падения оказалось весьма не просто, и газеты разразились предсказаниями катастрофы и гневными выпадами в адрес неугомонных «яйцеголовых», ученых, от которых опять одни неприятности. К счастью, павший жертвой солнечной активности «Скайлэб» упал в пустынном районе Северной Австралии, не причинив особого вреда.

А вот еще один аспект проблемы освоения космической плазмы. На протяжении всей истории нашей цивилизации производство энергии всегда было проблемой номер один. Сейчас энергетика почти целиком основана на невозобновляемых источниках энергии (это уголь, нефть, газ, ядерное топливо и т. п.), и мы порой уже сталкиваемся с их острой нехваткой. А где взять возобновляемые? Может быть, в космосе? Фантастика? Да, пока почти фантастика. Но сколько вполне реальных технических решений начиналось с фантастики?

Идея использования практически безграничного источника энергии — Солнца — отнюдь не новая, но очень заманчивая. Я говорю не о гелиотехнике, где тепло и свет с помощью специальных зеркал или фотоэлементов преобразуется в тепло и электричество. Речь идет о попытках найти способы использования той части энергии Солнца, которая преобразуется в электрическую в самой ионосфере. Ресурсы такой энергетики порядка 1010 кВт, что соответствует энергии 10 тыс. атомных электростанций мощностью 1   млн кВт каждая.

Установки, которые непосредственно — без паровых, газовых, гидравлических турбин — преобразуют тепловую энергию в электрическую, уже известны. Это так называемые магнитогидродинамические генераторы (МГД). Магнитная гидродинамика — это наука о движении проводящей электричество жидкости или электропроводящего газа. Проводником, пересекающим магнитное поле, в МГД-генераторах является низкотемпературная плазма, газ, нагретый до нескольких тысяч градусов и содержащий добавки легко ионизируемых веществ (для повышения электропроводности). Если плазму довести до необходимой скорости (а это можно сделать и за счет ее внутренней энергии), то при движении поперек магнитного поля на ее частицы будет действовать электродвижущая сила. Замкнем электроды на какую-нибудь внешнюю нагрузку — по такой цепи пойдет электрический ток. Подобные генераторы существуют, они работают на Земле, находятся под промышленной нагрузкой.

Но ведь мы говорили, что движение космической плазмы в магнитном поле Земли происходит и в ионосфере. Скорости ионосферных дрейфов достигают сотен метров в секунду, а в периоды геомагнитных возмущений даже больше. Уже на высотах областей D и Е ионосферы в плазме индуцируется электродвижущая сила, направленная как поперек, так и вдоль ее потока. В результате в ионосфере возникает круговой электрический ток в направлении с востока на запад и продольный ток в направлении к Земле (положительные ионы движутся к Земле, а электроны — от Земли). Схема генерации электрического тока в ионосферной плазме аналогична принципу действия МГД-генератора. Можно сказать, конечно условно, что в освещенной Солнцем части ионосферы располагается источник энергии (МГД-генератор), а в ночной части — приемник энергии (МГД-двигатель). Вместе с проводами (токопроводящей плазмой) источник и приемник образуют замкнутый контур. При вращении Земли вокруг своей оси ионосферная плазма совершает цикл тепловой машины, расширяясь и сжимаясь в соответствии с изменением температуры в суточном цикле. Приблизительные оценки показывают, что в ионосферном МГД-генераторе сила тока 100 млн. А, напряжение в приземной области ионосферы 200 тыс. В! В результате непрерывного взаимодействия ионосферного кругового тока с магнитным полем Земли происходит разделение электрических зарядов: положительный заряд скапливается на нижней границе ионосферы, а электроны — на внешней границе, в районе радиационных поясов. Положительный заряд внутренней поверхности ионосферы, возможно, обусловливает отрицательный заряд на поверхности Земли. Получается гигантский сферический конденсатор, его обкладки — ионосфера и Земля, а диэлектрик между ними — неэлектропроводящий воздух. Можно даже измерить напряженность электрического поля в таком конденсаторе: у поверхности Земли она равна примерно 130 В/м, с высотой она падает и уже на высоте 20—30 км ничтожно мала.

Это, конечно, прекрасно, что в космосе все есть — и генераторы, и токи, и поля, и конденсаторы — в общем все элементы электростанции. Но как все это использовать для совершения полезной работы на Земле? Как сделать проводники, соединяющие космический генератор и электроплиту в нашей квартире? Вот тут имеется полный простор для фантазии. Мощные кабели на опорных башнях высотой 100 км (!), столбы ионизированного воздуха, создаваемые на вершинах гор путем специального нагрева с добавками легко ионизируемого вещества (как в промышленных МГД-генераторах), организация время от времени «пробоя» конденсатора ионосфера — Земля путем облучения воздуха мощным потоком жесткого ионизирующего излучения от ядерных реакторов и создания «плазменных столбов» между Землей и ионосферой и т. п. и т. д. А для пропускания сверхсильных токов по цепи, работающей сверхвысоким напряжением, на тысячи километров предлагается, естественно, использовать сверхпроводящие материалы. Благо физики уже получили в лабораториях сверхпроводимость не только при сверхнизких температурах, но и при температурах, не требующих криогенной техники.

При осуществлении столь гигантских проектов возникают, правда, такие «мелкие» вопросы, как проблема сохранения ионосферы вообще при разрядке космического конденсатора (значит, разрядка допустима процентов на десять, не более), проблема мощных перемещений воздушных масс, проблема их влияния на механизм образования циклонов и антициклонов в атмосфере, то есть воздействия на погоду, проблема загрязнения атмосферы окислами азота при горении разряда в плазменном столбе и многие другие. Так что, уважаемый читатель, продумывая проекты будущей космической энергетики, соблюдайте, пожалуйста, осторожность, а то как бы не разбить вдребезги это «волшебное зеркало планеты»...

Человек очень давно заметил, что магнитные поля обладают биологическим действием. Особенно сильно воздействуют на живые организмы и растения сильные магнитные поля напряженностью в несколько тысяч эрстед. Очень чувствительна, например, к воздействию магнитных и электрических полей кровь. Магнитное поле Земли не отличается большой силой, но действует постоянно. Возможно, его изменения, особенно во время сильных магнитных бурь, могут отразиться на биологических процессах, непрерывно происходящих в живых организмах.

Наблюдательные медики опубликовали очень много данных о наличии хорошего согласия, или — выражаясь языком математической статистики — высокой корреляции, между колебаниями различных индексов солнечной и геомагнитной активности (например, числа Вольфа) и возникновением различных эпидемий (например, чумы, холеры, гриппа и т. д.), эпизоотиями, повторяемостью различных заболеваний и увеличением смертности, нарушениями сердечной деятельности и т. п., и т. д. Различные характерные функциональные расстройства наблюдаются и у людей, экранированных от естественного магнитного поля (например, у экипажей подводных лодок в длительном автономном плавании), и у тех, кто работает в сильных магнитных полях (например, работающих у электролизных ванн на алюминиевых и металлургических заводах). Конечно, нет оснований думать, что электромагнитное излучение Солнца может быть причиной эпидемий или болезней, но оно, пожалуй, может регулировать их во времени и по интенсивности. Сейчас широко обсуждается такая точка зрения, что на здоровый организм изменения внешней среды, в том числе электромагнитных полей, действуют слабо. А для больного организма, с нарушенной способностью к восстановлению, солнечная вспышка может оказаться губительной. Можно спорить, утверждать или отрицать принципы гелиобиологии, но отмахнуться от этой проблемы уже нельзя.

Основной вывод, к которому пришли исследователи,— резкие апериодические колебания экологических факторов оказывают влияние прежде всего на физико-химические процессы в биологических системах. Это создает напряжение на субмолекулярном и молекулярном уровнях и в конечном итоге приводит к функционально-структурным изменениям в организме.

Сейчас активно обсуждаются две гипотезы. Одна связывает возмущения геомагнитного поля и избыточное излучение во время солнечных вспышек и полярных сияний с изменением проницаемости так называемых биологических мембран. Согласно же другой, среда взаимодействует с электромагнитными полями самих биологических систем и при этом возможен резонанс, резкое усиление эффекта.

Сибирский филиал Академии медицинских наук СССР сейчас ведет исследования по комплексной научной программе «Солнце — климат — человек», проводит глобальный синхронный эксперимент для изучения медико-биологического действия гелиокосмофизичес-ких, геофизических и метеорологических факторов. Для освоения Арктики эти исследования имеют огромное значение.

Публикации на тему гелиобиологии захлестнули популярные издания. Но здесь есть большая опасность — принять желаемое за действительное. К сожалению, фанатичные сторонники какой-либо идеи часто добросовестно (я подчеркиваю, добросовестно) заблуждаются, не придавая должного значения фактам, их теорию не подтверждающим, и преувеличивая случаи, ее подтверждающие. Уж очень хочется помочь страждущему человечеству. Я не хочу здесь говорить о «провидцах», сознательно спекулирующих на общественном интересе к какой-либо проблеме, будь то прогноз погоды, прогноз катастроф или прогноз опасных для здоровья периодов. Просто, одно дело — гипотезы, идеи, предположения и дискуссии, а совсем другое — практические рекомендации. И я, например, против того, что в некоторых наших центральных газетах печатаются даты «неблагоприятных дней» для гипертоников и сердечников, вычисленные на основе якобы точных прогнозов солнечной и геомагнитной активности.

Во-первых, столь точного прогноза пока просто не существует. Во-вторых, даже если геомагнитное возмущение и есть,- то внимательный читатель этой книги, надеюсь, понял, что следствия его будут различны, например, на Новой Земле и в Кушке. Но газету получают и там, и там. И самое главное — с больными людьми, особенно пожилыми, надо быть предельно осторожными, ведь для них многое определяется состоянием нервной системы, психологическим настроем. Если человек с пораженной сердечно-сосудистой системой или мной патологией будет неделю со страхом ждать «черного дня», он в этот день с большой долей вероятности будет чувствовать себя плохо без всякой магнитной бури. Не надо торопиться, пусть только врачи-специалисты получат эту «достоверную» информацию, пусть усилят на всякий случай контроль за своими подопечными в такие дни. От этого хоть вреда не будет.

Очень интересная ситуация сложилась сейчас с проблемой воздействия солнечной активности на погоду и климат. Долгие годы метеорология — наука, изучающая главным образом физические процессы в самом нижнем слое атмосферы, тропосфере,— обходилась без учета космических факторов. Но полеты человека в космос поставили перед многими науками вопрос: как влияют эти космические факторы на течение земных процессов? Встал этот вопрос и перед метеорологией. Впервые было поколеблено казавшееся незыблемым представление, что погода и климат определяются только тепловым воздействием солнечного излучения, а электромагнитные явления к ним отношения не имеют.

Между тем, очень давно — как только стала известна цикличность солнечной активности —аналогичные циклы стали находить во многих земных явлениях. Вот, скажем, самый четкий — 11-летний цикл в появлении солнечных пятен, в изменениях числа Вольфа, о котором мы говорили в главе о Солнце. Он хорошо проявляется, например, в приросте древесины. Видели ли вы когда-нибудь пень — то, что осталось от спиленного старого дерева? Если внимательно приглядеться, то можно увидеть систему окружностей с общим центром в срединной части ствола. Это так называемые годичные кольца. Каждый год дерево становилось толще, нарастало очередное кольцо. Если толщину этих колец измерить, то можно увидеть, что она меняется от года к году (так как каждый год меняется количество тепла и света, влажности и т. п.). А если расположить полученные цифры в последовательный ряд и построить график межгодового изменения, то можно получить рисунок, очень похожий на тот, который мы уже видели, когда обсуждали вариации солнечной активности: каждые 11 лет максимум! В Америке растут огромные деревья — секвойи — они живут сотни лет. И на спиле таких деревьев 11-летняя цикличность видна особенно хорошо.

Влияние солнечной активности можно проследить, изучая многие другие явления — изменения уровня озер и грунтовых вод, стока рек, толщины отлагающегося на дне водоемов ила, ледовитости морей, повторяемости засух, ураганов и ливней, годовых температур. Были найдены и более короткие циклы: например, хорошо выраженный 27-суточный  цикл  погоды. А ведь Солнце делает полный оборот вокруг своей оси именно за 27 суток! Исследователи обнаруживают все больше доказательств того, что погода чувствительна к солнечным взрывам — хромосферным вспышкам, особенно в некоторых районах земного шара. Например, очень чувствительными к космическим воздействиям оказались район Исландии и район Азорских островов в Атлантическом океане, а также Аляска, северо-западная оконечность Американского материка. Иногда резкое изменение погоды происходит прямо в день хромосферной вспышки, а иногда — несколько дней спустя.

Поток экспериментальных данных о солнечно-погодных связях непрерывно увеличивается. Но прогноз погоды сам по себе представляет очень сложную проблему. А тут еще надо учитывать солнечную активность, которую тоже предсказать, ох, как нелегко! Поэтому у гипотезы о воздействии солнечной активности на погоду есть не только сторонники, но и убежденные противники. Главный их козырь — это то, что пока не придуман ясный физический механизм такого воздействия. Дело в том, что энергия погодных процессов (дождь, снег, сильные ветры, облачность) очень велика, во много тысяч раз больше энергии, приходящей в тропосферу, скажем, от хромосферной вспышки.

Как же, спрашивается, столь ничтожная причина вызывает столь могучее следствие? Ответить на этот вопрос трудно. Но можно.

Представьте себе крутой снежный склон высоко в горах. Здесь скопились огромные массы снега. Идет цепочка альпинистов. Кто-то громко крикнул. И... катастрофа! Снежная лавина устремляется вниз по склону, сметая все на своем пути. Колоссальная энергия лавины в миллионы раз больше энергии звуковых колебаний. И все-таки неосторожный крик был причиной лавины. Такой механизм действует, как спусковой крючок у ружья. Легкое нажатие — и выстрел! Может быть, аналогичным образом и солнечная вспышка действует на неустойчивые атмосферные явления...

Может быть. Но пока абсолютной уверенности в этом нет, противники идеи будут утверждать, что все эти данные о солнечно-погодных связях — более или менее удачные опыты по самовнушению. Ведь все явления, о которых мы сейчас говорили, зависят не от одной, а от очень многих причин, и выявить, какая из них ведущая,  главная,  не так-то просто. Для  этого необходимы и   длительные   наблюдения,   и   сложные   эксперименты, и развитая физическая теория.

Строгой теории пока нет, но гипотезы, и вполне разумные, уже есть. Ведь термосфера и средняя атмосфера являются стоками энергии, которую несет солнечная радиация в спектре электромагнитного излучения в потоке солнечных корпускул, а также энергии межпланетного магнитного поля, содержащейся в солнечном ветре.

Протонные вспышки на Солнце порождают корпускулярные потоки, которые проникают в верхнюю атмосферу в зоне геомагнитных полюсов. Эти частицы могут проникнуть в атмосферу до уровня стратосферы и даже ниже. Дополнительный нагрев верхней атмосферы в зоне полярных шапок, по мнению некоторых ученых, приводит к углублению исландского минимума и усилению интенсивности зональных ветров. В принципе подобный эффект могут произвести галактические космические лучи (надо только оценить точно, хватит ли суммарной энергии), и тогда их интенсивность также будет зависеть от цикла солнечной активности, высоты, магнитной широты и изменений межпланетного магнитного поля.

Если какие-либо энергичные частицы могут проникнуть в тропосферу и произвести ионизацию, то образующиеся в результате ионы становятся ядрами кристаллизации. За счет разности давления насыщенного водяного пара надо льдом и водой на этих ядрах кристаллизуется водяной пар из окружающего воздуха и появляются облака типа перистых. Этот процесс моделировался в лаборатории, а статистические расчеты показали, что в периоды высокой солнечной активности действительно чаще наблюдаются перистые облака. Влияние перистой облачности на климат, как утверждают специалисты-метеорологи, весьма заметно.

В цепочке Солнце — погода определенную роль могут играть озон и другие малые примеси в атмосфере. Химические процессы, в результате которых они образуются и исчезают, в принципе зависят и от температуры, и от состава солнечного излучения. Связь эта нелинейная, то есть взаимная.

Некоторые гипотезы связывают долгосрочные климатические изменения под действием солнечной активности со смещением геомагнитных полюсов, о котором мы уже упоминали. Действительно, положение геомагнитных полюсов, то есть топология магнитного поля планеты, конечно, будет менять условия взаимодействия солнечных корпускулярных потоков с атмосферой. В соответствии с этой гипотезой в те периоды, когда геомагнитный полюс был ближе к Европе, климат ее, особенно в холодное время года, был теплее. А когда полюс был в восточной части Северного Ледовитого океана, на Европу двигались холодные арктические воздушные массы.

Вопрос о связи между солнечной изменчивостью и климатом имеет огромное практическое значение, поскольку водоснабжение и сельское хозяйство во многих регионах мира находится на пределе устойчивости. Возможность надежного прогноза климатической изменчивости очень важна для экономического планирования и распределения ресурсов в региональном, национальном и международном масштабах.

Самые авторитетные научные комитеты, занимающиеся сейчас перспективным планированием научных исследований, признают солнечно-погодные связи важной областью. Солнечно-земные связи в настоящее время изучаются в самых разных областях науки. Мы уже упоминали биологию и метеорологию. Но вот недавно солнечной активностью заинтересовались... сейсмологи. Каждый день на нашей планете происходит множество мелких землетрясений. Но иногда они бывают столь мощными, что превращают в руины целые города, вызывают громадные океанские волны (цунами), становятся причиной гибели десятков тысяч людей. Человечество давно стремится разгадать тайну механизма землетрясений, понять их причины. Только тогда можно будет заранее предсказывать их появление, принимать какие-то меры, чтобы уменьшить причиняемый ими ущерб.

Геологи считают, что землетрясения связаны с механическими напряжениями и движениями в земной коре. Эти напряжения и движения сами зависят от вращения Земли вокруг своей оси. А если Земля вращается не так уж равномерно? Может быть, это вращение внезапно тормозится или ускоряется, а может быть, даже сама ось от вращения меняет свое положение? Когда вы едете в машине и она резко тормозит, сила инерции срывает вас с сиденья и кидает вперед. Грозные силы инерции могут вызвать и землетрясения, если затормозится в своем вращении планета.

Так может ли это быть? Двести с лишним лет тому назад, в 1752 г., Берлинская академия наук объявила конкурс на лучшее исследование, которое ответило бы на следующие вопросы: «Было ли суточное вращение Земли всегда одинаковой скорости, какими способами можно в этом убедиться и, если вращение неравномерно, какая этому причина?» Сначала ответ был один — продолжительность суток не меняется никогда ни на секунду. Но ответ был неверным. Еще каких-нибудь сто лет, и это стало очевидным — было доказано, что длина суток не постоянна, а все время меняется. Еще сто лет — и изменения удалось точно подсчитать. С 1887 по 1944 г., то есть за 57 лет длина суток увеличилась на 34,3 с, или в среднем на 0,6 с в год. И самое главное — изменение скорости вращения происходит не равномерно, а скачками. Резкие изменения могут происходить за короткие промежутки времени.

В чем причина этих резких скачков? Несколько лет назад группа крупных ученых выдвинула идею, что скачки обусловлены изменениями солнечной активности и проникновение энергии солнечного ветра (например, во время магнитной бури) приводит к увеличению скорости суточного вращения Земли. Сопоставляя индексы солнечной активности и сейсмической энергии за много лет, исследователи пришли к выводу, что солнечная активность играет большую роль и в медленных изменениях скорости вращения Земли.

Кстати, не только землетрясения, но и уровень океанов, приливы и отливы, система теплых и холодных течений, а следовательно, погода и климат — тоже зависят от скорости вращения нашей планеты. Так, при увеличении скорости вращения Земли льды подступали к берегам Исландии и Гренландии, а при ее уменьшении ледовитость этих районов понижалась, а Девисов пролив полностью очищался ото льда. Как видите, снова замыкается цепочка Солнце — погода.

Люди постоянно ищут «предвестники» землетрясений. Уже точно известно, что перед землетрясениями меняются свойства подпочвенных вод, их уровень (такие измерения проводились в сейсмоактивных регионах), многие живые организмы ведут себя необычным образом. Естественно, когда появились системы постоянного слежения, постоянного контроля околоземного космического пространства, возник и вопрос: нельзя ли на ионограммах или магнитограммах увидеть грозное предупреждение грядущих катастроф? Можно даже придумать и физический механизм, физическую гипотезу, делающую   этот   вопрос   не  таким   уж   бессмысленным.

Действительно, существуют такие горные породы, у которых изменение свойств механических тесно связано с изменением свойств электрических. Существует и такое явление «пьезоэлектрический эффект». Оно состоит в том, что при механических деформациях кристаллов в определенных направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков, то есть они становятся источником электрического поля. Пьезо-эффект характерен для кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария, цинковой обманки и других веществ.

Так почему ж не предположить, что при гигантских механических напряжениях в земной коре, предшествующих землетрясениям, не появляются электрические поля, которые могут повлиять на электрические свойства волновода Земля — ионосфера, способны проникнуть в ионосферу и воздействовать на движение заряженных частиц? Что же, это вполне разумное предположение. Дело за «небольшим» — научиться видеть этот эффект и выделять его на фоне и без того изменчивых и сложных электромагнитных полей и распределений заряженных частиц в приземной плазме, найти способ, метод, правила для такого «распознавания образов». Ищем. Удачные прогнозы обнадеживают, а ошибочные — заставляют вести поиски еще упорнее.

Много проблем, много загадок, много гипотез. Надо постигать окружающее пространство, надо его использовать, но надо его и оберегать. С полным основанием можно говорить об экологии космической плазмы. Мы уже касались этой проблемы, говоря об «озонном щите» планеты. А вот другой пример из недалекого будущего: создание солнечных энергетических установок в космосе может потребовать и разработки ионных двигателей для выведения этих установок с низких орбит на геостационарные, когда космический аппарат постоянно находится над одной точкой земной поверхности, то есть вращается не вокруг Земли, а вместе с ней. Внесение чужеродных элементов, содержащихся в выхлопах этих двигателей, в верхнюю атмосферу и магнитосферу может нарушить естественный состав частиц в пространстве и устойчивость радиационных поясов. Прохождение мощных пучков микроволнового излучения от солнечных энергетических станций через ионосферу может оказать отрицательное воздействие на радиосвязь.

Человечество должно быть заинтересовано в том, чтобы создаваемые им возмущения, даже небольшие и слабые, не вызывали триггерных катаклизмов, неуправляемой цепной реакции. Мы еще недостаточно долго населяем Землю и видели только очень малую часть того пути, который прошла наша планета, а уже вмешиваемся в механизмы управления космического корабля «Земля».

Много неизвестных в той задаче, которую мы решаем. Гораздо больше, чем удалось определить за те годы, что существует сравнительно молодая наука — солнечно-земная физика. Что же, тем интереснее работать, И тем, кто придет в науку, хочу напомнить два высказывания Льва Давидовича Ландау: «Ввиду краткости жизни мы не можем позволить себе роскошь тратить время на задачи, которые не ведут к новым результатам» и «Главное, делайте все с увлечением, это страшно украшает жизнь!».

Константин Петрович Феоктистов

21 ноября 2009 г. на 84-м году жизни скончался летчик-космонавт, герой Советского Союза, последний из участников первого в истории космического экипажа Константин Петрович Феоктистов.

Он прожил долгую и интересную жизнь — самую долгую из всех советских космонавтов, среди которых он к тому же был единственным беспартийным. О полете в космос Костя Феоктистов начал мечтать еще в детстве. Эта мечту он пронес через военные годы» когда чуть не погиб, выполняя разведзадание в немецком тылу. Она Привела его сначала в Высшее техническое училище имени Баумана, а потом — в конструкторское бюро ОКБ-1, где он под руководством Сергея Королева участвовал в разработке первых пилотируемых космических кораблей «Восток» и «Восход». Второй из них ему выпала честь испытать «в деле», совершив на нем 12-13 октября 1964 г. вместе с Владимиром Комаровым и Борисом Егоровым 16-витковый полет продолжительностью 24 часа 17 мин. Позже космонавт Феоктистов участвовал в разработке пилотируемых кораблей «Союз» и грузовых «Прогрессов». В1967 г. ему была пр исвоена степень доктора технических наук, еще через два года — звание профессора. В 1990 г. он перешел на преподавательскую работу в свою альма-матер — теперь это Московский государственный технический университет.

Константин Феоктистов до последних своих дней оставался участником активного освоения космоса человеком. После того, как в октябре 1980 г. из-за проблем со здоровьем он был отстранен от подготовки к полету на корабле «Союз Т-3», ветеран советской космонавтики делал все возможное, чтобы помочь другим подняться за пределы атмосферы. Его заслуги в популяризации науки трудно переоценить — равно как и непосредственный вклад в нее, до сегодняшнего дня измеряемый многочисленными космическими стартами. Именем Феоктистова назван кратер на обратной стороне Луны.

Невидимая материя: «подсказка» Fermi

Загадочная «темная материя» продолжает интриговать научное сообщество. Хоть многие его представители по-прежнему сомневаются в существовании этого таинственного компонента мироздания, однако доказательства его реальности продолжают поступать по мере прогресса техники наблюдений и вычислений. Последний «сюрприз» в этом отношении преподнес орбитальный телескоп Fermi — самый совершенный астрономический инструмент, предназначенный для регистрации высокоэнергетического излучения в гамма-диапазоне электромагнитного спектра. И даже не столько телескоп, сколько группа ученых, обрабатывающая полученные им результаты.

Говоря о «темной материи», не следует отождествлять ее со «скрытой массой» — обычным веществом, состоящим из уже известных науке элементарных частиц (барионов), излучение которого мы по какой-то причине не можем зарегистрировать. К этой категории, составляющей значительную часть массы Вселенной, относятся коричневые карлики (звезды, масса которых недостаточна для поддержания энерговыделения за счет термоядерного синтеза), планетоподобные тела, наконец, нейтронные звезды и черные дыры — сверхплотные объекты, которые никак себя не проявляют, не имея в окрестностях достаточного количества взаимодействующего с ними вещества. Кроме всего этого разнообразия, существует также малоизученная трудноуловимая частица нейтрино с ненулевой массой покоя, которая не относится барионам. Лишь немногим более четверти века назад ученые впервые сумели ее достоверно зарегистрировать. Бесчисленные множества нейтрино пронизывают пространство во всех направлениях, при этом проникнуть сквозь толщу земного шара для них ненамного сложнее, чем сквозь космический вакуум, и столь же легко они «обходят» всевозможные измерительные приборы.Тем не менее, массу всех перечисленных компонентов Вселенной можно примерно оценить, зная параметры ее «видимой части».

В 1937 г. швейцарский астроном ФрицЦвикки (Fritz Zwicky) опубликовал результаты измерения скоростей галактик в скоплении, видимом в созвездии Волос Вероники. Эти результаты оказались необъяснимыми в рамках тогдашних представлений. «Наблюдаемой» массы скопления было явно недостаточно для того, чтобы взаимное гравитационное притяжение его членов удержало их вместе — двигаясь со столь высокими скоростями, они давно должны были рассеяться в пространстве. Таким образом, в скоплении должна была присутствовать какая-то огромная неучтенная масса.

Так возникли первые предположения о наличии совершенно непонятного компонента мироздания — «темной материи», абсолютно не излучающей в электромагнитном диапазоне и влияющей на «обычное» вещество исключительно посредством гравитации. Чем чаще астрономы сталкивались с ее проявлениями, тем выше оказывались оценки ее «вклада» в общую массу Вселенной. Согласно современным данным, масса «темной материи» в несколько раз больше всех потенциально регистрируемых объектов, состоящих из материи барионной.

Параллельно «в игру» вступили физики, попытавшиеся теоретически предсказать, из чего эта загадочная материя состоит и каковы ее свойства. В некоторых моделях допускалась возможность ее превращения в более «привычные» частицы, присутствие которых уже можно попробовать уловить с помощью существующих детекторов. Интересно, что другие ученые такое превращение категорически отрицали, основываясь, в общем, на тех же данных.

Понятно, что, не прибегая к непосредственным наблюдениям, разобраться в этом споре невозможно. Методика таких наблюдений основана на очевидных предпосылках: всевозможные процессы связанные с частицами темной материи, более вероятны в местах ее повышенной концентрации, которая, в частности, должна иметь место вблизи массивных сгущений «обычного» вещества (с ним, напомним, темная материя взаимодействует посредством сил тяготения). Такими местами, среди прочего, являются центры галактик. И вот при расшифровке информации, переданной космическим аппаратом WMAP, ученые действительно обнаружили избыток микроволнового излучения в направлении центра Млечного Пути. Этот эффект получил неофициальное название «дымки WMAP».

Наибольшего напряжения страсти достигли в середине 2008 г., когда стало известно об избытке позитронов высокой энергии в окрестностях Солнца, обнаруженных в ходе международного научного эксперимента PAMELA на борту российского спутника «Ресурс-ДК». Они вполне могли рождаться при самопроизвольном распаде или взаимной аннигиляции экзотических частиц, из которых предположительно состоит темная материя.

«Сомнительные» результаты были опубликованы не сразу — участники эксперимента собирались представить их вместе с убедительными объяснениями. Но даже после публикации однозначной трактовки они не получили. Многие ученые вообще полагают, что речь идет о неучтенных систематических ошибках в работе аппаратуры PAMELA. А между тем научное сообщество замерло в ожидании данных от обсерватории Fermi, выведенной на околоземную орбиту 11 июня 2008 г.

По правилам рабочей группы телескопа, полученные данные могут появляться в открытой печати лишь спустя год после их расшифровки (чтобы дать возможность«своим»теоретикам снять с них главные «научные сливки»). Год истек в начале осени, но одна группа теоретиков решила не дожидаться положенного срока и нарушила молчание двумя месяцами ранее. Если верить их статье, Fermi действительно «рассмотрел» избыток высокоэнергетического излучения в направлении на галактический центр. Более того, предварительный анализ показал, что это излучение может возникать с участием именно тех частиц, наличие которых предполагалось и в эксперименте PAMELA.

Когда данные Fermi наконец-то были опубликованы, ученые повторили свой анализ и смогли уже с большей уверенностью заявить: помимо «дымки WMAP», имеется также «дымка Fermi», существование которой неплохо объясняется гипотезой распада или аннигиляции темной материи. На эту работу, проведенную под руководством Грегори Доблера из Гарвардско-Смитсонианского центра астрофизики (Gregory Dobler, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), уже не стыдно ссылаться даже самым серьезным специалистам, хотя ее результаты не слишком отличаются от выводов прежней работы той же группы.

Есть, правда, одна важная оговорка. Даже если аномальное количество электронов и позитронов высокихэнер-гий в районе центра Млечного Пути существует (а сомнений в этом уже почти не осталось), их происхождение из частиц темной материи еще нужно доказывать. В принципе, их также могут порождать, например, ударные волны от вспышек сверхновых или все те же нейтронные звезды, остающиеся на месте таких вспышек. Все это в изобилии присутствует в центре нашей Галактики по той причине, что там имеется большая концентрация гигантских звезд, сравнительно короткий жизненный цикл которых завершается взрывами сверхновых. И пусть альтернативные модели приходится «притягивать за уши» — для многих это все-таки более приемлемое объяснение, чем какая-то там «темная материя».

К лагерю скептиков относится и профессор Стэнфордского Университета Эллиот Блум (Elliot Bloom, Stanford University)—один из немногих «чистых» теоретиков, входящих в команду эксперимента Fermi. В душе этому человеку наверняка приходится бороться с самим собой: полжизни он посвятил именно перспективам косвенного объяснения природы темной материи, но в последнее время ему пришлось стать суровым критиком выводов чрезмерно ретивых сторонников ее существования. Именно ему чаще всего выпадает комментировать работы вроде статьи Доблера и убеждать коллег и журналистов, что делать из этих выводов сенсации как минимум преждевременно.

Однако, по иронии судьбы, именно с работы Блума, представленной от лица рабочей группы в виде постера на симпозиуме Fermi-2009, проходившем со 2 по 5 ноября в Вашингтоне, может начаться очередной эпизод в истории с наблюдательным обнаружением темной материи. Блум справедливо рассудил: чтобы исключить альтернативу с ускорением электронов на ударных волнах, нужно смотреть туда, где сверхновые не взрываются. В идеале — туда, где звезд нет вообще, а темная материя, по идее, должна присутствовать. Если верить астрономам, такие «беззвездные» облака темной материи действительно могут окружать нашу Галактику: теория предсказывает, что вблизи нее должно находиться как минимум на порядок больше карликовых галактик, чем наблюдается в действительности.

Чтобы найти то, что не освещают звезды, Блуму и его коллегам пришлось перелопатить весь архив данных Fermi в поисках протяженных объектов, гамма-излучение которых соответствует модели распада или аннигиляции частиц темной материи. При этом такие объекты не должны совпадать с известными источниками, а поток фотонов от них не должен меняться со временем.

После тщательных поисков были отобраны 54 протяженных источника, выделявшихся над фоном как минимум на четыре стандартных отклонения. Последовательно рассмотрев каждый из них, ученые отбросили 50 потенциальных «беззвездных галактик» как не соответствующие выбранным критериям. Остались четыре, которые критериям удовлетворяют. Над фоном все они выделяются даже не на четыре, а минимум на пять стандартных отклонений. Тем не менее, Блум вновь надел маску «мистера Нет» и заключил, что новые «темные карлики» в данных Fermi за первые десять месяцев не обнаружены. Главный аргумент, приводимый ученым — несоответствие спектров этих источников выбранным теоретическим моделям распада темной материи.

Правда, в работе (видимо, уже по традиции) опять-таки сохраняется определенная интрига. Во-первых, собственно спектры в ней как раз отсутствуют — равно как и координаты «темных галактик» или какая бы то ни было точная информация о них. Во-вторых, Блум на самом деле не говорит, что темных галактик нет — он утверждает лишь, что «в данных Fermi за первые десять месяцев они не обнаружены». Другим ученым проверить это утверждение, мягко скажем, затруднительно: второго подобного инструмента для наблюдений в гамма-диапазоне в их распоряжении не имеется. А простому жителю планеты Земля, интересующемуся наукой, остается только ждать сообщений о новых открытиях, каждое из которых демонстрирует только то, как мало мы еще знаем о Вселенной...

Владимир Манько, журнал «Вселенная, пространство, время», Киев

Артем Тунцов, научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга, МГУ, Москва