Read the book: «Будущее Вселенной. От наших дней до предельно далеких эпох»

Пролог. Пока светят звёзды

Секундная стрелка на часах сделала полный оборот. Прошла ещё одна минута.

За эту минуту вы успели прочитать несколько строк. Где-то человек вышел из дома, поезд остановился у платформы, на кухне закипела вода. Так мы обычно замечаем время: по движениям, встречам, небольшим переменам вокруг.

За окном всё выглядит устойчивым. Земля под ногами кажется неподвижной. Солнце проходит знакомый путь по небу. После наступления темноты появляются звёзды, которые люди узнавали задолго до нашего рождения.

Трудно представить, что со временем этот привычный мир станет почти неузнаваемым.

Попробуйте мысленно перевести часы вперёд.

Сначала на десять лет. Такой промежуток ещё легко наполнить событиями собственной жизни. Затем на сто. Большинство знакомых нам людей уже останутся в прошлом, но очертания материков и рисунки созвездий будут по-прежнему узнаваемы.

Теперь на тысячу лет. В человеческой истории это огромная дистанция. Для Солнца она настолько мала, что его эволюционные изменения было бы трудно заметить без точных измерений.

Продвинемся дальше, к сотням тысяч и миллионам лет. Звёзды заметно сместятся относительно друг друга. Знакомые очертания созвездий начнут меняться. Движения, слишком медленные для человеческого взгляда, станут очевидными.

На ещё более длинных промежутках изменится сама Земля. Материки займут другое положение, океаны получат новые берега. Изменения Солнца будут всё сильнее влиять на условия у поверхности. Знакомый нам облик планеты станет лишь одним из этапов её истории.

Однако и эта дистанция будет только началом путешествия.

Мы привыкли думать о Солнце как об источнике постоянства. Оно делает возможным привычный ритм дней и времён года. Но сама звезда тоже проходит жизненный путь. Её нынешнее состояние связано с процессами в недрах, а эти процессы постепенно меняют вещество и строение звезды.

Когда мы продлим отсчёт достаточно далеко, нам придётся оставить позади знакомое Солнце. Потом — эпоху, в которой небо заполнено обычными светилами. А затем спросить, какие изменения вообще смогут происходить в космосе, где почти все привычные источники света уже погасли.

Такие вопросы звучат необычно. Мы знаем, что время течёт, но обычно предполагаем, что привычная сцена останется на месте: небо будет над головой, Земля — под ногами, Солнце — за горизонтом до следующего утра. В повседневной жизни это разумное ожидание. На огромных промежутках оно перестаёт работать.

У астрономов есть возможность исследовать эти перемены. Телескоп показывает множество звёзд на разных стадиях развития. Наблюдения позволяют сравнивать их, проверять расчёты и восстанавливать причины различий. Измеряя движения небесных тел, мы узнаём, как могут меняться их орбиты. Изучая свет галактик, пытаемся понять историю самого пространства.

Мы не можем наблюдать будущее Солнца напрямую. Но во Вселенной есть другие звёзды, чья эволюция помогает исследовать его возможную судьбу. Настоящее содержит следы прошлого и процессы, из которых вырастает будущее.

Впрочем, дальше по нашей дороге будут появляться развилки. Некоторые события удаётся предсказывать достаточно уверенно. Другие зависят от условий, которые известны недостаточно хорошо. На самых далёких горизонтах исход определяется свойствами природы, которые мы ещё только пытаемся установить.

Поэтому у нашего путешествия не будет заранее назначенной последней минуты. Мы дойдём до границ того, что позволяет предвидеть современная физика, и увидим, почему за этими границами остаётся несколько возможных путей.

Но начинать следует здесь.

На Земле ещё шумят океаны. Солнце освещает облака. В темноте можно различить звёзды, а с помощью приборов — изучить миры, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики.

Всё, что мы будем обсуждать дальше, связано с этим настоящим. Даже самые огромные сроки отсчитываются от знакомого нам мгновения.

Секундная стрелка делает ещё один оборот.

С этой минуты и начнётся наш путь.

Глава 1. Будущее, которое ещё можно увидеть

13 апреля 2029 года астероид Апофис пройдёт примерно в 32 тысячах километров от поверхности Земли. В момент наибольшего сближения он окажется ближе, чем геостационарные спутники. В некоторых районах планеты его можно будет увидеть без телескопа: движущуюся точку света, которая за несколько часов заметно сместится на фоне звёзд. По современным расчётам, столкновения при этом проходе не будет.

Для человека, наблюдающего за Апофисом, это может стать главным астрономическим событием года. Для самого астероида встреча тоже оставит след: земное притяжение изменит его орбиту. Один и тот же вечер окажется коротким зрелищем для жителей Земли и поворотом в истории небольшого небесного тела.

С этого удобно начать путешествие в будущее. У нас уже есть дата, расстояние и представление о том, что произойдёт. Чтобы их получить, астрономам потребовались наблюдения, измерения и расчёты движения. Чем точнее известны положение и скорость астероида, тем увереннее можно описать его дальнейший путь. Новые измерения позволяют уточнять прогноз.

Когда мы говорим о будущем космоса, часто представляем гибель планет, взрывы звёзд и исчезновение галактик. Но прежде чем добраться до этих эпох, стоит задержаться во времени, которое ещё соизмеримо с человеческой жизнью. На этом отрезке времени произойдут события, свидетелями которых могут стать сегодняшние читатели этой книги.

В 2061 году к Солнцу снова приблизится комета Галлея. Последний раз она проходила через внутреннюю часть Солнечной системы в 1986 году. Между этими встречами пройдёт около 75 лет: достаточно, чтобы сменилось поколение, но мало для истории самой системы. Возвращение кометы связывает людей, которые наблюдают её в разные эпохи.

Большую часть своего пути комета проводит вдали от Солнца. При приближении её поверхность нагревается. Часть замёрзших веществ переходит в газ, который увлекает с собой пыль. Вокруг небольшого ядра возникает протяжённая оболочка, формируются хвосты. С Земли мы видим последствия нагрева тела, которое долго двигалось в холодных внешних областях своей орбиты.

Апофис и комета Галлея показывают, насколько разным бывает ближайшее космическое будущее. Один объект пройдёт очень близко к Земле, другой вернётся по давно известной орбите. В обоих случаях яркое событие занимает короткую часть гораздо более продолжительной истории.

Так же обстоит дело с затмениями. Их можно рассчитывать на столетия вперёд, определяя взаимное положение Солнца, Земли и Луны. Наблюдатели будущего смогут заранее выбрать время и место встречи с лунной тенью. Правда, точность самых далёких расчётов ограничена, в частности, тем, насколько хорошо мы знаем будущее вращение Земли. Даже у надёжного прогноза есть пределы.

Если перенестись на сто лет вперёд и посмотреть вверх, большая часть знакомого неба останется узнаваемой. Солнце продолжит освещать Землю, Луна — проходить через свои фазы, планеты — менять положение относительно звёзд. За это время большинство звёзд ещё не пройдут те стадии жизни, которые преобразят космос в следующих главах.

Такое сходство легко принять за неподвижность. Однако многие изменения уже идут, просто их масштаб слишком мал для взгляда человека. Луна, например, удаляется от Земли в среднем примерно на 3,8 сантиметра в год. Мы знаем об этом благодаря лазерным измерениям расстояния до отражателей на её поверхности.

Если на ближайшее столетие сохранить нынешний средний темп, получится около четырёх метров. На фоне сотен тысяч километров между Землёй и Луной эта прибавка ничтожна. По внешнему виду Луны её не заметить. Но измерительные приборы обнаруживают процесс, который на гораздо больших сроках изменит условия наблюдения затмений.

Число «четыре метра» относится к короткому отрезку времени. Продолжать тот же расчёт на миллиарды лет простым умножением нельзя: скорость удаления зависит от приливного взаимодействия, а оно меняется вместе с самой Землёй. Это первое правило нашего путешествия: прежде чем использовать нынешнюю скорость для расчёта далёкого будущего, нужно выяснить, останется ли она прежней.

На Земле за то же столетие перемены могут оказаться гораздо заметнее. Разница связана с тем, как быстро реагируют разные системы. Для старения звезды сто лет — малый срок. За это время ледник, прибрежный город или лес могут существенно измениться.

Ближайшее будущее земного климата зависит от количества парниковых газов, которое человечество добавит в атмосферу. Разным объёмам выбросов соответствуют разные траектории потепления. Поэтому картина Земли к концу XXI века представлена несколькими сценариями. Ограничение дальнейшего потепления требует достижения нулевых суммарных выбросов углекислого газа, а также сокращения других воздействий, усиливающих нагрев.

Для нашей истории важно и то, что океан обладает большой инерцией. Он поглощает тепло, перераспределяет его и медленно меняет состояние. При нагревании морская вода расширяется. Таяние ледников и ледниковых щитов добавляет воду в океан. Эти процессы связывают сегодняшние условия с будущим береговых линий.

Даже после стабилизации глобальной температуры уровень моря может продолжать подниматься столетиями и тысячелетиями. Глубокие слои океана и ледяные массы реагируют с задержкой. Масштаб подъёма зависит от того, как будет развиваться потепление на планете. Люди будущего получат в наследство последствия процессов, начавшихся задолго до их рождения.

Здесь становится ясно, почему календарь сам по себе недостаточен. Написать «через сто лет» легко. Описать мир на этой отметке можно только после уточнения условий. Для астероида нужны данные об орбите. Для климата — ещё и сценарий воздействия на атмосферу. Для будущего общества потребуется учитывать решения и события, которые пока неизвестны.

Мы можем представить новые обсерватории, экспедиции к планетам и поселения за пределами Земли. Возможно, часть этих замыслов осуществится. Однако их даты определяются не только физикой: нужны ресурсы, технологии, длительная работа и решения людей. Временная шкала Вселенной позволяет обозначить условия, в которых такие планы могли бы развиваться, но сама по себе не даёт расписания их осуществления.

По мере продвижения дальше эта неопределённость будет соседствовать с удивительной предсказуемостью. Мы не знаем, как будет устроена человеческая жизнь через тысячу лет. Зато можем рассчитывать движения некоторых небесных тел на сопоставимых промежутках времени. А на ещё больших горизонтах знание устройства звёзд позволяет описывать стадии, до которых Солнцу осталось несколько миллиардов лет.

Причина такой разницы в том, какие сведения нужны для ответа. Орбита описывается ограниченным набором измеряемых величин и физическими законами. История общества включает множество взаимодействующих людей и решений. Поэтому дальность прогноза нельзя оценивать только числом лет: она зависит от самого вопроса.

В ближайшие десятилетия Земля останется частью знакомой нам Солнечной системы. На небе будут происходить события, которые люди обсуждают, фотографируют и запоминают на всю жизнь. Одновременно продолжатся медленные изменения, доступные точным измерениям. Их последствия будут накапливаться, пока не станут заметны уже без приборов.

Чтобы увидеть следующую перемену, нам предстоит оставить позади масштаб одной человеческой жизни. Впереди — тысячи и десятки тысяч лет. На этих сроках изменится направление земной оси, а движения звёзд постепенно преобразят привычные рисунки созвездий. Наблюдатель такой эпохи увидел бы, что даже среди звёзд знакомые ориентиры имеют свою историю.

Глава 2. Небо становится другим

Представьте человека, который смотрит на северное небо через двенадцать тысяч лет. У него сохранилась наша звёздная карта, и он пытается найти неподвижный ориентир, знакомый сегодняшним наблюдателям. Однако Полярная звезда уже не занимает привычного места возле небесного полюса. В этой области неба теперь находится другая яркая звезда — Вега.

Сегодня Полярная кажется почти неподвижной потому, что находится близко к направлению земной оси. Земля вращается, и для наблюдателя на её поверхности остальные звёзды за ночь описывают дуги вокруг этой точки. Но сама ось тоже медленно меняет направление. Поэтому роль северного ориентира со временем переходит от одной звезды к другой.

Такое движение называется прецессией. Его можно сравнить с покачиванием вращающегося волчка: ось постепенно описывает конус. Земля немного сплюснута у полюсов и расширена вблизи экватора. Притяжение Солнца и Луны действует на это экваториальное утолщение, вызывая медленное изменение направления оси. Один оборот занимает приблизительно 26 тысяч лет.

Примерно через двенадцать тысяч лет северный небесный полюс окажется в области Веги. Название «полярная» обозначает временную роль звезды. Оно не означает, что та точно совпадёт с направлением оси. Бывают и эпохи, когда поблизости от полюса вообще нет достаточно яркой звезды, удобной для ориентирования.

Наблюдатель далёкого будущего увидит из той же точки Земли другое положение звёзд относительно небесного полюса и горизонта. Чтобы пользоваться нашей картой, ему придётся учитывать время её составления. Уже несколько тысячелетий превращают такую дату в существенную часть астрономических координат.

Можно ожидать, что через полный цикл прецессии всё вернётся на свои места. Однако за это время изменятся и сами звёзды. Они движутся в пространстве, а Солнце вместе со своей системой тоже меняет положение в Галактике. Небо следующего цикла будет отличаться от нынешнего.

Созвездия кажутся плоскими рисунками, хотя объединяют звёзды, расположенные на разных расстояниях. Две соседние точки на небе могут оказаться далёкими друг от друга в пространстве. Их взаимное положение зависит от того, откуда мы смотрим. Если представить звёздную карту объёмной, привычные линии растянутся между объектами, разбросанными в глубину.

У звёзд есть собственные скорости и направления движения. Для земного наблюдателя их перемещение поперёк луча зрения проявляется как медленное смещение по небу. Астрономы называют его собственным движением. Обычно за одну человеческую жизнь звёзды смещаются слишком мало, чтобы изменение рисунка созвездий было заметно невооружённым глазом.

Десятки и сотни тысяч лет делают эту перемену гораздо нагляднее. Расстояния между звёздами на карте увеличиваются или сокращаются, знакомые фигуры постепенно утрачивают очертания. По данным спутников Gaia и Hipparcos уже построена модель того, как будет меняться вид Ориона в течение следующих 450 тысяч лет.

Такая модель показывает следствия измеренного движения. Чтобы получить полную картину будущего, к ней нужно добавить эволюцию звёзд. Некоторые светила успеют завершить жизнь раньше, чем пройдут весь изображённый маршрут. Особенно важна эта оговорка для Ориона: одна из самых заметных его звёзд уже находится на поздней стадии развития.

Бетельгейзе легко узнать по красноватому свету в области плеча небесного охотника. Это красный сверхгигант. Её сегодняшний вид — результат эволюции массивной звезды, которая расходует своё ядерное топливо значительно быстрее Солнца. Огромные размеры здесь соседствуют с короткой по звёздным меркам жизнью.

Внутри массивной звезды последовательно меняются ядерные реакции и строение ядра. На заключительных стадиях оно может утратить устойчивость и стремительно сжаться под действием гравитации. Коллапс способен привести к выбросу внешних слоёв — взрыву сверхновой. Выброшенное вещество пополнит межзвёздную среду.

Для Бетельгейзе часто указывают ориентир порядка ста тысяч лет до такого финала. Но превратить его в дату невозможно. Мы наблюдаем поверхность и атмосферу звезды, а состояние её глубин восстанавливаем с помощью моделей. Различия в оценках массы, внутреннего строения и стадии горения влияют на прогноз.

Поэтому на нашей временной шкале взрыв Бетельгейзе занимает область неопределённости. Он может заметно изменить небо в рассматриваемую эпоху, но ставить его в один ряд с рассчитанным возвращением кометы было бы ошибкой. Известная стадия жизни позволяет предвидеть исход гораздо увереннее, чем момент его наступления.

В конце 2019 года Бетельгейзе резко потускнела. Это вызвало предположения, что звезда вскоре может взорваться как сверхновая. Дальнейшие наблюдения связали падение яркости с выбросом вещества, образованием пыли и охлаждением части поверхности звезды. Облако пыли закрыло часть её видимой поверхности. К весне 2020 года яркость восстановилась. Само по себе падение яркости не означало, что взрыв сверхновой близок.

Когда взрыв произойдёт и его свет достигнет Земли, на месте знакомой красноватой звезды появится гораздо более яркий источник. Затем вспышка будет угасать, а выброшенное вещество — расширяться. В центре останется компактный объект; его судьба зависит от параметров звезды и взрыва. Для Бетельгейзе рассматриваются нейтронная звезда и чёрная дыра. Между событием возле звезды и его появлением на земном небе пройдут сотни лет: свету требуется время, чтобы преодолеть расстояние. В этой книге небесное зрелище относится к эпохе, когда его мог бы увидеть наблюдатель на Земле. Такая оговорка помогает не смешивать часы, находящиеся в разных местах космоса.

Пока одни звёзды завершают жизнь, другие меняют наше космическое соседство своим движением. На промежутках в миллионы лет особенно заметно, что Солнце путешествует среди других звёзд. Некоторые из них проходят достаточно близко, чтобы повлиять на далёкие тела Солнечной системы.

Один из будущих посетителей — оранжевый карлик Глизе 710. Сейчас он находится примерно в 62 световых годах от Солнца. Согласно расчётам, опубликованным в 2026 году, примерно через 1,34 миллиона лет расстояние сократится до порядка 13 тысяч астрономических единиц. Это около двух с половиной световых месяцев.

Одна астрономическая единица приблизительно равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Следовательно, даже в момент сближения между двумя звёздами останется расстояние, в тысячи раз превосходящее размеры земной орбиты. Глизе 710 пройдёт мимо Солнца. Но для наиболее удалённых тел нашей системы такой пролёт может иметь существенные последствия.

Далеко за орбитами планет предполагается обширный резервуар ледяных тел — облако Оорта. Мы не наблюдаем его как сплошную оболочку вокруг Солнца. Представление о нём основано прежде всего на изучении кометных орбит. Это область, откуда могут приходить долгопериодические кометы, движущиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым орбитам.

На столь больших расстояниях связь небольшого тела с Солнцем сравнительно слаба. Проходящая звезда способна изменить его скорость и дальнейший путь. Часть объектов может получить орбиты, ведущие во внутренние области системы. Поэтому сближение с Глизе 710 рассматривают как возможный источник усиленного потока комет.

Действие пролёта будет распределено во времени. После изменения орбиты ледяному телу ещё нужно преодолеть огромный путь к Солнцу. Даже рост числа приходящих комет сам по себе не предсказывает столкновение с Землёй: для него требуется определённая траектория. Размер облака, распределение его тел и результат возмущений известны с существенными неопределённостями.

Прогноз встречи начинается с измерений положения и движения звезды. Нужны её расстояние, смещение на небе и скорость вдоль луча зрения. В исследовании Глизе 710 данные Gaia дополнили наземными наблюдениями. Из этих сведений восстанавливают пространственный путь звезды и оценивают, как погрешности измерений влияют на время и расстояние сближения.

К концу этой части путешествия небо изменяется уже несколькими способами одновременно. Земная ось задаёт другое направление взгляда, движения звёзд преобразуют созвездия, а эволюция отдельных светил меняет их яркость и приводит к завершению их звёздной жизни. Небесная карта становится изображением конкретной эпохи, которое постепенно расходится с наблюдаемым миром.

Теперь увеличим шаг времени ещё раз. Впереди — десятки миллионов лет. На этом горизонте перемены затронут знакомые портреты соседних планет: спутники будут менять орбиты, кольца — терять вещество, а некоторые миры, возможно, приобретут новые украшения. От далёких звёзд мы вернёмся к телам, которые всё это время продолжали обращаться вокруг Солнца.

Глава 3. Планеты меняют облик

Через несколько десятков миллионов лет у Марса может появиться кольцо. На месте небольшого спутника, который сегодня несколько раз за сутки обегает планету, будет двигаться множество обломков. Они сохранят часть истории Фобоса: вещество одного мира распределится по орбитам вокруг другого.

Путь к этому событию начинается уже сейчас. Фобос обращается вокруг Марса примерно за семь часов сорок минут, тогда как самой планете на один оборот требуется чуть больше суток. Спутник движется вокруг неё быстрее, чем она вращается. Это соотношение определяет, будет спутник постепенно приближаться к планете или удаляться от неё.

Притяжение спутника вызывает в планете приливную деформацию. Она участвует в обмене энергией и угловым моментом между вращением планеты и орбитальным движением. Часть энергии рассеивается в виде тепла. В случае Фобоса орбита постепенно уменьшается, и спутник приближается к Марсу. В системе Земли и Луны соотношение скоростей другое: приливы тормозят вращение Земли и способствуют удалению Луны.

Современный темп сближения Фобоса с Марсом составляет около 1,8 метра за столетие. Кажется, что на такой скорости ничего существенного произойти не может. Однако десятки миллионов лет дают процессу достаточно времени. Кроме того, приливное взаимодействие усиливается при уменьшении расстояния, поэтому нынешний темп нельзя считать неизменным до самого конца.

По мере сближения растёт разница между притяжением, действующим на ближнюю и дальнюю стороны спутника. Марс всё сильнее растягивает Фобос. Сопротивляться этому помогают собственная гравитация спутника и прочность его вещества. Когда удерживающих сил окажется недостаточно, часть тела может отделиться.

Для таких процессов существует понятие предела Роша — критического расстояния до планеты, ближе которого приливные силы могут разрушить спутник. Это не одна универсальная граница для любого вещества. Этот предел зависит от плотности, строения и способности тела выдерживать напряжения. Рыхлый объект и прочная скала одинакового размера могут пережить сближение по-разному.

Поэтому судьба Фобоса связана с вопросом о том, что скрывается под его поверхностью. В модели Бенджамина Блэка и Тушара Миттала значительная часть спутника состоит из слабого, сильно повреждённого материала. Расчёты показали, что эти участки могут разрушиться примерно через 20–40 миллионов лет. Другие оценки дают иные сроки, но общий масштаб остаётся тем же: десятки миллионов лет.

Разрушение не обязательно охватит Фобос целиком за один момент. Слабые участки могут отделиться раньше, а более прочные фрагменты — некоторое время сохраниться. В рассмотренной модели такие остатки позднее столкнутся с Марсом. Поэтому образование кольца и падение части спутника могут оказаться последовательными эпизодами одной истории.

Обломки будут продолжать движение вокруг планеты. Различия их орбит и взаимные столкновения постепенно распределят вещество. Так из компактного спутника может возникнуть кольцо, внешний вид которого будет зависеть от размеров, количества и отражающих свойств частиц.

Новое кольцо тоже будет эволюционировать. При столкновениях частицы обмениваются энергией и угловым моментом. Из-за этого вещество постепенно перераспределяется между орбитами. Часть уходит к планете. На внешнем краю, где приливное воздействие слабее, обломки в подходящих условиях могут собираться в более крупные тела.

В модели Эндрю Хессельброка и Дэвида Минтона, опубликованной в 2017 году, часть вещества будущего марсианского кольца образует новое поколение спутников. Авторы предложили, что похожие циклы могли повторяться и в прошлом. Это условный сценарий, но он показывает интересную возможность: разрушение спутника может одновременно подготовить материал для следующего.

За один широкий интервал времени Марс способен приобрести кольцо, а Сатурн — существенно изменить своё. Эти процессы идут независимо. У них разные исходные условия, но общая причина, по которой привычные изображения планет не останутся вечными: вещество вокруг планеты постоянно взаимодействует с окружающей системой.

Кольца Сатурна состоят преимущественно из водяного льда с примесью другого вещества. Издали они выглядят цельной структурой, но каждый фрагмент движется по собственной орбите. Частицы на разных расстояниях обращаются с разными скоростями и сталкиваются друг с другом.

К этой внутренней динамике добавляются удары микрометеороидов. Они выбивают материал из частиц и меняют распределение вещества и углового момента в кольцах. Часть материала в результате смещается ближе к планете. Небольшие воздействия, которые продолжаются очень долго, способны изменить массу и структуру всей системы.

Есть и поток, получивший название «кольцевой дождь». Частицы льда и продукты их разрушения могут приобретать электрический заряд и под воздействием магнитного поля попадать в атмосферу Сатурна. Во время заключительной части миссии Cassini приборы обнаружили также значительный приток вещества около экватора. Кольца действительно теряют материал.

Чтобы оценить, сколько им осталось, нужно связать эти измерения с моделью длительной эволюции. В работе Ричарда Дьюрисена и Пола Эстрады 2023 года получился диапазон примерно от 15 до 400 миллионов лет при разных допустимых параметрах. Эта ширина хорошо показывает, насколько результат зависит от принятых условий.

Эта оценка зависит от свойств частиц, потока микрометеороидов и механизмов переноса вещества. Поэтому измеренный сегодня приток в атмосферу нельзя автоматически считать постоянной скоростью будущего истощения. Расчёт описывает эволюцию при заданных условиях.

Даже возраст колец остаётся предметом обсуждения. Их светлый облик использовали как довод в пользу недавнего образования: длительное накопление пыли должно было их загрязнить. Но новые модели показывают, что часть примесей эффективно удаляется после ударов. По степени загрязнения колец трудно однозначно определить их возраст.

Исчезновение привычных колец тоже не обязано иметь одну чёткую дату. При уменьшении массы они могут становиться менее плотными и заметными, а отдельные области — меняться по-разному. Утрата сегодняшнего яркого облика и исчезновение последней частицы — разные события.

С Земли кольца иногда уже кажутся исчезнувшими: примерно раз в пятнадцать лет мы видим их почти с ребра. Затем видимый овал снова раскрывается. Смена ракурса показывает, насколько кольца определяют знакомый облик Сатурна, хотя сама по себе не означает утраты вещества.

При этом спутники Сатурна продолжают менять орбиты. По измерениям Cassini, опубликованным в 2020 году, Титан удаляется от планеты примерно на 11 сантиметров в год. В его случае движение направлено наружу. Планетная система может одновременно терять материал из колец и перераспределять расстояния между спутниками.

Скорость такого перемещения связана с процессами глубоко внутри Сатурна, включая возбуждение колебаний в планете. Поэтому орбита спутника позволяет изучать свойства планеты, вокруг которой он обращается. На больших сроках приходится учитывать совместную эволюцию: меняются и небесное тело, и его воздействие на окружающие объекты.

Планеты пока продолжают двигаться по привычным орбитам вокруг Солнца, а их окружение меняется. Фобос приближается к Марсу, возможное кольцо проходит собственную историю, вещество колец Сатурна поступает в атмосферу, Титан движется дальше от планеты. Наблюдаемое устройство систем помогает восстановить причины этих перемен.

Теперь вернёмся к Земле и продвинемся к сотням миллионов лет. Пока вокруг соседних планет менялись орбиты и кольца, здесь продолжалось движение континентов. Знакомая карта мира тоже принадлежит одной эпохе. Впереди — её перестройка, которая может изменить климат и условия жизни на целой планете.

Глава 4. Новая карта Земли

Представим Землю через двести пятьдесят миллионов лет. Солнце по-прежнему восходит над горизонтом, над океаном собираются облака, на суше ветер переносит пыль. Из космоса планета всё ещё выглядит узнаваемо: светлые облачные полосы, синяя вода, большие участки земли. Но если приблизить изображение и сравнить его с современной картой, привычных очертаний материков мы уже не найдём.

Тектонические плиты перемещаются со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Сегодня их движение измеряют с помощью спутниковых систем, а прошлые скорости восстанавливают по геологическим следам, в том числе по магнитной записи океанического дна. Пять сантиметров кажутся почти ничем. Но если сохранять такую скорость сто миллионов лет, получится пять тысяч километров. Это простое сравнение масштаба: реальные плиты за такое время могут изменить и скорость, и направление.

Материки — части больших плит, в которые входят земная кора и жёсткая верхняя часть мантии. Одна плита может нести одновременно сушу и океаническое дно. Ниже находится горячее вещество, способное очень медленно деформироваться. Большая часть мантии остаётся твёрдой: под материками нет всемирного моря расплавленной породы.

На одних границах плиты расходятся, и поднимающееся вещество образует новую океаническую кору. На других океаническая плита погружается в глубину. Когда сближаются крупные участки континентальной коры, возникают горные системы. Так постепенно меняются ширина океанов, расположение берегов и высота суши. Даже дно, которое кажется надёжной основой огромного водного пространства, участвует в непрерывном обновлении.

В прошлом эта работа уже собирала почти всю сушу в один огромный материк. Примерно от трёхсот до двухсот миллионов лет назад существовала Пангея. Затем она распалась, и её части постепенно разошлись. Современные континенты сохраняют следы общего прошлого в строении пород, ископаемых организмах и продолжениях древних горных поясов. Знакомые нам океаны занимают пространства, которых в прежнем виде тогда не существовало.

Поэтому новый суперконтинент выглядит правдоподобным этапом дальнейшей истории Земли. В научных сценариях его образование часто относят к сроку примерно через двести — триста миллионов лет. Однако движение плит не работает как часовой механизм с неизменным расписанием. Чтобы получить будущую карту, приходится предполагать, какие границы сохранятся, где начнётся погружение океанической коры и какие области суши будут раскалываться.

Один из сценариев получил название Пангея Ультима. В нём Атлантический океан со временем начинает закрываться, и разделённые сегодня материки вновь сходятся. Сейчас Атлантика расширяется, поэтому такая история предполагает существенную перестройку границ плит. Другие варианты будущего собирают сушу за счёт закрытия иных океанических пространств. Эти различия возникают из разных предположений о том, как продолжится тектоническая история.

В подробно исследованном варианте Пангеи Ультима значительная часть материка располагается в низких широтах. Перед нами огромная суша, многие внутренние районы которой отделены от океана тысячами километров. Уже одного такого расположения достаточно, чтобы задуматься о климате.

Сегодня океан влияет на погоду далеко за пределами побережья. Он накапливает тепло, отдаёт его атмосфере и служит главным источником воды для осадков. Суша нагревается и остывает иначе, поэтому близость моря часто смягчает температурные колебания. Когда материк становится очень большим, влияние океана на его глубинные районы ослабевает. Условия на берегу и в центре одной и той же суши могут резко различаться.

Попробуем мысленно пройти от побережья к середине такого континента. Сначала влажный воздух приносит дожди. Дальше путь преграждают горы. Поднимаясь по их склонам, воздух охлаждается и теряет часть влаги, а за хребтом может возникнуть область, куда осадков поступает гораздо меньше. Если таких преград несколько, одного расстояния до моря недостаточно, чтобы судить о климате местности: многое зависит от направления ветров и расположения гор.

Можно представить жаркие равнины, сезонные реки и огромные пространства с редкой растительностью. Это иллюстрация возможной внутренней области суперконтинента, а не готовая карта его ландшафтов. Большая суша способна создавать и сильные сезонные системы ветров, приносящие обильные дожди в отдельные районы. Поэтому огромный материк нельзя просто закрасить одним цветом и назвать сплошной пустыней.

Перестройка затрагивает и воду вокруг него. Материки ограничивают пути океанических течений. Закрытие пролива или появление нового прохода меняет доступные маршруты переноса тепла. За миллионы лет возникают и исчезают целые океанические бассейны; система океанических течений, которая сегодня переносит тепло между широтами, меняет своё устройство. Будущий климат приходится рассчитывать вместе с будущим океаном.

Пока плиты движутся, меняется и Солнце.

Через двести пятьдесят миллионов лет солнечная светимость, согласно расчётам, увеличится примерно на два с половиной процента. Земля будет получать больше энергии. Последствия этого изменения наложатся на перестройку суши и атмосферы.

Третья важная составляющая — углекислый газ. Его содержание в воздухе на геологических промежутках определяется обменом углерода между недрами, породами, океаном и живыми организмами. Вулканическая деятельность возвращает углерод в атмосферу. Химическое выветривание некоторых пород участвует в его удалении: продукты реакций поступают с реками в океан, а углерод со временем оказывается связанным в осадках.

В этой системе существуют обратные связи. Потепление при наличии воды может ускорять химическое выветривание и тем самым способствовать удалению углекислого газа из атмосферы. Но скорость процесса зависит от осадков, температуры, доступных пород и рельефа. Подъём гор открывает новые поверхности для разрушения. Сухость ограничивает реакции, которым нужна вода. Меняя расположение материков, тектоника меняет и условия работы этого медленного климатического регулятора.

Поэтому было бы неверно считать, что само объединение суши обязательно даст заранее известную концентрацию углекислого газа. Нужно оценивать его поступление и удаление, причём оба потока будут меняться. Здесь геология соединяется с климатом и химией: разные исходные предположения дают разные состояния будущей атмосферы.

В 2023 году группа исследователей во главе с Александром Фарнсвортом рассчитала климат Пангеи Ультима и сопоставила его с ограничениями, важными для жизни млекопитающих. Учёные рассматривали сочетание большой континентальной суши, более яркого Солнца и разных концентраций углекислого газа. В некоторых вариантах площадь суши, пригодной для жизни млекопитающих, резко сокращалась.

При концентрациях CO₂ в 560 и 1120 частей на миллион доля суши, признанной пригодной по критериям исследования, составляла соответственно около шестнадцати и восьми процентов. «Частей на миллион» здесь означает число молекул углекислого газа на миллион молекул воздуха. Эти результаты относятся к конкретным экспериментам; при меньшем содержании CO₂ пригодной суши в расчётах оставалось значительно больше. География, атмосфера и выбранные критерии вместе определяют итог.

Чтобы понять, почему такой климат опасен для млекопитающих, недостаточно посмотреть на один столбик термометра. Животное само производит тепло, когда движется, переваривает пищу и поддерживает работу органов. Это тепло нужно отдавать окружающей среде. В жарком воздухе задача становится сложнее, а высокая влажность затрудняет охлаждение посредством испарения воды.

Помогают изменение времени активности, убежища и физиологические приспособления. Но при долгой жаре всё равно требуется добывать воду и пищу, размножаться и выращивать потомство. Укрытие должно находиться в среде, которая способна прокормить животное. Из этого следует, что наличие отдельных прохладных мест само по себе ещё не обеспечивает сохранения всей экосистемы.

За двести пятьдесят миллионов лет сама жизнь тоже изменится. Исчезнут многие современные виды, возникнут новые. Климатическая модель не рассказывает историю их эволюции: оценка опирается на известные ограничения млекопитающих. Возможности далёких потомков неизвестны, хотя считать приспособление к любой жаре гарантированным тоже нельзя.

Также этот сценарий не означает исчезновения всей жизни. Условия, которые становятся крайне тяжёлыми для наземных млекопитающих, могут оставлять возможности для других организмов. Океан, почвы и подземные среды нужно рассматривать отдельно. У разных форм жизни разные потребности; оценка одной группы не заменяет оценку всей биосферы.

И сама будущая география пока остаётся открытым вопросом. Например, сценарий Амазии собирает большую часть материков в высоких северных широтах, оставляя Антарктиду отдельно. В другом варианте, Аурике, суша объединяется ближе к экватору. Расчёты исследователей NASA и их коллег показали заметные различия между климатическими условиями таких миров. На высоком северном материке большая высота поверхности способствовала накоплению снега, который отражал солнечный свет и усиливал охлаждение.

Карта Земли через четверть миллиарда лет остаётся набором возможных вариантов. Особенно тревожно сочетание тропического суперконтинента с усилившимся солнечным излучением и высоким содержанием CO₂. В таком мире океаны ещё существуют, Солнце остаётся обычной звездой, а пространство для наземных млекопитающих уже может резко сократиться.

Новый материк тоже не обязан остаться последним. История Пангеи напоминает, что объединение суши может смениться расколом. Горы разрушаются, возникают новые границы плит, открываются океанические пространства. Геологическая история продолжается, пока существуют условия для поддерживающих её процессов.

Однако условия, в которых движутся материки, будут постепенно меняться. Солнечная светимость продолжит расти. География сможет перераспределять тепло, углеродный цикл — изменять состав воздуха, но и то и другое будет происходить в условиях, всё более отличающихся от сегодняшних.

До исчезновения последнего океана ещё останется огромный промежуток времени. За него Земля может пройти через несколько разных состояний, каждое со своими возможностями для жизни. Дальше наше путешествие приведёт к переменам, затрагивающим растения и атмосферу: привычный живой мир начнёт терять условия, благодаря которым он существует сейчас.

Глава 5. Конец знакомого живого мира

Перестройка материков способна изменить условия жизни на огромных территориях. Но даже после появления и распада новых континентов Земля останется под действием более медленной перемены. По мере роста солнечной светимости Земля будет получать всё больше энергии. За сотни миллионов лет это изменит не только климат, но и работу биосферы — системы, связывающей живые организмы с воздухом, водой и породами.

Один из признаков уходящей эпохи можно будет увидеть в небе. Когда-нибудь на Земле произойдёт последнее полное солнечное затмение.

Сегодня Луна способна полностью закрыть солнечный диск благодаря сочетанию размеров и расстояний. Солнце гораздо больше нашего спутника, но находится гораздо дальше, поэтому их видимые размеры близки. Лунная орбита вытянута: иногда Луна выглядит достаточно большой для полного затмения, иногда оставляет вокруг себя светящееся кольцо. Постепенное удаление спутника уменьшает его видимый размер.

В популярном изложении NASA исчезновение полных затмений относят примерно к сроку через шестьсот миллионов лет. Это ориентир, а не точная дата последнего события. Нынешнюю скорость удаления Луны нельзя считать неизменной на всём этом промежутке. Солнечный диск тоже будет меняться. Но общий результат понятен: когда Луна даже в положении, при котором её видимый размер максимален, окажется слишком маленькой, полного закрытия Солнца больше не произойдёт.

Частичные и кольцеобразные затмения сохранятся. Луна по-прежнему сможет проходить перед Солнцем, но день уже не будет превращаться в краткую ночь так, как происходит при полной фазе сегодня. Завершится одна из особенностей земного неба, существование которой зависит от текущей геометрии нашей системы.

Рост солнечной светимости имеет другую причину. В его недрах водород превращается в гелий, а часть энергии ядерных реакций в конце концов выходит наружу в виде излучения. По мере накопления гелия меняется состав вещества в центре звезды. Ядро постепенно уплотняется и нагревается, что влияет на скорость реакций. Так звезда перестраивает своё внутреннее равновесие и со временем становится ярче.

На этих промежутках Солнце ещё не превратится в красного гиганта. Оно будет оставаться звездой, в ядре которой водород превращается в гелий. Однако постепенного увеличения светимости достаточно, чтобы нарушать прежнее равновесие между поступающим на Землю и уходящим теплом.

В предыдущей главе мы встретились с углеродным циклом. Его роль теперь станет особенно важной. Углекислый газ удерживает часть теплового излучения Земли. Если солнечное излучение усиливается, ослабление этого парникового влияния способно частично компенсировать потепление.

Один из механизмов такой компенсации связан с химическим выветриванием силикатных пород. В присутствии воды реакции с участием углекислого газа постепенно переводят углерод из атмосферы в другие резервуары. Продукты реакций попадают с реками в океан; дальнейшие процессы связывают углерод в осадках. При подходящих условиях потепление ускоряет этот обмен. На геологических промежутках он помогает регулировать климат.

Однако для жизни здесь возникает трудность. Углекислый газ одновременно служит сырьём для фотосинтеза.

Растения используют солнечную энергию, чтобы из воды и углекислого газа создавать органические вещества. В них накапливается энергия, которая затем проходит по пищевым цепям. Лист, семя, корень, травоядное животное, хищник — разные участки одного потока. Если растениям становится труднее создавать органические вещества, последствия распространяются далеко за пределы растительного мира.

Для фотосинтеза недостаточно одного света. Нужны вода, доступный углерод, питательные вещества и приемлемая температура. Поэтому более яркое Солнце не обязательно означает более богатую растительность.

В сценариях, где климатическая компенсация эффективно удаляет CO₂ из воздуха, растения оказываются между двумя ограничениями. Усиление Солнца подталкивает планету к нагреванию, а углеродный цикл может уменьшать доступность сырья для фотосинтеза. Поддерживая более умеренную температуру, планета постепенно меняет условия, при которых существует её зелёный покров.

Это не означает, что все растения достигнут своего предела одновременно. У них есть разные способы усвоения углерода. Большинство деревьев и многие другие растения используют так называемый C₃-фотосинтез. У растений с C₄-фотосинтезом есть механизм концентрации CO₂, позволяющий эффективнее использовать его при малом содержании в воздухе. Значение имеют также температура и затраты на поддержание жизнедеятельности. Нельзя назвать единственную концентрацию углекислого газа, при которой исчезнет вся растительность.

Вообразим возможный этап её отступления. Лес ещё существует, но условия для роста и восстановления ухудшаются. Его место занимают организмы, которым легче переносить изменившуюся среду. Затем и их возможности сокращаются. Будущие виды нам неизвестны, но эта условная картина показывает, как потеря продуктивности может предшествовать исчезновению последнего растения.