Здравствуйте! Сегодня мы поговорим про звезды и жизнь. Как эволюционирует Вселенная?
И неслучайно на заглавном слайде - эта картинка. Здесь мы видим скалу, сложенную из докембрийских пород. То есть, она возрастом около миллиарда лет.
Кажется: где звезды, а где – жизнь. Позвольте я проведу вас по извилистой тропинке, которая начнется как раз в далеком прошлом нашей планеты.
Это тиктаалик, промежуточное звено между рыбами и наземными животными.
Этой находке 380 миллионов лет.
Начиная с этих времен, некоторые рыбы медленно эволюционировали в длинноногих животных, живущих на суше.
Их глаза при этом утроились в размерах и переместились с боков на макушку задолго до того, как рыбы превратили свои плавники в конечности для передвижения по твердой поверхности.
Главный тезис этой статьи вынесен в заголовок: массовое увеличение зрительного диапазона предшествовало появлению наземных позвоночных.
О тиктаалике известный палеонтолог Нил Шубин написал книгу «Внутренняя рыба». Почитайте, очень интересно!
На картинках слева — результаты моделирования прозрачности воды в пресных водоемах.
Сверху - прозрачная вода, снизу - менее прозрачная.
Ну а справа мы видим то, как у тех древних существ должно было быть устроено зрение. Тиктаалик — точно посередине.
Для нас важно то, что органы зрения живых существ были сформированы под светом звезды, Солнца. Более того, под светом Солнца, прошедшим через толщу воды.
Посмотрим, как характеристики звезды определили чувствительность наших глаз.
Так выглядит Солнце сегодня. Довольно необычно, поскольку на диске не наблюдается ни одного пятна. А вот так Солнце выглядит в ультрафиолетовом диапазоне, в спектральной линии гелия 304 ангстрема, или 30 нанометров.
Диапазон чувствительности глаза от 380 до 750 нанометров, а земная атмосфера пропускает свет, начиная с 300 нанометров. То есть, таким Солнце мы увидим только с помощью космических обсерваторий.
Этот график — распределение энергии в спектре Солнца. Оранжевая область — то, как распределено излучение по длинам волн. Солнце самое яркое в зеленом свете. Чем дальше мы уходим в синюю, а затем ультрафиолетовую область, тем менее яркой будет звезда. Спад яркости в сторону красного и далее инфракрасного света более пологий. Такая зависимость характерна для чернотельного излучения, оно описывает свет почти любого нагретого тела. Теоретическая кривая для температуры Солнца, около 6000 градусов Кельвина, показана серым цветом. Инфракрасный свет мы ощущаем как тепло, ультрафиолетовый… Каждому знакомы ощущения, когда обгораешь под яркими лучами Солнца.
Максимум чувствительности глаза днем — на длине волны 555 нанометров, ночью - около 500. Это все зеленый свет, поэтому мы различаем так много оттенков зеленого. Максимум излучения Солнца - именно здесь, но почему оно желто-белое? Все потому, что глаз видит свет сразу всех длин волн, от фиолетового до красного. И оттенки, которые мы различаем - результат обработки мозгом получаемых от глаз сигналов.
Кстати, максимальная прозрачность речной воды тоже в зеленых лучах, на длине волны 575 нм.
Вот так совокупность природных условий, в которых формировались живые организмы, определило особенности нашего зрения. Еще раз: это состав и параметры атмосферы Земли - красная граница, свойства воды - голубая линия. А главное - температура поверхности нашей звезды, Солнца.
Теперь поговорим о том, откуда взялось вещество, из которого мы состоим.
Вещество состоит из атомов. Атомы бывают разные, и впервые наглядно систематизировать их удалось Дмитрию Ивановичу Менделееву. Периодическая система элементов якобы приснилась ему во сне. Конечно же, она была плодом долгой и кропотливой работы. Любой кто хотя бы раз видел таблицу, без труда ее узнает. Неважно, понимаете ли вы обозначения в ней или нет:
Нас будет интересовать происхождение этих элементов.
На этой версии таблицы мы видим каждый элемент как образец вещества.
Обратим внимание на основные элементы - строительные материалы жизни.
Элемент номер один - водород, самое распространенное вещество в природе. Важные составляющие наших тел - углерод, азот и кислород. Из углерода и водорода состоят органические вещества. А живые организмы состоят в основном из них, потому и говорят - углеродные формы жизни.
Чтобы запомнить основные составляющие жизни, обозначения элементов соединяют в акроним CHON и расширенную версию CHNOPS. Последний включает фосфор и серу. Все эти элементы входят в состав белков, жиров и углеводов. А еще нуклеиновых кислот: ДНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению и передаче наследственной информации.
Более чем наполовину мы состоим из воды. Дизайнер этой инфографики проиллюстрировал ее знаменитым текстом-рыбой «Lorem ipsum», бессмысленным набором слов. Им заполняют макеты страниц, чтобы они приобрели готовый вид. Действительно вода!
Так откуда же все эти элементы? Наша Вселенная не существовала вечно, а родилась 13.7 миллиардов лет назад в результате большого взрыва. Новорожденная вселенная была невероятно плотной и горячей, и только в первые две минуты появились привычные нам частицы, протоны и нейтроны. В следующие 18 минут происходил первичный нуклеосинтез: частицы формировали атомы. Так сложился состав Вселенной: три четверти, или 75% водорода, около 1/4 гелия и совсем немного лития. Это три самых легких элемента.
Гигантские молекулярные облака, которые мы наблюдаем в нашей и других галактиках, состоят как раз из водорода и гелия в этих пропорциях.
Из них формируются звезды. В плотных ядах, или глобулах, рождаются протозвезды. Когда они сжимаются настолько, что температура в ядре достигает миллионов градусов, начинаются ядерные реакции превращения водорода в гелий.
Звезды первых поколений были совсем непохожи на Солнце, ведь в них совсем не было тяжелых элементов.
В таблице Менделеева для астрономов потому мы видим только водород, гелий и металлы. Получается, человек для астронома - на 90.5% металлический!
Эта неприметная звезда обладает рекордно малым содержанием металлов. То есть, состоит почти полностью из водорода и гелия. Настоящий вызов теоретикам, которые должны объяснить, как должны протекать ядерные реакции в этих условиях.
Любая звезда рано или поздно исчерпает запасы водорода в ядре и из карлика, к которым относится и Солнце, превратится в гиганта. Об эволюции звезд мы рассказывали в серии Космический зоопарк — посмотрите плейлист по ссылке!
Кратко. На стадии после гиганта (на самом деле, после асимптотической ветви гигантов) оболочка раздувшейся звезды начинает постепенно сбрасываться. У достаточно массивных, с массой как у Солнца и больше, звезд оболочка будет обогащена металлами, которые образуются в ядре или слоевом источнике — зоне вокруг ядра.
Уже после окончания ядерных реакций горячее ядро звезды обнажается и формируется молодой белый карлик. Его ультрафиолетовый свет заставляет сброшенную оболочку светиться, и так рождается планетарная туманность.
Туманность «кошачий глаз» — прекрасная иллюстрация сложного и многоэтапного сброса вещества умирающей звездой. Обратите внимание на центральный источник - тот самый рождающийся белый карлик.
За 13 с лишним миллиардов лет умирающие звезды сумели обогатить Вселенную достаточно, чтобы межзвездное вещество стало содержать около 2% элементов тяжелее гелия.
Так что в периодической таблице для астрономов мы можем дорисовать важные для жизни элементы. Обратите внимание: так важный для нас кислород занимает третье после гелия место. Здесь размер элементов - относительное содержание, молярная доля. То есть, площадь квадратов пропорциональна количеству атомов во Вселенной. Так, в Солнечной системе на 91 атом водорода приходится 9 атомов гелия.
Вселенная обогащается тяжелыми элементами не только благодаря смерти звезд умеренных масс. Ядерные реакции, протекающие в недрах звезд, эффективны только до элементов железного пика. Это главным образом железо и никель. Дальше эффективен только радиоактивный распад.
Массивные звезды, в которых ядерные реакции доходят до образования железа, своеобразной ядерной золы, заканчивают свою жизнь вспышкой сверхновой. При этом катастрофическом событии выделяется огромное количество энергии, которая способствует быстрым реакциям образования тяжелых элементов.
Так выглядит остаток от вспышки сверхновой в разных длинах волн. Конкретно, в излучении, соответствующем спектральным линиям кальция, серы, кремния и железа.
Ничего не напоминает?
Яркие цвета салюта мы видим тоже благодаря свечению определенных химических элементов. Самый известный пример - желтый цвет натрия.
Получается, процессы, сопровождающие смерть звезд — основной источник тяжелых элементов.
О смерти звезд у нас тоже было видео. Посмотрите, если эта тема вас заинтересовала!
Так выглядит таблица Менделеева с указанием всех источников происхождения вещества.
Перечислим их.
Водород, гелий и литий образовались главным образом в процессе первичного нуклеосинтеза, в первые минуты жизни Вселенной.
Бериллий, бор и некоторая доля лития образуются в процессе реакций скалывания, благодаря космическим лучам.
Далее — обогащение межзвездной среды в процессе смерти звезд умеренных масс: углерод, азот и снова литий.
Зеленый — процессы, сопровождающие взрывы массивных звезд.
Голубой — взрывы белых карликов в двойной системе. И те, и другие события наблюдаются как вспышки сверхновых.
Наконец, оранжевый - слияния нейтронных звезд. Они наблюдаются как килоновые - недавно выделенный класс вспышек на небе, или транзиентов.
Таким образом, появление живых организмов было бы невозможно без смерти множества звезд, произошедших еще до образования Солнца и Солнечной системы.
Также и само Солнце пройдет через заключительные стадии эволюции и обогатит Вселенную металлами — элементами тяжелее гелия.
И кто знает, может эти атомы лягут в основу какой-то другой, внеземной жизни.
Если вам понравилось это видео, посмотрите другие ролики на нашем канале.
С вами был Дмитрий Насонов. Спасибо за просмотр, и до новых встреч!
