|
|
21.04.22
|
|
|
Урожайная весна 2022 года |
|
|
Весна 2022 года оказалась удивительно урожайной на астрономические сенсации. Три астрономических объекта с рекордными параметрами всего за декаду.
Самая далекая звезда
30 марта 2022 года в журнале Nature вышла публикация об открытии с помощью телескопа Хаббла самой далекой из известных звезд. Свет звезды имеет красное смещение 6.0 и был испущен 12.9 миллиардов лет назад, через 900 миллионов лет после Большого Взрыва. Но за счет расширения Вселенной сейчас звезда находится на расстоянии 28 миллиардов световых лет от Солнца. Звезда WHL0137-LS получила собственное имя Earendel – “Утренняя звезда” или “Восходящий свет” в переводе со староанглийского. Авторы открытия не скрывают, что это была намеренная отсылка к профессору Толкиену. Эарендил, судя по спектру – это голубой гигант с массой примерно 50...100 солнечных. Несмотря на колоссальную абсолютную светимость, видимый блеск Эарендила на таком расстоянии был бы слишком слабым даже для КТХ, если бы не исключительно удачная геометрия наблюдения: свет звезды усилен в несколько тысяч раз за счет гравитационного линзирования более близким к Солнцу скоплением галактик. Тут дело даже не в рекорде дальности, а в возрасте объекта. Не исключено, что мы наконец получили возможность наблюдать в природе звезду популяции III. Стоит пояснить, что в астрономии исторически сложилась классификация звездных популяций, обратная бытовой логике. Звезды популяции I – это типичное население галактического диска: молодые звезды с высоким содержанием металлов (под металлами в астрономии опять же в отличие от химии традиционно понимают все элементы тяжелее гелия). Солнце относится к популяции I. Звезды популяции II – старое население шаровых скоплений с пониженным содержанием металлов. Но даже самые старые из изученных звезд популяции II не образовались изначально из первичного вещества ранней Вселенной, а возникли из вещества, уже прошедшего термоядерную переработку в недрах ранее существовавших звезд. Популяция III вплоть до настоящего времени была лишь обоснованной гипотезой. Судя по тому, что мы знаем о звездной эволюции, это были яркие, массивные, горячие звезды, сформировавшиеся из первичного вещества – водорода и гелия – после Большого Взрыва. Первые звезды в нашей Вселенной. И не исключено, что мы обнаружили одну из них.
Самая далекая галактика
7 апреля 2022 года, публикация в New Scientist – обнаружена рекордно далекая галактика HD1 с красным смещением 13.27, что соответствует возрасту Вселенной 330 миллионов лет после Большого Взрыва. Расстояние до HD1 на данный момент опять же за счет расширения Вселенной 33.4 миллиарда световых лет. На этот раз отличился не старичок Хаббл – это была совместная работа международного коллектива на нескольких телескопах: космический телескоп Spitzer и наземные телескопы Subaru, VISTA, UK Infrared Telescope. Ученых озадачил аномально высокий избыток яркости галактики в ультафиолетовой части спектра. Пока что в работе две гипотезы. Возможно, в галактике происходит бурная вспышка звездообразования тех самых ярких горячих звезд популяции III. А возможно, мы наблюдаем приступ активности сверхмассивной черной дыры массой около 100 миллионов солнечных. Если наблюдательные данные будут в пользу второй гипотезы, ученым придется искать ответ на вопрос, как это чудовище умудрилось нажрать такую массу за такое короткое время. В общем, телескопу Уэбба работа найдется. И не исключено, что та ранняя Вселенная, в которую он сможет заглянуть, будет очень непохожа на тот уголок Вселенной, в котором мы на данный момент осмотрелись и как-то с ним пообвыклись.
Метеороид из другой звездной системы
Третье примечательное открытие, похоже, прошло незамеченным в новостных каналах. На то были резонные причины. Само событие произошло довольно давно по нынешним меркам, а новостные каналы любят свеженькие факты. 8 января 2014 года в 17:05:34 UTC в атмосфере над Папуа – Новой Гвинеей (координаты 1.3 S 147.6 E) на высоте 18.7 км взорвался болид. Энергия взрыва была относительно небольшой, 460 ГДж (примерно 110 тонн тротилового эквивалента), но примечательной оказалась необычно высокая скорость метеороида, восстановленная по данным сети мониторинга болидов CNEOS. Объект вошел в Солнечную систему со скоростью 42.1 км/с, то есть он пришел из дальнего космоса. И это произошло за три с лишним года до сенсационного открытия астероида 1I/Оумуамуа! Статья о метеороиде из чужой звездной системы была подготовлена к печати в The Astrophysical Journal Letters еще в июне 2019 года, но с ее публикацией произошла непредвиденная авторами задержка. CNEOS (Center for Near Earth Object Studies) – это одно из исследовательских подразделений NASA, а NASA – это гражданская организация и каталоги CNEOS открыты для доступа без каких-либо ограничений. Но проблема была в том, что часть исходных данных была получена с камер, работающих под управлением Министерства обороны США. Военные имеют свою сеть телескопов для отслеживания всяких подозрительных объектов на околоземной орбите и для оперативного оповещения о ядерных взрывах в атмосфере. Понятно, что эта военно-прикладная часть астрономии не афишируется и часть исходных данных проходила по категории засекреченных. Как раз та критически важная часть, изъятие которых из статьи не позволяло убедительно доказать аккуратность расчетов траектории метеороида. В общем, там был почти трехлетний эпический поход по бюрократическим закоулкам Национальной лаборатории Лос Аламос, NASA и нескольких подразделений военной науки, пока в начале апреля 2022 года материалы не оказались на столе шефа научного подразделения Космического оперативного командования, который оказался вменяемым человеком и дал добро на публикацию. Пока что доступен препринт исходного варианта статьи на arXiv с датой ревизии 6 июня 2019, но авторы готовят доработанную публикацию. Там пять страниц текста с обилием специальной терминологии, на первоапрельскую шутку непохоже. Вернемся к метеороиду. Имея кинетическую энергию метеороида 460 ГДж и его скорость при входе в атмосферу 44.8 км/с, получаем массу метеороида примерно 460 кг. Размер метеороида определить сложнее, так как он зависит от плотности. Принимая плотность от 0.9 (водяной лед) до 1.7 г/см^3 (силикатные породы), получаем диаметр в пределах 0.8...1.0 м. Исходя из траектории метеороида, авторы открытия предполагают, что метеороид пришел из звездной системы, принадлежащей толстому диску Млечного Пути. Толстый диск – это промежуточный слой между тонким диском и гало. Звезды толстого диска старше Солнца, но не настолько стары, как звезды шаровых скоплений. Имеем ли мы шансы заполучить в руки образцы вещества из другой звездной системы при жизни нынешнего поколения, не дожидаясь развития технологий до уровня межзвездных полетов? Если конкретно про данный болид, то шансы на успех крайне невелики. Метеороид разрушился на большой высоте над Индийским океаном на мелкие фрагменты, которые теперь разбросаны по большой площади океанского дна. Но кто знает, возможно, образцы межзвездного вещества попадутся в руки исследователям где-нибудь в Антарктиде. Почему именно Антарктида? По трем причинам. Камень, лежащий на льду, приметить неизмеримо проще, чем камень, упавший на почву. Камень на километровом слое льда наверняка упал с неба, а не свалился со скалы. И наконец, ледники работают как конвейерные ленты – сползая из центра ледового щита к побережью, ледники выносят упавшие метеориты в определенные известные места, где собиратели метеоритов снимают богатый улов. Помнится, в заметке об астероиде 1I/Оумуамуа я писал об огромной популяции малых тел, предположительно населяющих межзвездное пространство. И какая-то часть этой популяции неизбежно должна проникать в Солнечную систему. В то время это была лишь логически обоснованная гипотеза. Теперь мы имеем три документированных визита межзвездных странников (второй случай, напоминаю, комета 2I/Borisov). Согласен, трех прямых наблюдений для масштабных выводов и уверенных прогнозов маловато. Но давайте подойдем к задаче с другой стороны, что и сделали авторы публикации. Статистика, если ее использовать с умом, всё же довольно мощный метод. К примеру, практически все тела астероидного пояса с размерами порядка нескольких километров обнаружены и внесены в каталоги. Зная их распределение по размерам, можно оценить размер популяции более мелких тел, которые мы не можем наблюдать непосредственно. В распределении астероидов по размерам проявляется степенной закон. В популяции астероидного пояса Солнечной системы насчитывается примерно 200 астероидов диаметром свыше 100 км, 10 000 астероидов размером свыше 10 км и 750 000 астероидов размером свыше 1 километра. Малые тела метровых размеров мы наблюдать в дальнем космосе за пределами околоземного пространства (примерно так до орбиты Луны) не можем, но исходя из экстраполяции степенного закона можно оценить общую популяцию тел с размерами свыше 100 метров в 25 000 000. Есть хорошая статистика наблюдения метеоров и болидов, которая тоже отлично укладывается в степенной закон. Каждый год в атмосферу Земли проникает примерно сорок метеороидов размером примерно в метр. Вероятность встречи с телом размером в десять метров – шесть шансов в столетие. Степенной закон можно экстраполировать за пределы исторического опыта. И тогда получается примерно такой расклад. Столкновение Земли со стометровым астероидом происходит раз в десять тысяч лет. Вероятность столкновения с километровым астероидом – один шанс на пятьсот тысяч лет. И наконец, десятикилометровый астероид, убийца динозавров, попадается на пути Земли раз в сто миллионов лет. Степенной закон действует и в распределении скоростей метеороидов. Если исключить из выборки метеорные потоки, в которых метеороиды происходят из одного источника и имеют сходную кинематику, и оставить только спорадические метеоры, то функция распределения скоростей указывает на то, что какая-то часть быстрых метеороидов имеет внесолнечное происхождение. Авторы работы экстраполировали функцию скоростей на более крупные тела и получили такой результат расчетов: метеороиды внесолнечного происхождения размером в метр, вроде того, что взорвался над Индийским океаном 8 января 2014 года, вторгаются в атмосферу Земли примерно раз в десять лет. Можем ли мы заблаговременно обнаружить такого межвездного странника еще на подлете? Вообще говоря, существующие программы мониторинга неба нацелены на заблаговременное обнаружение потенциально опасных астероидов диаметром свыше 140 метров. Более мелкие астероиды сплошь и рядом остаются незамеченными вплоть до сближения с Землей на минимальное расстояние. Челябинский метеороид диаметром около 20 метров так вообще остался незамеченным вплоть до входа в атмосферу. По счастью, сама атмосфера Земли по сути дела может быть использована как детектор для обнаружения и изучения метеороидов. Сеть автоматизированных камер как на земле, так и на околоземных орбитах может не только фиксировать треки метеоров, но и регистрировать их спектры, что даст крайне ценную информацию о химическом составе вещества из других звездных систем. И развертывание такой сети обойдется сравнительно недорого.
Метеороид метрового диаметра, попадающий в атмосферу Земли раз в десять лет – это около полумиллиарда таких объектов за геологическую историю Земли. Примерно двести миллионов тонн вещества из других звездных систем уже находятся на нашей планете. А если учесть суммарный поток внесолнечных метеороидов в диапазоне размеров примерно от 3 сантиметров до 30 метров (более мелкие сгорают в атмосфере полностью, более крупные пробивают атмосферу насквозь и испаряются при ударе о поверхность), то набирается в сумме 500...1000 миллионов тонн. Такой поток вещества из других звездных систем наводит на мысли по новому оценить гипотезу панспермии – заноса жизни на Землю откуда-то извне. Хочу сразу ясно предупредить. Авторы публикации панспермию затронули, но эту тему в статье не развивали. И правильно сделали. Тема довольно скользкая. Так что все дальнейшие расуждения исключительно на моей совести.
Вообще говоря, мне как биологу идея панспермии как решения загадки возникновения жизни на Земле никогда не нравилась. По мне так это не решение загадки, а запихивание куда-то в дальний угол. Если у нас всё еще недостаточно знаний для уверенной реконструкции химических процессов на ранней Земле, то что мы можем вообще обоснованно предположить об условиях возникновения жизни где-то в других звездных системах? Технически в гипотезе панспермии тоже куча слабых мест. Подавляющая часть метеоритного вещества, достигающего поверхности Земли – это строительный мусор, сохранившийся с тех времен, когда жизни где-либо в Солнечной системе в помине не было, так как планеты и их луны еще только формировались. Да, есть метеориты, выбитые с поверхности Марса, и в них теоретически могла бы сохраниться жизнь в виде спор микроорганизмов. Но такие метеориты составляют ничтожный процесс от полной массы выпавших на Землю метеоритов. И какова вероятность, что выбитый с поверхности Марса метеорит вылетит за пределы Солнечной системы? Есть разумные основания полагать, что и в других звездных системах далеко не все тамошние небесные тела жизнепригодны. Ну ладно. В принципе есть идея, как это возражение обойти. Голливудский сценарий “вот была планета с процветающей жизнью и продвинутой цивилизацией, а потом всё это нахрен взорвалось и разлетелось по космосу” не обсуждаем. Возьмем сценарий поинтереснее. Планета-гигант где-нибудь на окраине звездной системы. Не слишком массивная, размером с Нептун. Ледяная луна планеты-гиганта с подледным океаном, в котором возникла жизнь. Удар большой кометы. Ледяная луна разрушена и какая-то часть распыленного материала вполне может быть выброшена за пределы звездной системы с гиперболической скоростью. Может ли такой сценарий гипотетически привести к заносу жизни на Землю из другой звездной системы? Прикинем. Есть неопределенность в оценке интервала времени от формирования земных океанов до появления жизни. Но в общем, есть основания для предположения, что жизнь на Земле на геологической шкале времени появилась почти сразу после того, как Земля стала жизнепригодной. Где-то от ста до пятисот миллионов лет. Примем скорость путешествия метеороида со спорами микроорганизмов в межзвездном пространстве 45 км/с – это 0.00015 скорости света. За 100 миллионов лет метеороид преодолеет дистанцию 15 000 световых лет. Так что с этой стороны возражений нет – жизнь, возникшая в одной из звездных систем, теоретически может обсеменить пространство на расстояниях, соизмеримых с размером Млечного Пути. На практике такие колоссальные расстояния переносчику жизни преодолевать нет нужды. В пределах 50 световых световых лет от Солнца насчитывается примерно 2 тысячи звезд. Из них 64 звезды – желтые звезды спектрального класса G, похожие на наше Солнце. По умеренно оптимистичным оценкам, какая-то часть из них вполне может иметь жизнепригодные планеты, похожие на Землю. Принимая 50 световых лет как среднее расстояние между потенциально жизнепригодными системами, получаем характерное время переноса жизни между ними 333 тысячи лет. В принципе почти мгновение на геолгической шкале времени – в 10 тысяч раз меньше времени существования жизни на Земле.
Весна 2022 года оказалась удивительно урожайной на астрономические сенсации. Три астрономических объекта с рекордными параметрами всего за декаду.
[b][color=#FFFF00]Самая далекая звезда[/color][/b]
30 марта 2022 года в журнале Nature вышла публикация об открытии с помощью телескопа Хаббла самой далекой из известных звезд. Свет звезды имеет красное смещение 6.0 и был испущен 12.9 миллиардов лет назад, через 900 миллионов лет после Большого Взрыва. Но за счет расширения Вселенной сейчас звезда находится на расстоянии 28 миллиардов световых лет от Солнца. Звезда WHL0137-LS получила собственное имя Earendel – “Утренняя звезда” или “Восходящий свет” в переводе со староанглийского. Авторы открытия не скрывают, что это была намеренная отсылка к профессору Толкиену. Эарендил, судя по спектру – это голубой гигант с массой примерно 50...100 солнечных. Несмотря на колоссальную абсолютную светимость, видимый блеск Эарендила на таком расстоянии был бы слишком слабым даже для КТХ, если бы не исключительно удачная геометрия наблюдения: свет звезды усилен в несколько тысяч раз за счет гравитационного линзирования более близким к Солнцу скоплением галактик. Тут дело даже не в рекорде дальности, а в возрасте объекта. Не исключено, что мы наконец получили возможность наблюдать в природе звезду популяции III. Стоит пояснить, что в астрономии исторически сложилась классификация звездных популяций, обратная бытовой логике. Звезды популяции I – это типичное население галактического диска: молодые звезды с высоким содержанием металлов (под металлами в астрономии опять же в отличие от химии традиционно понимают все элементы тяжелее гелия). Солнце относится к популяции I. Звезды популяции II – старое население шаровых скоплений с пониженным содержанием металлов. Но даже самые старые из изученных звезд популяции II не образовались изначально из первичного вещества ранней Вселенной, а возникли из вещества, уже прошедшего термоядерную переработку в недрах ранее существовавших звезд. Популяция III вплоть до настоящего времени была лишь обоснованной гипотезой. Судя по тому, что мы знаем о звездной эволюции, это были яркие, массивные, горячие звезды, сформировавшиеся из первичного вещества – водорода и гелия – после Большого Взрыва. Первые звезды в нашей Вселенной. И не исключено, что мы обнаружили одну из них.
[b][color=#FFFF00]Самая далекая галактика[/color][/b]
7 апреля 2022 года, публикация в New Scientist – обнаружена рекордно далекая галактика HD1 с красным смещением 13.27, что соответствует возрасту Вселенной 330 миллионов лет после Большого Взрыва. Расстояние до HD1 на данный момент опять же за счет расширения Вселенной 33.4 миллиарда световых лет. На этот раз отличился не старичок Хаббл – это была совместная работа международного коллектива на нескольких телескопах: космический телескоп Spitzer и наземные телескопы Subaru, VISTA, UK Infrared Telescope. Ученых озадачил аномально высокий избыток яркости галактики в ультафиолетовой части спектра. Пока что в работе две гипотезы. Возможно, в галактике происходит бурная вспышка звездообразования тех самых ярких горячих звезд популяции III. А возможно, мы наблюдаем приступ активности сверхмассивной черной дыры массой около 100 миллионов солнечных. Если наблюдательные данные будут в пользу второй гипотезы, ученым придется искать ответ на вопрос, как это чудовище умудрилось нажрать такую массу за такое короткое время. В общем, телескопу Уэбба работа найдется. И не исключено, что та ранняя Вселенная, в которую он сможет заглянуть, будет очень непохожа на тот уголок Вселенной, в котором мы на данный момент осмотрелись и как-то с ним пообвыклись.
[b][color=#FFFF00]Метеороид из другой звездной системы[/color][/b]
Третье примечательное открытие, похоже, прошло незамеченным в новостных каналах. На то были резонные причины. Само событие произошло довольно давно по нынешним меркам, а новостные каналы любят свеженькие факты. 8 января 2014 года в 17:05:34 UTC в атмосфере над Папуа – Новой Гвинеей (координаты 1.3 S 147.6 E) на высоте 18.7 км взорвался болид. Энергия взрыва была относительно небольшой, 460 ГДж (примерно 110 тонн тротилового эквивалента), но примечательной оказалась необычно высокая скорость метеороида, восстановленная по данным сети мониторинга болидов CNEOS. Объект вошел в Солнечную систему со скоростью 42.1 км/с, то есть он пришел из дальнего космоса. И это произошло за три с лишним года до сенсационного открытия астероида 1I/Оумуамуа! Статья о метеороиде из чужой звездной системы была подготовлена к печати в The Astrophysical Journal Letters еще в июне 2019 года, но с ее публикацией произошла непредвиденная авторами задержка. CNEOS (Center for Near Earth Object Studies) – это одно из исследовательских подразделений NASA, а NASA – это гражданская организация и каталоги CNEOS открыты для доступа без каких-либо ограничений. Но проблема была в том, что часть исходных данных была получена с камер, работающих под управлением Министерства обороны США. Военные имеют свою сеть телескопов для отслеживания всяких подозрительных объектов на околоземной орбите и для оперативного оповещения о ядерных взрывах в атмосфере. Понятно, что эта военно-прикладная часть астрономии не афишируется и часть исходных данных проходила по категории засекреченных. Как раз та критически важная часть, изъятие которых из статьи не позволяло убедительно доказать аккуратность расчетов траектории метеороида. В общем, там был почти трехлетний эпический поход по бюрократическим закоулкам Национальной лаборатории Лос Аламос, NASA и нескольких подразделений военной науки, пока в начале апреля 2022 года материалы не оказались на столе шефа научного подразделения Космического оперативного командования, который оказался вменяемым человеком и дал добро на публикацию. Пока что доступен препринт исходного варианта статьи на arXiv с датой ревизии 6 июня 2019, но авторы готовят доработанную публикацию. Там пять страниц текста с обилием специальной терминологии, на первоапрельскую шутку непохоже. Вернемся к метеороиду. Имея кинетическую энергию метеороида 460 ГДж и его скорость при входе в атмосферу 44.8 км/с, получаем массу метеороида примерно 460 кг. Размер метеороида определить сложнее, так как он зависит от плотности. Принимая плотность от 0.9 (водяной лед) до 1.7 г/см^3 (силикатные породы), получаем диаметр в пределах 0.8...1.0 м. Исходя из траектории метеороида, авторы открытия предполагают, что метеороид пришел из звездной системы, принадлежащей толстому диску Млечного Пути. Толстый диск – это промежуточный слой между тонким диском и гало. Звезды толстого диска старше Солнца, но не настолько стары, как звезды шаровых скоплений. Имеем ли мы шансы заполучить в руки образцы вещества из другой звездной системы при жизни нынешнего поколения, не дожидаясь развития технологий до уровня межзвездных полетов? Если конкретно про данный болид, то шансы на успех крайне невелики. Метеороид разрушился на большой высоте над Индийским океаном на мелкие фрагменты, которые теперь разбросаны по большой площади океанского дна. Но кто знает, возможно, образцы межзвездного вещества попадутся в руки исследователям где-нибудь в Антарктиде. Почему именно Антарктида? По трем причинам. Камень, лежащий на льду, приметить неизмеримо проще, чем камень, упавший на почву. Камень на километровом слое льда наверняка упал с неба, а не свалился со скалы. И наконец, ледники работают как конвейерные ленты – сползая из центра ледового щита к побережью, ледники выносят упавшие метеориты в определенные известные места, где собиратели метеоритов снимают богатый улов. Помнится, в заметке об астероиде 1I/Оумуамуа я писал об огромной популяции малых тел, предположительно населяющих межзвездное пространство. И какая-то часть этой популяции неизбежно должна проникать в Солнечную систему. В то время это была лишь логически обоснованная гипотеза. Теперь мы имеем три документированных визита межзвездных странников (второй случай, напоминаю, комета 2I/Borisov). Согласен, трех прямых наблюдений для масштабных выводов и уверенных прогнозов маловато. Но давайте подойдем к задаче с другой стороны, что и сделали авторы публикации. Статистика, если ее использовать с умом, всё же довольно мощный метод. К примеру, практически все тела астероидного пояса с размерами порядка нескольких километров обнаружены и внесены в каталоги. Зная их распределение по размерам, можно оценить размер популяции более мелких тел, которые мы не можем наблюдать непосредственно. В распределении астероидов по размерам проявляется степенной закон. В популяции астероидного пояса Солнечной системы насчитывается примерно 200 астероидов диаметром свыше 100 км, 10 000 астероидов размером свыше 10 км и 750 000 астероидов размером свыше 1 километра. Малые тела метровых размеров мы наблюдать в дальнем космосе за пределами околоземного пространства (примерно так до орбиты Луны) не можем, но исходя из экстраполяции степенного закона можно оценить общую популяцию тел с размерами свыше 100 метров в 25 000 000. Есть хорошая статистика наблюдения метеоров и болидов, которая тоже отлично укладывается в степенной закон. Каждый год в атмосферу Земли проникает примерно сорок метеороидов размером примерно в метр. Вероятность встречи с телом размером в десять метров – шесть шансов в столетие. Степенной закон можно экстраполировать за пределы исторического опыта. И тогда получается примерно такой расклад. Столкновение Земли со стометровым астероидом происходит раз в десять тысяч лет. Вероятность столкновения с километровым астероидом – один шанс на пятьсот тысяч лет. И наконец, десятикилометровый астероид, убийца динозавров, попадается на пути Земли раз в сто миллионов лет. Степенной закон действует и в распределении скоростей метеороидов. Если исключить из выборки метеорные потоки, в которых метеороиды происходят из одного источника и имеют сходную кинематику, и оставить только спорадические метеоры, то функция распределения скоростей указывает на то, что какая-то часть быстрых метеороидов имеет внесолнечное происхождение. Авторы работы экстраполировали функцию скоростей на более крупные тела и получили такой результат расчетов: метеороиды внесолнечного происхождения размером в метр, вроде того, что взорвался над Индийским океаном 8 января 2014 года, вторгаются в атмосферу Земли примерно раз в десять лет. Можем ли мы заблаговременно обнаружить такого межвездного странника еще на подлете? Вообще говоря, существующие программы мониторинга неба нацелены на заблаговременное обнаружение потенциально опасных астероидов диаметром свыше 140 метров. Более мелкие астероиды сплошь и рядом остаются незамеченными вплоть до сближения с Землей на минимальное расстояние. Челябинский метеороид диаметром около 20 метров так вообще остался незамеченным вплоть до входа в атмосферу. По счастью, сама атмосфера Земли по сути дела может быть использована как детектор для обнаружения и изучения метеороидов. Сеть автоматизированных камер как на земле, так и на околоземных орбитах может не только фиксировать треки метеоров, но и регистрировать их спектры, что даст крайне ценную информацию о химическом составе вещества из других звездных систем. И развертывание такой сети обойдется сравнительно недорого.
Метеороид метрового диаметра, попадающий в атмосферу Земли раз в десять лет – это около полумиллиарда таких объектов за геологическую историю Земли. Примерно двести миллионов тонн вещества из других звездных систем уже находятся на нашей планете. А если учесть суммарный поток внесолнечных метеороидов в диапазоне размеров примерно от 3 сантиметров до 30 метров (более мелкие сгорают в атмосфере полностью, более крупные пробивают атмосферу насквозь и испаряются при ударе о поверхность), то набирается в сумме 500...1000 миллионов тонн. Такой поток вещества из других звездных систем наводит на мысли по новому оценить гипотезу панспермии – заноса жизни на Землю откуда-то извне. Хочу сразу ясно предупредить. Авторы публикации панспермию затронули, но эту тему в статье не развивали. И правильно сделали. Тема довольно скользкая. Так что все дальнейшие расуждения исключительно на моей совести.
Вообще говоря, мне как биологу идея панспермии как решения загадки возникновения жизни на Земле никогда не нравилась. По мне так это не решение загадки, а запихивание куда-то в дальний угол. Если у нас всё еще недостаточно знаний для уверенной реконструкции химических процессов на ранней Земле, то что мы можем вообще обоснованно предположить об условиях возникновения жизни где-то в других звездных системах? Технически в гипотезе панспермии тоже куча слабых мест. Подавляющая часть метеоритного вещества, достигающего поверхности Земли – это строительный мусор, сохранившийся с тех времен, когда жизни где-либо в Солнечной системе в помине не было, так как планеты и их луны еще только формировались. Да, есть метеориты, выбитые с поверхности Марса, и в них теоретически могла бы сохраниться жизнь в виде спор микроорганизмов. Но такие метеориты составляют ничтожный процесс от полной массы выпавших на Землю метеоритов. И какова вероятность, что выбитый с поверхности Марса метеорит вылетит за пределы Солнечной системы? Есть разумные основания полагать, что и в других звездных системах далеко не все тамошние небесные тела жизнепригодны. Ну ладно. В принципе есть идея, как это возражение обойти. Голливудский сценарий “вот была планета с процветающей жизнью и продвинутой цивилизацией, а потом всё это нахрен взорвалось и разлетелось по космосу” не обсуждаем. Возьмем сценарий поинтереснее. Планета-гигант где-нибудь на окраине звездной системы. Не слишком массивная, размером с Нептун. Ледяная луна планеты-гиганта с подледным океаном, в котором возникла жизнь. Удар большой кометы. Ледяная луна разрушена и какая-то часть распыленного материала вполне может быть выброшена за пределы звездной системы с гиперболической скоростью. Может ли такой сценарий гипотетически привести к заносу жизни на Землю из другой звездной системы? Прикинем. Есть неопределенность в оценке интервала времени от формирования земных океанов до появления жизни. Но в общем, есть основания для предположения, что жизнь на Земле на геологической шкале времени появилась почти сразу после того, как Земля стала жизнепригодной. Где-то от ста до пятисот миллионов лет. Примем скорость путешествия метеороида со спорами микроорганизмов в межзвездном пространстве 45 км/с – это 0.00015 скорости света. За 100 миллионов лет метеороид преодолеет дистанцию 15 000 световых лет. Так что с этой стороны возражений нет – жизнь, возникшая в одной из звездных систем, теоретически может обсеменить пространство на расстояниях, соизмеримых с размером Млечного Пути. На практике такие колоссальные расстояния переносчику жизни преодолевать нет нужды. В пределах 50 световых световых лет от Солнца насчитывается примерно 2 тысячи звезд. Из них 64 звезды – желтые звезды спектрального класса G, похожие на наше Солнце. По умеренно оптимистичным оценкам, какая-то часть из них вполне может иметь жизнепригодные планеты, похожие на Землю. Принимая 50 световых лет как среднее расстояние между потенциально жизнепригодными системами, получаем характерное время переноса жизни между ними 333 тысячи лет. В принципе почти мгновение на геолгической шкале времени – в 10 тысяч раз меньше времени существования жизни на Земле.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
31.12.20
|
|
|
Примечательные астрономические события 2020 года |
|
|
Фосфин в атмосфере ВенерыЧасть 3 Собственно говоря, как оно сплошь и рядом бывает с научными открытиями, цели исследования атмосферы Венеры поначалу были далеко не столь амбициозными. Венера была выбрана как пробное тело для калибровки аппаратуры и отработки методик спектрального анализа атмосфер экзопланет земного типа. В отличие от экзопланет, Венера – неплохо изученное и к тому же очень близкое небесное тело. И в целом нынешняя Венера с ее адскими условиями на поверхности – температура 735 K (460 °C) и атмосферное давление 93 бар – надежно исключает существование каких-либо углеродных форм жизни. Есть, правда, лазейка для фантазии, и оптимистично настроенные энтузиасты ее используют активно. По мере подъема над поверхностью Венеры как давление, так и температура ее атмосферы падают и в диапазоне высот 50...60 км достигаются вполне приемлемые для земной жизни условия. На высоте 55 км температура снижается до 300 K (27 °C) при давлении 0.53 бар и в принципе можно фантазировать о возможном существовании микробной жизни в облаках Венеры. Здесь, правда, возникает два тормоза для фантазии. Первый момент: облака Венеры состоят не из водяных капель, как земные облака, а из аэрозоли концентрированной серной кислоты. Есть земные ацидофильные бактерии, живущие в сильно закисленных минеральных источниках, но обитание в концентрированной серной кислоте – это уж чересчур. Тут дело даже не в химической агрессивности среды, а в том простом факте, что в облаках Венеры попросту нет свободной воды. Ни одна известная на Земле форма жизни не способна извлекать воду из растворов, в которых ее концентрация ниже 30%. На этом основан, кстати, известный домохозяйкам принцип консервации варений и сиропов. Сахара сами по себе отличная питательная среда для бактерий, но бактерии не могут расти в этой среде, потому что вода находится в недоступном для них состоянии. Второй момент, который почему-то редко кому приходит в голову. Размножение планктона в земных океанах лимитировано не солнечным светом и не растворенным в воде углекислым газом, а минеральными веществами. Ничего похожего на океанский планктон в земных облаках в ходе эволюции так и не появилось по той простой причине, что в облаках нет минеральных веществ. Все формы жизни, которые можно обнаружить в земных облаках – бактерии, насекомые, птицы и планеристы – заносные. Это Земля с ее атмосферой, которая активно перемешивается восходящими термическими потоками. Атмосфера Венеры сверхстабильна, в ней практически нет вертикального перемешивания. Приповерхностный слой атмосферы Венеры – это по сути дела океан углекислого газа в состоянии сверхкритической жидкости. Каким образом минеральные вещества, экстрагированные этим сверхкритическим флюидом из почвы Венеры, могут попасть на высоту 55 км? И тут на тебе. Фосфин в концентрации 20 частей на миллиард – это кажется мизерной примесью. Но если прикинуть общее количество фосфина в атмосфере Венеры и согласиться с его биогенным происхождением, то гипотетические микробные сообщества в облаках Венеры не просто влачат скудное существование, как жизнь в антарктических подледных озерах, а процветают и благоденствуют. Вполне предсказуемо, что вслед за фосфиновой сенсацией появились и другие косвенные аргументы в пользу предполагаемой жизни. Специалисты заново проанализировали данные, полученные в свое время советскими зондами серии “Венера” и американскими Pioneer-Venus и Magellan. В верхних слоях атмосферы Венеры вроде как обнаружили и другие вещества возможно биогенного происхождения – сероводород H 2S, сернистый газ SO 2 и карбонилсульфид O=C=S. Сероводород и сернистый газ должны реагировать друг с другом и должен быть источник их пополнения, а карбонилсульфид вообще трудно получить чисто химическим путем без эффективных катализаторов. Кроме того, зонд “Венера-16” обнаружил на высотах от 60 до 45 км хлор, и эти данные вроде как подтверждаются показаниями аэростатных зондов “Вега-1” и “Вега-2”. Повторный анализ данных Pioneer-Venus, однако, дал основания для альтернативной трактовки: как минимум часть спектральных линий, которые приписывали хлору, и практически весь сероводород – это опять же фосфин. Припомнили и старую загадку внешнего вида Венеры. На фотографиях, сделанных в видимом диапазоне, Венера выглядит матово-белым шаром без каких-либо контрастных деталей. В ультрафиолетовых лучах, однако, диск Венеры расчерчен контрастными темными полосами. Намеки на темные зоны в ультрафиолетовых лучах были и при наблюдениях с Земли, но именно зонд Mariner 10, совершив 5 февраля 1974 года пролет Венеры на пути к Меркурию, получил знаменитые снимки, на которых Венера похожа на сферическую зебру в вакууме. Природа “неизвестного поглотителя ультрафиолета” до сих пор непонятна. 26 августа 2019 года, за год с небольшим до фосфиновой сенсации, в очень даже серьезном академическом журнале The Astronomical Journal было опубликовано исследование долгосрочных изменений интенсивности темных зон. Исследователи пришли к выводу, что темные зоны не просто отражают какие-то динамические процессы в атмосфере Венеры, а формируют ее климат, влияя на радиационый баланс. При всем несходстве атмосфер Земли и Венеры климат Венеры неожиданно оказался похож на земной. Только на Земле большую часть солнечной радиации поглощает ее поверхность, а на Венере таким поглотителем служит плотная облачность. Исследователи перебрали возможные неорганические источники феномена – аэрозоли хлорида железа, аллотропных модификаций серы, димера оксида серы S 2O 2, и опять же ни одно из этих веществ не объясняет феномен в должной степени. Что опять же дало повод для смелой гипотезы: темные зоны – облака бактерий. Любопытно, что динамика роста и распада темных пятен напоминает вспышки размножения планктона в земных водоемах. Но как известно, аналогия – это не доказательство. Вполне вероятно, что Венера не всегда была экстремально жарким обезвоженным миром. Если не принимать во внимание атмосферу, Венера по своим физическим характеристикам – почти идентичный двойник Земли. Радиус Венеры 0.95 земных, ускорение силы тяжести на поверхности 0.90 g. Среднее расстояние Венеры от Солнца 0.723 а. е., то есть по закону обратных квадратов Венера получает в 1.911 раз больший поток солнечной энергии на единицу поверхности, чем Земля. Это обстоятельство частично компенсировалось тем, что юное Солнце имело светимость 70% от современного значения. Состав участков протопланетного диска, из которого сформировались Земля и Венера, не сильно отличался. Имея сходные с Землей размеры и химический состав, ранняя Венера по идее должна была иметь и сходный уровень вулканической активности. То есть резонно полагать, что ранняя Венера была планетой с океанами и с атмосферой, похожей на атмосферу ранней Земли. И оптимисты идут дальше в этой цепочке допущений, предполагая, что более теплые океаны ранней Венеры были даже более благоприятной средой для возникновения жизни, чем океаны ранней Земли. По мере ухудшения условий на поверхности возникшая в водоемах Венеры жизнь была вынуждена заселить единственное оставшееся убежище – слои атмосферы с приемлемой для жизни температурой. Вода вносит двоякий вклад в климат планеты земного типа. С одной стороны, пары воды в атмосфере – парниковый газ, блокирующий утечку тепла в космос и повышающий температуру атмосферы. Именно водяные пары, а не пресловутый углекислый газ, дают наибольший вклад в парниковый эффект земной атмосферы. С повышением температуры атмосферы испарение с зеркала открытых водоемов усиливается И воздух может удержать больше водяных паров, что приводит к дальнейшему усилению парникового эффекта и росту температуры. То есть формируется петля положительной обратной связи. С другой стороны, при увеличении влажности атмосферы в ней формируются облака, эффективно отражающие солнечный свет и снижающие нагрев земной поверхности. Возникает петля отрицательной обратной связи, стабилизирующая температуру. По счастью для земной биосферы, отрицательная обратная связь сильнее. Проблема в том, что эта петля отрицательной обратной связи эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне температур. При снижении температуры ниже критического уровня водяные пары вымерзают не только в полярных шапках, но и на возвышенностях в умеренных широтах. Формируются общирные ледники, эффективно отражающие солнечный свет. Поверхность планеты получает все меньше тепла, атмосфера становится все холоднее, ледники спускаются с гор на равнины и дело кончается тотальным замерзанием водоемов. Такой катастрофический сценарий разгона обледенения (runaway glaciation effect) известен как Земля-снежок и наша планета проваливалась в него неоднократно. И каждый раз Земля выходила из кризиса благодаря наличию еще одной петли отрицательной обратной связи – углеродному циклу. В отсутствии зеленых растений, поглощающих углекислый газ из атмосферы, углекислый газ из вулканических источников накапливается в атмосфере и она понемногу разогревается, что приводит к таянию ледников и возвращению водоемов и биосферы в нормальное состояние. Почти весь углекислый газ на Земле связан в ее коре в форме известняка CaCO 3. Известняк выпадает в виде осадка из водного раствора, если в нем достаточно солей кальция и присутствует растворенный CO 2. Так как кальций один из самых обильных элементов в земной коре, он имеется в достатке практически всегда. Океан и отложения известняка - буферная система: увеличение концентрации CO 2 в атмосфере увеличивает его растворимость в океане и избыток CO 2 связывается. Увеличение концентрации CO 2 в атмосфере и рост температуры также ускоряет эрозию горных пород и поступление кальция в океан. Подкисление воды избытком CO 2 также увеличивает эффективность выветривания. Для поддержания карбонатно-силикатного цикла а) необходимы водоемы для формирования известняка б) должна сохраняться тектоническая активность, чтобы захороненный известняк освобождал углекислый газ обратно в атмосферу. При повышении температуры свыше критического предела все намного хуже. Облака распадаются, превращаясь в равномерно размазанную полупрозрачную дымку. Петля отрицательной обратной связи больше не работает и начинается катастрофический разгон парникового эффекта (runaway greenhouse effect), доводя температуру океанов до точки кипения. В разогретой атмосфере вода больше не вымораживается в холодной ловушке верхних слоев тропосферы, а проникает в стратосферу, разлагается солнечным ультрафиолетом и водород беспрепятственно утекает в космос. Океаны имеют огромную теплоемкость, но все же она не беспредельна. В отсутствии океанов геохимический цикл углерода тоже размыкается. Больше нет океанов, связывающих углекислый газ в донных осадках. Вулканический углекислый газ накапливается в атмосфере, температура продолжает расти и наконец начинается разложение известняков с выбросом в атмосферу огромных количеств углекислого газа. Бывшая планета с океанами превращается в обезвоженный экстремально жаркий ад. Добавлю к этому, что обезвоженная кора такой планеты теряет пластичность и геотермальная энергия накапливается в ее толще, эпизодически высвобождаясь яростными приступами вулканической активности планетарного масштаба. По счастью, Земле такой сценарий уготован лишь в будущем. Примерно так через 500 миллионов лет, а то и через миллиард, если повезет. Есть время подумать о переезде. А вот Венере – увы, не повезло. Близость к Солнцу в конечном итоге оказалась губительной. В принципе описанный сценарий эволюции климата Венеры выглядит убедительным. Спор вызывают конкретные детали. Как долго на Венере существовали океаны и как давно они исчезли? По осторожным оценкам, океаны на Венере существовали в первые 600 миллионов лет с момента ее формирования. В сентябре 2019 года, однако, в научном докладе на ежегодной конференции European Planetary Science Congress, был изложен более оптимистический сценарий. Океаны на Венере исчезли примерно 700...750 миллионов лет назад и катастрофическое геологическое событие, вызвавшее высвобождение огромных количеств углекислого газа в атмосферу, было причиной их исчезновения, а не следствием. Вулканические события – еще одна нерешенная загадка Венеры. На данный момент Венера выглядит тектонически мертвой планетой. Никаких признаков вулканической активности на Венере не зафиксировано. Однако на радарных картах с высоким разрешением, составленных с помощью АМС Magellan, мы увидели молодую поверхность, сплошь преобразованную излияниями лавы в планетарном масштабе. Ландшафт в местах посадок советских зондов “Венера” тоже образован базальтовыми вулканическими породами. На Венере попросту нет древних участков коры с возрастом порядка миллиардов лет, как на геологически активной Земле. И не связана ли парниковая катастрофа с этим катаклизмом планетарного масштаба? Было ли это единовременное событие или серия эпизодов вулканической активности? Однако вернемся к фосфину. Скептические голоса прозвучали практически сразу после публикации статьи, с которой я начал рассказ. Скептики обратили внимание на два спорных момента. Во первых, как я уже упоминал, заявленное содержание фосфина в атмосфере двадцать частей на миллиард – это до неприличия много. И во вторых, сомнение вызвала обоснованность вывода, что известные механизмы абиогенного синтеза фосфина не в состоянии объяснить его накопление в наблюдаемых количествах. Фосфин может, к примеру, образовываться при взаимодействии концентрированной серной кислоты с фосфидами металлов. В метеоритном веществе содержится минерал шрейберзит – фосфид железа и никеля (Fe, Ni) 3P. На Земле с ее окислительной атмосферой фосфиды в составе обычных горных пород встречаются крайне редко. Шрейберзит земного происхождения может образоваться в сильно восстановительной среде, возникающей при проникновении магмы в месторождение угля или лигнита. Недавно, однако, фосфиды металлов были обнаружены в земных вулканических базальтах. На Венере оба химических ингредиента для абиотического синтеза фосфина в изобилии: поверхность планеты покрыта обширными излияниями вулканического базальта, а концентрированная серная кислота при давлении 90 бар кипит при температуре около 500 °C. Так что эти застывшие базальтовые лавы вполне могут орошаться дождем серной кислоты. Скептики также упирают на недостаточность экспериментальных данных по кинетике распада фосфина в условиях венерианской атмосферы. Ну и добавлю от себя – возможно, мы недооцениваем интенсивность перемешивания слоев атмосферы Венеры. До поры до времени аргументы скептиков тоже были спекулятивными, однако холодный душ последовал довольно быстро. В октябре 2020 года был проведен повторный анализ наблюдательных данных в инфракрасном диапазоне за 2015 год. Признаков фосфина в атмосфере Венеры не было обнаружено. Чувствительность метода составляла порядка 5 частей фосфина на миллиард, то есть четверть от заявленной в сентябрьской публикации величины, однако измерения проводились на длине волны 10 нм и фосфин мог быть обнаружен лишь в верхнем слое облаков. 15 октября 2020 года АМС BepiColombo совершила первый успешный гравитационный маневр у Венеры в ходе полета к Меркурию. Инфракрасный спектрометр на борту АМС в принципе мог бы подтвердить наличие фосфина в атмосфере Венеры, но научные специалисты программы очень осторожно оценивают шансы на успех, указывая на то, что инструмент может оказаться недостаточно чувствительным для этой задачи. Никаких позитивных сообщений после пролета пока не было опубликовано. И наконец, в конце октября 2020 года независимой группой ученых был проведен повторный анализ данных, полученных с помощью телескопов ALMA и JCMT. Исследователи пришли к выводу, что линии фосфина в спектрах – ложный сигнал, связанный с ошибками алгоритма обработки. После корректного вычитания фонового шума фантомные линии фосфина или исчезают полностью, или остаются следовые количества порядка одной части на миллиард. Итак, сенсация снова не выдержала проверки. В принципе можно было бы ограничиться коротким изложением сенсации, как было сделано в самом начале, и завершающим абзацем выше. Хватило бы в страницы формата A4, а не десятка с лишним. Но по мне так история интересная. Перекапывая материал, я по ходу узнал кое-что новое, время не потрачено зря. И знаете что? Мне тут с дивана представляется, что во все этой многолетней истории поисков жизни где-то помимо Земли обрисовалось большое слепое пятно. Мы ищем жизнь, опираясь на единственный известный нам обитаемый мир. Да, он неплохо изучен. Но мы по сути дела лишь в последнее время начинаем понимать, насколько сложной может быть химия на планетах, где жизнь не маскирует эту химию. И насколько сложно может оказаться выделить непохожую на земную жизнь на фоне непривычной для нашего мира химии. Инфографика Атмосфера Венеры, снятая АМС Mariner 10. Слева - оригинальный снимок 1974 года. Справа - обработка 2020 года с усилением контраста. NASA/JPL-Caltech - https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA23791.jpg
Вложения: |
![PIA23791-Venus-RealAndEnhancedContrastViews-20200608.jpg](./download/file.php?id=2278&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
[color=#FFFF00]Фосфин в атмосфере Венеры[/color] Часть 3
Собственно говоря, как оно сплошь и рядом бывает с научными открытиями, цели исследования атмосферы Венеры поначалу были далеко не столь амбициозными. Венера была выбрана как пробное тело для калибровки аппаратуры и отработки методик спектрального анализа атмосфер экзопланет земного типа. В отличие от экзопланет, Венера – неплохо изученное и к тому же очень близкое небесное тело. И в целом нынешняя Венера с ее адскими условиями на поверхности – температура 735 K (460 °C) и атмосферное давление 93 бар – надежно исключает существование каких-либо углеродных форм жизни. Есть, правда, лазейка для фантазии, и оптимистично настроенные энтузиасты ее используют активно. По мере подъема над поверхностью Венеры как давление, так и температура ее атмосферы падают и в диапазоне высот 50...60 км достигаются вполне приемлемые для земной жизни условия. На высоте 55 км температура снижается до 300 K (27 °C) при давлении 0.53 бар и в принципе можно фантазировать о возможном существовании микробной жизни в облаках Венеры. Здесь, правда, возникает два тормоза для фантазии. Первый момент: облака Венеры состоят не из водяных капель, как земные облака, а из аэрозоли концентрированной серной кислоты. Есть земные ацидофильные бактерии, живущие в сильно закисленных минеральных источниках, но обитание в концентрированной серной кислоте – это уж чересчур. Тут дело даже не в химической агрессивности среды, а в том простом факте, что в облаках Венеры попросту нет свободной воды. Ни одна известная на Земле форма жизни не способна извлекать воду из растворов, в которых ее концентрация ниже 30%. На этом основан, кстати, известный домохозяйкам принцип консервации варений и сиропов. Сахара сами по себе отличная питательная среда для бактерий, но бактерии не могут расти в этой среде, потому что вода находится в недоступном для них состоянии. Второй момент, который почему-то редко кому приходит в голову. Размножение планктона в земных океанах лимитировано не солнечным светом и не растворенным в воде углекислым газом, а минеральными веществами. Ничего похожего на океанский планктон в земных облаках в ходе эволюции так и не появилось по той простой причине, что в облаках нет минеральных веществ. Все формы жизни, которые можно обнаружить в земных облаках – бактерии, насекомые, птицы и планеристы – заносные. Это Земля с ее атмосферой, которая активно перемешивается восходящими термическими потоками. Атмосфера Венеры сверхстабильна, в ней практически нет вертикального перемешивания. Приповерхностный слой атмосферы Венеры – это по сути дела океан углекислого газа в состоянии сверхкритической жидкости. Каким образом минеральные вещества, экстрагированные этим сверхкритическим флюидом из почвы Венеры, могут попасть на высоту 55 км? И тут на тебе. Фосфин в концентрации 20 частей на миллиард – это кажется мизерной примесью. Но если прикинуть общее количество фосфина в атмосфере Венеры и согласиться с его биогенным происхождением, то гипотетические микробные сообщества в облаках Венеры не просто влачат скудное существование, как жизнь в антарктических подледных озерах, а процветают и благоденствуют.
Вполне предсказуемо, что вслед за фосфиновой сенсацией появились и другие косвенные аргументы в пользу предполагаемой жизни. Специалисты заново проанализировали данные, полученные в свое время советскими зондами серии “Венера” и американскими Pioneer-Venus и Magellan. В верхних слоях атмосферы Венеры вроде как обнаружили и другие вещества возможно биогенного происхождения – сероводород H[size=85]2[/size]S, сернистый газ SO[size=85]2[/size] и карбонилсульфид O=C=S. Сероводород и сернистый газ должны реагировать друг с другом и должен быть источник их пополнения, а карбонилсульфид вообще трудно получить чисто химическим путем без эффективных катализаторов. Кроме того, зонд “Венера-16” обнаружил на высотах от 60 до 45 км хлор, и эти данные вроде как подтверждаются показаниями аэростатных зондов “Вега-1” и “Вега-2”. Повторный анализ данных Pioneer-Venus, однако, дал основания для альтернативной трактовки: как минимум часть спектральных линий, которые приписывали хлору, и практически весь сероводород – это опять же фосфин. Припомнили и старую загадку внешнего вида Венеры. На фотографиях, сделанных в видимом диапазоне, Венера выглядит матово-белым шаром без каких-либо контрастных деталей. В ультрафиолетовых лучах, однако, диск Венеры расчерчен контрастными темными полосами. Намеки на темные зоны в ультрафиолетовых лучах были и при наблюдениях с Земли, но именно зонд Mariner 10, совершив 5 февраля 1974 года пролет Венеры на пути к Меркурию, получил знаменитые снимки, на которых Венера похожа на сферическую зебру в вакууме. Природа “неизвестного поглотителя ультрафиолета” до сих пор непонятна. 26 августа 2019 года, за год с небольшим до фосфиновой сенсации, в очень даже серьезном академическом журнале The Astronomical Journal было опубликовано исследование долгосрочных изменений интенсивности темных зон. Исследователи пришли к выводу, что темные зоны не просто отражают какие-то динамические процессы в атмосфере Венеры, а формируют ее климат, влияя на радиационый баланс. При всем несходстве атмосфер Земли и Венеры климат Венеры неожиданно оказался похож на земной. Только на Земле большую часть солнечной радиации поглощает ее поверхность, а на Венере таким поглотителем служит плотная облачность. Исследователи перебрали возможные неорганические источники феномена – аэрозоли хлорида железа, аллотропных модификаций серы, димера оксида серы S[size=85]2[/size]O[size=85]2[/size], и опять же ни одно из этих веществ не объясняет феномен в должной степени. Что опять же дало повод для смелой гипотезы: темные зоны – облака бактерий. Любопытно, что динамика роста и распада темных пятен напоминает вспышки размножения планктона в земных водоемах. Но как известно, аналогия – это не доказательство.
Вполне вероятно, что Венера не всегда была экстремально жарким обезвоженным миром. Если не принимать во внимание атмосферу, Венера по своим физическим характеристикам – почти идентичный двойник Земли. Радиус Венеры 0.95 земных, ускорение силы тяжести на поверхности 0.90 g. Среднее расстояние Венеры от Солнца 0.723 а. е., то есть по закону обратных квадратов Венера получает в 1.911 раз больший поток солнечной энергии на единицу поверхности, чем Земля. Это обстоятельство частично компенсировалось тем, что юное Солнце имело светимость 70% от современного значения. Состав участков протопланетного диска, из которого сформировались Земля и Венера, не сильно отличался. Имея сходные с Землей размеры и химический состав, ранняя Венера по идее должна была иметь и сходный уровень вулканической активности. То есть резонно полагать, что ранняя Венера была планетой с океанами и с атмосферой, похожей на атмосферу ранней Земли. И оптимисты идут дальше в этой цепочке допущений, предполагая, что более теплые океаны ранней Венеры были даже более благоприятной средой для возникновения жизни, чем океаны ранней Земли. По мере ухудшения условий на поверхности возникшая в водоемах Венеры жизнь была вынуждена заселить единственное оставшееся убежище – слои атмосферы с приемлемой для жизни температурой. Вода вносит двоякий вклад в климат планеты земного типа. С одной стороны, пары воды в атмосфере – парниковый газ, блокирующий утечку тепла в космос и повышающий температуру атмосферы. Именно водяные пары, а не пресловутый углекислый газ, дают наибольший вклад в парниковый эффект земной атмосферы. С повышением температуры атмосферы испарение с зеркала открытых водоемов усиливается И воздух может удержать больше водяных паров, что приводит к дальнейшему усилению парникового эффекта и росту температуры. То есть формируется петля положительной обратной связи. С другой стороны, при увеличении влажности атмосферы в ней формируются облака, эффективно отражающие солнечный свет и снижающие нагрев земной поверхности. Возникает петля отрицательной обратной связи, стабилизирующая температуру. По счастью для земной биосферы, отрицательная обратная связь сильнее. Проблема в том, что эта петля отрицательной обратной связи эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне температур. При снижении температуры ниже критического уровня водяные пары вымерзают не только в полярных шапках, но и на возвышенностях в умеренных широтах. Формируются общирные ледники, эффективно отражающие солнечный свет. Поверхность планеты получает все меньше тепла, атмосфера становится все холоднее, ледники спускаются с гор на равнины и дело кончается тотальным замерзанием водоемов. Такой катастрофический сценарий разгона обледенения (runaway glaciation effect) известен как Земля-снежок и наша планета проваливалась в него неоднократно. И каждый раз Земля выходила из кризиса благодаря наличию еще одной петли отрицательной обратной связи – углеродному циклу. В отсутствии зеленых растений, поглощающих углекислый газ из атмосферы, углекислый газ из вулканических источников накапливается в атмосфере и она понемногу разогревается, что приводит к таянию ледников и возвращению водоемов и биосферы в нормальное состояние. Почти весь углекислый газ на Земле связан в ее коре в форме известняка CaCO[size=85]3[/size]. Известняк выпадает в виде осадка из водного раствора, если в нем достаточно солей кальция и присутствует растворенный CO[size=85]2[/size]. Так как кальций один из самых обильных элементов в земной коре, он имеется в достатке практически всегда. Океан и отложения известняка - буферная система: увеличение концентрации CO[size=85]2[/size] в атмосфере увеличивает его растворимость в океане и избыток CO[size=85]2[/size] связывается. Увеличение концентрации CO[size=85]2[/size] в атмосфере и рост температуры также ускоряет эрозию горных пород и поступление кальция в океан. Подкисление воды избытком CO[size=85]2[/size] также увеличивает эффективность выветривания. Для поддержания карбонатно-силикатного цикла а) необходимы водоемы для формирования известняка б) должна сохраняться тектоническая активность, чтобы захороненный известняк освобождал углекислый газ обратно в атмосферу. При повышении температуры свыше критического предела все намного хуже. Облака распадаются, превращаясь в равномерно размазанную полупрозрачную дымку. Петля отрицательной обратной связи больше не работает и начинается катастрофический разгон парникового эффекта (runaway greenhouse effect), доводя температуру океанов до точки кипения. В разогретой атмосфере вода больше не вымораживается в холодной ловушке верхних слоев тропосферы, а проникает в стратосферу, разлагается солнечным ультрафиолетом и водород беспрепятственно утекает в космос. Океаны имеют огромную теплоемкость, но все же она не беспредельна. В отсутствии океанов геохимический цикл углерода тоже размыкается. Больше нет океанов, связывающих углекислый газ в донных осадках. Вулканический углекислый газ накапливается в атмосфере, температура продолжает расти и наконец начинается разложение известняков с выбросом в атмосферу огромных количеств углекислого газа. Бывшая планета с океанами превращается в обезвоженный экстремально жаркий ад. Добавлю к этому, что обезвоженная кора такой планеты теряет пластичность и геотермальная энергия накапливается в ее толще, эпизодически высвобождаясь яростными приступами вулканической активности планетарного масштаба. По счастью, Земле такой сценарий уготован лишь в будущем. Примерно так через 500 миллионов лет, а то и через миллиард, если повезет. Есть время подумать о переезде. А вот Венере – увы, не повезло. Близость к Солнцу в конечном итоге оказалась губительной.
В принципе описанный сценарий эволюции климата Венеры выглядит убедительным. Спор вызывают конкретные детали. Как долго на Венере существовали океаны и как давно они исчезли? По осторожным оценкам, океаны на Венере существовали в первые 600 миллионов лет с момента ее формирования. В сентябре 2019 года, однако, в научном докладе на ежегодной конференции European Planetary Science Congress, был изложен более оптимистический сценарий. Океаны на Венере исчезли примерно 700...750 миллионов лет назад и катастрофическое геологическое событие, вызвавшее высвобождение огромных количеств углекислого газа в атмосферу, было причиной их исчезновения, а не следствием. Вулканические события – еще одна нерешенная загадка Венеры. На данный момент Венера выглядит тектонически мертвой планетой. Никаких признаков вулканической активности на Венере не зафиксировано. Однако на радарных картах с высоким разрешением, составленных с помощью АМС Magellan, мы увидели молодую поверхность, сплошь преобразованную излияниями лавы в планетарном масштабе. Ландшафт в местах посадок советских зондов “Венера” тоже образован базальтовыми вулканическими породами. На Венере попросту нет древних участков коры с возрастом порядка миллиардов лет, как на геологически активной Земле. И не связана ли парниковая катастрофа с этим катаклизмом планетарного масштаба? Было ли это единовременное событие или серия эпизодов вулканической активности?
Однако вернемся к фосфину. Скептические голоса прозвучали практически сразу после публикации статьи, с которой я начал рассказ. Скептики обратили внимание на два спорных момента. Во первых, как я уже упоминал, заявленное содержание фосфина в атмосфере двадцать частей на миллиард – это до неприличия много. И во вторых, сомнение вызвала обоснованность вывода, что известные механизмы абиогенного синтеза фосфина не в состоянии объяснить его накопление в наблюдаемых количествах. Фосфин может, к примеру, образовываться при взаимодействии концентрированной серной кислоты с фосфидами металлов. В метеоритном веществе содержится минерал шрейберзит – фосфид железа и никеля (Fe, Ni)[size=85]3[/size]P. На Земле с ее окислительной атмосферой фосфиды в составе обычных горных пород встречаются крайне редко. Шрейберзит земного происхождения может образоваться в сильно восстановительной среде, возникающей при проникновении магмы в месторождение угля или лигнита. Недавно, однако, фосфиды металлов были обнаружены в земных вулканических базальтах. На Венере оба химических ингредиента для абиотического синтеза фосфина в изобилии: поверхность планеты покрыта обширными излияниями вулканического базальта, а концентрированная серная кислота при давлении 90 бар кипит при температуре около 500 °C. Так что эти застывшие базальтовые лавы вполне могут орошаться дождем серной кислоты. Скептики также упирают на недостаточность экспериментальных данных по кинетике распада фосфина в условиях венерианской атмосферы. Ну и добавлю от себя – возможно, мы недооцениваем интенсивность перемешивания слоев атмосферы Венеры. До поры до времени аргументы скептиков тоже были спекулятивными, однако холодный душ последовал довольно быстро. В октябре 2020 года был проведен повторный анализ наблюдательных данных в инфракрасном диапазоне за 2015 год. Признаков фосфина в атмосфере Венеры не было обнаружено. Чувствительность метода составляла порядка 5 частей фосфина на миллиард, то есть четверть от заявленной в сентябрьской публикации величины, однако измерения проводились на длине волны 10 нм и фосфин мог быть обнаружен лишь в верхнем слое облаков. 15 октября 2020 года АМС BepiColombo совершила первый успешный гравитационный маневр у Венеры в ходе полета к Меркурию. Инфракрасный спектрометр на борту АМС в принципе мог бы подтвердить наличие фосфина в атмосфере Венеры, но научные специалисты программы очень осторожно оценивают шансы на успех, указывая на то, что инструмент может оказаться недостаточно чувствительным для этой задачи. Никаких позитивных сообщений после пролета пока не было опубликовано. И наконец, в конце октября 2020 года независимой группой ученых был проведен повторный анализ данных, полученных с помощью телескопов ALMA и JCMT. Исследователи пришли к выводу, что линии фосфина в спектрах – ложный сигнал, связанный с ошибками алгоритма обработки. После корректного вычитания фонового шума фантомные линии фосфина или исчезают полностью, или остаются следовые количества порядка одной части на миллиард.
Итак, сенсация снова не выдержала проверки. В принципе можно было бы ограничиться коротким изложением сенсации, как было сделано в самом начале, и завершающим абзацем выше. Хватило бы в страницы формата A4, а не десятка с лишним. Но по мне так история интересная. Перекапывая материал, я по ходу узнал кое-что новое, время не потрачено зря. И знаете что? Мне тут с дивана представляется, что во все этой многолетней истории поисков жизни где-то помимо Земли обрисовалось большое слепое пятно. Мы ищем жизнь, опираясь на единственный известный нам обитаемый мир. Да, он неплохо изучен. Но мы по сути дела лишь в последнее время начинаем понимать, насколько сложной может быть химия на планетах, где жизнь не маскирует эту химию. И насколько сложно может оказаться выделить непохожую на земную жизнь на фоне непривычной для нашего мира химии.
Инфографика Атмосфера Венеры, снятая АМС Mariner 10. Слева - оригинальный снимок 1974 года. Справа - обработка 2020 года с усилением контраста. NASA/JPL-Caltech - https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA23791.jpg
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
31.12.20
|
|
|
Примечательные астрономические события 2020 года |
|
|
Фосфин в атмосфере ВенерыЧасть 2 Метан как биомаркер в поисках возможной жизни в Солнечной системе уже используют. Метан (CH 4) – это простейший предельный углеводород. При нормальном атмосферном давлении плавится при температуре 90.65 K (-182.5 °C), кипит при температуре 111.6 K (-161.55 °C). Бесцветный газ без вкуса и запаха. Легко воспламеняется, в концентрациях от 4.4 до 17% образует взрывоопасные смеси с воздухом. В прочих отношениях химически малоактивен. В воде почти нерастворим, однако при низких температурах склонен встраиваться в кристаллическую решетку льда, образуя метаногидраты. В малых концентрациях нетоксичен, но в высоких концентрациях проявляет слабое наркотическое действие, растворяясь в липидном слое клеточных мембран. На Земле метан – основной компонент природного газа, попутных нефтяных газов, рудничного и болотного газа. Большие запасы метана связаны в метаногидратах в морских донных отложениях и в зоне вечной мерзлоты. Метан образуется в анаэробных условиях – в болотах, переувлажненных почвах, в кишечнике жвачных животных – в результате деятельности анаэробных бактерий. Метан также может образоваться в результате пиролиза органических веществ. То есть как ни крути, метан на Земле по большей части прямо или косвенно органического происхождения. Какая-то часть метана на Земле вулканического происхождения, однако метан в вулканических газах обычно сопровождается значительным количеством диоксида серы. Метан применительно к Земле – сильный биомаркер. И кстати, метан – третий по значимости парниковый газ после водяных паров и углекислого газа. Наши воображаемые марсианские экзобиологи могли бы сослаться на метан в атмосфере Земли как на дополнительный довод в пользу обитаемости планеты, если кому-то наличие аномально богатой кислородом атмосферы будет недостаточно убедительным само по себе. Если вы следите за научными новостями, то могли слышать, что локальные выделения метана были обнаружены на Марсе ровером Curiosity. И самое интересное, что прослеживаются сезонные вариации в выделении метана. Было бы заманчиво трактовать обнаруженный метан как свидетельство жизнедеятельности почвенных метанообразующих бактерий, но для этого надо надежно исключить возможные абиогенные механизмы синтеза марсианского метана. Метан может образовываться, к примеру, из углекислого газа и воды в присутствии вулканического минерала оливина. Процесс идет при высоких температурах и давлениях. В марсианской почвенной мерзлоте эти условия отсутствуют, однако метан может образовываться в марсианской коре на большой глубине и просачиваться на поверхность в зонах разломов. Нельзя также исключать возможность, что древние запасы марсианского метана были захоронены в мерзлоте в виде метангидратов и мы наблюдаем их постепенное высвобождение. Есть и более экзотические модели абиогенного синтеза метана. К примеру, метан может быть продуктом фотолиза органики, поступающей на поверхность Марса с метеоритным веществом. Или даже синтезироваться из углекислого газа и воды в результате электрических разрядов при интенсивных пылевых бурях. Если глянуть на окраины Солнечной системы, то метана абиогенной природы там хватает. Метановые льды составляют заметную примесь к водным и аммиачным льдам в кометном веществе и на поверхности транснептунов. На поверхности Плутона, к примеру, 1.5...3% вещества поверхности приходится на твердый метан, остальное приходится в основном на твердый азот. Обычный водяной лед на Плутоне замаскирован под рыхлой шубой из замерзших газов. Более того, красноватый цвет Плутону и другим транснептунам придают толины. Эта асфальтоподобная органика образуется опять же из метана под воздействием солнечного ультрафиолета и космической ионизирующей радиации. Следы метана обнаружены и в атмосферах планет-гигантов, и опять же там происходят фотохимические реакции с синтезом высших углеводородов. Но самый сказочный мир в этом плане – спутник Сатурна Титан. Это единственная луна в Солнечной системе, имеющая плотную атмосферу. Атмосфера в основном азотная – при температуре 93.7 K (-179.5 °С) углекислый газ полностью вымерзает – но с примесью метана: от 1.5% в стратосфере до 5% у поверхности. Метана на Титане настолько много, что он образует на поверхности многочисленные мелкие, но обширные озера. На Титане настолько холодно, что обычный водяной лед там ведет себя как твердая скальная порода. И тем не менее на Титане есть погода – метан испаряется из водоемов в летнем полушарии и выпадает сезонными дождями в зимнем! И этот атмосферный метан вовлечен в фотохимические реакции с образованием плотной оранжевой дымки. Получается такая огромная экспериментальная установка для синтеза абиогенной органики вроде той, что смастерили в свое время, в далеком 1953 году, Миллер и Юри в поисках разгадки тайны происхождения жизни на Земле. На Титане очень много абиогенной органики – пожалуй что, больше, чем где-либо еще в Солнечной системе, включая Землю. Увы, на поверхности Титана слишком холодно для существования какой-либо известной на Земле формы жизни. И однако... Гипотетические сценарии жизни, основанной на альтернативной биохимии – любимая тема для дискуссий в тусовках экзобиологов. И один из таких популярных сценариев – альтернативная биохимия, использующая в качестве растворителя не воду, а жидкие углеводороды. Такие формы жизни гипотетически могут использовать для дыхания водород вместо кислорода, использовать ацетилен или его производные вместо глюкозы как источник запасенной энергии и выделять метан вместо углекислого газа как финальный метаболит. И в самом деле, в 2010 году при анализе данных, полученных в ходе миссии Кассини-Гюйгенс, была обнаружена аномалия в распределении водорода в атмосфере Титана – приповерхностные слои атмосферы содержали меньше водорода, чем более высокие слои. В другой публикации, вышедшей в том же году, было отмечено аномально низкое содержание ацетилена у поверхности Титана в сравнении с его содержанием в атмосфере в целом. Такая картина наблюдалась бы, если бы поверхностная биота активно питалась водородом и ацетиленом. Но как и в случае с метаном на Марсе, бритва Оккама требует в первую очередь рассмотреть и по возможности исключить вероятные абиогенные механизмы, которые могли бы объяснить наблюдаемые аномалии. Хотя само по себе открытие катализатора, эффективно вовлекающего водород и ацетилен в химические реакции при таких низких температурах, было бы примечательным достижением. Но конечно, не таким сенсационным, как экзотические формы жизни. Эта… всё это, конечно, страшно интересно, но мы же вроде с фосфина начинали, не? Перейдем и к фосфину, но давайте все же глянем и на аммиак. Вещества с виду по химическому строению похожие, интересно же! Химические формулы аммиака NH 3 и фосфина PH 3 очень похожи, а вот химические свойства – не очень. Аммиак – бесцветный газ с характерным резким запахом. Плавится при температуре 195.4 K (-77.75 °C), при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре 239.8 K (-33.35 °C). В отличие от жидкого метана, жидкий аммиак ведет себя как полярный растворитель. Между молекулами аммиака в жидком состоянии образуются водородные связи. Однако в отличие от воды, аммиак не способен к образованию разветвленных водородных связей между молекулами. Аммиак химически активен. Как и вода, является хорошим растворителем для множества неорганических и органических соединений. Будучи полярным растворителем, аммиак очень хорошо растворяется в воде – при 0°C вода поглощает до 1200 объемов газообразного аммиака. В быту 10% водный раствор аммиака известен как нашатырный спирт. Водные растворы аммиака проявляют щелочную реакцию. Но это относительно привычной нам химии водных растворов. Если бы мы использовали в качестве стандартного растворителя жидкий аммиак, мы бы с таким же основании могли заявить, что растворенная в аммиаке вода проявляет кислую реакцию. Аммиак токсичен в высоких концентрациях, однако для живых организмов это не яд, а финальный продукт метаболизма. В свободном состоянии аммиак естественного происхождения образуется как продукт распада органики. Определенная схожесть жидкого аммиака и воды как растворителей (и в частности, способность аммиака растворять большое количество органических соединений) делает аммиак хорошим кандидатом на роль растворителя в альтернативной биохимии. В этой альтернативной биохимии широко распространенной в биополимерах гидроксильной группе -OH могла бы соответствовать аминогруппа -NH 2. Карбонильная группа C=O, также важная для канонической биохимии, в аммиачных растворах нестабильна, но ей могла бы соответствовать иминогруппа C=NH. Аммиак как растворитель в сравнении с водой имеет и недостатки, и узкий в сравнении с водой интервал температур существования в жидком виде лишь один из них. Гипотетические аммиачные экосистемы – это экосистемы холодных миров, а скорость химических реакций с понижением температуры падает по экспоненте. Организмы на аммиачной основе будут иметь экстремально замедленный метаболизм в сравнении с водными формами жизни. Но с другой стороны, низкие температуры в принципе позволяют аммиачным организмам использовать в метаболических путях промежуточные продукты, слишком нестабильные в водной среде. Жидкий аммиак имеет меньшую теплоту парообразования, чем вода (аммиак – 1370 кДж/кг, вода – 2260 кДж/кг) и втрое меньшее поверхностное натяжение. Аммиак – менее полярный растворитель, чем вода. Это может затруднить самосборку сложных молекулярных комплексов и клеточных мембран. В отличие от воды аммиак воспламеняется в кислородной атмосфере. Это обстоятельство исключает возникновение в аммиачных мирах кислородных атмосфер и крайне затрудняет переход к эффективному кислородному метаболизму. И наконец, существенное обстоятельство для экосистем с большим диапазоном колебаний сезонных температур – аммиачный лед плотнее жидкого аммиака и тонет в нем. Неглубокие озера и окраинные моря в таком мире будут промерзать до дна, а накопление аммиачного льда на дне изолирует жизнь от поступления минеральных веществ. По правде говоря, при таком раскладе возникновение аммиачной жизни при наличии воды как более распространенного растворителя с лучшими свойствами сомнительно. Можно ожидать, что такой сценарий будет реализован лишь в достаточно специфичных условиях, исключающих доступность жидкой воды. Холодные суперземли с плотными восстановительными атмосферами, к примеру, вполне могут иметь бассейны жидкого аммиака. Водный лед в таких мирах будет горной породой, почти как на Титане. Есть, правда, еще одно обстоятельство, но о нем в свое время. Теперь смотрим на фосфин. В обычных условиях это тоже бесцветное летучее соединение, но на этом сходство фосфина с аммиаком как бы не завершается. Молекула фосфина в отличие от молекул воды и аммиака образует очень слабые водородные связи. По этой причине фосфин замерзает и кипит при более низких температурах, чем аммиак. Температура плавления фосфина 139.35 K (-133.8 °C), температура кипения при нормальном атмосферном давлении 185.35 K (-87.8 °C). И по этой же причине фосфин в воде растворяется очень плохо, но хорошо растворим в некоторых органических растворителях – бензоле, диэтиловом эфире, сероуглероде. Легко воспламеняется при контакте с воздухом. Чистый фосфин в сухом воздухе относительно стабилен и воспламеняется при температуре 100...150 °C, однако примесь дифосфина P 2H 4 (аналог гидразина!) вызывает самовоспламенение фосфина при комнатной температуре. Фосфин синтезируют некоторые анаэробные бактерии, но в отличие от метаногенных бактерий их роль в экосистемах малоизучена. Болотные огни – это, кстати, как раз фосфин, а не метан: метан почти вдвое легче воздуха и не может накапливаться в приземном слое в концентрациях, достаточных для воспламенения. Для большинства аэробных высших организмов фосфин ядовит: летальная концентрация фосфина в воздухе – примерно 10 частей на миллион. Разница в космическом распространении и химических свойствах азота и фосфора сказывается на их наблюдаемом обилии вне Земли. Аммиак был обнаружен в составе молекулярных облаков межзвездного газа еще в 1968 году – это была первая открытая в дальнем космосе многоатомная молекула. В Солнечной системе аммиачный лед составляет довольно значительную примесь к обычному водному льду в составе кометных ядер. Можно предполагать по аналогии, что и ледяные поверхности транснептунов содержат значительную долю аммиачного льда. Аммиак содержится в атмосферах Юпитера – 0.026%, Сатурна – 0.012%, и в меньших количествах в атмосферах Урана и Нептуна. На Юпитере облака формируют три слоя: сверху вниз – облака из кристаллов аммиака NH 3, гидросульфида аммония NH 4SH и обычного водного льда H 2O. Есть основания полагать, что подледные океаны ледяных лун планет-гигантов мало похожи на наши арктические океаны – это скорее концентрированные водно-аммиачные рассолы. 25% водный раствор аммиака имеет плотность 0.91 г/см3 – близкую к плотности обычного водного льда – и замерзает при температуре 215.7 K (-57.5 °С). Жизнь, которая сумела бы приспособиться к существованию в таком растворителе, существенно раздвинула бы нынешние критерии жизнепригодности планет, и такой вариант определенно стоило бы проработать в реконструкциях альтернативной биохимии. В отличие от жизни на чисто аммиачной основе, водно-аммиачная жизнь имела бы дело с более распространенным в космосе растворителем. В свое время была популярна гипотеза о восстановительной первичной атмосфере ранней Земли, состоящей из водорода, аммиака и метана. Собственно, опыты Миллера и Юри в 1953 году по синтезу абиогенных органических молекул были основаны именно на этой гипотезе. Восстановительная атмосфера ранней Земли до сих пор окончательно не отвергнута, но среди планетологов зреет скепсис. Ранняя восстановительная атмосфера с таким составом если и существовала, то очень недолго. Масса Земли недостаточна, чтобы эффективно удерживать плотную водородную атмосферу и водород очень быстро по геологическим меркам утек в космос. Метан и аммиак под воздействием утрафиолетовой части солнечного спектра быстро разлагаются на простые компоненты, образующийся при этом водород опять же утекает в космос. Аммиак с его прекрасной растворимостью в воде и высокой реакционной способностью к тому же был бы быстро вымыт из атмосферы и растворен в океанской воде. Примечательно, что атмосферы современных Венеры и Марса при колоссальной разнице в их физических свойствах имеют очень похожий состав. Марс – 95.3% углекислого газа, 2,7% азота и 1.6% аргона. Венера – 96.5% углекислого газа и 3.5% азота. Атмосфера с преобладанием углекислого газа – именно то, что следует ожидать от атмосферы, сформировавшейся в результате вулканической деятельности, и я бы предположил, что и ранняя Земля имела такую же атмосферу. Подводя краткий итог по аммиаку – хотя на Земле аммиак естественного прооисхождения в основном связан с жизнедеятельностью, в качестве биомаркера он мало пригоден как раз в силу обилия в космосе аммиака абиогенного происхождения. Фосфин в межзвездной среде не обнаружен. Следовые количества абиогенного фосфина найдены в атмосферах планет-гигантов, и на этом, пожалуй, всё. Несмотря на токсичность фосфина для высших аэробных организмов, фосфин может быть биомаркером для анаэробных бактериальных экосистем. Фосфин химически активен и быстро разлагается, не накапливаясь в значительных количествах – это минус. Для накопления фосфина в атмосфере в количествах, которые можно обнаружить дистанционными методами, его разложение должно компенсироваться значительным постоянным притоком. Но с другой стороны, сам факт наблюдения фосфина в количествах, которые трудно объяснить абиогенными механизмами – сильный аргумент в пользу возможной жизни. Инфографика Типичный марсианский ландшафт глазами ровера Spirit. Район кратера Гусев. Выглядит как земная каменистая пустыня, если не считать, что давление за бортом соответствует высоте 37 км над уровнем моря - это фактически технический вакуум. Тем не менее ученые не теряют надежды обнаружить микробные формы жизни в марсианском грунте под слоем почвенной мерзлоты - там и температура, и давление будут вполне подходящими. NASA/JPL/Cornell - http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA05108А это рендер. Примерно так предположительно выглядят метановые озера на поверхности Титана. Оранжевая дымка атмосферы - фотохимический смог, который образуется из метана под воздействием солнечного ультрафиолета. NASA/JPL-Caltech - https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA23172.jpg
Вложения: |
![Gusev_Spirit_01.jpg](./download/file.php?id=2277&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
![PIA23172-SaturnMoon-Titan-RimmedLakes-ArtistConcept-20190906.jpg](./download/file.php?id=2276&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
[color=#FFFF00]Фосфин в атмосфере Венеры[/color] Часть 2
Метан как биомаркер в поисках возможной жизни в Солнечной системе уже используют. Метан (CH[size=85]4[/size]) – это простейший предельный углеводород. При нормальном атмосферном давлении плавится при температуре 90.65 K (-182.5 °C), кипит при температуре 111.6 K (-161.55 °C). Бесцветный газ без вкуса и запаха. Легко воспламеняется, в концентрациях от 4.4 до 17% образует взрывоопасные смеси с воздухом. В прочих отношениях химически малоактивен. В воде почти нерастворим, однако при низких температурах склонен встраиваться в кристаллическую решетку льда, образуя метаногидраты. В малых концентрациях нетоксичен, но в высоких концентрациях проявляет слабое наркотическое действие, растворяясь в липидном слое клеточных мембран. На Земле метан – основной компонент природного газа, попутных нефтяных газов, рудничного и болотного газа. Большие запасы метана связаны в метаногидратах в морских донных отложениях и в зоне вечной мерзлоты. Метан образуется в анаэробных условиях – в болотах, переувлажненных почвах, в кишечнике жвачных животных – в результате деятельности анаэробных бактерий. Метан также может образоваться в результате пиролиза органических веществ. То есть как ни крути, метан на Земле по большей части прямо или косвенно органического происхождения. Какая-то часть метана на Земле вулканического происхождения, однако метан в вулканических газах обычно сопровождается значительным количеством диоксида серы. Метан применительно к Земле – сильный биомаркер. И кстати, метан – третий по значимости парниковый газ после водяных паров и углекислого газа. Наши воображаемые марсианские экзобиологи могли бы сослаться на метан в атмосфере Земли как на дополнительный довод в пользу обитаемости планеты, если кому-то наличие аномально богатой кислородом атмосферы будет недостаточно убедительным само по себе. Если вы следите за научными новостями, то могли слышать, что локальные выделения метана были обнаружены на Марсе ровером Curiosity. И самое интересное, что прослеживаются сезонные вариации в выделении метана. Было бы заманчиво трактовать обнаруженный метан как свидетельство жизнедеятельности почвенных метанообразующих бактерий, но для этого надо надежно исключить возможные абиогенные механизмы синтеза марсианского метана. Метан может образовываться, к примеру, из углекислого газа и воды в присутствии вулканического минерала оливина. Процесс идет при высоких температурах и давлениях. В марсианской почвенной мерзлоте эти условия отсутствуют, однако метан может образовываться в марсианской коре на большой глубине и просачиваться на поверхность в зонах разломов. Нельзя также исключать возможность, что древние запасы марсианского метана были захоронены в мерзлоте в виде метангидратов и мы наблюдаем их постепенное высвобождение. Есть и более экзотические модели абиогенного синтеза метана. К примеру, метан может быть продуктом фотолиза органики, поступающей на поверхность Марса с метеоритным веществом. Или даже синтезироваться из углекислого газа и воды в результате электрических разрядов при интенсивных пылевых бурях. Если глянуть на окраины Солнечной системы, то метана абиогенной природы там хватает. Метановые льды составляют заметную примесь к водным и аммиачным льдам в кометном веществе и на поверхности транснептунов. На поверхности Плутона, к примеру, 1.5...3% вещества поверхности приходится на твердый метан, остальное приходится в основном на твердый азот. Обычный водяной лед на Плутоне замаскирован под рыхлой шубой из замерзших газов. Более того, красноватый цвет Плутону и другим транснептунам придают толины. Эта асфальтоподобная органика образуется опять же из метана под воздействием солнечного ультрафиолета и космической ионизирующей радиации. Следы метана обнаружены и в атмосферах планет-гигантов, и опять же там происходят фотохимические реакции с синтезом высших углеводородов. Но самый сказочный мир в этом плане – спутник Сатурна Титан. Это единственная луна в Солнечной системе, имеющая плотную атмосферу. Атмосфера в основном азотная – при температуре 93.7 K (-179.5 °С) углекислый газ полностью вымерзает – но с примесью метана: от 1.5% в стратосфере до 5% у поверхности. Метана на Титане настолько много, что он образует на поверхности многочисленные мелкие, но обширные озера. На Титане настолько холодно, что обычный водяной лед там ведет себя как твердая скальная порода. И тем не менее на Титане есть погода – метан испаряется из водоемов в летнем полушарии и выпадает сезонными дождями в зимнем! И этот атмосферный метан вовлечен в фотохимические реакции с образованием плотной оранжевой дымки. Получается такая огромная экспериментальная установка для синтеза абиогенной органики вроде той, что смастерили в свое время, в далеком 1953 году, Миллер и Юри в поисках разгадки тайны происхождения жизни на Земле. На Титане очень много абиогенной органики – пожалуй что, больше, чем где-либо еще в Солнечной системе, включая Землю. Увы, на поверхности Титана слишком холодно для существования какой-либо известной на Земле формы жизни. И однако... Гипотетические сценарии жизни, основанной на альтернативной биохимии – любимая тема для дискуссий в тусовках экзобиологов. И один из таких популярных сценариев – альтернативная биохимия, использующая в качестве растворителя не воду, а жидкие углеводороды. Такие формы жизни гипотетически могут использовать для дыхания водород вместо кислорода, использовать ацетилен или его производные вместо глюкозы как источник запасенной энергии и выделять метан вместо углекислого газа как финальный метаболит. И в самом деле, в 2010 году при анализе данных, полученных в ходе миссии Кассини-Гюйгенс, была обнаружена аномалия в распределении водорода в атмосфере Титана – приповерхностные слои атмосферы содержали меньше водорода, чем более высокие слои. В другой публикации, вышедшей в том же году, было отмечено аномально низкое содержание ацетилена у поверхности Титана в сравнении с его содержанием в атмосфере в целом. Такая картина наблюдалась бы, если бы поверхностная биота активно питалась водородом и ацетиленом. Но как и в случае с метаном на Марсе, бритва Оккама требует в первую очередь рассмотреть и по возможности исключить вероятные абиогенные механизмы, которые могли бы объяснить наблюдаемые аномалии. Хотя само по себе открытие катализатора, эффективно вовлекающего водород и ацетилен в химические реакции при таких низких температурах, было бы примечательным достижением. Но конечно, не таким сенсационным, как экзотические формы жизни.
Эта… всё это, конечно, страшно интересно, но мы же вроде с фосфина начинали, не? Перейдем и к фосфину, но давайте все же глянем и на аммиак. Вещества с виду по химическому строению похожие, интересно же! Химические формулы аммиака NH[size=85]3[/size] и фосфина PH[size=85]3[/size] очень похожи, а вот химические свойства – не очень.
Аммиак – бесцветный газ с характерным резким запахом. Плавится при температуре 195.4 K (-77.75 °C), при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре 239.8 K (-33.35 °C). В отличие от жидкого метана, жидкий аммиак ведет себя как полярный растворитель. Между молекулами аммиака в жидком состоянии образуются водородные связи. Однако в отличие от воды, аммиак не способен к образованию разветвленных водородных связей между молекулами. Аммиак химически активен. Как и вода, является хорошим растворителем для множества неорганических и органических соединений. Будучи полярным растворителем, аммиак очень хорошо растворяется в воде – при 0°C вода поглощает до 1200 объемов газообразного аммиака. В быту 10% водный раствор аммиака известен как нашатырный спирт. Водные растворы аммиака проявляют щелочную реакцию. Но это относительно привычной нам химии водных растворов. Если бы мы использовали в качестве стандартного растворителя жидкий аммиак, мы бы с таким же основании могли заявить, что растворенная в аммиаке вода проявляет кислую реакцию. Аммиак токсичен в высоких концентрациях, однако для живых организмов это не яд, а финальный продукт метаболизма. В свободном состоянии аммиак естественного происхождения образуется как продукт распада органики. Определенная схожесть жидкого аммиака и воды как растворителей (и в частности, способность аммиака растворять большое количество органических соединений) делает аммиак хорошим кандидатом на роль растворителя в альтернативной биохимии. В этой альтернативной биохимии широко распространенной в биополимерах гидроксильной группе -OH могла бы соответствовать аминогруппа -NH[size=85]2[/size]. Карбонильная группа C=O, также важная для канонической биохимии, в аммиачных растворах нестабильна, но ей могла бы соответствовать иминогруппа C=NH. Аммиак как растворитель в сравнении с водой имеет и недостатки, и узкий в сравнении с водой интервал температур существования в жидком виде лишь один из них. Гипотетические аммиачные экосистемы – это экосистемы холодных миров, а скорость химических реакций с понижением температуры падает по экспоненте. Организмы на аммиачной основе будут иметь экстремально замедленный метаболизм в сравнении с водными формами жизни. Но с другой стороны, низкие температуры в принципе позволяют аммиачным организмам использовать в метаболических путях промежуточные продукты, слишком нестабильные в водной среде. Жидкий аммиак имеет меньшую теплоту парообразования, чем вода (аммиак – 1370 кДж/кг, вода – 2260 кДж/кг) и втрое меньшее поверхностное натяжение. Аммиак – менее полярный растворитель, чем вода. Это может затруднить самосборку сложных молекулярных комплексов и клеточных мембран. В отличие от воды аммиак воспламеняется в кислородной атмосфере. Это обстоятельство исключает возникновение в аммиачных мирах кислородных атмосфер и крайне затрудняет переход к эффективному кислородному метаболизму. И наконец, существенное обстоятельство для экосистем с большим диапазоном колебаний сезонных температур – аммиачный лед плотнее жидкого аммиака и тонет в нем. Неглубокие озера и окраинные моря в таком мире будут промерзать до дна, а накопление аммиачного льда на дне изолирует жизнь от поступления минеральных веществ. По правде говоря, при таком раскладе возникновение аммиачной жизни при наличии воды как более распространенного растворителя с лучшими свойствами сомнительно. Можно ожидать, что такой сценарий будет реализован лишь в достаточно специфичных условиях, исключающих доступность жидкой воды. Холодные суперземли с плотными восстановительными атмосферами, к примеру, вполне могут иметь бассейны жидкого аммиака. Водный лед в таких мирах будет горной породой, почти как на Титане. Есть, правда, еще одно обстоятельство, но о нем в свое время.
Теперь смотрим на фосфин. В обычных условиях это тоже бесцветное летучее соединение, но на этом сходство фосфина с аммиаком как бы не завершается. Молекула фосфина в отличие от молекул воды и аммиака образует очень слабые водородные связи. По этой причине фосфин замерзает и кипит при более низких температурах, чем аммиак. Температура плавления фосфина 139.35 K (-133.8 °C), температура кипения при нормальном атмосферном давлении 185.35 K (-87.8 °C). И по этой же причине фосфин в воде растворяется очень плохо, но хорошо растворим в некоторых органических растворителях – бензоле, диэтиловом эфире, сероуглероде. Легко воспламеняется при контакте с воздухом. Чистый фосфин в сухом воздухе относительно стабилен и воспламеняется при температуре 100...150 °C, однако примесь дифосфина P[size=85]2[/size]H[size=85]4[/size] (аналог гидразина!) вызывает самовоспламенение фосфина при комнатной температуре. Фосфин синтезируют некоторые анаэробные бактерии, но в отличие от метаногенных бактерий их роль в экосистемах малоизучена. Болотные огни – это, кстати, как раз фосфин, а не метан: метан почти вдвое легче воздуха и не может накапливаться в приземном слое в концентрациях, достаточных для воспламенения. Для большинства аэробных высших организмов фосфин ядовит: летальная концентрация фосфина в воздухе – примерно 10 частей на миллион.
Разница в космическом распространении и химических свойствах азота и фосфора сказывается на их наблюдаемом обилии вне Земли. Аммиак был обнаружен в составе молекулярных облаков межзвездного газа еще в 1968 году – это была первая открытая в дальнем космосе многоатомная молекула. В Солнечной системе аммиачный лед составляет довольно значительную примесь к обычному водному льду в составе кометных ядер. Можно предполагать по аналогии, что и ледяные поверхности транснептунов содержат значительную долю аммиачного льда. Аммиак содержится в атмосферах Юпитера – 0.026%, Сатурна – 0.012%, и в меньших количествах в атмосферах Урана и Нептуна. На Юпитере облака формируют три слоя: сверху вниз – облака из кристаллов аммиака NH[size=85]3[/size], гидросульфида аммония NH[size=85]4[/size]SH и обычного водного льда H[size=85]2[/size]O. Есть основания полагать, что подледные океаны ледяных лун планет-гигантов мало похожи на наши арктические океаны – это скорее концентрированные водно-аммиачные рассолы. 25% водный раствор аммиака имеет плотность 0.91 г/см3 – близкую к плотности обычного водного льда – и замерзает при температуре 215.7 K (-57.5 °С). Жизнь, которая сумела бы приспособиться к существованию в таком растворителе, существенно раздвинула бы нынешние критерии жизнепригодности планет, и такой вариант определенно стоило бы проработать в реконструкциях альтернативной биохимии. В отличие от жизни на чисто аммиачной основе, водно-аммиачная жизнь имела бы дело с более распространенным в космосе растворителем. В свое время была популярна гипотеза о восстановительной первичной атмосфере ранней Земли, состоящей из водорода, аммиака и метана. Собственно, опыты Миллера и Юри в 1953 году по синтезу абиогенных органических молекул были основаны именно на этой гипотезе. Восстановительная атмосфера ранней Земли до сих пор окончательно не отвергнута, но среди планетологов зреет скепсис. Ранняя восстановительная атмосфера с таким составом если и существовала, то очень недолго. Масса Земли недостаточна, чтобы эффективно удерживать плотную водородную атмосферу и водород очень быстро по геологическим меркам утек в космос. Метан и аммиак под воздействием утрафиолетовой части солнечного спектра быстро разлагаются на простые компоненты, образующийся при этом водород опять же утекает в космос. Аммиак с его прекрасной растворимостью в воде и высокой реакционной способностью к тому же был бы быстро вымыт из атмосферы и растворен в океанской воде. Примечательно, что атмосферы современных Венеры и Марса при колоссальной разнице в их физических свойствах имеют очень похожий состав. Марс – 95.3% углекислого газа, 2,7% азота и 1.6% аргона. Венера – 96.5% углекислого газа и 3.5% азота. Атмосфера с преобладанием углекислого газа – именно то, что следует ожидать от атмосферы, сформировавшейся в результате вулканической деятельности, и я бы предположил, что и ранняя Земля имела такую же атмосферу. Подводя краткий итог по аммиаку – хотя на Земле аммиак естественного прооисхождения в основном связан с жизнедеятельностью, в качестве биомаркера он мало пригоден как раз в силу обилия в космосе аммиака абиогенного происхождения. Фосфин в межзвездной среде не обнаружен. Следовые количества абиогенного фосфина найдены в атмосферах планет-гигантов, и на этом, пожалуй, всё. Несмотря на токсичность фосфина для высших аэробных организмов, фосфин может быть биомаркером для анаэробных бактериальных экосистем. Фосфин химически активен и быстро разлагается, не накапливаясь в значительных количествах – это минус. Для накопления фосфина в атмосфере в количествах, которые можно обнаружить дистанционными методами, его разложение должно компенсироваться значительным постоянным притоком. Но с другой стороны, сам факт наблюдения фосфина в количествах, которые трудно объяснить абиогенными механизмами – сильный аргумент в пользу возможной жизни.
Инфографика Типичный марсианский ландшафт глазами ровера Spirit. Район кратера Гусев. Выглядит как земная каменистая пустыня, если не считать, что давление за бортом соответствует высоте 37 км над уровнем моря - это фактически технический вакуум. Тем не менее ученые не теряют надежды обнаружить микробные формы жизни в марсианском грунте под слоем почвенной мерзлоты - там и температура, и давление будут вполне подходящими. NASA/JPL/Cornell - http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA05108 А это рендер. Примерно так предположительно выглядят метановые озера на поверхности Титана. Оранжевая дымка атмосферы - фотохимический смог, который образуется из метана под воздействием солнечного ультрафиолета. NASA/JPL-Caltech - https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA23172.jpg
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
31.12.20
|
|
|
Присечательные астрономические события 2020 года |
|
|
Фосфин в атмосфере Венеры Часть 1
Публикация Phosphine gas in the cloud decks of Venus была опубликована 14 сентября 2020 года в журнале Nature Astronomy и определенно наделала шороху. Думаю, сенсация в зомбоящике перетиралась активно. Зомбоящик я не смотрю принципально – соблюдаю гигиену – а вот оригинал статьи найти в Паутине несложно. И не так уж трудно разобраться самостоятельно, что там было и чего там не было. Суть статьи кратко изложена в одном абзаце резюме в самом начале, сразу под заголовком и списком авторов, как это принято в научных публикациях. Далее идут десять страниц основного текста с графиками и таблицами и десять страниц дополнительной информации. Итак, краткая суть статьи. В атмосфере Венеры методами спектрального анализа обнаружен фосфин (PH3). Спектральные линии, идентифицированные как принадлежащие фосфину, зарегистрированы в субмиллиметровом диапазоне с помощью радиотелескопов ALMA (многозеркальный радиотелескоп в чилийской пустыне Атакама) и JCMT (радиотелескоп субмиллиметрового диапазона с 15-метровым зеркалом в обсерватории Мауна Кеа на Гавайях). Содержание фосфина в атмосфере Венеры оценили в 20 частей на миллиард. Причем это не какая-то локальная аномалия, а глобальное содержание – линия фосфина фиксируется в атмосфере вплоть до широты 60°. В атмосфере над полярными областями Венеры фосфин не обнаружен. Что уже делает объяснение феномена нелегкой задачей. В экстремально закисленной атмосфере Венеры фосфор должен существовать лишь в виде окисленных соединений. Авторы статьи добросовестно проанализировали возможные химические и фотохимические реакции с образованием фосфина в атмосфере, облаках, на поверхности и в грунте Венеры. Они также рассмотрели возможность поступления фосфина извне с метеоритным или кометным веществом (включая сценарий падения большой кометы) и пришли к выводу: ни один из известных механизмов абиогенного синтеза такую высокую концентрацию фосфина в атмосфере не объясняет. Все расчетные оценки дают концентрацию на четыре-восемь порядков ниже наблюдаемой. И стало быть, остаются две возможности. Или мы имеем дело с неизвестным абиогенным механизмом синтеза фосфина, или фосфин является признаком наличия жизни. Имея статью перед глазами, хочу ясно заявить: прямого утверждения “на Венере обнаружена жизнь” в статье нет. Всего лишь “в свете обнаруженных фактов мы должны серьезно рассмотреть эту возможность”. Но журналюги, понятно, эту мелочь по большей части проигнорировали. Их задача – не информировать аудиторию, а развлекать.
Думаю, есть смысл чуть подробнее рассказать о смысле этого переполоха – так станет понятнее, почему статья вызвала такой резонанс. И начнем с фосфина. Даже, пожалуй, начнем с фосфора. И не только фосфора.
В Периодической таблице элементов фосфор (элемент № 15) располагается под азотом (элемент № 7). Химически фосфор проявляет определенное сходство с азотом, и фосфину PH3 соответствует аммиак NH3. Однако между азотом и фосфором есть не только сходство, но и очень важные отличия. Прежде всего, азот в космосе – довольно распространенный элемент. На миллион атомов водорода в Солнечной системе приходится примерно сотня атомов азота. Атомов фосфора примерно в 400 раз меньше, чем азота – то есть примерно 250 атомов на миллиард атомов водорода. Если посмотреть на земную кору, то здесь картина иная. Самый распространенный элемент в земной коре – это кислород, 482 тысячи атомов на миллион (если считать по массе, на первом месте железо). Фосфора в земной коре намного больше, чем азота – фосфора 1000 атомов на миллион, азота 46 атомов на миллион. Этот парадокс объясняется тем, что фосфор в отличие от азота легко реагирует с кислородом и входит в состав горных пород, таких, как апатиты (фосфат кальция с переменным содержанием гидроксильной группы, фтора и/или хлора). Опять же в отличие от азота, который сам по себе в нормальных условиях ведет себя как инертный газ и образует по большей части летучие соединения, более тяжелый фосфор к образованию летучих соединений почти не склонен. Фосфин – одно из немногих исключений (боевые отравляющие вещества и прочие дихлофосы рассматривать не будем). Что касается роли азота и фосфора в живых организмах – здесь только популярной литературой можно книжные полки от пола до потолка уставить, так что постараюсь предельно кратко. Азот – это в первую очередь пептидные связи в белках и азотистые основания в нуклеиновых кислотах (генетический код!). Фосфор, а конкретнее органические фосфаты – это основа энергетики живой клетки (АТФ), опять же скелет молекул нуклеиновых кислот и фосфолипиды клеточных мебран.
Если мы пытаемся обнаружить жизнь на других планетах дистанционными методами, то по необходимости задача сводится к обнаружению не самих организмов, а продуктов их жизнедеятельности. Причем таких продуктов жизнедеятельности, накопление которых в окружающей среде очень трудно, если вообще возможно, объяснить иными причинами. Если бы я писал статью в академический научный журнал, мне пришлось бы употребить применительно к таким признакам наличия жизни термин “биосигнатура” (biosignature). Но надеюсь, термин “биомаркер” тоже сойдет – он короче и тоже отражает суть предмета. Вообще говоря, биосигнатура aka биомаркер – это любые признаки жизни в окружающей среде, от аномального изотопного состава донных осадков до раковин фораменифер и костей динозавров. Ограничимся, однако, летучими примесями в атмосфере – они в отличие от раковин фораменифер в принципе могут быть зафиксированы спектральными методами на расстоянии в сотни световых лет. Как это работает. Допустим, мы наблюдаем Землю с Марса и фиксируем спектральные линии кислорода в ее атмосфере. Если бы речь шла о примесях в сотые доли процента, мы как добросовестные исследователи были бы обязаны заявить: коллеги, мы в первую очередь должны пристально изучить самую вероятную возможность, что кислород в атмосфере Земли образуется в результате фотодиссоциации водяных паров под воздействием солнечного ультафиолета. Допустим даже, какая-то часть наблюдаемого кислорода действительно образуется как продукт жизнедеятельности организмов – но нам нужно провести кучу наблюдений, чтобы обосновать эту возможность, и все равно мы не можем уверенно утверждать, что обнаружили жизнь на Земле, пока не пошлем туда зонд. Но если мы фиксируем обилие кислорода в земной атмосфере порядка 20%, это очень трудно, если вообще возможно, объяснить абиогенными механизмами. Кислород в таких количествах – сильный биомаркер, и не зря энтузиасты поисков жизни во Вселенной топят за развитие наблюдательных методов обнаружения экзопланет с кислородными атмосферами вроде земной. Проблема с кислородом как биомаркером в том, что нынешняя Земля может быть нетипичным обитаемым миром. Да, кислород распространенный элемент и да, кислород – сильный окислитель. Любая мыслимая форма жизни, по всей видимости, столкнется с общей проблемой – ресурсы энергии в окружающей среде лимитированы и их доступных источников не так уж много. Было бы странно ожидать, что иные формы жизни проигнорируют кислородное дыхание в пользу экзотических менее эффективных источников энергии. Вот только есть такой момент. Свободного кислорода на Земле поначалу не было – ни в атмосфере, ни в океанах. Жизни приходилось использовать те источники энергии, которые имелись на Земле – а это в основном соединения серы и железа, продукт вулканической деятельности. Источник энергии низкого качества, но в районах выхода вулканических газов можно было рассчитывать на регулярное поступление. Жизнь на Земле поначалу поневоле была анаэробной и привязанной к вулканическим источникам химической энергии. Примерно 3.4 миллиарда лет назад в геологической истории земной жизни произошло революционное событие – жизнь научилась использовать неисчерпаемый ресурс солнечной энергии. Однако эта энергия запасалась в уже освоенных формах – опять же в соединениях серы и железа. Поначалу фотосинтез тоже был анаэробным. И лишь позже, примерно 2.7 миллиарда лет назад, возникли фотосистемы современного типа с фиксацией углерода из атмосферного углекислого газа и с использованием воды как донора электронов. В отличие от вулканических газов, вода, углекислый газ и солнечная энергия были в обилии и жизнь уже не была привязана к очагам вулканизма. Вот только с водой как с донором электронов возникла очень серьезная проблема. Кислород был метаболическим ядом, побочным продуктом фотосинтеза. Кислородное дыхание изначально возникло как механизм нейтрализации токсичного кислорода. И только намного позже, когда высвобождающийся кислород окислил горные породы и начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах, кислородное дыхание стало актуально как эффективный источник энергии. Так вот, выделение кислорода в окружающую среду в значительных количествах в результате жизнедеятельности цианобактерий началось примерно 2.45 миллиарда лет назад, но этот кислород растворялся в океанской воде и поглощался донными осадками. Примерно 1.85 миллиарда лет назад буферная емкость океанов насытилась и началось выделение избытка кислорода в атмосферу, но этот кислород поглощался горными породами суши. Парциальное давление кислорода в атмосфере Земли в это время было примерно 0.02...0.04 атмосферы – то есть 2...4% в сравнении с современным содержанием 21%. И лишь примерно 850 миллионов лет назад кислород начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах. Ну и дальше – внезапный расцвет многоклеточной жизни примерно 540 миллионов лет назад, известный как кембрийский взрыв. Это я к чему веду. По единственному примеру известной обитаемой планеты статистику строить нельзя, но разумно предположить, что какая-то доля обитаемых миров (и возможно, большая их часть) до сих пор представлена экосистемами с одноклеточными формами жизни и кислородная революция в этих мирах еще не произошла. Или попросту не удалась в силу каких-то местных причин. То есть свободный кислород как биомаркер может быть непригодным для таких миров. Нужно искать другие простые летучие соединения, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов. Метан, аммиак, формальдегид, фосфин. Может быть, сернистый газ SO2. Может быть, что-то еще, что не приходит мне в голову – я все же в этой области не специалист.
Инфографика Другой обитаемый мир может быт покрытым мелководными водоемами. Или быть с виду безжизненной пустыней - это как повезет. И тогда о жизни на планете придется судить о составе ее атмосферы. На первом снимке - строматолиты (бактериальные сообщества) в Шарк Бэй, Западная Австралия. Примерно так могли выглядеть ландшафты юной Земли до появления многоклеточной жизни. Снимок сделал Paul Harrison (Reading, UK) Источник второго снимка, к сожалению, уже не помню.
Вложения: |
![Stromatolites_in_Sharkbay.jpg](./download/file.php?id=2275&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
![Desert_sunset.png](./download/file.php?id=2274&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
[color=#FFFF00]Фосфин в атмосфере Венеры[/color] Часть 1
Публикация Phosphine gas in the cloud decks of Venus была опубликована 14 сентября 2020 года в журнале Nature Astronomy и определенно наделала шороху. Думаю, сенсация в зомбоящике перетиралась активно. Зомбоящик я не смотрю принципально – соблюдаю гигиену – а вот оригинал статьи найти в Паутине несложно. И не так уж трудно разобраться самостоятельно, что там было и чего там не было. Суть статьи кратко изложена в одном абзаце резюме в самом начале, сразу под заголовком и списком авторов, как это принято в научных публикациях. Далее идут десять страниц основного текста с графиками и таблицами и десять страниц дополнительной информации. Итак, краткая суть статьи. В атмосфере Венеры методами спектрального анализа обнаружен фосфин (PH[size=85]3[/size]). Спектральные линии, идентифицированные как принадлежащие фосфину, зарегистрированы в субмиллиметровом диапазоне с помощью радиотелескопов ALMA (многозеркальный радиотелескоп в чилийской пустыне Атакама) и JCMT (радиотелескоп субмиллиметрового диапазона с 15-метровым зеркалом в обсерватории Мауна Кеа на Гавайях). Содержание фосфина в атмосфере Венеры оценили в 20 частей на миллиард. Причем это не какая-то локальная аномалия, а глобальное содержание – линия фосфина фиксируется в атмосфере вплоть до широты 60°. В атмосфере над полярными областями Венеры фосфин не обнаружен. Что уже делает объяснение феномена нелегкой задачей. В экстремально закисленной атмосфере Венеры фосфор должен существовать лишь в виде окисленных соединений. Авторы статьи добросовестно проанализировали возможные химические и фотохимические реакции с образованием фосфина в атмосфере, облаках, на поверхности и в грунте Венеры. Они также рассмотрели возможность поступления фосфина извне с метеоритным или кометным веществом (включая сценарий падения большой кометы) и пришли к выводу: ни один из известных механизмов абиогенного синтеза такую высокую концентрацию фосфина в атмосфере не объясняет. Все расчетные оценки дают концентрацию на четыре-восемь порядков ниже наблюдаемой. И стало быть, остаются две возможности. Или мы имеем дело с неизвестным абиогенным механизмом синтеза фосфина, или фосфин является признаком наличия жизни. Имея статью перед глазами, хочу ясно заявить: прямого утверждения “на Венере обнаружена жизнь” в статье нет. Всего лишь “в свете обнаруженных фактов мы должны серьезно рассмотреть эту возможность”. Но журналюги, понятно, эту мелочь по большей части проигнорировали. Их задача – не информировать аудиторию, а развлекать.
Думаю, есть смысл чуть подробнее рассказать о смысле этого переполоха – так станет понятнее, почему статья вызвала такой резонанс. И начнем с фосфина. Даже, пожалуй, начнем с фосфора. И не только фосфора.
В Периодической таблице элементов фосфор (элемент № 15) располагается под азотом (элемент № 7). Химически фосфор проявляет определенное сходство с азотом, и фосфину PH[size=85]3[/size] соответствует аммиак NH[size=85]3[/size]. Однако между азотом и фосфором есть не только сходство, но и очень важные отличия. Прежде всего, азот в космосе – довольно распространенный элемент. На миллион атомов водорода в Солнечной системе приходится примерно сотня атомов азота. Атомов фосфора примерно в 400 раз меньше, чем азота – то есть примерно 250 атомов на миллиард атомов водорода. Если посмотреть на земную кору, то здесь картина иная. Самый распространенный элемент в земной коре – это кислород, 482 тысячи атомов на миллион (если считать по массе, на первом месте железо). Фосфора в земной коре намного больше, чем азота – фосфора 1000 атомов на миллион, азота 46 атомов на миллион. Этот парадокс объясняется тем, что фосфор в отличие от азота легко реагирует с кислородом и входит в состав горных пород, таких, как апатиты (фосфат кальция с переменным содержанием гидроксильной группы, фтора и/или хлора). Опять же в отличие от азота, который сам по себе в нормальных условиях ведет себя как инертный газ и образует по большей части летучие соединения, более тяжелый фосфор к образованию летучих соединений почти не склонен. Фосфин – одно из немногих исключений (боевые отравляющие вещества и прочие дихлофосы рассматривать не будем). Что касается роли азота и фосфора в живых организмах – здесь только популярной литературой можно книжные полки от пола до потолка уставить, так что постараюсь предельно кратко. Азот – это в первую очередь пептидные связи в белках и азотистые основания в нуклеиновых кислотах (генетический код!). Фосфор, а конкретнее органические фосфаты – это основа энергетики живой клетки (АТФ), опять же скелет молекул нуклеиновых кислот и фосфолипиды клеточных мебран.
Если мы пытаемся обнаружить жизнь на других планетах дистанционными методами, то по необходимости задача сводится к обнаружению не самих организмов, а продуктов их жизнедеятельности. Причем таких продуктов жизнедеятельности, накопление которых в окружающей среде очень трудно, если вообще возможно, объяснить иными причинами. Если бы я писал статью в академический научный журнал, мне пришлось бы употребить применительно к таким признакам наличия жизни термин “биосигнатура” (biosignature). Но надеюсь, термин “биомаркер” тоже сойдет – он короче и тоже отражает суть предмета. Вообще говоря, биосигнатура aka биомаркер – это любые признаки жизни в окружающей среде, от аномального изотопного состава донных осадков до раковин фораменифер и костей динозавров. Ограничимся, однако, летучими примесями в атмосфере – они в отличие от раковин фораменифер в принципе могут быть зафиксированы спектральными методами на расстоянии в сотни световых лет. Как это работает. Допустим, мы наблюдаем Землю с Марса и фиксируем спектральные линии кислорода в ее атмосфере. Если бы речь шла о примесях в сотые доли процента, мы как добросовестные исследователи были бы обязаны заявить: коллеги, мы в первую очередь должны пристально изучить самую вероятную возможность, что кислород в атмосфере Земли образуется в результате фотодиссоциации водяных паров под воздействием солнечного ультафиолета. Допустим даже, какая-то часть наблюдаемого кислорода действительно образуется как продукт жизнедеятельности организмов – но нам нужно провести кучу наблюдений, чтобы обосновать эту возможность, и все равно мы не можем уверенно утверждать, что обнаружили жизнь на Земле, пока не пошлем туда зонд. Но если мы фиксируем обилие кислорода в земной атмосфере порядка 20%, это очень трудно, если вообще возможно, объяснить абиогенными механизмами. Кислород в таких количествах – сильный биомаркер, и не зря энтузиасты поисков жизни во Вселенной топят за развитие наблюдательных методов обнаружения экзопланет с кислородными атмосферами вроде земной. Проблема с кислородом как биомаркером в том, что нынешняя Земля может быть нетипичным обитаемым миром. Да, кислород распространенный элемент и да, кислород – сильный окислитель. Любая мыслимая форма жизни, по всей видимости, столкнется с общей проблемой – ресурсы энергии в окружающей среде лимитированы и их доступных источников не так уж много. Было бы странно ожидать, что иные формы жизни проигнорируют кислородное дыхание в пользу экзотических менее эффективных источников энергии. Вот только есть такой момент. Свободного кислорода на Земле поначалу не было – ни в атмосфере, ни в океанах. Жизни приходилось использовать те источники энергии, которые имелись на Земле – а это в основном соединения серы и железа, продукт вулканической деятельности. Источник энергии низкого качества, но в районах выхода вулканических газов можно было рассчитывать на регулярное поступление. Жизнь на Земле поначалу поневоле была анаэробной и привязанной к вулканическим источникам химической энергии. Примерно 3.4 миллиарда лет назад в геологической истории земной жизни произошло революционное событие – жизнь научилась использовать неисчерпаемый ресурс солнечной энергии. Однако эта энергия запасалась в уже освоенных формах – опять же в соединениях серы и железа. Поначалу фотосинтез тоже был анаэробным. И лишь позже, примерно 2.7 миллиарда лет назад, возникли фотосистемы современного типа с фиксацией углерода из атмосферного углекислого газа и с использованием воды как донора электронов. В отличие от вулканических газов, вода, углекислый газ и солнечная энергия были в обилии и жизнь уже не была привязана к очагам вулканизма. Вот только с водой как с донором электронов возникла очень серьезная проблема. Кислород был метаболическим ядом, побочным продуктом фотосинтеза. Кислородное дыхание изначально возникло как механизм нейтрализации токсичного кислорода. И только намного позже, когда высвобождающийся кислород окислил горные породы и начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах, кислородное дыхание стало актуально как эффективный источник энергии. Так вот, выделение кислорода в окружающую среду в значительных количествах в результате жизнедеятельности цианобактерий началось примерно 2.45 миллиарда лет назад, но этот кислород растворялся в океанской воде и поглощался донными осадками. Примерно 1.85 миллиарда лет назад буферная емкость океанов насытилась и началось выделение избытка кислорода в атмосферу, но этот кислород поглощался горными породами суши. Парциальное давление кислорода в атмосфере Земли в это время было примерно 0.02...0.04 атмосферы – то есть 2...4% в сравнении с современным содержанием 21%. И лишь примерно 850 миллионов лет назад кислород начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах. Ну и дальше – внезапный расцвет многоклеточной жизни примерно 540 миллионов лет назад, известный как кембрийский взрыв. Это я к чему веду. По единственному примеру известной обитаемой планеты статистику строить нельзя, но разумно предположить, что какая-то доля обитаемых миров (и возможно, большая их часть) до сих пор представлена экосистемами с одноклеточными формами жизни и кислородная революция в этих мирах еще не произошла. Или попросту не удалась в силу каких-то местных причин. То есть свободный кислород как биомаркер может быть непригодным для таких миров. Нужно искать другие простые летучие соединения, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов. Метан, аммиак, формальдегид, фосфин. Может быть, сернистый газ SO[size=85]2[/size]. Может быть, что-то еще, что не приходит мне в голову – я все же в этой области не специалист.
Инфографика Другой обитаемый мир может быт покрытым мелководными водоемами. Или быть с виду безжизненной пустыней - это как повезет. И тогда о жизни на планете придется судить о составе ее атмосферы. На первом снимке - строматолиты (бактериальные сообщества) в Шарк Бэй, Западная Австралия. Примерно так могли выглядеть ландшафты юной Земли до появления многоклеточной жизни. Снимок сделал Paul Harrison (Reading, UK) Источник второго снимка, к сожалению, уже не помню.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
19.12.20
|
|
|
Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии |
|
|
to stranger
Спасибо, очень познавательно. Надеюсь на продолжение.
[b] to stranger [/b]
Спасибо, очень познавательно. Надеюсь на продолжение.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
12.12.20
|
|
|
HR 6819 – самая близкая черная дыра? |
|
|
HR 6819 – самая близкая черная дыра?
За время моей сознательной жизни черные дыры из области увлекательной, но спорной экзотики перешли в область реальных и довольно распространенных космических объектов. Просто накопилось слишком много наблюдательных данных, которые как-то неудобно игнорировать. Однако по большей части это все же очень далекие объекты. Рентгеновский источник Лебедь X-1 (Cyg X-1), который в свое время дал первые сильные доводы в пользу реального существования черных дыр, находится в двойной системе на расстоянии примерно 6100 световых лет от Солнца, то есть в довольно удаленном регионе нашей Галактики. Примерно тот же порядок имеют расстояния и до других ближайших обнаруженных черных дыр. Вплоть до недавнего времени кандидатом на ближайшую к Солнцу черную дыру был объект A0620-00 – тесная двойная система с массивным невидимым компонентом в созвездии Единорога на расстоянии около 3300 световых лет. И вот в мае 2020 года астрономы из Европейской южной обсерватории объявили об открытии черной дыры на рекордно малом расстоянии 1120 световых лет от Солнца. Причем в звездной системе, которую опытный наблюдатель в принципе может найти на небе невооруженным глазом.
HR 6819 – горячая голубая звезда спектрального класса B3. Звезда находится в созвездии Телескопа и из умеренных широт Северного полушария не видна. Видимый блеск звезды 5.36. В свое время HR 6819 считали одиночной звездой, однако в 2009 году методами спектрального анализа обнаружили, что на самом деле это пара голубых звезд со спектральными классами B3 III и B3 IIIpe. Индекс e означает, что в спектре звезды наблюдаются эмиссионные линии. На компоненты звездная пара не разрешается и все данные о системе получены исключительно из анализа спектра. Массу компонента A оценили примерно в 6.3 массы Солнца исходя из предположения, что это типичный голубой гигант. Массу компонента B по причине его необычного спектра уверенно определить не удалось, но в общем сочли, что масса компонента B тоже около 6 солнечных. В 2020 году при более детальном анализе спектра обнаружилось довольно странное обстоятельство. В спектре компонента A нашли периодическое смещение, которое указывало на орбитальное движение с периодом около 40 суток. Признаков орбитального движения в спектре компонента B не обнаружили, что указывало на то, что система на самом деле тройная: компонент A состоит из пары Aa и Ab. Расчеты показали, что компонент Ab должен иметь массу как минимум 4.2 солнечных. Обычная звезда с такой массой была бы уверенно обнаружена методами спектрального анализа. Невидимый компонент имеет слишком большую массу для нейтронной звезды. Следовательно, это черная дыра.
Открытие черной дыры звездной массы так близко от Солнца вызвало у астрономов прилив радостного возбуждения. Черная дыра в системе HR 6819 неактивна. У нее нет аккреционного диска и она ничем себя не проявляет кроме гравитационного воздействия. Если мы смогли обнаружить неактивную черную дыру, то при более пристальном анализе аномалий в спектрах двойных систем можно обнаружить другие черные дыры. Сотни неактивных черных дыр, может быть, тысячи, в технических пределах современной наблюдательной астрономии – их просто до этого не пытались искать. В астрономии часто так бывает. Так было в свое время с открытием астероидов и так было с открытием транснептунов. Первые открытия – годы упорного труда и порой невероятное везение. А потом открытия идут потоком. На этой пафосной ноте рассказ об очередном научном триумфе можно было бы и завершить, однако…
В октябре 2020 года появились три независимых публикации, в которых возможные события в системе HR 6819 трактуются под совершенно другим углом. А что если мы неверно определили массу компонента A? И вот тут нарисовался альтернативный сценарий, по своему довольно экзотический. Но вполне реальный в рамках наших современных знаний о звездной эволюции. HR 6819 – на самом деле тесная двойная система. Эволюция звезд в тесных двойных системах идет с обменом массы между компонентами и очень сильно отличается от типичной эволюции одиночных звезл. HR 6819 A в недавнем по астрономическим меркам прошлом действительно была более массивной звездой пары и первой завершила свою жизнь на главной последовательности. Сойдя с главной последовательности, звезда разбухла и начала сливать свою рыхлую оболочку на близкий компаньон B. То, что мы наблюдаем на данный момент – не нормальный голубой гигант, а горячая сердцевина ободранной звезды с относительно малой массой. И в этом случае наблюдаемый методами спектрального анализа орбитальный период 40 суток – это орбитальный период пары AB. Три независимых публикации дают такие оценки распределения масс в системе: Компонент A – 0.4...0.8 солнечных масс, компонент B – около 6 солнечных масс. Компонент A – 0.4 солнечных масс, компонент B – 6 солнечных масс. Компонент A – 0.5 солнечных масс, компонент B – 6.7 солнечных масс. Какую оценку ни возьми, компонент B на порядок массивнее компонента A и периодический сдвиг в его спектральных линиях, связанный с эффектом Допплера, на порядок меньше. А учитывая аномальный спектр компонента B, слабый периодический сигнал замаскирован высоким уровнем шума. Звезды спектрального класса Be очень быстро вращаются – настолько быстро, что отслаивают протяженные оболочки. Слабый эффект Допплера, связанный с орбитальным движением звезды, очень трудно выделить на фоне широких спектральных линий быстро вращающейся оболочки. Как бы то ни было, технически необходимость в наличии третьего невидимого компонента, который объяснял бы орбитальные аномалии двойной системы, отпала. И более того, обнаружились дополнительные доказательства в пользу сценария ободранной звезды. Если в тесной двойной системе происходил обмен масс, часть вещества, потерянного компонентом A, не попала на компонент B, а сформировала газовый диск, окружающий тесную двойную систему. И действительно, водородный диск вокруг звезды Be был обнаружен и в его спектре удалось выделить регулярные возмущения с периодом 40 суток, совпадающие с орбитальным периодом системы. Возможность существования черной дыры в системе HR 6819 окончательно не опровергнута, но очень даже похоже, что сенсационное открытие года не состоялось. В принципе нормальный для науки процесс.
[b][color=#FFFF00]HR 6819 – самая близкая черная дыра?[/color][/b]
За время моей сознательной жизни черные дыры из области увлекательной, но спорной экзотики перешли в область реальных и довольно распространенных космических объектов. Просто накопилось слишком много наблюдательных данных, которые как-то неудобно игнорировать. Однако по большей части это все же очень далекие объекты. Рентгеновский источник Лебедь X-1 (Cyg X-1), который в свое время дал первые сильные доводы в пользу реального существования черных дыр, находится в двойной системе на расстоянии примерно 6100 световых лет от Солнца, то есть в довольно удаленном регионе нашей Галактики. Примерно тот же порядок имеют расстояния и до других ближайших обнаруженных черных дыр. Вплоть до недавнего времени кандидатом на ближайшую к Солнцу черную дыру был объект A0620-00 – тесная двойная система с массивным невидимым компонентом в созвездии Единорога на расстоянии около 3300 световых лет. И вот в мае 2020 года астрономы из Европейской южной обсерватории объявили об открытии черной дыры на рекордно малом расстоянии 1120 световых лет от Солнца. Причем в звездной системе, которую опытный наблюдатель в принципе может найти на небе невооруженным глазом.
HR 6819 – горячая голубая звезда спектрального класса B3. Звезда находится в созвездии Телескопа и из умеренных широт Северного полушария не видна. Видимый блеск звезды 5.36. В свое время HR 6819 считали одиночной звездой, однако в 2009 году методами спектрального анализа обнаружили, что на самом деле это пара голубых звезд со спектральными классами B3 III и B3 IIIpe. Индекс e означает, что в спектре звезды наблюдаются эмиссионные линии. На компоненты звездная пара не разрешается и все данные о системе получены исключительно из анализа спектра. Массу компонента A оценили примерно в 6.3 массы Солнца исходя из предположения, что это типичный голубой гигант. Массу компонента B по причине его необычного спектра уверенно определить не удалось, но в общем сочли, что масса компонента B тоже около 6 солнечных. В 2020 году при более детальном анализе спектра обнаружилось довольно странное обстоятельство. В спектре компонента A нашли периодическое смещение, которое указывало на орбитальное движение с периодом около 40 суток. Признаков орбитального движения в спектре компонента B не обнаружили, что указывало на то, что система на самом деле тройная: компонент A состоит из пары Aa и Ab. Расчеты показали, что компонент Ab должен иметь массу как минимум 4.2 солнечных. Обычная звезда с такой массой была бы уверенно обнаружена методами спектрального анализа. Невидимый компонент имеет слишком большую массу для нейтронной звезды. Следовательно, это черная дыра.
Открытие черной дыры звездной массы так близко от Солнца вызвало у астрономов прилив радостного возбуждения. Черная дыра в системе HR 6819 неактивна. У нее нет аккреционного диска и она ничем себя не проявляет кроме гравитационного воздействия. Если мы смогли обнаружить неактивную черную дыру, то при более пристальном анализе аномалий в спектрах двойных систем можно обнаружить другие черные дыры. Сотни неактивных черных дыр, может быть, тысячи, в технических пределах современной наблюдательной астрономии – их просто до этого не пытались искать. В астрономии часто так бывает. Так было в свое время с открытием астероидов и так было с открытием транснептунов. Первые открытия – годы упорного труда и порой невероятное везение. А потом открытия идут потоком. На этой пафосной ноте рассказ об очередном научном триумфе можно было бы и завершить, однако…
В октябре 2020 года появились три независимых публикации, в которых возможные события в системе HR 6819 трактуются под совершенно другим углом. А что если мы неверно определили массу компонента A? И вот тут нарисовался альтернативный сценарий, по своему довольно экзотический. Но вполне реальный в рамках наших современных знаний о звездной эволюции. HR 6819 – на самом деле тесная двойная система. Эволюция звезд в тесных двойных системах идет с обменом массы между компонентами и очень сильно отличается от типичной эволюции одиночных звезл. HR 6819 A в недавнем по астрономическим меркам прошлом действительно была более массивной звездой пары и первой завершила свою жизнь на главной последовательности. Сойдя с главной последовательности, звезда разбухла и начала сливать свою рыхлую оболочку на близкий компаньон B. То, что мы наблюдаем на данный момент – не нормальный голубой гигант, а горячая сердцевина ободранной звезды с относительно малой массой. И в этом случае наблюдаемый методами спектрального анализа орбитальный период 40 суток – это орбитальный период пары AB. Три независимых публикации дают такие оценки распределения масс в системе: Компонент A – 0.4...0.8 солнечных масс, компонент B – около 6 солнечных масс. Компонент A – 0.4 солнечных масс, компонент B – 6 солнечных масс. Компонент A – 0.5 солнечных масс, компонент B – 6.7 солнечных масс. Какую оценку ни возьми, компонент B на порядок массивнее компонента A и периодический сдвиг в его спектральных линиях, связанный с эффектом Допплера, на порядок меньше. А учитывая аномальный спектр компонента B, слабый периодический сигнал замаскирован высоким уровнем шума. Звезды спектрального класса Be очень быстро вращаются – настолько быстро, что отслаивают протяженные оболочки. Слабый эффект Допплера, связанный с орбитальным движением звезды, очень трудно выделить на фоне широких спектральных линий быстро вращающейся оболочки. Как бы то ни было, технически необходимость в наличии третьего невидимого компонента, который объяснял бы орбитальные аномалии двойной системы, отпала. И более того, обнаружились дополнительные доказательства в пользу сценария ободранной звезды. Если в тесной двойной системе происходил обмен масс, часть вещества, потерянного компонентом A, не попала на компонент B, а сформировала газовый диск, окружающий тесную двойную систему. И действительно, водородный диск вокруг звезды Be был обнаружен и в его спектре удалось выделить регулярные возмущения с периодом 40 суток, совпадающие с орбитальным периодом системы. Возможность существования черной дыры в системе HR 6819 окончательно не опровергнута, но очень даже похоже, что сенсационное открытие года не состоялось. В принципе нормальный для науки процесс.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
06.12.20
|
|
|
Kepler-1649c – обитаемый двойник Земли? |
|
|
Kepler-1649c – обитаемый двойник Земли?
Космический телескоп Кеплер, предназначенный для поиска экзопланет, был запущен 7 марта 2009 года и выведен на гелиоцентрическую орбиту. Телескоп проработал девять с половиной лет, почти втрое перекрыв изначально запланированный ресурс в три с половиной года, и был отключен командой с Земли 30 октября 2018 года после исчерпания запаса топлива для системы ориентации. За время активной работы телескоп отнаблюдал 530506 звезд в участке Млечного пути в созвездии Лебедя и обнаружил 2662 экзопланеты. Эта цифра не окончательна. Анализ данных, собранных Кеплером, продолжается и количество подтвержденных экзопланет растет, пусть и не такими бурными темпами, как во время активной работы инструмента. Kepler-1649 – красный карлик спектрального класса M5V в созвездии Лебедя. Звезда находится на расстоянии 300 световых лет от Солнца и имеет видимый блеск около 16 звездной величины. Как это типично для красных карликов, Kepler-1649 излучает большую часть энергии в инфракрасном диапазоне. Масса звезды 0.2, радиус 0.23 солнечных единиц. Светимость звезды примерно в 195 раз ниже солнечной. Температура звезды 3240 кельвин. У красного карлика Kepler-1649 обнаружены две экзопланеты. Внутренняя планета системы, Kepler-1649b, по размерам очень близка к Земле (радиус 1.017 земных), однако по физическим условиям на поверхности это скорее аналог Венеры. Расчеты дают инсоляцию 2.2 земной и равновесную температуру планеты 307±26 K, но это без учета атмосферы. Если планета имеет плотную атмосферу, то парниковый эффект может вызвать разогрев атмосферы до температуры, сравнимой с венерианской. Планета совершает полный оборот вокруг своего солнца за 8.69 суток. Существование второй планета системы, Kepler-1649c, удалось подтвердить в апреле 2020 года. Kepler-1649c чуть больше Земли, ее радиус 1.06 земного. Период обращения вокруг солнца 19.54 суток. Планета получает 0.75 потока энергии, который Земля получает от Солнца, и ее расчетная равновесная температура 234±20 K. Но это опять же без учета атмосферы. У Земли, если что, расчетная равновесная температура без учета парникового эффекта 254 K, а с учетом парникового эффекта 287 К. И кстати уж, светимость молодого Солнца составляла всего 0.7 от нынешнего уровня, что не помешало возникновению на молодой Земле океанов. Более массивная Kepler-1649c может иметь более плотную атмосферу. Так что шансы на возможное наличие жидкой воды на Kepler-1649c довольно высоки. Не удивительно, что оптимисты из SETI считают Kepler-1649c самой похожей на Землю экзопланетой из открытых телескопом Kepler. К сожалению, достоверных данных, на что похожи две планеты в системе Kepler-1649, нет и вряд ли мы их скоро получим. Можно сказать лишь, что почти наверняка обе планеты – скалистые планеты земного типа. За счет близости к звезде обе планеты находятся в состоянии приливного захвата – они постоянно обращены к солнцу одним полушарием. Для возможной обитаемости планеты Kepler-1649c это не очень хорошо. К вечному дню на дневном полушарии и к вечной ночи на ночном, положим, жизнь как-то смогла бы приноровиться, заселив кольцевую зону в районе терминатора. Но проблема в том, что вода, испаренная из водоемов на дневной стороне, будет вымерзать в полярной шапке на ночной. В принципе плотная атмосфера и течения в океанах могут переносить на ночную сторону достаточно тепла, чтобы не допустить формирования полярной шапки – и жизнь в океанах, кстати, будет не так жестко привязана к узкой зоне в районе терминатора, как наземная жизнь. Определенно это будет весьма необычная по земным меркам экосистема. Есть еще одно обстоятельство не в пользу жизнепригодности красных карликов. Эти звезды предрасположены к частым и мощным солнечным вспышкам, которые могут сдуть атмосферу экзопланеты. А защиты магнитного поля у Kepler-1649c почти наверняка нет – механизм магнитного динамо требует быстрого вращения планеты. Впрочем, и тут звезда Kepler-1649 дает основания для умеренного оптимизма – мощных солнечных вспышек за период наблюдений за звездой не зарегистрировали. Напоследок, как обычно, живописный рендер. На самом деле планета почти наверняка выглядит не совсем так, а возможно и совсем не так, но отчего бы не помечтать? Автор работы – Daniel Rutter, NASA/Ames Research Center
Вложения: |
![PIA23689-ViewFromKepler1649cOfHostStar-20200415.jpg](./download/file.php?id=2273&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
[b][color=#FFFF00]Kepler-1649c – обитаемый двойник Земли?[/color][/b]
Космический телескоп Кеплер, предназначенный для поиска экзопланет, был запущен 7 марта 2009 года и выведен на гелиоцентрическую орбиту. Телескоп проработал девять с половиной лет, почти втрое перекрыв изначально запланированный ресурс в три с половиной года, и был отключен командой с Земли 30 октября 2018 года после исчерпания запаса топлива для системы ориентации. За время активной работы телескоп отнаблюдал 530506 звезд в участке Млечного пути в созвездии Лебедя и обнаружил 2662 экзопланеты. Эта цифра не окончательна. Анализ данных, собранных Кеплером, продолжается и количество подтвержденных экзопланет растет, пусть и не такими бурными темпами, как во время активной работы инструмента. Kepler-1649 – красный карлик спектрального класса M5V в созвездии Лебедя. Звезда находится на расстоянии 300 световых лет от Солнца и имеет видимый блеск около 16 звездной величины. Как это типично для красных карликов, Kepler-1649 излучает большую часть энергии в инфракрасном диапазоне. Масса звезды 0.2, радиус 0.23 солнечных единиц. Светимость звезды примерно в 195 раз ниже солнечной. Температура звезды 3240 кельвин. У красного карлика Kepler-1649 обнаружены две экзопланеты. Внутренняя планета системы, Kepler-1649b, по размерам очень близка к Земле (радиус 1.017 земных), однако по физическим условиям на поверхности это скорее аналог Венеры. Расчеты дают инсоляцию 2.2 земной и равновесную температуру планеты 307±26 K, но это без учета атмосферы. Если планета имеет плотную атмосферу, то парниковый эффект может вызвать разогрев атмосферы до температуры, сравнимой с венерианской. Планета совершает полный оборот вокруг своего солнца за 8.69 суток. Существование второй планета системы, Kepler-1649c, удалось подтвердить в апреле 2020 года. Kepler-1649c чуть больше Земли, ее радиус 1.06 земного. Период обращения вокруг солнца 19.54 суток. Планета получает 0.75 потока энергии, который Земля получает от Солнца, и ее расчетная равновесная температура 234±20 K. Но это опять же без учета атмосферы. У Земли, если что, расчетная равновесная температура без учета парникового эффекта 254 K, а с учетом парникового эффекта 287 К. И кстати уж, светимость молодого Солнца составляла всего 0.7 от нынешнего уровня, что не помешало возникновению на молодой Земле океанов. Более массивная Kepler-1649c может иметь более плотную атмосферу. Так что шансы на возможное наличие жидкой воды на Kepler-1649c довольно высоки. Не удивительно, что оптимисты из SETI считают Kepler-1649c самой похожей на Землю экзопланетой из открытых телескопом Kepler. К сожалению, достоверных данных, на что похожи две планеты в системе Kepler-1649, нет и вряд ли мы их скоро получим. Можно сказать лишь, что почти наверняка обе планеты – скалистые планеты земного типа. За счет близости к звезде обе планеты находятся в состоянии приливного захвата – они постоянно обращены к солнцу одним полушарием. Для возможной обитаемости планеты Kepler-1649c это не очень хорошо. К вечному дню на дневном полушарии и к вечной ночи на ночном, положим, жизнь как-то смогла бы приноровиться, заселив кольцевую зону в районе терминатора. Но проблема в том, что вода, испаренная из водоемов на дневной стороне, будет вымерзать в полярной шапке на ночной. В принципе плотная атмосфера и течения в океанах могут переносить на ночную сторону достаточно тепла, чтобы не допустить формирования полярной шапки – и жизнь в океанах, кстати, будет не так жестко привязана к узкой зоне в районе терминатора, как наземная жизнь. Определенно это будет весьма необычная по земным меркам экосистема. Есть еще одно обстоятельство не в пользу жизнепригодности красных карликов. Эти звезды предрасположены к частым и мощным солнечным вспышкам, которые могут сдуть атмосферу экзопланеты. А защиты магнитного поля у Kepler-1649c почти наверняка нет – механизм магнитного динамо требует быстрого вращения планеты. Впрочем, и тут звезда Kepler-1649 дает основания для умеренного оптимизма – мощных солнечных вспышек за период наблюдений за звездой не зарегистрировали. Напоследок, как обычно, живописный рендер. На самом деле планета почти наверняка выглядит не совсем так, а возможно и совсем не так, но отчего бы не помечтать? Автор работы – Daniel Rutter, NASA/Ames Research Center
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
05.12.20
|
|
|
Примечательные астрономические события 2020 года |
|
|
Бетельгейзе: отложенный фейерверк Часть вторая
А что случилось бы, если бы астрономы ошиблись в этот раз? Как изменился бы мир, если бы Бетельгейзе взорвалась как сверхновая? Разве это не интереснее, чем эпидемия короновируса и политические интриги? Начну с самого животрепещущего вопроса. Конец света не наступит. За 4.6 миллиарда лет жизни Солнечной системы взрывы сверхновых в окрестностях Солнца случались неоднократно. Какая-то часть этих событий пришлась на период существования развитой биосферы. Земля не была стерилизована, биосфера на ней не погибла и не деградировала до состояния, когда надо все начинать сначала с уровня бактерий. Ну, допустим, аргумент так себе. Что нам за радость от того, что выживут крысы и тараканы, когда решается судьба человечества? Думаю, человечество в целом тоже вне опасности. И как биологический вид, и как социум. На исторической памяти человечества сверхновые во Млечном пути наблюдались минимум четыре раза. В 1006 году – сверхновая SN 1006 в созвездии Волка. Арабские наблюдатели оценили блеск сверхновой в 2.5...3 раза ярче блеска Венеры. По современным данным, сверхновая относилась к типу Ia. Расстояние до сверхновой Волка оценивают в 6850 световых лет. В 1054 году – самая знаменитая галактическая сверхновая в созвездии Тельца. Вспышку заметили китайские астрономы 4 июля 1054 года. Звезда была ярче Венеры и наблюдалась на дневном небе 23 дня. Остаток сброшенной оболочки сверхновой – знаменитая Крабовидная туманность – находится на расстоянии примерно 6500 световых лет. Остаток ядра звезды наблюдается как пульсар (нейтронная звезда), то есть это была сверновая типа II. В 1572 году – сверхновая SN 1572 в созвездии Кассиопеи. Звезду обнаружили 6 ноября 1572 года в Корее и спустя два дня в Китае. Астрономам очень повезло, что блеск сверхновой регулярно оценивал весьма незаурядный наблюдатель Тихо Браге, который самостоятельно обнаружил ее 11 ноября. Блеск звезды был сравним с блеском Венеры, примерно -4 звездной величины, и опытный наблюдатель мог обнаружить ее на дневном небе даже в полдень. Сверхновая относилась к типу Ia. Расстояние примерно 7500 км. В 1604 году – сверхновая SN 1604 в созвездии Змееносца. На этот раз приоритет за европейскими наблюдателями. 9 октября 1604 года звезду заметили в Европе, 10 октября в Китае и 13 октября в Корее. Эту звезду наблюдал другой выдающийся европейский астроном – Иоганн Кеплер. Видимый блеск звезды достигал -2.5 звездной величины, сравнимой с блеском Юпитера. Тип Ia. Расстояние до сверхновой оценивается тоже примерно в 7500 световых лет.
А как будет выглядеть с Земли взрыв Бетельгейзе? Бетельгейзе находится на порядок ближе, чем все перечисленные выше исторические сверхновые. Соответственно если бы Бетельгейзе была сверновой типа Ia, как сверновые Браге и Кеплера, ее блеск был бы на два порядка выше. Два порядка – это в сто раз, то есть пять звездных величин. То есть видимый блеск Бетельгейзе был бы примерно -10. В сотню раз выше видимого блеска Венеры в максимуме, но меньше блеска полной Луны -12.75. Сверхновые II типа дают более яркую вспышку и можно ожидать, что блеск Бетельгейзе будет сравним с блеском полной Луны. Яркие зимние ночи, конечно, скажутся на привычном поведении ночных животных, но все же потока света, соизмеримого по энергии с потоком света от полной Луны, явно недостаточно для того, чтобы вскипятить земные океаны и выжечь посевы. Глобальных пожаров, как при ядерном конфликте или ударе большого астероида, уж точно не будет. Будничную жизнь горожан непривычно долгое полнолуние тоже не изменит. Но вот астрономам в обмен на возможность отнаблюдать эффектный фейерверк придется на время отказаться от прочих наблюдений – интенсивная засветка неба не даст наблюдать с земной поверхности далекие слабые объекты. Вероятно, яркая Бетельгейзе может на время вывести из строя звездные датчики систем ориентации спутников и АМС или даже необратимо повредить их. Но эта проблема решаема перезагрузкой софта. А как насчет прочих опасных фактров? Что там учили в школе на уроках ОБЖ насчет поражающих факторов ядерного взрыва, помните? Ударную волну вычеркиваем, со световым потоком разобрались. Остается ионизирующая радиация, электромагнитый импульс, радиоактивное заражение. Бетельгейзе находится слишком далеко, чтобы ее рентгеновское и ультрафиолетовое излучение в момент взрыва оказало бы какую-либо нагрузку на земные экосистемы, соизмеримую с воздействием солнечных вспышек. Электромагнитный импульс вычеркиваем исходя из аналогичных соображений. С ионизирующей радиацией вообще все просто. Если посмотреть на Крабовидную туманность, то практически весь материал сорванной при взрыве оболочки сосредоточен в области радиусом около 5 световых лет и разлетается со скоростью около 1500 км/с. По мере разлета ионизированная оболочка взаимодействует с окружающей межзвездной средой и тормозится. Если экстраполировать ситуацию на Бетельгейзе, то даже если принять космическое пространство между Солнцем и Бетельгейзе за абсолютный вакуум (а это далеко не так), то выброшенному взрывом веществу Бетельгейзе потребуется порядка сотни тысяч лет, чтобы достичь Солнечной системы. Все опасные короткоживущие изотопы к этому времени распадутся, а остатки экстремально разреженной оболочки будут заторможены давлением солнечного ветра. Теоретически возможен опасный сценарий гамма-вспышки, которая фокусируется по оси сформировавшейся нейтронной звезды. Если бы Солнечная система оказалась в конусе гамма-вспышки, последствия могли бы быть более серьезными. Но как раз благодаря наблюдениям Бетельгейзе мы точно знаем, что ось звезды не направлена в сторону Солнечной системы и гамма-вспышки можно не опасаться. И все же, зная человеческую натуру, могу поделиться своим прогнозом. Жертвы при взрыве Бетельгейзе будут. Тут, видите ли, дело в том, что некоторые впечатлительные особи имеют склонность самовыпиливаться по любому яркому поводу. В принципе деятельность номинантов премии Дарвина можно только приветствовать, но к сожалению, их идиотизм заразен и опасен для окружающих. По этому поводу хочу привести на память одну старую арабскую притчу. Буду признателен, кстати, если кто-нибудь приведет ссылку на источник, а пока перескажу по памяти.
Отправляясь в поход, калиф Багдада встретил у ворот города Черную смерть и вопросил ее: зачем ты идешь в мой город? И Черная смерть ответила: я пришла забрать свою дань, десять тысяч жизней. Возвращаясь из похода, калиф снова встретил Черную смерть, которая покидала город, и упрекнул ее: ты обещала взять десять тысяч. Но вестники сообщили мне, что ты погубила сто тысяч. Ты меня обманула. Нет, ответила Черная смерть. Я честна забрала то, что мне полагалось. Остальных убил страх.
В последнее время появились основания полагать, что слухи о близкой неминуемой смерти Бетеьгейзе слегка преувеличены. В октябре 2000 года в Astrophysical Journal появилась публикация с новой оценкой расстояния до Бетельгейзе и ее массы. По данным авторов, расстояние до Бетельгейзе меньше, чем было принято ранее – примерно 550 световых лет. А это значит, что прежние оценки светимости звезды, основанные на расстоянии в 640 световых лет, завышены – новая оценка дает светимость звезды примерно 75% от ранее принятой. Радиус Бетельгейзе по новым оценкам равен примерно 765 солнечных, масса – в пределах 17...19 солнечных, опять же чуть менее прежних оценок. Если эти новые данные (тоже имеющие, впрочем, довольно большую погрешность) верны, то мы неправильно оцениваем возраст Бетельгейзе и расчетное время ее жизни может быть больше, чем полагали ранее. Есть и предположения, объясняющие аномально глубокий провал светимости Бетельгейзе конденсацией пыли в отслоившейся оболочке звезды. Осенняя статья привлекла внимание новостных агентств, но вполне ожидаемо особой сенсации не вызвала.
[b][color=#FFFF00]Бетельгейзе: отложенный фейерверк[/color][/b] Часть вторая
А что случилось бы, если бы астрономы ошиблись в этот раз? Как изменился бы мир, если бы Бетельгейзе взорвалась как сверхновая? Разве это не интереснее, чем эпидемия короновируса и политические интриги? Начну с самого животрепещущего вопроса. Конец света не наступит. За 4.6 миллиарда лет жизни Солнечной системы взрывы сверхновых в окрестностях Солнца случались неоднократно. Какая-то часть этих событий пришлась на период существования развитой биосферы. Земля не была стерилизована, биосфера на ней не погибла и не деградировала до состояния, когда надо все начинать сначала с уровня бактерий. Ну, допустим, аргумент так себе. Что нам за радость от того, что выживут крысы и тараканы, когда решается судьба человечества? Думаю, человечество в целом тоже вне опасности. И как биологический вид, и как социум. На исторической памяти человечества сверхновые во Млечном пути наблюдались минимум четыре раза. В 1006 году – сверхновая SN 1006 в созвездии Волка. Арабские наблюдатели оценили блеск сверхновой в 2.5...3 раза ярче блеска Венеры. По современным данным, сверхновая относилась к типу Ia. Расстояние до сверхновой Волка оценивают в 6850 световых лет. В 1054 году – самая знаменитая галактическая сверхновая в созвездии Тельца. Вспышку заметили китайские астрономы 4 июля 1054 года. Звезда была ярче Венеры и наблюдалась на дневном небе 23 дня. Остаток сброшенной оболочки сверхновой – знаменитая Крабовидная туманность – находится на расстоянии примерно 6500 световых лет. Остаток ядра звезды наблюдается как пульсар (нейтронная звезда), то есть это была сверновая типа II. В 1572 году – сверхновая SN 1572 в созвездии Кассиопеи. Звезду обнаружили 6 ноября 1572 года в Корее и спустя два дня в Китае. Астрономам очень повезло, что блеск сверхновой регулярно оценивал весьма незаурядный наблюдатель Тихо Браге, который самостоятельно обнаружил ее 11 ноября. Блеск звезды был сравним с блеском Венеры, примерно -4 звездной величины, и опытный наблюдатель мог обнаружить ее на дневном небе даже в полдень. Сверхновая относилась к типу Ia. Расстояние примерно 7500 км. В 1604 году – сверхновая SN 1604 в созвездии Змееносца. На этот раз приоритет за европейскими наблюдателями. 9 октября 1604 года звезду заметили в Европе, 10 октября в Китае и 13 октября в Корее. Эту звезду наблюдал другой выдающийся европейский астроном – Иоганн Кеплер. Видимый блеск звезды достигал -2.5 звездной величины, сравнимой с блеском Юпитера. Тип Ia. Расстояние до сверхновой оценивается тоже примерно в 7500 световых лет.
А как будет выглядеть с Земли взрыв Бетельгейзе? Бетельгейзе находится на порядок ближе, чем все перечисленные выше исторические сверхновые. Соответственно если бы Бетельгейзе была сверновой типа Ia, как сверновые Браге и Кеплера, ее блеск был бы на два порядка выше. Два порядка – это в сто раз, то есть пять звездных величин. То есть видимый блеск Бетельгейзе был бы примерно -10. В сотню раз выше видимого блеска Венеры в максимуме, но меньше блеска полной Луны -12.75. Сверхновые II типа дают более яркую вспышку и можно ожидать, что блеск Бетельгейзе будет сравним с блеском полной Луны. Яркие зимние ночи, конечно, скажутся на привычном поведении ночных животных, но все же потока света, соизмеримого по энергии с потоком света от полной Луны, явно недостаточно для того, чтобы вскипятить земные океаны и выжечь посевы. Глобальных пожаров, как при ядерном конфликте или ударе большого астероида, уж точно не будет. Будничную жизнь горожан непривычно долгое полнолуние тоже не изменит. Но вот астрономам в обмен на возможность отнаблюдать эффектный фейерверк придется на время отказаться от прочих наблюдений – интенсивная засветка неба не даст наблюдать с земной поверхности далекие слабые объекты. Вероятно, яркая Бетельгейзе может на время вывести из строя звездные датчики систем ориентации спутников и АМС или даже необратимо повредить их. Но эта проблема решаема перезагрузкой софта. А как насчет прочих опасных фактров? Что там учили в школе на уроках ОБЖ насчет поражающих факторов ядерного взрыва, помните? Ударную волну вычеркиваем, со световым потоком разобрались. Остается ионизирующая радиация, электромагнитый импульс, радиоактивное заражение. Бетельгейзе находится слишком далеко, чтобы ее рентгеновское и ультрафиолетовое излучение в момент взрыва оказало бы какую-либо нагрузку на земные экосистемы, соизмеримую с воздействием солнечных вспышек. Электромагнитный импульс вычеркиваем исходя из аналогичных соображений. С ионизирующей радиацией вообще все просто. Если посмотреть на Крабовидную туманность, то практически весь материал сорванной при взрыве оболочки сосредоточен в области радиусом около 5 световых лет и разлетается со скоростью около 1500 км/с. По мере разлета ионизированная оболочка взаимодействует с окружающей межзвездной средой и тормозится. Если экстраполировать ситуацию на Бетельгейзе, то даже если принять космическое пространство между Солнцем и Бетельгейзе за абсолютный вакуум (а это далеко не так), то выброшенному взрывом веществу Бетельгейзе потребуется порядка сотни тысяч лет, чтобы достичь Солнечной системы. Все опасные короткоживущие изотопы к этому времени распадутся, а остатки экстремально разреженной оболочки будут заторможены давлением солнечного ветра. Теоретически возможен опасный сценарий гамма-вспышки, которая фокусируется по оси сформировавшейся нейтронной звезды. Если бы Солнечная система оказалась в конусе гамма-вспышки, последствия могли бы быть более серьезными. Но как раз благодаря наблюдениям Бетельгейзе мы точно знаем, что ось звезды не направлена в сторону Солнечной системы и гамма-вспышки можно не опасаться. И все же, зная человеческую натуру, могу поделиться своим прогнозом. Жертвы при взрыве Бетельгейзе будут. Тут, видите ли, дело в том, что некоторые впечатлительные особи имеют склонность самовыпиливаться по любому яркому поводу. В принципе деятельность номинантов премии Дарвина можно только приветствовать, но к сожалению, их идиотизм заразен и опасен для окружающих. По этому поводу хочу привести на память одну старую арабскую притчу. Буду признателен, кстати, если кто-нибудь приведет ссылку на источник, а пока перескажу по памяти.
[i]Отправляясь в поход, калиф Багдада встретил у ворот города Черную смерть и вопросил ее: зачем ты идешь в мой город? И Черная смерть ответила: я пришла забрать свою дань, десять тысяч жизней. Возвращаясь из похода, калиф снова встретил Черную смерть, которая покидала город, и упрекнул ее: ты обещала взять десять тысяч. Но вестники сообщили мне, что ты погубила сто тысяч. Ты меня обманула. Нет, ответила Черная смерть. Я честна забрала то, что мне полагалось. Остальных убил страх.[/i]
В последнее время появились основания полагать, что слухи о близкой неминуемой смерти Бетеьгейзе слегка преувеличены. В октябре 2000 года в Astrophysical Journal появилась публикация с новой оценкой расстояния до Бетельгейзе и ее массы. По данным авторов, расстояние до Бетельгейзе меньше, чем было принято ранее – примерно 550 световых лет. А это значит, что прежние оценки светимости звезды, основанные на расстоянии в 640 световых лет, завышены – новая оценка дает светимость звезды примерно 75% от ранее принятой. Радиус Бетельгейзе по новым оценкам равен примерно 765 солнечных, масса – в пределах 17...19 солнечных, опять же чуть менее прежних оценок. Если эти новые данные (тоже имеющие, впрочем, довольно большую погрешность) верны, то мы неправильно оцениваем возраст Бетельгейзе и расчетное время ее жизни может быть больше, чем полагали ранее. Есть и предположения, объясняющие аномально глубокий провал светимости Бетельгейзе конденсацией пыли в отслоившейся оболочке звезды. Осенняя статья привлекла внимание новостных агентств, но вполне ожидаемо особой сенсации не вызвала.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
05.12.20
|
|
|
Примечательные астрономические события 2020 года |
|
|
Французы как обычно пьют и скоро Новый год
На этот раз попытаюсь начать обзор загодя, чтобы не завершать в марте. Хотя, как известно, любая работа имеет свойство занимать все отведенное на нее время. И на этот раз постараюсь удержаться в рамках чисто астрономической тематики. Итак, начнем.
Бетельгейзе: отложенный фейерверк Часть первая.
Вообще говоря, астрономические сенсации по большей части никак не соприкасаются с реалиями обыденной жизни. Ну, порой можно разыскать описанный объект самостоятельно, имея опыт наблюдений и хорошие звездные карты. Но детали связанных со слабой звездочкой или тусклым пятном света событий сплошь и рядом за пределами возможностей даже опытного любителя со светосильным по любительским меркам инструментом. Бетельгейзе – дело иное. Уж ее-то хотя бы пару раз в жизни видели даже те городские жители, которые за всю жизнь не то чтобы в 12-дюймовый добсон, но и в дешевую китайскую дудочку из Али-экспресса не глядели. Гуляли с девушкой по парку темными зимними вечерами? Уж наверняка тогда видели эту яркую красную звезду. Бетельгейзе можно спутать разве что с Марсом в период оппозиции: другой такой яркой красной звезды на земном небе нет. Вообще говоря, яркие звезды, образующие скелеты созвездий – это не типичные представители звездной популяции Галактики. Это сплошь и рядом звезды высокой светимости. Бетельгейзе, она же альфа Ориона – примечательна даже с учетом этой наблюдательной селекции. Это красный сверхгигант спектрального класса M2I с видимым блеском 0.5 звездной величины. В списке 25 самых ярких звезд земного неба Бетельгейзе стоит на десятом месте. В списке есть еще один красный сверхгигант – Антарес, он же альфа Скорпиона, с видимым блеском 0.9. Антарес в списке самых ярких звезд стоит на 15 месте. Однако Антарес в средних широтах России виден невысоко над горизонтом и проходит верхнюю кульминацию летними светлыми ночами. Бетельгейзе – дело другое: она высоко поднимается над горизонтом даже в средней полосе и период ее наилучшей видимости приходится на долгие темные зимние ночи. Бетельгейзе на самом деле – полуправильная переменная звезда. Ее видимый блеск меняется в диапазоне между 0.2 и 1.2. Еще в 30 годы прошлого столетия в кривой блеска звезды удалось выявить два периода. Пульсации с периодом от 150 до 300 суток накладываются на регулярные колебания с периодом примерно 5.7 года. Минимум блеска 1.2 за период наблюдений в прошлом столетии был зафиксирован в 1927 году, максимум 0.2 – дважды, в 1933 и 1942 году. Современные наблюдения Бетельгейзе выявили 430-суточный цикл блеска звезды. По современным данным, Бетельгейзе находится на расстоянии примерно 640 световых лет от Солнца. Впрочем, это расстояние дается с довольно большой погрешностью ± 145 световых лет. Массу Бетельгейзе оценивают в 18...19 солнечных, радиус – в 1180 радиусов Солнца. Будучи на месте Солнца, Бетельгейзе поглотила бы не только внутренние планеты Солнечной системы, но и Юпитер. Бетельгейзе, кстати, была первой звездой, радиус которой удалось не рассчитать исходя из блеска, а измерить интерферометром. Впрочем, радиус Бетельгейзе тоже до сих пор известен с довольно большой погрешностью – звезда имеет очень рыхлую протяженную атмосферу, которая к тому же пульсирует. Вариации блеска Бетельгейзе как раз связаны с пульсациями ее оболочки. Атмосфера звезды разогревается, расширяется и становится более прозрачной. Избыток тепла излучается, атмосфера охлаждается, сжимается и снова становится непрозрачной. Цикл повторяется. На эти пульсации накладываются конвективные потоки, которые в протяженной рыхлой атмосфере охватывают огромные области. На Солнце конвективные ячейки плотно упакованы и имеют размер порядка 2 тысяч км, так что вариации в потоке энергии от тысяч конвективных ячеек усредняются. Бетельгейзе – дело другое. Конвективные суперячейки в ее атмосфере разрастаются до таких размеров, что на диске звезды формируется всего несколько горячих пятен, разделенных нисходящими потоками более холодного газа. Если принять за основу расстояние 640 световых лет, то светимость Бетельгейзе равна 180 тысяч солнечных. То есть одна из ярчайших звезд в известной нам Вселенной расположена не то что бы на задворках Солнечной системы, но не так уж и далеко по астрономическим меркам. Бетельгейзе – сверхгигант. Возраст звезды оценивают в 10 миллионов лет. Есть веские основания считать, что звезда родилась в том же районе, в котором наблюдаются горячие звезды Пояса Ориона (ассоциация OB1 Ориона) и впоследствии выброшена из этого скопления молодых звезд. На данный момент звезда завершила эволюцию на главной последовательности, покинула ее и перешла в стадию красного сверхгиганта. В недалеком будущем Бетельгейзе истощит запасы термоядерного топлива и взорвется как cверхновая II типа. Когда астрономы говорят “в недалеком будущем”, это означает вот что. Расчетная продолжительность существования Бетельгейзе на стадии красного сверхгиганта, если мы правильно определили ее основные параметры – около 100 тысяч лет. По астроомическим меркам это очень короткий срок в сравнении с возрастом Вселенной и возрастом Солнца. Так как мы не знаем точно, насколько далеко зашла эволюция Бетельгейзе, это означает, что теоретически ее взрыв возможен в любой момент в этих пределах, но ученые при общении с журналистами стараются избегать этой формулировки. Потому что реакцию журналистов предсказать несложно. Ученые открыли, что Бетельгейзе может взорваться в любой момент! Ужос-ужос, мы все умрем!
Вообще говоря, первая волна истерики “мы все вот-вот умрем” применительно к Бетельгейзе уже была. В 2009 году пронырливые журналюги раскопали информацию, что по данным астрономов Бетельгейзе за последние несколько лет наблюдений уменьшила свой угловой диаметр на 15% (что астрономы в общем-то и не скрывали). Ну и понятно, тут же припомнили про календарь майя с запланированным на 21...23 декабря 2012 года очередным концом света. Как вы помните, ничего катастрофического в обозначенную дату не случилось, за исключением разве что эпичного голливудского высера “2012”, но и эта фильма вышла на экраны в 2009 году и успела к назначенной дате конца света собрать нехилые прибыли. Где-то в конце 2019 года движуха началась по новой. Но на этот раз ситуация выглядела более увлекательной, чем просто уменьшение диаметра звезды на 15 процентов не понять точно за сколько лет.
Теория звездной эволюции предсказывает, что по мере выгорания термоядерного топлива в недрах массивной звезды в термоядерную реакцию вовлекаются все более тяжелые ядра. Каждый такой шаг выделяет при термоядерном синтезе все меньше энергии и соответственно может поддерживать равновесие звезды все меньшее время. Реакция горения водорода преобладает, пока звезда находится на главной последовательности. При истощении запасов водорода в ядре звезда сходит с главной последовательности и включаются следующие ступени реакции. Для звезды солнечной массы процесс останавливается на стадии горения гелия – ядро звезды просто не может достичь плотности, нужной для запуска горения углерода. Поэтому Солнце завершит свою эволюцию относительно мирно – превратится в красный гигант и после сброса протяженной рыхлой оболочки останется плотное ядро – белый карлик. Массивные звезды вроде Бетельгейзе – дело другое. Здесь цепочка реакций идет до рокового финала. А дальше никеля идти некуда – синтез более тяжелых ядер идет с поглощением энергии. Радиоактивный никель-56 распадается на кобальт-56, а тот на стабильный изотоп железо-56. Лишившись источников энергии, ядро сверхгиганта катастрофически коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду. Скорость коллапса достигает 23% скорости света! Тут даже не в термоядерной детонации дело, как я наивно думал поначалу, пока не попытался поглубже разобраться в сути вопроса. Энергия гравитационного сжатия, которая высвобождается при быстром коллапсе, настолко огромна, что даже 1% от нее с избытком хватает, чтобы сорвать оболочку звезды и развеять ее в космосе. А как массивный сверхгигант выглядит со стороны непосредственно перед взрывом сверхновой? Ну, теоретически пульсации его оболочки становятся более хаотичными, а их амплитуда возрастает. И наконец, настает момент, когда выделение энергии в ядре звезды не компенсирует вес ее оболочки и при очередной пульсации сжатие становится необратимым. То есть непосредственно перед взрывом сверхновой должен наблюдаться глубокий провал в кривой блеска звезды. Проблема в том, что по кривой блеска практически невозможно определить, насколько близко массивная звезда подошла к пределу неустойчивости. Когда дело подходит к финалу, процессы в ядре звезды развиваются настолько стремительно, что пульсации оболочки просто не успевают отслеживать состояние ядра. Массивная звезда имеет чудовищную тепловую инерцию и изменения темпа выделения в ее ядре лишь спустя тысячи, а то и миллионы лет, сказываются на ее светимости. Теоретически есть лишь один надежный способ предугадать взрыв сверхновой – нейтринная астрономия. Если бы удалось зафиксировать поток нейтрино от Бетельгейзе, по их энергетическому спектру можно было бы понять, насколько далеко зашли реакции термоядерного синтеза и как далеко до финала. Увы, регистрировать поток нейтрино даже от ближайшего к нам Солнца пока получается с трудом, не говоря уже об удаленной на 640 световых лет Бетельгейзе. Но вот на финальной стадии, когда ядро звезды стремительно коллапсирует и превращается в нейтронную звезду, нейтринная вспышка уносит весьма ощутимую часть энергии из ядра, причем в отличие от фотонов, запертых в непрозрачной плотной среде, эта энергия уносится из звезды за считанные секунды. И действительно, нейтринные детекторы на Земле зарегистрировали нейтринную вспышку сверхновой SN 1987A за три часа до обнаружения сверхновой в оптическом диапазоне. Взрыв сверхновой произошел на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии примерно 168 тысяч световых лет от Солнца. Так что есть основания для уверенности, что нейтринная вспышка при взрыве Бетельгейзе будет надежно зафиксирована – при том условии, конечно, что нейтринные обсерватории к тому времени не будут лежать в руинах, заброшенные нашими деградировавшими потомками.
Так что такого именно произошло в декабре 2019 года, что мировые новостные агентства снова возбудились на Бетельгейзе? Да в общем ничего особо сенсационного. В октябре 2019 года Бетельгейзе вступила в фазу очередного падения блеска. В середине ноября блеск Бетельгейзе упал ниже предыдущего минимума 0.87 звездной величины, который был зафиксирован в конце 2018 года, и продолжал падать. 7 декабря 2019 блеск Бетельгейзе упал до рекордного минимума 1.12 – ниже, чем когда-либо за последние 25 лет регулярных наблюдений. 6 января 2020 года блеск Бетельгейзе упал до 1.37 и звезда оказалась на двадцать первой позиции в списке самых ярких звезд земного неба. А 30 января блеск Бетельгейзе упал до 1.66. Такое необычное падение блеска было легко заметно даже городскому любителю, нетренированному в регулярных наблюдениях переменных звезд. Графики редко передают драматизм ситуации в полной мере, но здесь как раз тот случай, когда даже далекому от науки человеку с художественным восприятием мира очевидно: происходит нечто весьма необычное, из ряда вон выходящее в буквальном смысле. А что астрономы-профи? А те спокойно советовали: запасаемся попкормом и ждем 21 февраля. Почти наверняка фейерверка и на этот раз не будет. 21 февраля плюс-минус неделя Бетельгейзе достигнет минимума 430-суточного периода и падение блеска звезды стабилизируется. Так оно и вышло, и даже чуть раньше, чем предсказывали прогнозы, основанные на 430-суточном периоде. Измерения блеска звезды, сделанные за неделю с 7 по 13 февраля, показали стабилизацию блеска на уровне чуть выше 1.6. А затем блеск Бетельгейзе начал нарастать. Звезда прошла необычно глубокий минимум блеска и возвращается к нормальному состоянию. Когда-нибудь, если научную астрономию в обозримом будущем не вытеснит астроложество, астрономы снова спокойно посоветуют: запасаемся попкормом и ждем. Но почти наверняка фейерверка и в этот раз не будет, как оно уже было в далеком 2020, если кто еще помнит те времена. И когда-нибудь в очередной раз они ошибутся.
Инфографика Снимки созвездия Ориона, сделанные астрономом-любителем H. Raab 22 февраля 2012 года (слева) и 21 февраля 2020 года (справа). Хорошо заметно, насколько упал блеск Бетельгейще во время рекорднго глубокого минимума. Кривая блеска Бетельгейзе в период с осени 2017 года (JD 2458000 соответствует 4 сентября 2017 года) по 30 января 2020.
Вложения: |
![Betelgeuse.jpg](./download/file.php?id=2270&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
![magnitudes.png](./download/file.php?id=2269&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
[i]Французы как обычно пьют и скоро Новый год[/i]
На этот раз попытаюсь начать обзор загодя, чтобы не завершать в марте. Хотя, как известно, любая работа имеет свойство занимать все отведенное на нее время. И на этот раз постараюсь удержаться в рамках чисто астрономической тематики. Итак, начнем.
[b][color=#FFFF00]Бетельгейзе: отложенный фейерверк[/color][/b] Часть первая.
Вообще говоря, астрономические сенсации по большей части никак не соприкасаются с реалиями обыденной жизни. Ну, порой можно разыскать описанный объект самостоятельно, имея опыт наблюдений и хорошие звездные карты. Но детали связанных со слабой звездочкой или тусклым пятном света событий сплошь и рядом за пределами возможностей даже опытного любителя со светосильным по любительским меркам инструментом. Бетельгейзе – дело иное. Уж ее-то хотя бы пару раз в жизни видели даже те городские жители, которые за всю жизнь не то чтобы в 12-дюймовый добсон, но и в дешевую китайскую дудочку из Али-экспресса не глядели. Гуляли с девушкой по парку темными зимними вечерами? Уж наверняка тогда видели эту яркую красную звезду. Бетельгейзе можно спутать разве что с Марсом в период оппозиции: другой такой яркой красной звезды на земном небе нет. Вообще говоря, яркие звезды, образующие скелеты созвездий – это не типичные представители звездной популяции Галактики. Это сплошь и рядом звезды высокой светимости. Бетельгейзе, она же альфа Ориона – примечательна даже с учетом этой наблюдательной селекции. Это красный сверхгигант спектрального класса M2I с видимым блеском 0.5 звездной величины. В списке 25 самых ярких звезд земного неба Бетельгейзе стоит на десятом месте. В списке есть еще один красный сверхгигант – Антарес, он же альфа Скорпиона, с видимым блеском 0.9. Антарес в списке самых ярких звезд стоит на 15 месте. Однако Антарес в средних широтах России виден невысоко над горизонтом и проходит верхнюю кульминацию летними светлыми ночами. Бетельгейзе – дело другое: она высоко поднимается над горизонтом даже в средней полосе и период ее наилучшей видимости приходится на долгие темные зимние ночи. Бетельгейзе на самом деле – полуправильная переменная звезда. Ее видимый блеск меняется в диапазоне между 0.2 и 1.2. Еще в 30 годы прошлого столетия в кривой блеска звезды удалось выявить два периода. Пульсации с периодом от 150 до 300 суток накладываются на регулярные колебания с периодом примерно 5.7 года. Минимум блеска 1.2 за период наблюдений в прошлом столетии был зафиксирован в 1927 году, максимум 0.2 – дважды, в 1933 и 1942 году. Современные наблюдения Бетельгейзе выявили 430-суточный цикл блеска звезды. По современным данным, Бетельгейзе находится на расстоянии примерно 640 световых лет от Солнца. Впрочем, это расстояние дается с довольно большой погрешностью ± 145 световых лет. Массу Бетельгейзе оценивают в 18...19 солнечных, радиус – в 1180 радиусов Солнца. Будучи на месте Солнца, Бетельгейзе поглотила бы не только внутренние планеты Солнечной системы, но и Юпитер. Бетельгейзе, кстати, была первой звездой, радиус которой удалось не рассчитать исходя из блеска, а измерить интерферометром. Впрочем, радиус Бетельгейзе тоже до сих пор известен с довольно большой погрешностью – звезда имеет очень рыхлую протяженную атмосферу, которая к тому же пульсирует. Вариации блеска Бетельгейзе как раз связаны с пульсациями ее оболочки. Атмосфера звезды разогревается, расширяется и становится более прозрачной. Избыток тепла излучается, атмосфера охлаждается, сжимается и снова становится непрозрачной. Цикл повторяется. На эти пульсации накладываются конвективные потоки, которые в протяженной рыхлой атмосфере охватывают огромные области. На Солнце конвективные ячейки плотно упакованы и имеют размер порядка 2 тысяч км, так что вариации в потоке энергии от тысяч конвективных ячеек усредняются. Бетельгейзе – дело другое. Конвективные суперячейки в ее атмосфере разрастаются до таких размеров, что на диске звезды формируется всего несколько горячих пятен, разделенных нисходящими потоками более холодного газа. Если принять за основу расстояние 640 световых лет, то светимость Бетельгейзе равна 180 тысяч солнечных. То есть одна из ярчайших звезд в известной нам Вселенной расположена не то что бы на задворках Солнечной системы, но не так уж и далеко по астрономическим меркам. Бетельгейзе – сверхгигант. Возраст звезды оценивают в 10 миллионов лет. Есть веские основания считать, что звезда родилась в том же районе, в котором наблюдаются горячие звезды Пояса Ориона (ассоциация OB1 Ориона) и впоследствии выброшена из этого скопления молодых звезд. На данный момент звезда завершила эволюцию на главной последовательности, покинула ее и перешла в стадию красного сверхгиганта. В недалеком будущем Бетельгейзе истощит запасы термоядерного топлива и взорвется как cверхновая II типа. Когда астрономы говорят “в недалеком будущем”, это означает вот что. Расчетная продолжительность существования Бетельгейзе на стадии красного сверхгиганта, если мы правильно определили ее основные параметры – около 100 тысяч лет. По астроомическим меркам это очень короткий срок в сравнении с возрастом Вселенной и возрастом Солнца. Так как мы не знаем точно, насколько далеко зашла эволюция Бетельгейзе, это означает, что теоретически ее взрыв возможен в любой момент в этих пределах, но ученые при общении с журналистами стараются избегать этой формулировки. Потому что реакцию журналистов предсказать несложно. Ученые открыли, что Бетельгейзе может взорваться в любой момент! Ужос-ужос, мы все умрем!
Вообще говоря, первая волна истерики “мы все вот-вот умрем” применительно к Бетельгейзе уже была. В 2009 году пронырливые журналюги раскопали информацию, что по данным астрономов Бетельгейзе за последние несколько лет наблюдений уменьшила свой угловой диаметр на 15% (что астрономы в общем-то и не скрывали). Ну и понятно, тут же припомнили про календарь майя с запланированным на 21...23 декабря 2012 года очередным концом света. Как вы помните, ничего катастрофического в обозначенную дату не случилось, за исключением разве что эпичного голливудского высера “2012”, но и эта фильма вышла на экраны в 2009 году и успела к назначенной дате конца света собрать нехилые прибыли. Где-то в конце 2019 года движуха началась по новой. Но на этот раз ситуация выглядела более увлекательной, чем просто уменьшение диаметра звезды на 15 процентов не понять точно за сколько лет.
Теория звездной эволюции предсказывает, что по мере выгорания термоядерного топлива в недрах массивной звезды в термоядерную реакцию вовлекаются все более тяжелые ядра. Каждый такой шаг выделяет при термоядерном синтезе все меньше энергии и соответственно может поддерживать равновесие звезды все меньшее время. Реакция горения водорода преобладает, пока звезда находится на главной последовательности. При истощении запасов водорода в ядре звезда сходит с главной последовательности и включаются следующие ступени реакции. Для звезды солнечной массы процесс останавливается на стадии горения гелия – ядро звезды просто не может достичь плотности, нужной для запуска горения углерода. Поэтому Солнце завершит свою эволюцию относительно мирно – превратится в красный гигант и после сброса протяженной рыхлой оболочки останется плотное ядро – белый карлик. Массивные звезды вроде Бетельгейзе – дело другое. Здесь цепочка реакций идет до рокового финала. А дальше никеля идти некуда – синтез более тяжелых ядер идет с поглощением энергии. Радиоактивный никель-56 распадается на кобальт-56, а тот на стабильный изотоп железо-56. Лишившись источников энергии, ядро сверхгиганта катастрофически коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду. Скорость коллапса достигает 23% скорости света! Тут даже не в термоядерной детонации дело, как я наивно думал поначалу, пока не попытался поглубже разобраться в сути вопроса. Энергия гравитационного сжатия, которая высвобождается при быстром коллапсе, настолко огромна, что даже 1% от нее с избытком хватает, чтобы сорвать оболочку звезды и развеять ее в космосе. А как массивный сверхгигант выглядит со стороны непосредственно перед взрывом сверхновой? Ну, теоретически пульсации его оболочки становятся более хаотичными, а их амплитуда возрастает. И наконец, настает момент, когда выделение энергии в ядре звезды не компенсирует вес ее оболочки и при очередной пульсации сжатие становится необратимым. То есть непосредственно перед взрывом сверхновой должен наблюдаться глубокий провал в кривой блеска звезды. Проблема в том, что по кривой блеска практически невозможно определить, насколько близко массивная звезда подошла к пределу неустойчивости. Когда дело подходит к финалу, процессы в ядре звезды развиваются настолько стремительно, что пульсации оболочки просто не успевают отслеживать состояние ядра. Массивная звезда имеет чудовищную тепловую инерцию и изменения темпа выделения в ее ядре лишь спустя тысячи, а то и миллионы лет, сказываются на ее светимости. Теоретически есть лишь один надежный способ предугадать взрыв сверхновой – нейтринная астрономия. Если бы удалось зафиксировать поток нейтрино от Бетельгейзе, по их энергетическому спектру можно было бы понять, насколько далеко зашли реакции термоядерного синтеза и как далеко до финала. Увы, регистрировать поток нейтрино даже от ближайшего к нам Солнца пока получается с трудом, не говоря уже об удаленной на 640 световых лет Бетельгейзе. Но вот на финальной стадии, когда ядро звезды стремительно коллапсирует и превращается в нейтронную звезду, нейтринная вспышка уносит весьма ощутимую часть энергии из ядра, причем в отличие от фотонов, запертых в непрозрачной плотной среде, эта энергия уносится из звезды за считанные секунды. И действительно, нейтринные детекторы на Земле зарегистрировали нейтринную вспышку сверхновой SN 1987A за три часа до обнаружения сверхновой в оптическом диапазоне. Взрыв сверхновой произошел на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии примерно 168 тысяч световых лет от Солнца. Так что есть основания для уверенности, что нейтринная вспышка при взрыве Бетельгейзе будет надежно зафиксирована – при том условии, конечно, что нейтринные обсерватории к тому времени не будут лежать в руинах, заброшенные нашими деградировавшими потомками.
Так что такого именно произошло в декабре 2019 года, что мировые новостные агентства снова возбудились на Бетельгейзе? Да в общем ничего особо сенсационного. В октябре 2019 года Бетельгейзе вступила в фазу очередного падения блеска. В середине ноября блеск Бетельгейзе упал ниже предыдущего минимума 0.87 звездной величины, который был зафиксирован в конце 2018 года, и продолжал падать. 7 декабря 2019 блеск Бетельгейзе упал до рекордного минимума 1.12 – ниже, чем когда-либо за последние 25 лет регулярных наблюдений. 6 января 2020 года блеск Бетельгейзе упал до 1.37 и звезда оказалась на двадцать первой позиции в списке самых ярких звезд земного неба. А 30 января блеск Бетельгейзе упал до 1.66. Такое необычное падение блеска было легко заметно даже городскому любителю, нетренированному в регулярных наблюдениях переменных звезд. Графики редко передают драматизм ситуации в полной мере, но здесь как раз тот случай, когда даже далекому от науки человеку с художественным восприятием мира очевидно: происходит нечто весьма необычное, из ряда вон выходящее в буквальном смысле. А что астрономы-профи? А те спокойно советовали: запасаемся попкормом и ждем 21 февраля. Почти наверняка фейерверка и на этот раз не будет. 21 февраля плюс-минус неделя Бетельгейзе достигнет минимума 430-суточного периода и падение блеска звезды стабилизируется. Так оно и вышло, и даже чуть раньше, чем предсказывали прогнозы, основанные на 430-суточном периоде. Измерения блеска звезды, сделанные за неделю с 7 по 13 февраля, показали стабилизацию блеска на уровне чуть выше 1.6. А затем блеск Бетельгейзе начал нарастать. Звезда прошла необычно глубокий минимум блеска и возвращается к нормальному состоянию. Когда-нибудь, если научную астрономию в обозримом будущем не вытеснит астроложество, астрономы снова спокойно посоветуют: запасаемся попкормом и ждем. Но почти наверняка фейерверка и в этот раз не будет, как оно уже было в далеком 2020, если кто еще помнит те времена. И когда-нибудь в очередной раз они ошибутся.
Инфографика Снимки созвездия Ориона, сделанные астрономом-любителем H. Raab 22 февраля 2012 года (слева) и 21 февраля 2020 года (справа). Хорошо заметно, насколько упал блеск Бетельгейще во время рекорднго глубокого минимума. Кривая блеска Бетельгейзе в период с осени 2017 года (JD 2458000 соответствует 4 сентября 2017 года) по 30 января 2020.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
09.05.20
|
|
|
Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии |
|
|
В качестве компенсации за длинный и нудный оффтопик - красивая фотография солнечного протуберанца, сделанная астрономом-любителем из Италии 4 мая 2020 года.
Вложения: |
![ALESSANDRO-Ecol_1588682514_credited.png](./download/file.php?id=1977&t=1&sid=fc5b00cd6b7a836aab7c651e9e5bd86d)
|
В качестве компенсации за длинный и нудный оффтопик - красивая фотография солнечного протуберанца, сделанная астрономом-любителем из Италии 4 мая 2020 года.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
08.05.20
|
|
|
Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии |
|
|
5. Квантовое превосходствоЧасть вторая Вариант первый – трезвый скепсис. ( скучающим тоном) Да ничего особенного не происходит и не произойдет. В теории создание квантового компьютера выглядело перспективным и увлекательным направлением, как в свое время управляемый термоядерный синтез, но на практике дело уперлось в проблему масштабирования. Есть скептическая точка зрения, и хорошо обоснованная, что с инженерной точки зрения проблема масштабирования не решаема, так как с ростом числа кубитов не только возможности системы, но и сложность ее реализации растут по экспоненте. Практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, именно поэтому такие системы переходят из ведения микроскопической физики в область статистической физики. Представляет ли система из N = 10^3−10^5 квантовых спинов, необходимая чтобы превзойти классический компьютер в решении ограниченного числа специальных задач, достаточно большой в этом смысле? Сможем ли мы когда-либо научиться контролировать 10^300 (по меньшей мере) амплитуд, определяющих квантовое состояние такой системы? Мой ответ — нет, никогда.
— М. И. Дьяконов, “Будет ли у нас когда-нибудь квантовый компьютер?” По мнению автора процитированной публикации, нынешний квантовый бум сойдет на нет и довольно скоро. Адепты идеи, конечно, будут биться до последнего, но молодежь, разочарованная явным отсутствием практического прогресса, найдет другие области реализации своих талантов. Допустим, квантовый компьютер не будет создан. Ничего страшного, наука и не такое переживала. А вот инженерные наработки могут выстрелить в совершенно неожиданном направлении. Магнитно-резонансная томография, к примеру, основана на эффекте ядерного магнитного резонанса и первооткрыватели ЯМР об его возможном применении в медицине не думали. Позвольте, как же так – квантового компьютера, получается, нет, а как тогда быть с огромными черными ящиками производства D-Wave и с претензиями Google на демонстрацию квантового превосходства? Пытаясь представить себе, как работает квантовый компьютер, я пришел к выводу, что эта штука определенно кое-что напоминает. Ну ладно, думаю, я в этом деле дилетант, а интуиция в квантовом мире – штука опасная. Но внезапно и процитированному выше Дьяконову показалось именно теми же словами. Устройство D-Wave, работающее на принципе квантового отжига – это очень сложный и очень дорогой аналоговый компьютер. Аналоговые вычислители, заточенные на выполнение специальных задач, могут быть чертовски эффективными устройствами, и в публикации Дьяконова приведена прекрасная иллюстрация к этому тезису. Допустим, у вас пачка лапши с соломинками разной длины и вам нужно выбрать самую длинную. Цифровым методом вам придется работать так: выбрали пару соломин наугад, сравнили длины, короткую отбросили, длинную оставили, вытянули следующую соломину, повторили сравнение. И так до тех пор, пока не переберете всю пачку. Аналоговый способ решения задачи: высыпаем лапшу на стол, укладываем параллельной стопкой, равняем нижние края стопки по линейке, кладем вторую линейку параллельно первой и сближаем линейки, пока вторая линейка не коснется самой длинной соломины. Бинго, решение найдено! Пример иллюстрирует и ограничения метода. Для выбора самого тяжелого помидора вам придется мастерить другую машинку. Вообще говоря, аналоговые вычислители – это не только автопилоты и прицелы для бомбометания. Простенький аналоговый вычислитель вы наверняка видели и возможно даже держали в руках. Логарифмическая линейка же! Теоретически логарифмическая линейка уже содержит бесконечное множество значений произведений, степеней, логарифмов и тригонометрических функций натуральных чисел. Глубина возможностей в сравнении с механическим калькулятором Феликс – прямо как у квантового компьютера в сравнении с классическим. Вот только на практике точность расчетов на логарифмической линейке ограничена тремя значащими цифрами. А что если вам нужно шесть? Не мастерить же линейку в четверть километра длиной? А даже для простенького калькулятора для домохозяек и бухгалтерии это запросто. Могут ли найти аналоговые “квантовые” вычислители практическое применение? Для решения специальных задач – вполне, как вышеупомянутые электромеханические устройства вроде автопилотов и прицелов для бомбометания. Да и британский вычислитель Colossus, построенный в годы Второй мировой войны, не был универсальной вычислительной машиной в современном понимании – эта машина была спроектирована для взлома германских шифров. Но если скептики правы, у специализированных квантовых вычислителей просто нет шансов конкурировать с обычными компьютерами там, где требуется гибкость вычислительных возможностей. И честно, я как-то не могу представить себе чип, который необходимо охлаждать до температуры 15 милликельвин и тщательно изолировать от внешних магнитных полей, в системе управления космического корабля (не говоря уже об AI вроде HAL из Космической одиссеи). Вариант второй – конспирологический. ( доверительным шепотом) Господа, ну вы же не дети, должны понимать. Пока ребята из Google играют в свои квантовые игрушки, те, кто стоит за ними, уже давно овладели уровнем квантовых технологий и активно ими пользуются. Звучит как дикий бред. Но рациональное зерно в этой дичи можно найти. Взлом шифрованных сообщений – это одна практическая сторона криптографии. Вторая сторона, по очевидным причинам не столь активно обсуждаемая в общедоступных источниках – создание новых алгоритмов и аппаратных технологий шифрования, а также создание сетей передачи шифрованных сообщений. И квантовые технологии выглядят в этом плане весьма перспективными. Классические алгоритмы шифрования основаны на комбинаторной сложности поиска ключа, дающего единственное осмысленное решение из множества возможных. Квантовые технологии шифрования используют защиту на физическом уровне. Любая попытка перехвата сообщения, отправленного по квантовой линии, приведет к преждевременному коллапсу волновой функции и факт перехвата сообщения будет обнаружен отправителем и получателем. А что мешает перехватчику отправить получателю точную копию отправленного сообщения, чтобы скрыть факт перехвата? Мешает фундаментальный принцип запрета на клонирование состояния квантовой системы (и этот же принцип заодно не позволяет использовать промежуточные усилители для ретрансляции сигнала на большие расстояния). Фантастам на заметку, кстати: квантовая телепортация материального объекта вроде той, что была в сериале Стар Трек, в принципе возможна, создание точной копии объекта – нет. Квантовые сети уже используются для передачи защищенных сообщений. Первая такая сеть DAPRA Quantum Network была создана еще в 2001 и по открытым данным на данный момент соединяет лаборатории в университетах Кембриджа, Гарварда и Бостона. В Европе в период с 2003 по 2008 годы была разработана и испытана квантовая сеть SECOQC Vienna QKD Network, испытывали в частости технологию пересылки сигнала на большие расстояния с помощью защищенных от перехвата промежуточных квантовых повторителей. В период с 2009 по 2011 годы опять же в Европе испытывали квантовую сеть Geneva Area Network (Swiss Quantum). Эта сеть в частности соединяла CERN и прочие европейские научные организации и использовала уже существующие телекоммуникационные линии. О текущем состоянии проектов в Википедии не сообщается. В 2010 году в Японии с использованием европейских наработок была испытана сеть Tokyo QKD Network. Пропускная способность сети поддерживала защищенные от перехвата видеоконференции. Наконец, в сентябре 2017 года Китай официально открыл квантовую линию связи между Пекином и Шанхаем Beijing-Shanghai Trunk Line. Судя по тому, что Китай объявил о планах подключения к квантовой сети других крупных городов, Китай в отличие от вышеперечисленных игроков вышел из стадии лабораторных опытов и активно строит будущее, основанное на технологиях нового поколения. Вспомним также, что сравнительно недавно Китай объявил об успешной передаче запутанного квантового состояния между наземными станциями через космический спутник. Вот если глянуть на ситуацию под эти углом, то возникает ощущение, что черные ящики D-Wave – не совсем то, чем кажутся. Как дилетант, я не могу обоснованно предположить, можно ли эти устройства использовать как аппаратные ключи для квантового шифрования (а эта задача, как мне кажется, значительно проще расшифровки). Если да – то интерес таких организаций, как NSA, к изделиям D-Wave вполне объясним. Ладно, допустим, правительства и крупные корпорации и в самом деле используют квантовые технологии для защиты своих секретов. Что это может дать не посвященной в государственные и корпоративные секреты части человечества и чем это может грозить? Насчет высокоскоростного квантового интернета для постинга котиков и чатиков я бы пока не торопился. Даже с учетом китайского опыта говорить о новой цифровой революции пока рано – проблема последней мили все равно ляжет на плечи местных провайдеров, которым эта технология еще долго будет не по карману. С другой стороны, насчет злобного Скайнета я бы тоже сильно не напрягался. Защищенных квантовых сетей самих по себе для создания сильного AI явно недостаточно, к тому же военные крайне консервативны и вряд ли добровольно передоверят сильному AI, даже если он будет создан в обозримом будущем, самостоятельное принятие стратегических решений. Насчет общества тотального контроля я бы тоже не сильно переживал. Для реализации подобного рода хотелок всяких нацлидеров есть куча более зрелых технологий. По счастью, от реализации антиутопий на практике спасает человеческая природа – нацлидеры скорбны умишком и трусливы, а спецслужбы ленивы и некомпетентны. Секретные планы корпораций насчет захвата мирового господства и прочие ужасы – ну, если вы когда-нибудь имели доступ ко служебной переписке любой государственной организации или частной компании, вы примерно представляете, что там за секреты на самом деле. 99% служебной переписки любой организации – это никому нафиг не нужные отходы жизнедеятельности. Ну, теперь каналы циркуляции этих отходов будут надежнее изолированы, нам-то что с этого? Вариант третий – умеренно оптимистичный. Энтузиасты считают, что трудности создания полномасштабного квантового компьютера решаемы. Стабильность работы квантовой системы можно повысить резервированием, объединением нескольких физических кубитов в один логический кубит, многопоточными вычислениями – в принципе идеи есть. Допустим, полномасштабный квантовый компьютер удастся создать в обозримом будущем. Допустим, лет через двадцать эти устройства будут доступны университетскому вычислительному центру. Какие задачи сможет решать квантовый компьютер помимо упомянутого взлома шифров? Вот вам популярный список хотелок (помимо квантовой криптографии). Искусственный интеллект Молекулярное моделирование Финансовое моделирование Прогнозирование погоды Физика частиц Знаете, я совершенно не удивлен, что в списке нет таких интереснейших задач, как симуляции образования галактик, взрывов сверхновых звезд, эволюции предшественников жизни на ранней Земле (РНК-мир), вариантов биологической эволюции – эти темы в отличие от фармацевтики, рынка и погоды мало кому интересны. Но давайте пробежимся по списку и начнем с конца. Физика частиц Это как раз то, о чем говорил профессор Фейнман в далеком 1981 году. Для симуляции квантовых систем нужны модельные квантовые системы. Ускорители элементарных частиц по любому без работы не останутся, но квантовые компьютеры помогут ускорить процесс обработки экспериментальных данных и проверки рабочих моделей. В современной физике элементарных частиц есть две трудности. Первая трудность – проверка рабочих моделей требует сложных и трудоемких вычислений. Вторая трудность, вытекающая из первой, о которой популяризаторы стыдливо молчат. БАК за каждый цикл работы фиксирует миллионы событий. Подавляющая часть этой информационной шихты никак не обрабатывается и по сути дела необратимо теряется, так как объем накопителей ограничен. Хранятся и обрабатываются только потенциально интересные события. Проблема с этим подходом в том, что неудачно настроенный фильтр событий может обрезать интересные события и мы об этом никогда не узнаем. Возможно, квантовые компьютеры помогут более эфективно просеивать эту шихту на предмет ценной информации. Та же проблема, кстати, и с астрономическими базами данных – подавляющая часть информации, собранной автоматическими телескопами, никем и никогда не будет востребована. Прогнозы погоды Здесь на мой взгляд диванного аналитика основная проблема даже не в трудоемкости вычислений, а в количестве и качестве исходных данных. Ну допустим, квантовый компьютер сможет рассчитать, как будет изменяться погода в крупном городе на ближайшие трое суток с пространственным разрешением в сотню метров, но где вы возьмете исходные данные для заполнения сетки на старте симуляции, если у вас на весь город десяток автоматических метеостанций? Про сельскую глубинку я вообще молчу – там хорошо если в районном центре метеостанция еще живая. А вот климат спустя десять лет симулировать, как ни странно, теоретически проще, чем погоду на завтра. Погода – сложный процесс, который зависит от множества микрособытий. При долгосрочном прогнозе климата влияние этих микрособытий сглаживается. Финансовые прогнозы Та же проблема, что с погодой: недостаток качественных данных и множество микрособытий. Вы можете прогнать сотню симуляций, чтобы найти оптимальную стратегию долгосрочных инвестиций, но у вас нет и в обозримом будущем не будет надежных данных, позволяющих точно спрогнозировать аномалии в курсах акций на фондовой бирже завтра в полдень. Так что оставим эту скучную тему. Молекулы Вот тут ситуация неоднозначная. Химия – это взаимодействие электронных оболочек атомов и молекул, так что чисто в теории всю химию можно свести к квантовой механике. На практике вычислительные трудности с ростом числа атомов растут по экспоненте и уже свойства молекулы метана вычислить из первооснов непосильно сложно даже на нынешних суперкомпьютерах. Квантовые компьютеры и в самом деле могли бы привести к революции, превратив химию из свода эмпирических правил в точную науку. Да и не только химию. Квантовый компьютер мог бы, давайте уж помечтаем, помочь в создании новых материалов (жаропрочные сплавы и керамики, высокотемпературные сверхпроводники, фотоэлементы и так далее). Но даже в традиционных отраслях химической промышленности с крупнотоннажным производством сплошь и рядом стоят задачи оптимизации производственной схемы с десятками переменных на входе. Квантовые компьютеры, как мы уже знаем, как раз на таких задачах оптимизации в принципе могут проявить свои сильные стороны. А что насчет фармацевтики? Будет ли польза от квантовых компьютеров в этой области? И да и нет. Поиск эффективного лекарства – это гораздо ближе к биологии, чем к химии. И как биохимик я могу сказать, что сплошь и рядом мы просто не знаем, как именно действует данное лекарство на молекулярном уровне. Организм – колоссально сложная система и даже если бы гипотетически квантовый компьютер в будущем смог бы симулировать такие сложные системы (а для этого его архитектура должна иметь как минимум сопоставимый уровень сложности!), у нас просто нет и в обозримом будущем не будет надежных данных, которые можно загрузить в такую симуляцию. Но допустим, лекарство известно и эффект доказан клиническими тестами. Проблема в том, что лекарство добывается из крайне дефицитного сырья в мизерных количествах и по этой причинен непомерно дорогое. Квантовый компьютер как минимум мог бы проанализировать огромные базы данных органических соединений и подобрать перспективные вещества для сравнительных клинических испытаний. А как максимум – найти способ химического синтеза данного лекарства из сравнительно дешевых прекурсоров. Или просканировать базы данных микроорганизмов и выбрать перспективные штаммы для получения лекарства методами биотехнологии. Искусственный интеллект Здесь в первую очередь имеются в виду методы обучения AI вообще и в первую очередь распознавания образов. Приведет ли использование квантовых компьютеров в этой области, которая развивается не так быстро, как представлялось энтузиастам, воспитанным на фантастике еще 60-х годов, к принципиально новым результатам? Само по себе – нет. Для создания чего-то похожего на нейронные сети основное условие – не быстродействие, а топологическая сложность сети. Человеческий мозг, напоминаю, содержит около 15 миллиардов нейронов. Нынешние квантовые процессоры по своей топологической сложности далеки не только от человеческого мозга, но и от сравнительно просто устроенного нервного ганглия насекомого (и насекомые, кстати, успешно решают задачи навигации в среде обитания, которые нынешнему поколению AI непосильны). Возможно, положение принципиально изменится, когда квантовые процессоры будут иметь миллионы и миллиарды кубитов, упакованных в объемную архитектуру, но пока у нас нет для этого нужных технологий. А вот как специализированный процессор, ускоряющий перебор вариантов в процессе обучения AI и оценку оптимальных решений, квантовый процессор вполне может найти применение. То есть для сильного AI квантовые процессоры станут не основой мозга, а специализированными на обработке определенного класса задач модулями. Быстродействие таких систем опять же будет ограничено шинами передачи данных между квантовыми модулями, обычными процессорами общего назначения и периферийными устройствами. Так что просчитать за доли секунды мировую экономику на годы вперед - это только в технотриллере просто. Ну и такой вопрос напоследок. От лампового ENIAC до микросхемы Z-80, давшей начало легендарному ПК Spectrum, прошло 25 лет – время смены одного человеческого поколения. Есть ли надежда увидеть персональные квантовые компьютеры ну хотя бы к 2050 году? Если вспомнить про охлаждение до 15 милликельвин дефицитным гелием-3, то решительно нет. Но не исключено, что выстрелят технологии, которые позволяют обойтись без таких жестких требований. Квантово запутанные фотоны, к примеру, не требуют таких экстремальных условий. Так что я бы не стал зарекаться. Мне лично кажется, что крайне вряд ли, но кто его знает, как оно обернется.
[color=#FFFF00]5. Квантовое превосходство[/color] Часть вторая
Вариант первый – трезвый скепсис. ([i]скучающим тоном[/i]) Да ничего особенного не происходит и не произойдет. В теории создание квантового компьютера выглядело перспективным и увлекательным направлением, как в свое время управляемый термоядерный синтез, но на практике дело уперлось в проблему масштабирования. Есть скептическая точка зрения, и хорошо обоснованная, что с инженерной точки зрения проблема масштабирования не решаема, так как с ростом числа кубитов не только возможности системы, но и сложность ее реализации растут по экспоненте.
[quote]Практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, именно поэтому такие системы переходят из ведения микроскопической физики в область статистической физики. Представляет ли система из N = 10^3−10^5 квантовых спинов, необходимая чтобы превзойти классический компьютер в решении ограниченного числа специальных задач, достаточно большой в этом смысле? Сможем ли мы когда-либо научиться контролировать 10^300 (по меньшей мере) амплитуд, определяющих квантовое состояние такой системы? Мой ответ — нет, никогда.
— М. И. Дьяконов, “Будет ли у нас когда-нибудь квантовый компьютер?”[/quote]
По мнению автора процитированной публикации, нынешний квантовый бум сойдет на нет и довольно скоро. Адепты идеи, конечно, будут биться до последнего, но молодежь, разочарованная явным отсутствием практического прогресса, найдет другие области реализации своих талантов. Допустим, квантовый компьютер не будет создан. Ничего страшного, наука и не такое переживала. А вот инженерные наработки могут выстрелить в совершенно неожиданном направлении. Магнитно-резонансная томография, к примеру, основана на эффекте ядерного магнитного резонанса и первооткрыватели ЯМР об его возможном применении в медицине не думали. Позвольте, как же так – квантового компьютера, получается, нет, а как тогда быть с огромными черными ящиками производства D-Wave и с претензиями Google на демонстрацию квантового превосходства? Пытаясь представить себе, как работает квантовый компьютер, я пришел к выводу, что эта штука определенно кое-что напоминает. Ну ладно, думаю, я в этом деле дилетант, а интуиция в квантовом мире – штука опасная. Но внезапно и процитированному выше Дьяконову показалось именно теми же словами. Устройство D-Wave, работающее на принципе квантового отжига – это очень сложный и очень дорогой аналоговый компьютер. Аналоговые вычислители, заточенные на выполнение специальных задач, могут быть чертовски эффективными устройствами, и в публикации Дьяконова приведена прекрасная иллюстрация к этому тезису. Допустим, у вас пачка лапши с соломинками разной длины и вам нужно выбрать самую длинную. Цифровым методом вам придется работать так: выбрали пару соломин наугад, сравнили длины, короткую отбросили, длинную оставили, вытянули следующую соломину, повторили сравнение. И так до тех пор, пока не переберете всю пачку. Аналоговый способ решения задачи: высыпаем лапшу на стол, укладываем параллельной стопкой, равняем нижние края стопки по линейке, кладем вторую линейку параллельно первой и сближаем линейки, пока вторая линейка не коснется самой длинной соломины. Бинго, решение найдено! Пример иллюстрирует и ограничения метода. Для выбора самого тяжелого помидора вам придется мастерить другую машинку. Вообще говоря, аналоговые вычислители – это не только автопилоты и прицелы для бомбометания. Простенький аналоговый вычислитель вы наверняка видели и возможно даже держали в руках. Логарифмическая линейка же! Теоретически логарифмическая линейка уже содержит бесконечное множество значений произведений, степеней, логарифмов и тригонометрических функций натуральных чисел. Глубина возможностей в сравнении с механическим калькулятором Феликс – прямо как у квантового компьютера в сравнении с классическим. Вот только на практике точность расчетов на логарифмической линейке ограничена тремя значащими цифрами. А что если вам нужно шесть? Не мастерить же линейку в четверть километра длиной? А даже для простенького калькулятора для домохозяек и бухгалтерии это запросто. Могут ли найти аналоговые “квантовые” вычислители практическое применение? Для решения специальных задач – вполне, как вышеупомянутые электромеханические устройства вроде автопилотов и прицелов для бомбометания. Да и британский вычислитель Colossus, построенный в годы Второй мировой войны, не был универсальной вычислительной машиной в современном понимании – эта машина была спроектирована для взлома германских шифров. Но если скептики правы, у специализированных квантовых вычислителей просто нет шансов конкурировать с обычными компьютерами там, где требуется гибкость вычислительных возможностей. И честно, я как-то не могу представить себе чип, который необходимо охлаждать до температуры 15 милликельвин и тщательно изолировать от внешних магнитных полей, в системе управления космического корабля (не говоря уже об AI вроде HAL из Космической одиссеи).
Вариант второй – конспирологический. ([i]доверительным шепотом[/i]) Господа, ну вы же не дети, должны понимать. Пока ребята из Google играют в свои квантовые игрушки, те, кто стоит за ними, уже давно овладели уровнем квантовых технологий и активно ими пользуются. Звучит как дикий бред. Но рациональное зерно в этой дичи можно найти. Взлом шифрованных сообщений – это одна практическая сторона криптографии. Вторая сторона, по очевидным причинам не столь активно обсуждаемая в общедоступных источниках – создание новых алгоритмов и аппаратных технологий шифрования, а также создание сетей передачи шифрованных сообщений. И квантовые технологии выглядят в этом плане весьма перспективными. Классические алгоритмы шифрования основаны на комбинаторной сложности поиска ключа, дающего единственное осмысленное решение из множества возможных. Квантовые технологии шифрования используют защиту на физическом уровне. Любая попытка перехвата сообщения, отправленного по квантовой линии, приведет к преждевременному коллапсу волновой функции и факт перехвата сообщения будет обнаружен отправителем и получателем. А что мешает перехватчику отправить получателю точную копию отправленного сообщения, чтобы скрыть факт перехвата? Мешает фундаментальный принцип запрета на клонирование состояния квантовой системы (и этот же принцип заодно не позволяет использовать промежуточные усилители для ретрансляции сигнала на большие расстояния). Фантастам на заметку, кстати: квантовая телепортация материального объекта вроде той, что была в сериале Стар Трек, в принципе возможна, создание точной копии объекта – нет. Квантовые сети уже используются для передачи защищенных сообщений. Первая такая сеть DAPRA Quantum Network была создана еще в 2001 и по открытым данным на данный момент соединяет лаборатории в университетах Кембриджа, Гарварда и Бостона. В Европе в период с 2003 по 2008 годы была разработана и испытана квантовая сеть SECOQC Vienna QKD Network, испытывали в частости технологию пересылки сигнала на большие расстояния с помощью защищенных от перехвата промежуточных квантовых повторителей. В период с 2009 по 2011 годы опять же в Европе испытывали квантовую сеть Geneva Area Network (Swiss Quantum). Эта сеть в частности соединяла CERN и прочие европейские научные организации и использовала уже существующие телекоммуникационные линии. О текущем состоянии проектов в Википедии не сообщается. В 2010 году в Японии с использованием европейских наработок была испытана сеть Tokyo QKD Network. Пропускная способность сети поддерживала защищенные от перехвата видеоконференции. Наконец, в сентябре 2017 года Китай официально открыл квантовую линию связи между Пекином и Шанхаем Beijing-Shanghai Trunk Line. Судя по тому, что Китай объявил о планах подключения к квантовой сети других крупных городов, Китай в отличие от вышеперечисленных игроков вышел из стадии лабораторных опытов и активно строит будущее, основанное на технологиях нового поколения. Вспомним также, что сравнительно недавно Китай объявил об успешной передаче запутанного квантового состояния между наземными станциями через космический спутник. Вот если глянуть на ситуацию под эти углом, то возникает ощущение, что черные ящики D-Wave – не совсем то, чем кажутся. Как дилетант, я не могу обоснованно предположить, можно ли эти устройства использовать как аппаратные ключи для квантового шифрования (а эта задача, как мне кажется, значительно проще расшифровки). Если да – то интерес таких организаций, как NSA, к изделиям D-Wave вполне объясним. Ладно, допустим, правительства и крупные корпорации и в самом деле используют квантовые технологии для защиты своих секретов. Что это может дать не посвященной в государственные и корпоративные секреты части человечества и чем это может грозить? Насчет высокоскоростного квантового интернета для постинга котиков и чатиков я бы пока не торопился. Даже с учетом китайского опыта говорить о новой цифровой революции пока рано – проблема последней мили все равно ляжет на плечи местных провайдеров, которым эта технология еще долго будет не по карману. С другой стороны, насчет злобного Скайнета я бы тоже сильно не напрягался. Защищенных квантовых сетей самих по себе для создания сильного AI явно недостаточно, к тому же военные крайне консервативны и вряд ли добровольно передоверят сильному AI, даже если он будет создан в обозримом будущем, самостоятельное принятие стратегических решений. Насчет общества тотального контроля я бы тоже не сильно переживал. Для реализации подобного рода хотелок всяких нацлидеров есть куча более зрелых технологий. По счастью, от реализации антиутопий на практике спасает человеческая природа – нацлидеры скорбны умишком и трусливы, а спецслужбы ленивы и некомпетентны. Секретные планы корпораций насчет захвата мирового господства и прочие ужасы – ну, если вы когда-нибудь имели доступ ко служебной переписке любой государственной организации или частной компании, вы примерно представляете, что там за секреты на самом деле. 99% служебной переписки любой организации – это никому нафиг не нужные отходы жизнедеятельности. Ну, теперь каналы циркуляции этих отходов будут надежнее изолированы, нам-то что с этого?
Вариант третий – умеренно оптимистичный. Энтузиасты считают, что трудности создания полномасштабного квантового компьютера решаемы. Стабильность работы квантовой системы можно повысить резервированием, объединением нескольких физических кубитов в один логический кубит, многопоточными вычислениями – в принципе идеи есть. Допустим, полномасштабный квантовый компьютер удастся создать в обозримом будущем. Допустим, лет через двадцать эти устройства будут доступны университетскому вычислительному центру. Какие задачи сможет решать квантовый компьютер помимо упомянутого взлома шифров? Вот вам популярный список хотелок (помимо квантовой криптографии).
[list]Искусственный интеллект Молекулярное моделирование Финансовое моделирование Прогнозирование погоды Физика частиц[/list]
Знаете, я совершенно не удивлен, что в списке нет таких интереснейших задач, как симуляции образования галактик, взрывов сверхновых звезд, эволюции предшественников жизни на ранней Земле (РНК-мир), вариантов биологической эволюции – эти темы в отличие от фармацевтики, рынка и погоды мало кому интересны. Но давайте пробежимся по списку и начнем с конца.
Физика частиц
Это как раз то, о чем говорил профессор Фейнман в далеком 1981 году. Для симуляции квантовых систем нужны модельные квантовые системы. Ускорители элементарных частиц по любому без работы не останутся, но квантовые компьютеры помогут ускорить процесс обработки экспериментальных данных и проверки рабочих моделей. В современной физике элементарных частиц есть две трудности. Первая трудность – проверка рабочих моделей требует сложных и трудоемких вычислений. Вторая трудность, вытекающая из первой, о которой популяризаторы стыдливо молчат. БАК за каждый цикл работы фиксирует миллионы событий. Подавляющая часть этой информационной шихты никак не обрабатывается и по сути дела необратимо теряется, так как объем накопителей ограничен. Хранятся и обрабатываются только потенциально интересные события. Проблема с этим подходом в том, что неудачно настроенный фильтр событий может обрезать интересные события и мы об этом никогда не узнаем. Возможно, квантовые компьютеры помогут более эфективно просеивать эту шихту на предмет ценной информации. Та же проблема, кстати, и с астрономическими базами данных – подавляющая часть информации, собранной автоматическими телескопами, никем и никогда не будет востребована.
Прогнозы погоды
Здесь на мой взгляд диванного аналитика основная проблема даже не в трудоемкости вычислений, а в количестве и качестве исходных данных. Ну допустим, квантовый компьютер сможет рассчитать, как будет изменяться погода в крупном городе на ближайшие трое суток с пространственным разрешением в сотню метров, но где вы возьмете исходные данные для заполнения сетки на старте симуляции, если у вас на весь город десяток автоматических метеостанций? Про сельскую глубинку я вообще молчу – там хорошо если в районном центре метеостанция еще живая. А вот климат спустя десять лет симулировать, как ни странно, теоретически проще, чем погоду на завтра. Погода – сложный процесс, который зависит от множества микрособытий. При долгосрочном прогнозе климата влияние этих микрособытий сглаживается.
Финансовые прогнозы
Та же проблема, что с погодой: недостаток качественных данных и множество микрособытий. Вы можете прогнать сотню симуляций, чтобы найти оптимальную стратегию долгосрочных инвестиций, но у вас нет и в обозримом будущем не будет надежных данных, позволяющих точно спрогнозировать аномалии в курсах акций на фондовой бирже завтра в полдень. Так что оставим эту скучную тему.
Молекулы
Вот тут ситуация неоднозначная. Химия – это взаимодействие электронных оболочек атомов и молекул, так что чисто в теории всю химию можно свести к квантовой механике. На практике вычислительные трудности с ростом числа атомов растут по экспоненте и уже свойства молекулы метана вычислить из первооснов непосильно сложно даже на нынешних суперкомпьютерах. Квантовые компьютеры и в самом деле могли бы привести к революции, превратив химию из свода эмпирических правил в точную науку. Да и не только химию. Квантовый компьютер мог бы, давайте уж помечтаем, помочь в создании новых материалов (жаропрочные сплавы и керамики, высокотемпературные сверхпроводники, фотоэлементы и так далее). Но даже в традиционных отраслях химической промышленности с крупнотоннажным производством сплошь и рядом стоят задачи оптимизации производственной схемы с десятками переменных на входе. Квантовые компьютеры, как мы уже знаем, как раз на таких задачах оптимизации в принципе могут проявить свои сильные стороны. А что насчет фармацевтики? Будет ли польза от квантовых компьютеров в этой области? И да и нет. Поиск эффективного лекарства – это гораздо ближе к биологии, чем к химии. И как биохимик я могу сказать, что сплошь и рядом мы просто не знаем, как именно действует данное лекарство на молекулярном уровне. Организм – колоссально сложная система и даже если бы гипотетически квантовый компьютер в будущем смог бы симулировать такие сложные системы (а для этого его архитектура должна иметь как минимум сопоставимый уровень сложности!), у нас просто нет и в обозримом будущем не будет надежных данных, которые можно загрузить в такую симуляцию. Но допустим, лекарство известно и эффект доказан клиническими тестами. Проблема в том, что лекарство добывается из крайне дефицитного сырья в мизерных количествах и по этой причинен непомерно дорогое. Квантовый компьютер как минимум мог бы проанализировать огромные базы данных органических соединений и подобрать перспективные вещества для сравнительных клинических испытаний. А как максимум – найти способ химического синтеза данного лекарства из сравнительно дешевых прекурсоров. Или просканировать базы данных микроорганизмов и выбрать перспективные штаммы для получения лекарства методами биотехнологии.
Искусственный интеллект
Здесь в первую очередь имеются в виду методы обучения AI вообще и в первую очередь распознавания образов. Приведет ли использование квантовых компьютеров в этой области, которая развивается не так быстро, как представлялось энтузиастам, воспитанным на фантастике еще 60-х годов, к принципиально новым результатам? Само по себе – нет. Для создания чего-то похожего на нейронные сети основное условие – не быстродействие, а топологическая сложность сети. Человеческий мозг, напоминаю, содержит около 15 миллиардов нейронов. Нынешние квантовые процессоры по своей топологической сложности далеки не только от человеческого мозга, но и от сравнительно просто устроенного нервного ганглия насекомого (и насекомые, кстати, успешно решают задачи навигации в среде обитания, которые нынешнему поколению AI непосильны). Возможно, положение принципиально изменится, когда квантовые процессоры будут иметь миллионы и миллиарды кубитов, упакованных в объемную архитектуру, но пока у нас нет для этого нужных технологий. А вот как специализированный процессор, ускоряющий перебор вариантов в процессе обучения AI и оценку оптимальных решений, квантовый процессор вполне может найти применение. То есть для сильного AI квантовые процессоры станут не основой мозга, а специализированными на обработке определенного класса задач модулями. Быстродействие таких систем опять же будет ограничено шинами передачи данных между квантовыми модулями, обычными процессорами общего назначения и периферийными устройствами. Так что просчитать за доли секунды мировую экономику на годы вперед - это только в технотриллере просто.
Ну и такой вопрос напоследок. От лампового ENIAC до микросхемы Z-80, давшей начало легендарному ПК Spectrum, прошло 25 лет – время смены одного человеческого поколения. Есть ли надежда увидеть персональные квантовые компьютеры ну хотя бы к 2050 году? Если вспомнить про охлаждение до 15 милликельвин дефицитным гелием-3, то решительно нет. Но не исключено, что выстрелят технологии, которые позволяют обойтись без таких жестких требований. Квантово запутанные фотоны, к примеру, не требуют таких экстремальных условий. Так что я бы не стал зарекаться. Мне лично кажется, что крайне вряд ли, но кто его знает, как оно обернется.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
08.05.20
|
|
|
Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии |
|
|
5. Квантовое превосходствоЧасть первая В октябре 2019 года мы наконец-то увидели зарю новой эпохи квантовых вычислений – возможно. А возможно, и нет. Что именно прозошло? Группа физиков из компании Google сообщила, что их квантовому компьютеру удалось решить задачу, непосильную для обычных компьютеров. По их утверждению, квантовый компьютер потратил 200 секунд на решение задачи, на которую у обычного суперкомпьютера ушло бы 10 тысяч лет. Конкуренты из IBM заявили, что говорить о демонстрации квантового превосходства еще рано – оптимизированный алгоритм справился бы с задачей за два дня. Но в любом случае примечателен сам факт того, что квантовые компьютеры из фантастики стали инженерной реальностью. В связи с этим у дилетанта вроде меня возникает ряд вопросов. В чем вообще принципиальные отличия квантового компьютера от обычного? Как он устроен и как работает? Почему от квантовых компьютеров ожидают столь впечатляющей эффективности? Какие задачи будут им по силам из тех, что не по зубам нынешним компьютерам? Насколько продвинулась эта технология в инженерном плане и чего стоит ожидать в обозримом будущем? И наконец, в самом ли деле мы стоим на пороге новой революции или все это превратится в очередную утопию “вот через двадцать лет сами увидите”, как это уже произошло с управляемым термоядерным синтезом и полетом на Марс? Попробуем разобраться. И постараюсь по возможности четко отделять то, чего я не понимаю в силу своего профиля образования от того, что толком не понимает почти никто. Ну, давайте по порядку. Хотя совсем по порядку не получится. Классический компьютер обрабатывает информацию как набор битов, каждый из которых принимает одно из двух фиксированных значений – 0 ИЛИ 1. Квантовый компьютер оперирует с кубитами – квантовыми битами (quantum bit, q-bit). Кубит с некоторой вероятностью может находиться в любом из этих состояний. Что из этого следует? А следует вот что: (…) квантовое пространство состояний обладает гораздо большей емкостью, чем классическое: там, где в классике имеется N дискретных состояний, в квантовой теории, допускающей их суперпозицию, имеется c^N планковских ячеек.
Ю. И. Манин. “Вычислимое и невычислимое” Ну вот теперь простое, но неправильное объяснение, почему квантовые компьютеры могут быть столь эффективны. Вернемся в эпоху восьмибитных машин. Восьмибитное слово может принимать одно из 2^8 = 256 значений. Если вам нужно перебрать все 256 чисел, чтобы сравнить их по какому-то критерию и выбрать нужное, то вам придется выполнить эту операцию 256 раз. Восьмикубитный регистр содержит все возможные значения восьмибитного слова и может обрабатывать их одновременно. Если мы перейдем к современным десктопам с 64-битными процессорами, то 64-битное слово содержит уже 2^64 = 1.845*10^19 возможных значений, то есть теоретически один квантовый 64-кубитный регистр, содержащий одновременно все эти состояния, в пределе способен ускорить вычисления как раз на величину такого порядка. Вот вам и квантовое превосходство. А теперь забудьте, что прочли предыдущие два абзаца. Квантовый регистр не находится во всех этих состояниях одновременно. Он может с некоторой вероятностью находиться в любом из этих состояний. Работать с этим океаном вероятностей как с обычным массивом чисел нельзя, потому что они ненаблюдаемы. При попытке считать состояние 64-кубитного квантового регистра происходит коллапс волновой функции вероятности и мы получим на выходе единственное 64-битное число. Правильный ответ, как работает квантовый компьютер, выглядит примерно так. Возможным решениям задачи соответствует не набор чисел, а набор волн вероятности. Конфигурация ансамбля кубитов настроена так, что волны вероятности неправильных решений интерферируют и гасятся, а волна вероятности правильного решения усиливается. При считывании регистра эта усиленная волна вероятности коллапсирует и дает на выходе искомое число. Нихрена не поняли? Ничего страшного. Это квантовый мир. Чтобы квантовый компьютер стал инженерной реальностью, а не любопытной физико-математической абстракцией, нужно решить несколько весьма непростых задач. Во первых, само собой, необходимо уметь записывать исходную информацию в квантовый компьютер, то есть приводить набор кубитов в нужную стартовую конфигурацию, и организовать управляемый поток логических операций – то есть контролируемо изменять состояние определенных кубитов. Ну и конечно, нужно каким-то образом считывать полученную финальную конфигурацию. Во вторых, кубиты должны быть в состоянии квантовой запутанности, иначе никакого взаимодействия волн вероятности не будет и вы получите в лучшем случае очень сложный и дорогой аналоговый компьютер, а в худшем случае – очень сложный и дорогой аппарат для генерации случайных чисел. В третьих и как бы не в главных – нужно исключить любые внешние воздействия, которые могут привести к изменению состояния кубита. В случае классического компьютера нештатное переключение отдельной ячейки памяти не оказывает влияния на соседние ячейки, поэтому такие события можно обнаружить и изолировать. В случае квантового компьютера любое внешнее воздействие, изменившее состояние одного кубита, приведет к преждевременному коллапсу волновой функции всего ансамбля кубитов. Как реализовать квантовый компьютер в реальной реальности? На что он может быть похож? В принципе на роль кубитов годятся любые объекты с квантовым поведением: твердотельные квантовые точки, электроны, ионы, атомы и даже фотоны. Запись и считывание информации может происходить с помощью управляемого внешнего электрического потенциала, магнитного поля, лазерного излучения. Какая именно технология выстрелит в будущем, сказать пока сложно. Поначалу физики экспериментировали в основном с системами, использующими эффект ядерного магнитного резонанса (ЯМР), но на данный момент, как я понял, наибольшие успехи достигнуты с использованием микроскопических сверхпроводящих контуров с джозефсоновскими переходами – нулю и единице соответствует направление тока по часовой стрелке или против. Технология промышленного изготовления таких квантовых чипов будет иметь много общего с освоенными технологиями нынешних транзисторных чипов. Как и нынешние компьютерные чипы, квантовые чипы имеют плоскую архитектуру – кубиты расположены в виде двухмерной сетки и контакты между ними можно включать и выключать. Возможно, будущие квантовые чипы будут иметь объемную архитектуру, как нейронная сеть головного мозга, но пока так. Если посмотреть на хронологию достижений в квантовых вычислениях, то вплоть до конца прошлого столетия шла в основном теоретическая подготовка к штурму проблемы. Считается, что идею квантовых вычислений впервые высказал советский математик Юрий Манин в 1980 году, но если заглянуть в его книгу “Вычислимое и невычислимое”, из которой взята цитата, то можно увидеть, что проблеме вычислимости квантовых систем посвящена всего пара абзацев общего плана на 15 странице предисловия, а сама книга совсем не про это. А вот доклад Ричарда Фейнмана Simulating Physics with Computers на конференции MIT в 1981 году – подробный и обстоятельный разбор принципиальной возможности симуляции квантовых систем. Там куча математики, которую я не понимаю, но в общем вывод такой: для адекватной симуляции квантовых систем нужен компьютер, представляющий из себя квантовую систему. Чрезвычайно важный вопрос, который был подробно исследован теоретически, прежде чем браться за инженерную реализацию квантового компьютера – какие конкретно задачи квантовый компьютер способен решать не просто быстрее классического компьютера, а настолько быстрее, что это окупит возню? И к большому разочарованию адептов грядущей безграничной вычислительной мощи оказалось, что таких задач не сильно много. В принципе квантовый компьютер способен решить любую задачу, которую может решить классический компьютер (опустим пока оговорку “за разумное время”) и наоборот. Но увы, проблема в том, что из огромного множества вычислительных алгоритмов квантовый разгон удается применить лишь к довольно малочисленной и специфичной группе алгоритмов. Конкретно это симуляция квантовых систем (о чем как раз говорил профессор Фейнман) и задачи, сводящиеся к перебору вариантов. Не удивительно, что говоря о ближайших перспективах квантовых вычислений, работающие в этой области специалисты говорят в первую очередь о криптоанализе. И в частности, алгоритм Шора – один из самых известных квантовых агоритмов – это алгоритм разложения числа на простые множители, теоретически позволяющий взламывать криптографические системы с открытым ключом. Открытый ключ – это произведение двух простых чисел. Зная множители открытого ключа, можно взломать шифр. Но вот как раз с виду простая задача нахождения простых множителей большого числа при достаточно большой длине ключа за разумное время не решается, так как время перебора вариантов с ростом длины ключа растет не линейно, а по экспоненте. Другой популярный алгоритм – алгоритм Гровера – также решает задачу исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Алгоритм Гровера по скорости работы уступает алгоритму Шора, по применим к более широкому классу задач – с его помощью можно, к примеру, найти экстемум целочисленной функции или совпадающие строки в большой базе данных. Эксперименты в железе начались в конце девяностых годов. Если смотреть на чисто количественные параметры, то поначалу темпы прогресса в этом плане не сильно впечатляли. Первая экспериментальная ЯМР-система из двух кубитов была создана в 1998 году и в том же году был создан первый трехкубитный ЯМР-компьютер. В 2000 году был создан пятикубитный и в том же году семикубитный ЯМР-компьютеры, а в 2001 году квантовый компьютер применил алгоритм Шора для разложения числа 15 на простые множители (ответ, если, что, я и без квантового компьютера вам скажу). Но на самом деле в это время велась интенсивная работа по освоению новых технологий. В 2006 году был создан 12-кубитный компьютер, а вот в 2007 году произошло нечто интересное и, по правде говоря, загадочное. Эксперименты с демонстрацией квантовой запутанности даже на простейшей системе из двух кубитов – это высший пилотаж экспериментальной физики: установка охлаждается до температуры порядка десятка милликельвин и тщательно изолируется от внешних магнитных полей. В общем, квантовый компьютер по уровню экспериментальной сложности и по требованиям к квалификации занятого в проекте персонала – это уникальный инструмент, а не изделие для конвейерной сборки. И тут внезапно в длинном списке прорывных достижений года появляется канадская компания D-Wave Systems с 28-кубитным квантовым компьютером, работающим на принципе квантового отжига. Дальше все чудливей и странноватей. В 2008 году D-Wave Systems заявляет об успешном создании 128-кубитного квантового компьютера, а в 2011 году выходит на рынок с первым коммерчески доступным компьютером D-Wave One. В 2012 году компания создает 512-кубитный квантовый компьютер Vesuvius, а в 2013 году выходит с ним на рынок. В 2015 году компания сообщает о преодолении барьера в 1000 кубит, а в 2017 году уже предлагает коммерческий образец 2000-кубитного квантового компьютера D-Wave 2000Q. Вы понимаете, что происходит? Я – нет. Квантовый чип Sycamore, на котором по заявлению Google было продемонстрировано квантовое превосходство, состоит из 53 кубитов. За год до этого, в 2018 году, в Google анонсировали создание рекордного 72-кубитного чипа Bristlecone, но по каким-то причинам этот опытный образец, похоже, не оправдал ожидания. Схожие результаты и у конкурентов. В том же 2017 году, когда D-Wave Systems анонсировали свой 2000-кубитный D-Wave 2000Q, в IBM работали над 50-кубитным компьютером, а в октябре 2019 года, как раз когда Google оповестили мир о своем историческом достижении, самый большой квантовый компьютер IBM содержал 53 кубита – столько же, сколько гугловский Sycamore. Intel в 2017 году работали над опытным 17-кубитным чипом, а в 2018 году создали опять же опытный 49-кубитный чип Tangle Lake. И кстати, IBM в 2019 также вышли на рынок со своим коммерческим решением IBM Q System One. И знаете, сколько кубит в этой машине? Двадцать. В общем, при взгляде с дивана определенно представляется, что все крупные игроки на этой поляне уперлись в серьезнейшую проблему масштабирования и теперь пытаются ее решить. Все, кроме D-Wave Systems, которая каким-то образом взяла этот барьер с разгона и теперь наращивает мощность своих квантовых компьютеров в соответствии со знаменитым законом Мура. На середину 2000 года в планах компании квантовый процессор следующего поколения Pegasus с более 5000 кубитов. Новый процессор будет иметь не просто больше кубитов, а более сложную архитектуру. Каждый кубит в чипе D-Wave 2000Q, физически связан с 6 соседними кубитами. В чипе Pegasus количество связей планируют увеличить до 15. Между нынешними квантовыми компьютерами и первыми классическими есть занимательное сходство. Первые ламповые компьютеры были очень сложными по тогдашним временам и очень дорогими устройствами, доступными лишь крупным организациям с финансированием из государственного бюджета. Если смотреть на D-Wave 2000Q под этим углом, то тут все в порядке. Сам по себе квантовый чип крошечный, но устройство в целом – это корпус высотой 3 метра и объемом 20 кубических метров. В корпусе находится оборудование, охлаждающее чип до температуры 15 милликельвин и экранирующее его от внешних воздействий. Не машинный зал длиной 30 метров и площадью 167 квадратных метров, как для лампового компьютера ENIAC, запущенного в эксплуатацию в декабре 1945 года, но размер изделия D-Wave где-то с торговый киоск. Объявленная производителем цена устройства – 15 мегадолларов, для провинциального университета цена неподъемная. В списке известных покупателей квантовых компьютеров D-Wave – Lockheed Martin, NASA, Google, Los Alamos National Laboratory, NSA и компания Temporal Defense Systems, которая занимается вопросами кибербезопасности. Серьезные игроки с крепкой государственной поддержкой. Между нынешними квантовыми компьютерами и первыми классическими есть и очень важные отличия. Во первых, ENIAC изначально проектировался для рещения вполне конкретной инженерной задачи - вычисления баллистических таблиц. Во вторых и возможно в главных, возможности ENIAC этой важной, но частной задачей не ограничивались – машина была использована в частности для расчетов практической осуществимости термоядерного оружия. ENIAC несмотря на весьма скромные по нынешним меркам возможности был полной машиной Тьюринга, в принципе способной реализовать любой вычислительный алгоритм (опустим опять же оговорку – за разумное время) и пригодной для решения множества инженерных и научных задач. А что нынешние квантовые компьютеры? На данный момент это устройства, специализированные на выполнении весьма специфичной категории задач. И более того, пока что убедительные результаты возможностей квантовых вычислений достигнуты при реализации алгоритмов, максимально неудобных для классических компьютеров. Если проводить опасную аналогию с классическими компьютерами, то квантовые чипы – это не процессоры общего назначения, а скорее аппаратные ускорители. Возьмем ту самую задачу, на которой Google доказала квантовое превосходство. Задача с подвохом. В чем ее суть? Если бы кубиты в чипе не находились в состоянии квантовой запутанности, то чип генерировал бы случайную последовательность чисел. Квантовая запутанность приводит к тому, что между состояниями кубитов возникают корреляции и в полученной последовательности чисел возникают предсказуемые аномалии. Расчет этих аномалий, однако, слишком сложен для обычного компьютера. Уловили изящество рекурсии? Чип, предположительно реализующий эффект квантовой запутанности, делает расчеты аномалий, указывающих на наличие квантовой запутанности. Можно сказать даже, что никаких расчетов аномалий квантовый компьютер не делал, а ребята из Google просто провели натурный эксперимент на квантовой системе. В Google такую критику предвидели и провели контрольные опыты, в которых количество связей между кубитами было ограничено и характер возникающих аномалий можно было рассчитать на обычном компьютере. Ну ладно, задачка Google – это учебное упражнение без какой-либо практической пользы, Hello world квантовых вычислений. Может быть, есть примеры практически полезных или теоретически интересных решенных задач? Ну как сказать. Список практических достижений в области квантовых вычислений – это пока что почти исключительно вещь в себе: демонстрация работы алгоритмов квантовых вычислений, освоение и улучшение новых технологий, которые, возможно, будут использованы для производства квантовых компьютеров в будущем. Если посмотреть на достижения, интересные специалистам за пределами этой весьма специфичной области экспериментальной физики, то список весьма небольшой. В 2010 году с помощью оптического квантового компьютера с тремя кубитами удалось рассчитать энергетический спектр молекулы водорода. Уже неплохо, расчеты с использованием математического аппарата квантовой механики в свое время эту задачу осилили и на ней же застряли – более сложные молекулы оказались непосильно сложными для вычислений системами. В 2013 году квантовый компьютер справился с разложением числа 56153 на два простых числа – предыдущий рекорд был достигнут на числе 143 (мне лично для разложения числа 143 на два простых множителя потребовалось порядка пары секунд – навскидку выбрал числа 13 и 11). Пожалуй, самое примечательное достижение на сегодняшний день – симуляция укладки белковой молекулы в трехмерную структуру. Результат был получен в 2012 году с помощью компьютера D-Wave One. А что насчет квантовой криптографии, для которой вроде как квантовые компьютеры чудо как хороши? А пока квантовая криптография им не по зубам. На данный момент минимально безопасной длиной открытого ключа считают 2048 бит. Для разложения такого числа на простые множители по алгоритму Шора нужен как минимум 4K кубитный квантовый компьютер. Возможно, 5K-кубитный Pegasus эту задачу осилит, но не факт. Если чуть побольше почитать про D-Wave Systems, возникает впечатление, что их изделия – пока что не совсем то, что обсуждали апологеты новой эры квантовых вычислений в теоретических публикациях. Инженерные ограничения на топологию связности между кубитами означают, что глубина квантового превосходства реально составляет лишь мизерную долю безбрежного океана вероятности в том гипотетическом случае, когда каждый кубит связан со всеми остальными. К тому же технология производства квантовых чипов еще сырая. 2048 кубит D-Wave 2000Q на самом деле означает “примерно две тысячи рабочих кубитов”. А сколько их будет рабочими на самом деле – производители сказать не могут, каждое изделие имеет свою уникальную архитектуру из рабочих и дефектных кубитов. Несмотря на скромные результаты, планы на ближайшее будущее поражают размахом и дерзостью. Google еще в 2009 году объявила о сотрудничестве с D-Wave Systems в области распознавания образов. В 2011 году Lockheed Martin заключили контракт с D-Wave Systems на поставку и обслуживание 128-кубитного D-Wave One “для решения некоторых наиболее сложных вычислительных задач”. Ну и вишенка на торте – основанная в 2013 году коллаборация между NASA, Google и USRA (Universities Space Research Association). Участники коллаборации совместно основали Quantum Artificial Intelligence Lab или попросту Quantum AI Lab на территории принадлежащего NASA Исследовательского центра Эймса. Ames Research Center, чтобы было понятно, активно занимается в том числе исследованиями в области искусственного интеллекта и имеет собственный вычислительный центр с суперкомпьютером Pleiades. Ну и нафига им при таком раскладе нужен был 512-кубитный D-Wave Two? А вот поди ж ты, для исследований в области машинного обучения. В принципе от феномена D-Wave Systems, а заодно и от всей этой движухи в целом можно отмахнуться емким объяснением “дык че, нормально бюджет осваивают”, но мне лично представляется, что не стоит повторять ошибку Роскосмоса, который в упор не принял всерьез дилетантов из SpaceX. Что-то интересное в мире несомненно происходит, но вот что именно и к чему это может привести? Добавим к этому, что не только мне так кажется. В декабре 2018 года Дональд Трамп подписал National Quantum Initiative Act – план развития Соединенных Штатов в области квантовых вычислений на ближайшее десятилетие. Трамп – в первую очередь бизнесмен, а не политик, и государственное решение на таком уровне определенно означает прагматический интерес. Давайте попробуем представить не один вариант развития событий, а целых три, чтобы уж накрыть залпом пространство возможных сценариев. Только чур, не слишком серьезно - нам принимать государственное решение на ближайшее десятилетие никто не поручал, а на диване отчего бы не поразмышлять на эту интересную тему?
[color=#FFFF00]5. Квантовое превосходство[/color] Часть первая
В октябре 2019 года мы наконец-то увидели зарю новой эпохи квантовых вычислений – возможно. А возможно, и нет. Что именно прозошло? Группа физиков из компании Google сообщила, что их квантовому компьютеру удалось решить задачу, непосильную для обычных компьютеров. По их утверждению, квантовый компьютер потратил 200 секунд на решение задачи, на которую у обычного суперкомпьютера ушло бы 10 тысяч лет. Конкуренты из IBM заявили, что говорить о демонстрации квантового превосходства еще рано – оптимизированный алгоритм справился бы с задачей за два дня. Но в любом случае примечателен сам факт того, что квантовые компьютеры из фантастики стали инженерной реальностью. В связи с этим у дилетанта вроде меня возникает ряд вопросов. В чем вообще принципиальные отличия квантового компьютера от обычного? Как он устроен и как работает? Почему от квантовых компьютеров ожидают столь впечатляющей эффективности? Какие задачи будут им по силам из тех, что не по зубам нынешним компьютерам? Насколько продвинулась эта технология в инженерном плане и чего стоит ожидать в обозримом будущем? И наконец, в самом ли деле мы стоим на пороге новой революции или все это превратится в очередную утопию “вот через двадцать лет сами увидите”, как это уже произошло с управляемым термоядерным синтезом и полетом на Марс? Попробуем разобраться. И постараюсь по возможности четко отделять то, чего я не понимаю в силу своего профиля образования от того, что толком не понимает почти никто. Ну, давайте по порядку. Хотя совсем по порядку не получится.
Классический компьютер обрабатывает информацию как набор битов, каждый из которых принимает одно из двух фиксированных значений – 0 ИЛИ 1. Квантовый компьютер оперирует с кубитами – квантовыми битами (quantum bit, q-bit). Кубит с некоторой вероятностью может находиться в любом из этих состояний. Что из этого следует? А следует вот что:
[quote](…) квантовое пространство состояний обладает гораздо большей емкостью, чем классическое: там, где в классике имеется N дискретных состояний, в квантовой теории, допускающей их суперпозицию, имеется c^N планковских ячеек.
Ю. И. Манин. “Вычислимое и невычислимое”[/quote]
Ну вот теперь простое, но неправильное объяснение, почему квантовые компьютеры могут быть столь эффективны. Вернемся в эпоху восьмибитных машин. Восьмибитное слово может принимать одно из 2^8 = 256 значений. Если вам нужно перебрать все 256 чисел, чтобы сравнить их по какому-то критерию и выбрать нужное, то вам придется выполнить эту операцию 256 раз. Восьмикубитный регистр содержит все возможные значения восьмибитного слова и может обрабатывать их одновременно. Если мы перейдем к современным десктопам с 64-битными процессорами, то 64-битное слово содержит уже 2^64 = 1.845*10^19 возможных значений, то есть теоретически один квантовый 64-кубитный регистр, содержащий одновременно все эти состояния, в пределе способен ускорить вычисления как раз на величину такого порядка. Вот вам и квантовое превосходство. А теперь забудьте, что прочли предыдущие два абзаца. Квантовый регистр не находится во всех этих состояниях одновременно. Он может с некоторой вероятностью находиться в любом из этих состояний. Работать с этим океаном вероятностей как с обычным массивом чисел нельзя, потому что они ненаблюдаемы. При попытке считать состояние 64-кубитного квантового регистра происходит коллапс волновой функции вероятности и мы получим на выходе единственное 64-битное число. Правильный ответ, как работает квантовый компьютер, выглядит примерно так. Возможным решениям задачи соответствует не набор чисел, а набор волн вероятности. Конфигурация ансамбля кубитов настроена так, что волны вероятности неправильных решений интерферируют и гасятся, а волна вероятности правильного решения усиливается. При считывании регистра эта усиленная волна вероятности коллапсирует и дает на выходе искомое число. Нихрена не поняли? Ничего страшного. Это квантовый мир.
Чтобы квантовый компьютер стал инженерной реальностью, а не любопытной физико-математической абстракцией, нужно решить несколько весьма непростых задач. Во первых, само собой, необходимо уметь записывать исходную информацию в квантовый компьютер, то есть приводить набор кубитов в нужную стартовую конфигурацию, и организовать управляемый поток логических операций – то есть контролируемо изменять состояние определенных кубитов. Ну и конечно, нужно каким-то образом считывать полученную финальную конфигурацию. Во вторых, кубиты должны быть в состоянии квантовой запутанности, иначе никакого взаимодействия волн вероятности не будет и вы получите в лучшем случае очень сложный и дорогой аналоговый компьютер, а в худшем случае – очень сложный и дорогой аппарат для генерации случайных чисел. В третьих и как бы не в главных – нужно исключить любые внешние воздействия, которые могут привести к изменению состояния кубита. В случае классического компьютера нештатное переключение отдельной ячейки памяти не оказывает влияния на соседние ячейки, поэтому такие события можно обнаружить и изолировать. В случае квантового компьютера любое внешнее воздействие, изменившее состояние одного кубита, приведет к преждевременному коллапсу волновой функции всего ансамбля кубитов.
Как реализовать квантовый компьютер в реальной реальности? На что он может быть похож? В принципе на роль кубитов годятся любые объекты с квантовым поведением: твердотельные квантовые точки, электроны, ионы, атомы и даже фотоны. Запись и считывание информации может происходить с помощью управляемого внешнего электрического потенциала, магнитного поля, лазерного излучения. Какая именно технология выстрелит в будущем, сказать пока сложно. Поначалу физики экспериментировали в основном с системами, использующими эффект ядерного магнитного резонанса (ЯМР), но на данный момент, как я понял, наибольшие успехи достигнуты с использованием микроскопических сверхпроводящих контуров с джозефсоновскими переходами – нулю и единице соответствует направление тока по часовой стрелке или против. Технология промышленного изготовления таких квантовых чипов будет иметь много общего с освоенными технологиями нынешних транзисторных чипов. Как и нынешние компьютерные чипы, квантовые чипы имеют плоскую архитектуру – кубиты расположены в виде двухмерной сетки и контакты между ними можно включать и выключать. Возможно, будущие квантовые чипы будут иметь объемную архитектуру, как нейронная сеть головного мозга, но пока так.
Если посмотреть на хронологию достижений в квантовых вычислениях, то вплоть до конца прошлого столетия шла в основном теоретическая подготовка к штурму проблемы. Считается, что идею квантовых вычислений впервые высказал советский математик Юрий Манин в 1980 году, но если заглянуть в его книгу “Вычислимое и невычислимое”, из которой взята цитата, то можно увидеть, что проблеме вычислимости квантовых систем посвящена всего пара абзацев общего плана на 15 странице предисловия, а сама книга совсем не про это. А вот доклад Ричарда Фейнмана Simulating Physics with Computers на конференции MIT в 1981 году – подробный и обстоятельный разбор принципиальной возможности симуляции квантовых систем. Там куча математики, которую я не понимаю, но в общем вывод такой: для адекватной симуляции квантовых систем нужен компьютер, представляющий из себя квантовую систему. Чрезвычайно важный вопрос, который был подробно исследован теоретически, прежде чем браться за инженерную реализацию квантового компьютера – какие конкретно задачи квантовый компьютер способен решать не просто быстрее классического компьютера, а настолько быстрее, что это окупит возню? И к большому разочарованию адептов грядущей безграничной вычислительной мощи оказалось, что таких задач не сильно много. В принципе квантовый компьютер способен решить любую задачу, которую может решить классический компьютер (опустим пока оговорку “за разумное время”) и наоборот. Но увы, проблема в том, что из огромного множества вычислительных алгоритмов квантовый разгон удается применить лишь к довольно малочисленной и специфичной группе алгоритмов. Конкретно это симуляция квантовых систем (о чем как раз говорил профессор Фейнман) и задачи, сводящиеся к перебору вариантов. Не удивительно, что говоря о ближайших перспективах квантовых вычислений, работающие в этой области специалисты говорят в первую очередь о криптоанализе. И в частности, алгоритм Шора – один из самых известных квантовых агоритмов – это алгоритм разложения числа на простые множители, теоретически позволяющий взламывать криптографические системы с открытым ключом. Открытый ключ – это произведение двух простых чисел. Зная множители открытого ключа, можно взломать шифр. Но вот как раз с виду простая задача нахождения простых множителей большого числа при достаточно большой длине ключа за разумное время не решается, так как время перебора вариантов с ростом длины ключа растет не линейно, а по экспоненте. Другой популярный алгоритм – алгоритм Гровера – также решает задачу исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Алгоритм Гровера по скорости работы уступает алгоритму Шора, по применим к более широкому классу задач – с его помощью можно, к примеру, найти экстемум целочисленной функции или совпадающие строки в большой базе данных.
Эксперименты в железе начались в конце девяностых годов. Если смотреть на чисто количественные параметры, то поначалу темпы прогресса в этом плане не сильно впечатляли. Первая экспериментальная ЯМР-система из двух кубитов была создана в 1998 году и в том же году был создан первый трехкубитный ЯМР-компьютер. В 2000 году был создан пятикубитный и в том же году семикубитный ЯМР-компьютеры, а в 2001 году квантовый компьютер применил алгоритм Шора для разложения числа 15 на простые множители (ответ, если, что, я и без квантового компьютера вам скажу). Но на самом деле в это время велась интенсивная работа по освоению новых технологий. В 2006 году был создан 12-кубитный компьютер, а вот в 2007 году произошло нечто интересное и, по правде говоря, загадочное. Эксперименты с демонстрацией квантовой запутанности даже на простейшей системе из двух кубитов – это высший пилотаж экспериментальной физики: установка охлаждается до температуры порядка десятка милликельвин и тщательно изолируется от внешних магнитных полей. В общем, квантовый компьютер по уровню экспериментальной сложности и по требованиям к квалификации занятого в проекте персонала – это уникальный инструмент, а не изделие для конвейерной сборки. И тут внезапно в длинном списке прорывных достижений года появляется канадская компания D-Wave Systems с 28-кубитным квантовым компьютером, работающим на принципе квантового отжига. Дальше все чудливей и странноватей. В 2008 году D-Wave Systems заявляет об успешном создании 128-кубитного квантового компьютера, а в 2011 году выходит на рынок с первым коммерчески доступным компьютером D-Wave One. В 2012 году компания создает 512-кубитный квантовый компьютер Vesuvius, а в 2013 году выходит с ним на рынок. В 2015 году компания сообщает о преодолении барьера в 1000 кубит, а в 2017 году уже предлагает коммерческий образец 2000-кубитного квантового компьютера D-Wave 2000Q. Вы понимаете, что происходит? Я – нет. Квантовый чип Sycamore, на котором по заявлению Google было продемонстрировано квантовое превосходство, состоит из 53 кубитов. За год до этого, в 2018 году, в Google анонсировали создание рекордного 72-кубитного чипа Bristlecone, но по каким-то причинам этот опытный образец, похоже, не оправдал ожидания. Схожие результаты и у конкурентов. В том же 2017 году, когда D-Wave Systems анонсировали свой 2000-кубитный D-Wave 2000Q, в IBM работали над 50-кубитным компьютером, а в октябре 2019 года, как раз когда Google оповестили мир о своем историческом достижении, самый большой квантовый компьютер IBM содержал 53 кубита – столько же, сколько гугловский Sycamore. Intel в 2017 году работали над опытным 17-кубитным чипом, а в 2018 году создали опять же опытный 49-кубитный чип Tangle Lake. И кстати, IBM в 2019 также вышли на рынок со своим коммерческим решением IBM Q System One. И знаете, сколько кубит в этой машине? Двадцать. В общем, при взгляде с дивана определенно представляется, что все крупные игроки на этой поляне уперлись в серьезнейшую проблему масштабирования и теперь пытаются ее решить. Все, кроме D-Wave Systems, которая каким-то образом взяла этот барьер с разгона и теперь наращивает мощность своих квантовых компьютеров в соответствии со знаменитым законом Мура. На середину 2000 года в планах компании квантовый процессор следующего поколения Pegasus с более 5000 кубитов. Новый процессор будет иметь не просто больше кубитов, а более сложную архитектуру. Каждый кубит в чипе D-Wave 2000Q, физически связан с 6 соседними кубитами. В чипе Pegasus количество связей планируют увеличить до 15.
Между нынешними квантовыми компьютерами и первыми классическими есть занимательное сходство. Первые ламповые компьютеры были очень сложными по тогдашним временам и очень дорогими устройствами, доступными лишь крупным организациям с финансированием из государственного бюджета. Если смотреть на D-Wave 2000Q под этим углом, то тут все в порядке. Сам по себе квантовый чип крошечный, но устройство в целом – это корпус высотой 3 метра и объемом 20 кубических метров. В корпусе находится оборудование, охлаждающее чип до температуры 15 милликельвин и экранирующее его от внешних воздействий. Не машинный зал длиной 30 метров и площадью 167 квадратных метров, как для лампового компьютера ENIAC, запущенного в эксплуатацию в декабре 1945 года, но размер изделия D-Wave где-то с торговый киоск. Объявленная производителем цена устройства – 15 мегадолларов, для провинциального университета цена неподъемная. В списке известных покупателей квантовых компьютеров D-Wave – Lockheed Martin, NASA, Google, Los Alamos National Laboratory, NSA и компания Temporal Defense Systems, которая занимается вопросами кибербезопасности. Серьезные игроки с крепкой государственной поддержкой. Между нынешними квантовыми компьютерами и первыми классическими есть и очень важные отличия. Во первых, ENIAC изначально проектировался для рещения вполне конкретной инженерной задачи - вычисления баллистических таблиц. Во вторых и возможно в главных, возможности ENIAC этой важной, но частной задачей не ограничивались – машина была использована в частности для расчетов практической осуществимости термоядерного оружия. ENIAC несмотря на весьма скромные по нынешним меркам возможности был полной машиной Тьюринга, в принципе способной реализовать любой вычислительный алгоритм (опустим опять же оговорку – за разумное время) и пригодной для решения множества инженерных и научных задач. А что нынешние квантовые компьютеры? На данный момент это устройства, специализированные на выполнении весьма специфичной категории задач. И более того, пока что убедительные результаты возможностей квантовых вычислений достигнуты при реализации алгоритмов, максимально неудобных для классических компьютеров. Если проводить опасную аналогию с классическими компьютерами, то квантовые чипы – это не процессоры общего назначения, а скорее аппаратные ускорители. Возьмем ту самую задачу, на которой Google доказала квантовое превосходство. Задача с подвохом. В чем ее суть? Если бы кубиты в чипе не находились в состоянии квантовой запутанности, то чип генерировал бы случайную последовательность чисел. Квантовая запутанность приводит к тому, что между состояниями кубитов возникают корреляции и в полученной последовательности чисел возникают предсказуемые аномалии. Расчет этих аномалий, однако, слишком сложен для обычного компьютера. Уловили изящество рекурсии? Чип, предположительно реализующий эффект квантовой запутанности, делает расчеты аномалий, указывающих на наличие квантовой запутанности. Можно сказать даже, что никаких расчетов аномалий квантовый компьютер не делал, а ребята из Google просто провели натурный эксперимент на квантовой системе. В Google такую критику предвидели и провели контрольные опыты, в которых количество связей между кубитами было ограничено и характер возникающих аномалий можно было рассчитать на обычном компьютере. Ну ладно, задачка Google – это учебное упражнение без какой-либо практической пользы, Hello world квантовых вычислений. Может быть, есть примеры практически полезных или теоретически интересных решенных задач? Ну как сказать. Список практических достижений в области квантовых вычислений – это пока что почти исключительно вещь в себе: демонстрация работы алгоритмов квантовых вычислений, освоение и улучшение новых технологий, которые, возможно, будут использованы для производства квантовых компьютеров в будущем. Если посмотреть на достижения, интересные специалистам за пределами этой весьма специфичной области экспериментальной физики, то список весьма небольшой. В 2010 году с помощью оптического квантового компьютера с тремя кубитами удалось рассчитать энергетический спектр молекулы водорода. Уже неплохо, расчеты с использованием математического аппарата квантовой механики в свое время эту задачу осилили и на ней же застряли – более сложные молекулы оказались непосильно сложными для вычислений системами. В 2013 году квантовый компьютер справился с разложением числа 56153 на два простых числа – предыдущий рекорд был достигнут на числе 143 (мне лично для разложения числа 143 на два простых множителя потребовалось порядка пары секунд – навскидку выбрал числа 13 и 11). Пожалуй, самое примечательное достижение на сегодняшний день – симуляция укладки белковой молекулы в трехмерную структуру. Результат был получен в 2012 году с помощью компьютера D-Wave One. А что насчет квантовой криптографии, для которой вроде как квантовые компьютеры чудо как хороши? А пока квантовая криптография им не по зубам. На данный момент минимально безопасной длиной открытого ключа считают 2048 бит. Для разложения такого числа на простые множители по алгоритму Шора нужен как минимум 4K кубитный квантовый компьютер. Возможно, 5K-кубитный Pegasus эту задачу осилит, но не факт. Если чуть побольше почитать про D-Wave Systems, возникает впечатление, что их изделия – пока что не совсем то, что обсуждали апологеты новой эры квантовых вычислений в теоретических публикациях. Инженерные ограничения на топологию связности между кубитами означают, что глубина квантового превосходства реально составляет лишь мизерную долю безбрежного океана вероятности в том гипотетическом случае, когда каждый кубит связан со всеми остальными. К тому же технология производства квантовых чипов еще сырая. 2048 кубит D-Wave 2000Q на самом деле означает “примерно две тысячи рабочих кубитов”. А сколько их будет рабочими на самом деле – производители сказать не могут, каждое изделие имеет свою уникальную архитектуру из рабочих и дефектных кубитов. Несмотря на скромные результаты, планы на ближайшее будущее поражают размахом и дерзостью. Google еще в 2009 году объявила о сотрудничестве с D-Wave Systems в области распознавания образов. В 2011 году Lockheed Martin заключили контракт с D-Wave Systems на поставку и обслуживание 128-кубитного D-Wave One “для решения некоторых наиболее сложных вычислительных задач”. Ну и вишенка на торте – основанная в 2013 году коллаборация между NASA, Google и USRA (Universities Space Research Association). Участники коллаборации совместно основали Quantum Artificial Intelligence Lab или попросту Quantum AI Lab на территории принадлежащего NASA Исследовательского центра Эймса. Ames Research Center, чтобы было понятно, активно занимается в том числе исследованиями в области искусственного интеллекта и имеет собственный вычислительный центр с суперкомпьютером Pleiades. Ну и нафига им при таком раскладе нужен был 512-кубитный D-Wave Two? А вот поди ж ты, для исследований в области машинного обучения. В принципе от феномена D-Wave Systems, а заодно и от всей этой движухи в целом можно отмахнуться емким объяснением “дык че, нормально бюджет осваивают”, но мне лично представляется, что не стоит повторять ошибку Роскосмоса, который в упор не принял всерьез дилетантов из SpaceX. Что-то интересное в мире несомненно происходит, но вот что именно и к чему это может привести? Добавим к этому, что не только мне так кажется. В декабре 2018 года Дональд Трамп подписал National Quantum Initiative Act – план развития Соединенных Штатов в области квантовых вычислений на ближайшее десятилетие. Трамп – в первую очередь бизнесмен, а не политик, и государственное решение на таком уровне определенно означает прагматический интерес. Давайте попробуем представить не один вариант развития событий, а целых три, чтобы уж накрыть залпом пространство возможных сценариев. Только чур, не слишком серьезно - нам принимать государственное решение на ближайшее десятилетие никто не поручал, а на диване отчего бы не поразмышлять на эту интересную тему?
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
30.01.20
|
|
|
5 примечательных научных достижений 2019 года |
|
|
4. Первый день кайнозоя
66 миллионов лет назад разыгралась масштабная драма в геологической истории Земли. Событие известно как мел-палеогеновое вымирание. Вымерли не только динозавры. Вымерли также морские рептилии (мозозавры и плезиозавры), летающие ящеры (птерозавры), головоногие моллюски (аммониты и белемниты). Резко снизилось биоразнообразие как на суше, так и в океане – вымерли примерно 75% существовавших в то время видов живых организмов, включая всех млекопитающих крупнее крыс. Вообще говоря, массовых вымираний в геологической истории известно пять и мел-палеогеновое вымирание не самое масштабное из них. Массовое вымирание на границе перми и триаса 252 миллиона лет назад уничтожило 96% морских видов, 74% видов наземных позвоночных и 83% видов насекомых. Собственно, именно массовые вымирания дают основания разделять историю Земли на геологические периоды. Катастрофы, какова бы ни была их природа, уничтожают прежнюю среду обитания и создают новую. Исчезновение целых семейств флоры и фауны освобождает прежде занятые экологические ниши и дает шанс занять их маргиналам, которые в ходе конкурентной борьбы были отодвинуты на второй план. Пермское вымирание начало мезозойскую эру – мир рептилий. Мел-палеогеновое вымирание мезозойскую эру завершило и начало кайнозойскую эру – мир млекопитающих.
Палеонтология как научная дисциплина выделилась из геологии. Не удивительно, что при попытках понять причины массовых вымираний палеонтологи склонялись в первую очередь к геологическим факторам. Такие процессы, как дрейф континентов или изменения уровня Мирового океана, хорошо отслеживаются и богато документированы. Некоторые случаи массовых вымираний неплохо вписаны в геологический контекст, но по большей части решающий фактор остается спорным. И похоже, что каждое массовое вымирание – это своя детективная история со своими ключевыми факторами. В случае с мел-палеогеновым вымиранием с ведущим фактором вроде бы определились – удар астероида. Сильные утверждения требуют сильных доказательств. Доказательства появились в 1980 году, когда научная команда – физик Луис Альварес, геолог Уолтер Альварес (отец и сын), а также химики Фрэнк Асаро и Хелен Майкл провели анализ образцов тонкого слоя глины, разделяющего мезозойские и кайнозойские породы. Глина содержала аномально высокие количества иридия – в сотни раз выше, чем в обычных образцах горных пород. Изначально Уолтер Альварес обнаружил необычный слой глины в окрестностях городка Губбио в Италии, но довольно быстро такой же слой аномально обогащенной иридием глины обнаружился в десятках мест по всему земному шару. Иридий – очень редкий на Земле металл, его среднее содержание в земной коре примерно один атом на миллиард. Метеоритное вещество, однако, содержит в 500 раз больше иридия – один атом на два миллиона. Такая колоссальная разница концентраций объясняется свойствами иридия – это металл химически инертный, очень тяжелый (тяжелее платины) и проявляющий сродство к железу, поэтому в процессе образования Земли практически весь иридий ушел на глубину и растворился в ее железном ядре. Аномальное обилие иридия в глине говорит о том, что в ней содержится примесь распыленного вещества внеземного происхождения. Зная среднюю толщину пласта глины, Альваресы прикинули общее содержание в ней иридия и получили диаметр ударившего в землю астероида около 10 километров. Удар такого крупного небесного тела – событие пренебрежимо маловероятное в масштабах человеческой жизни, но в геологической истории Земли события такого масштаба происходили регулярно, примерно раз в несколько сот миллионов лет. И это не фантазийные домыслы – геологам известно на поверхности земной суши свыше 200 кратеров ударной природы, из них как минимум шесть диаметром свыше сотни километров. И такое событие своим масштабом на много порядков превышает все природные катастрофы, происходившие когда-либо на памяти человечества. У нас, по счастью, не было возможности сверить результаты компьютерных симуляций с практическим опытом. А симуляции предсказывают примерно такой ход событий. Удар десятикилометрового астероида уничтожил все живое на расстоянии как минимум тысячи километров от точки падения интенсивной световой вспышкой и ударной волной. Но этим дело не ограничилось. Катастрофу усугубили раскаленные обломки горных пород, выбитые из кратера – их разлет на тысячи километров вызвал интенсивные лесные пожары и к пыли в атмосфере добавилась сажа. Удар и последующие пожары привели к выбросу в атмосферу Земли огромных количеств аэрозолей, которые на месяцы, если не на годы, ослабили доходящий до земной поверхности солнечный свет до такой степени, что наступила ударная зима. Температура на континентах упала на 25...30 °C, в поверхностных водах Мирового океана на 10...12 °C. Растительность на суше погибла от недостатка солнечного света и от резкого похолодания. Вслед за растениями погибли травоядные животные, а за ними – хищники. Океан обладает огромной теплоемкостью и замерзли лишь мелководные прибрежные акватории, но фотосинтез в океане тоже практически прекратился со всеми вытекающими последствиями для пищевых цепей. Геологи и палеонтологи эти соображения выслушали и вежливо заметили “все это очень интересно, но покажите этот ваш ударный кратер”. В принципе вполне нормальная реакция. Специалисты вообще не сильно любят, когда люди со стороны без профильного образования с ходу берутся решать научные загадки, на которые были потрачены десятилетия кропотливого сбора и вдумчивого изучения данных. Показать кратер оказалось непросто, потому что он по большей части скрыт под водой. В 1978 году геофизики Глен Пенфилд и Антонио Камарго составили карту магнитных аномалий акватории Мексиканского залива к северу от полуострова Юкатан. Сопоставив обнаруженные магнитные аномалии с гравитационными аномалиями, они обнаружили кольцевую структуру – по всем признакам, древний ударный кратер диаметром 180 километров и глубиной 20 километров, занесенный впоследствии толстым пластом осадочных пород (в наше время вал кратера находится на глубине несколько сот метров под морским дном). В то время ученые работали на мексиканскую нефтяную компанию Pemex и геофизические данные были собственностью компании, но Пенфилду и Камарго дали разрешение выступить на геофизической конференции в 1981 году. Палеонтологов на конференции не было и к тому же у Пенфилда не было на руках прямых доказательств – образцов горных пород с характерными признаками ударного происхождения, поэтому сообщение не вызвало особого интереса. Независимо от Пенфилда в том же 1981 году Алан Хилдебранд обнаружил, что мощность пласта обогащенной иридием глины максимальна в районе Карибского бассейна. Искать ударный кратер, оставшийся после астероида Альваресов, следовало по его мнению именно в этом регионе земного шара. Удивительно, но Пенфилд и Хилдебранд установили прямой контакт лишь в 1990 году и еще более удивительно, что познакомил их любознательный репортер газеты Houston Chronicle Карлос Байарс. Что поделаешь, в наше время узкой профессиональной специализации наводить мосты порой приходится неравнодушным к науке дилетантам. На этот раз ученым удалось раздобыть образцы горных пород и ударная природа кратера Чикшулаб была надежно доказана. Методами радиоизотопного анализа был определен и возраст кратера 66 миллионов лет, прекрасно совпадающий с границей мела и палеогена. После чего консервативное научное большинство организованно отошло на заранее подготовленные позиции. Ну ладно, ударный кратер есть, но во первых, у нас есть сведения, что вымирание динозавров быле не насколько уж мгновенным, как представляют адепты астероидной гипотезы – упадок этой группы наметился еще до завершения мелового периода и некоторые динозавры протянули еще пару миллионов лет после завершения мелового периода и окончательно вымерли уже в палеогене. И во вторых, а как вы объясните, что катастрофа не убила птиц с их интенсивным метаболизмом? И как ухитрились выжить лягушки, чувствительные к загрязнению водоемов? Надо заметить, что убедительно доказать или опровергнуть мгновенную гибель какой-либо группы организмов можно далеко не всегда. Меловый период так назван из-за обилия морского планктона с известковыми раковинами в тогдашних морях. После гибели планктона раковины накапливались в донных осадках и спрессовывались в пласты мела. И здесь картина вполне убедительна: ниже слоя глины – обилие раковин морского планктона, выше слоя глины - слой песчаника, в котором раковины представлены весьма скудно. Прежнее разнообразие и биопродуктивность мезозойских морей восстанавливается в начале кайнозоя лишь за время порядка 50 тысяч лет. Но вот с динозаврами – та еще морока: если ископаемая кость найдена в пластах горных пород на 2 миллиона лет моложе пласта глины, это означает лишь, что кость была вымыта и перезахоронена в более молодых отложениях. В случае с наземными позвоночными палеонтологические датировки обычно дают точность в лучшем случае порядка 10 тысяч лет. Сутки и тысяча лет для палеонтологической летописи – неотличимые мгновенья. Неудобные для консервативного большинства факты все же накапливались и были выработаны условия почетной капитуляции. Астероидный удар был и нельзя отрицать его разрушительное воздействие на экосистемы, сложившиеся к концу мелового периода, но кризис биосферы назревал и удар астероида лишь ускорил неизбежную катастофу. Популярен, в частности, был такой сценарий комбинации критических факторов. Как раз к концу мелового периода наблюдалось усиление вулканизма на Деканском плато в Индии, которое привело к излиянию огромных объемов лавы – Деканских траппов. Сейсмический шок от удара астероида сфокусировался в антиподной точке земного шара – в те времена это как раз был район Деканского плато – и подстегнул вулканическую активность. Определенный резон в этой точке зрения есть – извержение таких объемов лавы несомненно добавило в атмосферу копоти. Но насколько этот дополнительный эффект был сопоставим по масштабу с пятнадцатью триллионами тонн пыли, пепла и сажи, которые были выброшены в атмосферу при ударе астероида, сказать трудно. Водораздельной датой смены научной парадигмы можно считать март 2010 года. Международная группа из 41 ученого провела критический обзор литературы за последние двадцать лет и пришла к выводу о том, что именно удар астероида был причиной мел-палеогенового вымирания. Научные споры, конечно, никогда не решаются методом голосования или авторитетным вердиктом высоких комиссий, но примечательно вот что: в 1980 году гипотеза Альваресов была маргинальной гипотезой чужаков, которую научное сообщество в лучшем случае критиковало, а по большей части просто вежливо игнорировало. Три десятилетия спустя “полная чушь” стала “ну это же очевидно”.
Так что же такого произошло в этом вроде бы ясном вопросе именно в 2019 году, что редакция журнала Science включила в свою традиционную подборку научных прорывов года (их подборка больше моей, но я ограничусь лично мне интересной пятеркой)? Появились интересные статьи с детальной рекострукцией как самого астероидного удара, так и его последствий. Начнем с репортажа непосредственно с места удара. В 2016 году в ходе 364 рейса Международной программы изучения океана исследователи провели подводные буровые работы в кратере Чикшулаб и получили разрез горных пород, позволивший восстановить события первого дня кайнозоя чуть ли не по минутам. Удар астероида пробил толстый слой осадочных пород, накопившихся на морском дне, и расплавил подстилающие гранитные породы. Вал кратера сложен из гранита, который в этом регионе земного шара залегает глубоко под осадочными породами. Затем на слой расплавленного гранита обрушился ливень раскаленных обломков, а потом океан хлынул в образовавшийся кратер, увлекая за собой гальку и песок. В течение нескольких часов после удара кратер был заполнен слоем гальки и песка толщиной около сотни метров, причем этот материал отсортировался по размерам, оседая с различными скоростями из водной толщи. Удар астероида поднял волну мегацунами высотой свыше сотни метров. Достигнув побережья, эта волна проникла на десятки километров вглубь суши. Затем отраженная волна вернулась, принеся с собой сажу и пепел лесных пожаров. Теперь посмотрим, что произошло в тот день на расстоянии 3050 километров от центра катастрофы. Геологическая формация Хелл Крик в Северной Америке – примечательное местечко, известное прежде всего обильными находками ископаемых остатков динозавров. Осадочные породы здесь образуют слой толщиной 90 метров, который образовался в течении двух миллионов лет как раз в интересующем нас конце мелового периода. Овраги Хелл Крик образованы руслами реки Миссури и ее притоков, которая в то время впадала в Западное Внутреннее море, разделяющее в меловом периоде Северную Америку на западный и восточный участки суши. Это была плодородная местность с субтропическим климатом с обилием речных русел и пойменных озер. И вот в Северной Дакоте, в слабоизученной до этого части Хелл Крик, обнаружили превосходно сохранившиеся остатки животных и растений, погибших в момент катастрофы. Пойменный лес был повален огромной волной, а морские и пресноводные животные вперемешку были выброшены на берег и накрыты потоками грязи и ила. Прямая волна цунами от удара если и дошла до Хелл Крик, то не раньше, чем через 18 часов после удара. Животных убили волны, возбужденные в водоемах сейсмическим шоком - сейсмическая волна дошла до Хелл Крик через шесть минут после удара. Примечательно, что в жабрах рыб содержатся тектиты – крошечные капельки застывшего стекла, которое образуется при распылении расплавленных ударом горных пород. Пыль, обогащенная иридием и тектитами, начала сыпаться с неба еще до прихода сейсмической волны, и за минуты до гибели водные животные дышали этой пылью. Катастрофа была опустошительной. Падальщики, которое обычно добираются до трупов задолго до палеонтологов, тоже погибли. Катастрофа ударила и по морским экосистемам. Осадочные породы морского дна Карибского бассейна сложены известняками (карбонат кальция) с высоким содержанием гипса (сульфат кальция). В кратере Чикшулаб гипса нет. Тепловая энергия, выделившаяся при ударе, не просто испарила, а разложила эти осадочные породы. В атмосферу были выброшены огромные количества углекислого газа и диоксида серы. Кислотные дожди вызвали закисление океанской воды. В конце мелового периода воды Карибского бассейна кишели форамениферами – микропланктоном, который строит свои ажурные раковины из карбоната кальция. Непосредственно после удара астероида былое обилие и разнообразие морского планктона сводится к минимуму и в районе кратера Чикшулаб морские экосистемы восстановились спустя 30 тысяч лет. Примерно та же картина наблюдается и в других акваториях тогдашнего Мирового океана. Отдаленные последствия удара астероида сказывались на биопродуктивности Мирового океана в течение миллиона лет. И все же жизнь – упорная штука. Прикончить ее непросто. Биосфера справилась с этим губительным ударом, и темпы ее восстановления удивили ученых. Раскопки в штате Колорадо позволили детально проследить историю восстановления одной из наземных экосистем на протяжении миллиона лет после катастрофы. До удара астероида этот уголок планеты был покрыт субтропическими лесами, в которых водились млекопитающие размером с енота (то есть с массой порядка пяти килограмм). После удара астероида пожары уничтожили леса и горельники заросли папоротниками. Примерно та же картина наблюдается и в наше время на вулканических островах в Индонезии: папоротники первыми занимают опустошенные извержением вулкана территории. После удара астероида леса были уничтожены практически на всей территории тогдашней суши и на протяжении первой тысячи лет после катастрофы в наземных биоценозах доминировали папоротники. Немногочисленные уцелевшие цветковые растения давали скудную пищу и выжившие млекопитающие были размером с крысу и массой до 600 грамм. Через тысячу лет папоротники сменились пальмовыми лесами. Пища стала более обильной и разнообразной, млекопитающие начали плодиться и увеличиваться в размерах. Через сто тысяч лет видовое разнообразие млекопитающих увеличилось вдвое и они снова достигли размеров енота. Еще через двести тысяч лет к семенам и кореньям добавились орехи. Новый источник пищи позволил млекопитающим набрать массу до 25 килограмм, то есть размером с бобра. И наконец через 700 тысяч лет после катастрофы широко распространились бобовые растения. Богатая белками пища была способна прокормить млекопитающих массой до 50 килограмм. Экосистемы восстановились, млекопитающие были готовы занять свое подобающее место в новом мире, и принялись обживать новые экологические ниши. Но это уже за пределами нашего рассказа. Ну и небольшое замечание напоследок. Динозавры вообще-то не все вымерли. Динозавры были теплокровными и достаточно смышлеными тварями, и они были покрыты перьями, а не чешуей, как современные рептилии. Некоторые динозавры освоили полет и часть из этой группы динозаврав выжила. Они живут среди нас. Это птицы.
[color=#FFFF00]4. Первый день кайнозоя[/color]
66 миллионов лет назад разыгралась масштабная драма в геологической истории Земли. Событие известно как мел-палеогеновое вымирание. Вымерли не только динозавры. Вымерли также морские рептилии (мозозавры и плезиозавры), летающие ящеры (птерозавры), головоногие моллюски (аммониты и белемниты). Резко снизилось биоразнообразие как на суше, так и в океане – вымерли примерно 75% существовавших в то время видов живых организмов, включая всех млекопитающих крупнее крыс. Вообще говоря, массовых вымираний в геологической истории известно пять и мел-палеогеновое вымирание не самое масштабное из них. Массовое вымирание на границе перми и триаса 252 миллиона лет назад уничтожило 96% морских видов, 74% видов наземных позвоночных и 83% видов насекомых. Собственно, именно массовые вымирания дают основания разделять историю Земли на геологические периоды. Катастрофы, какова бы ни была их природа, уничтожают прежнюю среду обитания и создают новую. Исчезновение целых семейств флоры и фауны освобождает прежде занятые экологические ниши и дает шанс занять их маргиналам, которые в ходе конкурентной борьбы были отодвинуты на второй план. Пермское вымирание начало мезозойскую эру – мир рептилий. Мел-палеогеновое вымирание мезозойскую эру завершило и начало кайнозойскую эру – мир млекопитающих.
Палеонтология как научная дисциплина выделилась из геологии. Не удивительно, что при попытках понять причины массовых вымираний палеонтологи склонялись в первую очередь к геологическим факторам. Такие процессы, как дрейф континентов или изменения уровня Мирового океана, хорошо отслеживаются и богато документированы. Некоторые случаи массовых вымираний неплохо вписаны в геологический контекст, но по большей части решающий фактор остается спорным. И похоже, что каждое массовое вымирание – это своя детективная история со своими ключевыми факторами. В случае с мел-палеогеновым вымиранием с ведущим фактором вроде бы определились – удар астероида. Сильные утверждения требуют сильных доказательств. Доказательства появились в 1980 году, когда научная команда – физик Луис Альварес, геолог Уолтер Альварес (отец и сын), а также химики Фрэнк Асаро и Хелен Майкл провели анализ образцов тонкого слоя глины, разделяющего мезозойские и кайнозойские породы. Глина содержала аномально высокие количества иридия – в сотни раз выше, чем в обычных образцах горных пород. Изначально Уолтер Альварес обнаружил необычный слой глины в окрестностях городка Губбио в Италии, но довольно быстро такой же слой аномально обогащенной иридием глины обнаружился в десятках мест по всему земному шару. Иридий – очень редкий на Земле металл, его среднее содержание в земной коре примерно один атом на миллиард. Метеоритное вещество, однако, содержит в 500 раз больше иридия – один атом на два миллиона. Такая колоссальная разница концентраций объясняется свойствами иридия – это металл химически инертный, очень тяжелый (тяжелее платины) и проявляющий сродство к железу, поэтому в процессе образования Земли практически весь иридий ушел на глубину и растворился в ее железном ядре. Аномальное обилие иридия в глине говорит о том, что в ней содержится примесь распыленного вещества внеземного происхождения. Зная среднюю толщину пласта глины, Альваресы прикинули общее содержание в ней иридия и получили диаметр ударившего в землю астероида около 10 километров. Удар такого крупного небесного тела – событие пренебрежимо маловероятное в масштабах человеческой жизни, но в геологической истории Земли события такого масштаба происходили регулярно, примерно раз в несколько сот миллионов лет. И это не фантазийные домыслы – геологам известно на поверхности земной суши свыше 200 кратеров ударной природы, из них как минимум шесть диаметром свыше сотни километров. И такое событие своим масштабом на много порядков превышает все природные катастрофы, происходившие когда-либо на памяти человечества. У нас, по счастью, не было возможности сверить результаты компьютерных симуляций с практическим опытом. А симуляции предсказывают примерно такой ход событий. Удар десятикилометрового астероида уничтожил все живое на расстоянии как минимум тысячи километров от точки падения интенсивной световой вспышкой и ударной волной. Но этим дело не ограничилось. Катастрофу усугубили раскаленные обломки горных пород, выбитые из кратера – их разлет на тысячи километров вызвал интенсивные лесные пожары и к пыли в атмосфере добавилась сажа. Удар и последующие пожары привели к выбросу в атмосферу Земли огромных количеств аэрозолей, которые на месяцы, если не на годы, ослабили доходящий до земной поверхности солнечный свет до такой степени, что наступила ударная зима. Температура на континентах упала на 25...30 °C, в поверхностных водах Мирового океана на 10...12 °C. Растительность на суше погибла от недостатка солнечного света и от резкого похолодания. Вслед за растениями погибли травоядные животные, а за ними – хищники. Океан обладает огромной теплоемкостью и замерзли лишь мелководные прибрежные акватории, но фотосинтез в океане тоже практически прекратился со всеми вытекающими последствиями для пищевых цепей. Геологи и палеонтологи эти соображения выслушали и вежливо заметили “все это очень интересно, но покажите этот ваш ударный кратер”. В принципе вполне нормальная реакция. Специалисты вообще не сильно любят, когда люди со стороны без профильного образования с ходу берутся решать научные загадки, на которые были потрачены десятилетия кропотливого сбора и вдумчивого изучения данных. Показать кратер оказалось непросто, потому что он по большей части скрыт под водой. В 1978 году геофизики Глен Пенфилд и Антонио Камарго составили карту магнитных аномалий акватории Мексиканского залива к северу от полуострова Юкатан. Сопоставив обнаруженные магнитные аномалии с гравитационными аномалиями, они обнаружили кольцевую структуру – по всем признакам, древний ударный кратер диаметром 180 километров и глубиной 20 километров, занесенный впоследствии толстым пластом осадочных пород (в наше время вал кратера находится на глубине несколько сот метров под морским дном). В то время ученые работали на мексиканскую нефтяную компанию Pemex и геофизические данные были собственностью компании, но Пенфилду и Камарго дали разрешение выступить на геофизической конференции в 1981 году. Палеонтологов на конференции не было и к тому же у Пенфилда не было на руках прямых доказательств – образцов горных пород с характерными признаками ударного происхождения, поэтому сообщение не вызвало особого интереса. Независимо от Пенфилда в том же 1981 году Алан Хилдебранд обнаружил, что мощность пласта обогащенной иридием глины максимальна в районе Карибского бассейна. Искать ударный кратер, оставшийся после астероида Альваресов, следовало по его мнению именно в этом регионе земного шара. Удивительно, но Пенфилд и Хилдебранд установили прямой контакт лишь в 1990 году и еще более удивительно, что познакомил их любознательный репортер газеты Houston Chronicle Карлос Байарс. Что поделаешь, в наше время узкой профессиональной специализации наводить мосты порой приходится неравнодушным к науке дилетантам. На этот раз ученым удалось раздобыть образцы горных пород и ударная природа кратера Чикшулаб была надежно доказана. Методами радиоизотопного анализа был определен и возраст кратера 66 миллионов лет, прекрасно совпадающий с границей мела и палеогена. После чего консервативное научное большинство организованно отошло на заранее подготовленные позиции. Ну ладно, ударный кратер есть, но во первых, у нас есть сведения, что вымирание динозавров быле не насколько уж мгновенным, как представляют адепты астероидной гипотезы – упадок этой группы наметился еще до завершения мелового периода и некоторые динозавры протянули еще пару миллионов лет после завершения мелового периода и окончательно вымерли уже в палеогене. И во вторых, а как вы объясните, что катастрофа не убила птиц с их интенсивным метаболизмом? И как ухитрились выжить лягушки, чувствительные к загрязнению водоемов? Надо заметить, что убедительно доказать или опровергнуть мгновенную гибель какой-либо группы организмов можно далеко не всегда. Меловый период так назван из-за обилия морского планктона с известковыми раковинами в тогдашних морях. После гибели планктона раковины накапливались в донных осадках и спрессовывались в пласты мела. И здесь картина вполне убедительна: ниже слоя глины – обилие раковин морского планктона, выше слоя глины - слой песчаника, в котором раковины представлены весьма скудно. Прежнее разнообразие и биопродуктивность мезозойских морей восстанавливается в начале кайнозоя лишь за время порядка 50 тысяч лет. Но вот с динозаврами – та еще морока: если ископаемая кость найдена в пластах горных пород на 2 миллиона лет моложе пласта глины, это означает лишь, что кость была вымыта и перезахоронена в более молодых отложениях. В случае с наземными позвоночными палеонтологические датировки обычно дают точность в лучшем случае порядка 10 тысяч лет. Сутки и тысяча лет для палеонтологической летописи – неотличимые мгновенья. Неудобные для консервативного большинства факты все же накапливались и были выработаны условия почетной капитуляции. Астероидный удар был и нельзя отрицать его разрушительное воздействие на экосистемы, сложившиеся к концу мелового периода, но кризис биосферы назревал и удар астероида лишь ускорил неизбежную катастофу. Популярен, в частности, был такой сценарий комбинации критических факторов. Как раз к концу мелового периода наблюдалось усиление вулканизма на Деканском плато в Индии, которое привело к излиянию огромных объемов лавы – Деканских траппов. Сейсмический шок от удара астероида сфокусировался в антиподной точке земного шара – в те времена это как раз был район Деканского плато – и подстегнул вулканическую активность. Определенный резон в этой точке зрения есть – извержение таких объемов лавы несомненно добавило в атмосферу копоти. Но насколько этот дополнительный эффект был сопоставим по масштабу с пятнадцатью триллионами тонн пыли, пепла и сажи, которые были выброшены в атмосферу при ударе астероида, сказать трудно. Водораздельной датой смены научной парадигмы можно считать март 2010 года. Международная группа из 41 ученого провела критический обзор литературы за последние двадцать лет и пришла к выводу о том, что именно удар астероида был причиной мел-палеогенового вымирания. Научные споры, конечно, никогда не решаются методом голосования или авторитетным вердиктом высоких комиссий, но примечательно вот что: в 1980 году гипотеза Альваресов была маргинальной гипотезой чужаков, которую научное сообщество в лучшем случае критиковало, а по большей части просто вежливо игнорировало. Три десятилетия спустя “полная чушь” стала “ну это же очевидно”.
Так что же такого произошло в этом вроде бы ясном вопросе именно в 2019 году, что редакция журнала Science включила в свою традиционную подборку научных прорывов года (их подборка больше моей, но я ограничусь лично мне интересной пятеркой)? Появились интересные статьи с детальной рекострукцией как самого астероидного удара, так и его последствий. Начнем с репортажа непосредственно с места удара. В 2016 году в ходе 364 рейса Международной программы изучения океана исследователи провели подводные буровые работы в кратере Чикшулаб и получили разрез горных пород, позволивший восстановить события первого дня кайнозоя чуть ли не по минутам. Удар астероида пробил толстый слой осадочных пород, накопившихся на морском дне, и расплавил подстилающие гранитные породы. Вал кратера сложен из гранита, который в этом регионе земного шара залегает глубоко под осадочными породами. Затем на слой расплавленного гранита обрушился ливень раскаленных обломков, а потом океан хлынул в образовавшийся кратер, увлекая за собой гальку и песок. В течение нескольких часов после удара кратер был заполнен слоем гальки и песка толщиной около сотни метров, причем этот материал отсортировался по размерам, оседая с различными скоростями из водной толщи. Удар астероида поднял волну мегацунами высотой свыше сотни метров. Достигнув побережья, эта волна проникла на десятки километров вглубь суши. Затем отраженная волна вернулась, принеся с собой сажу и пепел лесных пожаров. Теперь посмотрим, что произошло в тот день на расстоянии 3050 километров от центра катастрофы. Геологическая формация Хелл Крик в Северной Америке – примечательное местечко, известное прежде всего обильными находками ископаемых остатков динозавров. Осадочные породы здесь образуют слой толщиной 90 метров, который образовался в течении двух миллионов лет как раз в интересующем нас конце мелового периода. Овраги Хелл Крик образованы руслами реки Миссури и ее притоков, которая в то время впадала в Западное Внутреннее море, разделяющее в меловом периоде Северную Америку на западный и восточный участки суши. Это была плодородная местность с субтропическим климатом с обилием речных русел и пойменных озер. И вот в Северной Дакоте, в слабоизученной до этого части Хелл Крик, обнаружили превосходно сохранившиеся остатки животных и растений, погибших в момент катастрофы. Пойменный лес был повален огромной волной, а морские и пресноводные животные вперемешку были выброшены на берег и накрыты потоками грязи и ила. Прямая волна цунами от удара если и дошла до Хелл Крик, то не раньше, чем через 18 часов после удара. Животных убили волны, возбужденные в водоемах сейсмическим шоком - сейсмическая волна дошла до Хелл Крик через шесть минут после удара. Примечательно, что в жабрах рыб содержатся тектиты – крошечные капельки застывшего стекла, которое образуется при распылении расплавленных ударом горных пород. Пыль, обогащенная иридием и тектитами, начала сыпаться с неба еще до прихода сейсмической волны, и за минуты до гибели водные животные дышали этой пылью. Катастрофа была опустошительной. Падальщики, которое обычно добираются до трупов задолго до палеонтологов, тоже погибли. Катастрофа ударила и по морским экосистемам. Осадочные породы морского дна Карибского бассейна сложены известняками (карбонат кальция) с высоким содержанием гипса (сульфат кальция). В кратере Чикшулаб гипса нет. Тепловая энергия, выделившаяся при ударе, не просто испарила, а разложила эти осадочные породы. В атмосферу были выброшены огромные количества углекислого газа и диоксида серы. Кислотные дожди вызвали закисление океанской воды. В конце мелового периода воды Карибского бассейна кишели форамениферами – микропланктоном, который строит свои ажурные раковины из карбоната кальция. Непосредственно после удара астероида былое обилие и разнообразие морского планктона сводится к минимуму и в районе кратера Чикшулаб морские экосистемы восстановились спустя 30 тысяч лет. Примерно та же картина наблюдается и в других акваториях тогдашнего Мирового океана. Отдаленные последствия удара астероида сказывались на биопродуктивности Мирового океана в течение миллиона лет. И все же жизнь – упорная штука. Прикончить ее непросто. Биосфера справилась с этим губительным ударом, и темпы ее восстановления удивили ученых. Раскопки в штате Колорадо позволили детально проследить историю восстановления одной из наземных экосистем на протяжении миллиона лет после катастрофы. До удара астероида этот уголок планеты был покрыт субтропическими лесами, в которых водились млекопитающие размером с енота (то есть с массой порядка пяти килограмм). После удара астероида пожары уничтожили леса и горельники заросли папоротниками. Примерно та же картина наблюдается и в наше время на вулканических островах в Индонезии: папоротники первыми занимают опустошенные извержением вулкана территории. После удара астероида леса были уничтожены практически на всей территории тогдашней суши и на протяжении первой тысячи лет после катастрофы в наземных биоценозах доминировали папоротники. Немногочисленные уцелевшие цветковые растения давали скудную пищу и выжившие млекопитающие были размером с крысу и массой до 600 грамм. Через тысячу лет папоротники сменились пальмовыми лесами. Пища стала более обильной и разнообразной, млекопитающие начали плодиться и увеличиваться в размерах. Через сто тысяч лет видовое разнообразие млекопитающих увеличилось вдвое и они снова достигли размеров енота. Еще через двести тысяч лет к семенам и кореньям добавились орехи. Новый источник пищи позволил млекопитающим набрать массу до 25 килограмм, то есть размером с бобра. И наконец через 700 тысяч лет после катастрофы широко распространились бобовые растения. Богатая белками пища была способна прокормить млекопитающих массой до 50 килограмм. Экосистемы восстановились, млекопитающие были готовы занять свое подобающее место в новом мире, и принялись обживать новые экологические ниши. Но это уже за пределами нашего рассказа. Ну и небольшое замечание напоследок. Динозавры вообще-то не все вымерли. Динозавры были теплокровными и достаточно смышлеными тварями, и они были покрыты перьями, а не чешуей, как современные рептилии. Некоторые динозавры освоили полет и часть из этой группы динозаврав выжила. Они живут среди нас. Это птицы.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
14.01.20
|
|
|
Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии |
|
|
Намек понял. ![Smile :)](./images/smilies/icon_e_smile.gif) Четвертая тема масштабная, собираю материал, понемногу пишу. Да и пятая не так проста, как казалось бы. На самом деле четвертая тема к астрономии имеет отношение только частично, а пятая так вообще весьма смутно и косвенно.
Намек понял. :) Четвертая тема масштабная, собираю материал, понемногу пишу. Да и пятая не так проста, как казалось бы. На самом деле четвертая тема к астрономии имеет отношение только частично, а пятая так вообще весьма смутно и косвенно.
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
13.01.20
|
|
|
Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии |
|
|
Интересно, какими будут два оставшихся события 2019 года в мире астрономии ![Smile :)](./images/smilies/icon_e_smile.gif)
Интересно, какими будут два оставшихся события 2019 года в мире астрономии :)
|
|
|
|
![](images/spacer.gif) |
|