Частицы космических лучей удается регистрировать непосредственно при помощи специальных физических приборов — счетчиков быстрых частиц, устанавливаемых на космических аппаратах. Сквозь атмосферу Земли космические лучи пробиться не могут. Сталкиваясь с атомами земной атмосферы, они разбивают их, рождая целые ливни из элементарных частиц. Лишь небольшой процент космических частиц избегает столкновений в атмосфере и достигает Земли высоко в горах. Поэтому в различных странах организованы специальные высокогорные станции по наблюдению и исследованию космических лучей.
Не все космические частицы приходят к нам из межзвездных глубин. Многие имеют солнечное происхождение. Они рождаются главным образом при солнечных вспышках. Однако самые быстрые частицы, летящие с околосветовой скоростью и обладающие огромной энергией, приходят в Солнечную систему из далеких просторов Галактики.
Основными источниками космических лучей в Галактике считаются остатки сверхновых звезд и пульсары — быстро вращающиеся и сильно намагниченные нейтронные звезды.
Мы уже знаем, что остатки сверх новых звезд являются мощными источниками синхротронного радио излучения, которое возникает при движении быстрых электронов в магнитном поле. Но наблюдения показали, что синхротронное радиоизлучение приходит к нам и из тех областей межзвездного пространства, где остатков сверхновых звезд нет. Следовательно, и между звездами существует магнитное поле, заставляющее быстрые электроны космических лучей излучать радиоволны.
Исследования показали, что магнитная индукция межзвездного магнитного поля невелика: в среднем она в сто тысяч раз меньше, чем у поверхности Земли. Это поле охватывает и межзвездный газ, поэтому межзвездная среда слабо намагничена.
1. Образование звезд. Наиболее массивные звезды живут сравнительно недолго — несколько миллионов лет. Если такие звезды наблюдаются, значит, образование звезд не завершилось миллиарды лет назад, а происходит и в настоящую эпоху.
Звезды, масса которых многократно превышает массу Солнца, большую часть жизни обладают огромными размерами, высокой светимостью и температурой. Из-за высокой температуры они имеют голубоватый цвет, и поэтому их называют голубыми сверхгигантами. Мы уже знаем, что такие звезды, нагревая окружающий межзвездный газ, приводят к образованию газовых туманностей. За свою сравнительно короткую жизнь массивные звезды не успевают очень далеко уйти от тех мест, где они родились. Поэтому светлые газовые туманности и голубые сверхгиганты указывают нам на положение тех областей в Галактике, где недавно происходило или происходит и сейчас образование звезд.
Оказалось, что молодые звезды не распределены в пространстве случайным образом. Существуют обширные области, где они совсем не наблюдаются, и районы, где их сравнительно много. Больше всего голубых сверхгигантов наблюдается в области Млечного Пути, т. е. вблизи плоскости Галактики, там, где концентрируется газопылевая межзвездная среда.
Но и вблизи плоскости Галактики молодые звезды распределены неравномерно. Они почти никогда не встречаются поодиночке. Чаще всего эти звезды образуют рассеянные скопления и более разреженные звездные группировки больших размеров, названные звездными ассоциациями, которые насчитывают десятки, а иногда и сотни голубых сверхгигантов. Самые молодые из звездных скоплений и ассоциаций имеют возраст менее 10 млн. лет. Почти во всех случаях эти молодые образования наблюдаются в областях повышенной плотности межзвездного газа. Это указывает на то, что процесс звездообразования связан с межзвездным газом.
Примером области звездообразования является гигантский газовый комплекс в созвездии Ориона. Он занимает на небе практически всю площадь этого созвездия и включает в себя большую массу нейтрального и молекулярного газа, пыли и целый ряд светлых газовых туманностей. Образование звезд в нем продолжается и в настоящее время.
Согласно наиболее разработанной гипотезе, звезды возникают из облаков холодного межзвездного газа. Однако завершенной и общепринятой теории образования звезд пока еще не создано. Ученые усиленно работают над этой проблемой. Познакомимся с основными принципами, на которых базируются представления о формировании звезд из газопылевой среды.
Конденсация газа в звезды в определенном смысле напоминает другой физический процесс: конденсацию водяного пара в капельки воды при его охлаждении. И в том и в другом случае происходит многократное увеличение плотности вещества. Но если конденсация пара совершается в результате взаимодействия молекул, то межзвездный газ сжимается прежде всего благодаря действию гравитации. Поэтому конденсация газа в звезды называется гравитационной конденсацией.
Сила гравитационного притяжения между отдельными частицами всегда стремится сжать газ. Сжатию обычно препятствует сила внутреннего давления газа, связанного с хаотическими движениями его частиц — атомов или молекул. Чем меньше температура газа, тем меньше его давление и тем большую роль может играть притяжение отдельных частиц друг к другу. В обычных облаках межзвездного газа силы гравитации очень малы по сравнению с силами внутреннего давления. Но в холодных плотных молекулярных облаках гравитация оказывается сильнее, и образующиеся отдельные сгустки газовой среды должны сжиматься, увеличивая свою плотность. Конечным результатом такого сжатия может явиться образование звезд. Сжатие газа полностью прекратится, когда в центре сжимающегося газового шара температура и давление станут настолько высокими, что начнутся термоядерные реакции. В результате образуется звезда.
Первое время свет молодой звезды может очень сильно поглощаться плотной окружающей газопылевой средой, и тогда звезда и нагретая ею пыль будут наблюдаться как инфракрасный источник, потому что для инфракрасных лучей среда значительно прозрачнее. Такие источники были обнаружены в областях звездообразования. По-видимому, некоторые из них являются недавно сформировавшимися звездами.
Формирование звезд из газа — процесс очень медленный, он требует многих миллионов лет.
Солнце, как мы знаем, является типичной звездой. Поэтому и при образовании других звезд могут возникать планетные системы.
Планеты и малые тела Солнечной системы возникли в газопылевом протопланетном диске, окружавшем молодое Солнце. Вместе с другими планетами возникла и Земля. Первоначально ее атмосфера и физические условия на поверхности были совсем не такими, как сейчас. Температура была значительно выше, а атмосфера содержала очень много углекислого газа. Никакой жизни на Земле в то время не могло существовать. И лишь спустя несколько миллиардов лет после своего формирования Земля стала похожа на современную планету.
2. Проблема жизни во Вселенной. Физические условия на древней Земле оказались такими, что оказалось возможным возникновение сложных белковых молекул, а затем и простейших самовоспроизводящихся организмов — живых клеток. На Земле зародилась жизнь, которая за несколько миллиардов лет эволюции и усложнения организмов привела к появлению животного мира и человека.
До сих пор остается неизвестным, как часто подобные события могут происходить во Вселенной. В Солнечной системе признаки жизни не были найдены ни на одном из тел помимо Земли.
Но с астрономической точки зрения ни Земля как планета, ни Солнце, которое ее обогревает, не представляют ничего исключительного. Следовательно, жизнь может существовать не только на Земле. По-видимому, очаги жизни следует искать на планетных системах других звезд, но из-за большого расстояния мы пока не можем непосредственно наблюдать планеты даже у ближайших звезд.
Проблема возникновения жизни и ее распространенности во Вселенной остается одной из наиболее сложных и важных проблем, решаемых астрономией в комплексе с другими естественными науками.
Особенно интересным было бы обнаружить присутствие разумной жизни во Вселенной, следы высокоразвитых внеземных цивилизаций. Неоднократно предпринимались и предпринимаются попытки уловить радио- или иные сигналы разумного происхождения из космоса. Есть надежда, что они завершатся успехом.