История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции - Дональд Голдсмит

За 30 с лишним лет до того, как им удалось обнаружить и выделить гелий в отдельный химический элемент на Земле, астрофизики умудрились вычислить его наличие на Солнце с помощью анализа спектра солнечного излучения во время полного затмения в 1868 году. Разумеется, они назвали этот ранее неизвестный им элемент в честь Гелиоса, древнегреческого бога Солнца. Подъемная сила гелия в воздухе составляет 92 % от подъемной силы водорода, но при этом он не обладает характерным для водорода взрывным нравом (незнание этого факта погубило в свое время немецкий дирижабль «Гинденбург»); поэтому гелий — лучший газ для заполнения огромных надувных шаров и персонажей парада в честь Дня благодарения американского торгового центра Macy’s, что делает его вторым в мире потребителем гелия по количеству тонн в год, впереди которого только военные структуры США.

Литий, третий по простоте строения элемент во Вселенной, содержит в своем ядре три протона. Как водород и гелий, он образовался вскоре после Большого взрыва, но, в отличие от гелия, запасы которого с тех пор регулярно пополняются в последующих ядерных реакциях, литий разрушается в результате ядерного синтеза, протекающего в звездах. По этой причине мы не рассчитываем когда-либо найти объекты регионы, в которых лития было бы больше, чем в среднем по Вселенной (0,0001 % от общего числа атомов, образованных в ее глубоком младенчестве). Наша модель предполагает, что образование элементов протекало лишь в первые полчаса существования Вселенной, и никому еще не удалось найти галактику, в которой лития было бы больше его максимального предельного значения. Такое сочетание предельных значений для лития и гелия ставит нас в рамки мощного двойного ограничения при проверке космологической теории Большого взрыва. Есть и другой подобный тест этой модели, который она всегда проходит с блестящими результатами: в нем сравнивают число ядер дейтерия, в каждом из которых содержатся один протон и один нейтрон, с количеством обычного водорода. В первые несколько минут синтеза были образованы оба этих типа ядра, но обычного водорода (с одним протоном) получилось в разы больше, чем дейтерия (где, помимо протона, есть еще и нейтрон).

Как и литий, следующие два элемента периодической таблицы — бериллий и бор (по четыре и пять протонов в ядре каждого соответственно) — в первую очередь обязаны своим происхождением термоядерному синтезу в ранней Вселенной и встречаются в ней в относительно скромных количествах. Из-за дефицита на Земле этих трех самых легких химических элементов после водорода и гелия случайный их прием внутрь — далеко не самая лучшая и даже опасная идея: ведь наша эволюция протекала, по сути, без их участия. Но, что удивительно, соответствующие дозы лития при этом способны приносить облегчение в борьбе с рядом умственных расстройств.

Начиная с углерода, элемента номер шесть, периодическая таблица расцветает пышным цветом. Количество молекул, в составе которых есть хотя бы один атом углерода (по шесть протонов в ядре каждого), превышает количество всех остальных, вместе взятых молекул мира, углерод не содержащих. Вселенская насыщенность ядрами углерода — он образуется в ядрах звезд, выводится к их поверхности и затем отправляется в огромных количествах в галактику Млечный Путь — в сочетании с его дружелюбной готовностью образовывать химические соединения с другими атомами делает углерод лучшим элементом-основой для формирования природной химии и разнообразия жизненных форм. Минимально опережая углерод по своей распространенности в мире, кислород (восемь протонов в ядре) тоже представляет собой высоко реактивный и распространенный элемент, чьи мировые запасы также образуются как внутри стареющих звезд (и выводятся ими в космос), так и внутри взрывающихся сверхновых. Кислород и углерод — важнейшие ингредиенты жизни на Земле, жизни в привычном для нас виде. Аналогичные процессы участвуют в создании и распространении во Вселенной азота, элемента номер семь, который также встречается в мире в огромных количествах.

Как насчет жизни в непривычном нас виде? Могут ли другие формы жизни использовать другие элементы в качестве основы своих сложных структур? Как насчет жизни, основанной на кремнии, элементе номер 14? В периодической таблице кремний расположен непосредственно под углеродом: это означает, что кремний способен создавать химические соединения того же плана, что и углерод, занимая в них, по сути, место углерода. В конце концов, углерод оказывается выше кремния, и не только потому, что в мире его в десять раз больше, но и потому, что химические связи, образуемые кремнием, получаются намного сильнее ощутимо слабее, чем углеродные связи, то есть ведут себя менее однообразно. Собственно, сила связи кремния и кислорода приводит к образованию крепких скальных пород, в то время как сложным молекулам на основе кремния трудно выживать в условиях экологического стресса, который нипочем соединениям на основании углерода. Эти факты не останавливают писателей научной фантастики, активно отстаивающих права кремния в своих произведениях; заодно это держит биологию внеземной жизни в постоянном напряжении — и мы непрестанно думаем о том, какой могла бы быть по-настоящему чуждая нам внеземная жизнь (и ее формы).

Помимо того что он является активным ингредиентом столовой соли, натрий (11 протонов в ядре) освещает поверхность нашей чудесной Земли[45] в качестве горячего натриевого газа, которым наполнено множество уличных фонарей. Такие фонари «горят» ярче и дольше, потребляя меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания. Они бывают двух видов: распространенные лампы высокого давления, светящиеся желто-белым, и менее распространенные лампы оранжевого цвета с низким уровнем давления. В принципе, любой свет создает помехи в обзоре для астрономов, но натриевые лампы с низким давлением наносят меньше вреда благодаря тому, что создаваемый ими фон (гораздо более узкого спектра) можно легко вычислить и извлечь из полученных телескопами данных. Демонстрируя прекрасный пример отзывчивости к астрономам, целый город Тусон, штат Аризона — самый крупный муниципалитет по соседству с Национальной обсерваторией в Китт-Пике, — перевел все свои улицы без исключения на натриевые лампы низкого давления; это, кстати, еще и оказалось эффективным с точки зрения потребления энергии и помогает городу на ней экономить.

Алюминий (13 протонов в ядре) составляет почти 10 % земной коры, однако он долгое время оставался неизвестным древнему человеку и даже нашим дедушкам и бабушкам исключительно потому, что невероятно удачно сочетается с другими элементами. Выделить его в отдельный элемент удалось только в 1827 году, а в быту алюминий не получил широкого распространения вплоть до конца 1960-х годов, когда оловянные банки и оловянная фольга уступили место алюминиевым. Благодаря тому что полированный алюминий практически идеально отражает видимый свет, сегодня астрономы покрывают все без исключения зеркала своих телескопов тонкой пленкой из атомов алюминия.

Хотя плотность титана (22 протона в ядре) на 70 % выше плотности алюминия, он в два с лишним раза прочнее. Эта прочность и относительно малый вес делают титан — девятый по распространенности элемент земной коры — современным фаворитом во множестве областей, включая производство запчастей военных самолетов, которых необходим легкий и прочный металл.