Необходимый пролог
К сожалению, люди привыкли относиться к жизни как к набору мероприятий. Ведь мы мыслим автоматически оптимально. То есть преследуем в своих помыслах лишь ту конкретику, которая связана с полезным или необходимым времяпровождением.
Мы не теоретизируем и не размышляем добровольно. В этом – отличие большинства людей от так называемых, увлеченных индивидуумов. Коими в основном являются люди искусства – писатели, художники, режиссеры… Людей науки сюда вряд ли можно отнести. Ведь их размышления – разновидность тех же обязательных забот в рамках профессиональной необходимости.
Тем не менее, в своих мыслях люди науки порой углубляются в такие абстрактные истины, от которых рядовой обыватель шарахается, считая их непонятными причудами.
Но может ли серьезный ученый вдруг стать на время убедительней, чем зов привычных будней?
Вот простой эксперимент - лекция по астрофизике. Самая настоящая, то есть вполне академическая. Но интрига в том, что лектор не даст слушателю шанса остаться в стороне от этой пронзительной истории...
Не верите - судите сами:
Еще совсем недавно, до 30-х годов прошлого века, считалось что во Вселенной нет молекул! А что такое, собственно, молекула, кто может сказать точно? Совокупность атомов? Но ведь полагается, что космос – это мир излучений. Так что любой энергичный квант от звезды прилетит и развалит скопление атомов.
Да и как, собственно, атомы могут составлять комбинации? Какими местами они должны соприкасаться друг с другом, если там, вокруг ядра, творится некая неопределенность. Электронов ведь, как таковых, не существует. Мы можем говорить лишь о неком облаке или размытой оболочке, которую способны «увидеть» лишь математики.
Они скажут, что электроны могут находиться с разной степенью вероятности и здесь, и там. И это будет некое представление о распределении их волновой функции. О так называемых орбиталях.
Получается, что в молекулах атомы должны объединяться некими вероятностными электронными оболочками-орбиталями. Но материально ли, простите, это?
Как увидеть молекулу?
Возьмем «избитую» модель Н2О. Мы принимаем за неоспоримую истину, что из таких сочетаний атомов состоит вода.
Хорошо, настоящий размер молекулы очень мал – несколько ангстрем, а ангстрем – это 10 в минус миллиардной степени миллиметра. И определяет у нас свойства этой мизерной молекулы ее самая внешняя электронная оболочка.
Вот атом О (кислорода). Ядро его более массивное. Оно оттягивает на себя электроны водорода и в этой (водородной) части молекулы проявляется положительный заряд. Соответственно, на другом ее краю – заряд отрицательный. Молекула воды получается полярной.
Полярность молекулы - решающий фактор с точки зрения возможностей ее наблюдений (об этом пару слов чуть позже).
Но самым главным в космосе является не вода, а водород.
Может ли водород быть в космосе в молекулярном состоянии? Вот, скажем, объединились 2 атома H, и у них появилась общая электронная оболочка.
Картина абсолютно симметричная. Никакой полярности нет - молекула H2 неполярна. Но, оказывается, именно это свойство не позволяет увидеть такую молекулу в самом «популярном» для наблюдений радиодиапазоне.
Поэтому, если таким способом зондировать космос, то никаких молекул мы никогда не обнаружим.
Странный космос
Да, космос странен. Он "выдал" нам водород, сыграв интересную шутку с самым благородным веществом, аргоном.
Аргон – лучший газ-невидимка, он стоек и нейтрален в химических реакциях. Но, оказывается, что при очень серьезной бомбардировке космическими лучами, атом аргона может превратиться в ион и есть условия, когда он захватывает атом водорода.
Вот эта-то поляризованная молекула ArH+, названная аргонием, и была первой зафиксирована в космосе... А потом уже молекул было открыто предостаточно – в том числе весьма непростых и странных. И у нас началась эпоха молекулярного переосмысления Вселенной.
Молекулы и первые звезды
Да, теперь ближе к звездам. Вы, наверно, знаете каков современный итог «инвентаризации» Вселенной. Он дает примерно такой результат, что масса барионов (а это семейство всех известных элементарных частиц) где-то 4%. А все остальное - так называемое темное вещество и не менее темная энергия:
Из барионов состоит все, что мы знаем, в том числе и мы сами. А вот что такое темное вещество и энергия пока не очень понятно, хотя они доминируют в общей массе Вселенной.
Но давайте вспомним, как было вначале. В первые несколько секунд (после условного Большого взрыва) во Вселенной появились атомы – водород, гелий и крайне малое количество дейтерия и лития. Крайне малое. То есть можно сказать, что газ был водородно-гелиевый.
Газ был крайне раскален, Вселенная расширялась. Расширявшийся с ней газ охлаждался, и как только температура упала где-то до нескольких тысяч градусов, то ионы, в данном случае протоны (ион водорода – это протон) и электроны стали соединяться в атомы, началась реионизация.
То есть, барионное вещество стало нейтральным. Но основным все равно было не оно. Главным оставалось то самое, загадочное темное вещество...
Напомним, что темное вещество проявляет себя лишь одним свойством – гравитацией. Ведь пока что его существование обнаружено только по гравитационным воздействиям.
Расширение Вселенной при любом раскладе не могло продолжаться идеально равномерно, верно? Должны были возникать начальные флуктуации. Они приводили к тому, что в некоторых местах гравитация отдельных точек сгущалась.
На компьютере смоделировали это огромное облако расходящихся гравитирующих точек, вначале равномерно распределенных. Так вот, если отпустить такое облако эволюционировать, то обязательно эти мелкие начальные возмущения плотности будут накапливаться. И появятся уже заметные гравитационные неоднородности – возмущения плотности материи.
Некоторые из сгустков плотности становились такими массивными, что их самогравитация уже не позволяла им рассыпаться.
Сгустки начали жить своей жизнью. Они все время перемещались, но главный процесс в их жизни – это слияния.
Темное вещество, в своем обширном гало, имело больше гравитационных ям. И естественно, что беспокойные, увлекаемые барионы просто падали в эти ямы. Падали, накапливались, а поскольку барионное вещество, как мы говорим, диссипативное, то есть может терять энергию, то уплотнения могли происходить очень сильные.
Поэтому барионы в области своих скоплений начинали доминировать над темным веществом.
И из этих скоплений вещества образовались первые звезды. Это были очень странные объекты, поскольку содержали газ из водорода и гелия, который не мог эффективно охлаждаться. А для того, чтобы образовать звезду, вещество нужно охладить.
Так вот, оказывается, охладителями в первичном газе, где металлов еще не было, могли быть только молекулы!
Но молекулы не могли тогда существовать долго, потому что газ был разогрет до температуры 100 000 кельвинов. Однако, при редчайших реакциях соударения (все-таки плотность-то была велика), стало возможным образование молекулы Н2.
А молекула Н2 уже является охладителем.
Это значит, что тепловая энергия частиц, которые летают в газе и сталкиваются с молекулами H2, уходит на возбуждение энергетических уровней в них.
Возбужденные молекулы сбрасывают эту энергию через инфракрасное, например, излучение, для которого сама звезда прозрачна. То есть тепловая энергия тратится на молекулу, а молекула сбрасывает энергию, и та уходит в космос в виде излучения, а вещество при этом охлаждается.
Вот такая она, молекула H2 - охладитель первых звезд...
А эти первые звезды, образовавшиеся из плохо охлаждающегося горячего газа, были массивными, возможно в 1000 раз массивнее Солнца.
Массивные звезды разрывались от неустойчивости, но перед взрывом в их недрах уже были синтезированы первые тяжелые элементы, элементы тяжелее гелия.
Вот так в межзвездном газе появились тяжелые элементы. Например, углерод, кремний и др... Они обогатили собой межзвездную среду. При этом тяжелые элементы - это уже прекрасные охладители межзвездного газа. И им уже не стоило больших усилий, чтобы сжимать газ и создавать в этом сжатии звезды...
Закрепим напоследок.
Без молекул Н2 не появились бы первые неустойчивые звезды. Без первых звезд не появились бы тяжелые элементы, хорошие охладители. Без них не появились бы устойчивые звезды, в том числе и те, которые мы сейчас наблюдаем. Ну а без звезд, упрямо атакующих темное вещество энергией света, не было бы далеких и близких галактик...
Вот вам и вся история возникновения Вселенной в одной простой лекции. О молекулах и звездах.
"Спецрейс" в науку с клубом Симфомир Symfomir:
Наш мир слишком аномален для реальности
Страсти по гравитации – Тесла против Эйнштейна и Ньютона
Новая эра в физике - открытие гравитационных волн!
Правда и магия космических расстояний
Стоит ли верить астрономам?
Феномен "Лунного заговора" - провокация, мода, невежество, истина?
Темная материя - прорыв и провал одновременно
Что чудесного в Мультивселенной?
Темная материя - прорыв и провал одновременно
Ключ к тайнам мироздания - в спирали!
Добро пожаловать в клуб Симфомир Symfomir, где есть возможность осмыслить многое по существу...