Периодическую Таблицу Элементов Менделеева знают все. Практически каждый сможет за минимальный срок отличить Менделеева от Мышьяка и, уж тем более от Углерода. Чертовски роскошная инфографика из которой отчётливо заметно, что элементов достаточно много. Трансурановые элементы радиоактивные элементы с порядковыми номерами 92-100) хоть и существуют, но не стабильны и распадаются задолго до того, как их «миру явители» получают за них Нобелевские премии. Во вселенной же мы привыкли наблюдать элементы от Урана и легче.
Может показаться, что, к примеру, вода, она всегда была водой, или железо всегда железо, но это не так. Всё эволюционирует, изменяется, как в деталях, так и целиком вселенная. А это значит, что когда-то не было Земли и все её составные части были разбросаны по какой-нибудь туманности, из которой не спеша складывалась Солнечная система. Но если заглянуть ещё дальше назад, то окажется, что когда-то не существовало не только Менделеева с его таблицей, но и самих элементов.
Зарождаясь, наша вселенная прошла через очень плотное и горячее состояние. А когда горячо и плотно, все сложные структуры начинают разрушаться.
Именно для того, чтобы разрушилась сложная структура, Сара Коннор с сыном утопили Т-1000 в расплавленном метале. Но если нагревать ещё сильнее, то и расплавленная сталь начнёт разрушаться. Мы знаем, что ядро железа состоит из протонов и нейтронов, а значит можем его разрушить до этих составляющих. Но также мы знаем, что и протоны с нейтронами - составные элементы и это значит, что при очень высоких плотностях и температурах, разрушатся и они. Исходя из этого, в очень ранней вселенной не существовало стабильно не только привычных нам элементов, но и элементарных частиц. И лишь по мере того, как вселенная остывала, расширялась, становилась менее плотной, появлялись уже известные и, пока ещё, неизвестные человечеству частицы.
Известная всем формула E=mC^2, говорит нам, что любой массе частиц m, мы можем сопоставить энергию Е и, в свою очередь, каждой энергии мы можем сопоставить температуру. Когда температура падает ниже этой «критичной энергии», тогда энергия частицы становится стабильной и частица может существовать. По мере расширения и остывания вселенной, первым из всей таблицы Менделеева появляется Водород. Это тоже логично, ведь ядро Водорода это просто протон. Можно сказать, что на тот момент вся вселенная, на 100% состояла из водорода, разумеется плюс темная энергия, плюс темное вещество и плюс много-много излучения. Но из обычных веществ - только Водород. Практически сразу с появлением протонов, начинают появляться нейтроны, и так как они немного тяжелее протонов, это приводит к тому, что нейтронов появляется немного меньше.
Чтобы как-то уложить это всё в голове, стоит заметить, что пока речь идёт о первых долях секунды существования вселенной. И казалось бы, разогретые и плотно прижатые к друг другу протоны и нейтроны могу начать термоядерные реакции, как в недрах звёзд, но нет. Ещё слишком плотно и горячо. Нужно немного подождать. С первых секунд, до первых минут, очень недолго, примерно минуты три - температура и плотность становятся подходящими и запускается термоядерный синтез, потому что вся вселенная в эти моменты похожа на недра звезды. Формируются изотопы Водорода и Гелий.
А дальше двигаться уже трудней, потому что стабильных ядер, с числом частиц 5 или 8 ещё нет. Попробуйте это представить, как комнату, усыпанную детальками Лего и вам нужно бегать, собирать из них структуры, но комната постоянно увеличивается, детальки постоянно движутся и «разбегаются». Вам и так трудно, а ещё, вдобавок, вы сложили две детальки... ещё две... а приткнуть пятую, соединив их в одну, не получается. Рук не хватает. Кое-как выходит сцепить три детальки, но третья постоянно отскакивает, вырывается. Именно поэтому в первые минуты вселенной, сформировались Водород и Гелий. Возможно, немножко Лития и Дейтерия, но они не очень стабильны и рассыпаются обратно в Гелий. И к моменту, когда вселенная ещё немного расширилась и остыла (с момента возникновения Вселенной прошло не многим больше пяти минут), в ней заканчивается первоначальный этап формирования элементов из таблицы Менделеева. И вновь он возобновится лишь после формирования первых звёзд.
В звёздах опять получается горячо и плотно и термоядерный синтез запускается вновь. Эти первые звёзды большую часть жизни занимаются пережиганием водорода в гелий, т.е. продолжают «играться» первыми двумя элементами. Из-за существования звёзд Водорода постепенно становится меньше, а Гелия больше. Но важно понимать, что по большей части, вещество во вселенной находится вне звёзд, в основном оно находится в облаках разогретого газа, в скоплениях галактик, в волокнах между скоплениями... И этот разреженный газ, возможно, никогда не попадёт внутрь звёзд. Так что вселенная, в каком-то смысле, так и останется в основном состоящей из Водорода и Гелия, если мы говорим об обычном веществе. Но на фоне этого, на уровне процентов, количество лёгких веществ во вселенной постоянно падает, а вот количество тяжёлых - растёт.
Итак, после эпохи первоначального, внешнего ядерного синтеза наступает эпоха внутризвёздных ядерных реакторов, которая продолжается и по сей день. Водород превращается в Гелий, а затем, если условия (температура и плотность) позволяет, Гелий вступает в следующую реакцию превращается в более тяжелые элементы. И чем дальше мы продвигаемся по таблице Менделеева, тем сложнее и сложнее начинать эти реакции, тем более экстремальные условия нужны для их создания. Чем тяжелее звезда, тем сильнее она сама себя сдавливает и тем тяжелее элементы она может создать.
В солнце, после синтеза Гелия, запустится следующая реакция,
будет образовываться Кислород и Углерод, но дальше процесс не пойдёт и, через 4,5 миллиарда лет, наше светило превратится в Кислородной-Углеродный белый карлик. Но при этом, насыщенные этими элементами внешние слои будут сброшены взрывом и превратятся в планетарную туманность. Внешние слои разметает по близлежащему космосу и, по большей части, после того, как эти вещества перемешаются с околозвёздной средой они снова смогут войти в состав следующего поколения звёзд.
Так что у звёзд есть вот такая вот «эволюция». Которая, в свою очередь, формирует химическую «эволюцию» галактик, в которых каждая последующая образующаяся звезда содержит всё больше и больше тяжелых элементов. Исходя из этого, самые первые звёзды, которые образовывались из чистого Водорода и Гелия не могли иметь каменных планет, потому что им было ещё не из чего сформироваться. Было необходимо, чтобы прошёл цикл первой «эволюции» звёзд.
И здесь важно, что быстрее всего эволюционируют массивные звёзды. Полный цикл жизни солнца чуть меньше дюжины миллиардов лет. Однако звёзды помассивнее живут уже миллионы лет. Они доводят свои внутренние реакции до Железа и, в конце своей жизни взрываются. При взрыве всё вещество, кроме самого внутреннего ядра, оказывается сброшено наружу. Да, в основном это огромное количество не переработанного Водорода, но более важно, что выбрасываются большие количества Кислорода, Кремния и Магния. А это уже ощутимое количества более тяжелых элементов до Железа. Железо и родственные ему по свойствам Кобальт и Никель - весьма специфичные элементы, насколько распад из тяжелых элементов энергетически выгоден до Железа настолько же и синтез элементов из лёгких выгоден до него. Дальше уже необходимо тратить неизмеримо больше энергии. Реакции термоядерного синтеза в звёздах протекают до Железа и дальше они уже должны протекать при выделении энергии. Причём при взрыве массивных звёзд выбрасываются более лёгкие или элементы, а Железо, в основном, не выбрасывается в космос, а оставаясь в ядре, превращается в нейтронную звезду или же в чёрную дыру. Железо может высвобождаться из ядер при взрыве белых карликов, таких, например, как останется после Солнца. Сами по себе белые карлики очень стабильны, но у них есть предельная масса, превысив которую они эту стабильность теряют. И если обычную звезду нагреть в ядре, то она чуть увеличится, охлаждаясь и придёт в равновесие, как бы её не грели или не охлаждали, она придёт в равновесие. Но Белый карлик так не умеет, молекулы в нём прижаты настолько плотно к друг другу, что гравитация между ними сильнее и он не может расшириться. Поэтому, при превышении критичной массы, термоядерная реакция очень быстро охватывает весь белый карлик и он целиком взрывается. Получается взрыв сверхновой класса 1А. Это очень важные сверхновые, они позволили открыть ускоренное расширение вселенной, но самое главное, что при этом взрыве карлик разрушается полностью и разбрасывает очень много Железа. А ведь оно повсюду. Всё Железо вокруг нас, каждый топор, гайка, саморез... Всё Железо внутри нас взялось из белых карликов.
Но есть же и более тяжелые элементы. Где синтезируются они?
Очень долгое время считалось, что основное место синтеза более тяжелых элементов - это тоже взрывы сверхновых, но более массивных чем белый карлик, дескать при взрыве, как раз есть много лишней энергии и летает множество свободных нейтронов. Нейтрон вообще для таких целей очень подходящая частица. Поскольку заряда у неё нет, она может проникать в ядро, а там уже превратится в Протон, и, тем самым, элемент переберётся в следующую клеточку таблицы Менделеева. Но процесс этот очень медленный. Он даже так называется s-процесс, от английского slow - медленный. И многие элементы так и формируются в красных гигантах. Недавно оказалось, что есть ещё одно место для этого процесса не связанное с взрывами сверхновых.
В космосе есть ещё один, очень любопытный процесс - слияние двух сверхновых звёзд. Звёзды очень любят зарождаться парами, а уж сверхмассивные в 80-90% процентах зарождаются в двойных звёздных системах. В результате эволюции, какие-то двойные системы могут разрушиться, но какие-то всё равно доживут до конца. И если система состояла из двух сверхмассивных звёзд, мы можем получить систему из двух нейтронных. Под действием гравитации они будут сближаться и, в итоге сольются в одно. Представьте шар диаметром 20 километров, но массой в полтора раза превышающую массу солнца. Представили? А теперь с околосветовой скорости уроните его на ещё один, такой же. Выделится колоссальнейшее количество энергии, в виде гравитационных волн, в виде волн в гамма-диапазоне (рентгеновском), да в любом диапазоне! Часть этой энергии идёт на синтез элементов. Современные расчеты показывают, что, например, золото, в большинстве своём, зародилось именно в таких реакциях. Практически всё золото, что нас окружает не просто когда-то там побывало в космосе, но и зародилось в столь экзотическом событии, как слияние двух нейтронных звёзд. К примеру, в нашей галактике Млечный Путь, слияние происходит не чаще раза в 20-30 тысяч лет. Довольно редко. Но тем не менее хватает, чтобы элементы там созданные присутствовали в должном количестве, допустим, в вашем смартфоне.
Все элементы на Земле, за исключением водорода и части гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звезд, часть которых является ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества.
Вообще многие достаточно редкие элементы для нас гораздо важнее и необходимей, чем какие-то редкоземельные металлы. Но так или иначе, появление всех элементов связано со звёздами. С их более-менее спокойной эволюцией, и поздними стадиями взрыва массивных звёзд, взрыва белых карликов и слиянии нейтронных звёзд.
Мы воплощаем собой Космос, достигший самосознания. Мы начали пристально вглядываться в наше происхождение: звездное вещество, размышляющее о звездах; упорядоченные системы из десяти миллиардов миллиардов атомов, изучающие эволюцию атомов, прослеживающие долгий путь, который, по крайней мере здесь, привел к появлению сознания. Мы привязаны к нашему виду и к нашей планете. Мы отвечаем за Землю.
Мы обязаны выжить не только ради самих себя, но также ради того древнего и огромного Космоса, который нас породил.