«Два самых распространенных элемента во Вселенной — водород и глупость». — Харлан Эллисон. После водорода и гелия, в периодической таблице сплошь и рядом идут сюрпризы. В числе самых удивительных фактов есть и то, что каждый материал, которого мы когда-либо касались, который видели, с которым взаимодействовали, состоит из одних и тех же двух вещей: атомных ядер, заряженных положительно, и электронов, заряженных отрицательно. То, как эти атомы взаимодействуют между собой — как они толкаются, связываются, притягиваются и отталкиваются, создавая новые стабильные молекулы, ионы, электронные энергетические состояния, — собственно, определяет живописность мира вокруг нас.
Даже если именно квантовые и электромагнитные свойства этих атомов и их составляющих позволяют нашей Вселенной существовать с теми свойствами, что у нее есть, важно понимать, что Вселенная начиналась вовсе не со всеми этими элементами. Совсем наоборот, начинала она практически без них.
Видите ли, чтобы достичь разнообразия структур связи и построить сложные молекулы, которые лежат в основе всего, что нам известно, нужно очень много атомов. Не в количественном выражении, а в разнообразном, то есть чтобы были атомы с разным числом протонов в их атомных ядрах: именно это делает элементы разными.
Наши тела нуждаются в таких элементах, как углерод, азот, кислород, фосфор, кальций и железо. Кора нашей Земли нуждается в таких элементах, как кремний и множество других тяжелых элементов, тогда как ядро Земли — чтобы вырабатывать тепло — нуждается в элементах, наверное, всей периодической таблицы, которые встречаются в природе: торий, радий, уран и даже плутоний.
Но вернемся к ранним этапам Вселенной — до появления человека, жизни, нашей Солнечной системы, до самых первых твердых планет и даже первых звезд — когда все, что у нас было, это горячее, ионизированное море протонов, нейтронов и электронов. Не было элементов, атомов и не было атомных ядер: Вселенная была слишком горячей для всего этого. И только когда Вселенная расширилась и остыла, появилась хоть какая-то стабильность.
Прошло некоторое время. Первые ядра слились вместе и больше не разошлись, произведя водород и его изотопы, гелий и его изотопы, а также крошечные едва различимые объемы лития и бериллия, последний впоследствии радиоактивно распался на литий. С этого началась Вселенная: по числу ядер — 92% водорода, 8% гелия и примерно 0,00000001% лития. По массе — 75-76% водорода, 24-25% гелия и 0,00000007% лития. В начале было два слова: водород и гелий, на этом, можно сказать, все.
Сотни тысяч лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы смогли образоваться нейтральные атомы, а десятки миллионов лет спустя гравитационный коллапс позволил состояться первым звездам. Вместе с этим, явление ядерного синтеза не только наполнило светом Вселенную, но и позволило сформироваться тяжелым элементам.
К моменту рождения первой звезды, где-то 50-100 миллионов лет после Большого Взрыва, обильное количество водорода начало сливаться в гелий. Но что еще более важно, самые массивные звезды (в 8 раз массивнее нашего Солнца) сжигали свое топливо очень быстро, выгорая всего за пару лет. Как только в ядрах таких звезд заканчивался водород, гелиевое ядро сжималось и начинало сливать три ядра атома в углерод. Потребовался всего триллион этих тяжелых звезд в ранней Вселенной (которая образовала намного больше звезд в первые несколько сотен миллионов лет), чтобы литий был побежден.
И тут вы, наверное, думаете, что углерод стал элементом номер три в наши дни? Об этом можно подумать, поскольку звезды синтезируют элементы послойно, как луковица. Гелий синтезируется в углерод, углерод в кислород (позже и при большей температуре), кислород в кремний и серу, а кремний в железо. В конце цепочки железо не может слиться больше ни во что, поэтому ядро взрывается и звезда становится сверхновой.
Эти сверхновые, этапы, которые к ним привели, и последствия обогатили Вселенную содержимым внешних слоев звезды, водородом, гелием, углеродом, кислородом, кремнием и всеми тяжелыми элементами, которые сформировались в ходе других процессов:
- медленного захвата нейтрона (s-процесс), последовательно выстраивающего элементы;
- слияния ядер гелия с тяжелыми элементами (с образованием неона, магния, аргона, кальция и так далее);
- быстрого захвата нейтрона (r-процесс) с образованием элементов до урана и дальше.
Но у нас было не одно поколение звезд: у нас было много таких, и поколение, которое существует ныне, построено в первую очередь не на девственном водороде и гелии, но и на остатках от предыдущих поколений. Это важно, поскольку без этого у нас никогда бы не было твердых планет, лишь газовые гиганты из водорода и гелия, исключительно.
За миллиарды лет процесс образования и смерти звезд повторялся, все с более и более обогащенными элементами. Вместо того чтобы просто сливать водород в гелий, массивные звезды сливают водород в цикле C-N-O, со временем выравнивая объемы углерода и кислорода (и чуть меньше азота).
Кроме того, когда звезды проходят через гелиевый синтез с образованием углерода, довольно просто захватить лишний атом гелия с образованием кислорода (и даже добавить еще один гелий к кислороду с образованием неона), и даже наше Солнце будет делать это во время фазы красного гиганта.
Но есть один убийственный шаг в звездных кузницах, который исключает углерод из космического уравнения: когда звезда становится достаточно массивной, чтобы инициировать слияние углерода — такова необходимость для образования сверхновой II типа — процесс, который превращает газ в кислород, идет до отказа, создавая намного больше кислорода, чем углерода, к моменту, когда звезда готова к взрыву.
Когда мы смотрим на останки сверхновой и планетарные туманности — остатки очень массивных звезд и солнцеподобных звезд соответственно — мы находим, что кислород превосходит углерод массово и количественно в каждом из случаев. Мы также обнаружили, что ни один из других элементов тяжелее и близко не стоит.
Итак, водород #1, гелий #2 — этих элементов во Вселенной очень много. Но из оставшихся элементов кислород держит уверенный #3, за ним углерод #4, неон #5, азот #6, магний #7, кремний #8, железо #9 и среда завершает десятку.
Что будущее нам готовит?
Спустя достаточно длительный период времени, который в тысячи (или миллионы) раз превышает текущий возраст Вселенной, звезды будут продолжать формироваться либо извергая топливо в межгалактическое пространство, либо сжигая его по мере возможности. В процессе этого гелий может наконец обойти водород по распространенности, ну или водород останется на первой строчке, если будет достаточно изолирован от реакций синтеза. На длинной дистанции вещество, которое не будет выброшено из нашей галактики, может сливаться снова и снова, так что углерод и кислород обойдут даже гелий. Возможно, элементы #3 и #4 сместят первые два.
Вселенная меняется. Кислород — третий по распространенности элемент в современной Вселенной, и в очень, очень далеком будущем, возможно, поднимется выше водорода. Каждый раз, когда вы вдыхаете воздух и чувствуете удовлетворение от этого процесса, помните: звезды — единственная причина существования кислорода.
