Кислород и углерод появились во Вселенной по воле кварка
Как известно, углерод и кислород составляют основу жизни на Земле. Однако согласно исследованию физиков из Государственного университета Северной Каролины, эти ключевые элементы были практически на.
Как известно, углерод и кислород составляют основу жизни на Земле. Однако согласно исследованию физиков из Государственного университета Северной Каролины, эти ключевые элементы были практически на грани небытия.
Ученые изучали условия, необходимые для формирования кислорода и углерода. Они образуются в процессе горения гелия внутри гигантских красных звезд. При этом углерод-12, один из важнейших элементов, из которого мы буквально и состоим, формируется только, когда три альфа-частицы, или ядра гелия-4, взаимодействуют очень специфическим образом.
Ключом к образованию является возбужденное состояние углерода-12, известное как состояние Хойла. Оно имеет очень конкретную энергию — около 379 кэВ (379 000 электрон-вольт), это выше энергии трех альфа-частиц. В свою очередь кислород образуется в результате взаимодействия альфа-частиц и углерода.
Ученым удалось смоделировать на компьютере состояние Хойла и исследовать взаимодействие протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Масса кварков является одним из основных параметров в природе и влияет на характеристики других частиц. Новые расчеты показали, что даже крошечное изменение в массе кварков меняет энергию состояния Хойла и, в свою очередь, влияет на формирование углерода и кислорода.
Получается, что масса кварка и состояние Хойла является ключевыми для образования жизни, подобной нашей. Если бы, например, энергия состояния Хойла была 479 кэВ или еще выше энергии трех альфа-частиц, то во Вселенной было бы слишком мало углерода, и жизнь на Земле никогда бы не возникла.
Что касается кислорода, то энергия состояния Хойла на уровне 279 кэВ привела бы к более раннему превращению гелия в углерод. Из-за этого углерода было бы в избытке, но звезды были бы холоднее и производили намного меньше кислорода. Ученые подводят итог: если бы масса кварков колебалась в пределах 2-3%, то в нашей Вселенной были бы проблемы с углеродом и кислородом. Так что нам крупно повезло, что физические параметры кварков «уложились» в эти узкие рамки и подарили нам жизнь.
Источник
Сюрприз: угадайте, какой элемент во Вселенной на третьем месте по распространенности?
«Два самых распространенных элемента во Вселенной — водород и глупость». — Харлан Эллисон. После водорода и гелия, в периодической таблице сплошь и рядом идут сюрпризы. В числе самых удивительных фактов есть и то, что каждый материал, которого мы когда-либо касались, который видели, с которым взаимодействовали, состоит из одних и тех же двух вещей: атомных ядер, заряженных положительно, и электронов, заряженных отрицательно. То, как эти атомы взаимодействуют между собой — как они толкаются, связываются, притягиваются и отталкиваются, создавая новые стабильные молекулы, ионы, электронные энергетические состояния, — собственно, определяет живописность мира вокруг нас.
Даже если именно квантовые и электромагнитные свойства этих атомов и их составляющих позволяют нашей Вселенной существовать с теми свойствами, что у нее есть, важно понимать, что Вселенная начиналась вовсе не со всеми этими элементами. Совсем наоборот, начинала она практически без них.
Видите ли, чтобы достичь разнообразия структур связи и построить сложные молекулы, которые лежат в основе всего, что нам известно, нужно очень много атомов. Не в количественном выражении, а в разнообразном, то есть чтобы были атомы с разным числом протонов в их атомных ядрах: именно это делает элементы разными.
Наши тела нуждаются в таких элементах, как углерод, азот, кислород, фосфор, кальций и железо. Кора нашей Земли нуждается в таких элементах, как кремний и множество других тяжелых элементов, тогда как ядро Земли — чтобы вырабатывать тепло — нуждается в элементах, наверное, всей периодической таблицы, которые встречаются в природе: торий, радий, уран и даже плутоний.
Прошло некоторое время. Первые ядра слились вместе и больше не разошлись, произведя водород и его изотопы, гелий и его изотопы, а также крошечные едва различимые объемы лития и бериллия, последний впоследствии радиоактивно распался на литий. С этого началась Вселенная: по числу ядер — 92% водорода, 8% гелия и примерно 0,00000001% лития. По массе — 75-76% водорода, 24-25% гелия и 0,00000007% лития. В начале было два слова: водород и гелий, на этом, можно сказать, все.
Сотни тысяч лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы смогли образоваться нейтральные атомы, а десятки миллионов лет спустя гравитационный коллапс позволил состояться первым звездам. Вместе с этим, явление ядерного синтеза не только наполнило светом Вселенную, но и позволило сформироваться тяжелым элементам.
К моменту рождения первой звезды, где-то 50-100 миллионов лет после Большого Взрыва, обильное количество водорода начало сливаться в гелий. Но что еще более важно, самые массивные звезды (в 8 раз массивнее нашего Солнца) сжигали свое топливо очень быстро, выгорая всего за пару лет. Как только в ядрах таких звезд заканчивался водород, гелиевое ядро сжималось и начинало сливать три ядра атома в углерод. Потребовался всего триллион этих тяжелых звезд в ранней Вселенной (которая образовала намного больше звезд в первые несколько сотен миллионов лет), чтобы литий был побежден.
И тут вы, наверное, думаете, что углерод стал элементом номер три в наши дни? Об этом можно подумать, поскольку звезды синтезируют элементы послойно, как луковица. Гелий синтезируется в углерод, углерод в кислород (позже и при большей температуре), кислород в кремний и серу, а кремний в железо. В конце цепочки железо не может слиться больше ни во что, поэтому ядро взрывается и звезда становится сверхновой.
- медленного захвата нейтрона (s-процесс), последовательно выстраивающего элементы;
- слияния ядер гелия с тяжелыми элементами (с образованием неона, магния, аргона, кальция и так далее);
- быстрого захвата нейтрона (r-процесс) с образованием элементов до урана и дальше.
Но у нас было не одно поколение звезд: у нас было много таких, и поколение, которое существует ныне, построено в первую очередь не на девственном водороде и гелии, но и на остатках от предыдущих поколений. Это важно, поскольку без этого у нас никогда бы не было твердых планет, лишь газовые гиганты из водорода и гелия, исключительно.
За миллиарды лет процесс образования и смерти звезд повторялся, все с более и более обогащенными элементами. Вместо того чтобы просто сливать водород в гелий, массивные звезды сливают водород в цикле C-N-O, со временем выравнивая объемы углерода и кислорода (и чуть меньше азота).
Кроме того, когда звезды проходят через гелиевый синтез с образованием углерода, довольно просто захватить лишний атом гелия с образованием кислорода (и даже добавить еще один гелий к кислороду с образованием неона), и даже наше Солнце будет делать это во время фазы красного гиганта.
Когда мы смотрим на останки сверхновой и планетарные туманности — остатки очень массивных звезд и солнцеподобных звезд соответственно — мы находим, что кислород превосходит углерод массово и количественно в каждом из случаев. Мы также обнаружили, что ни один из других элементов тяжелее и близко не стоит.
Что будущее нам готовит?
Вселенная меняется. Кислород — третий по распространенности элемент в современной Вселенной, и в очень, очень далеком будущем, возможно, поднимется выше водорода. Каждый раз, когда вы вдыхаете воздух и чувствуете удовлетворение от этого процесса, помните: звезды — единственная причина существования кислорода.
Источник
Все люди состоят из остатков сверхновых: как это?
Наши тела состоят из атомов, образовавшихся от звезд, которые взорвались очень давно. Объясняем, как это произошло.
Что значит «мы состоим из звездной пыли»? И что это?
Ученые предполагают, что Вселенной от 13 или 14 млрд, все началось с Большого взрыва.
В начале Вселенной существовали только водород и гелий. Звезды начали формироваться из облаков пыли и газа, которые коллапсировались под действием силы тяжести. Они действуют как ядерный реактор, превращая водород в гелий, гелий в углерод. Человек — один из примеров углеродной жизни, как и все, что мы знаем.
Когда звезды подходят к концу жизни, они раздуваются, сбрасывая внешние слои. Если звезда достаточно тяжелая, она станет сверхновой. В основном это большие и древние звезды. Они оставляют после себя крошечные гранулы — звездную пыль, когда умирают и взрываются. Изучение этих гранул дало ученым подсказки о том, как звезды образовались в Млечном Пути и подтвердили теорию о том, что люди состоят из звездной пыли.
А из каких элементов состоит человек?
Ключевые элементы для жизни на Земле, часто называемые строительными блоками жизни, могут быть сокращены как CHNOPS.
CHON — мнемонический акроним для четырех наиболее распространенных химических элементов в живых организмах: углерода ( C), водорода ( H), кислорода ( O) и азота ( N). В свою очередь, акроним CHNOPS, расшифровывающийся как Carbon (углерод), Hydrogen (водород), Nitrogen (азот), Oxygen (кислород), Phosphorus (фосфор) и Sulfur (сера), представляет шесть наиболее важных химических элементов, чьи ковалентные комбинации составляют большую часть биологических молекул на Земле.
Сера используется в аминокислотах цистеин и метионин. Фосфор — необходимый элемент в формировании фосфолипидов, класса липидов, которые являются главным компонентом всех клеточных мембран, так как они могут формировать двойные липидные слои, которые сохраняют ионы, протеины и другие молекулы там, где они нужны для выполнения функций клетки, и предотвращают от их проникновения в те зоны, где их не должно быть. Фосфатные группы также являются необходимым компонентом основы нуклеиновых кислот.
В исследовании 2017 года ученые впервые каталогизировали изобилие этих элементов в огромной выборке звезд.
Подтверждение теории
Метеорит, который упал на Землю недалеко от города Мерчисон, штат Виктория (Австралия) в 1969 году, подробно изучили в 2017 году.
Он накапливал звездную пыль в течение миллиардов лет, которые провел в космосе, прежде чем упал на Землю. Результаты исследования 2017 года показали, что гранулы поглотили множество космических лучей. Самые старые зерна датированы примерно 7 млрд лет назад, а большинство — периодом от 4,6 до 4,9 млрд лет назад, а небольшая горстка — 5,6 млрд лет назад. Итак, все межзвездные частицы, обнаруженные в метеорите Мерчисон, возникли до образования нашей звезды и Солнечной системы.
Проведя исследование метеорита, ученые сделали вывод, что звездообразование в Млечном Пути не было постоянным. Относительно большое количество частиц, возраст которых составляет 4,6–4,9 млрд лет, предполагает, что эти зерна возникли во время интенсивного звездообразования.
Итак, что все это значит для нас с вами? Фактически весь материал, из которого мы сделаны, — это умирающие звезды. В человеке есть даже есть небольшое количество звездной пыли предполагаемого начала Вселенной 13,8 млрд лет назад.
Исследование 2017 года доказало это. В рамках эксперимента по галактической эволюции (APOGEE) проанализирован состав 150 000 звезд с помощью спектроскопии. Исследование показало, что люди и Млечный путь на 97% состоят одних и тех же атомов.
Недавно в изучении этого вопроса ученые продвинулись еще дальше.
Новое исследование углеродного слоя Земли
В Университете Мичигана ученые провели интересное исследование, которое связано с одной из гипотез происхождения человека. Она необычная, но пока не доказано то, что она не может иметь права на существование, ученые ищут доказательства того факта, что человек мог произойти из звездной пыли.
Исследователь Джи Ли — один из авторов этого исследования. Он считает, что большая часть углерода, который есть на Земле, появилась на Голубой планете из межзвездной среды. Этот материал может и до сих пор существовать в космосе между звездами и галактиками. Ученый полагает, что образование углеродного «слоя» на Земле произошло после того, как сформировался протопланетный диск. На тот момент облака различных соединений, в том числе пыли и газа, окружали молодое Солнце. Они могли также содержать строительные блоки планет.
Углерод мог быть изолирован в твердые частицы, это произошло в течение одно миллиона лет после того, как образовалось Солнце. То есть фактически углерод, который считается основой жизни на Земле, совершил беспрецедентное путешествие на нашу планету. Одна из версий ученых гласит, что углерод мог образоваться на Земле. Его основой вполне могли стать планеты, которые присутствовали в газе туманностей, а затем он опустился на скалистую планету в виде осадка, в котором и были молекулы.
Ряд ученых из разных стран мира сошлись во мнении, что эти молекулы могли нести углерод, но они не могли быть пригодными для построения Земли, поскольку в результате испарения он не конденсируется обратно в твердое тело. Ли отметил, что эта модель конденсации использовалась наукой на протяжении многих лет. И эта модель поддерживала теорию о том, что во время образования Солнца все элементы планеты испарились, а по мере охлаждения диска некоторые из этих газов конденсировались и поставляли химические ингредиенты твердым телам. Но не углерод.
Он не мог конденсироваться обратно в органическую форму, и потому, как предполагается в рамках нового исследования, что значительные объемы углерода Земли была унаследована от межзвездной среды, избежав испарения на сто процентов. Он мог проникнуть в ядро Земли и стать одной из основ строительных блоков первых форм жизни на нашей планете. И фактически версия о том, что человек произошел из межзвездной пыли в такой интерпретации имеет веские основания быть приемлемым вариантом.
Источник