Тело практически любого человека состоит из более чем 70 химических элементов. Любая ДНК содержит углерод, который является основой этой молекулы. В нашей крови есть железо, связывающее кислород, которым мы дышим. Оно разносит живительный газ по нашему телу. В наших костях много кальция. А в желудках у нас – соляная кислота.
Очевидно, что все формы жизни на этой планете появились благодаря наличию здесь нескольких десятков химических элементов. Но Вы когда-нибудь задумывались над тем, откуда взялись все эти элементы?
Ранняя Вселенная
Когда произошел Большой взрыв (это произошло около 13,8 миллиарда лет назад), во Вселенной не было ничего. Не было ни атомов, ни химических элементов, ни звезд, ни планет, ни галактик. Смотреть было особо не на что. Потому что не было даже света, чтобы что-то было видно. Вселенная была слепа.
На самых ранних стадиях своей жизни она была чрезвычайно горячей и плотной. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, и условия изменялись, сформировалась возможность для появления первых строительных блоков материи – кварков и электронов. Через несколько миллисекунд после Большого взрыва эти кварки соединились и создали протоны и нейтроны. Это компоненты ядра атома.
Хотя первые атомы начали формироваться сразу после Большого взрыва, электроны, находящиеся на орбитах вокруг ядер (протонов и нейтронов), просто-напросто выбивались со своих орбит. И отделялись от ядер из-за интенсивного излучения, которое существовало в то время.
Потребовалось около 380 000 лет, чтобы условия стали достаточно благоприятными для того, чтобы электроны вернулись обратно. Так образовались первые атомы. Комбинация одного протона и одного электрона произвела водород. А комбинация двух протонов, двух нейтронов и двух электронов произвела гелий. Водород и гелий и на сегодняшний день по-прежнему являются самыми распространенными элементами во Вселенной.
В те далекие времена водород составлял почти 75% всей материи Вселенной. А оставшиеся 25% составлял гелий с незначительным процентным содержанием лития и других легких элементов. Таких, например, как бериллий и бор. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, атомы водорода притягивались друг к другу, и образовывали плотные облака газообразного водорода, называемые туманностями. Эти газовые облака становились все плотнее из-за гравитационного притяжения. И этот процесс со временем привел к образованию звезд. Первые звезды появились спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва. И когда они образовались, водород и гелий потеряли монополию быть единственными химическими элементами во Вселенной.
Жизнь и смерть звезды
Массивные звезды, используя свою сокрушительную гравитацию при огромном давлении и температурах в десятки миллионов градусов, начали плавить атомы водорода в своем ядре. Этот процесс называется термоядерным синтезом.
В обычных условиях атомы не сливаются друг с другом. Поскольку отталкивающая электростатическая сила положительно заряженных ядер (протонов) не позволяет им это делать. Точно также нельзя соединить северный и северный или южный и южный полюса двух магнитов. Чтобы преодолеть эту силу отталкивания и заставить атомы слиться, нам нужно перемещать их с чрезвычайно высокой скоростью. Только так можно преодолеть электростатические силы отталкивания. Но как заставить атомы двигаться с такой высокой скоростью? Ответ прост – их нужно сильно разогреть. Точно так же, как когда Вы нагреваете воду, и молекулы в ней начинают быстро двигаться и вибрировать, заставляя ее закипать. И если нагревать атомы водорода в ядре звезды, они начинают двигаться с очень высокой скоростью.
Термоядерный синтез, в качестве топлива для которого выступали атомы водорода, рождал в недрах первых звезд ядра гелия. При этом высвобождалось огромное количество энергии. Откуда же берется эта энергия? Все предельно просто. Масса четырех ядер водорода больше, чем масса одного ядра атома гелия, в который они сливаются. Разница в этих массах и преобразуется в чистую энергию. В строгом соответствии с формулой E=mc2.
Излучение, рожденное в ходе ядерного синтеза, толкает окружающее вещество звезды наружу. Однако оно снова падает на ядро из-за действия гравитации. Этот баланс между гравитацией звезды и давлением ядерного излучения в ядре сохраняет звезду в стабильном состоянии.
Звездная пыль. Строительные блоки всего
Постепенно гелий начинает накапливаться в ядре звезды. Если масса звезды и температура ядра позволяют, процесс ядерного синтеза переходит на новую стадию. Гелий начинает плавиться и становится углеродом. Углерод превращается в кислород, кислород становится неоном, неон – магнием, магний – кремнием. А из кремния синтезируется железо. Конечно, это очень упрощенная схема. Потому что, в зависимости от условий, в ходе этого процесса появляются и другие элементы.
Звезда хранит эти элементы в слоях, похожих на слои луковицы.
Эта цепь останавливается после синтеза железа. Как так? Почему все это великолепие вдруг остановилось? (Спросите Вы). Ведь можно расплавить железо, чтобы получить еще больше энергии! Да, железо тоже можно плавить. Но при этом этот процесс уже не производит избыточного количества энергии. Другими словами, процесс синтеза атомов железа требует больше энергии, чем создает. Запомните это. Вдруг Вам в жизни пригодится эта информация! Железо нельзя использовать в качестве топлива для поддержания жизни звезды!😁
Когда железо накапливается в ядре звезды, его температура падает. Так происходит из-за потерь в производстве энергии. Это внезапное прекращение производства энергии приводит к коллапсу ядра. И падению внешних слоев звезды на ядро из-за гравитации.
За считанные доли секунды внешние слои, окружающие ядро, падают на железное ядро и сжимаются с такой скоростью, что в результате отскакивают от него почти со скоростью света. Этот отскок вызывает взрыв сверхновой. Так что же, это окончание жизни звезды? Не совсем.
На этом история жизни звезды не заканчивается. Да, у нее была цель – дать возможность появиться жизни. В конце ее жизненного цикла все элементы, которые накопились в ее недрах в результате термоядерного синтеза, и те, которые появились в результате взрыва, выбрасываются во Вселенную. Затем эти элементы перерабатываются для создания следующего поколения звезд и планет. Вселенная ничего не теряет. Так, стоп. А как же быть с теми элементами, что тяжелее железа?
Давным-давно в далекой Галактике…
Таблица Менделеева содержит более ста химических элементов. Вам и вправду интересно, откуда взялись все элементы тяжелее железа? Что же, создание элементов помимо железа происходит в процессе, называемом нейтронным захватом. Как следует из названия, в этом процессе атомы захватывают или теряют нейтроны. Каждый нейтронный захват производит изотопы. Изотопы – это элементы с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов. Некоторые из этих изотопов стабильны. Некоторые – нестабильны. Нестабильные изотопы распадаются с образованием новых элементов. Нейтроны могут сливаться с ядром атома, поскольку они электрически нейтральны и не отталкиваются как протоны. Некоторые изотопы создаются до взрыва сверхновой. Некоторые – во время взрыва.
Откуда же взялись все эти свободные нейтроны? Это работают гамма-лучи, которые образуются в ядре звезды. Именно они отделяют протоны и нейтроны от ядра своей интенсивной энергией.
Через миллиарды лет после Большого взрыва, где-то в далекой Галактике, в какой-то звездной системе, на какой-то Богом забытой планете наступило странное время. Бывшая звездная пыль – некоторые элементы и молекулы собрались вместе. И начали действовать весьма причудливым образом. И однажды в океане, полном воды, появилась жизнь.
Она постепенно эволюционировала и создала множество форм. В результате этого процесса появились и мы. У Вселенной появились глаза, чтобы видеть саму себя.
Мы – остатки сгоревших звезд. Обычная звездная пыль.
Иногда, когда я смотрю на чудесное ночное небо, полное звезд, то задаюсь вопросом – если мы сделаны из одного и того же материала – разве между нами не может быть такого же мира и гармонии, как и между далекими звездами?