Химический состав Вселенной очень важная тема. Изучение того, из чего состоит наш «космический дом» поможет получить ответы на фундаментальные вопросы мироздания, помочь в освоении других планет, получить вещества с невероятными и полезными свойствами.
Если рассматривать Вселенную в целом, то самым распространенным химическим элементом является водород. У водорода простейший состав атома. Он состоит из пары субатомных частиц — протона и нейтрона. Именно по этому процент водорода в составе Вселенной равен 75 процентам. На производство более сложных по составу элементов требуется больше энергии, поэтому других веществ во Вселенной меньше. Вторую ощутимую долю вещества составляет газ гелий. Его во Вселенной 23%. Оставшиеся 2% делят между собой все остальные элементы. Именно эти два процента и представляют наибольший интерес для исследований, поскольку помимо атомов, во Вселенной можно найти сложные молекулы, в том числе и органические.
Как ученые изучают химию Космоса
Люди, интересующиеся физикой знают, что белый свет содержит в себе целую радугу других цветов, называемую спектром. Именно их комбинация и дает белый свет. Первым разложил свет на составляющие великий физик — Исаак Ньютон. К сожалению применения этому эффекту ученый так и не нашел. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучения были открыты позже. Инфракрасное обнаружил астроном Уильям Гершель в 1800-м году. Ультрафиолетовое излучение было открыто годом позже Иоганном Риттером. Иозеф Фраунгофер обнаружил темные полосы в спектрах разных источников света, и провел исследование этого явления в 1814-м году. В 1959-м году ученые Кирхгоф и Бунзен установили связь между химическими элементами и фраунгоферовыми темными полосами в их спектрах. Стало понятно, что атом каждого элемента имеет свой уникальный рисунок в спектре излучения. Эти уникальные линии назвали сигнатурами. Отныне можно было определять атомарный состав вещества по излучаемому и поглощаемому свету, осталось только проверить метод на практике.
Осуществила первую проверку спектрального анализа французская академия наук. С этой целью экспедиция ученых побывала в Индии во время солнечного затмения в 1868-м году. Спектральный метод доказал свою эффективность, и с тех пор повсеместно применяется на практике.
Благодаря спектральному анализу ученые обнаружили многие химические элементы еще до того, как получили их в лабораториях.
Как работает спектральный анализ?
Атомы любого химического элемента имеют в своем составе ядро, состоящее из нуклонов (протоны и нейтроны) и электроны, находящиеся на орбиталях (области в атоме, на которых можно обнаружить электрон). Электроны могут излучать и поглощать частицы несущие свет — фотоны. Поглощая фотоны, электроны поднимается на более высокую орбиталь, а после этого одномоментно излучают энергию, перемещаясь на орбитали, расположенные ближе к ядру. При поглощении фотонов в спектре элемента появляется темная линия, а при испускании цветная. Ее цвет зависит от длины волны и количества энергии. Атом каждого химического элемента имеет свою, уникальную спектральную картину, образованную поглощениями и испусканиями фотонов. Например, бросив крупинку соли на газовую горелку, Вы увидите желтый всполох пламени, образованный натрием в составе соли.
Какую информацию можно получить из спектра объекта?
Всех проще при помощи спектрального анализа изучать звезды. Эти объекты сами излучают свет, но ученых больше интересует поглощение. Впрочем химический состав звезд и так хорошо известен. Состоят они в основном из водорода и гелия в разных пропорциях, в зависимости от возраста звезды. Благодаря спектральному анализу можно более точно установить возраст светила по соотношению водорода и гелия, а также по количеству более тяжелых элементов в составе.
Более интересны для изучения сверхновые звезды — остатки взорвавшихся звезд. В этих объектах можно найти химические элементы тяжелее железа.
Представляют интерес и слияния нейтронных звезд. По некоторым предположениям в результате подобных событий могут образовываться драгоценные металлы — золото и платина.
При помощи спектрального анализа можно найти в Космосе сложные молекулы и даже органические соединения. Они представляют особую ценность, поскольку могут быть маркерами внеземной жизни. Наиболее перспективными в этом отношении являются относительно холодные объекты — скопления межзвездного газа, планеты и кометы. На просторах Вселенной уже обнаружены «пребиотические» соединения, например, аминоацетонитрил.
Изучение планет при помощи спектрального анализа
Планеты — одни из самых значимых объектов для спектрального анализа. Поиски внеземной жизни очень интересуют земных ученых. Анализ атмосферы и состава планеты способен дать ответ на вопрос: «Могут ли на конкретном небесном теле существовать живые организмы»? Конечно, в первую очередь мы ищем маркеры жизни, похожей на нашу. Мы сами состоим из молекул, образованных углеродом. Дышит большинство обитателей Земли воздухом, в состав которого входит кислород. Также мы знаем, что до появления жизни атмосфера Земли состояла по большей части из углекислого газа, который был переработан в кислород первыми живыми организмами. Именно кислород и пытаются найти в атмосферах экзопланет исследователи. Вторым важным биомаркером для жизни земного типа является вода. Без воды жизнь похожая на на нашу не может существовать.
При попытках получить спектрограммы планет ученые сталкиваются с огромной проблемой. Большинство планет вращаются вокруг звезд. Свет, испускаемый звездой «перебивает» свет, отраженный от планеты. Однако существует способ получить исчерпывающую информацию о химическом составе далекой планеты. Атмосфера экзопланеты поглощает часть испускаемого звездой излучения. При этом если проводить измерения на разных диапазонах, то планета как будто меняет свой размер. Анализируя эту информацию можно довольно точно определять химические элементы в составе атмосферы.
Анализируют ученые и остатки газопылевых облаков. Например, если в газопылевом облаке количественно преобладает углерод, а кислорода меньше, то в такой системе планеты имеют в своем составе по большей части карбонаты. Поскольку звезды образуются из тех же облаков, что и планеты, состав звезды может рассказать о химическом составе окружающих планет. Если в составе звезды много кремния и магния, то с высокой вероятностью около нее будут вращаться каменистые, землеподобные планеты.
Химический состав самой экзопланеты легче определить при помощи расчета массы, объема, плотности планеты и ее взаимодействия со своей звездой.
Поиск экзотических материалов с помощью спектрального анализа
Одним из передовых направлений в спектральных исследованиях является поиск материалов, существование которых не возможно на Земле. Анализируя спектры космических объектов, ученые пытаются обнаружить молекулы веществ, созданных экстремальными условиями.
На планетах, подобных Юпитеру (газовых гигантах), расположенных очень близко к своей звезде, температура может переваливать за тысячу градусов по шкале Цельсия. В недрах «горячих Юпитеров» создается чудовищное давление. Благодаря таким условиям создаются соединения, которые сложно или не возможно получить в земных условиях. Например, металлический водород был сначала обнаружен в Космосе, и лишь недавно получен в лаборатории.
Экзопланеты земного типа тоже могут удивить наличием экзотических веществ. Благодаря большей плотности по сравнению с газовыми гигантами, каменистые внешние планеты могут содержать в недрах еще более странные вещества с точки зрения земной химии. Компьютерное моделирование показало, что на каменистых планетах можно найти экзотические соединения магния, кремния и кислорода. Они также появляются за счет большого давления и высокой температуры. Эти вещества могут обладать очень полезными физическими свойствами.
Какую информацию можно получить при помощи спектрального анализа
В первую очередь ученые определяют свойства звезды в исследуемой системе: ее класс, размер, массу и состав. Эти данные позволяют понять, какие по составу недр и атмосферы планеты могут вращаться вокруг светила, каковы их массы и протяженности орбит. Вычислив расстояние от звезды до планет, можно сделать выводы относительно температуры на поверхности космического тела. Атмосферы разных планет имеют разные толщину и плотность. Применяя специальные фильтры при спектральном анализе, исследователи вычисляют эти параметры. Благодаря поглощению света от звезды атмосферой планеты, можно узнать ее химический состав, в то время когда планета совершает транзит через диск звезды. Можно даже обнаружить облака на экзопланеты за счет изменения светимости отраженного света (Альбедо).
Благодаря изучению протопланетных дисков, ученые лучше понимают эволюцию планетарных систем.
Поиски жизни на экзопланетах
Для обнаружения внеземной жизни необходимо искать биомаркеры. Конечно, «поймать» радиосигнал разумного происхождения — это мечта всех ученых, ищущих внеземной разум, однако даже кислород и водяные пары в атмосфере планеты могут указать на ее обитаемость. Наибольшие надежды в этом плане сейчас возлагаются на телескоп имени Джеймса Уэбба, который должен внести ясность в вопрос о количестве потенциально обитаемых планет в нашем секторе Вселенной.
Как мы видим спектральный анализ — это очень полезный метод исследования, благодаря которому можно собрать большой объем данных о далеких космических телах. Будем надеяться, что в ближайшее время ученые предоставят общественности поистине удивительные сведения о Космосе, которые вызовут революцию в понимании мироздания.
