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.

---

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].

К счастью для Пикеринга, его шотландской служанкой была Вильямина Флеминг, учительница, которая иммигрировала с мужем и ребенком в Соединенные Штаты из шотландского города Данди в возрасте 21 года. Вскоре после этого ее бросил муж, и она нанялась в услужение к Пикерингу. В 1881 г. исследователь предложил ей работу в обсерватории, научив 24-летнюю Флеминг читать звездные спектры. Его поступок, хотя и отнюдь не свидетельствовавший об альтруизме (ее зарплата 25 центов в час была значительно меньше, чем у мужчин), открыл женщинам дверь в эту область.

Флеминг преуспела не только в толковании спектров, она также заметила закономерности в расположении тысяч звезд. Вильямина быстро научилась выявлять мельчайшие отличия в положении и интенсивности разных спектральных линий и предложила систему классификации, дав каждой звезде буквенное обозначение от A до Q, основанное в первую очередь на выраженности характерных спектральных линий водорода. Она также обнаружила сотни прежде неизвестных астрономических объектов, включая знаменитую туманность Конская Голова и десятки других туманностей – огромных скоплений пыли и газа, как теперь известно, насыщенных углеродсодержащими молекулами. А еще Флеминг проложила путь в Гарвардскую обсерваторию и другим женщинам (их оказалось более десяти), которых потом стали называть «гарвардскими вычислителями»[17].

Гарвардская классификация звезд

Когда новые спектральные данные по тысячам звезд полились рекой, астрономы оказались готовыми сильно изменить наши представления о происхождении и распределении углерода во Вселенной. Первым важным шагом стало составление более подробной классификации разных типов звезд – прорыв, который совершила астроном Энни Джамп Кэннон.

Энни Кэннон родилась в 1863 г. в Довере, штат Делавэр. Ее отец Уилсон Кэннон был сенатором этого штата и кораблестроителем. Мать Мэри Джамп Кэннон любила ночное небо. Пользуясь старой потрепанной книгой по астрономии, мать с дочерью вместе определяли звезды и созвездия. Родители поддержали Энни, когда она решила изучать науку в колледже Уэллсли; ее наставницей стала Сара Фрэнсис Уайтинг, преподаватель физики этого колледжа. В 1884 г., в возрасте 20 лет, Энни Кэннон с отличием окончила колледж со степенью по физике.

Десятилетие спустя, поработав фотографом и писателем, Кэннон вернулась в науку, присоединившись в 1896 г. к Пикерингу и «гарвардским вычислителям». Она быстро стала специалистом по распознаванию разных типов звездных спектров, придя в итоге к тому, что определяла типы звезд с поразительной скоростью – по 200 звезд в час. «Мисс Кэннон – единственный человек в мире как среди мужчин, так и женщин, который может выполнять эту работу настолько быстро», – поражался Пикеринг[18]. За свою более чем сорокалетнюю карьеру Кэннон визуально проанализировала в общей сложности 350 000 звезд, намного превзойдя по их количеству всех своих коллег, вместе взятых.

Умение Кэннон распознавать изображения позволило ей замечать закономерности, которые другие упускали. Погрузившись в звездные спектры, она накопила опыт и знания, чтобы переосмыслить систему звездной классификации. Сфокусировав внимание на ярких звездах Южного полушария, Кэннон изобрела систему, основанную на относительной интенсивности ключевых спектральных линий – параметре, который непосредственно связан с температурой поверхности звезд. Результатом ее работы стала Гарвардская спектральная классификация, подразделяющая звезды на семь главных классов, каждый из которых обозначен буквой, соответствующей звездным типам составленной ранее системы Вильямины Флеминг. В итоговом варианте последовательность звезд от самых горячих до самых холодных лишилась большинства букв из системы Флеминг, а остальные поменялись местами. В результате получился ряд O, B, A, F, G, K, M, который многие поколения студентов-астрономов запоминали по мнемонической фразе: “Oh Be A Fine Girl, Kiss Me”[19].

Признание за открытия пришло к Кэннон еще при ее жизни. До конца дней своих в 1941 г. она получала награды и почетные степени, становилась членом научных обществ в Европе и Северной Америке, являя собой образец для подражания нескольким поколениям женщин-ученых.

Почему Кэннон оказалась столь продуктивной и успешной? Некоторые историки отмечают влияние ее матери, научившей дочь образцовому ведению домашнего хозяйства. Другие указывают на почти полную глухоту Кэннон (возможно, возникшую вследствие кори), которая могла ограничить ее интерес к общению. Но многие женщины того времени страдали от недугов и не хуже управлялись с домашним хозяйством. Я думаю, есть более значимый фактор, объясняющий успех Кэннон: безусловно, она была умна и увлечена астрономией, но, в отличие от почти всех ее современниц, ей выпал шанс. Веками история науки была историей упущенных возможностей, безымянных потенциальных Эйнштейнов и Ньютонов – блестящих умов, лишенных из-за своего происхождения возможности реализовать тягу к науке. Самая большая трагедия для всех нас заключается в нескончаемой череде нереализованных стремлений, нераскрытых прорывов.

Углерод в звездах

Звездная классификация Энни Джамп Кэннон предоставила нам возможность выявления роли звезд в образовании углерода. Гарвардская спектральная классификация показывает температуру поверхности звезды – от сравнительно холодных красных звезд до супергорячих голубых. Астрономам того времени было ясно также, что спектральные линии дают информацию об относительной распространенности разных химических элементов, но они не знали, как перевести интенсивности линий в химический состав.

Влияние температуры путает все карты. Каждый атом состоит из отрицательно заряженных электронов в оболочках, окружающих положительно заряженное ядро. Электроны, перескакивающие между этими оболочками, влияют на появление характерных спектральных линий, которые и были запечатлены на фотопластинках Гарвардской обсерватории. Однако при высоких температурах звезд интенсивные столкновения атомов срывают электроны с внешних оболочек: атомы ионизируются, что ведет к снижению четкости некоторых линий спектра. Водород и гелий – первый и второй элементы Периодической таблицы – представляют собой предельные случаи. Большинство атомов водорода теряют свой единственный электрон, превращаясь в протоны. Большинство атомов гелия теряют оба электрона и становятся альфа-частицами с двумя протонами и двумя нейтронами. Раз нет электронов, то невозможны и их скачки, поэтому спектральные линии ионов водорода и гелия гораздо слабее, чем многих других элементов.

Сесилия Хелена Пейн-Гапошкина дала расшифровку сложных взаимосвязей между спектром звезд и их химическим составом в работе 1925 г., которую ее коллеги охарактеризовали как «самую блестящую кандидатскую диссертацию, когда-либо написанную по астрономии»[20]. Пейн родилась в 1900 г. в английском Уэндовере в семье с выдающимися академическими традициями. С четырехлетнего возраста ее воспитывала овдовевшая мать, которая поощряла в девочке интерес к науке. Сесилия училась в Кембриджском университете, получая стипендию Ньюнэм-колледжа, и была отличницей по биологии, химии и физике. Так как в то время получить степень в Кембридже могли только мужчины, Пейн не имела возможности продолжать обучение в рамках британской системы и переехала из Англии в Гарвард, где в 1925 г. стала первой женщиной, получившей степень PhD по астрономии.

В основе успеха диссертации Пейн лежало применение положений новой для того времени теории ионизации – зависимых от температуры процессов, в ходе которых атомы в звездах теряют свои электроны. Исследовательница поняла, что, хотя относительное обилие многих важных элементов (например, кислорода, кремния и углерода) можно точно определить по интенсивности основных спектральных линий, количество водорода и гелия сильно недооценивается – для водорода, возможно, в миллион раз. Она пришла к поразительному выводу, что водород и гелий – самые распространенные элементы во Вселенной – во многих случаях составляют более 98 % общей массы звезды. Этот результат показался настолько невероятным коллегам Пейн, долгое время полагавшим, что состав Земли точно соответствует составу Солнца, что ее открытия поначалу не приняли. Старшие коллеги призывали Пейн назвать выводы в ее первой публикации «сомнительными», но вскоре, когда и другие исследователи прибегли к новаторским методам, ее правота подтвердилась.