Антиматерия и свободные планеты

Одиночная черная дыра – не единственный объект во Вселенной, который мог бы добраться до нас. Существует еще один вид объектов, который почти столь же опасен, но чье существование еще более проблематично.

Обычная материя вокруг нас состоит из крошечных ядер, окруженных электронами. Ядра образованы из двух видов частиц, протонов и нейтронов, каждый из которых несколько больше чем в 1800 раз превышает массу электрона. Таким образом материя вокруг нас состоит из трех типов субатомных частиц: электронов, протонов и нейтронов.

В 1930 году Поль Дирак (тот, который первым предположил, что гравитация может со временем ослабевать) дал теоретическое обоснование существования «античастиц». Мол, должна существовать, например, такая же частица, как электрон, но несущая противоположный электрический заряд. В то время как электрон несет отрицательный электрический заряд, его античастица должна нести положительный. Два года спустя американский физик Карл Дэвид Андерсон (р. 1905) действительно обнаружил этот положительно заряженный электрон. Он был назван «позитрон», хотя о нем также можно говорить как об «антиэлектроне».

В свое время были также открыты «антипротон» и «антинейтрон». В то время как протон несет положительный заряд, антипротон несет отрицательный. Нейтрон не несет заряда, не несет заряда и антинейтрон, но они противоположны по другим своим свойствам. Антиэлектрон, антипротон и антинейтрон могут сойтись вместе и образовать «антиатомы», а те могут превратиться в «антивещество» или «антиматерию».

Если антиэлектрон встретится с электроном, произойдет аннигиляция, то есть они уничтожат друг друга, свойства одного аннулируют противоположные свойства другого, а масса обоих преобразуется в энергию в форме гамма‑лучей. (Гамма‑лучи похожи на рентгеновские лучи, но имеют более короткие волны и, следовательно, более активны.) Точно таким же образом аннигилируют друг друга антипротон и протон, а также антинейтрон и нейтрон. В общем, антиматерия может аннигилировать эквивалентную массу материи, если они встретятся друг с другом.

Количество энергии, высвобождающейся в подобной «взаимной аннигиляции», огромно. Водородный синтез, производящий взрыв водородной бомбы и питающий энергию звезд, преобразует в энергию около 0,7 процента участвующего в реакции вещества. Взаимная аннигиляция же преобразует в энергию 100 процентов вещества. Таким образом, бомба вещество‑антивещество была бы в 140 раз мощнее водородной бомбы такой же массы.

Это имеет значение еще в одном аспекте: энергию возможно преобразовать в вещество, в материю. Однако поскольку для образования энергии требуется совместить частицу и античастицу, постольку преобразование в материю производит как частицу, так и соответствующую ей античастицу. Кажется, от этого никуда не деться.

В лаборатории физик может изготовить за один раз всего несколько частиц и античастиц, но в период после Большого взрыва энергия была преобразована в вещество в количестве, достаточном для образования целой Вселенной. Однако, если это было так, антиматерия должна была образоваться в таком же количестве. Поскольку это должно быть так, где же находится эта антиматерия?

На планете Земля существует только одна материя. Несколько античастиц могут быть созданы в лаборатории или существуют в космических лучах, но их количество ничтожно, и отдельные античастицы почти сразу же, как только встречаются с эквивалентными частицами, исчезают при взаимной аннигиляции, выделяя гамма‑лучи.

Игнорируя эти незначительные случаи, мы можем сказать, что Земля вся состоит из материи – и это тоже неплохо. Если бы я был наполовину из материи и наполовину из антиматерии, то одна половина тотчас бы аннигилировала другую, и не было бы никакой Земли, а только один обширный огненный шар гамма‑лучей. Собственно, совершенно ясно, что вся Солнечная система, вся Галактика, даже все локальные скопления являются материей. Иначе мы бы обнаружили гораздо большее образование гамма‑лучей, чем мы наблюдаем.

А быть может, некоторые галактические скопления являются материей, а некоторые – антиматерией? Быть может, во времена Большого взрыва образовались две вселенные, одна из материи, другая из антиматерии? Мы не знаем. Где антиматерия – это пока что нерешенная загадка. Если тем не менее существуют как галактические скопления, так и антигалактические скопления, то каждое сохраняет свою целостность, потому что расширяющаяся Вселенная держит их в отдельности на все больших и больших расстояниях.

Не может ли тогда быть так, что в результате того или иного случайного события часть антиматерии будет выброшена из антигалактического скопления и в конце концов попадет в галактическое скопление, или, наоборот, материя, выброшенная из галактического скопления, в конце концов попадет в антигалактическое скопление?

Антизвезда в нашей Галактике не могла бы быть признана таковой только по ее виду, вокруг нее должен был бы быть хороший межзвездный вакуум. Но даже тогда она бы испускала гамма‑лучи, так как частицы материи в космосе реагировали бы с частицами антивещества, испускаемыми звездой, и две группы частиц претерпевали бы взаимную аннигиляцию. Никаких подобных явлений пока не наблюдалось, но могут быть и в нашей Галактике более мелкие тела, более многочисленные и легче выбрасываемые, чем крупные, – объекты размером с планету или астероид, которые являются антивеществом.

Не может ли какой‑нибудь из них попасть в Солнце без предупреждения? В конечном счете, подобный объект слишком мал, чтобы увидеть его на большом расстоянии. Но даже если и можно было бы его увидеть вряд ли возможно признать его антивеществом до того, как произойдет попадание.

Тем не менее нет особых причин волноваться по этому поводу. Мы пока не располагаем свидетельствами, что ощутимых размеров глыбы антивещества странствуют по нашей Галактике. К тому же для их попадания в Солнце шансов не больше, чем для мини‑черных дыр.

И даже если подобная капля антивещества попадет в Солнце, урон, нанесенный ею, безусловно, будет более ограничен, чем в случае попадания в него мини‑черной дыры эквивалентной массы. Мини‑черная дыра перманентна и может расти за счет Солнца; глыба антивещества не может сделать ничего более, как аннигилировать часть Солнца, равную своей массе, и затем исчезнуть.

Остается все же еще третий класс объектов, которые могут оказаться по соседству с Солнечной системой, и вместе с тем их нельзя увидеть задолго до их приближения. Это не черные дыры, не антивещество, а вполне обычные объекты, которые избежали нашего внимания просто потому, что они малы.

Мы можем обосновать их существование следующим.

Я уже упоминал о том, что в любом классе астрономических тел число мелких членов класса превышает число крупных членов. Таким образом, мелкие звезды многочисленнее крупных.

Звезды, примерно равные по размеру Солнцу (которое является звездой средней величины), составляют только 10 процентов всех звезд, которые мы видим. Гигантских звезд с массой, раз в пятнадцать превышающей массу Солнца, намного меньше. Существует сотня подобных Солнцу звезд на каждую звезду‑гигант. С другой стороны, мелкие звезды с массой в половину массы Солнца и менее составляют три четверти звезд Вселенной, насколько можно судить по их распространенности в нашем окружении (Такие мелкие звезды трудно различимы, их не видно на больших расстояниях. Следовательно, мы получаем верное представление об их распространенности только при изучении нашего близкого окружения, где они достаточно близко, чтобы их увидеть. На больших расстояниях мы видим только крупные звезды и получаем неверное представление о составе Вселенной).

Тело, составляющее всего лишь около одной пятой массы нашего Солнца, обладает вполне достаточной массой, чтобы разрушить в своем центре атомы и начать ядерную реакцию. Такое тело едва нагревается до красного каления и может быть еле заметным даже на довольно малых звездных расстояниях.

Все же нет причины думать, что существует некий нижний предел в образовании таких объектов, и что этот нижний предел совпадает с массой, при которой начинаются ядерные реакции. Возможно, существует некоторое количество сформировавшихся «субзвезд», тела которых слишком малы, чтобы в их центре началась ядерная реакция, или она начинается, но степень разогрева не достигает красного каления.

Мы могли бы считать их планетами, если бы они были частью Солнечной системы, и, возможно, именно так нам и следует их рассматривать – как планеты, которые образовались самостоятельно и, не обязанные верностью никакой звезде, самостоятельно вращаются вокруг галактического ядра.

Очень вероятно, что подобные «свободные планеты» могут быть сформированы в гораздо больших количествах, чем сами звезды, и могут быть вполне обычными объектами – и все же оставаться невидимыми для нас, как оставались бы невидимыми планеты нашей Солнечной системы, такие близкие, не отражай они свет находящегося рядом Солнца.

Каковы же тогда шансы, что одна из этих свободных планет войдет в Солнечную систему и произведет разгром?

Самые крупные свободные планеты должны быть распространены по крайней мере так же часто, как самые мелкие звезды, но, учитывая обширность межзвездного пространства, это все‑таки не настолько часто, чтобы шансы их встречи с нами были велики. Более мелкие свободные планеты должны быть более многочисленны, а совсем мелкие еще более многочисленны. Отсюда следует, что чем меньше такой объект, тем больше его шансы на встречу с Солнечной системой.

Вполне возможно, что вторжение в Солнечную систему свободных планет размером с астероид гораздо более вероятно, чем вторжение проблематично существующих черных дыр или антиматерии. Но, вместе с тем, свободные планеты намного менее опасны, чем любой из двух упомянутых объектов. Мини‑черные дыры неопределенно долго поглощали бы материю, поражая Солнце, тогда как антиматерия аннигилировала бы материю. Свободные планеты, состоящие из обычной материи, просто бы испарились.

Если бы нам стало известно об астероиде, находящемся на пути к столкновению с Солнцем, мы, возможно, не сумели бы определить, вторгся ли он из межзвездного пространства или это один из наших местных объектов, которого мы до той поры случайно не замечали, или, может быть, объект, орбита которого возмущена в ходе столкновения.

Возможно, такие вторгающиеся объекты проходили через Солнечную систему бесконечно много раз и не нанесли никакого ущерба. Также и те мелкие объекты внешней Солнечной системы с подозрительно неправильными орбитами предположительно могут быть свободными планетами, захваченными в пути. К ним можно отнести внешний спутник Нептуна – Нереиду, внешний спутник Сатурна – Феб и любопытный, открытый в 1977 году объект – Хирон, который вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, лежащей между орбитами Сатурна и Урана.

Насколько нам известно, в сущности, Плутон и его спутник (последний открыт в 1978 году) могут быть крошечной, независимой «солнечной системой», которая была захвачена Солнцем. Подтверждение этого сделало бы необычный наклон и эксцентриситет орбиты Плутона менее удивительными.

Остается еще один возможный вид столкновений – столкновений с объектами в межзвездном пространстве: встречи с объектами настолько мелкими, как частички пыли или отдельные атомы. Межзвездные облака такой пыли и газа обычны в космосе, и Солнце не только может «сталкиваться» с подобными объектами, но, несомненно, не раз так и делало. Воздействие на Солнце этих столкновений незначительно, но для нас это не вполне так. Впрочем, это предмет, к которому я обращусь в книге позднее, при более подходящем случае.