Роберт Хейзен - Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

• Название: Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего
• Автор: Роберт Хейзен
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2021
• ISBN: 978-5-0013-9361-0

Роберт Хейзен – незаурядный ученый, меломан и успешный музыкант, и этим обусловлена структура его книги, повторяющая принципы построения симфонии. Ее лейтмотив – химический элемент № 6 в Периодической таблице, или углерод, без которого немыслима жизнь, с самого ее зарождения и до всего, что нас окружает в современном мире. Временной охват книги – чуть менее 14 млрд лет, от возникновения Вселенной до наших дней. И на протяжении практически всего этого времени углерод исполняет свою уникальную партию в симфонии эволюции. Глубинный углеродный цикл, минералогия углерода, вулканические газы, алмаз и графит, органическое топливо, нанотрубки, климат, ископаемые остатки животных и растений – вот лишь малая часть тем, затронутых в этой невероятно познавательной книге.

---

Это полезное упрощение, но история НБВ не так проста. Ядерные частицы (протоны и нейтроны) соединялись во всевозможные комбинации, формируя, помимо прочего, небольшое, но важное количество гелия-3 (два протона плюс нейтрон) и лития-7 (три протона плюс четыре нейтрона), а также более крупные нестабильные ядра, которые быстро распадались. На самом деле соотношения тех редких ядер гелия и лития, которые присутствуют в сегодняшней Вселенной, резко ограничивают варианты предположений о космической эволюции сразу же после Большого взрыва. В соответствии с основной версией космического происхождения, НБВ не произвел стабильных элементов тяжелее лития (третий элемент Периодической таблицы). То же относится и к углероду – шестому элементу.

В этом прелесть науки. «Не было углерода» в ее контексте не обязательно означает «совсем не было углерода». Лучше сказать, «не было значительного количества углерода», достаточного для того, чтобы влиять на последующее поведение звезд и галактик, которые должны были образоваться. Углерода недоставало для появления кристаллов, или атмосферы, или деревьев. Но так как наше исследование посвящено именно углероду, правду об образовании шестого элемента знать необходимо. Для нас появление даже одного атома углерода имеет космическое значение.

Критический интервал между 3-й и 20-й минутами после Большого взрыва был невообразимо буйным и напряженным – бурное время неконтролируемых ядерных взаимодействий и обменов с последующим появлением новых атомов. Почти все столкновения протонов и нейтронов заканчивались синтезом дейтерия или гелия, и лишь в очень незначительной доле ядерных реакций – особенно тех, что случались между более крупными фрагментами ядер уже ближе к более прохладному концу 17-минутного интервала, – образовались комбинации посложнее, в том числе и некоторые элементы тяжелее лития.

Вычисления, опубликованные в 2007 г. итальянским астрофизиком Фабио Иокко и его коллегами, представили более 100 правдоподобных цепочек ядерных реакций, которые ранее не учитывались, поскольку считались слишком невероятными, не говоря уже об их слишком высокой стоимости с точки зрения затрат времени суперкомпьютеров[12]. Иокко сделал такой вывод: да, эти реакции маловероятны, но не невозможны. И углерод, и азот, и кислород – шестой, седьмой и восьмой элементы – все сформировались при НБВ. Их количество было слишком мало, чтобы значительно повлиять на последующую эволюцию Вселенной, но все же они образовались. Согласно вычислениям Иокко, приблизительно на каждые 4 500 000 000 000 000 000 (четыре с половиной квинтильона) ядер водорода появлялось одно ядро углерода-12[13]. Эта на первый взгляд несущественная доля была так мала, что позволила Иокко и его коллегам сделать следующий вывод: самые древние звезды развивались в свободной от металлов среде (металл для астрофизика означает любой элемент тяжелее гелия). То есть ученые опять утверждали, что Большой взрыв, по сути, углерода не произвел.

Но секундочку! В первичной, сразу после НБВ, Вселенной, по приблизительным расчетам, было как минимум 1080 (единица с 80 нулями) атомов водорода – сногсшибательно огромное число. В то же время на каждые несколько квинтильонов атомов водорода образовался один атом углерода – крошечная доля. Однако крошечная доля огромного числа – это очень большое число. Простое деление показывает, что Большой взрыв произвел более 1064 атомов углерода! Это количество представляет собой лишь малую долю массы Вселенной и лишь одну триллионную часть всех атомов углерода, обнаруженных во Вселенной сегодня, но первичных атомов углерода все же было много.

Где же находятся те 1064 атомов углерода в наши дни? Некоторые, безусловно, участвовали в создании первых поколений звезд, в циклах реакций ядерного синтеза, в ходе которых они преобразовались в другие, более тяжелые элементы. Другие атомы углерода Большого взрыва разлетелись и рассеялись по всей нынешней Вселенной в виде космической пыли и газа. Но огромные количества тех самых первых атомов углерода остались в нашем современном мире, и их не отличить от атомов, образовавшихся гораздо позже. Ваше тело состоит из более чем 1024 атомов углерода – 100 трлн трлн атомов шестого элемента. Отсюда следует, что триллионы этих атомов должны быть теми самыми ядрами углерода, которые появились еще тогда, в родовых муках НБВ, – атомами, неотличимыми от позднейших накоплений углерода, выкованного в звездах. То же самое можно сказать и о ваших основных атомах кислорода и азота, не говоря уже о первичном водороде, – обо всех элементах, необходимых для жизни.

Поразительный вывод: бесчисленное множество атомов углерода вашего тела сформировалось не в звездах, как мы привыкли считать, а при Большом взрыве – целых 13,8 млрд лет назад, в начале времен. Известно изречение Карла Сагана: «Мы состоим из звездного пепла»[14][15]. Но благодаря углероду НБВ мы также состоим из пепла Большого взрыва.

Звездное вещество

Земля и жизнь требуют намного – в триллионы раз – больше углерода, чем могло образоваться в первичном котле Большого взрыва. Чтобы найти такие большие запасы шестого элемента, мы должны приглядеться к светящимся небесам, поскольку почти все атомы углерода были рождены глубоко в недрах звезд.

Роль звезд в истории углерода начала выявляться более века назад благодаря открытиям выдающихся женщин-исследовательниц в Гарвардском университете. Астрономия в 1880-х гг. столкнулась с новой для того времени проблемой – необходимостью обработки огромных объемов данных о природе звезд. До этого астрономы, используя лучшие на тот момент в мире телескопы, зафиксировали положение и яркость более 200 000 звезд, но данных об их физических и химических свойствах было очень мало. К последней четверти XIX столетия у астрономов появилась возможность использовать новые методы, основанные на совмещении мощных телескопов с чувствительными спектрометрами и фотокамерами. В результате на стеклянных фотопластинках знакомый небесный образ из тысячи ярких точек выглядел как мозаика звездных спектров. Подобно тому как стеклянная призма превращает сфокусированный луч белого света в радужный спектр, так и каждая звезда проявилась на этих фотографиях в виде крошечного вытянутого прямоугольника с похожей на штрихкод последовательностью вертикальных линий: каждый рисунок представлял собой радугу цветов спектра от красного до фиолетового.

Такие звездные спектры содержат много информации о звезде. Каждый химический элемент, нагретый до высокой температуры поверхности звезды (обычно от 2000 до 30 000 °C), испускает свой характерный набор ярких линий разных цветов – своего рода «отпечаток пальца» атома. Каждая линия возникает, когда электроны атома перескакивают с более высокого энергетического уровня на более низкий – совершают квантовый скачок, сопровождаемый крошечной вспышкой света определенного цвета. Четкая, близко расположенная пара оранжевых линий характеризует натрий. У водорода – одна интенсивная красная линия, одна зеленая и восемь более слабых линий в сине-фиолетовой части спектра. А у углерода – более 20 четких линий, распределенных по всему спектру. Каждый звездный спектр – это сложное наложение характерных линий десятков химических элементов.

Вооружившись новыми спектроскопическими инструментами, астрономы получили тысячи стеклянных фотопластинок, каждая – с сотней звезд, которые нужно было проанализировать. Каждый звездный спектр следовало изучить и интерпретировать визуально, на глаз. Это была напряженная, утомительная работа. Спектры накапливались намного быстрее, чем удавалось их обработать.

Благодаря новаторским исследованиям врача и астронома-любителя Генри Дрейпера, получившего первое изображение звездного спектра в 1872 г., одним из самых продуктивных центров фотографирования звезд на пластинки стала обсерватория Гарвардского колледжа. Дрейпер получил более 100 изображений со звездными спектрами на стеклянных пластинках, но умер в 1882 г., когда работа только начинала набирать обороты. Друг Дрейпера, гарвардский профессор астрономии Эдуард Чарльз Пикеринг, продолжил его дело в 1885 г. Еще через год богатая вдова исследователя Мэри Дрейпер начала спонсировать исследования Пикеринга, а также издание все расширяющегося «Каталога Генри Дрейпера».

Как и бóльшая часть научных сфер 1880-х гг., астрономия была почти исключительно мужской прерогативой. На самом деле и позже – уже в XX в. – в большинстве обсерваторий женщинам долго не разрешалось работать вместе с мужчинами в «соблазнительное» ночное время. Мужчины занимались и анализом фотопластинок, хотя Пикеринг постоянно был недоволен их небрежной работой. «Моя шотландская служанка справилась бы лучше», – неоднократно сетовал он[16].