Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон

Периодическая таблица полна чудес. Какой элемент ни возьми, у каждого есть странные, фантастические свойства. Но, как вы уже, должно быть, поняли, меня больше интересуют звезды. Так что позвольте мне предложить вам экскурсию по периодической таблице с точки зрения астрофизика.

Самый популярный элемент во Вселенной

Водород, самый легкий и простой из элементов, целиком образовался во время Большого взрыва. Он решительно преобладает над всеми 94 элементами, которые мы находим в природе. Из каждых трех атомов человеческого тела два – атомы водорода.

Девять десятых всех атомов во Вселенной – атомы водорода. В раскаленном огненном ядре Солнца каждую секунду сталкивается 4,5 миллиарда тонн быстро движущихся водородных атомов. Эти столкновения и обеспечивают энергию свечения Солнца.

Вице-президент

Гелий должен быть вам знаком по дням рождения – им надувают шарики. Гелий почти такой же легкий и летучий, как водород. Но водород, как я уже говорил, страшно легко взрывается. Шарики, наполненные водородом, использовать на детском дне рождения никто бы не позволил.

Стоило бы поднести такой шарик к свечке на торте – и некому было бы получать подарки. Поэтому мы надуваем шарики гелием, потом всасываем в себя этот газ и начинаем пищать голосом Микки Мауса.

Гелий – второй по простоте и по распространенности во Вселенной элемент. Как и водород, гелий появился при Большом взрыве. Но он образуется и в звездах. Его, конечно, гораздо меньше, чем водорода, но все-таки вчетверо больше, чем всех остальных элементов во Вселенной, вместе взятых.

Остатки…

С тремя протонами в ядре, литий – третий по простоте элемент во Вселенной. Как водород и гелий, литий образовался при Большом взрыве. Теперь именно литий помогает ученым удостовериться, что теория Большого взрыва правильна. Ведь в соответствии с этой моделью в любой части Вселенной не более чем один из каждых ста атомов должен быть атомом лития.

И никто еще не нашел галактики, в которой этот предел был бы превзойден. Такое совпадение наших предсказаний с тем, что мы видим в телескопы, – еще одно подтверждение того, что Вселенная и правда родилась так, как мы думаем.

Элементы, дающие жизнь

Элемент углерод можно встретить почти везде. Углерод образуется внутри звезд, выносится из их недр на поверхность, а потом выбрасывается в окружающее пространство и распространяется по всей галактике. Из углерода можно образовать больше молекул, чем чуть ли не из любого другого элемента. Это один из главных ингредиентов жизни в той форме, в какой мы ее знаем – от микроскопических растений и жучков до огромных слонов или, скажем, до поп-звезд. Например, Селена Гомес[7] – это форма жизни на углеродной основе.

Но что, если есть и другие формы жизни, неизвестные нам? Что, если в космосе существуют инопланетные формы жизни, построенные не из углерода и кислорода, а на какой-то другой основе? Может, жизнь могла бы строиться на базе элемента кремния? Писатели-фантасты любят сочинять истории о кремниевых созданиях. Экзобиологи, ученые, которые пытаются понять, как может выглядеть жизнь на других планетах, уже рассматривали и эту возможность. Но все-таки в конечном счете мы предполагаем, что большинство форм жизни будет связано именно с углеродом – ведь его во Вселенной намного больше, чем кремния.

Тяжелые элементы

Алюминий составляет довольно большую долю земной коры, толстой твердой оболочки вокруг расплавленного центра нашей планеты. Древние не знали алюминия. Лично я очень его люблю, потому что из полированного алюминия делают великолепные астрономические зеркала. Такое зеркало – главная деталь телескопа, оно позволяет фокусировать свет и получать увеличенные оптические изображения, а это дает астрофизикам возможность лучше видеть далекие небесные тела. Почти все зеркала современных телескопов покрыты алюминием.

Другой тяжелый элемент, титан, получил название от могучих титанов из древнегреческих мифов. Титан более чем вдвое прочнее алюминия. Он используется в военных самолетах, из него делают протезы – искусственные руки и ноги и еще стики – клюшки для игры в лакросс[8]. Астрофизикам этот элемент тоже хорошо знаком.

Во многих уголках космоса кислорода больше, чем углерода. Атомы вообще охотно соединяются в молекулы, они не любят одиночества, поэтому атом углерода не упускает возможности вцепиться в свободный атом кислорода. После того как все атомы углерода найдут себе по атому или даже двум атомам кислорода, еще остается кислород, который может соединяться с другими элементами. Когда кислород соединяется с титаном, получается окись титана. Астрофизики зарегистрировали следы окиси титана в некоторых звездах. Недавно группа ученых открыла целую новую планету, окруженную окисью титана. Мы покрываем части наших телескопов белой краской, содержащей окись титана, так как это помогает повысить четкость изображений звезд и других космических объектов.

Убийца звезд

Железо – не самый распространенный элемент во Вселенной, но, возможно, самый важный. Внутри массивных звезд атомы различных элементов постоянно сталкиваются и объединяются. Атомы водорода сталкиваются и объединяются в гелий. Потом гелий, углерод, кислород и другие атомы продолжают сливаться во все более тяжелые атомы. Наконец, при этих слияниях начинают образовываться тяжелые атомы железа, в ядрах которых по 26 протонов и как минимум столько же нейтронов. По сравнению с водородом они просто гиганты.

В атоме железа протоны и нейтроны имеют самую маленькую энергию по сравнению с любым другим элементом. И это приводит к необыкновенным последствиям. Так как эти частицы обделены энергией, они стремятся ее поглощать. Обычно, если вы расщепляете атом, энергия будет выделяться. То же самое происходит, если два атома слипаются, образуя новый, более тяжелый.