Химия созидания. Как природа заполняла таблицу Менделеева со времен Большого взрыва

2019-02-13 09:01:00

9809 151
Химия созидания. Как природа заполняла таблицу Менделеева со времен Большого взрыва

Фото пользователя geralt на Pixabay

Окружающий нас мир – набор химических элементов, которые начали формироваться еще 13,8 миллиарда лет назад. Какие процессы привели к созданию этих стройматериалов вселенной, рассказывается в материале Los Angeles Times

В этом году исполнилось 150 лет с тех пор, как Дмитрий Менделеев составил периодическую таблицу химических элементов. С тех пор ученые всего мира трудились над тем, чтобы заполнить ее ряды, а также понять свойства каждого вещества. Однако работа велась и в другом направлении. Исследователи прочесывали космос, чтобы выяснить происхождение всех элементов таблицы.

После десятилетий усилий они определили, что подавляющее большинство элементов возникло, благодаря жизни и смерти звезд. Теперь они обеспечивают химическое разнообразие новому поколению светил и планет.

Большинство элементов на Земле (за исключением немногих, недавно синтезированных людьми) – наследие туманности, породившей Солнечную систему 4,5 миллиарда лет назад. Это и железо в наших небоскребах, и кремний в наших компьютерах, и золото в наших украшениях, и кальций в наших костях.

"Элементы создают реальную связь между нашей галактикой, нашей вселенной и всем человечеством", – говорит астрофизик из Университета Оклахомы Джон Коуэн.

Так как же природа заполнила периодическую таблицу? Начнем эту историю с начала. С самого начала.

Возьмем немного водорода

В течение первых минут после Большого взрыва в облаке новорожденных частиц по мере его расширения и охлаждения объединились атомы водорода (атомный номер 1). Некоторые из них быстро соединились в гелий (атомный номер 2). Эти два элемента и по сей день составляют 98% вселенной и являются основными компонентами звезд. Передовой астроном Сесилия Пейн-Гапошкина указала на это, когда опубликовала оценку состава Солнца в 1925 году, опровергнув распространенное мнение о том, что он похож на состав Земли.

Вселенная состоит на 98% из водорода и гелия, образовавшихся вскоре после Большого взрыва

Самые первые звезды сформировались примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, отмечает Дженнифер Джонсон, астроном из Университета штата Огайо, автор свежего обзора происхождения элементов, опубликованного в журнале Science. Они были массивными, и в течение длительного времени генерировали энергию, "сжигая" водород и объединяя атомы в гелий посредством ядерного синтеза, как Солнце делает и сегодня.

Однако рано или поздно у всех звезд заканчивается водородное топливо. Тогда они в неистовом темпе начинают производить все более тяжелые элементы, заполняя в процессе следующие три строки таблицы Менделеева.

Некоторое время они перерабатывают гелий в углерод (атомный номер 6) и кислород (атомный номер 8). Затем, ближе к концу жизни, звезда превращает углерод в такие элементы, как натрий (атомный номер 11) и магний (атомный номер 12). Следом атомы кислорода начинают сливаться в кремний (атомный номер 14), фосфор (атомный номер 15) и серу (атомный номер 16). Под занавес своего существования светило производит металлы, такие как железо (атомный номер 26).

По мнению Джонсон, это поразительно и прозаично одновременно, "как человеческая жизнь".

Затем наступает то, что астрономы зловеще называют "железной катастрофой". Термоядерная реакция не позволяет соединять элементы тяжелее железа, поэтому звезда внезапно выдыхается. Менее чем за секунду она коллапсирует, а затем взрывается как сверхновая, извергая "новоиспеченные" элементы в космос.

Сверхновые могут испускать космические лучи, которые разделяют более крупные атомы, способствуя образованию лития (атомный номер 3), бериллия (атомный номер 4) и бора (атомный номер 5). Данный процесс является основным источником этих элементов во вселенной.

Самый тяжелый металл

То, что элементы вплоть до железа выкованы в звездах, было известно довольно давно. Сложнее было определить происхождение остальных. Ответ начал обретать форму в 1957 году, когда на свет вышла знаменательная статья, написанная супругами-астрономами Джеффри и Маргарет Бербидж, а также Уильямом Фаулером и Фредом Хойлом. Труд, начинавшийся с размышлений Шекспира о звездах, стал настолько известным, что и по сей день ученые называют ее просто B2FH по инициалам авторов. 

Тяжелые элементы образуются, когда исходный атом, например углерод или железо, бомбардируется нейтронами и захватывает их в свое ядро. "Он поглощает их все, – говорит Анна Фребель, астроном из Массачусетского технологического института. – И возникает вопрос: нравится ему это или нет? Обычно нет". Таким образом, атом проходит радиоактивный распад и в итоге появляется более тяжелый и более стабильный элемент.

Самые тяжелые элементы, такие как уран и плутоний образуются из-за слияния нейтронных звезд, вес которых может быть вдвое больше Солнца при диаметре всего в 20 км

В B2FH изложена физика того, как этот процесс может происходить быстро или медленно.

Хаос сверхновой был одним из очевидных кандидатов на быструю версию, но в последние годы ученые начали подвергать эту идею сомнению. "Вероятно, даже при мощном взрыве сверхновой недостаточно энергии, чтобы создать все эти элементы", –  считает Фребель.

3 года назад она опубликовала результаты исследования маленькой галактики, содержащей множество золота и других тяжелых элементов. Если бы все они появились на свет, благодаря сверхновым, то их бы потребовалось так много, что "галактику разнесло бы на части".

Теперь исследователи предпочитают делать ставку на другое явление: слияние нейтронных звезд. Нейтронные звезды – это ультраплотные сферы, остающиеся после смерти массивных звезд. Они могут иметь диаметр всего в 20 км и вес в 2,5 раза больше, чем у Солнца. Иногда две из них сцепляются в смертельном танго, вращаясь по спирали навстречу друг другу, пока не столкнутся. При этом испускается дождь нейтронов, достаточно интенсивный, чтобы создать самые тяжелые элементы во вселенной, такие как уран (атомный номер 92) и плутоний (атомный номер 94).

Данная идея обрела плотный фундамент в 2017 году, когда обсерватория LIGO впервые обнаружила столкновение нейтронных звезд. Исследователи изучили свет от взрыва и обнаружили контрольные следы тяжелых элементов, в том числе золота.

Ученым предстоит еще многое узнать о роли сверхновых и слияния нейтронных звезд, но, по словам Фребель, человечество становится все ближе к пониманию источника формирования каждого элемента.

Медленно, но верно

Первые слияния нейтронных звезд произошли после того, как умерло первое поколение светил и по космосу разлетелись всевозможные новые атомы. Однако состав вселенной не переставал меняться. В течение следующего миллиарда лет новые космические процессы вели к увеличению количества определенных элементов, поскольку начали формироваться более мелкие звезды.

Они недостаточно велики, чтобы производить что-то более тяжелое, чем углерод и кислород, или взрываться как массивные сверхновые. Вместо этого, когда термоядерная реакция в их ядрах прекращается, они угасают в белых карликов, способных сталкиваться, тем самым запуская безудержный термоядерный синтез, превращающий почти все в звезде в железо.

До этого, в процессе длительного умирания, некоторые маломассивные светила также могут производить тяжелые элементы. Нейтроны, оставшиеся со времен создания гелия, проникают в ядра других элементов со скоростью примерно один раз в несколько недель или месяцев, постепенно создавая более тяжелые атомы. Для превращения атома железа в редкоземельный элемент, например в лантан (атомный номер 57) или лютеций (атомный номер 71), требуется более 100 захваченных нейтронов.

Зато подобных звезд много, и существуют они долго, так что производят примерно половину элементов тяжелее железа. Астроном Пол Меррилл нашел доказательства данного процесса в 1951 году. Работая в обсерватории Маунт-Уилсон неподалеку от Лос-Анджелеса, он обнаружил радиоактивный элемент технеций (атомный номер 43) в угасающей древней звезде.

Ученые знали, что технеций нестабилен и быстро распадается. Это означало, что он не мог изначально существовать в звезде, которой уже миллиарды лет, понял Меррилл. Элемент мог оказаться там только в том случае, если был создан внутри светила.  

Остывающее горнило

Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, звезды преобразовали около 2% водорода и гелия во вселенной в другие элементы. Теперь они существуют в разных количествах, в зависимости от частоты и производительности процессов, в результате которых они появляются. Например, платина (атомный номер 78) встречается в миллион раз реже железа, потому что слияния нейтронных звезд происходят не очень часто (это одна из причин того, почему драгоценные металлы драгоценны).

Состав вселенной перестанет меняться примерно через 10 триллионов лет, когда прекратится образование звезд

Присутствие таких элементов, как углерод и кислород, помогло охладить различные уголки галактики, чтобы могли образоваться меньшие звезды, такие как Солнце. А появление металлов позволило планетным системам сформироваться из дисков газа и пыли, кружившихся вокруг этих новых светил.

По мере старения вселенной более тяжелых элементов в ней будет становиться все больше, и примерно через 10 трлн лет, когда образование звезд прекратится, ​​ее состав перестанет меняться.

Ведутся споры о том, сколько водорода останется на этом этапе. Джонсон считает, что значительное количество сохранится в межгалактической среде, в то время как Фребель подозревает, что большая его часть будет преобразована. Однако в определенном смысле он продолжит существовать, отмечает она, поскольку все элементы построены на базе атомов водорода, образовавшихся в первые минуты после Большого взрыва. С тех пор они путешествуют по космосу, трансформируясь в тот или иной элемент.

Некоторые оказались здесь, на Земле. Покойный астроном Карл Саган говорил, что "мы сделаны из звездного материала". Но Фредель добавляет: "Мы также сделаны из материала Большого взрыва".

По материалам Los Angeles Times

Loading...