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
Вселенная и тяжёлый металл
Нам приписывают рождение чего-то вроде тяжёлого металла. Если это так, то нам срочно надо сделать аборт.
— Джинджер Бэйкер, основатель британской рок-группы Cream
Посмотрите вокруг себя. Внимательно оглядитесь вокруг. На всё, что вас окружает – камни, деревья, горы, небо, облака, Солнце, воду, всё живое.
Из чего всё это состоит?
На фундаментальном уровне всё, известное вам, всё, находящееся на Земле, состоит из атомов. Водород, углерод, азот, кальций, железо, золото, и т.п. Все элементы Вселенной комбинируются множеством различных способов для получения всего, что мы можем наблюдать во Вселенной. А если мы заглянем в суть предметов, мы увидим то самое, что придаёт каждому атому его особенные свойства.
И, как ни удивительно, это будет просто количество протонов в ядре атома. И всё многообразие существующих в нашем мире вещей может существовать только потому, что в мире существует изобилие различных элементов, от водорода до урана и дальше.
Но все эти элементы не всегда существовали. И, конечно же, их не всегда было так много, как сегодня. К примеру, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная охладилась достаточно, чтобы в ней произошли все ядерные реакции, которые могли произойти при существовавших условиях. И мы можем сказать, какие элементы находились в тот момент во Вселенной.
Как это ни странно, но Вселенная (по массе) состоит на 76% из водорода, на 24% из гелия, и не более чем на 0,0000001% из всех остальных элементов, вместе взятых. Вселенная без проблем остывала и порождала нейтральные атомы, но поскольку в ней появились только водород с гелием и пренебрежимо малое количество иных атомов, остаётся только удивляться, глядя на то, что у нас есть сегодня.
Откуда же всё это взялось? Все имеющиеся сегодня элементы появились, и появляются до сих пор одним способом: в звёздах.
Наше Солнце, как и большинство звёзд, в ходе ядерного синтеза превращает водород в гелий, и именно это питает наше светило. Но самые тяжёлые, массивные звёзды жгут своё топливо гораздо быстрее. А когда они сжигают весь водород, то получившийся гелий они превращают в углерод, а потом в азот, кислород, неон и натрий, а потом в кремний и серу, а потом в железо, никель, кобальт и медь.
До этого этапа доходят звёзды, масса которых превышает солнечную минимум в восемь, а то и в сотни раз. Нашему Солнцу потребуется порядка десяти миллиардов лет для того, чтобы сжечь всё его топливо. А более массивные звёзды горят от десятков миллионов до всего лишь десятков тысяч лет до тех пор, пока у них в ядре не кончится топливо! И следующий этап получается весьма зрелищным.
Звезда превращается в сверхновую, и испускаемой ею энергии хватает на создание всех элементов Вселенной, причём в огромном количестве.
На видео показано, как эти элементы разлетаются и попадают во Вселенную. С точки зрения чистого водорода и гелия можно сказать, что они «загрязняют» Вселенную. Но если вам нравится обилие всех этих тяжёлых металлов и других элементов во Вселенной, вы можете сказать, что они обогащают её.
В некоторых регионах, богатых в прошлом звёздами большой массы – особенно там, где сменилось уже множество поколений звёзд – можно найти огромное количество металлов. Именно такая картина наблюдается в том участке космоса, где находится Солнце. Ведь в нём есть огромное количество спектральных линий поглощения, однозначно определяющих наличие тяжёлых элементов!
В отличие от «чистой» Вселенной, наш район космоса обогащён, и примерно 2% всех находящихся в нём элементов оказываются тяжелее водорода или гелия. Нашему Солнцу предшествовали не менее двух поколений звёзд, которые сформировались, сожгли своё горючее, умерли и обогатили свой район космоса. Но наш регион никак нельзя назвать одним из самых богатых регионов Вселенной, или даже нашей галактики.
А где мы можем искать такие регионы?
Огромное количество элементов тяжелее гелия, которые космологи называют металлами, находится в центрах самых массивных галактик – самых ярких, активных и жестоких регионов, известных во Вселенной.
Галактики начали формировать звёзды всего через 50-100 миллионов лет после Большого взрыва, и в самых массивных, богатых галактиках, перед тем, как их свет дойдёт до нас, может смениться не одно или два, а множество поколений звёзд.
Поэтому, когда я вижу новости типа такой:
Учёные удивились, открыв, что углерод существовал во Вселенной гораздо раньше, чем считалось ранее.
я крайне поражаюсь. Потому, что если они не имеют в виду под «ранее» 1920-й год, мы-то уже так не считаем!
Это TN J0924-2201, самая дальняя из открытых радиогалактик (с красным смещением z = 5,19. Чем больше число красного смещения, тем моложе тогда была Вселенная, и тем дальше объект от нас). О ней была написана научная работа. Но так ли удивительно, что в этой галактике обнаружено так много тяжёлых металлов? Процитируем статью:
Пусть вас не обманывают заголовки: хорошо известно, что Вселенная была богатой металлами и серьёзно эволюционировала уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть, когда её возраст составлял всего 5% от нынешнего! К примеру, обратим внимание на эту галактику-«младенца»:
Этой галактике всего 700 миллионов лет, её красное смещение таково, что приходящий от неё свет – большая часть которого была голубой или ультрафиолетовой – уже сместилась из видимой части спектра! И всё же эта галактика не только в 8 раз больше по массе, чем Млечный путь, но и даже богаче тяжёлыми элементами, чем наше Солнце!
И всё-таки нам известно, что в какой-то момент в прошлом самые первые из сформировавшихся звёзд состояли лишь из водорода и гелия. Где это было? Остаётся лишь заглядывать дальше в прошлое.
Пока что это самая дальняя из всех известных нам галактик: UDFj-39546284. Она существовала, когда Вселенной было всего 480 млн лет, то есть 3,5% от сегодняшнего её возраста!
В этой галактике есть небольшое количество горячих голубых звёзд, и её масса меньше, чем 1% массы Млечного пути! Там ли формировались первые звёзды? Типична ли эта галактика для существовавших тогда, на ранних этапах жизни Вселенной?
Согласно лучшим нашим теориям мы не будем удивлены, если настолько ранние галактики были богаты металлами, и – во многих случаях – их массы были сравнимыми с массой Млечного пути. Но в какой-то момент какая-то из удалённых галактик окажется самой первой. И мы хотим знать, где это было и когда. И сейчас для выяснения этого обстоятельства разрабатывается только один план.
И это всего лишь одна из причин, по которым нам нужен космический телескоп им. Джеймса Уэбба!
А пока мы его не запустили, не удивляйтесь, что дальние части Вселенной состоят из тяжёлых металлов, эволюционировавших звёзд и массивных галактик. Вселенная – это место, где всё, что нам известно, происходит очень быстро. Остаётся догадываться, сколько лет назад, при подходящих условиях могли сформироваться планеты и даже жизнь!
Источник
ПОСЛАНЕЦ КОСМОСА — ЖЕЛЕЗО
Золото, медь, лунно-белое серебро сами проявили себя из недр Земли. А вот железо тысячелетиями было знакомо человеку как посланец божественного неба – точнее, космоса. В тех местах, где полосы небесного огня достигали земли, древние находили темно-коричневые, ноздреватые, оплавленные обломки камня, внешне очень похожего на металл, но неподвластные земному пламени.
На языке коптов, народа, жившего в Древнем Египте, такой камень назвали «би-ни-пет», то есть «небесный», – это было одно из самых первых названий хорошо знакомого нам железа. Шумеры считали железо «небесной медью», армянские металлурги в древности прозвали этот металл «яркат» – «капнувший с неба».
Тысячелетиями владела умами идея о небесном происхождении железа. Например, среди богов-олимпийцев непререкаемым уважением пользовался хромой кузнец Гефест. Почему он был хром? Легенда гласит, что однажды разгневанный Зевс сбросил Гефеста с Олимпа, и Гефест, падая на остров Лемнос, сломал ногу. Вслед за ним упала и его расчудесная наковальня – та самая, на которой бог-кузнец ковал доспехи, оружие и украшения богам и героям. Гефест обучил кузнечному ремеслу всех жителей острова Лемнос, ставших самыми лучшими кузнецами Эллады.
Схожие сюжеты есть и в преданиях других народов. Например, в старинной Ипатьевской летописи, передавшей суть языческих верований древних славян, отмечено, что во времена властвования Сварога «упали с неба клещи, начали ковать оружие, а до того билися камнем и палицей». В легендах славян сохранились «божественные кузнецы» Козьма и Домиан, а также единый славный богатырь Козьмадемьян – сильный и добрый, сам выковавший волшебные клещи. Он схватил ими страшного змея прямо за язык, не разнимая клещи, подтащил страшного врага к железному плугу, запряг его и вспахал землю. Так у «народа-хлебопашца» главным пахарем был «небесный кузнец».
О происхождении железа рассказывает карело-финский эпос «Калевала». Герой поэмы – всеми любимый беззаботный весельчак-поэт Леммикайнен – обращается к главному богу Укко:
О ты, Укко, бог великий!
Ты ведь правишь туч грозою,
Отвори ты свод небесный,
Твердь воздушную раскрой ты,
Ниспусти ты град железный,
Ты пошли куски железа
В гриву жеребенку Хийси,
Белолобому на спину!
И внял Укко мольбам, «испустил он град железный, покрупней главы мужчины и поменьше лошадиной».
В древности этот небесный металл ценился очень высоко. Однако самое почетное изделие из метеоритного железа – не оружие и даже не орудие труда, а… бусы из прокованных железных пластинок. По данным археологов, этим египетским бусам 6 тысяч лет. Во времена знаменитых фараонов великих династий железо считалось драгоценным металлом. Об этом говорят сохранившиеся папирусы одного фараона с просьбой к правителю хеттов – народа, жившего в Малой Азии: поменять золото, которого в Египте «столько, сколько песка в пустыне», на железо. В знаменитом архиве папирусов в Амарне сохранился документ, повествующий о том, что правитель хеттского племени из Метании прислал фараону Аменхотепу III и его сыну Эхнатону драгоценный подарок – железное оружие.
Автор книги «Боги, гробницы, ученые» К. Керрам, рассказывая о гробнице Тутанхамона, отмечает, что в ней, до отказа набитой золотом, наибольшую ценность с точки зрения древних имел скромный железный амулет.
По всей видимости, первыми секрет получения металлического железа открыли хетты. Они же начали поставлять его в другие страны древнего мира. Три тысячи лет тому назад хеттский царь писал фараону Рамзесу II, что выслал целый корабль, груженный «чистым железом», и в качестве особого подарка – железный меч. Другими словами, железо из драгоценного металла постепенно превращалось в металл войны. На стене усыпальницы Рамзеса III (1204–1173 гг. до н. э.) видна целая батальная сцена – воины сражаются копьями и мечами из железа.
В различных районах Египта археологи находят останки плавильных печей и возле них бруски металла. Эти находки – ступеньки, по которым «небесный металл» спускался на Землю и приобретал «гражданские права». Наконец, к IX веку до нашей эры железо в Египте окончательно вытеснило бронзу. Теперь железо уже не только металл войны, но и мирного труда – ремесленника и пахаря.
Аналогичная картина наблюдается и в Месопотамии.
В Британском музее хранится коллекция ассирийского оружия времен царствования Саргона II (722–706 гг. до н. э.) – железные мечи, покрытые тонкой бронзовой оболочкой. Ассирийцы, грозные завоеватели, заботясь о своем оружии, погружали его в расплавленную бронзу. И еще об одном открытии археологов: во дворце Саргона II был обнаружен склад железа – 160 тонн этого металла в крицах весом от 4 до 20 килограмм. Тут же – железные плуги, топоры, лопаты…
Из Малой Азии секрет изготовления железа распространился по Египту, Ассирии, Палестине, а потом железо пришло и в Европу. «Схватка» бронзы и железа здесь продолжалась в течение XI–VIII веков до нашей эры.
В Древнем Риме, где железо стало главным металлом для изготовления оружия и орудий труда, именно железное обручальное кольцо стало знаком прочного союза.
Историки утверждают, что в VII веке до нашей эры железо практически вытеснило бронзу в обиходе по всей Европе. Бронза применялась широко лишь для производства художественных изделий, украшения одежды, кухонного инвентаря.
Сколько проржавело железных колечек и амулетов, прежде чем человек, наконец, понял, что железо не только небесный посланец, но и самый что ни на есть земной металл. Оно, железо, составляет 5,1% массы земной коры, в общей же массе нашего «шарика» доля железа достигает 34,6%!
У читателей наверняка возникнет вопрос: раз железа так много в составе планеты, как же случилось, что так долго длился каменный век? И почему медь и бронзу люди узнали раньше железа?
Если мы ответим на эти «почему», возникнут два новых вопроса: из чего можно делать железо и как? Узнать железо в его минералах непросто. Если взять самородное железо, то оно – как самородное золото и самородная медь – имеет явное обличье металла. Самородное железо внешне очень похоже на серебро и платину, имеет серебристо-серый цвет, схожую ковкость. Высокая плотность, ощущаемая нами как тяжесть, чувствуется даже в маленьких кусочках. На свежем изломе очень похожее на платину самородное железо имеет все же конкретное отличие, а именно – быстро «одевается» в черно-бурую «рубашку» окислов. Отличается самородное железо от своего благородного собрата – платины – разве что высокой магнитностью. Однако самородного железа в природе мизерно мало. Так что недаром наши предки, находя самородное железо в метеоритах, причисляли его к редким металлам.
Выявленные особенности метеоритов – каменных, железно-каменных, чисто железных – позволили ученым приоткрыть тайну строения глубинных слоев Земли. Скажем, горные породы Земли очень близки по составу с метеоритным веществом. В кристаллических минералах базальта можно обнаружить мельчайшие кристаллики самородного железа, которые, в отличие от метеоритного железа, имеют округлую, обтекаемую форму. Эти минералы в геологической литературе называются теллурическими, то есть земными. Теллурическое железо впервые обнаружено вблизи г. Касселя (Германия) и на острове Диско, что в Гренландии, – это единственное в мире месторождение самородного железа. Базальт здесь низвергался на поверхность через толщи каменного угля. Ученые утверждают, что самородное железо образуется именно в восстановительных реакциях: при наличии углистого вещества, битума и метана.
В 1905 году известный российский геолог А. Иностранцев обнаружил в районе Русского острова (Дальний Восток), где вулканическая лава извергается на поверхность, угольные пласты с линзами железной руды и с ними… пластовую залежь самородного чугуна, сплава железа и углерода, прямо как в плавильной печи! В этом самом природном чугуне содержится 3,2% углерода, 1,55% кремния, 10,66% марганца.
Из-за редкости обнаружения «небесных посланцев» в XVIII веке ученые мужи настолько разуверились в возможности нахождения метеоритов, что даже убрали их из музеев, «дабы не срамиться перед публикой». Например, в научных кругах Вены с сарказмом писали: «Можно ли себе представить, что в 1751 году даже самые просвещенные люди в Германии могли поверить в падение куска железа с неба?» Академия наук Парижа постановила «не рассматривать впредь сообщений о падении камней на Землю», подразумевая их антинаучными. Какая невероятная убежденность в этих условиях нужна была русскому академику ученому-натуралисту П. Палласу и его единомышленнику ученому-химику Э. Хладни, которые осмелились снова сообщить научному миру о космическом происхождении громадного (в 600 килограмм!) сибирского метеорита! Этот метеорит-феномен был найден в 1749 году на горе Темир (на языке сибирских татар «железо») между городами Красноярск и Минусинск местным казаком-охотником. С превеликими трудностями в 1775 году Паллас доставил метеорит из Сибири в Москву. Этот метеорит, названный «Палласовым железом», был впервые детально изучен, и это доказало всему ученому сообществу неразрывную связь нашей планеты с космосом.
Но метеорит Палласа не был рекордсменом по массе. В Мексике упал метеорит массой в 100 с лишним тонн! Однако были метеориты и более впечатляющих размеров: так, Чертова долина в Аризоне (США) является метеоритным кратером – его диаметр достигает 12 километров, а глубина 200 метров. Возникла долина после падения метеорита весом 100 миллионов тонн.
И все же существует оружие из метеоритов. Например, кинжал с золотой рукояткой, найденный при раскопках шумерского города Ура, был изготовлен предположительно в 3100 году до нашей эры. Есть оружие и предметы из метеоритного железа, изготовленные в более позднее время: две сабли и наконечник пики индийского властителя Джехангира (XVII век), шпаги русского царя Александра I и героя Южной Америки Боливара.
В конце прошлого века появилась интересная информация о самородном железе: археологи Моравского музея в г. Брно, закончив 19-й сезон раскопок местечка-поселения Метенице, относящегося к раннему средневековью, среди 40 тысяч различных предметов обнаружили топор, изготовленный из «космического» железа. Ученые предполагают, что топор был получен холодной обработкой металла. Конечно, сейчас метеориты в металлургических целях не используются: они тщательно исследуются и хранятся в музеях при метеоритном комитете РАН.
Самородное железо имеется и на Луне – правда, меньше, чем ожидалось (кстати, лунное железо отличается от метеоритного высоким содержанием кобальта, постоянного спутника никеля). Поверхность Луны постоянно бомбардируется железными метеоритами. Однако большая часть метеоритов при ударе… испаряется. А железо, конденсируясь в виде тончайших (тоньше микрона) пленок, оседает на поверхности частиц лунного грунта. Причем эти сверхтонкие железные пленки имеют чудесное свойство: они не ржавеют. В течение многих лет ученые пытались разгадать эту тайну лунного железа, но тщетно. Полагают, что его «закалил» солнечный ветер – поток ионизированных частиц, испускаемых Солнцем.
Геохимики и металлурги мечтают об обработке земного железа солнечным ветром. Эту идею можно воплотить в реальность, если обработку вести на Луне, где вдоволь вакуума.
Но… Еще в VI веке, когда о вакууме и понятия не имели, в Дели была воздвигнута колонна из чистейшего железа высотой 7,5 метра, диаметром 40 сантиметров и массой в 6 тонн. Эта колонна не ржавеет. Как не ржавеет и знаменитая железная колонна, стоящая рядом с минаретом Кутуб. Установлено, что колонна сварена из тщательно прокованных отдельных криц чистого железа. Возможно ли было получить в те далекие времена это особо чистое, нержавеющее железо? Может быть, оно было самородным – теллурическим? Во всяком случае, плоскогорье Декак сложено излившимися базальтами на большой площади – траппах. Не исключено, что, внедряясь в осадочную толщу, эти базальты могли встретить на своем пути пласты каменного угля высокого качества и образовали в центре Индии месторождение самородного железа, на сегодня выработанное и забытое.
Издание «Истоки» приглашает Вас на наш сайт, где есть много интересных и разнообразных публикаций!
Источник