Самое тяжелое вещество во Вселенной
Осмий на сегодня определён как самое тяжёлое вещество на планете. Всего один кубический сантиметр этого вещества весит 22.6 грамма. Он был открыт в 1804 году английским химиком Смитсоном Теннантом, при растворении золота в царской водке. После химического опыта в пробирке остался осадок. Это произошло из-за особенности осмия, он нерастворим в щелочах и кислотах.
Самый тяжёлый элемент на планете
Представляет собой голубовато-белый металлический порошок. В природе встречается в виде семи изотопов, шесть из них стабильны и один неустойчив. По плотности немного превосходит иридий, который имеет плотность 22,4 грамма на кубический сантиметр. Из обнаруженных на сегодня материалов, самое тяжёлое вещество в мире — это осмий.
Дороже золота и алмазов
Добывается его очень мало, порядка десяти тысяч килограмм в год. Даже в наиболее большом источнике осмия, Джезказганском месторождении, содержится порядка трёх десятимиллионных долей. Биржевая стоимость редкого металла в мире достигает порядка 200 тысяч долларов за один грамм. При этом максимальная чистота элемента в процессе очистки около семидесяти процентов.
Плотность материи за пределами планеты Земля
Осмий, бесспорно, является лидером самых тяжёлых элементов нашей планеты. Но если мы обратим свой взор в космос, то нашему вниманию откроется множество веществ более тяжёлых, чем наш «король» тяжёлых элементов.
Дело в том, что во Вселенной существуют условия несколько другие, чем на Земле. Гравитация ряда космических объектов настолько велика, что вещество неимоверно уплотняется.
Если рассмотреть структуру атома, то обнаружится, что расстояния в межатомном мире чем-то напоминают видимый нами космос. Где планеты, звезды и прочие космические тела находятся на достаточно большой дистанции. Остальное же занимает пустота. Именно такую структуру имеют атомы, и при сильной гравитации эта дистанция достаточно сильно уменьшается. Вплоть до «вдавливания» одних элементарных частиц в другие.
Нейтронные звезды – сверхплотные объекты космоса
В поисках за пределами нашей Земли мы сможем обнаружить самое тяжёлое вещество в космосе на нейтронных звёздах.
Это космическое тело в основном состоит из нейтронной сердцевины, которая состоит из текучих нейтронов. Хотя по некоторым предположениям учёных она должна находиться в твёрдом состоянии, достоверной информации на сегодня не существует. Однако известно, что именно нейтронные звезды, достигая своего передела сжатия, впоследствии превращаются в сверхновые звезды с колоссальным выбросом энергии, порядка 10 43 -10 45 джоулей.
Плотность такой звезды сравнима, к примеру, с весом горы Эверест, помещённой в спичечный коробок. Это сотни миллиардов тонн в одном кубическом миллиметре. К примеру, чтобы стало более понятно, насколько велика плотность вещества, возьмём нашу планету с её массой 5,9×1024 кг и «превратим» в нейтронную звезду.
В результате, чтобы плотность Земли сравнялась с плотностью нейтронной звезды, её нужно уменьшить до размеров обычного яблока, диаметром 7-10 сантиметров. Плотность уникальных звёздных объектов увеличивается с перемещением к центру.
Слои и плотность вещества
Наружный слой звезды представлен собой в виде магнитосферы. Непосредственно под ней плотность вещества уже достигает порядка одной тонны на сантиметр кубический. Учитывая наши знания о Земле, на данный момент, это самое тяжёлое вещество из обнаруженных элементов. Но не спешите с выводами.
Проследуем далее в изучении сверхплотных космических тел. Затем следует слой, который имеет характеристики металла, но, скорее всего, он похож по поведению и структуре. Кристаллы намного меньше, чем мы видим в кристаллической решётке Земных веществ. Чтобы выстроить линию из кристаллов в 1 сантиметр, понадобится выложить более 10 миллиардов элементов. Плотность в этом слое в один миллион раз выше, чем в наружном. Это не самое тяжёлое вещество звезды. Далее следует слой, богатый нейтронами, плотность которого в тысячу раз превышает предыдущий.
Ядро нейтронной звезды и его плотность
Ниже находится ядро, именно здесь плотность достигает своего максимума — в два раза выше, чем вышележащий слой. Вещество ядра небесного тела состоит из всех известных физике элементарных частиц. На этом мы достигли конца путешествия к ядру звезды в поисках самого тяжёлого вещества в космосе.
Миссия в поисках уникальных по плотности веществ во Вселенной, казалось бы, завершена. Но космос полон загадок и неоткрытых явлений, звёзд, фактов и закономерностей.
Чёрные дыры во Вселенной
Следует обратить внимание, на то, что сегодня уже открыто. Это чёрные дыры. Возможно, именно эти загадочные объекты могут быть претендентами на то, что самое тяжёлое вещество во Вселенной — их составляющая. Обратите внимание, что гравитация чёрных дыр настолько велика, что свет не может её покинуть.
К сожалению, за горизонтом событий (так называется граница, где свет и любой объект, под действием сил гравитации, не может покинуть чёрную дыру) следуют наши догадки и косвенные предположения, основанные на выбросах потоков частиц.
Ряд учёных предполагают, что за горизонтом событий смешиваются пространство и время. Существует мнение, что они могут являться «проходом» в другую Вселенную. Возможно, это соответствует истине, хотя вполне возможно, что за этими пределами открывается другое пространство с совершенно новыми законами. Область, где время поменяется «местом» с пространством. Местонахождение будущего и прошлого определяется всего лишь выбором следования. Подобно нашему выбору идти направо или налево.
Потенциально допустимо, что во Вселенной существуют цивилизации, которые освоили путешествия во времени через чёрные дыры. Возможно, в будущем люди с планеты Земля откроют тайну путешествий сквозь время.
Источник
Тяжелые элементы в космосе – откуда они взялись?
Международная команда во главе с Университетом Гете в Германии успешно преобразовала ионы ксенона в тяжелый элемент цезий. Результаты, которые появились в физических обзорных письмах, были первыми, чтобы воспроизвести это явление в контролируемой среде.
Дело в звездной пыли
Нуклеосинтез относится к созданию атомных ядер, или в широком смысле, элементов. По мнению астрофизиков, этот процесс впервые был замечен на ранних стадиях развития Вселенной. В его младенчестве температура Вселенной была настолько высока, что произошел ядерный синтез, создав первые звезды. Когда звезды старели, они производили другие элементы в качестве побочного продукта, от лития до кремния и железа – процесс, известный как звездный нуклеосинтез.
Когда он производит железо, звезда, как говорят, находится на последней фазе своей жизни, после чего она взорвется и станет сверхновой.
Сверхновая позволяет синтезировать новые ядра (и новые элементы тяжелее железа) из-за потока нейтронов, и эти тяжелые элементы будут отправлены через пространство, которое однажды упадет на Землю. Эти элементы позже станут частью всего на планете, включая ваше тело.
Стремясь к звездам
Подобно сверхновым звездам, нейтронные звезды – особенно слияния нейтронных звезд – также создают условия для образования тяжелых элементов, известных как низкоэнергетический захват протонов. Это состояние, называемое окном Гамова, имеет температуру выше 1 гигакельвина (1,8 миллиарда градусов по Фаренгейту), но относительно низкую энергию. Ученые хотели воссоздать его, чтобы увидеть, может ли окно Гамова индуцировать синтез тяжелого элемента.
Эти реакции наиболее вероятны в астрофизических условиях в энергетическом диапазоне, называемом окном Гамова. В этом диапазоне ядра имеют тенденцию быть несколько медленными, что затрудняет их получение с требуемой интенсивностью – объяснил д-р Ян Глориус из отдела исследований атомной физики GSI.
Рене Рейфарт, профессор экспериментальной астрофизики в Университете Гете, предположил, что экспериментальное накопительное кольцо Гельмгольца (ESR) может воссоздать такую реакцию. Он рекомендовал, чтобы тяжелый партнер реакции циркулировал в ускорителе, где он взаимодействовал бы со стационарным протонным газом. Этот эксперимент оказался настолько успешным, что финансируемый ЕС исследовательский проект в GSI также выразил поддержку исследованиям Рейфарта.
Эксперимент по нуклеосинтезу
В ходе эксперимента исследователи подготовили ионы ксенона, которые, по их прогнозам, могли захватывать протоны из протонного облака. Затем команда замедлила эти ионы в ЭПР, где они столкнулись с протонным газом. Ксеноновые ядер захваченных протонов. В процессе они трансформировались в другой, более тяжелый элемент: цезий. Это почти точное воспроизведение того, что происходит в Астрофизическом сценарии, например, в ядре Солнца или на поверхности нейтронной звезды.
“Эксперимент вносит решающий вклад в продвижение нашего понимания нуклеосинтеза в космосе”, – говорит Рейфарт. “Благодаря высокоэффективной ускорительной установке в GSI, мы смогли улучшить экспериментальную технику для замедления тяжелой реакции партнера. Теперь у нас есть более точные знания о области, в которой происходят скорости реакции, которые до сих пор были только теоретически предсказаны. Это позволяет нам более точно моделировать производство элементов во Вселенной.”
Источник
Откуда берутся тяжелые металлы
Слияние нейтронных звезд происходит очень редко, в нашей Галактике, например, — раз в десять тысяч лет, а образование новых элементов идет считанные миллисекунды после него. Однако, этот процесс является важным источником элементов тяжелее никеля и основным источником стабильных элементов тяжелее церия. Похоже, уже очень скоро нам расскажут о том, что сразу несколько телескопов увидели это столкновение и образовавшиеся в его результате гравитационные волны. Мы решили объяснить читателям N + 1, как это открытие поможет нам разобраться в происхождении различных элементов во Вселенной.
Несмотря на стремительное развитие астрофизики за последние 100 лет, наши знания о происхождении многих элементов таблицы Менделеева оставляет желать лучшего. Общая картина более или менее сложилась благодаря работам таких титанов, как Артур Эддингтон, Георгий Гамов и Фред Хойл, — водород и гелий появились в результате Большого взрыва, бомбардировка межзвездной среды космическими лучами ответственна за литий, бериллий, бор, а элементы от углерода до молибдена (вместе с примкнувшими к ним барием, вольфрамом и титаном) появляются в результате звездного нуклеосинтеза — реакций ядерного синтеза в ядрах звезд либо во время их жизни, либо в результате их яркой смерти (которое мы наблюдаем в виде вспышек сверхновых).
Элементы с массовым атомным числом больше 94 (и технеций) получены людьми, еще часть элементов весьма нестабильна, распадается при всяком удобном случае и в природе почти не встречается (полоний, астат и прочие).
Происхождение различных элементов. Фиолетовым выделены те атомы, которые появляются в результате слияния нейтронных звезд.
Это качественная картина, но при попытке дать количественный анализ начинаются проблемы: вспышки сверхновых, будучи одними из самых энергетически мощных взрывов во Вселенной, все равно не дают нужного количества тяжелых элементов. Ряд ученых еще в конце 1990-х провели компьютерные симуляции и пришли к выводу, что необходимые элементы можно получить, только если очень точно «подкрутить» параметры сверхновых (сечение захвата нейтрино или свойства слабого взаимодействия) и задать им нереалистичные начальные условия.Кроме того, ряд тяжелых элементов отсутствует у очень старых звезд. В них уже есть кремний, кальций и даже железо (то есть они собирались из водородного облака, которое было до этого обогащено остатками давно взорвавшихся сверхновых), но нет ни рубидия, ни йода, ни золота. Однако эти же элементы есть в более молодых звездах, которые, по идее, должны были образовываться из таких же облаков с остатками сверхновых. Не правда ли, странным выглядит предположение, что сверхновые через пару миллиардов лет после Большого взрыва поменяли принцип работы и стали производить элементы совсем в другой пропорции?
Значит, во Вселенной должны быть другие источники тяжелых элементов. В 1989 году было выдвинуто предположение, что таким источником могут быть слияния нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. Несмотря на то, что это намного более редкие события (мало того, что нейтронная звезда — достаточно экзотический объект, так ей еще нужно подобрать пару из такой же звезды), похоже, что за золото и платину в наших кольцах нам нужно сказать спасибо именно им.
Масса нейтронных звезд не очень велика (в среднем, она не должна превышать предел Оппенгеймера-Волкова, то есть около двух массой Солнца, иначе она станет черной дырой, хотя вращение или приливное взаимодействие со стороны звезды-компаньона может немного повысить этот предел), а в пространство после слияния выбрасывается и того меньше — около 10 процентов от их массы. Однако эффективность синтеза новых элементов во время слияния настолько высока, что этого оказывается достаточно для решения загадки недостающих тяжелых элементов. Подобная эффективность возникает благодаря быстрому нейтронному захвату или r-процессу — «вдавливанию» в ядра элементов разлетающихся от взрыва нейтронов. Само понятие «r-процесс» появилось в 1957 году, когда вышла фундаментальная статья B 2 FH (этой статье посвящена отдельная страница в Википедии!), в которой четверо ученых дали явлению название и предположили условия, необходимые для его протекания.
Откуда в нейтронной звезде, которая, по идее, должна состоять из нейтронов, тяжелые ядра? Дело в том, что нейтроны (и гипотетическая кварк-глюоная плазма) находятся только во внутренней части звезды, а внешняя ее «кора» — два километра из десяти — состоит из полноценных тяжелых элементов периодической таблицы Менделеева.
Когда две вращающиеся нейтронные звезды сближаются, это не похоже на столкновение двух бильярдных шаров: взаимное тяготение разрывает их внешние оболочки, срывая слой вещества со звезды, поэтому само слияние происходит в коконе из горячей плазмы, нейтронов и электронов. Сразу после слияния звезд часть массы переходит в гравитационные волны, основная масса становится либо очень быстро вращающейся нейтронной звездой, либо черной дырой, еще часть массы остается гравитационно связана с этим новым объектом и будет постепенно падать на него, но в то же время огромная энергия высвобождается в виде фотонов и ударной волны. Она сдувает весь внешний кокон ударной волной и высвобожденным из ядра потоком нейтронов. Именно эта концентрация в одном месте высокой температуры, плотной среды из атомов и гигантского потока нейтронов приводит к удивительным превращениям.
Компьютерная симуляция, описывающая среду сразу после слияния двух нейтронных звезд. Два спиральных рукава состоят из вещества внешней части нейтронных звезд, сорванных приливным взаимодействием с соседкой. Только материя, обозначенная серым цветом, будет выброшена из систем после взрыва, остальная часть будет вращаться вокруг образовавшегося объекта.
Источник