Книга: Извечные тайны неба

Главный теоретик

Главный теоретик

Группа приземистых зданий на Миусской площади в Москве. Институт прикладной математики Академии наук СССР имени М. В. Келдыша. Институт носит имя своего основателя и первого директора, пятого по счету Президента советской Академии наук, который возглавил ее в год космического старта Юрия Гагарина. Четырнадцать лет оставался академик М. В. Келдыш руководителем штаба советской науки. По его инициативе было создано Сибирское отделение Академии наук и несколько крупных научных центров в Подмосковье, создан Институт космических исследований АН СССР, резко расширены рамки академических исследований по многим важнейшим научным направлениям современности.

Несколько раз в жизни доводилось мне открывать тяжелые двери кабинета, в котором работал Главный Теоретик космонавтики, руководитель советской космической программы, председатель Совета, координирующего космические исследования. Всегда подтянутый, немногословный, совершенно седой человек. Очень строгий. Беспощадный в своих оценках. Вместе с тем, в высшей степени справедливый, в высшей степени объективный. Он умел выслушивать собеседников, умел на лету схватывать высказанные мысли. Требовательный к окружающим, он всегда был еще более требователен к самому себе.

Будничная суета, амбиции участников работ, личные пристрастия – все это, казалось, не смело перешагнуть порога его кабинета. Здесь царил трезвый, взвешенный, государственный подход к бурно развивающейся, романтической, но одновременно с тем дорогостоящей и далеко еще небезопасной области научного поиска – космонавтике. В своем рабочем кабинете на Миуссах М. В. Келдыш был не Президентом Академии, не лауреатом многих премий, не трижды Героем Социалистического Труда: он был Колумбом, которому предстояло повести за собой экипаж в неведомые бездны Космоса. Он трезво сознавал великий почет и великую ответственность этой миссии.

Мстислав Всеволодович Келдыш родился в 1911 г. в Риге в семье видного инженера, деятельного участника известных строек первых советских пятилеток: канала имени Москвы, московского метрополитена. Учился в Москве в Кривоарбатском переулке, – в школе, которую окончили «дети Арбата», герои повести Анатолия Рыбакова. В 20 лет с блеском окончил механико-математический факультет Московского университета и начал научный путь в знаменитом ЦАГИ – Центральном аэро-гидродинамическом институте, носящем имя «отца русской авиации» Н. Е. Жуковского. С блеском решил несколько труднейших математических задач, связанных с созданием новой авиационной техники.

В возрасте 31 года – лауреат Сталинской премии и еще через год – член-корреспондент АН СССР. В 1946 г. – тридцатипятилетний академик и второй раз лауреат Сталинской премии. Тогда же – руководитель научно-исследовательского института, наследника того самого РНИИ, где были созданы «Катюши». Здесь он продолжил разработку актуальных проблем ракетостроения и реактивных полетов.

Область личных научных интересов М. В. Келдыша этих лет сосредоточена в основном на использовании только-только появившихся вычислительных машин. Он руководит расчетами при проектировании новых образцов самолетов и ракет. В стенах возглавляемого им научно-исследовательского института создана общая теория воздушных прямоточных двигателей, рассчитаны и экспериментально испытаны сверхзвуковые воздухозаборники, проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов горения в камерах сгорания. Вычислительные машины находят применение для расчетов в интересах атомной техники.

Одновременно с работами по авиации и ракетостроению М. В. Келдыш руководит Отделением прикладной математики Математического института АН СССР имени В. А. Стеклова. Там выполняется обширный цикл исследований по механике космического полета. Это был смелый взгляд в будущее, который нашел практическое применение с октября 1957 г., когда с запуском первого в мире ИСЗ появилась насущная необходимость в управлении космическими аппаратами. Вклад М. В. Келдыша в создание первого спутника отмечен Ленинской премией.

С начала космической эры М. В. Келдыш стоит во главе советской научной программы исследования Вселенной. В творческом союзе с С. П. Королевым и другими творцами ракетно-космической техники, широко привлекая ученых Академии наук, он определяет основные направления научного поиска в той области, где наука и техника неразрывно переплетаются друг с другом, где постановка научной проблемы неотделима от возможностей ее технического воплощения. По инициативе С. П. Королева и М. В. Келдыша была организована служба радиационного контроля космического пространства, создан специализированный Институт медико-биологических проблем, развернут Центр подготовки космонавтов.

Звание «Главного Теоретика космонавтики» присвоили М. В. Келдышу журналисты. Но это почетное звание достоверно отражало реальное положение дел: слово Президента АН СССР в вопросах космонавтики всегда было выверенным и решающим, его соображения выполнялись неукоснительно. Он был настойчив и последователен, умел без шараханий довести до конца решение проблем любой степени сложности.

М. В. Келдыш всегда отмечал, что выход человечества в космическое пространство дает ему возможность взглянуть на Землю как бы со стороны. Развитие космонавтики отвечает не только интересам науки: оно повышает ответственность человечества за судьбы своей планеты.

Именно под руководством М. В. Келдыша при участии академика А. П. Виноградова совместно с конструкторским бюро Г. Н. Бабакина была разработана долгосрочная советская программа исследования Луны и планет с помощью космических автоматов.

Не отыщется в Солнечной системе даже пары планет, подобных единоутробным двойняшкам-близнецам. Все они разные: у каждой – свой неповторимый облик. Однако по совокупности нескольких важных признаков астрономы делят их на две обособленные группы.

Вблизи от Солнца обращается четверка «миниатюрных» планет: небольшой массы и небольшого объема. Они плотные – по сравнению с водой их плотность лежит в пределах от 3,9 до 5,5. Процентное содержание водорода и гелия – главных слагаемых Солнца – для этих планет очень невелико. Мы называем их планетами земной группы.

Число спутников у планет земной группы более чем скромно (ни одного у Меркурия, ни одного у Венеры, один у Земли и два у Марса).

Юпитер открывает шеренгу «дородных» планет: гораздо более массивных, чем Земля, и гораздо более рыхлых небесных тел с плотностями, которые не превосходят плотность воды более чем в 1,7 раза. Их химический состав напоминает солнечный: преимущественно водород и гелий. Среди характерных черт планет из компании Юпитера – обилие спутников, а по крайней мере три из них, как теперь известно, увенчаны кольцами. Этих мастодонтов мы зовем планетами-гигантами.

Меркурий принадлежит к числу «миниатюрных» планет земной группы. Его масса составляет 5,5 % от массы Земли; плотность практически совпадает с земной.

Долгое время считали, что планете приходится «расплачиваться» за близость к Солнцу. Предполагалось, что огромная сила притяжения Солнца держит Меркурий все время повернутым к нему одной стороной, заставляет его «держать равнение» на Солнце, подобно тому как Луна «держит равнение» на Землю. Из предпосылки о синхронном вращении планеты вытекали следствия. Первое: температура на солнечной стороне Меркурия превышает +400 °C; в таком пекле плавятся олово, свинец и цинк. Второе: на неосвещенной стороне Меркурия царят мрак и лютая стужа. Даже вечная мерзлота на Земле не дает никакого представления о том, что должно твориться на Меркурии в этих леденящих условиях – температура там может отличаться от абсолютного нуля едва ли больше, чем на 10°.

Второе из следствий, однако, опровергалось наблюдательными данными: в 1962 г. было обнаружено радиоизлучение ночного полушария Меркурия с полным потоком, который отвечал средней температуре поверхности куда выше абсолютного нуля! Пришлось выдумывать новое объяснение – и единственно возможный вариант заключался в существовании ощутимой атмосферы. Так из синхронного вращения родилось третье следствие: Меркурий окутан газовой оболочкой, которая путем быстрой циркуляции перекачивает тепло с освещенной стороны на темную. Но никаких подтверждений меркурианской атмосферы не появлялось, а опровержения возникли одно за другим.

В один прекрасный день шаткое здание из неподтвержденных догадок рухнуло как карточный домик. Атмосфера – переносчик тепла – оказалась мифом; она чересчур разрежена. Зато было доказано, что вращение Меркурия вокруг оси не синхронно с обращением вокруг Солнца. Планета совершает один оборот вокруг оси не за 88, а за 58,65 суток!

Ну что ж, наблюдаемый период вращения Меркурия отвечает здравому астрономическому смыслу. Период обращения в 88 суток относится к периоду осевого вращения в 58,65 суток как 3:2; за 2 оборота вокруг Солнца планета оборачивается вокруг собственной оси точно 3 раза. Следовательно, осевое вращение Меркурия, хотя и не синхронно с обращением вокруг Солнца, но находится с ним в резонансе. Это объясняет прежние противоречия. Но вследствие каких причин жило среди астрономов ужасное заблуждение? Как и почему корифеи-наблюдатели, которые рисовали совпадающие друг с другом по главным деталям карты Меркурия, при определении периода его осевого вращения впали в роковую ошибку?

Каждый раз, когда я вспоминаю ответ на этот вопрос, мне становится не по себе. Ошибка проистекала по той очень странной причине, что период осевого вращения Меркурия из-за неведомого стечения обстоятельств связан с периодом обращения Земли вокруг Солнца. Представьте, что обе планеты находятся на кратчайшем расстоянии друг против друга (такое положение называется нижним соединением Меркурия). Согласно законам Кеплера, Меркурий движется по орбите быстрее Земли и обгоняет ее, потом начинает догонять. Когда через 116 суток он настигнет Землю, и они снова сойдутся на кратчайшем расстоянии в нижнем соединении, Меркурий (сделав к этому моменту 2 оборота вокруг оси) повернется к Солнцу точно той же стороной, что и во время предыдущей встречи с Землей.

На этом странные совпадения не заканчиваются. Вообразим, что в какой-то момент времени три соседние планеты – Меркурий, Венера и Земля – находятся на общей прямой по одну сторону от Солнца. Через 20 месяцев Земля и Венера снова сойдутся на такой прямой. Но и Меркурий, успев сделать за этот период точно 4 оборота вокруг Солнца по отношению к Венере и точно 3 оборота по отношению к Земле, тоже появится на этой общей прямой. Что это – чистая случайность? Или здесь проявляется новая, пока еще совершенно необъяснимая резонансная закономерность в движениях планет?

Изучение Меркурия космическими средствами снискало ему славу планеты-парадокса: по внешнему виду поверхности эту планету легко можно перепутать с Луной, что же касается ее внутреннего строения, то она в гораздо большей степени напоминает Землю.

Подобно Земле, Меркурий обладает металлическим ядром и силикатной оболочкой – мантией. Что особенно удивительно, Меркурий, подобно Земле, обладает регулярным магнитным полем. Он ведет себя так, будто в тело планеты вставлен намагниченный стержень. Угол воображаемого магнитного стержня с осью вращения Меркурия составляет 12°. Напомним, что для Земли средний угол наклона магнитной оси к оси вращения 11°.

Раньше среди геофизиков было распространено убеждение, что магнитное поле возникает только у планет с быстрым осевым вращением. Меркурий опрокинул это представление. Планета вращается вокруг оси очень медленно, однако напряженность ее магнитного поля составляет ¹/₁₀₀ от напряженности поля Земли – и это при ее малой массе! Магнитное поле Меркурия заметно превосходит магнитные поля Венеры и Марса.

В геологическом отношении поверхность Меркурия – копия поверхности Луны. Конечно, небольшие отличия в распределении кратеров на Меркурии и Луне отмечаются, но они вовсе несущественны.

Современные карты области Меркурия, сфотографированной одним из космических аппаратов, очень подробны. Международный астрономический союз поместил на них много новых названий. В качестве имен для долин послужили названия крупнейших наземных радиоастрономических обсерваторий: Голдстоун, Крым, Аресибо. Тектонические сбросы обозначены в честь кораблей великих путешественников: Фрам, Восток, Санта-Мария, Усердие. Для равнин использованы названия планеты Меркурий в различных языках древнего мира: Тир, Будда, Один. Самое крупное образование морского типа получило название Бассейна Зноя.

Краткий рассказ о Меркурии остается завершить гипотезой, которую пока что мало кто из астрономов принимает всерьез. Расчеты специалистов по небесной механике не исключают возможности, что Меркурий при образовании Солнечной системы возник как спутник Венеры. Слишком большая по отношению к Венере масса спутника привела к тому, что сила тяготения Солнца оторвала его от Венеры и перекинула на орбиту самостоятельной планеты. Расчеты не исключают подобной возможности, но имели ли столь экзотические события место в действительности?

Жан Буридан, ректор Парижского университета, в XIV в. видел в отсутствии фаз Венеры важное доказательство того, что она излучает собственный свет: «…Ибо Птолемей, применяя геометрию, установил, что Меркурий и Венера находятся между Землей и Солнцем, как и Луна, из чего следует, что если бы [Меркурий и Венера] не обладали собственным светом, то принимали бы рост и убывание по мере приближения или удаления от Солнца подобно Луне…» Правильно поставив вопрос, Буридан вывел ложное заключение, поскольку простым глазом фазы Венеры наблюдаются крайне редко – людьми с исключительно острым зрением.

Открыть фазы Венеры как твердо установленный факт было суждено Галилею. На заре телескопической астрономии великий Галилей обычным образом огласил анаграмму

Расшифровка содержала известие о том, что мать любви (Венера) наблюдается в различных фазах подобно Луне (Цинтии):

За этим открытием, окончательно утвердившим правоту гелиоцентрической системы Коперника, в изучении Венеры последовали полтора века застоя. Фоном служили многочисленные заявки на псевдооткрытия вроде свидетельства Франческо Фонтаны из Неаполя, который в 1643 г. увидел на Венере горы высотою в несколько десятков км[24]. Спор о Гималаях на Венере впоследствии не затухал, и самым курьезным является то, что современные планетологи действительно обнаружили на Венере высокие горные кряжи.

К прохождению Венеры по диску Солнца 1761 г. относится выдающееся открытие, сделанное М. В. Ломоносовым, которое было совершенно точно истолковано его автором как открытие атмосферы Венеры. Отчет М. В. Ломоносова об этом открытии отличается ясностью и образностью. «…Ожидая вступления Венерина на Солнце… увидел наконец, что солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде равен… При выступлении Венеры из Солнца, когда передний ее край стал приближаться к солнечному краю… появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила… Сие не что иное показывает, как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере…»

В последующем было установлено, что поверхность Венеры в оптическом диапазоне никогда не наблюдается, она укрыта от землян непроницаемой завесой облаков.

Предположения о природе поверхности этой планеты вплоть до второй половины нашего века оставались по этой причине более или менее фантастическими. Одна из прежних гипотез рисовала гигантский безбрежный океан, покрывающий всю без исключения поверхность планеты. Согласно другим гипотезам, лик планеты должен был представлять собой выжженную, абсолютно безводную пустыню, а знаменитые облака – минеральную пыль в бурно циркулирующей атмосфере. Сторонники еще одной точки зрения исходили из того, что условия на Венере близки к тем, которые были на Земле в каменноугольный период, – там жаркий климат с обилием влаги.

Но в прежние времена ни одна из гипотез о природе поверхности этой планеты так и не получила ранга научной теории. Астрономам попросту не хватало наблюдательных фактов. Не удавалось даже достоверно определить период вращения Венеры вокруг оси.

Серьезный прогресс в изучении соседней с Землей планеты наступил лишь с применением радиолокации и началом полетов к Венере автоматических космических аппаратов. Правда о Венере оказалась удивительнее любой фантазии.

Атмосфера Венеры нисколько не похожа на земную, в которой преобладают азот и кислород. В венерианской атмосфере из каждых 100 кубиков объема 97 кубиков приходятся на долю углекислого газа СО₂. Присутствует там и угарный газ СО. Азот, аргон, кислород, пары воды обнаружены лишь в виде незначительных примесей.

Толщина газовой оболочки Венеры по сравнению с земной чудовищно велика. Давление воздушного океана у поверхности планеты составляет без малого 100 атм. Легкое дуновение ветерка при таком давлении имеет разрушительную силу урагана. Чтобы оказаться при обычном наземном давлении в 1 атм, требуется взлететь над поверхностью Венеры на 50 км.

Облачное покрывало Венеры расположено на высотах от 50 до 70 км. В видимом свете облака кажутся однородными и имеют слегка желтоватую окраску. На самом деле они распадаются на три заметно отличающихся один от другого слоя. Верхний ярус – даже не облака, а легкая дымка из жидких капелек размерами около 1 мкм, стелющаяся на высотах более 60 км. Дымка прозрачна для всех длин волн, кроме ультрафиолета, и в ультрафиолетовом диапазоне из-за рассеивания она кажется ослепительно белой. Дымка верхнего яруса не сплошная; через ее громадные прорывы проглядывает более темный средний ярус венерианской облачности – это и есть бросающиеся в глаза в ультрафиолете «детали» облаков.

Облачность среднего яруса еще менее плотна, чем облачность верхнего. В ней плавают более крупные по размеру, чем в верхней дымке, твердые частицы размерами в среднем порядка 10 мкм. Средний ярус облаков занимает высоты между 50 и 60 км.

Нижний ярус облаков не толстый, но более плотный. Он более всего похож на обычную земную облачность.

В облаках Венеры обнаружено присутствие концентрированного водного раствора серной кислоты. С ней вместе могут находиться соляная и плавиковая кислоты. Обсуждается возможность, что взвешенные в облаках частицы – это кристаллики серы, которые и придают облачности желтоватый отсвет. Так Атмосфера Венеры пропускает к поверхности только часть приходящего от Солнца излучения, но зато уходящее от поверхности тепловое излучение практически не выпускает вовсе. Она, тем самым, ведет себя сродни стеклу парника: гораздо лучше сохраняет тепло, нежели защищает от перегрева. Возникающая ситуация и получила в астрофизике название «парникового эффекта», вследствие которого температура на поверхности Венеры достигает +500 °C.

Первоначально думали, что ко всем прочим экзотическим чертам поверхности Венеры добавляется еще и вечный мрак. Однако эксперименты на советских посадочных станциях показали, что это не так, хотя освещенность поверхности Венеры в самый светлый период венерианских суток весьма и весьма умеренна. Ее можно сравнить с освещенностью на Земле в очень ненастный пасмурный день. При таком освещении можно читать газету. Следует добавить, что ландшафт Венеры беспрестанно озаряется сполохами молний; грозы на Венере часты и интенсивны.

Ну что ж, нарисованная современной наукой картина поверхности Венеры не пугает «грешное» человечество. Сера, испепеляющая жара, гром и молнии – подобные атрибуты издревле представали в ярких описаниях мук ада, однако не остановили победное шествие науки в ее борьбе с догмами религии. Венера действительно оказалась неожиданной – «адовой» планетой, и задача будущего: понять корни столь дискомфортных, с точки зрения человека, физических условий.

В октябре 1975 г. советские автоматические станции «Венера-9» и «Венера-10» впервые в истории передали на Землю панорамные изображения венерианского ландшафта. На склоне холма и при посадке на ровное место люди Земли увидели разбитые трещинами плиты, россыпи камней, обломки пород, источенные венерианскими ветрами и иссушенные непрекращающейся жарой. Позднее при помощи радиолокатора бокового обзора, установленного на борту искусственного спутника Венеры, советским ученым удалось исследовать поверхность планеты в гораздо более крупном масштабе. И вновь открылась знакомая картина: сухие «моря», изрезанные плоскогорья, горные кряжи, крупные кратеры.

Обширные венерианские плоскогорья, следуя привычной традиции, именуют «континентами»; в номенклатуре деталей венерианского рельефа им присваивают наименование «Земля». Близ северной Земли Иштар обнаружена рифтовая долина протяженностью в 2 с лишним тысячи км. Ее ширина 280, а глубина 5 км. «Континент» Венеры в ее южном полушарии носит имя Земли Афродиты.

На венерианской Земле Иштар расположены горы Максвелла с вершиной, достигающей 12 км. На одном из склонов этих гор находится исполинский вулканический кратер поперечником почти в 100 км. Внутри него, кстати, обнаружен еще один кратер поперечником около 50 км, лежащий почти на км глубже основного. Вообще, как считают специалисты по инопланетной геологии, вулканизм играл в формировании поверхности Венеры существенную роль. Вулканизм современный или древний?

Высоко в атмосфере Венеры свирепствуют постоянные ветры, которые гонят облака с фантастической скоростью 60 ^м/_с. Весь верхний слой венерианской атмосферы совершает полный оборот вокруг планеты за четверо земных суток. Это загадочное по сию пору вращение атмосферы долго сбивало с толку астрономов, полагавших, что вращение с такой скоростью относится к твердому телу планеты. Однако это не так. Тщательные радиолокационные измерения показали, что при наблюдении с северного полюса Венера вращается по часовой стрелке, т. е. в сторону, противоположную направлению вращения всех других планет, и совершает один оборот за 243 земных суток. Все это было бы еще не столь поразительно, если бы не оказалось, что период осевого вращения Венеры тоже синхронизован по Земле!

Особенности осевого вращения Венеры иллюстрирует серия схем на рисунке. На схеме А изображен момент, когда Венера находится на прямой, соединяющей Солнце и Землю. Такое положение Венеры по отношению к Земле и Солнцу называется ее нижним соединением. Радиусы орбит и размеры планет показаны на схеме совершенно условно: Земля изображена точкой, а Венера диском. Заштрихованная часть диска Венеры – та ее сторона, которая обращена к Земле. Условимся, что мы смотрим на Солнечную систему со стороны северного полюса мира. Земля и Венера в этом случае обходят Солнце, двигаясь в направлении против часовой стрелки. Осевое вращение Венеры происходит в обратном направлении: так, как это отмечено на схеме стрелкой.

Схема Б показывает взаимное положение планет через половину земного года. Земля совершила пол-оборота вокруг Солнца. Венера, согласно законам Кеплера, из-за близости к Солнцу ушла по отношению к Земле далеко вперед. За это время Венера успела сделать почти ³/₄ оборота вокруг оси; сторона поверхности, полгода назад обращенная к Земле (заштрихованная сторона), смотрит в сторону Солнца.

Прошел земной год (схема В). Земля вернулась в исходное положение на орбите. Венера близка к тому, чтобы закончить второй круг в своем движении вокруг Солнца. К этому времени она совершила уже полтора оборота вокруг оси.

Через полтора года (схема Г) Венера догоняет Землю. Она сделала уже больше двух оборотов вокруг оси, и заштрихованная сторона ее поверхности неумолимо разворачивается в сторону Земли.

Наконец, спустя 584 дня с момента, изображенного на схеме Л, планеты снова сблизились на минимальное расстояние. Венера снова пересекает прямую, соединяющую Солнце и Землю (схема Д): она вновь находится в нижнем соединении. И в этот момент заштрихованная сторона ее поверхности, так же как и на схеме Л, оказывается обращенной точно в сторону Земли.

Исследователям предстоит отыскать скрытые причины этого поразительного феномена.

У Венеры нет спутников и практически нет регулярного магнитного поля.

В далеком XVIII в., вы помните, астрономы тщетно наблюдали Венеру в надежде уточнить абсолютную величину астрономической единицы. Интересно, что в наши дни Венера все-таки стала тем объектом, по наблюдениям которого действительно была уточнена величина астрономической единицы в километрах, на этот раз с фантастической для астрономии точностью – до десятков километров. Это было сделано уже, конечно, не старым методом Галлея, а путем радиолокации Венеры.

За серию работ по радиолокационному исследованию Венеры, Меркурия и Марса группа ученых, работавших под руководством директора Института радиотехники и электроники АН СССР академика В. А. Котельникова, в 1964 г. была удостоена Ленинской премии.