Loading Posts...

Космические связи: как сформировался космос, материя и жизнь

Изначально я планировал рассказать больше про космологию, Большой Взрыв, о событиях, приведших к возникновению жизни. Но в итоге я решил, что мой доклад будет носить немного иной характер: я расскажут космических связях – о том, как сформировался космос, как образовались атомные ядра, все химические элементы, соединения и, наконец, жизнь. Основное внимание в своем выступлении я хотел бы уделить вопросу образования химических элементов. Здесь возникают следующие принципиально важные вопросы: откуда они взялись? Что мы узнали, об их происхождении с помощью телескопов и теоретических рассуждений? Кроме того, как появляются самые тяжелые элементы? Ведь, как вы вскоре узнаете, образование более легких – процесс относительно несложный.

По мере развития науки древнее искусство алхимии приобрело сомнительную репутацию шарлатанской практики. Но в современных реалиях «алхимия Вселенной» наполнилась новым смыслом с появлением периодической таблицы элементов – универсальной схемы, которая легко умещается на салфетке. Можно сказать, что в наши дни это древнее понятие в каком-то смысле вернуло себе доброе имя.

Современная «алхимия» возникла на рубеже XIX и XX столетий благодаря работам Анри Беккереля и Марии Склодовской-Кюри (Henri Becquerel, Maria Sklodowska-Curie). В результате Склодовска-Кюри стала единственной женщиной, получившей целых две Нобелевских премии — по химии и по физике. В частности, награда была присуждена за открытие возможности преобразовывать одни элементы в другие, точнее — того, что они могут это делать сами по себе. Позже обнаружилось, что этот процесс связан с одним из трех открытых позже видов радиоактивного распада (альфа, бета и гамма).

Существует два вида «алхимии»: распад и синтез. Первый предполагает разделение тяжелого элемента на несколько более легких, причем суммарное количество протонов и нейтронов в новых ядрах, как правило, остается таким же. как в исходном. Второй вид – синтез — представляет собой процесс, при котором несколько ядер легких элементов объединяются в одно ядро более тяжелого. Важный аспект, касающийся этого процесса, описывается с помощью графика, называемого кривой энергии связи. Эта энергия определяет, насколько сильна связь между составляющими атомного ядра. График показывает, что у легких элементов она относительно слаба, а при продвижении далее, к более тяжелым ядрам, она увеличивается, достигая максимума у атома железа, у которого энергия связи составляет около 7% от общей массы частиц, входящих в состав его ядра. У элементов, следующих дальше по периодической таблице в направлении урана, она начинает постепенно снижаться.

По сути, в этой закономерности и заключен ответ на вопрос, откуда взялись все химические элементы.

Самая первая научная работа, в которой была предпринята попытка объяснить происхождение химических элементов, увидела свет в 1948 г. Она известна под названием «Альфа, Бета, Гамма», поскольку ее авторами были Георгий Гамов, Ральф Альфер и Ханс Бете (Ralph Alpher, Hans Bethe). Данные, опубликованные в работе, фактически получил Гамов и его ученик Альфер, а Бете они пригласили стать соавтором, чтобы последовательность фамилий была созвучна с первыми буквами греческого алфавита. Работа принесла своим авторам Нобелевскую премию по физике в 1967 г., и Бете ее тоже вполне заслужил: его дальнейшие исследования помогли пролить свет на образование первых атомных ядер после Большого Взрыва.

Именно идея, лежавшая в основе этого труда, и получила название Теории Большого Взрыва, в ходе которого, как предполагалось ее авторами, родились ВСЕ химические элементы. Она также привела Гамова, Альфера и Роберта Германа (Robert Herman) к формулировке основ процесса, известного нам теперь как нуклеосинтез. В то же время Гамов часто спорил с известным космологом Фредом Хойлом (Fred Hoyle), который был настроен в отношении этой теории весьма скептически. Кстати, он как раз и придумал ироничное выражение «Большой Взрыв» в попытке высмеять идею Гамова… но оно прижилось в качестве общепринятого названия этой концепции Сам Хойл в совместной работе с Уильямом Фоулером, Джеффри и Маргарет Бербиджами (Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, William Fowler) сформулировал теорию, предполагающую образование химических элементов в ядрах звезд в процессе их жизненного цикла, которая тоже удостоилась Нобелевской премии по физике в 1983 г.

Читать:  Газовая "Земля"

Но как же определить, чья теория верна? Для этого придется углубиться в аспекты ядерной физики. Это самая неприятная сторона космологии: для ее понимания нужно хорошо разбираться в направлениях физики, поскольку разные этапы существования Вселенной определяются различной физикой. В данный момент нас интересует именно ядерная.

Если тщательно рассмотреть процесс Большого Взрыва, предполагаемый одноименной теорией (а именно этим и занимались Гамов, Альфер и Герман в 1948 г. и позже, в 1950-е), становится очевидным, что для того, чтобы слить воедино атомные ядра – объекты, в состав которых входят нейтроны и протоны — необходимо преодолеть силу электростатического отталкивания, существующую между ними, а для этого потребуется определенная кинетическая энергия. Соответственно, нужен мощный нагрев: расчеты показывают, что на каждое атомное ядро должно приходиться несколько десятков миллиардов фотонов. В результате около 20% массы ранней Вселенной, помимо водорода, составили атомы гелия, и совсем незначительное количество вещества пришлось на дейтерий, литий и бериллий. Это все, что может образоваться при Большом Взрыве. Аргумент, который использовал Гамов в своих спорах с Хойлом, основывался на том, что его теория объясняла происхождение 99% массы молодой Вселенной. Но именно это предсказание оказалось ошибочным. В остальном эта теория описывала ранние этапы нашего мира очень неплохо: согласно ей, в первые секунды он должен был быть необычайно горячим. Один из докладчиков, которых вы сегодня видели на этой сцене – Роберт Вилсон (Robert Wilson) – совместно со своим напарником Арно Пензиасом в 1965 г. открыл то самое остаточное послесвечение Большого Взрыва с помощью антенны, на которой они работали. Это так называемое реликтовое излучение представляет собой тепло, оставшееся со времен молодости Вселенной, а Вилсон и Пензиас доказали, что исходит оно из каждой ее точки, отовсюду. За свое открытие они удостоились Нобелевской премии по физике в 1978 г.

Кроме того, за подтверждение этого открытия была присуждена еще одна Нобелевская премия – команде, проводившей исследования с помощью спутника СОВЕ в 1992 г. Новые, более тщательные наблюдения выявили, что в реликтовом излучении имеются небольшие перепады температуры. Эти перепады многое говорят об эволюции и свойствах нашей Вселенной. Однако вернемся все же к вопросу о том, откуда взялось это излучение, и каким же образом все-таки образовались химические элементы.

Чтобы понять, каким образом происходил процесс нуклеосинтеза сразу после Большого Взрыва, необходимо произвести некоторые расчеты. Сперва происходит захват электронов протонами с образованием нейтронов, потом – слияние в более тяжелые ядра, но совсем скоро возникает проблема: не существует стабильных ядер с атомной массой 5 и 8. Это представляет сложность, поскольку, чтобы «наполнить» Вселенную более тяжелыми элементами, необходимо преодолеть этот барьер до того, как пространство расширится (а температура и плотность вещества соответственно снизятся) и пропадут условия, требуемые для поддержания реакций синтеза. Сделать эти расчеты нужно с максимально возможной точностью, учитывая время жизни нейтрона до неминуемого распада – а это около 10-15 минут.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что в первые мгновения своей жизни Вселенная наполнилась водородом, в меньшей степени — гелием, и вдобавок – совсем небольшим количеством легких элементов, причем все это произошло менее чем за 10 минут. А далее в течение очень длительного времени не происходило практически ничего.

Для дальнейшего «роста» ядер в остывающей Вселенной уже не хватало энергии. Для продолжения процесса нуклеосинтеза должны были появиться объекты, в недрах которых имеются подходящие условия для возникновения более тяжелых химических элементов. Но гравитационные взаимодействия очень слабы, и микроскопическим частицам в разреженном газе требуется огромное количество времени, чтобы благодаря едва заметным различиям плотности начать собираться в массивные газовые облака, впоследствии сжимающиеся под действием собственной силы тяжести, образуя звезды.

Жизненный цикл звезды состоит из очень простых стадий. В процессе активного существования она сжигает свой запас термоядерного топлива, производя все более тяжелые элементы, которые улетучиваются со звездным ветром и, в конце концов, выбрасываются в окружающее пространство во время взрыва Сверхновой. Потом эта материя снова собирается в газово-пылевые облака, сжимается под собственным весом, образует следующие поколения звезд планеты, а возможно, и жизнь. Однако все тяжелые элементы, из которых состоят окружающие нас вещи — хоть их количество и ненамного превышает 1% от общей массы вещества во Вселенной – должны были откуда-то взяться.

Читать:  История шаттла Буран

Давайте рассмотрим, как наше Солнце «сжигает» водород. К нашему счастью, происходит это достаточно медленно. Протоны в его недрах носятся с огромной скоростью, пока, наконец, не сталкиваются и не сливаются. В таких «скитаниях» они проводят обычно от года до миллиарда лет, а затем за долю секунды происходит слияние в ядро дейтерия (после чего — слияние двух ядер дейтерия в ядро гелия). Различными путями эта реакция внутри солнечного ядра происходит повсеместно, и водород постепенно «переплавляется» в гелий. В результате этого процесса недра нашего светила постепенно обогащаются гелием.

Таким образом, срок жизни Солнца ограничен. Как и другие звезды, оно имеет свой жизненный цикл, и следующая его стадия — превращение в красного гиганта – наступит приблизительно через 5 млрд лет. В этот период оно начнет выбрасывать в окружающее пространство большое количество синтезированного в его недрах вещества. Однако до этого отдаленного момента жизнь на Земле может наслаждаться на удивление равномерным и умеренным потоком чистой энергии, испускаемой нашей звездой.

Но как же происходит «сжигание» гелия? Можно предположить, что аналогичным образом: его ядра сталкиваются и «слипаются», образуя еще более тяжелые элементы. Однако тут есть загвоздка. Она заключается в том, что следующий элемент – бериллий – нестабилен. Его ядра распадаются сразу же после образования за 10 в минус 16 степени секунды – невероятно короткий промежуток времени. Продолжительности жизни атомов бериллия недостаточно, чтобы они успели столкнуться с другими ядрами и произвести углерод.

Решение этой проблемы предложил Фред Хойл: он допустил, что в таком случае углерод может возникать при столкновении одновременно трех ядер гелия, масса каждого из которых втрое меньше, чем масса ядра углерода. Свою догадку он представил на семинаре в Калифорнийском технологическом институте, а спустя неделю был организован и проведен эксперимент, подтвердивший эту гипотезу. Теперь ученые имели представление о том, как в недрах звезд может образовываться углерод.

Как же происходит синтез кислорода? Оказалось, что для этого требуется атом углерода, сталкивающийся с гелием, причем в результате реакции выделяется значительное количество энергии. При этом потребление углерода для такой реакции не так уж велико – большая часть этого элемента сохраняется и накапливается внутри звезды, чтобы потом оказаться выброшенной в космос и стать основой для углеродных форм жизни, подобных нашей.

Если рассмотреть структуру звезды, то к концу жизненного цикла накопленный материал в ней располагается слоями, напоминающими луковицу: в самом внешнем водород «переплавляется» в гелий, глубже – гелий в углерод кислород и так далее. Таким образом, образуется целый последовательный ряд все более тяжелых элементов. В центре светила накапливается железо — наиболее стабильный элемент, для «переплавки» которого требуется затратить больше энергии, чем высвобождается в результате реакции. Из-за этого процесс синтеза замедляется, выделение энергии ослабевает и звезду начинает сжимать собственная сила тяжести. В результате происходит ее гравитационный коллапс и она взрывается как Сверхновая.

Что же мы узнали об этих взрывах невероятных масштабов с помощью телескопов?

На снимке участка неба, расположенного в Туманности Ориона, заметны спектральные линии, соответствующие различным химическим соединениям, обнаруженным в остатках жизнедеятельности звезд. Среди них – двуокись серы SO2 угарный газ СО, вода… все эти вещества присутствуют в облаке материи, образовавшемся после смерти светила. Это значит, что внутри звезды синтезируются не только сами элементы, но и их соединения, представляющие собой «кирпичики жизни». В таких туманностях ученые обнаруживают все необходимые составляющие для ДНК и всевозможные органические вещества. Подобные наблюдения позволяют сделать вывод, что материалы, из которых соткана земная жизнь, широко доступны во многих регионах Вселенной и выбрасываются в огромном количестве множеством звезд после их смерти.

Читать:  Объекты из которых состоит космос

Анализируя аналогичные выбросы звездной материи, мы находим те же самые соединения, куда бы мы ни посмотрели. Первых исследователей потрясло количество органики, которой наполнен космос благодаря взрывам сверхновых. Картина прояснилась: легкие элементы образовались сразу после Большого Взрыва, а более тяжелые, из которых состоят планеты и живые существа, были «выкованы» в недрах нескольких поколений звезд существовавших до рождения Солнца.

Еще один момент, вызывающий живой интерес космологов – это распространенность химических элементов. Судить о ней можно, исходя из принципа, который мы называем ядерным статистическим равновесием. Он показывает, что при термоядерном синтезе одних элементов образуется больше, чем других. Меньше всего должно быть самых тяжелых ядер (тяжелее железа). Это связано с тем, что условия, необходимые для их образования, экстремальны: только во время вспышек сверхновых, когда на протяжении непродолжительного отрезка времени условия становятся наиболее похожими на сам Большой Взрыв, возможно слияние атомов, рождающее самые последние элементы периодической таблицы. В таких взрывах материя распадается на составные части, высвобождается огромное количество свободных нейтронов, и они — по схеме, предложенной Гамовым – могут захватываться атомными ядрами, увеличивая их массу и образуя таким путем все более тяжелые элементы. Итак, Вселенная состоит на 75% из водорода, на 23% – из гелия, а на все остальные химические элементы (от лития до урана) приходится лишь 2%.

Таким образом, с помощью современных наблюдательных средств мы можем проследить, как образуются тяжелые элементы, и обнаружить места в нашей Галактике, где старые звезды выбрасывают отработанные материалы для использования следующими поколениями светил.

В астрономии принято говорить, что взгляд во Вселенную – это взгляд в прошлое, поскольку свету от далеких галактик требуется много времени на то, чтобы добраться до нас. Но я хочу отметить, что заглянуть в прошлое можно и с помощью изучения ископаемых материалов на Земле. Исследуя их, мы можем проследить, как вскоре после завершения Тяжелой Бомбардировки астероидами и кометами на нашей планете возникла примитивная жизнь, внутриклеточный механизм постепенно становился все более сложным, потом отдельные клетки начали объединяться в многоклеточные организмы, а со временем появились формы жизни, напоминающие современные.

Конечно, это лишь несколько способов, с помощью которых мы пытаемся восстановить события, происходившие после Большого Взрыва, но они в значительной степени помогают нам объяснить, как возникло наше привычное окружение: откуда появились все элементы, как стало возможным формирование новых поколений звезд планет, возникновение подходящих условий для жизни. Конечно, это не универсальные ответы. Структура и химический состав различных планет могут сильно отличаться друг от друга: например, у одних ядро уже остыло, а у других – все еще раскалено. Возможно, если бы условия на Земле были более благоприятными, жизнь могла бы появиться и развиться намного быстрее. Однако основополагающим фактом остается то, что все элементы, входящие в состав и необходимые для живых организмов, возникли в результате Большого Взрыва и жизнедеятельности предшествующих поколений звезд.

Несомненно, со времен Большого Взрыва произошло множество событий, представляющих научный интерес, но я специализируюсь на изучении процессов, имевших место в первые три минуты существования нашей Вселенной: от образования протонов и нейтронов до формирования первых атомных ядер. Далее из этой первичной материи сформировались атомы, самое раннее поколение звезд и первые галактики. И хотя современная химия не занимается превращением железа в золото, можно сказать, что, узнав о происхождении элементов, мы раскрыли секрет алхимии Вселенной.

Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
1 Комментарий
старее
новее большинство голосов
Inline Feedbacks
View all comments
Анатолий Тихвинский
Анатолий Тихвинский
3 месяцев назад

РЕАЛЬНОСТЬ и… ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ. Все что создал и создает человек, по сути, создает его мозг. И это является для самого человека и его мозга Реальностью. Но это означает и обратное: все, что воспринимается человеком как Реальность, является, всего лишь, созданием его мозга. объясняю: Вся получаемая нами Информация, сначала проходит через наши органы чувств в наш МОЗГ и только потом, наш мозг создает для нас “реальную” картину. ВСЕ, что нас окружает нарисовано для нас нашим мозгом.. А работа нашего мозга прямым образом зависит от условий существования нашего мозга. В данном случае, от планеты Земля. Пока люди находятся на Земле у всех, существует… Подробнее »

Loading Posts...